KR101274443B1

KR101274443B1 - 힘 보조형 전동 장치 및 힘 보조형 전동 휠체어

Info

Publication number: KR101274443B1
Application number: KR1020110130317A
Authority: KR
Inventors: 공정식
Original assignee: 인덕대학교 산학협력단
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-18
Also published as: KR20130063772A

Abstract

본 발명은 힘 보조형 전동 장치 및 힘 보조형 전동 휠체어와 그 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 퍼지 알고리즘을 이용하여 사용자가 가하는 힘에 대하여 구동 의지력을 명확히 판단하고 모터를 구동시키도록 함으로써, 사용자가 상지 근력을 강화하는 운동을 할 수 있고, 평탄한 지형이 아니더라도 주행이 가능한 수동 휠체어와 전동 휠체어의 장점을 모두 가지고 있다.

Description

힘 보조형 전동 장치 및 힘 보조형 전동 휠체어{Power-assist device and power-assisted electric wheelchair}

본 발명은 힘 보조형 전동 휠체어에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 사용자가 핸드림에 힘을 가하여야만 구동이 되도록 함으로써 상지 근력 운동을 할 수 있도록 하며, 퍼지 알고리즘을 이용하여 사용자의 구동 의지력에 따라 정확한 구동이 가능케 하는 기술에 관한 것이다.

의약 및 BT 산업의 발달로 인간의 평균 연령이 증가하면서, 고령화 인구 및 장애인 인구가 날이 갈수록 증가하고 있다. 이에 따라 고령자와 장애인에게 필요한 다양한 기구들이 활발하게 개발되고 있다. 특히 고령자의 경우 근력 감퇴, 반응성 저하 등으로 인해 생활 반경이 축소될 수 있는데, 이를 극복하기 위한 이동기기에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다.

그 중 하나로 고령자를 위한 보행보조기 등에 대한 연구가 이루어지고 있다. 보행보조기는 보행에 어려움을 겪는 고령자가 차량에 몸을 지지하면서 안전하게 이동할 수 있는 장치이다. 하지만 보행보조기는 고령자의 하지 근력이 일정 수준 이상이 되어 있을 경우에만 사용이 가능하며, 하지의 근력이 미약하여 거동이 불편한 경우에는 휠체어를 활용하는 경우가 많다.

기존의 휠체어는 구동 방식에 따라 수동 휠체어와 전동 휠체어로 구분되며, 사용 방식에 따라 자기 스스로 휠체어를 이동하는 방식과 도우미의 도움으로 이동하는 방식으로 나눌 수 있다. 고령자의 경우 대부분 본인 스스로 구동할 수 있는 전동 휠체어를 선호하고 있다. 하지만 일반적인 전동 휠체어의 경우는 조이스틱으로 구동되고 있으므로 상지 근력을 사용하지 않아 궁극적으로는 상지 근력이 약화되는 결과를 초래한다.

반면 수동 휠체어를 사용하는 경우에는 휠체어의 핸드림을 지속적으로 구동시킴으로써 팔과 가슴 근육을 활발하게 사용하여 건강한 활동이 가능하게 된다. 하지만 국내 지형상 평탄한 곳이 많지 않아 사용자는 과도한 힘을 핸드림에 가하게 되고, 결국 손목터널증후군이 나타나는 등 부작용이 발생할 가능성이 있다.

따라서 이러한 전동 휠체어와 수동 휠체어의 단점들을 극복할 수 있는 기술이 개발되어야만 한다. 즉, 기존 수동 휠체어의 이동성 한계를 극복하면서도 사용자에게 일정량의 운동이 가능하도록 하는 휠체어가 필요한 것이다.

