선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 노약자들을 위한 바퀴형 보행 보조 로봇을 개발하였다. 핵심 전략으로써 유아용 보행기와 바퀴용 보행기 및 전동식 휠체어의 장점만을 융합하였으며, 이로부터 노약자들에게 사용하기 편리하고 안전한 보행 보조 로봇을 개발하였다.
가설 설정
- 조건 1)을 고려하기위해 성인무게를 70 kgf 로 가정하고 로봇의 무게가 45 kg 이며 바퀴의 반지름(r)이 11 cm 일 때, 10도 경사면에서 바퀴 1개에 작용하는 토크는 아래와 같이 계산된다 (Fig. 10 참조).
제안 방법
- 13과 같이 감지부의 각도가 양수일 경우는 전진 방향으로 바퀴를 구동시키며, 각도가 음수일 경우는 후진 방향으로 바퀴를 구동시킨다. 각도의 크기에 비례하여 모터의 PWM Duty를 증가시켜 모터의 회전속도가 증가되며 PWM Duty를 80%에 제한하여 최대 약 2,600 rpm까지 구동될 수 있도록 하였다. 이때, 각도 당 모터 회전속도를 약 260 rpm/도로 설정하였으며, ±2도가량의 데드존을 주어 골반의 작은 움직임에 대해 모터가 민감하게 정회전과 역회전을 빠르게 반복하지 않도록 하였다.
- 첫째, 일반인과 다르게 노약자들은 넘어지게 되면 골절이 발생하여 자칫 크게 다칠 수 있다. 따라서, 노약자가 절대 넘어지지 않도록 유아 보행기의 골반 지지대를 보행 보조 로봇에 적용하였으며, 골반 지지대의 높이를 착용자의 키와 체중 보조 정도를 고려하여 조절이 가능하도록 하였다. 둘째, 노약자들은 대부분 몸의 원활한 운동에 제약이 있는 경우가 많기 때문에 보행 보조 로봇의 방향을 제어하는 방법이 복잡하면 사용 자체가 매우 힘들다.
- 둘째, 노약자들은 대부분 몸의 원활한 운동에 제약이 있는 경우가 많기 때문에 보행 보조 로봇의 방향을 제어하는 방법이 복잡하면 사용 자체가 매우 힘들다. 따라서, 조이스틱이나 운전대를 사용하지 않고, 몸통의 움직임을 직접 측정하여 로봇의 구동에 반영할 수 있도록 하였다. 셋째, 노약자들의 운행 안전성을 고려하여, 장애물이 가까이 접근하게 되면 거리 정도에 따라 청각와 촉각으로 착용자에게 전달하여, 충돌을 방지하도록 하였다.
- 특히, 인체공학 관점에서의 운동 감지기를 설계하였으며, 바퀴 모터와의 구동 알고리즘을 수립함으로써 사용자의 보행 의도에 따른 원활한 보행 보조가 이뤄질 수 있도록 하였다. 또한, 시각장애인이나 청각장애인들을 위하여 초음파센서를 이용한 장애물 검출을 수행하였고, 진동모터와 부저를 이용하여 장애물의 대략적인 방향과 거리를 파악할 수 있도록 하였다. 최종적으로 여러 가지 보행 보조 실험을 통하여 보행 보조 로봇이 사용자의 보행에 맞춰서 원활히 추적할 수 있음을 확인하였다.
- 깊이의 경우 일반 보행(약 400 mm/step) 시 발이 프레임 닿지 않을 거리로 설정했으며, 무게 비중이 가장 높은 구동부와 전장부를 후방부에 배치하여, 노약자가 자칫 앞으로 쓰러져서 무게 중심이 전방부로 치우쳐지는 것을 방지하였다. 또한, 착용자 전방에 충분한 빈 공간을 두어 양 팔 작업에 지장이 없도록 하였다. 참고로 로봇의 전반적인 사양을 Table 1 에 나타내었다.
- 로봇의 메인 프레임은 30 × 30 mm 단면 사이즈의 알루미늄 프로파일을 이용하여 무게 대비 강성을 높여서 제작하였다.
