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스테레오 카메라를 이용한 지능형 보행보조로봇의 개발
Development of Intelligent Walking Assistive Robot Using Stereo Cameras 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.8, 2014년, pp.837 - 848  

박민종 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  김정엽 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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본 논문에서는 보행이 불편한 노인들의 효과적인 자가 재활을 위한 보행 보조 로봇의 개발에 대해 연구하였다. 개발된 로봇의 주요 특징은 크게 유아보행기 및 전동휠체어 메커니즘을 융합한 안전성 및 운동성향상과 가변저항 및 스테레오 카메라를 이용한 정확한 보행 추종 제어 알고리즘으로 나눌 수 있다. 구체적으로, 유아보행기의 메커니즘을 적용하여 사용자가 보행 중 넘어지는 사고로부터 안전을 확보하는 동시에 다리근육의 부담을 줄여줄 수 있는 골반지지대를 설계하였으며, 전동휠체어와 같이 구동모터를 이용하여 사용자가 적은 힘으로도 로봇을 이동시킬 수 있도록 하였다. 다음으로, 골반지지대에 부착된 가변저항을 이용하여 사용자의 보행 의도 및 방향을 로봇이 자동적으로 판단하고 사용자를 추종할 수 있도록 하였으며, 스테레오 카메라를 이용한 사용자 하체모션분석 알고리즘으로부터 추종 반응속도와 정확성을 한층 높였다. 최종적으로, 단계적인 보행 보조 실험을 통해 개발된 로봇의 사용자 보행 추종 성능을 실험적으로 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes the development of a walking assistive robot for effective self-rehabilitation for elderly people facing an inconvenience in walking. The main features of the developed robot are enhanced safety and mobility using the baby walker and electric wheelchair mechanisms and an accurat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존의 스테레오 카메라를 이용한 피드백 제어에서는 보행을 시작하는 시점과 정지하는 시점의 반응성이 높아졌으나, 피드백 제어 방식의 한계점으로 인해 연속적인 보행 중에서 소량의 추종 오차가 존재한다. 따라서, 본 알고리즘의 목적은 인간의 걸음새 메커니즘을 이용하여 피드포워드 제어입력을 생성시킴으로써 로봇의 보행 추종 성능을 극대화시키는 것이다.
  • 본 논문에서는 노인들의 자율적인 보행 재활을 위해 손쉽고 안전한 지능형 보행 보조 로봇을 개발하였다. 기본적으로 이전 연구(9)에서 제안되었던 핵심 아이디어를 이용하여 골반의 운동감지부로부터 사용자의 보행 의지를 로봇이 자동적으로 인지하고 사용자를 효과적으로 추종하는 알고리즘을 구현하였고, 더 나아가 스테레오 카메라를 이용한 피드백 및 피드포워드 제어 알고리즘을 개발함으로써 사용자의 보행속도와 방향을 보다 빠르고 정확하게 인지하여 추종할 수 있도록 하였다.
  • 이를 통해 사용자는 손과 팔의 움직임에 제약을 받지 않으면서도 특별한 연습이나 보호없이 로봇을 이용할 수 있었다. 본 논문은 기존 연구에서 사용자 보행에 따른 로봇의 운동 반응 속도와 추종 정확성을 극대화하고자 스테레오 카메라를 이용해서 얻어낸 하체모션정보를 이용하여 피드백과 피드포워드 추종 제어 알고리즘을 추가 개발하였다. 이로부터, 보조 인력의 도움 없이 보행 재활이 필요한 노인들의 안전이 확보되고 양팔 사용이 자유로우며 보행의도를 효과적으로 인지하여 적절한 속도로 사용자를 추종할 수 있는 보행 보조 로봇을 개발하였다.
  • 본 연구에서는 이러한 단점들을 보완할 수 있도록 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 모터 구동식 휠체어에 유아 보행기를 결합하여 사용자가 넘어지는 사고를 원천적으로 방지하고, 사용자의 두 팔을 자유롭게 하면서도 정확한 보행 보조가 가능한 새로운 개념의 보행 보조 로봇을 2013년도부터 개발해왔다.(9) 기존에 개발된 로봇의 특징으로는 가변저항을 이용한 인체공학적 운동감지부를 통해 착용자의 보행의도를 판단하고 이동방향과 보행 속도 정보를 얻어내 구동모터를 알맞게 제어하였다.
  • 본 절에서는 개발된 보행 보조 로봇의 추종성능을 검증하기 위한 세 가지 실험을 수행하였다. 세 가지 실험 모두 동일한 피실험자가 전진과 후 진보행 보조 실험을 10초간의 거의 같은 속도의 보행(전진 : 약 0.