이를 위해 사용자의 팔 근육에 EMG센서를 장착하여 구동 의지력을 측정하여 바퀴를 구동시키는 기술의 개발이 시도된 바 있다. 하지만 EMG 센서의 경우 장착의 불편함과 제작 단가가 높을 수 밖에 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로, 비교적 낮은 단가로 제작할 수 있고 기존의 수동 휠체어에 적용이 용이하며, 사용자가 핸드림에 힘을 가하여야만 동작되도록 하여 상지 근력 운동이 가능하고, 퍼지 알고리즘을 통해 사용자의 구동 의지력을 정확하게 파악하여 구동케 함으로써 어떠한 지형에서도 활동에 제약을 받지 않도록 하는 힘 보조형 전동 장치, 힘 보조형 전동 휠체어 및 힘 보조형 전동 휠체어의 구동 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 힘 보조형 전동 장치는, 휠체어 본체의 바퀴 외측에서 상기 바퀴와 동일 회전축 상에서 회전 가능하도록 결합되는 핸드림; 사용자가 상기 핸드림에 힘을 가하면 상기 사용자의 힘을 측정하면서 상기 사용자의 힘을 상기 바퀴 측으로 전달하는 센서모듈; 상기 센서모듈에서 측정된 상기 사용자의 힘에 대응하는 모터 제어 신호를 출력하는 제어모듈; 및 상기 제어모듈에서 출력되는 모터 제어 신호에 의해 구동되어 상기 휠체어 본체의 바퀴를 회전시키는 모터;를 포함하되, 상기 제어모듈은, 상기 센서모듈에서 전달된 사용자의 힘을 미리 구축된 센서 데이터와 입력 멤버쉽 함수 및 룰베이스를 이용한 퍼지 알고리즘에 적용하여 모터 제어 신호를 출력한다.

여기서, 상기 센서모듈은, 상기 바퀴의 전방 또는 후방으로 가해지는 사용자의 힘을 측정하는 FSR센서; 상기 FSR센서에서 측정된 사용자의 힘을 디지털 변환하는 AD컨버터; 및 상기 디지털 변환된 사용자의 힘을 상기 제어모듈 측으로 전송하는 제1통신부;를 포함하고, 상기 제어모듈은, 상기 센서모듈의 제1통신부로부터 상기 디지털 변환된 사용자의 힘을 수신하는 제2통신부; 상기 제2통신부에서 수신한 상기 디지털 변환된 사용자의 힘에 대하여 퍼지 알고리즘을 적용하여 상기 휠체어 본체 중심의 선가속도 및 각가속도를 결정하는 가속도 판단부; 상기 가속도 판단부에서 결정된 상기 휠체어 본체 중심의 선가속도 및 각가속도를 통해 모터의 회전 속도를 산출하여 출력하는 휠속도 변환부; 및 상기 휠속도 변환부에서 출력된 상기 모터의 회전 속도에 기반하여 상기 모터를 구동시키는 모터 제어 신호를 출력하여 상기 모터가 구동되도록 하는 모터 제어부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈의 휠속도 변환부는, 상기 가속도 판단부에서 결정된 상기 휠체어 본체 중심의 선가속도 및 각가속도에 대하여 Ackerman 구동 방식을 적용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 힘 보조형 전동 장치를 장착한 힘 보조형 전동 휠체어를 포함한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 센서모듈, 제어모듈, 모터 및 전원공급부를 포함하는 힘 보조형 전동 장치를 기존의 수동 휠체어 또는 전동 휠체어에 적용하기가 수월하며, 더불어 구동 의지력을 파악하기 위한 기존의 센서들에 비교하여 제작 단가가 매우 낮다.

둘째, 종래의 전동 휠체어는 조이스틱만 조작하면 작동되기 때문에 사용자의 근력을 전혀 사용하지 않았으나, 본 발명에서는 사용자가 핸드림에 힘을 가하여야만 동작하기 때문에 상지 근력을 꾸준히 사용하게 하여 근력을 키우는 운동 효과를 볼 수 있다.

셋째, 사용자의 구동 의지력이 판단되면 이에 대응하여 모터를 구동시킴으로써 전진/후진/회전 동작이 가능하여 언덕길을 오를 시 모터의 동력으로 원활한 주행이 가능하다.

