KR100485495B1 - 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어조종센서 및 이를 이용한 휠체어 구동제어장치 - Google Patents

머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어조종센서 및 이를 이용한 휠체어 구동제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리 움직임으로 전동 휠체어의 움직임을 조종하는 센서에 관한 것으로서, 본 발명의 전동 휠체어 조종센서(10)는 내부가 비어 있는 정육면체 형태의 케이스(11)와, 케이스(11)의 전후좌우 4면에 각각 부착되어 가해지는 힘에 따라 그 저항값이 변화되는 FSR 센서(Force Sensitive Resistor Sensor ; 12)와, FSR 센서(12)가 부착된 케이스(11)의 내부에 삽입되어 케이스(11)가 기울어짐에 따라 그 기울어지는 방향에 위치하는 FSR 센서(12)를 가압하는 가압구(13) 및, 케이스(11)의 외측에 결합되며 케이스(11)를 장애인의 머리에 착용할 수 있도록 구성된 착용부재(14)로 구성된다. 본 발명은 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리에 씌워지는 모자 등에 설치되어 단지 장애인의 머리가 기울어지는 방향과 정도를 측정해 전동 휠체어의 움직임을 조종함으로 다른 사람을 의식하지 않고 편리하게 휠체어를 조종하는 효과가 있다.

Description

머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서 및 이를 이용한 휠체어 구동제어장치{A powered wheelchair control sensor by using head motion and implemented system for spinal injured persons}
본 발명은 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서에 관한 것이며, 더 상세하게는 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리 움직임으로 전동 휠체어의 움직임을 조종하는 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 조종센서를 이용하여 휠체어의 구동을 제어하는 장치에 관한 것이기도 하다.
손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인들은 그 대부분이 아예 휠체어를 구동하지 못하고 항상 보조자의 도움을 받고 있는 실정이다. 또한, 현재까지는 이러한 장애인들이 사용할 만한 조종장치가 설치된 휠체어도 구하기 어려운 실정이다. 이렇듯, 현재까지는 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인들이 보다 쉽게 사용할 수 있는 휠체어는 그리 많지 않은 상태이다.
현재까지의 휠체어 중에서 상기 장애인을 위한 휠체어로는 머리 받침대 부분에 접촉식 또는 비접촉식의 스위치를 장착하여 장애인의 머리의 움직임을 측정하여 휠체어를 조종하는 방식과, 턱 부분에 조이스틱을 위치시켜 턱으로 휠체어를 조종하는 방식의 휠체어가 있다.
예를 들어, 미국특허 제4,093,037호(Head actuated control apparatus for battery-powered wheelchair)에는 장애인의 머리 움직임을 통해 휠체어를 조종하는 기술이 공지되어 있다. 상기 특허는 머리 받침대에 조이스틱을 설치하고, 이러한 조이스틱을 장애인이 머리를 움직여서 조종하는 것이다. 또한, 이 특허는 머리 받침대에 스위치가 함께 설치되어 있어 필요에 따라 휠체어를 온/오프할 수 있도록 설계되어 있다.
그리고, 미국특허 제4,260,035호(Chin controller system for powered wheelchair)에는 장애인의 턱으로 조이스틱을 조종함으로써 휠체어를 조종하는 기술이 공지되어 있다. 상기 특허는 각도를 측정하는 센서가 장애인의 목 뒤쪽에 위치하도록 하고, 이러한 센서를 기다란 바(bar)로 장애인의 턱에 연결하여 구성한 것이다. 즉, 상기 특허는 장애인이 턱을 움직이면, 그 움직임에 따라 회전하는 바(bar)의 각도를 측정하여 휠체어를 조종하는 것이다. 예를 들어, 장애인이 턱을 상하로 움직이면 휠체어가 전후로 조종되고, 장애인이 턱을 좌우로 움직이면 휠체어가 좌우로 조종된다.
