[논문]보행 장애인의 승차감 개선을 위한 휠체어용 능동형 서스펜션 시스템 개발

허영준; 전금상; 이상훈; 최성대; 장익규

doi:10.9718/jber.2020.41.5.203

보행 장애인의 승차감 개선을 위한 휠체어용 능동형 서스펜션 시스템 개발
Development of Active Suspension System for Wheelchairs to Improve Riding Comfort of Gait Disorders 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.41 no.5, 2020년, pp.203 - 209

허영준 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터) , 전금상 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터) , 이상훈 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터) , 최성대 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 장익규 (구미전자정보기술원 ICT융합연구본부 디지털헬스케어연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

As the number of people with gait disorders increases, the demand for using wheelchairs increases and the area of a ctivity for people with disabilities expands, thereby they increasing the demand for riding comfortability in various driving environments. Therefore, this study is to develop an entry-level active suspension system that apply to wheelchairs and to evaluate its usability. The suspension applied in this paper consists of a coil spring, a shock absorber, a control module to control the strength of the shock absorber, and a road surface condition monitoring system. A wheelchair occupant secures the riding comfort by adjusting the coil strength of the shock absorber in 12 steps according to various road conditions. Therefore, the mechanical properties were evaluated through the structural analysis of the suspension system, and the tendency toward the magnitude of the road surface vibration attenuated according to the rigidity of the suspension through the vibration test was attempted. In conclusion, as a result of structural analysis of the suspension system, stress in a range lower than the yield strength of the material was generated, and the vibration test showed the effect of attenuating the vibration generated from the road surface when the stiffness of the suspension was adjusted.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 능동형 서스펜션 시스템 모식도 Fig. 1. Schematic diagram of active suspension system
그림 그림 2. 서스펜션 시스템의 하우징 내부 Fig. 2. Inside the housing of the suspension system
그림 그림 3. 스프링 치수 정보 Fig. 3. Spring dimension information
그림 그림 4. 서스펜션 구조해석의 경계조건 Fig. 4. Boundary condition for suspension analysis
표 표 1. 제작된 스프링의 사양 Table 1. Dimension of spring
표 표 2. 재료의 기계적 물성치 Table 2. Mechanical properties of materials
그림 그림 5. 모터 컨트롤러 회로 설계 및 PCB 제작 Fig. 5. Motor controller circuit design and PCB production
그림 그림 6. 휠체어에 설치한 3축 가속도 센서 Fig. 6. 3-axis acceleration sensor installed in a wheelchair
그림 그림 7. 서스펜션 구조해석 결과 Fig. 7. Suspension analysis result
그림 그림 8. 서스펜션 시스템 제작 Fig. 8. Suspension system production
그림 그림 9. 진동시험 결과 그래프 Fig. 9. Graph of vibration test results
표 표 3. Box plot 그래프 데이터 Table 3. Box plot graph data

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 서스펜션 강성 조절에 적용되는 핵심부품인 쇽업쇼버의 다이얼 조절을 위한 모터 컨트롤러를 직접 개발하였다. 제어기는 8비트 마이크로프로세서(ATmel, ATMEGA328P, USA), Full Bridge IC(STMicroelctronics, L298N, Swiss)를 모터 드라이버로 사용하고, 전원은 24VDC, 5VDC(스위칭 레귤레이터 IC, LM2576, TI, USA)로 사용하였다.
본 논문에서는 휠체어를 사용하는 장애인들에게 경제적인 부담이 되지 않도록 하기 위해 단순화, 집약화한 기구부를 설계 개발하고, 이를 기반으로 모터, 타이밍 벨트, 쇽업 쇼버를 대량 양산되고 있는 상용품으로 구성하였으며 가성비가 뛰어난 부품회로를 사용한 자작 PCB로 제어부를 구성하여 향후 보급형의 상용화가 가능하도록 하였고, 휠체어의 주행품질 향상에도 크게 기여할 수 있었다. 그림 1은 탑승자가 노면의 상태를 모니터링하고 컨트롤러를 조작하여 서스펜션의 강성을 제어하는 과정을 나타내었다.
이 논문에서는 사용자가 쇽업쇼버의 강성을 제어하여 험로주행시 휠체어의 승차감을 확보하고자 보급형 능동형 서 스펜션 시스템을 개발하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

