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.
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.
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...
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 control features, the HPW remarkably reduces the muscle power required by combining various assistive functions, such as wheel torque assistance, friction/inertia compensation, gravity compensation, and the one-hand driving algorithm. For wheel torque assistance, strain gauges were attached to the hand-rim in order to measure the wheel torque applied by a human. Gyroscopes and an accelerometer were attached to the wheel and chair respectively for friction and inertia compensation. An inclinometer was attached for gravity compensation and the one-hand driving algorithm was included for patients who can only use one hand. The one-hand driving algorithm controls the angular velocity of the uncontrolled wheel by using a gyroscope and pressure sensors attached to the bottom of the seat. Finally, the performance of the proposed motion assisted algorithm was verified through various experiments.
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 control features, the HPW remarkably reduces the muscle power required by combining various assistive functions, such as wheel torque assistance, friction/inertia compensation, gravity compensation, and the one-hand driving algorithm. For wheel torque assistance, strain gauges were attached to the hand-rim in order to measure the wheel torque applied by a human. Gyroscopes and an accelerometer were attached to the wheel and chair respectively for friction and inertia compensation. An inclinometer was attached for gravity compensation and the one-hand driving algorithm was included for patients who can only use one hand. The one-hand driving algorithm controls the angular velocity of the uncontrolled wheel by using a gyroscope and pressure sensors attached to the bottom of the seat. Finally, the performance of the proposed motion assisted algorithm was verified through various experiments.
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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.
제안 방법
등은 Lyapunov torque observer를 이용한 동력 보조 휠체어를 설계하였다.(3) 국내에서도 이러한 연구들이 진행 되었으며 인덕대학교의 공정식 등 은 근력 부담을 줄여 고령자의 근력 증진을 도와주는 휠체어 제어기에 대한 수학적 모델링을 수립하고 검증하였다.(4) 가천대학교의 김보성 등은 구동형 휠체어의 두 바퀴 축 내부에 장착이 가능한 인휠 AC서보모터를 장착하여 경사로와 평지에서 근력의 부담을 줄여주는 휠체어를 설계 하였다.
총 5가지의 종류의 센서로부터 인터페이스를 구성하였고, 2가지 종류의 마이크로 컨트롤러를 사용하여 빠른 연산처리가 가능하도록 하였다. 300W 인휠 모터 2개를 사용하여 충분한 토크가 생성될 수 있도록 하였으며, 리튬인산철 배터리로부터 약 5시간의 사용이 가능하도록 하였다. 최종적으로 30kgf 중량의 경량화된 하이브리드 전동 휠체어를 제작하였다.
위에서 제안된 구동 알고리즘을 본 로봇에 적용 한 후 하이브리드형 휠체어가 근력 보조에 효과가 있는지를 검증하기 위하여 EMG 센서를 이용하여 알고리즘 유무에 따른 근력 변화를 측정하였다. EMG 센서 실험은 BTS 바이오엔지니어링사의 계 측장비를 사용하였으며, 휠체어의 추진 시 추진기에 주동근으로써 작용하는 삼각근, 대흉근에 센서 를 부착하여 진행하였다. (8) 참고로, Fig.
따라서 본 하이브리 드형 휠체어의 앞 바퀴는 빠짐으로 인한 사고를 방지하기 위한 설계가 적용되었다. Fig. 5와 같이 앞 바퀴의 구조는 기존의 수동형 휠체어의 앞 바퀴와 같이 회전형 캐스터의 구조를 사용하여 조향 역할을 하도록 하였으며, 앞 바퀴의 양쪽에는 바퀴보다 작은 MC나일론 소재의 지름 100 mm의 보조 바퀴(파란색 부분)를 설계하여 바퀴가 완전하게 빠지는 것을 방지하고 손쉽게 벗어 날 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. 2와 같이 기존 하이브리드 전동 휠체어와 같이 인휠 모터를 장착하였으나, 더욱 다양한 근력 보조 알고리즘을 구현하였다. 특히, 스트레인게이지를 직접 핸드림에 부착하여 림토크를 더욱 정확하게 측정할 수 있도록 하였다.
경사로에서 중력으로 인한 미끄러짐을 방지하고 근력을 보조해 주는 중력보상 기능의 효과를 확인 하기 위하여 EMG 센서를 통한 근전도 신호 측정과 핸드림 토크 측정을 진행하였다. 5도 경사와 2m의 길이 조건의 경사로를 이동하는 동안의 근전도와 토크를 측정하고 그 RMS 수치를 Fig.