상기 특허기술들을 이용한 휠체어들이 있으나, 보통 장애인들은 정상인들이 사용하지 않는 특수한 장치를 몸에 달고 있는 것 자체를 매우 거북하게 생각하는 경향이 있다. 그래서, 장애인들은 상기와 같이 다른 사람의 시야에 확연하게 드러나는 조종장치가 설치된 휠체어를 이용하려 하지 않는 경향이 있다. 또한, 종래의 기술은 턱을 움직여 조이스틱을 조종하거나, 머리를 움직여 머리 받침대에 설치된 조이스틱을 조종하여야 하는 불편함이 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리에 씌워지는 모자 등에 설치되어 단지 장애인의 머리가 기울어지는 방향과 정도를 측정해 전동 휠체어의 움직임을 조종함으로써 다른 사람을 의식하지 않고 편리하게 휠체어를 조종할 수 있는 조종센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 조종센서를 이용하여 휠체어를 보다 편리하게 조종할 수 있는 휠체어 구동제어장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조종센서는, 내부가 비어 있는 정육면체 형태의 케이스와, 상기 케이스의 전후좌우 4면에 각각 부착되어 가해지는 힘에 따라 그 저항값이 변화되는 FSR 센서(Force Sensitive Resistor Sensor)와, 상기 FSR 센서가 부착된 상기 케이스의 내부에 삽입되어 상기 케이스가 기울어짐에 따라 그 기울어지는 방향에 위치하는 상기 FSR 센서를 가압하는 가압구 및, 상기 케이스의 외측에 결합되며 상기 케이스를 머리에 착용할 수 있도록 구성된 착용부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 구동제어장치는 상기 조종센서의 신호를 수신하여 휠체어의 양 바퀴를 제어하는 것을 특징으로 한다.
아래에서, 본 발명에 따른 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서 및 이를 이용한 휠체어 구동제어장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명에 따른 머리 움직임을 이용한 전동 휠체어 조종센서와, 척추 손상 장애인 및, 휠체어에 고정된 제어장치의 관계를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전동 휠체어 조종센서(10)는 장애인이 머리에 착용할 수 있도록 구성되고, 또한 이를 착용한 장애인의 머리 움직임에 따라 휠체어의 방향을 조종할 수 있도록 구성된다. 그리고, 휠체어(20)에는 상기 조종센서(10)의 방향 조종신호를 유선으로 전달받아 휠체어(20)의 양 바퀴를 제어하는 제어장치(30)가 설치되어 있다. 즉, 도 1에 도시된 휠체어(20)는 장애인의 머리에 착용되어 머리의 움직임에 따라 방향을 조종하는 전동 휠체어 조종센서(10)의 신호를 제어장치(30)에서 수신하여 제어함으로써 그 방향이 조종된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 한 실시예에 따른 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서의 구성관계를 도시한 분해 사시도 및 결합 사시도이며, 도 3은 도 2b에 도시된 센서를 선 A-A를 따라 절취한 단면도이다.
도 2a 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전동 휠체어 조종센서(10)는 내부가 비어 있는 정육면체 형태의 케이스(11)와, 상기 케이스(11)의 전후좌우 4면에 각각 부착되는 FSR 센서(12)와, 이러한 FSR 센서(12)가 부착된 케이스(11)의 내부에 삽입되어 케이스(11)가 기울어짐에 따라 그 기울어지는 방향에 위치하는 FSR 센서(12)를 가압하는 가압구(13) 및, 상기 케이스(11)의 외측에 결합되며 케이스(11)를 장애인의 머리에 착용할 수 있도록 구성된 착용부재(14)로 구성된다.
상기 케이스(11)는 정육면체 형태로 구성되어 그 내부에 각각 부착 또는 삽입되는 FSR 센서(12)와 가압구(13)를 내장하는 역할을 한다. 이 때, FSR 센서(12)의 일단에 접속된 연결선은 FSR 센서(12)의 신호가 제어장치(30)에 입력될 수 있도록 케이스(11)의 외부로 노출된다.
그리고, 상기 FSR 센서(12)는 얇은 필름 형태의 압력센서로서, 가해지는 힘이 크면 그 저항치가 작아지는 성질을 가진 가변 저항체이다. 따라서, FSR 센서(12)는 그 곳에 가해지는 힘을 "F" 라고 할 때, 그때의 저항값(R)이 "aFb" 로 근사가 가능하다. 이 때, a와 b는 FSR 센서(12)의 고유 특성 및 힘을 가하는 부분의 면적에 관계되는 상수이다.
그리고, 상기 가압구(13)는 구 형태로 구성되어 케이스(11) 내에 삽입되어 케이스(11)가 기울어짐에 따라 그 기울어지는 방향에 위치하는 FSR 센서(12)를 가압할 수 있는 정도의 크기와 중량을 갖도록 구성된다.
그리고, 상기 착용부재(14)는 케이스(11)의 외측에 결합되며 케이스(11)를 장애인의 머리에 착용할 수 있도록 구성된 것으로서, 일반적인 모자, 또는 머리벤드 등으로 구성된다. 하지만, 착용부재(14)가 상기와 같은 구성요소로 한정될 필요는 없고, 단지 케이스(11)를 머리에 착용하여 머리와 일체로 움직일 수 있으면 어떤 형태로 구성하여도 무방하다.
