KR101595517B1 - 스마트 보행 보조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스마트 보행 보조장치에 관한 것으로, 본체 지지 프레임(20)은 수직 프레임(21)과, 수직 프레임(21)의 하단부를 횡방향으로 연결하는 하부 수평프레임(22)과, 수직 프레임(21)의 상부를 횡방향으로 연결하는 상부 수평프레임(23)을 포함하고, 레벨 조정 액튜에이터(30)가 수직 프레임(21)의 좌우 또는 전후 레벨을 조정한다. 다수의 이중 힌지(50)가 하부 수평프레임(22) 및 상부 수평프레임(23)들의 중간에 설치되고, 보행 제어부(70)는 센서부(60)에서 입력되는 하중 데이터, 관성 데이터 및 변위 데이터를 입력받아서 처리하여 그 처리결과에 따라 레벨 조정 액튜에이터(30)를 제어하여 다수의 수직 프레임(21)의 전후, 좌우 레벨을 조정한다. 후방 수직 프레임(21)의 상단에 스마트 핸들(40)이 설치되고, 보행자가 잡는 스마트 핸들에 생체신호를 측정할 수 있는 센서를 부착하여 보행자의 심장신호, 체온 및 혈액속의 산소포화도를 측정하여 무선통신부를 통하여 의료기관의 의료 서버 컴퓨터에 입력하여 처리함으로써 수시로 그리고 이동중에 보행자의 건강상태를 진단 및 관리할 수 있다.
Description
본 발명은 스마트 보행 보조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 앉기, 서기, 걷기 등에 어려움을 느끼는 노약자 및 장애인의 보행과 일상 생활의 이동을 지원하고 보행자가 잡는 스마트 핸들에 생체신호를 측정할 수 있는 센서를 부착하여 보행자의 심장신호, 체온 및 혈액속의 산소포화도를 측정하여 무선통신부를 통하여 의료기관의 의료 서버 컴퓨터에 전송하여 처리함으로써 수시로 그리고 이동중에 보행자의 건강상태를 진단 및 관리할 수 있는 스마트 보행 보조장치에 관한 것이다.
최근 전세계는 평균 수명 연장에 따른 노인 인구의 지속적인 증가로 급속하게 초고령화 사회로 진입하고 있다. 일본을 비롯한 유럽의 여러 국가들은 이미 고령 사회로 접어 들었으며, 한국과 미국도 빠른 속도로 고령화 되어 가는 것을 고려하였을 때, 2018 년경에는 고령 사회로 전환될 것으로 보인다.
고령화 시대에 따른 뇌졸중 (Stroke) 등 신체마비 장애인 또한 증가 추세에 있으며, 근력이 부족하여 거동이 불편한 고령자가 급속하게 증가하고 있다. 이와 관련하여 일상 생활 (ADL: Activities of Daily Living) 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 매우 중요한 행동 중에 하나인 이동에 관련된 기술, 즉 안정적이고 효율적으로 노약자의 보행 및 앉고 일어서기 등을 지원하는 기술에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.
주요 선진국은 급격한 고령화에 따라 노인 생활 지원(보행보조 및 앉고 일어서기 지원)에 관련된 기술을 연구 개발하고 있는데, 특히 일본은 혼다, 파나소닉, 소니, 히다찌 등에서 집중적으로 연구하고 있고, 유럽은 브라운 호퍼, 지멘스 등에서 관심을 보이고 있다.
혼다에서는 2008 년 보행 보조장치를 상용화하였고, 파나소닉에서는 2009 년 Robot bed를 상용화하였으며, 자회사인 Activelink 사를 통해 인공 근육을 사용하는 사지 보조 슈트를 판매할 계획을 추진 중에 있다. 뿐만 아니라, 재활 보조장치로서 Myomo 가 2007 년에 시판되었고, HAL 등이 2008 년에 제품화 되었다.
이처럼 선진국을 중심으로 최근 상용 제품들이 출시되고 있으나, 기술의 완성도가 낮고 생활 지원의 범위가 협소하며 경량화 및 안전성 확보에 관한 신뢰도가 미비한 문제점 등이 있다.