관성보상은 출발 시 발생하는 가속도의 크기를 비교하여 관성보상을 통한 동력보조 성능을 확인하였다. 총 3회의 양의 방향 출발 가속도를 측정하고 세 구간에서 가속도 최대값의 평균을 산출하여 Fig.
특히, 스트레인게이지를 직접 핸드림에 부착하여 림토크를 더욱 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. 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.
바퀴측정부의 AVR이 각속도 센서와 스트레인게이지를 통해 실시간으로 각 바퀴의 각속도 및 토크를 측정하며 블루투스 통신을 통해 주제어기와 통신한다. 기울기센서, 가속도 센서 및 압력센서로 이루어진 본체 측정부는 탑승여부, 기울기, 가속도 를 측정한다. 메인 제어기에서는 1kHz의 제어 주파수로부터 각 측정부의 센서 값을 기반으로 각 상황에 적합한 토크를 계산하고 보조한다.
사용자가 등받이 브레이크를 이용하여 제동을 할 경우 등받이가 뒤로 젖혀짐과 동시에 앞 쪽의 발 받침대가 위로 상승하게 된다. 따라서 각 링크의 연결 부위에는 베어링을 장착하여 원활한 회전운동이 가능하도록 설계하였다. 이 메커니즘은 급제동으로 인해 관성력이 전방으로 작용할 때 탑승자의 다리가 안전 지지대의 역할을 할 수 있도록 하며, 회전질량관성모멘트를 늘려서 피칭 모션을 방지해주는 인체공학적인 메커니즘이다.
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. Fig.
하지만 실생활에서 대다수의 경사로가 약 7도의 경사를 가지고 있었다. 따라서, 본 연구에서는 약 7도의 기울기에서 기본 휠체어의 무게를 포함한 90 kg에 가해지는 힘에 대한 토크를 기준으로 모터를 선정하였다. 위의 경사로 조건에서 1.
주로 휠체어의 주차용도로 사용되며 제동을 위해 사용 할 경우 동시에 작동하기 어려워 2차 사고를 유발 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 양쪽의 핸드 브레이크를 서로 와이어로 연결하여 한 손으로 브레이크를 작동 시킬 때, 양쪽이 동시에 제동 되는 한 손 브레이크를 설계하였다.
따라서, 안정적인 주행을 위하여 좌우 10도를 주행 방향 판별 기준 각도로 선정하였다. 방향 변수의 값이 േ0.
18에 EMG 센서의 부착 위치를 나타내었다. 또한 핸드림에 부착된 스트레인게이지와 HPW의 각속도 센서, 가속도 센서를 이용하여 물리적 값을 측정함으로써 각 보상 기능의 성능을 분석하였다.
또한 마찰보상을 통한 휠체어 휠 굴림 주기의 증가로 근육의 피로도를 줄였으며, 특히 이전에 근력의 감소로 인해 휠체어를 이용할 수 없었던 고령자들은 동력보조 기능을 통해 더욱 쉽고 편리하게 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다. 또한, 개발된 하이브리드형 휠체어는 한 손 주행 모드를 통해 휠체어는 두 손이 온전해야 한다는 기존의 통념을 깨고 편측 마비 환자들과 같이 한 손만을 사용할 수 있는 환자들도 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다.
이 샤프트는 사이드가드에 설계된 이동 통로 궤적을 따라서 움직이며 등받이 브레이크의 작동 구간을 제한하게 된다. 또한, 프레임과 캘리퍼 브레이크의 와이어가 샤프트를 통해 연결되며 등받이와 브레이크의 작동이 연동되도록 하였다. 프레임 내부에는 A와 샤프트를 인장 스프링으로 연결하여 설정된 힘 이상의 하중이 등받이에 작용되어야만 브레이크가 작동 하도록 설계하여 단순히 등받이에 기대는 것으로 브레이크가 작동되는 것을 방지하였다.
마찰보상은 휠 굴림을 시행하여 속도가 영이 될 때까지 소요되는 평균시간을 측정하였다. 보상 기능에 따른 속도의 변화 추이를 측정하고 평균 소요 시간을 계산하여 Fig.