아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 전동 휠체어 조종센서를 이용하여 휠체어를 조종하는 원리에 대해 설명하겠다.
도 4는 도 3에 도시된 센서의 조종원리를 도시한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 조종센서의 저항값을 제어장치에서 감지하는 원리를 도시한 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 조종센서(10)를 착용한 장애인이 머리를 기울어 케이스(11)가 일방향으로 기울어지면, 케이스(11)의 내부에 위치하는 가압구(13)가 기울어지는 방향에 위치하는 FSR 센서(12)를 가압한다. 이 때, 가압구(13)의 무게를 W, 기울어진 각을 θ라고 할 때, FSR 센서(12)에 가해지는 힘(F)은 Wsinθ로 나타나고, 최종적으로 FSR 센서(12)의 저항값(R)은 a(Wsinθ)b 로 나타나게 된다. 그리고, 케이스(11)가 기울어진 정도에 따라 FSR 센서(12)에 작용하는 힘이 변하게 되는데, FSR 센서(12)는 가변저항체임으로 힘(F)이 많이 작용할수록 저항값(R)은 작아지게 된다.
상기와 같이 본 발명의 전동 휠체어 조종센서(10)는 4방향에 FSR 센서(12)가 각각 위치하고, 이러한 FSR 센서(12)가 그 곳에 작용하는 힘(F)의 크기(머리가 기울지는 정도)에 따라 저항값(R)이 달라지기 때문에, 이러한 저항값을 이용하여 휠체어의 방향을 조종하는 것이다.
이러한 FSR 센서(12)의 저항값은 전압 분배기(voltage divider)를 통해 제어장치(30)에 전달된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정저항 쪽을 그라운드(Ground)시키고 FSR 센서(12) 쪽에 5V Vcc를 걸어준다. 이 상태에서, FSR 센서(12)에 힘이 적게 가해질 때에는 FSR 센서(12)의 저항값이 크기 때문에 낮은 전압이 AD 변환기(converter)에 전달되고, FSR 센서(12)에 힘이 많이 가해질 때에는 FSR 센서(12)의 저항값이 작아지기 때문에 높은 전압이 AD 변환기에 전달된다. 그러면, AD 변환기는 해당 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어장치(30)에 전달하고, 이렇게 전달받은 신호에 따라 제어장치(30)에서 휠체어의 방향을 조종하는 것이다.
아래에서는, 본 발명의 전동 휠체어 조종센서에 의해 조종되는 휠체어의 방향관계에 대해 설명하겠다.
도 6은 머리 움직임에 따라 본 발명의 센서에서 조종하는 방향관계를 나타낸 개념도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 조종센서(10)를 머리에 착용한 장애인의 머리가 기울어진 방향에 따라 휠체어는 다음과 같이 작동한다. 즉, 휠체어는 장애인이 머리를 앞으로 숙이면 전진, 뒤로 젖히면 후진, 왼쪽으로 기울이면 좌회전, 오른쪽으로 기울이면 우회전하고, 머리를 똑바르게 위치시키면 정지한다. 그리고, 머리를 기울이는 정도에 따라 휠체어의 전진 또는 후진속도가 조종된다. 또한, 휠체어를 정지시킴에 있어 머리가 어느 정도까지만 똑바르면 정지하도록 구성된다. 즉, 가압구(13)가 일정 힘 이상으로 FSR 센서(12)를 가압하지 않을 경우에는 휠체어가 정지하도록 작동하거나, 정지된 상태에서는 정지상태를 유지하도록 구성된다.
아래에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명의 전동 휠체어 조종센서를 이용한 휠체어 구동제어장치에 대해 설명하겠다.
도 7은 본 발명의 조종센서를 이용한 휠체어 구동제어장치의 회로도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 휠체어 구동제어장치(30)는 종래의 조이스틱을 조종함에 따라 입력되는 신호 대신에 상기와 같이 구성된 전동 휠체어 조종센서(10)에서 입력되는 신호로 휠체어를 제어한다는 것을 제외하고는 종래의 구동제어장치와 동일하게 구성된다. 즉, 본 발명의 휠체어 구동제어장치(30)는 휠체어를 조종하는 입력신호가 전동 휠체어 조종센서(10)가 기울어진 방향과 기울어진 정도인 것이다.
