KR100360459B1

KR100360459B1 - 전동 휠체어 및 그 구동제어방법

Info

Publication number: KR100360459B1
Application number: KR1020010003773A
Authority: KR
Inventors: 성동제; 신규재
Original assignee: 성동제
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-11-13
Also published as: KR20020063053A

Abstract

본 발명은 전동 휠체어 및 그 구동제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 소형인 DC 전동기 또는 브러쉬리스 DC 전동기를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서, 바퀴에 2개의 구동용 모터가 내장되어 모터의 출력측에 연결된 구동장치와, 바퀴에 기계적인 동력을 전달하는 바퀴회전체 뭉치와, 안락한 승차감을 제공하기 위한 가변속 제어수단과, 방향등, 전기브레이크와 고장 자가진단을 갖는 마이컴 제어부와, 속도와 방향을 동시에 제어할 수 있는 조종 손잡이와, 장애자의 안전운행을 위한 주행속도표시계, 주행거리표시계, 배터리 충전량 표시계, 방향램프, 브레이크 램프, 경음기를 내장한 표시패널과, 전력공급을 위한 배터리, 안전을 위한 경음기, 방향등, 브레이크등으로 구성되어져 휠체어의 크기를 줄여 차량에 용이하게 탑재할 수 있도록 하고 경사로와 굴곡로 및 평지의 도로조건에 따라 원활한 주행이 가능하도록 한 것이다.

Description

전동 휠체어 및 그 구동제어방법{drive control method and electromotive wheel chair}

본 발명은 전동 휠체어 및 그 구동제어방법에 관한 것으로서, 특히 구동장치의 부피를 줄여 휠체어가 용이하게 접혀 차내에 탑재되도록 하고, 구동장치와 연결된 기어 및 변속장치를 이용하여 고속주행과 경사로의 주행을 원활하게 하도록 하고 아울러 마이컴을 적용하여 보다 편안하고 안락한 주행이 되도록 한 것이다.

일반적으로 전동 휠체어의 구동력을 얻기 위해서는 300W 정도의 DC 전동기를 사용하거나 브러시가 없는 200W의 브러시 리스 DC 전동기를 사용하였다.

이러한 DC전동기가 적용된 구동장치는 부피가 큼으로써 휠체어가 원활하게 접혀지지 않기 때문에 차량에 싣고 내리는 과정에서 많은 불편함이 있었으며 전력의 소모가 큼으로써 큰 용량의 배터리를 사용해야 되는 문제점이 있었다.

또한 브러시 리스 DC 전동기를 갖는 구동장치는 장기간 사용할 경우에는 브러시의 마모로 인한 유지보수 문제와 휠체어의 크기로 인해 접혀지지 않던 문제를 해결할 수 있으나, 브러시 리스 DC 전동기가 고가인 관계로 구입에 따른 많은 경제적인 부담을 갖게 되는 또 다른 문제점이 있었다.

그리고 초기 기동시에 구동 모터의 기동 전류로 인해 휠체어가 진동함으로써 승차감이 나쁘고 좌, 우측 바퀴의 노면 조건이 다를 경우에는 휠체어 양쪽 바퀴의 회전속도가 다르게 되어 한 방향으로 편중되어 진행하게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서 각 바퀴에 구동모터인 소형 DC 또는 브러쉬리스 DC전동기 2개를 이용하여 단위 체적당고토크를 발생하는 구동장치를 구비함으로써 그 부피를 줄여 휠체어가 용이하게 접혀질 수 있도록 하고, 소형 모터의 토크를 보완하기 위해 부착된 감속기어장치와 변속장치를 이용하여 중립, 1단과 2단의 기어 변속으로 고속주행과 경사로의 등판 주행이 가능하도록 하며 또한 기동시에 과도한 기동전류를 제한시켜 정속 주행이 가능하도록 하고 조종손잡이에 의해 입력된 속도명령에 따르는 속도보상 제어용 마이컴을 적용함으로써 안락한 주행이 되도록 하는데 그 목적이 있다.

또한 전동 휠체어를 저가의 구성부품으로 설계, 제작토록 함으로써 많은 장애인들이 경제적인 부담 없이 사용할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소형 전동기를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서, 각 바퀴 당 2개의 구동용 모터가 내장되며 모터의 출력측에 연결된 구동장치와, 바퀴에 기계적인 동력을 전달하는 바퀴전체 뭉치와, 안락한 승차감을 제공하기 위한 가변속 제어수단과, 방향등, 전기브레이크와 고장자가진단을 갖는 마이컴 제어부와, 속도와 방향을 동시에 제어할 수 있는 조종 손잡이와, 장애자의 안전운행을 위한 주행속도표시계, 주행거리표시계, 배터리 충전량 표시계, 방향램프, 브레이크 램프, 경음기가 내장된 표시패널과, 전력공급을 위한 배터리, 안전을 위한 경음기, 방향등, 브레이크등으로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전동 휠체어의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 구동장치의 분해 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 바퀴 회전체의 분해 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 마이컴 제어부의 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 정속도 운전을 위한 제어수단의 블록 구성도.

도 6은 본 발명에 따른 조종 손잡이의 기능을 개략적으로 도시한 블록 구성도.