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.(9)
탑승자가 탑승을 하면 휠체어의 상태를 파악하기 위한 센서 데이터의 수신과 계산이 진행된다. 바퀴측정부의 마이크로 컨트롤러를 통하여 바퀴의 동적 상태를 전달 받으며 주 제어기의 아날로그-디지털 컨버터를 통해 본체의 동적 상태를 파악한다. 탑승자가 이동을 위해 핸드림에 토크를 가하게 되면 HPW는 선택된 작동 모드와 동적 상황에 따라 모터를 동작시키게 된다.
보관 시 공간 절약을 위해 Fig. 9에 있는 중앙의 X자형 프레임(center link)을 설계하여 접이식 메커니즘을 설계하였다. 휠체어의 의자를 위 방향으로 당기면 휠체어 본체의 각 조인트와 링크들이 연동하여 휠체어가 부드럽게 접힐 수 있도록 하였다.
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. 휠체어의 운동 제어 알고리즘을 통해 더욱 고차원적이고 효율적인 동력보조가 가능하며, 탑승자는 평지와 같은 힘으로 일정하게 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다.
위에서 제안된 구동 알고리즘을 본 로봇에 적용 한 후 하이브리드형 휠체어가 근력 보조에 효과가 있는지를 검증하기 위하여 EMG 센서를 이용하여 알고리즘 유무에 따른 근력 변화를 측정하였다. EMG 센서 실험은 BTS 바이오엔지니어링사의 계 측장비를 사용하였으며, 휠체어의 추진 시 추진기에 주동근으로써 작용하는 삼각근, 대흉근에 센서 를 부착하여 진행하였다.
슬라이더 내부에는 미끄러짐을 위한 폴리아세탈 튜브를 삽입하였다. 이로부터 휠체어 본체 프레임을 가이드로 슬라이더 바디(slider body)가 부드럽게 미끄러지도록 하였다. 폴리아세탈은 열가소성 수지 중에서도 내마모성 및 내열성 등이 우수하며 자기 윤활성이 뛰어나기 때문에, 휠체어 프레임과의 마찰에도 변형이 적고 접이식 메커니즘의 구동에 적합하다.
8의 A 부분에는 와이어 연결을 위한 알루미늄 블록을 고안하였다. 이를 통해 와이어의 경로를 직각으로 구성하여 브레이크에 작용하는 힘이 더 효율적으로 제동력을 발 휘하도록 하였다.
관성보상은 출발 시 발생하는 가속도의 크기를 비교하여 관성보상을 통한 동력보조 성능을 확인하였다. 총 3회의 양의 방향 출발 가속도를 측정하고 세 구간에서 가속도 최대값의 평균을 산출하여 Fig. 22와 같이 관성보상 기능의 유무에 따른 가속도를 비교하였다. 관성보상 없이 출발을 할 경우 가속도 최대값의 평균 값은 0.
총 5가지의 종류의 센서로부터 인터페이스를 구성하였고, 2가지 종류의 마이크로 컨트롤러를 사용하여 빠른 연산처리가 가능하도록 하였다. 300W 인휠 모터 2개를 사용하여 충분한 토크가 생성될 수 있도록 하였으며, 리튬인산철 배터리로부터 약 5시간의 사용이 가능하도록 하였다.
2와 같이 기존 하이브리드 전동 휠체어와 같이 인휠 모터를 장착하였으나, 더욱 다양한 근력 보조 알고리즘을 구현하였다. 특히, 스트레인게이지를 직접 핸드림에 부착하여 림토크를 더욱 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. 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.
하이브리드 휠체어는 기존의 수동형 휠체어의 프레임 구조를 기반으로 설계하였다. Fig.
핸드림에 가해지는 토크를 보조해주는 근력 보상 기능의 유무에 따른 차이를 비교하기 위해 근전도 신호와 핸드림 토크를 측정하였다. 평지에서 총 5회의 휠 굴림을 시행하여 각 근육 별 근전도와 핸드림 토크를 측정하고 근전도 및 토크의 RMS 수치를 Fig.
9에 있는 중앙의 X자형 프레임(center link)을 설계하여 접이식 메커니즘을 설계하였다. 휠체어의 의자를 위 방향으로 당기면 휠체어 본체의 각 조인트와 링크들이 연동하여 휠체어가 부드럽게 접힐 수 있도록 하였다. 또한, X자형 프레임이 회전관절(swivel)과 연결되는 부분에는 구리 재질의 인서트(insert)를 사용하였다 (Fig.