- 넷째, 보행 보조 로봇의 실용적인 사용을 위해, 보행 보조기를 착용한 상태에서도 간단한 양 팔 작업이 가능하도록 전방 부위 공간을 최대한 확보하였다. 마지막으로, 단순 보행 보조 기구와 전동 휠체어 그리고, 유아 보행기의 장점만을 조합하고 비교적 저렴한 부품의 사용으로부터 상품성이 뛰어난 보행 보조 로봇을 제작하였다.
- 본 연구에서 제작한 보행 보조 로봇의 구동을 검증하기 위해 여러 가지 보행 보조 실험을 수행하였다. 보행 보조 실험은 좁고 굽어진 일반 복도 환경에서 치러졌으며, 비디오 카메라를 이용하여 보행 영상을 촬영하였다. 우선, Fig.
- 국내의 경우, 공정식 외 4인은 2008년도에 동력식 보행보조로봇을 개발하였다[7]. 본 로봇은 사용자의 의지를 파악하기 위한 핸들바를 고안하였고, FSR 센서와 퍼지 알고리즘으로부터 사용자의 보행 속도 및 보행 방향을 파악하였다.
- 일본의 Hitachi 사는 동력 보조식 보행 보조 시스템을 개발하였다[6]. 본 로봇은 전방의 2개의 캐스터와 후방의 2개의 구동모터가 장착되었으며, 핸들의 힘센서에 의한 보행 의지 파악 및 모터 구동을 수행한다. 그 외에도 적외선 센서에 의한 장애물검출과 기울기 센서에 의한 경사면 주행기능을 갖추고 있다.
- 기존의 단순 보행 보조기들을 보면 대부분 충격을 흡수할 수 있는 요소가 없어서 장시간 이용하게 되면, 피로가 누적되기 쉽다. 본 연구에서 개발된 보행 보조 로봇의 경우 지면의 불규칙한 반발력이 골반에 전달되어 착용감이 낮아지게 되는 것을 방지하기 위하여, 로봇을 상/하부로 분리하였고, 그 사이에 충격 흡수기 4개를 장착하였다 (Fig. 9 참조).
- 본 연구에서 제작한 보행 보조 로봇의 구동을 검증하기 위해 여러 가지 보행 보조 실험을 수행하였다. 보행 보조 실험은 좁고 굽어진 일반 복도 환경에서 치러졌으며, 비디오 카메라를 이용하여 보행 영상을 촬영하였다.
- 본 연구에서는 이러한 단점들을 보완할 수 있도록 모터구동식 보행기에 유아 보행기의 골반 지지대를 응용하여 절대 착용자가 넘어지지 않으면서 양 팔을 자유롭게 하였고, 인체공학적 센서장치를 고안하여 핸들바없이 착용자의 보행 의도를 효과적으로 인지하고 적절한 모터 동력을 인가할 수 있 새로운 개념의 보행 보조 로봇을 개발하였다 (Fig. 3 참조).
- 노약자는 일반적으로 보행 기능이 원활하지 않기 때문에 보행 보조 로봇이 장애물 근처로 접근할 경우 알람을 생성할 필요가 있다. 본 연구에서는 초음파 센서를 로봇의 오른편과 왼편에 각각 두 개씩 Fig. 14 와 같이 장착하여 주변 장애물의 방향과 거리를 알아내고 그에 따라 오른쪽 및 왼쪽 팔 지지대에 장착된 진동모터의 세기와 주기를 변화하여 노약자가 장애물과의 방향과 거리를 촉각으로 전달 할 수 있도록 하였으며, 또한, 부저를 후방부에 장착하여 장애물의 거리에 따라 역시 소음의 크기를 변화하여 청각으로도 장애물의 접근을 알 수 있도록 하였다. 따라서, 노약자가 시각장애인이나 청각장애인이라고 하더라도 본 연구에서 제작된 보행 보조 로봇을 안전하게 이용할 수 있도록 하였다.