도 7은 본 발명에 따른 마이컴 제어부의 운용 흐름도.

도 8은 본 발명에 따른 조종 손잡이의 운용 흐름도.

도 9는 본 발명에 따른 마이컴 제어부의 구동제어에 사용된 회로를 도시한 회로도.

도 10은 본 발명에 따른 구동장치에 적용된 전력증폭기의 회로도.

도 11은 본 발명에 따른 조종 손잡이의 제어수단을 도시한 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10:구동장치 11a,11b:구동용 모터

12:기어장치 12a:1차 감속 상단평기어

12b:1차 감속 하단평기어 12c:2차 감속 상단평기어

12d:2차 감속 하단평기어 12e:3차 감속 상단평기어

12f:3차 감속 하단평기어 12g:4차 감속기어

13:변속장치 13a:미끄럼형 1대1 변속평기어

13b: 1대1 변속평기어 13c:미끄럼형 3대1 변속평기어

13d: 3대1 변속평기어 14:동력출력장치

14a:베벨결합체 15:기어변속레버 뭉치

16:속도감지센서 17:레버연결장치

18:클러치 18a:전기 브레이크

30:바퀴 회전체 뭉치 33:바퀴

40:마이컴 제어부 60:조종손잡이

80:표시패널 81:방향램프

82:브레이크 램프 84:주행속도표시계

85:주행거리표시계 83:배터리 충전량 표시계

91:배터리 92:방향등

93:브레이크등 94:경음기

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전동 휠체어는 도 1에 도시된 바와 같이, 휠체어의의자(10a)와 바퀴(10b) 사이에 구비된 바퀴 회전체 뭉치(30)가 평지에 대해 수직방향으로 설치된 구동장치(10)와, 조종손잡이(60)의 조작에 의해 속도와 방향제어 명령이 가해지도록 하면서 신호를 장애자가 시각적으로 확인할 수 있도록 표시패널(80)에 구동모터(11)의 속도명령과 방향신호를 출력하고 마이컴 제어부(40)에 이 신호를 전송하도록 하고, 주제어용 마이컴(41)은 명령신호에 의하여 초기 기동시에 기동전류를 억제하여 급출발을 방지하고 속도명령과 센서를 통하여 감지된 속도출력의 속도오차를 계산하여 오차를 보상하며 이에 비례한 펄스폭 변조신호를 발생시켜 구동모터(11)에 전력을 제어함으로써 편안한 승차감을 제공하도록 구성되어 있다.

상기 구동장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 구동모터(11)에서 발생된 전동력을 바퀴 회전체(30)로 동력을 전달하는 장치로서, 기어장치(12), 변속장치(13), 동력출력장치(14), 기어변속레버뭉치(15), 속도감지센서(16), 레버연결장치(17)와, 클러치(18) 및 전기 브레이크(18a)로 구성된다.

구동모터(11)로부터 발생된 동력은 1차 감속 상단 평기어(12a)와 하단 평기어(12b), 2차 감속 상단 평기어(12c)와 하단 평기어(12d), 3차 감속 상단 평기어(12e)와 하단평기어(12f), 4차 감속기어(12g)를 통과하면서 감속되고 고토크로 변환된 다음 바퀴회전체(13)의 베벨기어 결합체(14a)로 전달되도록 구성되어 있다.

기어변속 레버뭉치(15)는 중립, 1단 및 2단 변속이 가능하며 2단 변속시는 외부의 레버연결장치(17)의 인위적인 조작에 의하여 변속기어 회전축을 이동시켜 동력전달평기어(13a)를 평기어 (13b)에 접속시켜 동력출력장치(14)로 동력을 전달한다.

또한 같은 방법으로 1단 변속시는 동력전달 평기어(13c)를 평기어(13d)에 접속시켜 동력출력장치(14)의 베벨기어 결합체(14a)로 회전력을 전달한다.

베벨기어 결합체(14a)의 동력이 바퀴에 고정된 다른 베벨기어로 전달됨으로써 최종적으로 휠체어의 바퀴를 회전시키게 된다.

기어, 변속장치(12)(13)결합체와 베벨 결합체(14a)를 지지하는 지지체(19)는 상단지지(19a), 하단 지지대(19b) 및 베어링(19c) 그리고 다수의 간격유지용 지지봉(22)과 오일주입구(20)로 구성된다.

본 발명의 구동장치(10)와 기어변속장치(12)(13)는 단위 체적당 고토크를 발생시키는 장치로서 휠체어에 부착이 용이하고 소형이기 때문에 손쉽게 접어 차량에 싣을 수 있도록 하며 아울러 주행로의 조건, 즉 평지 또는 등판로에 따라 적절한 변속을 실시하여 안전하고 안락한 주행이 되도록 구비되어 있다.

상기 바퀴 회전체(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 구동장치의 동력을 바퀴에 전달하기 위한 결합체로써, 차체지지뭉치(31), 회전체 뭉치(32), 바퀴(33), 고정볼트(34)와 고정키(35) 및 베어링(36)(37) 그리고 전기한 베벨결합체(14b)로 구성된다.

