본 논문에서는 장애인 자가운전을 위한 휠체어 자동탑재기능을 가지는 캐리어를 개발하기 위하여 기구학적 동특성을 분석하고 기구부의 안전성을 고려한 강도 해석을 하였다. 휠체어 자동탑재장치의 실차량 장착 및 크기를 고려한 자가운전용 차량으로는 9인승 승합차량을 선정하였다. 먼저 기구학적 동특성과 구동 방식을 결정하고, 운동 궤적 및 동작 프로세스를 참조하여 캐리어를 적용하고자 하는 승합 차량에 대한 간섭여부를 확인하여 기구학적 개념 설계를 확정하고 기구부의 안전성을 확인하기 위해 강도해석을 통하여 설계의 신뢰성을 검증하였다.
본 논문에서는 스마트 모바일 장치 및 NFC(Near Field Communication)를 이용하여 전동 휠체어를 쉽게 제어할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다. 이 시스템은 기존 연구에서 진행하고 있는 전동 휠체어를 제어하기 위해 모바일 디바이스에 있는 Bluetooth통신 이용하여 휠체어 제어용 통합보드와 통신한다. 스마트 모바일 장치는 휠체어 제어용 통합보드에서 발생하는 신호를 실시간으로 체크하여 사용자가 휠체어의 상태를 쉽게 모니터링 할 수 있도록 한다. 사용자는 스마트 모바일 장치를 이용하여 휠체어를 쉽게 제어할 수 있으며, 개인의 상태에 맞게 언제든지 설정하여 사용할 수 있다. 제어는 HEX형식으로 하드웨어에서 신호를 바로 읽고 분석할 수 있도록 제작되었으며, 사용자에 맞춘 설정내용은 일반적으로 사용하는 버스카드(NFC)를 이용하여 등록, 저장과 설정한 내용을 읽어서 시스템에 적용할 수 있도록 하였다. 이 시스템을 적용함으로써 휠체어 중심의 보조기구가 아닌 사람중심의 보조기구로 장애인 및 노인들에게 편의와 안정성을 제공해 줄 수 있을 것이다.
본 연구에서 제안된 차량용 휠체어 수송메커니즘은 크게 이송메커니즘과 수납메커니즘으로 구성된다. 여기서 휠체어 이송메커니즘은 매니퓰레이터로 구성되며, 차량의 루프에 설치되어 운전석에서 트렁크의 위치까지 휠체어를 이송하는 기능을 한다. 휠체어 수납메커니즘은 리프팅 호이스트로 구성되며, 차량의 트렁크에 설치되어 이송된 휠체어를 트렁크 내부로 수납하고 안전하게 고정하는 기능을 한다. 본 연구에서는 휠체어 이송메커니즘의 조건을 고려한 매니퓰레이터의 방식선정을 위해 수직방식, 수평방식, 텔레스코픽방식 등에 대하여 분석하고 검토하여 하중지지에 강하고 수납보관에 유리한 텔레스코픽방식을 선정하여 적용하였다. 또한 휠체어 수납메커니즘에서는 슬라이드 레일과 리프트와이어에 의한 슬라이드 호이스트방식과 웜기어와 링크로 구성된 회전메커니즘에 의한 회전링크 호이스트방식에 대하여 분석하고 검토하여 트렁크 공간 활용에 유리한 슬라이드 호이스트방식을 선정하여 적용하였다. 본 연구에서 제안된 차량용 휠체어 이송메커니즘은 기존의 휠체어 이용자 이동지원을 위한 차량용 휠체어 이송시스템의 단점을 해소하고 국내 장애인복지차량 구조에 부합하도록 제안하였다.
The purpose of this study was to investigate differences of the mechanical efficiency on the characteristics of the basketball wheelchairs(cambers & size of the handrims). Nine healthy and normal wheelchair basketball players who had no impairments to their upper extremities were volunteered to participate in this study. $VO_2$ was collected using automatic gas analyzer(vmax29). Gross efficiency, net efficiency and work efficiency were analyzed from the calculated external power output and energy expenditure. The results were followed. First, gross efficiency in the basketball wheelchairs was observed across the range from 4 to 10%. Gross efficiency in this study showed less values than that from the literature reviewed in the arm cranking(15%), racing wheelchair(above 30%), gait(27%) and cycling(18-23%). Second, the small size of handrim(61cm) at the 16 degrees of camber produced higher efficiency values than the large size of handrim(66cm) whereas the different sizes of handrim at the 20 degrees of camber did not show any pattern. Third, both faster speed($1.11^m/s{\rightarrow}1.39^m/s$) and increases in treadmill inclination produced increases in energy expenditure. The results of this study may provide not only better understanding of the mechanical efficiency with adequate camber degree and proper size of handrim but also fundamental information for manufacturing the wheelchair.
The recent power add-on drive wheelchairs (PADWs) provide greater physical activity, are easier to transport, and may be an excellent alternative for the typical manual or electric wheelchairs. The development of in-wheel motor for a PADW is the principal issues. In this paper, design, implementation, and testing of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) for a PADW are presented. To design output power and torque of the motor, the equation of motion has been investigated. The design parameters were calculated and the dimension and shape of the motor which was limited by the In-wheel mechanism of the PADW were done by applying FEM and optimal design technique. The prototype of the motor mentioned above was fabricated with precise machining and assembling. Then the motor tested on dynamometer and the measured results of the motor were verified by comparing the design results. The fabricated motor was 80 mm in length with a diameter of 110 mm and small enough to be attached the driving unit of the PADW.