보행 보조장치기는 무겁고 사용하기가 귀찮기 때문에 주로 집안에서 화장실을 가거나 가까운 거리를 이동하는데 주로 사용 되고 있으며, 둔턱이나 계단 등을 올라가기 어려운 문제점이 있어 지팡이를 이용하는 경우에 비해 주위 환경 대응력이 현저하게 떨어진다는 지적이 있다.
특히, 전동형 모바일 플랫폼의 경우에는 부피가 너무 크고 무거우며 전원 공급에 불편이 있어 사용자들의 외면을 받고 있다.
대한민국 특허공개 제10-2014-0093130호에 복수의 바퀴(2); 상기 복수의 바퀴(2)를 지지하고, 보행 보조장치의 상태에 따른 보상값이 적용되어, 상기 보행 보조장치의 기준 상태로 수렴될 수 있도록 높이가 조정되는 구동부(3); 상기 보행 보조장치의 상태를 감지하기 위한 센서부; 상기 센서부에서 감지된 상기 보행 보조장치의 상태에 따라 상기 구동부(3)에 적용될 보상값을 산출하는 신호처리부(4);를 포함하는 보행보조장치가 도 1에 도시된 바와 같이 제안되어 있다.
이 종래의 기술에 의한 보행보조장치는 오르막길, 내리막길 등의 경사길에서 바퀴의 레벨을 조정하여 안정되게 이동하지만, 보행자의 생체신호를 측정하여 수시로 건강을 진단하고 위급시 병원에 연락할 수 있는 방법이 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 앉기, 서기, 걷기 등에 어려움을 느끼는 보행자의 보행 생활을 지원하고 근력을 보조하기 위한 가볍고 공간 효율이 좋은 스마트 보행 보조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보행자가 잡는 핸들에 생체신호를 측정할 수 있는 센서를 부착하여 수시로 보행자의 생체를 측정하여 무선통신부를 통해 의료기관의 의료 서버 컴퓨터로 전송하여 전문 의료인력의 진단을 받을 수 있도록 IT, BT, ET, 기계기술 등의 분야별 기술을 활용한 스마트 보행 보조장치 기능을 구현하여 보행자 맞춤형 서비스를 제공할 수 있는 스마트 보행 보조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 문턱, 경사진 노면, 도로와 보도의 경계블록 등에 대한 적응력을 가지고 주행 시 안정적인 상태 및 구조를 가질 수 있도록 하는 스마트 보행 보조장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스마트 보행 보조장치는, 전방과 후방에 각각 설치되는 다수의 바퀴와; 상기 다수의 바퀴를 각각 지지하기 위한 다수의 수직 프레임과, 상기 다수의 수직 프레임의 하부 및 상부를 횡방향으로 연결하는 상,하부 수평프레임을 포함하는 본체 지지 프레임과; 상기 다수의 수직 프레임의 하부에 설치되어 좌우 또는 전후 레벨을 조정하는 레벨 조정 액튜에이터와; 상기 다수의 후방 수직 프레임의 상단에 설치되는 스마트 핸들과; 상기 하부 수평프레임 및 상부 수평프레임들의 중간에 설치되어 전후 또는 좌우로 꺽어지는 다수의 이중 힌지와; 노면의 상태 및 수직 하중을 감지하는 하중 센서와, 상기 스마트 핸들에 설치되는 생체신호 센서 및 상기 바퀴의 가속도 및 스마트 보행 보조장치의 기울어짐을 감지하는 관성 센서를 포함하는 센서부와; 상기 센서부에서 입력되는 하중 데이터, 관성 데이터 및 변위 데이터를 입력받아서 처리하여 그 처리결과에 따라 상기 레벨 조정 액튜에이터를 제어하여 상기 다수의 수직 프레임의 전후, 좌우 레벨을 조정하는 보행 제어부와; 상기 보행 제어부의 제어를 받아 상기 다수의 후방바퀴를 구동하는 구동모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 레벨 조정 액튜에이터는 공압 실린더, 유압 실린더, 솔레노이드로 구성되며, 상기 다수의 수직 프레임의 중간 또는 하부에 설치되고, 상기 제어부의 제어를 받아서 신장 또는 수축되어 좌우 또는 전후 레벨을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 스마트 핸들은 보행자의 손을 통해 가해지는 압력을 감지하기 위한 압력센서와 보행자의 손을 통해 핏속의 산소 포화도를 통한 맥파신호, 체온, 심전도를 측정하는 생체신호 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 