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고령자를 위한 하이브리드형 전동 휠체어의 설계 및 제어
Design and Control of Hybrid a Powered Wheelchair for the Elderly 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.12, 2016년, pp.1067 - 1076  

윤태수 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  안성조 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  김상민 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  한영빈 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) ,  김정엽 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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본 논문은 고령자를 위한 하이브리형 전동 휠체어의 개발에 대해서 서술하였다. 개발된 하이브리드형 휠체어는 기존 전동 휠체어에 비해 기구적 및 제어적 특징을 가지고 있다. 기구적 특징으로써 인체공학적 등받이 브레이크 메커니즘을 새롭게 고안하였고, 이로부터 고령자들이 몸동작을 이용하여 손쉽게 제동을 할 수 있도록 하였다. 제어적 특징으로써, 휠 토크 보조, 마찰/관성보상, 중력보상 및 한 손 구동과 같은 다양한 동력보조 기능을 융합하여 고령 탑승자의 근력 부담을 현격히 감소시켰다. 휠 토크의 보조를 위해 핸드림에 스트레인게이지를 부착하여 탑승자가 가하는 휠 토크를 측정하였으며, 마찰보상과 관성보상을 위해 바퀴와 시트에 각각 자이로스코프와 가속도센서를 부착하였다. 또한, 중력보상을 위해 기울기 센서를 추가적으로 부착하였으며, 편마비 환자들과 같이 한 손 만을 사용할 수 있는 사용자들 위해서 시트 밑면에 부착된 압력 센서로부터 휠체어의 주행 방향을 인식하고 자이로스코프를 이용하여 반대편 휠의 각속도를 제어하는 한 손 주행 알고리즘을 새롭게 고안하였다. 최종적으로 본 연구에서 고안한 운동 보조 알고리즘의 성능을 각종 실험으로부터 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes the development of a hybrid-powered wheelchair (HPW) for the elderly. The proposed HPW has novel mechanical and control features compared with conventional powered wheelchairs. An ergonomic back-braking mechanism was designed in order to stop the wheels easily. In terms of contr...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 탑승자가 휠체어를 이용할 때에는 핸드림을 잡고 있기 때문에 브레이크를 통해 제동을 할 수 없다. 따라서 안전한 제동을 위해서 인체공학적 등받이 브레이크 메커니즘을 고안하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 로봇 기술들을 접목하여 탑승자의 상지 근육에 대한 부담을 효과적으로 완화가능한 동력보조 휠체어를 개발하였다. 수동형 휠체어의 프레임 구조에 인휠 모터 전동 요소를 결합하였으며, 인체공학적 등받이 브레이크, 한 손 브레이크 및 캐스터 보조바퀴를 통해 안전하게 휠체어를 이용할 수 있도록 설계하였다.
  • 본 연구에서는 위에서 언급된 단점을 보완하여 고령자들이나 편측 마비 환자들이 운동을 병행하면서 보다 부담 없이 사용할 수 있는 하이브리드 전동 휠체어(Hybrid Powered Wheelchair : HPW)를 개발하였다. 개발된 HPW는 Fig.
  • 근력보조 알고리즘으로써 근력보상, 중력보상, 마찰보상 및 관성보상을 구현하였으며, 편측 마비 환자와 같이 한 팔만을 사용할 수 있는 환자들을 위하여 한 손으로도 휠체어를 자유롭게 이용 할 수 있는 특수 기능도 제안하였다. 이러한 근력 보조 기능 이외에도 인체공학적 브레이크 메커니즘을 고안하여 탑승자가 브레이크를 적은 힘으로도 쉽게 작동시켜 안정적인 휠체어 이용이 가능하도록 하였다.