본 논문에서는 ATmega기반의 스마트 제어보드를 이용하여, 지형의 경사로에 따라 실시간으로 전동휠체어의 시트를 제어하는 시스템을 제안한다. 스마트 제어보드에는 자이로 및 가속도 센서와 Tilt센서가 포함되어 있으며, 전동휠체어가 다양한 경사로 지형을 지나갈 때 실시간으로 2개의 센서를 이용하여, 지형을 파악할 수 있도록 구성되었다. 본 논문에서는 정확한 지형을 파악할 수 있도록 자이로 센서와 가속도 센서 기반에 상호보안 필터를 적용하여, 전동휠체어가 이동 중에 출력되는 센서 값의 노이즈를 해결하였다. 이를 기반으로 전동휠체어가 이동시 센서 출력 값의 노이즈로 인하여, 시트가 지속적으로 흔들리지 않고 안정적으로 시트 평행을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 사용자의 편의를 위해 전동휠체어에 익숙하지 않은 사람들이 쉽게 제어할 수 있도록 스마트 폰 기반의 제어 플랫폼을 제공한다. 스마트 폰의 제어플랫폼은 전동휠체어의 현재 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 욕창 방지와 관련하여, 시트의 기울기를 임의적으로 제어할 수 있도록 도와준다.
본 논문은 힘 보조형 휠체어에 있어 힘 센서 없이 사용자의 구동 의지를 측정하는 방법과 이를 통한 차량제어 방법을 제시한다. 이를 위해 먼저 모터의 수학적 모델을 이용하여 사용자의 구동 의지력을 추정하는 알고리즘을 도출한다. 이후 도출된 외력을 기반으로 사용자가 원하는 차량 속도 및 방향을 추정한다. 이를 토대로 차량의 이동량을 결정하고 차량이 이에 따라 구동되도록 알고리즘을 구성하였으며 이를 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
본 논문은 전동 휠체어 시스템에서 반 자율주행 및 안전 주행, 장애물 회피를 위한 퍼지 신경망 제어 주행 시스템을 제안, 디자인 및 임베디드 리눅스 시스템을 통해 구현하고 검증한다. 자율주행 장애물 검출 알고리즘을 위해 거리측정 센서를 통해 장애물의 크기를 파악하고 회피할 수 있는 폭과 각도, 거리 및 속도를 계산하여 계획된 경로대로 이동할 수 있는 알고리즘을 구현한다. 또한 거리측정 센서를 최소화하기 위해 휠체어 앞쪽에 2개의 스텝모터를 통해 거리측정 센서를 좌우로 움직이면서 패닝 스캔을 한다. 퍼지 신경망 제어 주행 시스템은 센서 스캐닝을 통한 맵 데이터를 분석하고 주행 알고리즘에 따른 자율 주행 경로를 설정한다. 정해진 자율 주행 경로는 퍼지 신경망 제어 주행시스템을 통해 전동 휠체어 컨트롤 주행을 제어 운용한다. 그리고 보호자를 위한 전동 휠체어 보호자 트래킹 알고리즘을 구현한다. 본 시스템은 장애인 및 움직임이 불편한 노인을 위한 반 자동 전동휠체어 시스템을 구축하여 안전하게 사용자가 운용할 수 있게 한다. 그리고 휴대용 생체 신호 측정센서를 부착하여 실시간 몸이 불편한 장애인의 생체신호를 모니터링 하여 이상 시 알람 경보를 보호자 및 관계자에게 전달한다.
본 연구에서는 전동휠체어 주행 시, 슬립 현상으로 인해 발생할 수 있는 경로 이탈 및 제어 불능에 대처할 수 있는 슬립 제어기에 관한 연구로 주요기능인 슬립 검출기를 제안하고자 한다. 전동휠체어에서 슬립의 검출은 주행과정에서 전동휠체어와, 모터의 상태를 검출하는 것으로, 이를 위해 6축 IMU 센서와 좌우 모터에 연결되어 있는 엔코더를 통해 산출된 정보를 슬립 검출 알고리즘을 이용하여 슬립율을 산출한다. 이렇게 산출된 슬립 비율은 전동휠체어의 안전성 향상을 위한 제어변수로 사용된다. 본 연구에서 제안한 슬림 검출기 실험 결과 제안된 경로에서의 슬립 현상을 확인 할 수 있었다. 실험 중 최대 슬립 율 검출 구간은 전동휠체어의 선회시 발생하는 것으로 확인 하였다.
벨트나 체인을 이용한 감속기는 간단한 장치이긴 하지만 공간을 많이 차지하여 공간상의 제약이 있기 때문에 전동휠체어 구동부에는 부적합하다. 하지만 유성기어형태의 감속기는 동일 축에서 감속이 이루어지기 때문에 부피를 작게 할 수 있어 공간의 제약이 벨트나 체인형태의 감속기보다 덜하다. 따라서 본 연구에서는 수·전동전환이 가능한 휠체어의 구동부에 대한 연구를 통하여 유성기어형태를 이용한 감속기로 큰 추진력을 얻을 수 있는 구동부를 개발하였다. 그에 따라 감속기에 적용되는 유성기어의 치형을 Kisssoft 프로그램을 이용하여 설계를 진행하였다. 또한 기존 휠체어 바퀴에 적용 가능하도록 구동부의 설계를 진행하였고, 구동부의 수·전동 전환원리 및 작동원리에 대한 메커니즘의 최적화를 진행하였다. 연구내용을 토대로 하나의 선기어와 2개의 유성기어, 하나의 링기어를 갖는 유성기어 형태의 휠체어 감속기 구동부의 최종 설계 및 제작을 진행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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