3과 Table 1을 통해서 휠체어의 전반적인 외형과 사양을 확인 할 수 있다. 휠체어의 치수는 휠체어의 인체측정학적 평가 및 디자인을 참고하여 성인 남성에 적합하도록 치수를 결정하였다.(7) 프레임의 경우, 경랑화된 알루미늄 파이프 프레임의 조합을 통해 수동형 휠체어의 프레임 구조를 구성하였다.
대상 데이터
일반적으로 휠체어를 사용할 때, 최대 토크를 필요로 하는 구간은 경사로 구간이다. 따라서 지정 되어 있는 경사로 규격에서 큰 중량에 대한 동력보조가 가능한 모터를 선정하였다. 보건복지부의 경사로 규격에 따르면 장애인 편의시설 경사로의 기울기는 18분의 1(3.
위의 설계 조건에 따라서 골든모터(Golden Motor) 사의 24V, 300W 정격 용량의 24인치 직류 인휠 모터를 선정하였다. 본 인휠 모터에서 75 N의 접선력은 약 22.
13의 제어 시스템은 바퀴측정부, 주제어기, 모터구동부 및 본체측정부로 나뉜다. 주 제어기로써 마이크로칩사의 dsPIC를 사용하였고, 모터제어기는 로보큐브테크사의 DC2408DID를 사용하였다. 바퀴측정부의 AVR이 각속도 센서와 스트레인게이지를 통해 실시간으로 각 바퀴의 각속도 및 토크를 측정하며 블루투스 통신을 통해 주제어기와 통신한다.
300W 인휠 모터 2개를 사용하여 충분한 토크가 생성될 수 있도록 하였으며, 리튬인산철 배터리로부터 약 5시간의 사용이 가능하도록 하였다. 최종적으로 30kgf 중량의 경량화된 하이브리드 전동 휠체어를 제작하였다.
데이터처리
보상 기능에 따른 속도의 변화 추이를 측정하고 평균 소요 시간을 계산하여 Fig. 21과 같이 보상기능의 유무에 따른 구간 평균 시간을 비교하였다. 보상기능 없이 5회 휠 굴림을 시행 했을 때, 평균 소요 시간은 2.
성능/효과
209 Nm로 측정되었다. 근력 보상 기능을 사용하여 주행하였을 때, 삼각근과 대흉근 근전도의 RMS 값은 각각 0.041, 0.035 mV로 측정되었으며, 왼쪽 핸드림과 오 른쪽 핸드림에 측정된 토크 RMS 값은 각각 1.495, 1.977 Nm로 측정되었다. 각 근육별로 근전도 RMS 값의 증감율을 계산하면 위와 같은 순서대로 -17%, -21% 만큼 감소한 것을 알 수 있다.
19에 나타내었다. 근력 보상 기능이 없이 평지에서 주행 했을 때, 삼각근과 대흉 근의 근전도 신호의 RMS 값은 각각 0.05, 0.045 mV 로 측정되었으며 왼쪽과 오른쪽 핸드림에 측정된 토크의 RMS 값은 각각 3.462, 3.209 Nm로 측정되었다. 근력 보상 기능을 사용하여 주행하였을 때, 삼각근과 대흉근 근전도의 RMS 값은 각각 0.
이를 통해 증감율을 계산하면 삼각근은 -36%, 대흉근은 -53%가 감소하였으며, 핸드림에 가해지는 토크의 RMS값은 왼쪽은 -70% , 오른쪽은 -49% 감소한 것을 알 수 있다. 따라서 평균적으로 근전도 신호는 -44.5% 감소하였으며 핸드림에 가해지는 토크는 -59.5%로 감소함을 확인하였다.
휠체어의 운동 제어 알고리즘을 통해 더욱 고차원적이고 효율적인 동력보조가 가능하며, 탑승자는 평지와 같은 힘으로 일정하게 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다. 또한 마찰보상을 통한 휠체어 휠 굴림 주기의 증가로 근육의 피로도를 줄였으며, 특히 이전에 근력의 감소로 인해 휠체어를 이용할 수 없었던 고령자들은 동력보조 기능을 통해 더욱 쉽고 편리하게 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다. 또한, 개발된 하이브리드형 휠체어는 한 손 주행 모드를 통해 휠체어는 두 손이 온전해야 한다는 기존의 통념을 깨고 편측 마비 환자들과 같이 한 손만을 사용할 수 있는 환자들도 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다.