PCB 보드의 크기를 최소화하여(110 mm × 40 mm) 서스펜션 기구부에 포함시키고 통신선(CAN 통신)과 전원만 외부 연결하여 제작하였다.
동력전달장치의 종류로는 타이밍 벨트, 기어, 체인 등 여러 방식이 있지만 모터에서 발생되는 회전력을 쇽업쇼버로 전달할 때 동력을 전달하고자 하는 모터와 쇽업쇼버 사이의 거리를 고려, 모터의 회전력이 하우징에 의해 손실되지 않기 위해 동력전달방식을 타이밍 벨트로 구현하였다[11].
제어기는 8비트 마이크로프로세서(ATmel, ATMEGA328P, USA), Full Bridge IC(STMicroelctronics, L298N, Swiss)를 모터 드라이버로 사용하고, 전원은 24VDC, 5VDC(스위칭 레귤레이터 IC, LM2576, TI, USA)로 사용하였다. 모듈간 통신을 위해 CAN Controller IC(MICROCHIP, MCP2515, USA)를 포함한 회로를 그림 5와 같이 설계하고 아트워크 및 PCB를 제작하였다. PCB 보드의 크기를 최소화하여(110 mm × 40 mm) 서스펜션 기구부에 포함시키고 통신선(CAN 통신)과 전원만 외부 연결하여 제작하였다.
무게는 차체 33 kg, 탑승자 중량 75 kg으로 총 무게 108 kg, 설치되는 쇽업쇼버의 개수는 2개, 시간당 충돌횟수(Cycle/hour)는 60 Cycle/hr로 설정하였고 식 (1), (2), (3), (4)를 통해 총 에너지(E_T), 시간당 총 에너지(E_TC), 운동에너지(E_K), 일 에너지(E_W)를 계산하여 충돌속도에 따라 12단계 범위로 완충력을 미세 조정할 수 있는 모델(KMA20-16B, KOBA, Korea)을 선정하였다. 해당 쇽업쇼버의 스트로크(Stroke)는 16 mm, 유효 하중은 4.
본 논문에 적용되는 서스펜션은 코일 스프링(Coil Spring) 과 쇽업쇼버(Shock Absorber)가 복합적으로 노면의 진동을 감쇠 시키는 방식으로써 탑승자가 노면의 상태에 따라 컨트롤러의 버튼을 조작하여 모터를 제어하게 된다. 모터의 회전력은 타이밍 벨트(Timing belt)를 통해 12단계의 강성을 조절할 수 있는 쇽업쇼버의 다이얼로 전달되고 다이얼을 회전시켜 서스펜션 시스템의 강성을 조절하여 험로에서의 승차감을 확보하는 원리이다.
서스펜션에 하중이 가해질 때 응력과 변형률을 알아보기 위해 3D 설계 소프트웨어, 솔리드웍스(Dassault Systems, Solidworks 2017, France)를 통해 구조해석을 수행하였다. 서스펜션을 구성하는 부품의 재질은 Al6061, 스프링의 재질은 경강선 HSW를 적용하였으며 해석에 적용한 재료의 기계적 물성치는 표 2와 같다[15].
쇽업쇼버의 강성 조절 다이얼을 회전시키는데 필요한 토크를 측정해본 결과 필요 토크는 3 kgf-cm로써 해당 토크 이상의 힘을 가지며 서스펜션 시스템의 크기를 소형화하기 위한 치수에 적합한 모터를 선정하였다. 모터의 정격 회전수는 7,200 rpm, 정격 토크는 22gf-cm이며 모터에 결합된 감속기의 감속비 1:393을 적용하여 정격 회전수 18 rpm, 정격 토크는 4,200 gf-cm인 감속기-모터(IG-22CGM 02TYPE, D&J WITH, Korea)를 선정하였다.
휠체어가 주행하는 노면에 따라 서스펜션의 강성에 대한 감쇠력의 경향성을 비교하고자 그림 6과 같이 휠체어에 3축 가속도 센서(DM-8501, Arduino, Italy)를 부착하여 진동시험을 수행하였다. 쇽업쇼버의 강성조절 다이얼은 1, 6, 12로 설정하여 50초 동안 자갈이 깔려 있는 노면, 보도블록, 포장도로 등 3가지 노면에서 직선으로 주행하였다.
스프링은 인장강도 110를 갖는 경강선으로 제작하였으며 스프링 설계의 고려사항으로는 유효권수 3이상, 스프링 지수(Dm/d) 4~10 사이, 종횡비 0.8~4사이, 하중 변위의 20%~80% 사이에서 스프링 사양을 정하였으며 표 1에 선경(d), 중심경(Dm), 자유장(L), 총 권수(Nt), 유효권수(Ne) 등 스프링의 사양에 대한 정보와 그림 3에 스프링의 치수에 대한 정보를 나타내었고, 식 (5), (6)은 스프링 상수와 스프링 최대 압축 높이를 나타낸다.
하우징은 폴리젯방식의 3D 프린터(Stratasys, Connex 500, USA)를 이용하여 모터의 회전력과 진동, 스프링이 압축될 때 받는 힘 등을 고려하여 적합한 강도의 광경화성 수지(Stratasys, Veroblack, USA)를 재료로 적층 시켜 제작하였고[12] 풀리와 쇽업쇼버의 케이스는 고정밀머시닝센터(Hermle, c22u, Deutschland)를 사용하였고 알루미늄 재료를 가공하여 부품을 경량화 하였으며[13] 스프링은 횡 탄성계수와 인장강도를 고려하여 경강선 재료를 가공하여 제작하였다[14].
휠체어가 주행하는 노면에 따라 서스펜션의 강성에 대한 감쇠력의 경향성을 비교하고자 그림 6과 같이 휠체어에 3축 가속도 센서(DM-8501, Arduino, Italy)를 부착하여 진동시험을 수행하였다. 쇽업쇼버의 강성조절 다이얼은 1, 6, 12로 설정하여 50초 동안 자갈이 깔려 있는 노면, 보도블록, 포장도로 등 3가지 노면에서 직선으로 주행하였다.