생체신호 센서에서 측정되는 체온, 산소포화도 및 심전도의 생체신호는 보행 제어부에 내장된 무선통신부를 통해 의료기관의 의료서버에 전송되어 데이터베이스에 저장되고, 보행자의 건강상태를 진단하는데 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 압력센서는 좌,우측 스마트 핸들에 각각 2개씩 전,후로 설치되는 4개의 FSR(Force Sensitive Resistors) 센서, 로드셀로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 압력센서는 좌,우측 스마트 핸들에 각각 2개씩 전,후로 설치되고, 전,후로 설치되는 압력센서의 중간에서 압력의 크기에 따라 좌,우측 방향벡터 P1, P2를 설정하고, 좌,우측 방향벡터 P1, P2의 합과 차에 따라 보행방향 의지를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 보행 제어부는 상기 좌,우측 방향벡터 P1, P2가 함께 전방인 경우 전진방향으로 판단하고, 좌측 방향벡터 P1이 전방을 가리키고, 우측 방향벡터 P2가 후방을 가리키는 경우 우회전 방향으로 판단하고, 좌측 방향벡터 P1이 후방을 가리키고, 우측 방향벡터 P2가 후방인 경우 좌회전 방향으로 판단하고, 좌,우측 방향벡터 P1, P2가 함께 후방인 경우 후진방향으로 판단하여 후방바퀴에 부착된 구동모터를 제어하고, 전방바퀴에 장치된 조향장치를 제어하여 보행자의 보행을 보조하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 보행 제어부는 내리막 노면이나 오르막 노면을 통과 시에 상기 다수의 바퀴에 설치되는 하중센서 및 관성센서에서 측정되는 신호를 수신하여 전,후방 수직 프레임의 높이 조절 값을 산출하고, 상기 산출된 높이 조절 값에 따라 상기 다수의 레벨 조정 액츄에이터를 각각 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 생체신호 센서는 보행자의 손가락이 삽입될 수 있는 원통형 케이스가 좌,우측 스마트 핸들 중 어느 하나에 설치되고, 상기 원통형 케이스의 내부에 적색광 발광부와 적외선 발광부가 설치되고, 그 맞은편에 상기 적색광 발광부와 적외선 발광부에서 발생하는 빛을 수광하는 수광부가 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 적색광 발광부는 650-750 nm의 파장에 해당하는 적색광을 발생시키고, 상기 적외선 발광부는 850-1000 nm의 파장에 해당하는 적외선을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
한편 본 명세서에 개시된 기술에 관한 설명은 단지 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
또한 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소로 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에”와 “~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 스마트 보행 보조장치는, 보행자가 잡는 스마트 핸들에 생체신호를 측정할 수 있는 센서를 부착하여 보행자의 심장신호, 체온 및 혈액속의 산소포화도를 측정하여 무선통신부를 통하여 의료기관의 의료 서버 컴퓨터에 입력하여 처리함으로써 수시로 그리고 이동중에 보행자의 건강상태를 진단 및 관리할 수 있고, 간단한 조작으로 보행 보조장치를 보행자의 보행방향 및 원하는 진행속도로 구동할 수 있다.
또한 다수의 수직 프레임의 상부 및 하부를 횡방향으로 연결하는 상부 및 하부 수평프레임에 이중 힌지를 설치하여 전후 또는 좌우로 꺽어지도록 함으로써 경사면을 오르거나 내려가는 경우 및 측면으로 횡단하는 경우에도 다수의 수직 프레임은 수직상태를 유지하여 안정적으로 이동할 수 있고 상기 다수의 바퀴 중에서 후방 바퀴는 모터에 의해 구동되고 전방 바퀴에는 스마트 핸들에서 보행자의 진행방향 의지를 추정하여 좌우 또는 전후 방향으로 방향 조절이 가능하도록 조정할 수 있다.