가설 설정

  • 23은 한 손 주행 구동 영상의 스냅샷을 보여준다. 탑승자는 왼팔이 마비되었다고 가정하였으며, 오른손으로 바퀴를 밀면서 동시에 몸을 좌우로 기울여 방향을 조절하였다. 몸의 기울어진 몸의 기울어진 정도와 방향에 따라 휠체어의 진행 방향을 조절할 수 있었으며, 시작점에서 출발하여 우회전과 좌회전을 1회 진행하고 제자리 회전을 하여 다시 좌회전과 우회전을 통해 시작점으로 돌아오는 실험을 성공적으로 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적으로 휠체어에 쓰이는 캐스터 앞 바퀴 지름이 130 mm이고 폭은 30~40 mm 이하로 제작됨에 따라 생기는 문제점은 무엇인가 일반적으로 휠체어에 쓰이는 캐스터 앞 바퀴 지름은 130 mm이고 폭은 30~40 mm 이하로 제작 된다. 따라서 주행 도중 배수구 덮개에 휠체어의 앞 바퀴가 빠져 탑승자가 전방으로 쓰러지게 되는 사고가 발생할 위험이 있다. 따라서 본 하이브리 드형 휠체어의 앞 바퀴는 빠짐으로 인한 사고를 방지하기 위한 설계가 적용되었다.
본 연구에서 개발된 하이브리드 휠체어는 어떻게 설계되었는가 하이브리드 휠체어는 기존의 수동형 휠체어의 프레임 구조를 기반으로 설계하였다. Fig.
전 동 스쿠터의 단점은 무엇인가 1 참고). 이러한 제품들은 순수 전동력으로 이동하므로, 탑승자의 신체적 운동이 불가하여 건강에 도움이 되지 않으 며 에너지 소모가 높고 무거운 단점이 있다. 따라 서 고령 탑승자가 스스로 근력운동을 병행 할 수 있도록 근력 일부를 보조해 주는 컴팩트한 하이브 리드형 전동 휠체어의 필요성이 대두되고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Cooper, R. A., Corfman, T. A., Fitzgerald, S. G., Boninger, M. L., Spaeth, D. M., Ammer, W. and Arva, J., 2002, "Performance Assessment of a Pushrim-Activated Power-assisted Wheelchair Control System," IEEE Trans. Control Sys. Technol., Vol. 10, No. 1, pp. 121-126. 

  2. Yuusuke, O., Oh, S. H. and Yoichi, H., 2010, "A New Control Method for Power-assisted Wheelchair Based on the Surface Myoelectric Signal," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, No. 9, pp. 3191-3196. 

  3. Ou, C. C. and Chen, T. C., 2012, "Power-assisted Wheelchair Design Based on a Lyapunov Torque Observer," Proc. of ICIC international, Vol. 8, No. 12, pp. 8089-8102. 

  4. Kong, J. S. and Baek, S. Y., 2011, "Design of the Power Assist Controller for the In-wheel Type Smart Wheelchair," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 21, No. 1, pp. 80-85. 

  5. Seo, J. H., Hang, S. H., Kim, B. S., Kim, J. M. and Kang, M. S., 2012, "Load Selectable Power Assisted Wheelchair for Traveling and Rehabilitation," KSPE 2012 fall conference, pp. 185-186. 

  6. Heo, Y., Seo, K. A., Hong, E. P. and Moon, M.S., 2013, "Torsion Sensor Based Power Assisted Wheelchair Development," KSPE 2013 fall conference, pp. 651-652. 

  7. Jung, K. T., Kim, H. S., Lee, N. H., Jun, K. J., Won, B. H. and Hong, J.S., 2010, "Anthropometric Evaluation and Design of Wheelchair," Journal of The Ergonomics Society of Korea 2010 spring conference, pp. 128-131. 

  8. Kong, J. Y., Jeong, D. H. and Kwon, H. C., 2002 "The Effects of Wheelchair Propulsion Speed Changes on the Shoulder Impingement Syndrome," Journal of Korean Society of Occupational Therapy, Vol. 10, No. 2, pp. 69-83. 

  9. https://youtu.be/xbhVOZj_YhQ. 

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