KR101148503B1 - 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기 - Google Patents

보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 보행 보조기는, 사용자가 지지할 수 있는 지지프레임; 상기 지지프레임 하단에 위치하며, 모터의 동력을 받아 회전하는 구동바퀴; 상기 구동바퀴에 걸리는 모멘트를 측정하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 모멘트를 기반으로 상기 구동바퀴에 외력이 가해지는지를 판단하여 상기 모터를 제어하는 제어부; 를 포함한다. 이에 따라, 사용자가 지지프레임의 특정 부위만을 지지하지 않더라도, 사용자의 보행 의지력에 따라 바퀴를 구동시킬 수 있다.
보행 보조기, 보행 장치, 보행 로봇, 전동 보행, 토크, 모멘트

Description

보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기{Walk assistance appliance controlled by walking will-power}
본 발명은 전동 보행 보조기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 바퀴에 걸리는 모멘트를 측정하여 사용자의 보행 의지력을 산출함으로써 모터를 구동시키도록 제어하는 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기에 관한 것이다.
사회의 선진화 및 의학의 발전으로 인해 인간 수명이 증가되면서 고령 인구는 급속도로 증가하고 있다. 이에 노인 및 장애인을 위한 다양한 기술에 대한 사회적 요구가 증가되고 있으며 이에 맞춰 노인 및 거동이 불편한 사람들의 외부 활동을 돕기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 사회적 추세에 발맞춰 노령자 및 장애인을 위한 보행 보조기에 대한 다양한 기술이 급격하게 발달되고 있다. 대표적인 사례로는 일본 히타치에서 개발된 Power Assisted Walking Support System, 아일랜드에서 개발된 PAM-AID, 미국 Camegie Mellon 대학에서 개발된 Robotic Walker 등이 있다.
이러한 노인 및 장애인을 위한 보행보조기에 대한 연구는 크게 노인들이 보행 보조기 차량 제어를 원활하게 수행할 수 있도록 고안된 센서를 개발하는 기술 과, 차량을 안정적으로 제어할 수 있는 차량 이동 기술, 그리고 노인들이나 장애인들이 가지고 있는 순발력의 어려움 등을 해결하기 위한 장애물 회피 기술 등이 대표적이라 할 수 있겠다.
이러한 대부분의 연구들은 보행 보조기의 안정적인 구동을 기반으로 로봇의 자유로운 움직임을 유도할 수 있도록 하는데 있으나, 아직 노인이나 장애인들의 움직임에 대한 의지를 정확하게 파악하고 이를 기초로 자연스러운 구동을 하기에는 아직은 많은 노력이 필요한 상황이다. 이에 사용자의 의지를 정확하게 파악하기 위한 연구들이 진행되었다.
그러나 이들 중 대부분은 보행의지 파악을 위해 힘센서나 토크센서 등을 이용하였으며 사용자의 지지력과 보행의지력을 분리하여 사용자가 현재 얼마만큼 이동하고자 하는지를 알고자 하였다. 그러나 이러한 센서 대부분은 지정된 위치를 잡거나 기대어 움직여야 한다. 따라서 지정된 부분 이외의 곳을 잡고 이동하고자 할 경우에는 사용자의 정확한 의지 파악에 어려움이 존재한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로, 사용자의 보행의지를 파악함에 있어 센서부에서 바퀴의 회전속도를 측정하고 이를 통해 바퀴에 걸리는 모멘트를 산출하여 보행 의지력이 존재하는지 파악함으로써 모터를 제어하여 바퀴를 구동시킬 수 있는 전동 보행 보조기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 각각의 바퀴에 가해지는 모멘트를 산출하고 각각의 바퀴를 따로 제어하도록 함으로써, 보행자의 보행 방향 및 보행 의지를 더욱 정확하게 파악하여 모터를 제어하도록 하는 전동 보행 보조기를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기는, 사용자가 지지할 수 있는 지지프레임; 상기 지지프레임 하단에 위치하며, 모터의 동력을 받아 회전하는 구동바퀴; 상기 구동바퀴에 걸리는 모멘트를 측정하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 모멘트를 기반으로 상기 구동바퀴에 외력이 가해지는지를 판단하여 상기 모터를 제어하는 제어부;를 포함한다.