도 1 은 종래의 기술에 따른 스마트 보행보조장치를 도시한 사시도,
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 보행 보조장치를 도시한 사시도,
도 3 은 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치를 제어하는 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도,
도 4a 는 본 발명에 의한 좌,우측 스마트 핸들에 설치되는 하중 센서를 나타내는 모식도,
도 4b 는 보행자의 보행 방향의지를 나타내기 위해 스마트 핸들에 설치된 압력 센서에 의해 감지된 방향벡터,
도 5a 및 도 5b 에 본 발명에 의한 보행 제어부에서 산출된 보상값에 따라 경사길을 종방향으로 주행하는 스마트 보행 보조장치의 레벨을 제어하는 동작을 나타내는 측면도가 도시되고,
도 6a 및 도 6b 에 본 발명에 의한 보행 제어부에서 산출된 보상값에 따라 경사길을 횡방향으로 주행하는 보행 보조장치의 레벨을 제어하는 동작을 나타내는 정면도,
도 7 은 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치의 스마트 핸들에 설치되는 산소포화도 센서의 일실시예,
도 8 은 본 발명에 의한 스마트 핸들에 설치되는 심전도에 의해 측정되는 P, QRS, T파이다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 보행 보조장치를 도시한 사시도,
도 3 은 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치를 제어하는 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도,
도 4a 는 본 발명에 의한 좌,우측 스마트 핸들에 설치되는 하중 센서를 나타내는 모식도,
도 4b 는 보행자의 보행 방향의지를 나타내기 위해 스마트 핸들에 설치된 압력 센서에 의해 감지된 방향벡터,
도 5a 및 도 5b 에 본 발명에 의한 보행 제어부에서 산출된 보상값에 따라 경사길을 종방향으로 주행하는 스마트 보행 보조장치의 레벨을 제어하는 동작을 나타내는 측면도가 도시되고,
도 6a 및 도 6b 에 본 발명에 의한 보행 제어부에서 산출된 보상값에 따라 경사길을 횡방향으로 주행하는 보행 보조장치의 레벨을 제어하는 동작을 나타내는 정면도,
도 7 은 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치의 스마트 핸들에 설치되는 산소포화도 센서의 일실시예,
도 8 은 본 발명에 의한 스마트 핸들에 설치되는 심전도에 의해 측정되는 P, QRS, T파이다.
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 스마트 보행 보조장치를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 에 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 보행 보조장치를 도시한 사시도가 도시된다.
본 발명에 따른 스마트 보행 보조장치(100)는, 전방과 후방에 각각 설치되는 4개의 바퀴(10)와; 상기 4개의 바퀴(10)를 각각 지지하기 위한 4개의 수직 프레임(21)과, 상기 4개의 수직 프레임(21)의 하단부를 횡방향으로 연결하는 하부 수평프레임(22)과, 상기 4개의 수직 프레임(21)의 상부를 횡방향으로 연결하는 상부 수평프레임(23)을 포함하는 본체 지지 프레임(20)과; 상기 4개의 수직 프레임(21)의 하부에 설치되어 좌우 또는 전후 레벨을 조정하는 공압 실린더, 솔레노이드 등으로 구성되는 레벨 조정 액튜에이터(30)와; 상기 후방에 설치되는 2 개의 후방 수직 프레임(21)의 상단에 설치되는 스마트 핸들(40)과; 상기 하부 수평프레임(22) 및 상부 수평프레임(23)들의 중간에 설치되어 전후 또는 좌우로 꺽어지는 다수의 이중 힌지(50)와; 상기 본체 지지 프레임(20) 또는 바퀴(10)의 일측 또는 내부에 구성되고 노면의 상태 및 수직 하중(지면 반발력)을 감지하는 하중 센서(61)와, 상기 스마트 핸들(40)에 설치되는 생체신호 센서(62) 및 상기 바퀴(10)의 가속도 및 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐을 감지하는 관성 센서(63)를 포함하여 구성되는 센서부(60)와; 상기 센서부(60)에서 입력되는 하중 데이터, 관성 데이터 및 변위 데이터를 입력받아서 처리하여 그 처리결과에 따라 상가 레벨 조정 액튜에이터(30)를 제어하여 상기 다수의 수직 프레임(21)의 전후, 좌우 레벨을 조정하는 보행 제어부(70)와; 상기 보행 제어부(70)의 제어를 받아 상기 다수의 후방바퀴(10)를 구동하는 구동모터(80)를 포함하여 구성된다.
