KR100597614B1 - 촉각자극기와 지피에스를 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치 - Google Patents

촉각자극기와 지피에스를 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시각장애인의 보행안내를 위하여 전방의 장애물 및 주목하는 특정물체의 공간적인 이동을 인식하고 보행중 현재의 위치 및 진행방향을 촉각자극 및 청각을 통하여 장애물 및 현재위치에 관한 정보를 전달하는 시각 장애인용 보행 안내 장치에 관한 것으로, 종래의 ETA(Electronic Travel Aid) 시스템의 경우 장애물 정보를 청각만에 의존하여 시각장애인에게 전달하고 있으나 시각장애인은 청각 의존도가 높아 장애물 정보를 청각으로만 전달할 경우 여타 다른 정보를 청각에 의존해 얻는 시각장애인에게는 커다란 문제점(Masking 효과)이 발생된다.
본 발명은 시각장애인이 원하는 목적지까지의 보행 경로 안내는 물론, 보행 중에 변화하게 되는 보행로 상황 및 장애물의 유무안내, 그리고 보행 중에 마주칠 수 있는 사람들의 위치를 GPS 모듈 및 초음파 센서를 이용하여 인식하고 이를 진동형 촉각자극기에 전달할 수 있도록 함에 특징이 있다.
시각장애인용 촉각자극기, 보행 안내장치, GPS 모듈, 시각장애인, 위치정보, 초음파 센서

Description

촉각자극기와 지피에스를 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치{WALKING GUIDE DEVICE FOR A BLIND MAN}
도 1은 발명된 촉각자극기와 GPS를 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치의 사용 상태도.
도 2는 도 1에 도시된 촉각자극기와 GPS를 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치.
도 3은 도 1에 도시된 Beam 형태의 압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기 구성도.
도 4에 도 1에 도시된 Plate 형태 압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기 구성도.
도 5는 도 1에 도시된 적층형 형태의 압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기의 구성도.
도 6는 도 1에 도시된 시각장애인용 보행 안내 장치의 블럭선도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 촉각자극기
200: 제어 버튼
300: 판넬
400: 인공위성
500: 스피커
600: 시각장애인
700: 지팡이
800: 위치 인식용 GPS 모듈
900: 초음파센서
1000: 구동용 모터
1100: 자동조향장치
1200: 이동바퀴
2000: 보행안내로봇
3000: 장애물
본 발명은 시각장애인의 보행안내를 위하여 전방의 장애물의 위치 및 공간적인 이동을 초음파 센서를 이용하여 감지하고, GPS 모듈을 이용하여 시각장애인의 현재의 위치를 측정하여 촉각자극 및 청각을 통하여 장애물 및 현재위치에 관한 정보를 전달하는 시각장애인용 보행 안내 장치에 관한 것이다.
종래 기술에 의하면, 기존의 ETA(Electronic Travel Aid) 장치의 경우 장애물 정보를 청각만에 의존하여 시각장애인에게 전달한다.
촉감각을 제시하는 방법으로서 다양한 방법 및 기구가 제안되고 있고, 크게 나누어 전기방식과 기계방식이 있는데, 전기방식은 소형, 고밀도에 있어서 우수하고, 기계방식은 전달의 정도(精度), 정확도에서 우수한 특징을 가지고 있다.
대표적인 방법으로 공기압 실린더식, 와이어 인장 및 압입식, 형상기억합금식, 전자석식, 전기자극식, 히터식 등이 있으나, 시각장애인이 이동하기 위해서 전방의 장애물 및 주목하는 특정물체의 인식 물체의 이동 및 이동속도에 대한 정보를 전달하기에는 극히 제한되어져 있다.
시각장애인은 청각 의존도가 높아 장애물 정보를 청각으로만 전달할 경우 여타 다른 정보를 청각에 의존해 얻는 시각장애인에게는 커다란 문제점(Masking 효과)이 발생되는 시각장애인용 보행 안내 장치로써의 기능이 제한된 기술이다.