대상 데이터

모터의 정격 회전수는 7,200 rpm, 정격 토크는 22gf-cm이며 모터에 결합된 감속기의 감속비 1:393을 적용하여 정격 회전수 18 rpm, 정격 토크는 4,200 gf-cm인 감속기-모터(IG-22CGM 02TYPE, D&J WITH, Korea)를 선정하였다.
서스펜션에 하중이 가해질 때 응력과 변형률을 알아보기 위해 3D 설계 소프트웨어, 솔리드웍스(Dassault Systems, Solidworks 2017, France)를 통해 구조해석을 수행하였다. 서스펜션을 구성하는 부품의 재질은 Al6061, 스프링의 재질은 경강선 HSW를 적용하였으며 해석에 적용한 재료의 기계적 물성치는 표 2와 같다[15]. 그림 4는 구조해석을 위해 작성한 메시의 형태와 서스펜션에 대한 경계조건을 나타내며 휠체어의 바퀴와 연결되는 하단부에서 Z축 방향으로 108 kg에 해당하는 하중을 부가하였다.
본 논문에서는 서스펜션 강성 조절에 적용되는 핵심부품인 쇽업쇼버의 다이얼 조절을 위한 모터 컨트롤러를 직접 개발하였다. 제어기는 8비트 마이크로프로세서(ATmel, ATMEGA328P, USA), Full Bridge IC(STMicroelctronics, L298N, Swiss)를 모터 드라이버로 사용하고, 전원은 24VDC, 5VDC(스위칭 레귤레이터 IC, LM2576, TI, USA)로 사용하였다. 모듈간 통신을 위해 CAN Controller IC(MICROCHIP, MCP2515, USA)를 포함한 회로를 그림 5와 같이 설계하고 아트워크 및 PCB를 제작하였다.