가설 설정

  • 로봇의 총 무게는 약 48 kgf 이며 착용자의 체중을 80 kgf 으로 가정하고 이 중 50 %인 40 kgf 를 보조한다고 하면, 반지름이 13.5 cm의 바퀴로 10도 경사지를 주행할 때 바퀴 한 개에 필요한 토크는 Fig. 4를 참조하여 식 (1)과 같이 계산할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
노인성 질환이나 사고로 생긴 장애로 인한 문제점은? 인구의 고령화를 통해 생기는 사회적인 문제는 늘어난 인간 수명에 비해 사회생활이 가능한 나이는 크게 증가하지 않았다는 점이다. 노인성 질환이나 사고로 생긴 장애로 인해 사회 참여가 힘들어짐에 따라 사회적, 경제적인 어려워지면서 노인 인구의 삶의 질은 매우 낮아질 수밖에 없다. 노인의 경우 뇌 관련 질환의 치료 및 사고이후 거동능력이 현저히 떨어지는 경우가 많은데 사회생활의 기본적인 부분인 보행은 노인 인구의 사회 참여를 방해하는 요인 중 가장 큰 부분을 차지한다.
인구의 고령화를 통해 생기는 사회적인 문제는 무엇인가? 인구의 고령화를 통해 생기는 사회적인 문제는 늘어난 인간 수명에 비해 사회생활이 가능한 나이는 크게 증가하지 않았다는 점이다. 노인성 질환이나 사고로 생긴 장애로 인해 사회 참여가 힘들어짐에 따라 사회적, 경제적인 어려워지면서 노인 인구의 삶의 질은 매우 낮아질 수밖에 없다.
노인층의 사고 후 재활 치료가 사회 복귀를 위한 아주 중요한 부분인 이유는? 노인성 질환이나 사고로 생긴 장애로 인해 사회 참여가 힘들어짐에 따라 사회적, 경제적인 어려워지면서 노인 인구의 삶의 질은 매우 낮아질 수밖에 없다. 노인의 경우 뇌 관련 질환의 치료 및 사고이후 거동능력이 현저히 떨어지는 경우가 많은데 사회생활의 기본적인 부분인 보행은 노인 인구의 사회 참여를 방해하는 요인 중 가장 큰 부분을 차지한다. 따라서, 노인층의 사고 후 재활 치료는 사회 복귀를 위한 아주 중요한 부분으로 자리 잡고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. http://kostat.go.kr 

  2. Lacey, G., Namara, S. M. and Dawson-Howe, K. M., 1998, "Personal Adaptive Mobility Aid for the Infirm and Elderly Blind," Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1458, pp. 211-220. 

  3. Rodriguez-Losada, D., Matia, F., Jimenez, A., Galan, R. and Lacey, G., 2005, "Implementing Map Based Navigation in Guido, the Robotic SmartWalker," Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics & Automation, pp. 3401-3406. 

  4. Spenko, M., Yu, H. and Dubowsky, S., 2006, "Robotic Personal Aids for Mobility and Monitoring for the Elderly", IEEE Transactions on Neural systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 14, No. 3, pp.344-351. 

  5. Egawa, S., Nemoto, Y., Fujie, M. G., Koseki, A., Hattori, S. and Ishii, T., 1999, "Power-Assisted Walking Support System With Imbalance Compensation Control For Hemiplegics," the First Joint EMBS/BMES Conference. pp. 635. 

  6. Graf, B., Hans, M., Kubacki, J. and Schraft, R. D., 2002, "Robotic Home Assistant Care-O-Bot II," the Second Joint EMBS/BMES Conference, pp. 2343-2344. 

  7. Ceres, R., Pons, J. L., Calderon, L., Mesonero- Romanos, D., Jimenez, A. R., Sanchez, F., Abizanda, P., Saro, B. and Bonivardo, G., 2005, "Andador Activo Para la Rehabilitacion y el Mantenimiento de la Movilidad Natural," IMSERSO, Estudios I+D+I, No. 25, pp. 1-8. 

  8. Kong, J. S., Lee, D. K., Nam, Y. S., Lee, B. H. and Lee, E. H., 2008, "Optimized Walking Will Recognizing System of the Walking Aid with the Fuzzy Algorithm," Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 18, No. 5, pp. 692-699. 

  9. Kim, J. Y., 2013, "Development of Ergonomic Walking Assistance Robot for the Elderly and the Infirm," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 22, No. 3, pp. 600-606. 

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