본 발명은 상술한 바와 같이 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하기 위하여, 시각장애인의 보행안내를 위하여 전방의 장애물 및 주목하는 특정물체의 공간적인 이동을 초음파센서와 위치 인식용 GPS 모듈을 이용하여 보행중 현재의 위치 및 진행방향을 추정하고 이를 촉각자극 및 청각을 통하여 장애물 및 현재위치에 관한 정보를 전달하는 시각장애인용 보행 안내 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 촉각자극기와 GPS 모듈을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치를 제공하기 위한 것이며, 이하 첨부된 도면에 의한 실시례에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 전체적인 사용 상태도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 시각장애인용 보행 안내 장치는 이동바퀴(1200)와, 이동바퀴를 구동시키는 구동용 모터(1000)와, 브레이크용 MPB(Magnetic Particle Brake)를 포함한 자동조향장치(1100)를 포함하며, 위치 인식용 GPS 모듈(800)과 장애물 검출용 초음파 센서(900)가 구비되어 있는 보행안내로봇(2000)과, 시각장애인에게 초음파 센서(900)에 의해 얻은 장애물 정보를 전달하기 위한 촉각자극기(100)와, 보행안내로봇의 작동을 위한 제어 버튼(200)이 구비되어 있는 판넬(300)과, 시각장애인에게 청각을 통하여 현재 위치를 알려주기 위한 스피커(500), 및 상기 보행안내로봇(2000)과 판넬(300)을 연결하는 지팡이(700)을 포함하여 이루어진다.
GPS 모듈(800)은 GPS 위치검출용 인공위성(400)을 이용하여 시각장애인의 현재 위치를 인식하여 스피커(500)를 통하여 현재 위치 및 주변 건물 정보 등을 시각장애인에게 알려주고, 초음파 센서(900)는 보행안내로봇(2000)의 주변에 위치하는 장애물(3000) 정보를 감지하여 이를 촉각자극기(100)를 통하여 시각장애인에게 알려준다.
도 2는 본 발명에 따른 촉각자극기와 GPS 모듈을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치의 구성도이며, 보행안내로봇(2000)은 그 하부에 이동바퀴(1200)가 구비되고, 상기 이동바퀴를 구동시키는 구동용 모터(1000)와, 브레이크 MPB를 포함한 자동조향장치(1100)를 포함한다. 또한, 보행안내로봇(2000)에는 인공위성을 통하여 현재 위치를 인식하는 위치 인식용 GPS 모듈(800)과, 주변의 장애물의 유무 및 위치를 검출하기 위한 하나 이상의 초음파 센서(900)가 구비된다.
상기 보행안내로봇(2000)은 지팡이(700)를 통하여 판넬(300)에 연결되고, 판넬(300)에는 시각장애인에게 상기 초음파 센서(900)에 의해 얻은 장애물 정보를 전달하기 위한 촉각자극기(100) 및 보행안내로봇의 작동을 위한 제어버튼(200)이 구비된다. 또한, 상기 GPS 모듈(800)로부터 얻은 현재 위치 등의 정보를 시각장애인에게 청각을 통하여 알려주기 위한 스피커(500)를 포함한다.
상기 초음파센서(900)는 트랜스듀서를 이용하여 초음파를 송신하고 송신된 초음파가 물체를 만나서 반사되면 수신하여 송신과 수신의 시간차를 이용하는 비행시간 측정기법(Time of Flight : TOF)등을 사용하여 장애물과의 거리를 계산한다. 다중 초음파 센서를 사용할 경우 문제가 되는 간접 다중 경로에 의한 센서간의 간섭은 EERUF(Error-Eliminating, Rapid Ultrasonic Firing)을 이용한 초음파 센서 제어 방법 등을 적용한다. 이미 개발된 ETA(Electronic Travel Aid)들의 문제들 즉, 주변환경 장애물(3000) 검출을 시각장애인(600)이 직접 주변환경을 검색하여 시간을 낭비하고 지속적인 움직임으로 인한 정신적, 육체적 수고 등을 해결하기 위해 실시간으로 초음파센서(900)들로부터 얻은 정보를 바탕으로 주변환경 장애물 맵을 형성하여 촉각자극기(100)를 통해 전달한다.
한편, 기존의 GPS 기술은 인공위성, 차량의 아동 및 위치 추정 등에 사용되어 왔으나 시각장애인(600)의 위치 정보를 제공하는 기술은 전무하다.
시각장애인(600)의 옥외 보행시 GPS 모듈(800)을 사용하여 장애물(3000) 정보 이외에 도로, 건물 등 현재의 위치 정보를 전달할 수 있도록 구성된다.
시각장애인(600)의 옥내 보행 등 GPS 모듈(800)을 사용할 수 없을 경우 이를 해결하기 위해 추측항법(Dead Reckoning Module, DRM) 및 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit, IMU)에 의한 시스템으로 구성된다.