상기 동력출력장치(14)에 바퀴 회전체(30)가 연결되고 여기에 바퀴(33)가 또 다시 연결되어 동력을 전달하게 된다. 여기서 차체지지뭉치(31)는 바퀴(33)가 차체에 고정되어 있음으로써 동력출력장치(14)가 회전하더라도 차체와의 마찰을 감소시키는 역할을 한다.

또한 고정볼트(34)와 고정키(35)는 바퀴(33)가 바퀴 회전체(30)에 고정된 상태에서 이탈되는 것을 방지하도록 구비되어 있다.

상기 마이컴 제어부(40)의 주제어용 마이컴(41)은 도 4에 도시된 바와 같이 초기 기동시 기동전류에 의해 급격한 출발이 이루어지는 문제와 노면의 조건에 따라 좌,우 바퀴에 회전속도의 차이가 발생하여 일방향으로 주행되는 문제를 해결하기 위한 것으로서 속도계측회로(42a)에 접속된 좌측 바퀴 속도감지센서(16a)와 다른 속도계측회로(42b)에 접속된 우측 바퀴 속도감지센서(16b)를 갖는 속도감지부(SC)를 이용하여 속도를 측정하고, 조종손잡이(60)에 의해 보낸 속도명령에 추종할 수 있도록 PI 속도보상제어를 갖는 주제어용 마이컴(41)에 의해 구현된다.

보상된 펄스폭 변조신호로 변환된 신호는 구동제어부(DC)의 게이트 구동회로(43)로 인가되고 IGBT모듈(44) 및 전류센서(50)로부터 인가된 신호에 따라 좌측 바퀴 구동모터(11a)와 우측 바퀴 구동모터(11b)의 회전속도를 제어하게 된다.

따라서 초기 출발시 구동모터(11)의 기동토크에 의하여 차체가 흔들림 없이 부드럽게 출발할 수 있으며 노면조건에 따라서 휠체어가 한 방향으로 치우치게 되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

또한 보다 완벽한 안정된 기능을 제공하기 위해 좌회전 또는 우회전 주행시 조종손잡이(60)에 의하여 방향등(92)이 자동으로 동작되도록 구비되어 있다.

그리고 조종손잡이(60)가 중앙에 위치했을 경우에는 휠체어가 정지되도록 전기 브레이크(18a)와 브레이크등(93)을 구동시키는 릴레이 구동회로(45)와 릴레이모듈(46)이 구비되어 있다.

그리고 휠체어가 후진할 경우와 배터리(91)가 방전된 경우에는 경음기(94)가 작동되도록 함으로써 장애자의 안전을 보장할 수 있는 구성으로 구비되어 있다.

추가적으로 DC/DC 컨버터(47)를 이용하여 +24V DC 배터리(91)를 마이컴 제어부(40)에 필요로 하는 +5V DC, +12V DC를 공급되도록 구비되어 있고, 고장이 발생할 경우에 고장 자가 진단을 위한 목적으로 고장상태를 스스로 진단하여 시스템의 이상유무를 손쉽게 알려주는 컴퓨터 인터페이스를 갖는 고장 자가진단용 커넥터(48)가 구비되어 있다.

또한 위험 발생시 주위 사람들에게 신호음을 발생시키는 경음기(94)가 구비되어 있고 조종손잡이(60)로부터 좌우 또는 전,후진 명령의 신호가 발생되지 않을 경우에는 후술하는 주제어용 마이컴(41)의 운용 프로그램에 의하여 자동으로 바퀴 회전축을 고정시키도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 전동 휠체어의 가변속 운전을 위한 제어수단은 도 5에 도시된 바와 같이 종전의 전동 휠체어는 초기 운전시 구동모터의 기동전류에 의하여 자체가 흔들리는 현상과 노면의 조건에 따라 각 바퀴의 회전속도가 다르게 됨으로써 차체가 좌,우로 흔들리는 문제점을 속도제어와 전류제어를 통해 정속도 운전이 되도록 구성되어 있다.

조종손잡이(60)에 의하여 좌측 구동모터(11a) 또는 우측 구동모터(11b)에 전기가 공급되면서 방향제어와 속도조절이 동시에 결정되도록 구성되어 있다.

여기에서 조종손잡이(60)의 위치각은 아날로그 전압으로 가변되고, 가변된 전압은 속도비교기(62)에 의하여 2진신호로 변환된 상태로 마이컴 제어부(40)의 주제어용 마이컴(41)에 인가된다.

그리고 구동모터(11)에 부착된 구동모터 회전감지부(RS)를 구성하는 속도감지센서(16)에 의하여 현재의 속도가 검출되고 검출된 신호는 구동모터 회전감지부(RS)를 구성하는 다른 속도계측회로(42)에 입력되면서 2진신호로 변환된 상태로 주제어용 마이컴(41)에 입력된다.

이때 속도오차를 보상하기 위한 주제어용 마이컴(41)의 제어프로그램에 의하여 속도 명령값과 속도 출력값을 비교하고, 그 속도 오차값을 비교, 적분제어기(PI)에 의하여 속도가 보상되면서 전류제어기(50)로 입력된다.

부가적으로 구동장치에 필요로 하는 토오크를 안정되게 공급하기 위해 구동모터(11)로 공급되는 전류를 전류감지센서(51)에 의해 검출하여 전류제어기(50)로 인가시키도록 구비되어 있다.