넷째, 실험을 통해 구축된 데이터베이스와 퍼지 알고리즘을 통해 측정된 힘에 대응하는 정확한 구동 의지력을 모터의 회전으로 변환시킬 수 있기 때문에, 사용자가 힘을 가하게 되는 어떠한 경우에도 정확한 구동 의지력의 판단이 가능하고 이에 대응하여 동작이 이루어질 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 힘 보조형 전동 휠체어를 설명하기 위한 도면.
도2는 도1에 도시된 힘 보조형 전동 휠체어의 힘 보조형 전동 장치 중 핸드림과 센서모듈의 결합 관계를 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 힘 보조형 전동 휠체어에서 힘 보조형 전동 장치의 구성을 설명하기 위한 도면.
도4는 실험에 의해 측정된 선가속도와 각가속도의 예시를 설명하기 위한 도면.
도5는 구동 의지력 판단을 위한 입력 멤버쉽 함수의 예를 설명하기 위한 도면.
도6은 구동 의지력 판단을 위한 룰 베이스의 예를 설명하기 위한 도면.
도7은 구동 의지력 판단을 위한 출력 멤버쉼 함수의 예를 설명하기 위한 도면.
도8은 Ackerman 구동 모델을 설명하기 위한 도면.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 힘 보조형 전동 휠체어의 구동 방법을 설명하기 위한 블록도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 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 힘 보조형 전동 휠체어를 설명하기 위해 좌측면에서 바라본 도면이고, 도2는 도1에 도시된 힘 보조형 전동 휠체어의 힘 보조형 전동 장치(2) 중 좌측 핸드림과 센서모듈의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도3은 힘 보조형 전동 장치(2)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

설명에 앞서 힘 보조형 전동 휠체어의 좌측 바퀴와 연동되는 구성과 도면부호에는 'L'을 표하고, 우측 바퀴와 연동되는 구성과 도면부호에는 'R'을 표기하였음을 알리는 바이다. 또한 힘 보조형 전동 장치(2)와 이 장치를 장착하고 있는 힘 보조형 전동 휠체어를 설명하면서 도9에 도시된 힘 보조형 전동 휠체어의 구동 방법에 대해서도 함께 설명하도록 한다.

도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 힘 보조형 전동 휠체어는 휠체어 본체(1)와 힘 보조형 전동 장치(2)를 포함한다.

휠체어 본체(1)는 사용자가 착석할 수 있는 의자 형태의 착석부(2)와, 착석부(2)의 좌측과 우측에 각각 장착되는 좌측바퀴(이하 '바퀴L(3L)'이라 함) 및 우측바퀴(이하 '바퀴R(미도시)'이라 함)를 포함한다. 바퀴L(3L)과 바퀴R은 동일한 회전축 상에서 회전 가능하도록 착석부(2)에 장착되어 있으나, 양측 바퀴가 연동되어 함께 회전하는 것은 아니고 각자 독립적으로 회전이 가능하다. 또한 각 바퀴는 바큇살, 바퀴프레임 및 타이어로 구성될 수 있다.

힘 보조형 전동 장치(2)는 핸드림(20L,20R), 센서모듈(30L,30R), 제어모듈(40), 모터(50L,50R) 및 전원공급부(60)를 포함한다.

이하에서는 설명의 편의를 위해 휠체어 본체(1)의 양측 바퀴 중 바퀴L(3L)과, 이에 연동되는 힘 보조형 전동 장치(2)의 핸드림L(20L), 센서모듈L(30L) 및 모터L(50L)을 기준으로 설명하도록 하되, 바퀴L(3L)과 이에 연동되는 구성들의 설명에 의해 바퀴R(미도시)과 연동되는 핸드림R(20R), 센서모듈R(30R) 및 모터R(50R)의 구성과 센서모듈R(30R)의 구성인 FSR센서R(34R), AD컨버터R(35R) 및 제1통신부R(36R)의 설명은 충분히 유추가 가능할 것이므로 중복 설명은 생략토록 한다.

핸드림L(20L)은 바퀴L(3L)보다 직경이 작아 지면과 맞닿지는 않으며, 바퀴L(3L)과 동일한 회전축에 독립적으로 회전하도록 결합된다.

핸드림L(20L)의 둘레를 따라 동일한 간격으로 다수개 설치된 센서모듈L(30L)은 사용자가 핸드림L(20L)에 가한 힘을 측정하고 동시에 사용자의 힘을 바퀴L(3L)에 전달하여 바퀴L(3L)이 회전하도록 한다.

즉, 센서모듈L(30L)은 삽입부L(32L)과 결합편L(33L)이 형성된 케이스L(31L)을 포함하며, 케이스L(31L)의 결합편이 바퀴L(3L)의 바퀴프레임에 결합되어 있다. 또한 핸드림L(20L)에는 연결편L(21L)이 돌출하여 마련되어 있고, 이러한 연결편L(21L)이 케이스L(31L)의 삽입부L(32L)에 삽입되어 있다.

