[논문]메카넘 바퀴를 적용한 리프팅 휠체어의 설계 및 제작에 관한 연구

조장현; 황병준

문제 정의

본 연구에서는 메카넘 바퀴를 이용하여 실제 크기의 휠체어의 다양한 운동 모습을 구현하고 좌석은 슬라이딩 타입 선형 모터를 이용, 리프팅 하여 정상 성인의 키 높이를 구현하는 휠체어를 설계, 제작 및 기능시험을 통하여 상용화 가능성을 검토하였다. 이러한 휠체어는 주로 실내에서의 장애인의 작업환경에 적절히 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
8 에서와 같이 브라켓의 두께가 8mm 인 강을 사용하여 안정성을 향상시켰다. 이는 레이저 절단 가공을 하여 일반적인 절단에 비하여 가공 면의 거칠기를 향상시켜 조립성을 확보하였다. 또한 4개의 메카넘 바퀴와 지면과의 접촉이 평면적으로 일정하여야 다양한 운전 모드의 정확성을 유지할 수 있으므로 조립 작업 공정 중 최대한의 수평 유지를 위한 받침대를 설치하여 수행하였다.
현재 전동 휠체어는 장애인과 노약자에게 전기 동력을 이용하여 이동기능과 추가적으로 직립기능을 갖춘 것이 일반적이다’ 이미 파워 스탠딩 방식의 휠체어에 대한 설계와 제작 관련한 연구 4 (Table 1 참조)에서 조사된 바와 같이 스탠딩 기능을 갖춘 전동 휠체어 상용제품의 경우 약 600 만원 중반에서 2000 만원에 이른다. 이에 스탠딩 휠체어의 설계 및 제작 연구 4 에서 경제적인 모델의 상용화 가능성을 검토하였다.

가설 설정

이에 운동학 및 운동역학적 이론 검토에 부합되는 가정을 설정할 필요가 있다. 메카넘 휠의 특성상 본체형 바퀴의 원주상에 부착된 소형 롤러의 구름을 정지로부터 운동이 시작되는 시점을 기준으로 잡고 기동시의 운동은 구동모터에 연결된 바퀴를 일체형 강체의 구름운동으로 가정한다. 이렇게 하나의 강체로 간주된 휠체어는 평면상에서 세 가지 방향의 운동자유도를 갖게 된다.