전류제어기(50)는 과전류를 차단하여 구동모터(11)와 게이트 구동회로(43) 및 IGBT모듈(44)을 보호하고 휠체어가 정속도 운전을 할 수 있는 기능을 제공한다.

따라서 장애자가 초기 운전시 노면의 불안정한 상태에서도 차체가 흔들림 없이 부드럽게 출발하고 사용자가 원하는 방향으로 안정되게 주행할 수 있게된다.

상기 조종손잡이(60)는 도 6에 도시된 바와 같이 종래의 손잡이는 단지 방향만을 결정하고 별도의 조작레버에 의하여 속도가 조절되었던 불편했던 문제를 본 발명에서는 조종손잡이(60)의 움직임에 대해 휠체어의 이동방향과 종축 및 횡측의 위치각도를 이용하여 속도제어가 동시에 구현되도록 구비되어 있으며 표시패널(80)은 방향램프(81), 브레이크 램프(82), 배터리 충전량 표시계(83), 주행속도 표시계(84), 주행거리 표시계(85), 모터 구동 LED(86)로 구성되어 있다.

이러한 조종손잡이(60)의 동작원리는 조종손잡이(60)의 위치각에 의하여 가변저항이 종축과 횡축으로 가변되는 가운데 2축 위치 정보에 해당하는 전압신호는 종축각 비교기(62a)와 횡축각 비교기(62b)를 갖는 위치각 입력부(AI)를 경유하면서 2진 위치각 출력신호로 변환된 상태로 조종손잡이 제어용 마이컴(61)에 입력된다.

입력된 2진 위치각 신호에 의하여 휠체어에 구동 속도명령이 발생되고 발생된 신호는 마이컴 주제어부(40)로 전송된다. 그리고 장애자가 구동모터(11)의 속도명령을 육안으로 확인할 수 있도록 좌측 모터구동 LED회로(63a)와 우측 모터구동 LED회로(63b)를 갖는 신호출력부(SO)를 통해 구동출력 LED(86a, 86b)로 표시된다.

또한 현재 주행시의 차량 상태를 표시하는 기능으로 현재 주행속도를 7세그먼트를 이용하여 속도를 표시하는 주행 속도계(84), 배터리 교환 후 총 주행거리를 표시함으로써 사용자가 안심하고 원거리를 주행할 수 있도록 하는 주행거리 표시계(85), 이와 병행하여 배터리(91)의 충전상태를 표시하기 위한 배터리(91)의 충전량을 비교기(64)를 통해 2진신호로 변환하고 변환된 신호를 배터리 충전량 표시계(83)로 출력된다.

본 발명에 따른 마이컴 제어부의 제어 흐름은 도 7에 도시된 바와 같이 구동모터(11)와 기어, 변속장치(12)(13)를 가변속과 조종손잡이(60)의 속도명령에 따라 구동모터(11)를 정속도로 제어가 되도록 함으로써 승차감을 높일 수 있도록 하고 추가적으로 휠체어의 주행속도와 주행거리를 계산하여 7세그먼트로 출력되도록 하여 장애자가 육안으로 확인할 수 있다.

또한 과속 및 휠체어에 이상이 발생할 경우에는 자동으로 경보음이 발생되는 편의기능과 방향을 전환할 경우에는 방향등을 점등시켜 장애자를 주변환경으로부터 안전하게 주행할 수 있는 기능을 제공한다.

이러한 기능을 제공하는 제어용 마이컴(41)에 내장된 프로그램은 전원이 공급됨과 동시에 프로그램이 시작(100)되면서 시스템 초기화(101)를 실시한다.

다음 조종손잡이(60)의 속도명령 입력(110)과 구동모터(11)의 속도출력을 입력(111)하여 속도오차를 계산(112)하고 이어서 PI속도제어기(113)로 보상하고 신호와 비례한 펄스폭 변조신호를 발생(114)시킨다.

또한 휠체어의 방향을 제어하기 위해 조종손잡이(60)의 방향을 인식하고 이에 해당하는 IGBT를 통전시켜 표시패널(80)로 표시하게 된다. 즉, 먼저 전진명령(120), 후진명령(130), 좌회전(140), 우회전(150), 중립(160)에 있는지를 해당하는 IGBT모듈로 통전시킨다.

그리고 추가적으로 후진시 방향등(81)을 주기적으로 점, 소등하게 되고, 좌회전시에는 좌측등(81a), 우회전시에는 우측등(81b)을 점등시키며 중립상태(160)에서 전기식 브레이크를 작동 시킴으로써 바퀴(33)가 회전되는 것을 방지하게 된다.

다음으로 장애자에게 편의를 제공하기 위해 주행거리(170)와 주행속도(180)를 계산한 다음 조종손잡이(60)로 신호를 전송한 후 휠체어를 구성하는 여러 장치의 이상유무를 점검하여 자가진단신호(190)를 발생시킨다.

그리고 구동스위치(49)의 작동 유무를 확인(200)하고 ON 상태이면 속도명령을다시 입력(110)하는 루틴으로 점프하고 OFF 상태이며 속도명령을 다시 입력(110)하는 루틴으로 점프하도록 하고 OFF 상태이면 프로그램을 정지하게 된다.