여기서, 상기 센서부는 상기 구동바퀴의 회전속도를 측정하고 상기 제어부에서 상기 회전속도를 기반으로 상기 구동바퀴에 걸리는 모멘트를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 센서부에서 측정된 회전속도에 의해 산출된 모멘트와 외력이 없을 때 상기 모터에 가해지는 전압에 의한 이론적인 모멘트의 차이를 통해 상기 지지프레임에 가해지는 외력을 산출하여 상기 모터를 제어하는 것이 바람직하다.
또, 상기 제어부는 상기 센서부에서 측정된 회전속도에 의해 산출된 모멘트의 크기가 외력이 없을 때 상기 모터에 가해지는 전압에 의한 이론적인 모멘트의 크기보다 클 경우 상기 모터를 가속시키고, 작을 경우 상기 모터를 감속시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 구동바퀴는 상기 지지프레임 하단의 양측에 구비되어 각각의 모터에 의해 구동되며, 상기 센서부는 상기 각각의 구동바퀴의 회전속도를 측정하고, 상기 제어부는 상기 각각의 센서부에서 측정된 회전속도를 기반으로 산출된 모멘트에 의해 상기 모터를 각각 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 사용자의 보행 의지력을 파악할 시 바퀴의 회전속도와 모터에 가해지는 전압에 의해 바퀴(또는 모터)에 가해지는 모멘트를 산출하여 보행 의지력의 유무를 파악해 내는 원리를 사용하기 때문에, 사용자가 반드시 특정 부분을 잡거나 기대지 않더라도 사용자의 보행 의지력을 파악할 수 있다.
또한, 각각의 바퀴의 회전속도를 측정하여 모멘트를 산출하고 각각의 바퀴를 따로 제어하도록 함으로써, 보행자의 보행 방향 및 보행 의지를 더욱 정확하게 파악하여 모터를 제어할 수가 있다.
또, 보행 보조기의 지지프레임에 별다른 장치가 마련되지 않더라도 보행 의 지력을 파악하여 모터를 구동시킬 수 있어서 구성이 간단하다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기(100)(이하 '보행 보조기(100)'라 함)를 설명하기 위한 사시도이고, 도2는 도1에 도시된 보행 보조기(100)의 제어를 위한 구성들의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조기(100)는 지지프레임(110), 구동바퀴(121,131), 보조바퀴(122,132), 모터(123,133), 센서부(124,134) 및 제어부(150)를 포함한다.
지지프레임(110)은 사용자가 밀거나 기댈 수 있는 형태로 제작되며 사용자가 잡을 수 있는 파지부가 마련된다. 또한, 사용자의 키에 따라 높이를 조절할 수 있는 구조로 제작되는 것이 바람직하다.
지지프레임(110)의 하단에는 구동바퀴(121,131)와 보조바퀴(122,132)가 마련되어 있다. 구동바퀴(121,131)는 지지프레임(110)의 하단 후방의 좌측과 우측에 마련되며, 보조바퀴(122,132)는 전방의 좌측과 우측에 마련된다.
여기서 구동바퀴(121,131)는 각각 모터(123,133)와 연결되어 모터(123,133)로부터 동력을 전달받아 구동되며, 보조바퀴(122,132)는 별도의 동력 장치 없이 지 지프레임(110) 하단에 360도 회전이 가능하도록 결합된다. 따라서 보조바퀴(122,132)는 보행 보조기(100)의 진행방향에 따라 방향이 바뀔 수 있다. 물론 실시하기에 따라서는 보조바퀴도 모터의 동력을 전달 받아 구동될 수 있으며, 각 바퀴들의 개수나 위치도 바뀔 수가 있다.
또한, 각 구동바퀴(121,131)의 회전속도를 측정하는 센서부(124,134)가 각각의 구동바퀴(121,131)에 마련된다. 여기서 센서부(124,134)는 구동바퀴(121,131) 또는 모터(123,133)의 회전속도를 측정하는 엔코더에 의해 구현될 수 있다.
제어부(150)는 센서부(124,134)에서 측정된 회전속도를 기반으로 구동바퀴(121,131)에 걸리는 모멘트를 산출하여 지지프레임(110)에 외력이 가해지는지를 판단하고, 이를 통해 모터(123,133)를 제어함으로써 구동바퀴(121,131)에 동력을 전달한다. 본 실시예에서는 제어부(150)가 지지프레임(110)의 하단 전방에 마련된 제어박스(140) 내에 마련되어 있지만, 어느 위치에 마련되어도 무관하다. 또한, 제어박스(140)에는 모터의 구동에 필요한 전원을 공급하는 배터리가 수납된다.