제안 방법

방향과 45。가 되도록 장착한 메카넘 바퀴를 사용하여 다양한 운전 모드를 구현하고 좌석의 상승 리프트를 장착한 전동 휠체어의 메카트로닉즉면의 설계와 제작을 통하여 실제 상용화를 검토해 보았다.
것을 구동실험으로 확인하였다. 또 휠체어 좌석의 상승 기능을 구현하기 위해서 선형 가이 드 모터 를 의 자 등판 부에 부착되 어있는 오토엘체어 사의 AFC₇₀0 모델의 좌석 부분을 검토한바 150kg 의 중량을 리프팅 할 수 있어 채택하였다. 이를 제작품의 시험을 통하여 70-80kg 인 성인을 0.
이는 레이저 절단 가공을 하여 일반적인 절단에 비하여 가공 면의 거칠기를 향상시켜 조립성을 확보하였다. 또한 4개의 메카넘 바퀴와 지면과의 접촉이 평면적으로 일정하여야 다양한 운전 모드의 정확성을 유지할 수 있으므로 조립 작업 공정 중 최대한의 수평 유지를 위한 받침대를 설치하여 수행하였다.
이 드라이버는 500W 이상에서도 사용가능하며 R/C, RS232, IC 등 다양한 입력 모드와 휠체어의 조이스틱 입력이 가능하다. 또한 급출발에 대한 문제 해결을 위해 SOFT START 기능을 삽입하여 안정성을 높였다. 아래 Fig.
메카넘 바퀴를 이용한 리프팅 휠체어의 메카트로닉 설계 내용의 검토결과로 얻어진 각각의 세부 사양을 근거로 본 절에서는 부위별 제작 설계 사항과 실제 작업내용을 요약하였다. 실제 메카넘바퀴를 적용한 리프팅 휠체어의 제작에 고려한 설계내용은 크게 4 분야로써 우선 메카넘 바퀴의 장착으로 전후좌우 및 임의의 방향으로의 병진운동, 제자리 회전운동 등의 정확성과 4 륜구동에 의한 각 바퀴에 발생하는 구조역학적 하중을 견디기 위하여 바퀴와 본체 프레임 연결 부분의 적절한 가공 및 조립 안정성을 고려하였다.
이미 소개했던 오토엘체어사의 AFC₇₀0 모델을 기본 프레 임으로 메카넘 바퀴의 가공 및 조립과 구동원인 배터리 설치, 운전콘트롤 패널 부착과 회로결선 등의 작업이 적용되었다. 메카넘 바퀴의 설치는 기존 바퀴를 제거하고 프레임에 모터와 메카넘 바퀴를 브라켓 형태로 가공하여 끼워 맞춤형 조립을 하였다. 이는 용접과 함께 기계가공작업이 수반되며 메카넘 바퀴 자체의 무게와 구동에 필요한 각각의 메카넘 바퀴의 작동 방향이 각각 다르며 이에 따른 하중이 기존의 전동 휠체어의 하중과는 상대적으로 클 것으로 예상되어 Fig.
설정하였다. 모터의 구동 토오크로 지면과 메카넘 바퀴 사이의 충분한 마찰력으로 미끄럼없이 순수한 구름 현상을 얻어 원활한 휠체어의 운동을 획득할 수 있는가를 강체의 운동역학적 이론을 참고자료 “ 를근거로 검토하였다. 메카넘 휠 4 개로부터 4-wheel drive 구동방식이 채택되어야만 앞 절에서 검토한 운동의 다양성을 얻을 수 있으며 이를 바탕으로 140kg 의 전동 휠체어를 구동할 때 발생하는 토오크와 휠체어의 운동역학적 관계를 살펴보면 Fig.