센서모듈L(30L)의 케이스L(31L) 내부에는 FSR(Force sensing registor)센서L(34L), AD컨버터L(35L) 및 제1통신부L(36L)이 구비되어 있다. FSR센서L(34L)은 케이스L(31L)의 전방 및 후방에 각각 마련되어 있다. 따라서 사용자가 핸드림L(20L)을 앞으로 또는 뒤로 돌리기 위해 힘을 가한다면, 그 힘이 연결편L(21L)을 통해 FSR센서L(34L)에 전달될 것이고, FSR센서L(34L)은 사용자가 가한 힘을 측정하고 AD컨버터L(35L)이 측정된 힘을 디지털 변환하며, 변환된 신호를 제1통신부L(36L)이 제어모듈(40)로 송신한다. 또한 케이스L(31L)의 결합편L(33L)이 바퀴L(3L)와 결합되어 있기 때문에, 사용자가 핸드림L(20L)에 가한 힘의 일부는 바퀴L(3L)에 전달되어 바퀴L(3L)의 회전이 이루어질 수 있다.

한편 센서모듈(30L,30R)은 별도의 배터리(미도시)를 구비하여 전원을 공급받을 수 있다. 또는 센서모듈(30L,30R)과 제어모듈(40) 및 모터(50L,50R)는 휠체어 본체(1)에 장착되는 전원공급부(60)와 케이블 연결을 통해 전원공급이 가능할 수도 있다.

제어모듈(40)은 도1에 도시된 바와 같이 휠체어 본체(1)의 한 지점에 위치할 수 있다. 이러한 제어모듈(40)은 제2통신부(41), 가속도 판단부(42), 휠속도 변환부(43) 및 모터 제어부(44L,44R)를 포함한다. 센서모듈(30L,30R)과 제어모듈(40)은 케이블 연결을 통해 통신이 가능할 수도 있으나, 블루투스, IrDA 또는 RF 통신 등의 근거리 무선통신 방식으로 통신이 이루어질 수도 있다.

센서모듈(30L,30R)에서 핸드림(20L,20R)에 가해진 사용자의 힘을 측정<S905>하여 디지털 변환하고, 제1통신부(36L,36R)를 통해 제어모듈(40)로 송신하면, 제어모듈(40)의 제2통신부(41)에서 사용자의 힘(측정 정보)을 수신하여 취합<S910>하고 가속도 판단부(42), 휠속도 변환부(43) 및 모터 제어부(44L,44R)에서는 센서모듈(30L,30R)에서 전송된 사용자의 힘을 기반으로 구동 의지력을 판단하고 이에 대응하여 바퀴가 회전하도록 모터(50L,50R)를 구동시킨다.

사용자가 핸드림(20L,20R)에 가하는 힘의 경우는 느린 전진, 빠른 전진, 느린 후진, 빠른 후진, 좌회전, 우회전 등등 매우 다양하다. 따라서 양쪽 핸드림(20L,20R)에 가해지는 힘에 따라 이에 대응하여 모터(50L,50R)를 구동시키는 경우도 매우 다양하다. 각각 경우에 대해 정확하게 구동 의지력을 판단하고 모터(50L,50R)를 제어하기 위해 본 발명에서는 퍼지 알고리즘을 적용하였다.

먼저 사용자의 구동 의지력에 따른 몇가지 선가속도 및 각가속도 데이터를 실험에 의해 구축해 놓는다. 이에 대한 예시가 도4에 도시되어 있다. 즉, 센서모듈L(30L)과 센서모듈R(30R)에 가해진 힘에 대응하여 휠체어 본체(1)가 움직이게 되는 선가속도 및 각가속도를 데이터화한 것이다. 이렇게 실험에 의해 수집된 데이터는 별도의 메모리(미도시)에 저장되어 가속도 판단부(42)에서 퍼지 알고리즘을 적용하여 선가속도와 각가속도를 판단하는데 사용된다.

또한 핸드림L(20L)과 핸드림R(20R)에 가해진 힘의 크기와 힘의 크기변화를 기반으로 기 설정된 입력 멤버쉽 함수(membership function)와 룰베이스(rule base)가 각각 도5와 도6에 도시되어 있고, 비퍼지화를 통해 선가속도와 각가속도를 산출하기 위한 출력 멤버쉽 함수가 도7에 도시되어 있다.