본 발명의 실시예에 따른 보행 보조기(100)에서 센서부(124,134)에서 측정된 회전속도에 의해 바퀴에 가해지는 모멘트를 산출하고 이를 통해 외력이 존재하는지를 판단하여 제어부(150)가 모터(123,133)를 제어하는 원리를 설명하면, 이론적인 구동바퀴(121,131)의 회전속도(모터(123,133)의 회전속도)와 실제 측정되는 구동바퀴(121,131)의 회전속도(모터(123,133)의 회전속도)의 차이에 의해 구동바퀴(121,131)에 외력이 가해지는지를 판단함으로써 사용자가 보행 의지가 있는지를 알아내어 모터(123,133)를 구동시키도록 하는 것이다.
보행 보조기(100)가 멈춰 있는 상태, 즉 구동바퀴(121,131)가 회전하지 않는 상태는 모터(123,133)가 회전하지 않는 상태이며, 모터(123,133)에 공급되는 전압도 없다. 이 상태에서 사용자가 보행하고자 지지프레임(110)에 기대거나 지지프레임(110)을 밀면 구동바퀴(121,131)에 외력이 가해져 회전을 하게 된다. 이때, 센서부(124,134)가 구동바퀴(121,131)의 회전속도를 감지하며, 제어부(150)는 센서부(124,134)에서 감지한 회전속도와 모터(123,133)에 가해지는 전압에 의한 이론적인 회전속도의 차이를 통해 지지프레임(110)에 가해지는 외력을 산출하여 모터(123,133)를 제어한다. 즉, 센서부(124,134)에서는 구동바퀴(121,131)의 회전 속도를 감지하였지만, 모터(123,133)에 가해지는 전압은 없기 때문에 전압에 의한 이론적인 회전속도 또한 없다. 따라서 구동바퀴(121,131)가 회전하는 속도에 대응하는 만큼 외력이 존재하는 것이며, 제어부(150)는 보행자가 보행 의지가 있다는 것으로 판단하여 모터(123,133)에 전압을 가하여 구동바퀴(121,131)를 회전시키는 것이다.
한편, 모터(123,133)에 전압이 공급되어 모터(123,133)와 구동바퀴(121,131)가 회전하고 있는 상태, 즉 보행 보조기(100)가 진행하고 있는 상태라면, 모터(123,133)에 공급되는 전압에 의해 모터(123,133)가 회전하는 이론적인 속도가 산출될 것이며, 제어부(150)는 센서부(124,134)에서 감지한 회전속도와 이론적인 속도를 비교하여 구동바퀴(121,131)에 외력이 가해지는지를 판단하여 모터(123,133)를 제어한다. 만약, 사용자가 더 빠르게 보행을 하고자 한다면, 진행중 인 보행 보조기(100)의 지지프레임(110)을 더 밀게 될 것이며, 이에 따라 회전하고 있는 구동바퀴(121,131)에 외력이 가해져 구동바퀴(121,131)의 회전속도는 모터(123,133)에 가해지는 전압에 의한 이론적인 회전속도보다 빠를 것이며, 제어부(150)는 센서부에서 측정한 구동바퀴(121,131)의 회전속도와 모터(123,133)에 가해지는 전압에 의한 이론적인 회전속도의 차이에 대응하는 만큼 외력이 존재하는 것을 파악하여 모터(123,133)의 회전속도를 증가시키게 되는 것이다. 반대로, 사용자가 보행 속도를 늦추고자 진행중인 보행 보조기(100)의 지지프레임(110)을 잡아 당기면, 회전하고 있는 구동바퀴(121,131)에 외력이 가해져 구동바퀴(121,131)의 회전속도는 모터(123,133)에 가해지는 전압에 의한 이론적인 회전속도보다 느릴 것이며, 제어부(150)는 센서부에서 측정한 구동바퀴(121,131)의 회전속도와 모터(123,133)에 가해지는 전압에 의한 이론적인 회전속도의 차이에 대응하는 만큼 반대의 힘이 존재하는 것을 파악하여 모터(123,133)의 회전속도를 감소시키게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조기(100)에서 센서부(124,134)는 각각의 구동바퀴(121,131)의 속도를 측정하며, 이를 통해 제어부(150)는 사용자가 진행하고자 하는 방향을 파악하여 모터(123,133)를 각각 제어한다.