조종손잡이의 운용 프로그램은 도 8에 도시된 바와 같이 조종손잡이(60)의 종축과 횡축의 위치각 전압신호가 종축각 비교기(62a)와 회전각 비교기(62b)로 입력되면 위치각 정보가 2진신호로 변환되어 조종손잡이 제어용 마이컴(61)에 입력된다.

이러한 신호는 조종손잡이(60) 위치각과 대응하는 좌,우측 바퀴 구동모터(11a)(11b)의 속도명령을 모터구동 출력신호 LED회로(63a)(63b)로 출력하고 방향등(81)과 전기 브레이크(18a)의 동작상태를 패널로 출력하여 운전중인 장애자가 육안으로 확인할 수 있게 된다.

조종손잡이 제어용 마이컴(61)에 내장된 프로그램은 전원이 공급되면 프로그램이 시작(300) 되면서 조종손잡이의 패널 표시부를 초기화(301)한다.

다음 비교기(62a)(62b)에서 2진신호로 변환된 종축과 종축의 위치각, 즉 속도명령과 방향제어 신호가 입력(310)된다.

이와 함께 주제어용 마이컴(41)의 출력정보신호인 구동모터(11)의 속도 및 방향신호가 조종손잡이 제어용 마이컴(61)에 입력(312)된다. 그리고 구동모터(11)의 속도출력 신호변환(313) 하고 LED 회로로 출력(314)된다.

또한 조종손잡이(60)의 속도와 방향제어 명령에 따른 패널부의 안전표시램프를 점등하는 기능을 제공한다.

먼저 좌회전(320), 후진(330), 중립(340), 비상스위치가 ON상태(350)에 있는지를 인식하고 이에 해당하는 안전표시램프를 점등시킨다. 즉, 좌회전시에는 좌회전 방향램프(81a)를, 우회전시에는 우회전 방향램프(81b)를, 비상 스위치 ON시에는 방향램프(81a)(81b)를 주기적으로 ON시키고 중립에서는 브레이크 램프(82)를 ON시킨다.

다음으로 조종손잡이(60)의 전원스위치가 ON 상태인지를 비교확인(360)한 다음 OFF 상태가 아니면 위치각 입력(310)으로 점프를 하고, OFF 상태이면 조종손잡이의 동작을 중지시킨다.

이때 주행거리와 배터리 충전량 표시계(83)는 정상동작을 하게 된다.

전동휠체어의 마이컴 전력제어부는 도 9에 도시된 바와 같이 먼저 조종손잡이(60)의 종축과 회전의 위치정보는 2진신호로 변환되어 주제어용 마이컴(U1)에 입력(400)된다.

이와 동시에 현재 출력중인 좌측 구동모터(11a)의 속도감지센서(32a)로부터 검출신호가 입력(410)된다.

이러한 신호는 보조 마이컴(U2)에서 8비트 속도출력신호로 변환되어 D플립플롭(U3)로 입력된다.

이와 같은 방법으로 동시에 우측 구동모터(11b)의 속도감지센서(32b)에서 검출된 신호는 보조 마이컴(U4)에서 8비트 속도출력 신호로 변환된 상태로 D플립플롭(U5)에 입력된다.

인가된 신호는 8비트 데이터 버스를 공유하기 위하여 OR게이트(U6)(U7)에 입력되고, 속도명령과 속도출력 신호를 주제어용 마이컴(U1)의 PI제어프로그램에 의해 펄스폭 변조 신호를 발생시키게 된다.

그리고 이러한 신호는 좌측 구동모터를 구동하기 위한 신호로 게이트 구동회로(U8)로 입력되고 IGBT 모듈을 통전시키기 위해 단자(640)로 출력된다.

또한 다른 게이트 구동회로(U10)를 통해 조종손잡이의 방향상태에 따라 방향등과 경음기 및 전기브레이크를 동작시키는 단자(470)로 제어신호가 출력된다.

또한 안정된 정전압을 제공하기 위하여 배터리+24V DC(480)를 레귤레이터(U11)(U12)(U13)의하여 각기 +12V DC, +5V DC로 DC/DC변환되어 마이컴 제어부(40)와 조종손잡이(60)에 전원을 공급한다.

상기 본 발명의 전동 휠체어의 전력제어는 도 10에 도시된 바와 같이 마이컴 제어반(40)의 구동모터 IGBT모듈인 게이트 입력단자(450)(460)로 신호가 입력되고 2개의 좌측 구동모터(M11)(M12)에 전기를 공급시키기 위해 IGBT(Q11)(Q12) (Q13)(Q14)를 통전시키고, 이와 동시에 2개의 우측 모터(M21)(M22)로 전기를 공급시키기 위해 IGBT(Q21)(Q22)(Q23)(Q24)를 통전 시킨다.

추가적으로 IGBT의 턴 ON 또는 OFF시 전류 변화에 의한 IGBT 모듈을 보호하기 위하여 스너버 회로(D3)(R1)(C1)를 적용하는 것이 더욱 바람직하다.

따라서 보상된 속도신호에 비례한 PWM신호에 의하여 좌우측의 구동장치와 기어변속장치를 구동하게 된다.