도5에 도시된 입력 멤버쉽 함수에서

와

는 각각 센서모듈L(30L)과 센서모듈R(30R)에서 측정된 구동 의지력 센서 데이터이며, 입력 멤버쉽 함수를 7개의 중심값으로 구성하였다. 즉 입력 멤버쉽 함수는 사용자마다 다르게 가정해 놓을 수 있는데, 예컨대 전진 방향으로 최대 10N의 힘이 가해졌을 경우를 PL(Positive Large)로 하고, 후진 방향으로 최대 10N의 힘이 가해졌을 경우를 NL(Negative Large)로 정하여 총 7개의 중심값을 구성할 수 있다.

또한 전진의 경우 전방 전진 시 순간 최대 속도가 6Km/h일 때 구동이 이루어질 경우 각각의 구동 의지력 센서 데이터를 PL(Positive Large)로 하고 후진 시에는 순간 최대 속도가 3Km/h일 때의 센서 데이터를 NL(Negative Large)로 할 수 있다. 회전의 경우 회전하지 않는 상황을 Z(Zero)로 놓았을 때, 순간 최대 각속도가 좌로 30°/sec로 회전하는 것을 PL(Positive Large)로 하고 우로 30°/sec의 속도로 회전하는 것을 NL(Negative Large)로 하여 총 7단계에 대한 실험 결과를 도출할 수 있으며, 이렇게 구현된 멤버쉽 결과를 기초로 도6에 도시된 룰베이스와 도7에 도시된 출력 멤버쉽 함수를 구성할 수 있다.

즉 가속도 판단부(42)는 도4에 도시된 데이터, 도5에 도시된 입력 멤버쉽 함수, 도6에 도시된 룰베이스 및 도7에 도시된 출력 멤버쉽 함수를 기반으로 퍼지 알고리즘을 적용하여 사용자가 핸드림(20L,20R)에 가한 힘에 대응하는 휠체어 본체(1) 중심의 선가속도와 각가속도를 결정(구동방향도 결정)<S915>하고, 휠속도 변환부(43)는 휠체어 본체(1) 중심의 선가속도와 각가속도를 각 바퀴의 회전 속도(모터(50L,50R)의 회전속도)로 변환한다.

예컨대 센서모듈L(30L)과 센서모듈R(30R)에서 측정된 사용자의 힘이 각각 2N과 -1.5N이라고 하면 이는 도4에 도시된 선가속도와 각가속도의 실험 데이터에서 미리 측정되어진 힘이 아니기 때문에 가속도 판단부(42)는 퍼지 알고리즘을 적용하여 선가속도와 각가속도를 판단한다.

먼저 입력 멤버쉽 함수에서 NL(Negative Large), NM(Negative Medium), NS(Negative Small), Z(Zero), PS(Positive Small), PM(Positive Medium), PL(Positive Large)을 각각 -10N, -5N, -1N, 0N, 1N, 5N, 10N으로 가정하자(이는 실험치 및 사용자에 따라 달라진다). 그러면 좌측에 가해진 힘 2N은 PS와 PM 사이에 위치하는 힘이고 PS에 대하여 60%, PM에 대하여 40%에 대응하는 위치이다(어느 위치에 근접하는지에 대한 비율은 미리 설정된 바에 따른다). 또한 우측에 가해진 힘 -1.5N은 NS와 NM 사이에 위치하는 힘이고 NS에 대하여 70%, NM에 대하여 30%에 대응하는 위치이다(마찬가지로 어느 위치에 근접하는지에 대한 비율은 미리 설정된 바에 따른다).

이렇게 결정된 값을 각 중심값마다 모두 곱하여 도6에 도시된 룰베이스에 대응하는 셀(

에 해당하는 PS와 PM, 그리고

에 해당하는 NM과 NS가 교차하는 셀)의 값을 산출하고, 이를 다시 출력 멤버쉽 함수에 적용시켜 합한 값으로 선가속도를 산출할 수 있다.