만약, 정방향으로 진행하던 사용자가 우측으로 보행 방향을 회전시키고자 한다면, 지지프레임(110)의 우측보다 좌측에 더 큰 보행 의지력이 가해질 것이다. 따라서, 센서부L(134)에서 측정한 구동바퀴L(131)의 회전속도는 센서부R(124)에서 측정한 구동바퀴R(121)의 회전속도보다 클 것이며, 센서부L(134)에서 측정한 구동바 퀴L(131)의 회전속도와 모터L(133)에 가해진 전압에 의한 이론적인 회전속도의 차이가, 센서부R(124)에서 측정한 구동바퀴R(121)의 회전속도와 모터R(123)에 가해진 전압에 의한 이론적인 회전속도의 차이보다 큰 것을 제어부(150)에서 확인하여 보행자가 우측으로 회전하고자 하는 것을 판단한다. 따라서 제어부(150)는 모터L(133)의 회전속도를 증가시켜 보행 보조기(100)가 우측으로 회전하여 진행할 수 있도록 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조기(100)에서 사용자의 보행 의지력을 파악하여 바퀴를 구동시키는 물리적인 원리를 도3을 통해 설명하도록 한다.
사용자가 보행 보조수단으로써 보행 보조기(100)를 사용하게 될 경우 사용자는 거동이 불편하기 때문에 지지프레임(110)에 기대게 되며, 이는 지지력으로써 보행 보조기(100)에 힘이 작용한다. 또한 사용자가 이동하려고 하는 동안 사용자의 보행 의지력이 보행 보조기(100)에 반영된다. 도3은 보행 보조기(100)에 적용되는 보행 의지력과 지지력 및 이를 통해 발생하는 바퀴에 걸리는 외력에 의한 모멘트를 나타낸다.
도3에서 보행 보조기(100) 사용 중에 발생하는 지지력(Fs)은 보행 보조기(100)에 수직으로 작용하는 힘으로써 보행 보조기(100)의 각 구동바퀴(121,131) 축에 수직으로 작용하기 때문에 평지 이동시 지지력(Fs)에 의한 차량 바퀴에 걸리는 모멘트는 존재하지 않는다. 이에 비해 보행 의지력(Fw)은 사용자의 보행 의지에 따라 힘의 변화가 발생하며, 이로 인해 구동바퀴(121,131)와 지면이 만나는 지점에서 마찰력(Ff)이 발생하면서 구동바퀴(121,131)에 외력에 의한 모멘트(Mf)가 발생하게 된다. 수학식1은 사용자의 보행 의지력에 의한 구동바퀴(121,131)에 걸리는 모멘트(Mf)의 크기를 나타낸다.
Figure 112009075773079-pat00001
수학식1에서 r은 구동바퀴(121,131)의 반지름이며, N은 구동바퀴(121,131)에서의 감속비를 나타낸다. 이때 구동바퀴(121,131)와 바닥 사이에 걸리는 마찰계수는 충분히 크다고 가정한다. 수학식1로부터 구동바퀴(121,131)에 걸리는 외력을 산출하게 되면 이를 통해 현재 보행 보조기(100)를 사용하는 사용자의 보행 의지력(Fw)을 파악할 수 있고, 이를 이용하여 보다 최적화된 보행 보조기 제어가 가능하다.
여기서, 구동바퀴(121,131)에 걸리는 모멘트(Mf)는 센서부(124,134)에서 측정한 회전속도와 모터(123,133)에 가해지는 전압에 의해 구해진다. 이를 도4의 수학적 모델로 살펴보도록 한다.
도4에서 L, R, J, F, Ka, Kb는 각각 모터(123,133)의 인덕턴스, 저항, 모터축의 회전질량, 모터축의 마찰, 토크상수, 역기전력 상수를 나타낸다. 만약 모터(123,133)에 걸리는 외력이 없을 경우 전압(V)에 의한 이론적인 모터의 회전속도(O)는 수학식2로 표현이 가능하다.
Figure 112011105366377-pat00009
하지만 사용자가 지지프레임(110)을 밀거나 잡아당겨 외력이 존재하게 될 경우, 구동바퀴(121,131)의 회전속도는 수학식2에 따른 이론적인 값과 달리 변화하게 되며, 외력에 의해 모터에 걸리는 모멘트(Mf)의 크기는 센서부(124,134)에서 측정한 모터(123,133)의 현재 회전속도(ω)와 모터(123,133)에 가해지고 있는 전압(V)의 크기에 의해 추정할 수가 있다. 수학식3은 이러한 외력에 의해 모터(123,133)에 걸리는 모멘트(Mf)의 크기를 나타낸 것이다.