상기 본 발명 전동 휠체어의 조종손잡이에 따른 동작은 도 11에 도시된 바와 같이 종래는 별도의 조작레버에 의하여 속도명령이 세팅되어 있으나, 본 발명의 조종손잡이(60)는 방향제어 명령 이외에 횡축과 종축에 가변저항이 부착되어 있어 조종손잡이(60)의 위치각에 비례하여 속도명령이 인가된다.

속도명령이 인가되는 방법은 다음과 같다.

조종손잡이 횡축 가변저항의 아날로그 전압이 횡축입력단자(500)에 입력되면 비교기(U1)(U4)의 반전단자에 입력된 기준전압과 비교되어 아날로그전압이 2진신호로 변환된다.

이와 동일한 방법으로 종축 가변저항의 아날로그전압도 횡축입력단자(510)에 입력되면 비교기(U2)에 의하여 종축속도 명령도 2진 신호로 변환되어 조종손잡이 제어용 마이컴(U6)에 입력된다.

입력된 신호는 다시 마이컴(U6)에 의하여 전진 3단, 후진 2단 및 좌,우회전으로 변환되도록 하기 위해 마이컴 제어반(40)으로 입력되면서 데어터 드라이버(U7)을 통해 속도명령 출력단자(560)로 출력된다.

또한 신호는 신호처리용 마이컴(U8)에 입력되고 조작패널에 부착된 좌측 LED모듈(D6)(D7)(D8)(D9)(D10)과 우측 LED모듈(D11)(D12)(D13)(D14)(D15) 및 구동모터로 속도명령이 출력된다.

추가적으로 조종손잡이의 좌,우측 조정시에 포토커플러(U16)를 통해 자동적으로 좌측램프(LP1)과 우측램프(LP3)를 점멸 시키게 되고, 속도명령이 중립에 위치할 경우에는 브레이크 램프(LP2)가 작동되며 좌우축 LED모듈(D6)(D15)은 소등된다.

이 신호는 동시에 출력단자(560)를 통하여 마이컴 제어반에 입력됨으로써 자동적으로 전기브레이크가 동작되도록 한다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 종래의 방식에 비하여 동력전달장치가 소형이므로 손쉽게 접어 차량에 용이하게 탑재할 수 있도록 하고 기어변속에 의하여 도로조건에 따라 1,2단 가변속을 할 수 있도록 되어 있어 원활한 주행이 되도록 한다.

그리고 마이컴에 의한 전력제어장치는 초기 출발상태와 노면의 불규칙한 상태에서의 주행 성능을 향상시켜 탑승한 장애자에게 안락한 운행이 가능하며 아울러 소형의 구동모터와 저가의 마이컴 제어부로 구성되어 종래의 전동휠체어보다 저가에 보급이 가능하여 장애자의 경제적 부담을 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

Claims

소형 DC 모터 또는 브러쉬리스 DC 전동기를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서,

바퀴(33)에 회전력을 발생시키기 위해 바퀴 당 2개의 구동용 모터(11a)(11b)가 내장되고 모터(11a)(11b)의 출력측에 연결된 구동장치(10)와;

바퀴(33)에 기계적인 동력을 전달하는 바퀴회전체 뭉치(30)와;

안락한 승차감을 제공하기 위한 가변속 제어수단과;

고장자가진단 기능을 내장한 마이컴 제어부(40)와;

속도와 방향을 동시에 제어할 수 있는 조종손잡이(60)와;

장애자의 안전운행을 위한 주행속도표시계(84), 주행거리표시계(85), 배터리 충전량 표시계(83), 방향램프(81), 브레이크 램프(82)를 내장한 표시패널(80)과;

전력공급을 위한 배터리(91), 안전을 위한 경음기(94), 방향등(92), 브레이크등(93)으로 구성된 것을 특징으로 하는 전동 휠체어.
제 1항에 있어서, 상기 구동장치(10)는 구동용 모터(11)로부터 발생된 동력을 감소시켜 고토크로 변환시키도록 1차 감속 상단평기어(12a)와 하단 평기어(12b), 2차 감속 상단평기어 (12c)와 하단평기어(12a), 3차 감속 상단평기어(12e)와 하단평기어(12f), 4차 감속기어 (12g)로 구성된 기어장치(12)와;

기어장치로 선택적으로 이동시켜 동력을 전달하거나 단속하도록레버연결장치(17)와 기어변속레버 뭉치(15) 및 클러치(18)로 구성된 변속장치(13)와;

변속장치(13)을 통해 출력되는 회전력이 베벨결합체(14a)를 갖는 바퀴회전체 뭉치(30)를 경유하여 바퀴(33)를 회전시키도록 구성된 동력출력장치(14)와;

속도감지센서(16)와;

상기 전기 클러치(18)를 갖는 동일 축단부에 구비된 전기 브레이크(18a)와;

상,하단 지지부(19a)(19b) 및 다수의 베어링(19c)으로 구성된 것을 특징으로 하는 전동 휠체어.
제 1항에 있어서, 상기 가변속 제어수단은 속도제어와 전류제어를 통해 정속도 운전을 제공하도록 한 것으로서 조종손잡이(60)와;