즉,

PS(0.60) × NM(0.30) = 0.18 ⇒ 셀값 NS

PM(0.40) × NM(0.30) = 0.12 ⇒ 셀값 Z

PS(0.60) × NS(0.70) = 0.42 ⇒ 셀값 Z

PM(0.40) × NS(0.70) = 0.28 ⇒ 셀값 PS

로 산출되며, 이렇게 산출된 셀값을 출력 멤버쉽 함수에 적용한다. 이때 도7에 도시된 출력 멤버쉽 함수에서 NL, NM, NS, Z, PS, PM, PL을 각각 -10m/sec², -5m/sec², -1m/sec², 0m/sec², 1m/sec², 5m/sec², 10m/sec² 으로 가정하고, COA(Center of Area) 기법을 이용하여 비퍼지화 과정을 거쳐 계산하면,

NS(0.18) × -1m/sec² = -0.18m/sec²

Z(0.12+0.42) × 0m/sec² = 0m/sec²

PS(0.28) × 1m/sec² = 0.28m/sec²

으로 산출되고, 이를 모두 합하면 0.1m/sec²이 된다. 즉 핸드림L(20L)에 가한 힘 2N과 핸드림R(20R)에 가한 힘 -1.5N에 대응하는 선가속도가 0.1m/sec²(전진 방향)이란 의미이다.

한편, 상술한 바와 같은 퍼지 알고리즘을 적용하면 휠체어 본체(1) 중심의 각가속도도 산출할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

휠속도 변환부(43)는 이렇게 정해진 휠체어 본체(1) 중심의 선가속도 및 각가속도를 각 바퀴의 회전 속도로 변환한다. 먼저 휠체어 본체(1) 중심의 선가속도와 각가속도에 대해서 Ackerman 구동 방식을 적용하여 각 바퀴의 각가속도로 변환할 수 있다.

도8은 Ackerman 구동 모델을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 휠속도 변환부(43)는 Ackerman 구동 방식을 사용하여 바퀴의 속도(모터(50L,50R)의 속도)를 결정할 수 있는데, 이러한 Ackerman 구동 방식은 기본적인 주행은 순간 회전 중심(Instantaneous Center of Rotation : ICR)을 중심으로 하는 회전운동이며, 2개의 바퀴가 회전 중심을 기준으로 동심원을 접하고 동일한 각속도를 가지게 됨으로써, 휠체어 본체(1)의 움직임이 미끄러짐 없이 이동 가능하도록 하는 기법을 의미할 수 있다.

ICR을 기준으로 휠체어 본체(1)의 바퀴 각가속도는 다음의 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 구해진다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

여기서, R은 순간 회전 중심(ICR)에서 외곽에 위치한 바퀴까지의 거리,

는 휠체어 본체(1) 중심의 선가속도,

는 휠체어 본체(1) 중심의 각가속도,

은 바퀴L(3L)의 각가속도,

은 바퀴R의 각가속도이다.

수학식 1내지 수학식 3에 의해 각 바퀴의 각가속도가 산출되면, 휠속도 변환부(43)는 수학식 4에서처럼 적분 제어를 통해 모터의 회전 각속도를 산출해 낸다.

[수학식4]

여기서 k(t)는 마찰 함수로써, 이 값은 현재 사용자의 구동 의지력과 휠체어 본체(1)의 현재 상태에 따라 휠체어 본체(1)가 일정 거리 주행 후 멈출 수 있도록 하기 위한 변수이다.

휠속도 변환부(43)에서 모터의 회전 각속도를 산출<S920>하여 출력하면 이를 모터 제어부(44L,44R)에 전달하고, 모터 제어부L(44L)과 모터 제어부R(44R)은 각각 모터L(50L)과 모터R(50R)을 회전<S925>시키는 모터 제어 신호를 출력하여 바퀴가 동작되도록 한다. 여기서 각 모터 제어부(44L,44R)에서 출력되는 값에 대해 모터(50L,50R)가 원하는 상태로 구동되도록, 모터 제어부(44L,44R)는 PID제어기(Proportional intergral derivative control)를 기반으로 구현될 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 센서모듈(30L,30R), 제어모듈(40), 모터(50L,50R) 및 전원공급부(60)를 포함하는 힘 보조형 전동 장치(2)를 기존의 수동 휠체어 또는 전동 휠체어에 적용하기가 수월하며, 더불어 구동 의지력을 파악하기 위한 기존의 센서들에 비교하여 제작 단가가 매우 낮다.