- 따라서, 조이스틱이나 운전대를 사용하지 않고, 몸통의 움직임을 직접 측정하여 로봇의 구동에 반영할 수 있도록 하였다. 셋째, 노약자들의 운행 안전성을 고려하여, 장애물이 가까이 접근하게 되면 거리 정도에 따라 청각와 촉각으로 착용자에게 전달하여, 충돌을 방지하도록 하였다. 넷째, 보행 보조 로봇의 실용적인 사용을 위해, 보행 보조기를 착용한 상태에서도 간단한 양 팔 작업이 가능하도록 전방 부위 공간을 최대한 확보하였다.
- 로봇의 메인 프레임은 30 × 30 mm 단면 사이즈의 알루미늄 프로파일을 이용하여 무게 대비 강성을 높여서 제작하였다. 전체적인 크기는 너비 880 mm, 깊이 920 mm, 높이 1,150 mm 로써 Fig. 5와 같이 사람이 착용을 했을 때 골반과 어깨 높이 및 너비를 고려하여 적절한 높이와 너비로 설계하였다. 깊이의 경우 일반 보행(약 400 mm/step) 시 발이 프레임 닿지 않을 거리로 설정했으며, 무게 비중이 가장 높은 구동부와 전장부를 후방부에 배치하여, 노약자가 자칫 앞으로 쓰러져서 무게 중심이 전방부로 치우쳐지는 것을 방지하였다.
- ATmega128을 사용한 마이크로컨트롤러는 100 Hz의 제어 주파수를 가지고 크게 세 가지 기능을 수행한다. 첫째로, 두 개의 가변저항을 이용하여 착용자의 움직임을 읽어내고, 이에 따라 두 개의 바퀴 모터를 구동시킨다. 둘째로, 네 개의 초음파센서로부터 좌우 장애물의 접근을 판단하고 이로부터 부져와 진동 모터를 구동시킨다.
- 핵심 전략으로써 유아용 보행기와 바퀴용 보행기 및 전동식 휠체어의 장점만을 융합하였으며, 이로부터 노약자들에게 사용하기 편리하고 안전한 보행 보조 로봇을 개발하였다. 특히, 인체공학 관점에서의 운동 감지기를 설계하였으며, 바퀴 모터와의 구동 알고리즘을 수립함으로써 사용자의 보행 의도에 따른 원활한 보행 보조가 이뤄질 수 있도록 하였다. 또한, 시각장애인이나 청각장애인들을 위하여 초음파센서를 이용한 장애물 검출을 수행하였고, 진동모터와 부저를 이용하여 장애물의 대략적인 방향과 거리를 파악할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 노약자들을 위한 바퀴형 보행 보조 로봇을 개발하였다. 핵심 전략으로써 유아용 보행기와 바퀴용 보행기 및 전동식 휠체어의 장점만을 융합하였으며, 이로부터 노약자들에게 사용하기 편리하고 안전한 보행 보조 로봇을 개발하였다. 특히, 인체공학 관점에서의 운동 감지기를 설계하였으며, 바퀴 모터와의 구동 알고리즘을 수립함으로써 사용자의 보행 의도에 따른 원활한 보행 보조가 이뤄질 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 따라서, 로봇의 최대 구동 시간을 4시간으로 설정하면 약 264 Wh 용량의 배터리가 필요하다. 본 연구에서는 비용 절감을 위해 시중에서 저렴한 가격에 쉽게 구매할 수 있는 로케트사의 12 V, 12 Ah 용량의 오토바이용 배터리(STX14-BS) 2개를 직렬로 연결하여 사용하였다. 따라서, 288 Wh 의 배터리 용량으로부터 4시간 구동조건을 만족하였다.
- 위의 필요 토크 조건을 만족시키기 위해 Table 2와 같은 사양의 200 W급 기어드 DC 모터(대화기전 주)를 선정하였다. 모터의 정격 토크가 0.
성능/효과
- 셋째, 노약자들의 운행 안전성을 고려하여, 장애물이 가까이 접근하게 되면 거리 정도에 따라 청각와 촉각으로 착용자에게 전달하여, 충돌을 방지하도록 하였다. 넷째, 보행 보조 로봇의 실용적인 사용을 위해, 보행 보조기를 착용한 상태에서도 간단한 양 팔 작업이 가능하도록 전방 부위 공간을 최대한 확보하였다. 마지막으로, 단순 보행 보조 기구와 전동 휠체어 그리고, 유아 보행기의 장점만을 조합하고 비교적 저렴한 부품의 사용으로부터 상품성이 뛰어난 보행 보조 로봇을 제작하였다.