조종손잡이(60)의 위치각은 아날로그 전압으로 가변되고, 가변된 전압을 인가받아 비교하는 속도비교기(62)와;

속도비교기(62)를 통해 2진신호로 변환되어 입력되도록 한 주제어용 마이컴(41)과;

구동모터(11)에 부착된 속도감지센서(16)에 의하여 속도가 검출되고 검출된 신호는 속도계측회로(42)에 입력되고 2진 신호로 변환되어 상기 주제어용 마이컴(41)에 입력되도록 한 구동모터 회전량 감지부(RS)와;

속도오차를 보상하기 위하여 주제어용 마이컴(41)의 제어프로그램에 의하여 속도명령값과 속도 출력값을 비교하고, 그 속도 오차값을 비교, 적분제어기(PI)에의하여 속도가 보상되어 입력되도록 한 전류제어기(50)와;

구동모터(11)에 공급되는 전류를 검출하여 전류제어기(50)으로 입력되도록 한 전류감지센서(51)와;

구동모터(11)와 게이트 구동회로(43) 및 IGBT모듈(44)로 구성된 것을 특징으로 하는 전동 휠체어.
제 1항에 있어서, 상기 마이컴 제어부(40)은 주제어용 마이컴(41)과;

속도계측회로(42a)에 접속된 좌측 속도감지센서(16a)와 다른 속도계측회로 (42b)에 접속된 우측 속도감지센서(16b)를 이용하여 속도를 측정하고 측정된 신호를 상기 주제어용 마이컴(41)에 인가되도록 하는 속도감지부(SC)와;

조종손잡이(60)에 의해 보낸 속도명령에 추종할 수 있도록 PI 속도보상제어를 주제어용 마이컴(41)에 의하여 구현되는 가운데 보상된 펄스폭 변조신호로 변환되어 게이트 구동회로(43)에 공급되고 IGBT모듈(44) 및 전류센서(50)으로부터 입력되어 좌측 구동모터(11a)와 우측 구동모터(11b)의 속도를 제어하는 구동제어부(DC)와;

좌회전 또는 우회전 주행시 조종손잡이(60)에 의해 릴레이 구동회로(45)와 릴레이 모듈(46)의 작동으로 좌측 방향등 또는 우측 방향등이 점멸되고 조종손잡이(60)가 중앙에 있을 때에는 상기 릴레이 구동회로(45)와 릴레이 모듈(46)에 의해 전기 브레이크(18)과 브레이트등(93)이 구동되며 배터리(91)가 방전되거나 휠체어가 후진할 경우에는 경음기(94)를 통해 경고음이 발생되도록 하고,DC/DC컨버터(47)를 이용하여 +24V DC 배터리(91)를 마이컴 제어부(40)에서 필요로 하는 +5V DC, +12V DC를 공급하며, 고장 발생시 고장을 자가진단하여 시스템의 이상유무를 알려주는 컴퓨터 인터페이스를 위한 고장 자가진단용 커넥터(48) 및 구동스위치(49)로 구성된 것을 특징으로 하는 전동 휠체어.
제 1항에 있어서, 속도와 방향을 동시에 제어할 수 있는 조정손잡이(60)는 조종손잡이 제어용 마이컴(61)과;

조종 손잡이(60)의 위치각에 의하여 가변저항이 종축과 횡축으로 각기 변하여 2축 위치 정보의 전압신호는 종축각 비교기(62a)와 횡축각 비교기(62b)에 각기 입력되어 2진 위치각 출력신호로 변환되어 상기 조종 손잡이 제어용 마이컴(61)에 입력되도록 하는 위치각 입력부(AI)와;

2진 위치각 신호에 의하여 구동 속도명령을 발생하게 되고 이 신호는 마이컴 주제어반(40)으로 전송하고 장애자가 구동모터의 속도명령을 육안으로 확인이 가능하도록 좌측 모터구동 LED회로(63a)와 우측 모터구동 LED회로(63b)에 의하여 구동출력 LED(86a, 86b)로 표시되도록 하는 신호출력부(SO)와;

현재 주행속도를 7세그먼트를 이용하여 표시하는 주행속도 표시계(84);

배터리 교환 후 총 주행거리를 표시되도록 하여 사용자가 안심하고 원거리를 주행할 수 있도록 하는 주행거리표시계(85);

배터리의 충전상태를 표시하기 위하여 배터리의 충전량을 비교기(64)에 의하여 2진신호로 변환하고 변환된 신호가 배터리 충전량 표시계(83)로 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전동 휠체어.
DC 모터 또는 브러쉬리스 DC 모터를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서, 전원이 공급되면 프로그램이 시작(100) 되면서 동시에 시스템 초기화(101)를 실시한 다음 조종손잡이의 속도명령 입력(110)과 구동모터의 속도출력을 입력(111)하여 속도오차를 계산(112) 및 PI 속도제어기(113)로 보상하고 신호와 비례한 펄스폭변조신호를 발생(114)시키는 단계와;

휠체어의 방향을 제어하기 위하여 조종손잡이의 방향을 인식하고 이에 해당하는 IGBT를 통전시켜 조작표시패널(80)를 동작시킨 후 전진명령(120), 후진명령(130), 좌회전(140), 우회전(150), 중립(160)에 있는지를 해당하는 IGBT모듈을 통전시켜 후진시 방향등(81)을 주기적으로 점소등 하게 하고, 좌우회전시에는 좌우측등(81a)(81b)를 점멸시키는 단계와;