실제 작업내용을 요약하였다. 실제 메카넘바퀴를 적용한 리프팅 휠체어의 제작에 고려한 설계내용은 크게 4 분야로써 우선 메카넘 바퀴의 장착으로 전후좌우 및 임의의 방향으로의 병진운동, 제자리 회전운동 등의 정확성과 4 륜구동에 의한 각 바퀴에 발생하는 구조역학적 하중을 견디기 위하여 바퀴와 본체 프레임 연결 부분의 적절한 가공 및 조립 안정성을 고려하였다. 이외에 휠체어 좌석과 휠체어의 운전 및 리프팅 제어시 설계 및 제작품에 적용된 내용을 Table 5 에 요약하였다.
이때 적용한 휠체어의 질량관성 모멘트는 Inventor Ver. 10 을 이용하여 도면과 실제 사용된 재료의 밀도를 고려하여 산출한 질량 관성모멘트를 적용하였다. 아래의 식(8)은 메카넘 바퀴와 지면 사이에서 미끄럼 현상이 먼저 일어난다고 가정할 경우 계산되는 최대정지마찰력이다.
좌석 의 상승은 위 의 Fig. 10 과 같이 수직 슬라이드 이동형 메커니즘을 채택하여 0.6m 의 최대 상승 효과를 얻어 175cm 의 성인 남성이 좌석에 앉은 상태에서 최고상승 시 머리 상단부가 지면으로부터 180cm 에 이르도록 설계 제작되었다. 최종시험 주행에서 1회 충전시 약 6-8 시간 운영이 가능했으며 각 모터는 조이스틱의 조정에 의하여 네 바퀴가 각각의 방향이 선정되고 이를 통한 휠체어의 전후 좌우 및 45° 병진과 제자리 회전 운동 등을 바닥면에서 미끄럼 없이 유연하게 수행하였다.
주요 메카트로닉 설계 이론과 규격 검토와 제작 설계사항을 토대로 메카넘 리프팅 휠체어의 부품과 모듈별 가공 및 완성 조립 작업을 수행하여 시제 모델을 제작하였다. 이미 소개했던 오토엘체어사의 AFC₇₀0 모델을 기본 프레 임으로 메카넘 바퀴의 가공 및 조립과 구동원인 배터리 설치, 운전콘트롤 패널 부착과 회로결선 등의 작업이 적용되었다.
한편 메카넘 바퀴와 바닥과의 마찰계수와 구동 모터의 기동 토오크를 적용하여 휠체어가 마찰력으로 인하여 구를 것인가 미끄러질 것인가를 역학적으로 점검하였다.
입증하였다. 한편 장애인 및 노약자의 실질적인 생활 활동 면에서 검토해 보면 단순 주행과 일반적인 높이에 다다르는 기본적인 기능 외에도 주거 및 작업 환경에서 보다 다양한 활동영역의 확보 즉 운동 기능성의 확보가 필요한 것으로 조사되었고 이를 획득하기 위한 보다 나은 구성요소를 조사한 결과 메카넘 바퀴(mecanum wheel) 의적용성을 검토하였다. 메카넘 바퀴는 2차원 평면에서의 물체의 병진 및 회전운동을 안정감 있게 구현하는 요소로 개발되었다.
휠체어의 운전제어는 CPU 8 bit 마이컴 IC 를선정하고 이를 통한 모터의 정/역회전과 속도제어에 용이한 PWM (Pulse Width Modulation)제어 방법을 채택하였다. 이 방법은 일정한 주파수를 유지하는 고정된 펄스의 듀티비를 변화시킴으로써 평균 전압을 조절하여 필요한 구동력을 획득하는 방법이다.