촉감각을 제시하는 방법으로서 초소형의 촉감각 제시기구로서 압전 진동자 배 열을 이용한 기계자극방법으로 구성하고 있으며, 시각장애인(600)의 보행안내를 위하여 전방의 장애물 및 주목하는 특정물체의 공간적인 이동을 초음파센서(900)와 위치 인식용 GPS 모듈(800)을 이용하여 보행중 현재의 위치 및 진행방향을 추정하고 인식된 정보를 청각 및 PZT 진동자 배열을 이용한 기계자극으로 전달하는 촉각자극기(100)와 GPS 모듈(800)을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치로 구성되어 있다.
촉각자극기(100)에 전달하는 정보로서는, 특징형상, 형상의 이동 및 이동속도 등 시각장애인(600)이 인식할 수 있는 정보를 전달한다.
초음파 센서(900)와 GPS 모듈(800) 등으로부터 얻은 장애물(3000) 정보 및 위치 정보를 시각장애인(600)에게 촉각자극기(100)을 통하여 전달하기 위해 안내견과 같은 기능을 하는 ETA 시스템으로 구성된다.
촉각자극기(100)와 GPS 모듈(800)을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치는 시각장애인(600)이 직접 밀거나 구동용모터(1000)를 이용하여 움직이고 이 움직임을 각종 센서로부터 얻은 정보를 이용 감독제어 (Supervisory Control) 한다.
또한, 촉각자극기(100)와 GPS 모듈(800)을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치는 시각장애인(600)에게 촉각 및 역각(Force feedback)을 제공한다.
시각장애인(600)이 직접 주변환경을 검색하므로 인하여 보행시간이 증가하고 계속적인 움직임으로 인한 육체적, 정신적 수고 등 기존의 ETA 시스템이 갖는 문제를 해결하기 위해 안내견의 기능처럼 시스템 자체가 장애물(3000)을 판단하여 사용자에게 촉각 및 역각을 통하여 장애물(3000) 정보를 전달하는 ETA 시스템으로 구성되어 있다.
이를 위하여 몸체의 경우 구동용모터(1000), 엔코더, MPB(Magnetic Particle Brake) 등을 사용하고, 손잡이의 경우 촉각자극기(100)와 사용자가 직접 ETA를 제어할 수 있는 조작단(200)으로 이루어지며, 사용자에게 역각 제공 및 몸체와 손잡이 이음 역할을 하는 지팡이(700)로 구성한다.
압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기(100)는 장애물의 위치뿐만 아니라 크기 및 움직임을 전달할 수 있는 최소한의 촉각 자극 요소(tactor)의 수로 구성되어 진다.
시각장애인(600)의 보행안내를 위하여 전방의 장애물(3000) 및 주목하는 특정물체의 공간적인 이동을 초음파 센서(900) 및 GPS 모듈(800)를 이용하여 보행중 현재의 위치 및 진행방향을 추정하여 촉각자극 및 청각을 통하여 장애물(3000) 및 현재위치에 관한 정보를 전달하기 위한 촉각자극기(100)의 물체인식 방법으로는 장애물(3000)과의 거리 정보를 초음파 센서(900)로부터 얻어 촉각 자극 요소들의 배열로 표현하고, 장애물(3000)과의 거리가 먼 경우, 정사각형, 직사각형의 촉각자극기(100)는 시각장애인으로부터 먼쪽에 있는 압전 액추에이터를 자극하고, 부채꼴 모양 배열의 촉각자극기(100)는 넓은 쪽에 위치한 촉각 자극 요소를 진동시킨다.
그리고, 장애물(3000)과의 거리가 가까운 경우는 정사각형, 직사각형의 촉각자극기(100)는 시각장애인으로부터 가까운 쪽에 있는 압전 액추에이터를 자극하고, 부채꼴 모양 배열의 촉각자극기(100)는 좁은 쪽에 위치한 촉각 작극 요소를 진동시키는 장치에 관한 것이다.
장애물의 2차원적인 거리 정보와 위치정보를 통합해서 제시하는 방법으로써 2 종류의 주파수 성분으로부터 나오는 변조파 진동을 촉각자극기(100)의 가진 입력으로 사용하고, 변조파 가진 파형으로써 20Hz-80Hz이하의 낮은 주파수 대역의 정현파 진동과 최고 200-800Hz 까지의 고주파 대역의 정현파진동을 진폭변조해서 변조파 진동자극에 의한 2차원 배열로 표현된 촉각자극기(100)에 정보를 제시하는 보행 안내 장치이다.