또한, 종래의 전동 휠체어는 조이스틱만 조작하면 작동되기 때문에 사용자의 근력을 전혀 사용하지 않았으나, 본 발명에서는 사용자가 핸드림(20L,20R)에 힘을 가하여야만 동작하기 때문에 상지 근력을 꾸준히 사용하게 하여 근력을 키우는 운동 효과를 볼 수 있다.

그리고, 사용자의 구동 의지력이 판단되면 이에 대응하여 모터(50L,50R)를 구동시킴으로써 전진/후진/회전 동작이 가능하여 언덕길을 오를 시 모터(50L,50R)의 동력으로 원활한 주행이 가능하다.

또, 실험을 통해 구축된 데이터베이스와 퍼지 알고리즘을 통해 측정된 힘에 대응하는 정확한 구동 의지력을 모터(50L,50R)의 회전으로 변환시킬 수 있기 때문에, 사용자가 힘을 가하게 되는 어떠한 경우에도 정확한 구동 의지력의 판단이 가능하고 이에 대응하여 동작이 이루어질 수 있다.

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.

1 : 휠체어 본체
2 : 착석부
3L : 바퀴L
2 : 힘 보조형 전동 장치
20L : 핸드림L
21L : 연결편L
20R : 핸드림R
30L : 센서모듈L
31L : 케이스L
32L : 삽입부L
33L : 결합편L
34L : FSR센서L
35L : AD컨버터L
36L : 제1통신부L
30R : 센서모듈R
34R : FSR센서R
35R : AD컨버터R
36R : 제1통신부R
40 : 제어모듈
41 : 제2통신부
42 : 가속도 판단부
43 : 휠속도 변환부
44L : 모터 제어부L
44R : 모터 제어부R
50L : 모터L
50R : 모터R
60 : 전원공급부

Claims

휠체어 본체의 바퀴 외측에서 상기 바퀴와 동일 회전축 상에서 회전 가능하도록 결합되는 핸드림;
사용자가 상기 핸드림에 힘을 가하면 상기 사용자의 힘을 측정하면서 상기 사용자의 힘을 상기 바퀴 측으로 전달하는 센서모듈;
상기 센서모듈에서 측정된 상기 사용자의 힘에 대응하는 모터 제어 신호를 출력하는 제어모듈; 및
상기 제어모듈에서 출력되는 모터 제어 신호에 의해 구동되어 상기 휠체어 본체의 바퀴를 회전시키는 모터를 포함하되,
상기 제어모듈은, 상기 센서모듈에서 전달된 사용자의 힘을 미리 구축된 센서 데이터와 입력 멤버쉽 함수 및 룰베이스를 이용한 퍼지 알고리즘에 적용하여 모터 제어 신호를 출력하며,
상기 센서모듈은,
상기 바퀴의 전방 또는 후방으로 가해지는 사용자의 힘을 측정하는 FSR센서;
상기 FSR센서에서 측정된 사용자의 힘을 디지털 변환하는 AD컨버터; 및
상기 디지털 변환된 사용자의 힘을 상기 제어모듈 측으로 전송하는 제1통신부;를 포함하고,
상기 제어모듈은,
상기 센서모듈의 제1통신부로부터 상기 디지털 변환된 사용자의 힘을 수신하는 제2통신부;
상기 제2통신부에서 수신한 상기 디지털 변환된 사용자의 힘에 대하여 퍼지 알고리즘을 적용하여 상기 휠체어 본체 중심의 선가속도 및 각가속도를 결정하는 가속도 판단부;
상기 가속도 판단부에서 결정된 상기 휠체어 본체 중심의 선가속도 및 각가속도를 통해 모터의 회전 속도를 산출하여 출력하는 휠속도 변환부; 및
상기 휠속도 변환부에서 출력된 상기 모터의 회전 속도에 기반하여 상기 모터를 구동시키는 모터 제어 신호를 출력하여 상기 모터가 구동되도록 하는 모터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 보조형 전동 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어모듈의 휠속도 변환부는, 상기 가속도 판단부에서 결정된 상기 휠체어 본체 중심의 선가속도 및 각가속도에 대하여 Ackerman 구동 방식을 적용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 힘 보조형 전동 장치.
삭제