성능/효과

1. 휠체어 주행 시 서스펜션에 하중이 가해질 때 제작된 부품이 받는 응력과 변형률을 알아보기 위해 구조해석을 수행했으며 해석결과 스프링의 경우 최대로 압축되었을 때 안쪽 부분에서 발생하는 최대 응력과 스프링의 재료인 HSW의 항복강도와 비교해봤을 때 재료의 항복강도보다 낮은 응력이 발생하였다. 또한 스프링이 압축될 때 스프링을 지지하는 상부 부품과 하부 부품에서도 응력이 발생하였는데 하부 부품에서 발생된 응력보다 상부 부품에서 발생된 응력이 크므로 상부 부품에서 발생한 응력값과 Al 6061재료의 항복강도를 비교해봤을 때 항복강도보다 낮은 응력이 발생하였다.
2. 쇽업쇼버의 강성조절 다이얼을 조절하여 각기 다른 노면에서의 진동시험을 진행하였으며 그 결과 각각의 노면에서 강성 조절 다이얼의 단계를 다르게 했을 때 나타나는 진폭의 크기가 달랐으며 이는 탑승자가 노면의 상태를 모니터링 하고 컨트롤러의 조작을 통해 능동적으로 서스펜션의 감쇠력을 조절할 수 있음을 나타낸다. 즉 충격에 취약한 장애인들이 전동 휠체어 탑승 시 충격으로 인한 신체 손상 및 이에 대한 두려움을 경감하고 승차감이 향상된 안전한 이동기기 이용이 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.
또한 스프링이 압축될 때 스프링을 지지하는 상부 부품과 하부 부품에서도 응력이 발생하였는데 하부 부품에서 발생된 응력보다 상부 부품에서 발생된 응력이 크므로 상부 부품에서 발생한 응력값과 Al 6061재료의 항복강도를 비교해봤을 때 항복강도보다 낮은 응력이 발생하였다. 구조해석 결과 하중이 가해졌을 때 서스펜션을 구성하는 스프링과 하네스에서 재료의 물성치인 항복강도 보다 낮은 응력의 분포를 나타냈다. 즉 구조해석을 통해 휠체어 주행 시 서스펜션에 가해지는 응력보다 서스펜션 시스템을 구성하는 부품들의 항복강도가 높으므로 서스펜션 시스템은 노면에서 전달되는 힘에 의해 손상되지 않는다고 고찰 하였다.
쇽업쇼버의 강성조절 다이얼을 조절하여 각기 다른 노면에서의 진동시험을 진행하였으며 그 결과 각각의 노면에서 강성 조절 다이얼의 단계를 다르게 했을 때 나타나는 진폭의 크기가 달랐으며 이는 탑승자가 노면의 상태를 모니터링 하고 컨트롤러의 조작을 통해 능동적으로 서스펜션의 감쇠력을 조절할 수 있음을 나타낸다. 즉 충격에 취약한 장애인들이 전동 휠체어 탑승 시 충격으로 인한 신체 손상 및 이에 대한 두려움을 경감하고 승차감이 향상된 안전한 이동기기 이용이 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고정형서스펜션시스템을 적용한 방식으로는 어떤 것들이 있는가?	서스펜션 시스템은 고정형과 능동형으로 나뉘며 휠체어에 적용되고있는고정형서스펜션시스템은아크로뱃휠(Softwheel, Acrobat wheel, Israel)방식, 루프휠(Jelly Products, Loop wheel, British)방식[8], 코일스프링 서스펜션 방식이 있다. 고정형 서스펜션은 강성이 정해져 있기 때문에 각기 다른 노면을 주행함에 따라 발생되는 진동의 크기가 다름에도 불구하고 서스펜션 그대로의 강성으로 수동적인 주행을 할 수밖에 없다는 단점이 있다[9].
	고정형 서스펜션의 단점을 해결하기 위해 어떤 서스펜션들이 적용되고 있는가?	고정형 서스펜션은 강성이 정해져 있기 때문에 각기 다른 노면을 주행함에 따라 발생되는 진동의 크기가 다름에도 불구하고 서스펜션 그대로의 강성으로 수동적인 주행을 할 수밖에 없다는 단점이 있다[9]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 자동차 등에는 노면의 상태에 따라 서스펜션의 강성을 조절하여 승차감을 확보하기 위해 에어 서스펜션, 솔레노이드/밸브 타입 서스펜션, 자기장 서스펜션 등 능동형 서스펜션이 적용되고 있다[10].
	고정형 서스펜션의 단점은?	서스펜션 시스템은 고정형과 능동형으로 나뉘며 휠체어에 적용되고있는고정형서스펜션시스템은아크로뱃휠(Softwheel, Acrobat wheel, Israel)방식, 루프휠(Jelly Products, Loop wheel, British)방식[8], 코일스프링 서스펜션 방식이 있다. 고정형 서스펜션은 강성이 정해져 있기 때문에 각기 다른 노면을 주행함에 따라 발생되는 진동의 크기가 다름에도 불구하고 서스펜션 그대로의 강성으로 수동적인 주행을 할 수밖에 없다는 단점이 있다[9]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 자동차 등에는 노면의 상태에 따라 서스펜션의 강성을 조절하여 승차감을 확보하기 위해 에어 서스펜션, 솔레노이드/밸브 타입 서스펜션, 자기장 서스펜션 등 능동형 서스펜션이 적용되고 있다[10].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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