각 근육별로 근전도 RMS 값의 증감율을 계산하면 위와 같은 순서대로 -17%, -21% 만큼 감소한 것을 알 수 있다. 또한 토크 RMS 값의 증감율을 계산하면 왼쪽 토크 RMS는 -56%, 오른쪽 토크 RMS는 -38% 만큼 근력이 감 소한 것을 알 수 있다. 평균적으로 근전도 신호는 -19% 감소하였고, 핸드림에 가해지는 토크는 -47% 의 감소 효과를 확인하였다.
(6) 하지만 현재까지 연구 개발 및 상용화되고 있는 근력 보조형 하이브리드 휠체어의 경우 대부분 핸드림에 가해지는 토크의 증폭과 경사로에서의 중력 보상에 국한된 기능을 가지고 있다. 또한, 핸드림에 가하는 탑승자의 토크가 수학적 모델에 의해 간접적으로 예측되거나 스프링 요소로부터 측정되어 반응속도와 정확도가 낮았다.
506 Nm로 나타났다. 반면에 중력보상 기능을 통해 경사로를 이동할 때, 삼각근과 대흉근의 근전도 RMS 값은 각각 0.031, 0.025 mV로 측정되었으며, 토크 RMS값은 왼쪽과 오른쪽 각각 1.1, 1.76 Nm로 측정되었다. 이를 통해 증감율을 계산하면 삼각근은 -36%, 대흉근은 -53%가 감소하였으며, 핸드림에 가해지는 토크의 RMS값은 왼쪽은 -70% , 오른쪽은 -49% 감소한 것을 알 수 있다.
054 mV로 측정 되었다. 스트레인게이지를 통해 측정한 왼쪽과 오른쪽 핸드림 토크의 RMS 값은 각각 3.723, 3.506 Nm로 나타났다. 반면에 중력보상 기능을 통해 경사로를 이동할 때, 삼각근과 대흉근의 근전도 RMS 값은 각각 0.
76 Nm로 측정되었다. 이를 통해 증감율을 계산하면 삼각근은 -36%, 대흉근은 -53%가 감소하였으며, 핸드림에 가해지는 토크의 RMS값은 왼쪽은 -70% , 오른쪽은 -49% 감소한 것을 알 수 있다. 따라서 평균적으로 근전도 신호는 -44.
5 A의 전류를 필요로 한다. 최종적으로 모터는 약 300 W의 최대 파워가 필요로 하게 되며 선정된 모터가 필요 사양에 적합하다는 것을 알 수 있다.
3m/s2로 측정되었다. 측정 값을 통해 증감율을 계산하면 관성보상을 통해 가속도가 +38% 증가함을 알 수 있다. 따라서, 탑승자가 자신과 휠체어 무게에 의한 관성력을 관성 보상으로부터 경감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한 토크 RMS 값의 증감율을 계산하면 왼쪽 토크 RMS는 -56%, 오른쪽 토크 RMS는 -38% 만큼 근력이 감 소한 것을 알 수 있다. 평균적으로 근전도 신호는 -19% 감소하였고, 핸드림에 가해지는 토크는 -47% 의 감소 효과를 확인하였다. 참고로, 왼손과 오른 손의 림 토크 보조 차이가 있는 것은 피실험자가 오른손잡이이므로 왼손 토크 보조 정도가 더 높게 설정되었기 때문이다.
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. 휠체어의 운동 제어 알고리즘을 통해 더욱 고차원적이고 효율적인 동력보조가 가능하며, 탑승자는 평지와 같은 힘으로 일정하게 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다. 또한 마찰보상을 통한 휠체어 휠 굴림 주기의 증가로 근육의 피로도를 줄였으며, 특히 이전에 근력의 감소로 인해 휠체어를 이용할 수 없었던 고령자들은 동력보조 기능을 통해 더욱 쉽고 편리하게 휠체어를 이용할 수 있도록 하였다.
후속연구
향후에는 험지 주행 안정성과 에너지 효율 등을 개선한 알고리즘에 대하여 연구할 것이며 장기적으로 학습 알고리즘을 통한 사용자 조작 이질감의 개선에 대해서 연구할 것이다.
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.
참고문헌 (9)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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