시각장애인(600)이 장애물의 높이 및 크기에 대한 정보를 얻는 방법으로는 촉각자극기(100)의 변조파 진동 주파수의 진폭을 변동하여 가까운 물체는 변조파 진동의 주파수의 진폭이 낮고 높은 물체는 변조파 진동 주파수의 진폭이 높게 가진시킴으로써 장애물의 높이 및 크기를 인식하는 것을 특징으로 하는 촉각자극기(100)와 GPS 모듈(800)을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치이다. .
시각장애인(600) 특정물체의 인식 물체의 이동 및 이동속도에 대한 정보를 얻는 방법으로는 장애물이 움직일 경우 촉각 자극 요소들도 같은 방향으로 순차적으로 촉각작극기(100)를 진동함으로서 장애물의 움직임을 표현하는 촉각자극기(100)와 GPS 모듈(800)을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치로 구성되어 있다.
도 3는 도 1에 도시된 Beam 형태의 압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기(100) 구성도이다.
이 촉각 자극장치는 촉각장치의 베이스부(101), 촉각 자극장치의 자극부(102), 자극부의 지지부(103), 압전 액추에이터의 + 전극(104), 압전 액추에이터의 - 전극(105), 압전재료(106), 압전 액추에이터의 + 전극선(107), 압전 액추에이터의 - 전극선(108), 압전 액추에이터의 지지부(109)로 구성되어 있다. 압전재료는 기존의 모노몰프 형 압전 액추에이터, 바이몰프 형 압전 액추에이터로 구성되어 있으며, 압전 재료에 전극을 가하면 압전 액추에이터가 구동되고, 구동되어진 힘이 촉각 자극장치의 지지부(103)를 통해 촉각 장치의 자극부(102)에 전달되어 초음파 센서(900)와 GPS 모듈(800) 등으로부터 얻은 장애물 정보 및 위치 정보를 시각장애인(600)의 손가락 끝 부분에 자극하여 전달하는 시각장애인용 보행 안내 장치로 구성되어 있다.
촉각자극기(100)의 각 촉각 자극 요소들의 배열은 2×2, 3×3, 및 N×N 개의 배열로 구성되어 있으며, 그 배열의 모양은 정사각형, 직사각형, 원형 및 초음파 센서의 방사 및 센서되는 형태인 부채꼴 모양으로 구성되는 촉각자극기(100)와 GPS 모듈(800)을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치로 구성되어 있다.
도 4는 도 1에 도시된 Plate 형태의 압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기(100) 구성도이다. 이 촉각 자극장치는 촉각장치의 베이스부(113), 촉각 자극장치의 자극부(111), Plate 형태의 압전 액추에이터(112), 절연용 필름(114), Plate 형태의 압전 액추에이터의 + 전극(115), 압전재료(116), Plate 형태의 압전 액추에이터의 - 전극(117), 압전 액추에이터의 지지부(118), 촉각자극기(100)를 지지하고 있는 스프링(119), Plate 형태의 촉각자극의 외부판넬(120)로 구성되어 있다.
Plate 형태의 압전액추에이터는 기존의 모노몰프 형 압전재료, 바이몰프 형 압 전재료와 압전성을 가지고 있는 압전재료로 구성되어 있으며, 압전 재료에 전극을 가하면 압전 액추에이터가 구동되고, 구동되어진 힘이 촉각 자극장치의 지지부(103)를 통해 촉각 장치의 자극부(102)에 전달되어 초음파 센서(900)와 GPS 모듈(800) 등으로부터 얻은 장애물 정보 및 위치 정보를 시각장애인(600)의 손가락 끝 부분에 자극하여 전달하는 시각장애인용 보행 안내 장치로 구성되어 있다.
도 5는 도 1에 도시된 적층형 형태의 압전 액추에이터를 이용한 촉각자극기(100) 구성도이다. 이 촉각 자극장치는 촉각장치의 베이스부(121), 촉각 자극장치의 자극부(122), 자극부의 지지부(123), 적층형 형태의 압전 액추에이터(124), 압전 액추에이터의 지지부(125), 적층형 형태의 압전 액추에이터의 + 전극(126), 적층형 형태의 압전 액추에이터의 - 전극(127)로 구성되어 있다.
적층형 형태의 압전 액추에이터(124)의 재료는 PZT, PMN-PT, PNN-PZT 등을 포함하는 압전재료로 구성된다.
