Joint Angles Analysis of Intelligent upper limb and lower extremities Wheelchair Robot System

When the eldery with limited mobility and disabled use a wheelchairs to move, it can cause decreased exercise ability like decline muscular strength in upper limb and lower extremities. The disabled people suffers with spinal cord injuries or post stroke hemiplegia are easily exposed to secondary problems due to limited mobility. In this paper, We designed intelligent wheelchair robot system for upper limb and lower extremities exercise/rehabilitation considering the characteristics of these severely disabled person. The system consists of an electric wheelchair, biometrics module for Identification characteristics of users, upper limb and lower extremities rehabilitation. In this paper, describes the design and configurations and of developed robot. Also, In order to verify the system function, conduct performance evaluation targeting non-disabled about risk context analysis with biomedical signal change and upper limb and lower extremities rehabilitation over wheelchair robot move. Consequently, it indicate sufficient tracking performance for rehabilitation as at about 86.7% average accuracy for risk context analysis and upper limb angle of 2.5 and lower extremities angle of 2.3 degrees maximum error range of joint angle. ☞ keyword : Intelligent Robot, Upper Limb Rehabilitation, Lower Extremities Rehabilitation, Walk Assist Robot, Wheelchair Robot 1 Home Service Robot Center, Gwangju Technopark, Gwangju City, 500-706, Korea 2 Co., Ltd. Shinhan Systems, Gwangju Technopark, Gwangju City, 500-706, Korea 3 Computer Engineering, Chonnam National Univ., Yeosu, 550-749, Korea * Corresponding author (cglim@jnu.ac.kr) [Received 26 July 2013, Reviewed 9 August 2013, Accepted 15 October 2013] ☆ “본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 “로봇산 업클러스터조성사업”의 지원을 받아 수행된 연구결과임.“ ☆ 본 논문은 2013년도 인터넷정보학회 춘계학술발표대회 우수 논문 추천에 따라 확장 및 수정된 논문임. 1. 서 론 척수손상 및 뇌졸중 편마비와 같은 중증 장애인은 거 동이 제한되어 운동이 부족하고 근력 유지가 어렵다. 또 한, 휠체어를 주 이동수단으로 사용할 때에는 사용하지 않는 상·하지의 근력 저하 등 운동 능력의 감소를 초래할 수 있다. 현재 대부분의 휠체어 로봇은 노인 및 장애인의 재활 목적이 아닌 단순히 위치이동의 목적을 두고 있다. 이에, 재활이 가능한 휠체어 로봇에 대한 연구 개발이 요구되고 있으며, 중증 장애인이 일상생활에서 쉽게 운동 /재활 훈련을 수행할 수 있도록 도와주는 휠체어 로봇에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 휠체어 로봇은 ISSN 1598-0170 (Print) ISSN 2287-1136 (Online) http://www.jksii.or.kr http://dx.doi.org/10.7472/jksii.2013.14.6.33 지능형 상 ·하지 재활 휠체어 로봇 시스템의 관절각도 분석 34 2013. 12 (그림 1) 시스템 구성도 (Figure 1) System Configuration 크게 수동형 휠체어와 전동 휠체어로 나뉘며, 특히 전동 휠체어를 조작[1]하는 연구 및 이에 따른 다양한 제품이 개발되었다. 또한, 지능형 전동 휠체어에서 센서를 이용 한 장애물 회피 및 내비게이션 기능 구현, 휠체어에서 재 활 기능이 가능하게 하는 방법들에 대한 연구들이 진행 되고 있다[2]. 재활 로봇 관련 연구는 노약자 및 하지마비 장애인의 기립 및 보행을 보조해주는 외골격 로봇인 SUBAR[3], 중증 장애인의 보행 재활 훈련을 목적으로 Lokomat[4][5]과 같이 트레드밀, 체중 탈부하 장치와 외골 격이 결합된 재활 로봇[6], 착용형 로봇 HAL 등이 개발되 었다[7]. 그러나 장치가 차지하는 공간이 크기 때문에 일 반적으로 재활 센터에 설치되며 일상생활에서 사용하기 에는 어려움이 있다. 그리고, 사용자 인터페이스를 구성 할 때, 생활 활동 영역으로 부터 필요한 기본정보와 상황 정보를 이용하여 응급상황 호출 등이 가능하도록 구성하 여 탑승자의 안전을 고려해야한다[8-10]. 본 논문에서는 이러한 중증 장애인의 특성 및 이동성 을 고려하여 상·하지 운동 및 재활훈련이 가능한 지능형 휠체어 로봇 시스템을 제안한다. 제안된 시스템의 주된 목적은 노인 및 장애인이 일상생활의 모든 동작을 가능 한 한 혼자 수행할 수 있도록 유도하고 이차적인 기능장 애의 정도를 최소한으로 줄이는 것이다. 이에, 기본적인 휠체어 로봇에 상·하지 재활 기능을 탑재하고, 사용자의 생체신호를 인식하여 지능적인 재활이 가능하도록 설계 하였으며, 사용자 친화적이고 효율적인 인터페이스를 제 공하고자 한다. 본 논문은 다음과 같이 구성되었다. 2장 에서는 전체 시스템 구성 및 설계에 대하여 설명하고 3장 에서는 시스템 구현결과, 4장에서는 구현한 시스템의 성 능평가, 5장에서 결론과 향후 연구 방향을 제시한다. 2. 시스템 구성 및 설계