대상 데이터

이 방법은 일정한 주파수를 유지하는 고정된 펄스의 듀티비를 변화시킴으로써 평균 전압을 조절하여 필요한 구동력을 획득하는 방법이다. 모터 드라이브는 두 개의 모터를 동시에 구동 가능한 NT-DMDSC-50A 모델을 선정하였다. 이 드라이버는 500W 이상에서도 사용가능하며 R/C, RS232, IC 등 다양한 입력 모드와 휠체어의 조이스틱 입력이 가능하다.

성능/효과

84rad/sec)으로 이는 한바퀴를 약 7-8 초에 회전한다. 10% 경사로에서의 상승속도는 평지에" 비하여 '70%에 달하는 lm/sec 의 속도를 낼 수 있었다. 또 전도안정성은 여러가지 운동 모드 중에서 전진운행 중 정지하는 경우에 가장 큰 가속도 1.
최종시험 주행에서 1회 충전시 약 6-8 시간 운영이 가능했으며 각 모터는 조이스틱의 조정에 의하여 네 바퀴가 각각의 방향이 선정되고 이를 통한 휠체어의 전후 좌우 및 45° 병진과 제자리 회전 운동 등을 바닥면에서 미끄럼 없이 유연하게 수행하였다. 또한 소프트 스타트 방식에 의한 정상속도 도달 시간은 약 1 초이며 또한 정지시에도 약 1 초 정도의 소요시간과 반응에서부터 정지시까지 미끄럼 없이 부드러운 정지 현상을 나타냈다. 제자리 회전은 8rpm(0.
또 운전제어패널과 조이스틱, 상하 리프팅 스위치를 우측 팔걸이에 부착하였다. 모든 전기회로 관련 부품을 우측 팔걸이 내부에 장착하고 동력 라인을 외부로 뽑아 운전 중 동작에 방해되는 외부 영향 요인을 최소한으로 줄였다. 발판의 경우 좌석 하단부에 알루미늄 봉을 볼트 작업으로 부착하고 발판을 좌우접이식으로 조립하였다.
에너지원으로 사용할 충전식 배터리의 사양을 조사하여 12V-35A 용 배터리 2 개를 직렬로 연결 , 하여 사용할 경우 구동 모터에 필요한 동력을 충분히 지원할 수 있으며 한번 충전에 운용이 가능하다는 것을 구동실험으로 확인하였다. 또 휠체어 좌석의 상승 기능을 구현하기 위해서 선형 가이 드 모터 를 의 자 등판 부에 부착되 어있는 오토엘체어 사의 AFC₇₀0 모델의 좌석 부분을 검토한바 150kg 의 중량을 리프팅 할 수 있어 채택하였다.
또 휠체어 좌석의 상승 기능을 구현하기 위해서 선형 가이 드 모터 를 의 자 등판 부에 부착되 어있는 오토엘체어 사의 AFC₇₀0 모델의 좌석 부분을 검토한바 150kg 의 중량을 리프팅 할 수 있어 채택하였다. 이를 제작품의 시험을 통하여 70-80kg 인 성인을 0.7m/min 의 속도로 들어올리는 것을 확인하였다.
6m 의 최대 상승 효과를 얻어 175cm 의 성인 남성이 좌석에 앉은 상태에서 최고상승 시 머리 상단부가 지면으로부터 180cm 에 이르도록 설계 제작되었다. 최종시험 주행에서 1회 충전시 약 6-8 시간 운영이 가능했으며 각 모터는 조이스틱의 조정에 의하여 네 바퀴가 각각의 방향이 선정되고 이를 통한 휠체어의 전후 좌우 및 45° 병진과 제자리 회전 운동 등을 바닥면에서 미끄럼 없이 유연하게 수행하였다. 또한 소프트 스타트 방식에 의한 정상속도 도달 시간은 약 1 초이며 또한 정지시에도 약 1 초 정도의 소요시간과 반응에서부터 정지시까지 미끄럼 없이 부드러운 정지 현상을 나타냈다.
한편 실내 바닥과 바퀴 사이의 마찰계수는 기본이론을 이용하여 실험을 통한 측정 결과 평균 마찰계수 0.3 을 얻었다. 이에 휠체어의 전체 무게는 사용자의 무게를 합하여 140kg 으로.
해당 연구에서 설계 사양의 이론적 검토와 실제 모델의 제작 및 시험주행을 통하여 상용화 가능성을 입증하였다. 한편 장애인 및 노약자의 실질적인 생활 활동 면에서 검토해 보면 단순 주행과 일반적인 높이에 다다르는 기본적인 기능 외에도 주거 및 작업 환경에서 보다 다양한 활동영역의 확보 즉 운동 기능성의 확보가 필요한 것으로 조사되었고 이를 획득하기 위한 보다 나은 구성요소를 조사한 결과 메카넘 바퀴(mecanum wheel) 의적용성을 검토하였다.

후속연구

이 문제의 해결책은 설계 시 보다 정밀한 하중 분석이 이루어져야 할 것이며 이는 사용자와 휠체어의 종합적인 하중 분포의 분석이 정밀하게 이루어져야 한다. 또한 메카넘 휠과 활동 영역에서의 바닥 면과의 상호 마찰 등을 고려하여 다양한 재질의 메카넘 휠의 롤러가 개발될 필요가 있다. 본 연구에서 수행된 기계/전기 이론을 바탕으로 한 설계 검토와 시제 제작품의 실제 운용상의 문제 해결 과정은 보다 다양한 운전 모드와 정확한 운동 성능을 구현하는 전동 리프팅 휠체어의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.
또한 메카넘 휠과 활동 영역에서의 바닥 면과의 상호 마찰 등을 고려하여 다양한 재질의 메카넘 휠의 롤러가 개발될 필요가 있다. 본 연구에서 수행된 기계/전기 이론을 바탕으로 한 설계 검토와 시제 제작품의 실제 운용상의 문제 해결 과정은 보다 다양한 운전 모드와 정확한 운동 성능을 구현하는 전동 리프팅 휠체어의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.
이러한 휠체어는 강체의 평면적 운동 모습 이전 후진과 회전에 의한 방향 전환의 세가지 운전 모드에서 전후좌우 및 임의의 방향으로의 병진운동과 제자리 회전 등 다양한 운동을 가능케 하고 좌석의 리프팅 기능을 더하여 실제 노동환경에서의 장애인의 활동영역을 높일 수 있을 것으로 기대한다.
이러한 휠체어는 주로 실내에서의 장애인의 작업환경에 적절히 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

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