이 적층형 형태의 압전 액추에이터의 + 전극(126), 적층형 형태의 압전 액추에이터의 - 전극(127)에 DC 전압을 인가하면 적층형 형태의 압전 액추에이터(124)가 구동되고, 이 구동력이 촉각장치의 자극부의 지지부(123)에 전달되어 촉각 자극장치의 자극부(122)를 구동하고, 초음파 센서(900)와 GPS 모듈(800) 등으로부터 얻은 장애물 정보 및 위치 정보를 시각장애인(600)의 손가락 끝 부분에 자극하여 전달하는 시각장애인용 보행 안내 장치로 구성되어 있다.
도 6은 도 1에 도시된 시각장애인용 보행 안내 장치의 블록선도를 표시하고 있다.
장애물(3000) 정보 검출용 초음파 센서(900), 시각 장애인용 보행 안내 장치의 구동을 위한 좌우 모터(1000), 좌우 모터(1000)의 움직임을 측정하기 위한 좌우 엔코더(1002), 좌우모터(1000) 움직임을 제어하기 위한 좌우 MPB(1001), 시각 장애인(600)의 위치를 측정하기 위한 GPS 모듈(800), 시각장애인(600)의 위치정보를 제공하기 위한 스피커(500), 장애물(3000) 정보를 시각장애인(600)에게 전달하기 위한 촉각자극기(100), 시각장애인용 보행안내장치를 시각장애인(600)이 직접 제어할 수 있는 제어버튼(200), 시각장애인용 보행안내 장치를 감독제어하기 위한 PC(1300)으로 구성되어 있다.
PC(1300)의 경우 마이크로 컨트롤러와 PDA로 대체할 수 있다.
본 발명은 시각장애인(600)의 보행안내를 위하여 전방의 장애물 및 주목하는 특정물체의 공간적인 이동을 초음파센서(900)와 위치 인식용 GPS 모듈(800)을 이용하여 보행중 현재의 위치 및 진행방향을 추정하고 이를 촉각자극 및 청각을 통하여 장애물 및 현재위치에 관한 정보를 전달하는 시각장애인용 보행 안내 장치로 충분한 물체인식 정보를 시각장애인(600)에게 전달할 수 있으며 다양한 형태의 압전 액추에이터의 배열들을 변조파 진동방법으로 구동전달함으로써, 높은 공간정보 제시능력을 갖고 있는 효과를 제공한다.

Claims (5)

  1. 모터의 구동에 의하여 이동되도록 이동바퀴가 구비되어 있는 보행안내로봇과, 상기 보행안내로봇에 지팡이로 연결되며 상기 보행안내로봇을 제어하기 위한 제어버튼이 구비된 구성 판넬을 포함하여 이루어지는 시각장애인의 보행안내를 위한 시각장애인용 보행 안내 장치에 있어서,
    상기 보행안내로봇의 주변의 장애물 정보를 수집 및 처리하여 장애물 맵을 형성하고 시각장애인에게 위험한 상황을 감지시키고 안전한 경로를 제공하기 위하여 상기 보행안내로봇에 구비된 다수의 초음파 센서와, 시각장애인이 손가락의 촉각을 통하여 장애물 정보를 인지할 수 있도록 상기 다수의 초음파 센서에 의해 얻은 장애물의 위치, 분포 및 움직임에 관한 정보를 표현할 수 있도록 다수의 압전압추에이터가 2차원적으로 배열되어 상기 장애물 정보에 대응하는 압전액추에이터를 진동 자극하는 촉각자극기와, 인공위성을 이용하여 시각장애인의 현재 위치 및 주변 건물의 정보를 획득하기 위한 GPS 모듈과, 상기 GPS 모듈로부터 시각장애인의 현재 위치 및 주변 건물의 정보를 전달받아 시각장애인의 청각을 통하여 전달하기 위한 스피커가 구비된 것을 특징으로 하는 촉각자극기와 GPS 모듈을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 압전액추에이터는 초음파 센서에 의해 얻은 장애물의 높이 및 크기에 따라 진동주파수가 변동되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촉각자극기와 GPS 모듈을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다수의 압전액추에이터는 장애물이 이동할 경우 상기 장애물과 같은 방향으로 순차적으로 진동시켜 장애물의 움직임을 표현하는 것을 특징으로 하는 촉각자극기와 GPS 모듈을 이용한 시각장애인용 보행 안내 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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