주행거리(170)와 주행속도(180)를 계산한 후 조종손잡이(60)로 신호를 전송한 다음 휠체어의 구성장치의 이상유무를 점검하여 자가진단신호(190)를 발생시키는 단계와;

구동스위치(49)의 작동유무를 확인(200)하고 ON상태이면 속도명령을 다시 입력(110)하는 루틴으로 점프하고 OFF상태이면 속도명령을 다시 입력(110)하는 루틴으로 점프하고 OFF 상태이면 프로그램이 정지되도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동 휠체어의 구동제어방법.
DC 모터 또는 브러쉬리스 DC 모터를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서, 조종손잡이(60)의 종축과 회전의 위치정보를 2진신호로 변환하여 주제어용 마이컴(U1)에 입력(400)되는 단계와;

현재 출력중인 좌측 구동모터(11a)의 속도감지센서(32a)로부터 검출신호가 입력(410)되는 단계와;

검출된 신호가 보조마이컴(U2)을 경유하면서 8비트 속도출력 신호로 변환되어 D플립플롭(U3)으로 입력되는 단계와;

우측 구동모터(11b)의 속도감지센서(32b) 검출신호를 보조 마이컴(U4)에서 8비트 속도출력 신호로 변환되어 D플립플롭(U5)로 입력되는 단계와;

상기 D플립필롭(U3)과 D플립플롭(U5)으로부터 출력되는 신호를 공유하기 위해 OR게이트(U6)(U7)로 입력되는 단계와;

속도명령과 속도출력 신호를 주제어용 마이컴(U1)의 PI제어프로그램에 의해 펄스폭변조 신호를 발생시키고 게이트 구동회로(U8)를 경유하여 IGBT모듈을 통전시키기 위해 단자(640)로 출력되도록 하여 좌측 구동모터를 구동시키는 단계와;

다른 게이트 구동회로(U10)을 통해 조종손잡이의 방향상태에 따라 방향등과 경음기 및 전기 브레이크(18a)를 동작시키는 단자(470)로 제어신호를 출력하는 단계와;

안정된 정전압을 제공하기 위하여 배터리 +24V DC(480)를 레귤레이터 (U11)(U12)(U13) 의하여 각기 +12V DC, +5V DC로 DC/DC 변환하여 마이컴 제어반 (40)과 조종손잡이(60)에 전원이 공급되는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동휠체어의 구동제어방법.
DC 모터 또는 브러쉬리스 DC 모터를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서, 마이컴 제어반(40)의 구동모터 IGBT 모듈의 게이트 입력단자 (450)(460)에 입력되어 2개의 좌측 구동모터(M11)(M12)에 전기를 공급시키기 위하여 IGBT(Q11) (Q12)(Q13)(Q14)를 통전시키는 단계와;

동시에 2개의 우측 모터(M21)(M22)에 전기를 공급시키기 위하여 IGBT(Q21) (Q22)(Q23)(Q24)를 통전시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동 휠체어의 구동제어방법.
제 8항에 있어서 IGBT의 턴 ON 또는 OFF시 전류 변화에 의한 IGBT 모듈을 보호하기 위하여 스너버 회로(D3)(R1)(C1)를 경유하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전동 휠체어의 구동제어방법.
DC 모터 또는 브러쉬리스 DC 모터를 이용하여 주행이 가능하도록 구성된 전동 휠체어에 있어서, 조종손잡이 횡축 가변저항의 아날로그 전압이 횡축입력단자(500)에 입력되면 비교기(U1)(U4)의 반전단자에 입력된 기준접압과 비교되어 아날로그전압이 2진신호로 변환되는 단계와;

같은 방법으로 종축 가변저항의 아날로그전압도 횡축입력단자(510)에 입력되면 비교기(U2)에 의하여 종축속도명령도 2진 신호로 변환되어 조종손잡이 제어용마이컴(U6)에 입력되는 단계와;

입력된 신호는 마이컴(U6)에 의하여 전진 3단, 후진 2단 및 좌우회전단으로 변환되어 마이컴 제어반(40)으로 입력하기 위하여 데어터 드라이버(U7)을 통하여 속도명령 출력단자(560)으로 출력되는 단계와;

신호처리용 마이컴(U8)에 입력되고 조작판넬에 부착된 좌측 LED모듈(D6) (D7)(D8)(D9)(D10)과 우측 LED모듈(D11)(D12)(D13)(D14)(D15)로 구동모터의 속도명령이 출력되는 단계와;

조종손잡이의 좌우측 조정시에 포터커플러(U16)를 통하여 자동적으로 좌측램프(LP1)과 우측램프(LP3)를 동작시키는 단계와;

속도명령이 중립에 위치할 경우에는 브레이크 램프(LP2)가 작동되고 좌우축 LED모듈(D6)(D15)는 소등되는 단계와;

동시에 출력단자(560)를 통하여 마이컴 제어부에 입력되어 자동적으로 전기브레이크가 동작되도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동 휠체어의 구동제어방법.