본 발명의 휠체어 구동제어장치(30)는 상기와 같이 구성된 조종센서(10)의 FSR 센서(12)의 저항값을 전압 분배기를 통해 입력하는 FSR 신호 입력부(31)와, 상기 FSR 신호 입력부(31)에서 입력되는 FSR 신호를 정의된 알고리즘을 이용하여 분석하고 적절한 휠체어 제어신호를 발생시키는 마이크로 제어부(32)와, 상기 마이크로 제어부(32)에서 발생된 휠체어의 구동신호를 휠체어의 제어사양에 적합하도록 변환하는 휠체어 인터페이스부(33)를 포함한다. 또한, 본 발명의 구동제어장치(30)는 휠체어로 전달되는 신호를 육안으로 식별할 수 있도록 LED 패널을 구비한 신호 확인부(34)와, 상기 마이크로 제어부(32)의 기능을 보완할 수 있도록 제어용 컴퓨터를 사용하기 위한 인터페이스를 구축하는 제어용 컴퓨터 인터페이스부(35)를 포함한다. 또한, 본 발명의 구동제어장치(30)는 마이크로 제어부(32)의 휠체어 제어신호에 따라 휠체어의 바퀴를 구동시키는 구동 드라이버부(36)와, 전원을 공급하는 전원 공급부(36)와, 긴급시에 휠체어를 정지시키는 긴급 정지 스위치부(38)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 휠체어 구동제어장치(30)는 조종센서(10)에서 입력되는 신호를 상기 구성요소들을 통해 종래와 동일한 방법으로 휠체어를 조종한다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리에 씌워지는 모자 등에 설치되어 단지 장애인의 머리가 기울어지는 방향과 정도를 측정해 전동 휠체어의 움직임을 조종함으로 다른 사람을 의식하지 않고 편리하게 휠체어를 조종하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서 및 이를 이용한 휠체어 구동제어장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 머리 움직임을 이용한 전동 휠체어 조종센서와, 척추 손상 장애인 및, 휠체어에 고정된 제어장치의 관계를 도시한 개략도이고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 한 실시예에 따른 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서의 구성관계를 도시한 분해 사시도 및 결합 사시도이며,
도 3은 도 2b에 도시된 센서를 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고,
도 4는 도 3에 도시된 센서의 조종원리를 도시한 개략도이며,
도 5는 본 발명의 조종센서의 저항값을 제어장치에서 감지하는 원리를 도시한 회로도이고,
도 6은 머리 움직임에 따라 본 발명의 센서에서 조종하는 방향관계를 나타낸 개념도이며,
도 7은 본 발명의 조종센서를 이용한 휠체어 구동제어장치의 회로도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
10 : 조종센서 11 : 케이스
12 : FSR 센서 13 : 가압구
14 : 착용부재 20 : 휠체어
30 : 구동제어장치

Claims (4)

  1. 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리 움직임으로 전동 휠체어의 움직임을 조종하는 센서에 있어서,
    내부가 비어 있는 정육면체 형태의 케이스와, 상기 케이스의 전후좌우 4면에 각각 부착되어 가해지는 힘에 따라 그 저항값이 변화되는 FSR 센서(Force Sensitive Resistor Sensor)와, 상기 FSR 센서가 부착된 상기 케이스의 내부에 삽입되어 상기 케이스가 기울어짐에 따라 그 기울어지는 방향에 위치하는 상기 FSR 센서를 가압하는 가압구 및, 상기 케이스의 외측에 결합되며 상기 케이스를 머리에 착용할 수 있도록 구성된 착용부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 착용부재는 모자인 것을 특징으로 하는 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 착용부재는 벤드인 것을 특징으로 하는 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서.
  4. 손을 움직일 수 없는 척추 손상 장애인의 머리 움직임을 통해 휠체어를 조종하는 조종센서의 신호를 수신하여 상기 휠체어의 양 바퀴를 제어하는 휠체어 구동제어장치에 있어서,
    상기 조종센서는 내부가 비어 있는 정육면체 형태의 케이스와, 상기 케이스의 전후좌우 4면에 각각 부착되어 가해지는 힘에 따라 그 저항값이 변화되는 FSR 센서(Force Sensitive Resistor Sensor)와, 상기 FSR 센서가 부착된 상기 케이스의 내부에 삽입되어 상기 케이스가 기울어짐에 따라 그 기울어지는 방향에 위치하는 상기 FSR 센서를 가압하는 가압구 및, 상기 케이스의 외측에 결합되며 상기 케이스를 머리에 착용할 수 있도록 구성된 착용부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 머리 움직임을 이용한 척추 손상 장애인용 전동 휠체어 조종센서를 이용한 휠체어 구동제어장치.
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