- 따라서, 노약자가 절대 넘어지지 않도록 유아 보행기의 골반 지지대를 보행 보조 로봇에 적용하였으며, 골반 지지대의 높이를 착용자의 키와 체중 보조 정도를 고려하여 조절이 가능하도록 하였다. 둘째, 노약자들은 대부분 몸의 원활한 운동에 제약이 있는 경우가 많기 때문에 보행 보조 로봇의 방향을 제어하는 방법이 복잡하면 사용 자체가 매우 힘들다. 따라서, 조이스틱이나 운전대를 사용하지 않고, 몸통의 움직임을 직접 측정하여 로봇의 구동에 반영할 수 있도록 하였다.
- 14 와 같이 장착하여 주변 장애물의 방향과 거리를 알아내고 그에 따라 오른쪽 및 왼쪽 팔 지지대에 장착된 진동모터의 세기와 주기를 변화하여 노약자가 장애물과의 방향과 거리를 촉각으로 전달 할 수 있도록 하였으며, 또한, 부저를 후방부에 장착하여 장애물의 거리에 따라 역시 소음의 크기를 변화하여 청각으로도 장애물의 접근을 알 수 있도록 하였다. 따라서, 노약자가 시각장애인이나 청각장애인이라고 하더라도 본 연구에서 제작된 보행 보조 로봇을 안전하게 이용할 수 있도록 하였다.
- 16은 제자리 회전 보행 보조 영상의 스냅샷을 보여준다. 보행 보조 로봇의 바퀴가 착용자의 몸통 중심보다 다소 뒤편에 위치하여 약 30 cm의 회전 반경이 존재하나, 좁은 복도 환경에서도 충분히 착용자의 제자리 회전을 추종할 수 있었다. 마지막으로 Fig.
- 첫째, 일반인과 다르게 노약자들은 넘어지게 되면 골절이 발생하여 자칫 크게 다칠 수 있다. 따라서, 노약자가 절대 넘어지지 않도록 유아 보행기의 골반 지지대를 보행 보조 로봇에 적용하였으며, 골반 지지대의 높이를 착용자의 키와 체중 보조 정도를 고려하여 조절이 가능하도록 하였다.
- 또한, 시각장애인이나 청각장애인들을 위하여 초음파센서를 이용한 장애물 검출을 수행하였고, 진동모터와 부저를 이용하여 장애물의 대략적인 방향과 거리를 파악할 수 있도록 하였다. 최종적으로 여러 가지 보행 보조 실험을 통하여 보행 보조 로봇이 사용자의 보행에 맞춰서 원활히 추적할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 현재는 사용자의 골반의 움직임이 생성되어야 비로소 보행 보조 로봇이 추적하는 피드백 전략으로써 반응이 약간 느린 단점이 존재한다. 따라서, 골반의 움직임이 생성하기 전에 다리의 스윙으로부터 미리 보행 의도를 감지하여 좀 더 능동적으로 사용자를 추적하는 피드포워드 전략을 추가할 계획이다. 둘째로는 현재 개발된 로봇은 너비가 다소 커서 일반 방문을 통과하지 못하는 단점이 존재한다.
- 둘째로는 현재 개발된 로봇은 너비가 다소 커서 일반 방문을 통과하지 못하는 단점이 존재한다. 따라서, 로봇의 너비를 최소화하여 생활 환경에 제약이 없도록 최적화 설계를 수행할 계획이다.
- 본 연구 과제의 향후 계획은 첫째, CCD 카메라를 이용한 보행 궤적의 실시간 분석으로부터 보행 보조 로봇이 좀 더 능동적으로 사용자를 추적할 예정이다. 현재는 사용자의 골반의 움직임이 생성되어야 비로소 보행 보조 로봇이 추적하는 피드백 전략으로써 반응이 약간 느린 단점이 존재한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.