Figure 112011105366377-pat00010
여기서 ω는 센서부(124,134)에서 측정한 모터의 회전속도(즉, 구동바퀴의 회전속도)이고, V는 모터에 현재 가해지고 있는 전압의 크기이다. 즉, 수학식 3에 의하면 센서부(124,134)에서 측정된 모터(123,133)의 회전속도(ω)와 모터(123,133)에 가해지는 전압(V)의 크기를 통해 외력에 의해 모터(123,133)에 걸리는 모멘트(Mf)를 산출해 낼 수 있는 것이며, 따라서 수학식 1과 수학식 3을 적용할 경우 구동바퀴(121,131)에 걸리는 사용자의 보행 의지력은 수학식 4와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112011105366377-pat00011
즉 제어부(150)에서는 센서부(124,134)에서 측정한 구동바퀴(121,131)의 회전속도(ω), 모터(123,133)에 가해지는 전압(V), 모터의 인덕턴스(L), 저항(R), 모터축의 회전질량(J), 모터축의 마찰(F), 토크상수(Ka), 역기전력 상수(Kb)와 수학적 알고리즘을 이용하여 모터(123,133)에 걸리는 외력을 산출해내고 사용자의 보행 의지력 유무 및 크기를 판단해 낼 수 있는 것이며, 이를 통해 모터(123,133)를 제어할 수 있다. 만약 제어부(150)에서 수학식 4에 의해 산출해 낸 값이 0일 경우에는 외력이 존재하지 않는 것이기 때문에 현재의 모터(123,133)의 회전속도를 유지시키고, 양의 값이 산출될 경우에는 외력이 존재하는 것이기 때문에 모터(123,133)의 회전속도를 증가시키며, 음의 값이 산출될 경우에는 반대 방향의 외력이 존재하는 것이기 때문에 모터(123,133)의 회전속도를 감속시킨다.
따라서 지지프레임(110)에 별도의 센서가 없고, 사용자가 지지프레임(110)의 어떠한 부분에 의지를 하더라도 의지력을 파악할 수가 있기 때문에, 보다 정교한 구동바퀴(121,131)의 제어가 가능한 것이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기를 설명하기 위한 개략적인 사시도.
도2는 도1에 도시된 보행 보조기의 제어를 위한 구성들의 관계를 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 보행 보조기에 가해지는 외력과 모멘트의 관계를 설명하기 위한 도면.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조기가 외력에 의해 모터에 가해지는 모멘트를 설명하기 위한 수학적 모델을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 보행 보조기
110 : 지지프레임 121 : 구동바퀴R
122 : 보조바퀴R 123 : 모터R
124 : 센서부R 131 : 구동바퀴L
132 : 보조바퀴L 133 : 모터L
134 : 센서부L 140 : 제어박스
150 : 제어부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 사용자가 지지할 수 있는 지지프레임;
    상기 지지프레임 하단에 위치하며, 모터의 동력을 받아 회전하는 구동바퀴;
    상기 구동바퀴에 걸리는 모멘트를 측정하는 센서부;
    상기 센서부에서 측정된 모멘트를 기반으로 상기 구동바퀴에 외력이 가해지는지를 판단하여 상기 모터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 센서부는 상기 구동바퀴의 회전속도를 측정하고 상기 제어부에서 상기 회전속도를 기반으로 상기 구동바퀴에 걸리는 모멘트를 산출하며,
    상기 제어부는 상기 센서부에서 측정된 회전속도에 의해 산출된 모멘트와 외력이 없을 때 상기 모터에 가해지는 전압에 의한 이론적인 모멘트의 차이를 통해 상기 지지프레임에 가해지는 외력을 산출하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서부에서 측정된 회전속도에 의해 산출된 모멘트의 크기가 외력이 없을 때 상기 모터에 가해지는 전압에 의한 이론적인 모멘트의 크기보다 클 경우 상기 모터를 가속시키고, 작을 경우 상기 모터를 감속시키는 것을 특징으로 하는 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 구동바퀴는 상기 지지프레임 하단의 양측에 구비되어 각각의 모터에 의해 구동되며, 상기 센서부는 상기 각각의 구동바퀴의 회전속도를 측정하고, 상기 제어부는 상기 각각의 센서부에서 측정된 회전속도를 기반으로 산출된 모멘트에 의해 상기 모터를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 보행 의지력에 따라 구동되는 전동 보행 보조기.
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