여기서 도면 부호 중 바퀴(10), 수직프레임(21) 등은 다수의 동일한 요소를 대표하고, 다수의 요소 중 각각의 방향, 위치 등을 특정할 때는 a, b, c 등의 영문 소문자를 첨부하여 표시한다.
본 실시예의 바퀴(10)는 4개이며 직사각형의 4개의 꼭지점을 이루지만, 필요에 따라 5개, 6개 그 이상 포함하여 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 전방과 후방에 각각 2개씩 설치된다. 그리고 2개의 후방바퀴(10a, 10d)는 구동모터(80)가 설치되어 보행 제어부(70)에 의해 각각 별개로 구동될 수 있다.
본 실시예의 본체 지지 프레임(20)은 상기 4개의 바퀴(10)를 각각 지지하기 위한 4개의 수직 프레임(21)을 포함하며, 2개의 전방 바퀴(10)를 지지하는 2개의 전방 수직 프레임(21)은 후방 수직 프레임(21)에 비해 1/3 정도의 길이로 짧게 형성된다.
2개의 후방 수직 프레임(21a, 21d)의 상단부는 보행자가 손으로 잡고 의지할 수 있는 좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b)이 부착되며, 보행자로부터 전달되는 하중을 본체 지지 프레임(20) 전체에 전달한다.
4개의 수직 프레임(21a, 21b, 21c, 21d)의 하단부는 4개의 바퀴(10a, 10b, 10c, 10d)가 부착되고, 그 위에 수직 프레임(21a, 21b, 21c, 21d)의 하부를 횡방향으로 연결하는 하부 수평프레임(22a, 22b, 22c, 22d)이 부착되어 사각형을 형성한다. 하부 수평프레임(22)이 사각형의 4변에만 부착될 필요는 없고, 구조적인 강도를 향상시키기 위해 대각선으로도 부착될 수 있다.
상부 수평프레임((23a, 23b, 23c, 23d))이 상기 4개의 수직 프레임(21a, 21b, 21c, 21d)의 상부를 좌우 횡방향으로 연결하고, 전후방향으로는 후방은 높게 전방은 낮게 경사지도록 형성되지만, 필요에 따라 2개의 전방 수직프레임(21b, 21c)이 2개의 후방 수직프레임(21a, 21d)과 동일한 높이로 형성되는 경우에 전후방향으로도 동일한 높이로 형성될 수 있다.
레벨 조정 액튜에이터(30a, 30b, 30c, 30d)는 예를 들면, 공압 실린더, 유압 실린더, 솔레노이드 등으로 구성될 수 있으며, 상기 4개의 수직 프레임(21a, 21b, 21c, 21d)의 중간 또는 하부에 설치되고, 상기 제어부(70)의 제어를 받아서 신장 또는 수축되어 좌우 또는 전후 레벨을 조정한다.
스마트 핸들(40a, 40b)은 후방에 설치되는 2 개의 수직 프레임(21a, 21d)의 상단에 설치되고, 보행자의 손을 통해 가해지는 압력을 감지하기 위한 압력센서(41)와 보행자의 손을 통해 핏속의 산소 포화도를 통한 맥파신호, 체온, 심전도를 측정하는 생체신호 센서(62)를 포함한다.
관성 센서(63)는 스마트 보행 보조장치(100)의 바퀴(10a, 10b, 10c, 10d)에 설치되어 가속도, 속도, 방향 및 거리 등 다양한 항법 관련 정보를 센싱할 수 있으며 그 예로는 가속도센서 또는 자이로센서를 포함한다.
다수의 이중 힌지(50)가 상기 하부 수평프레임(22) 및 상부 수평프레임(23)들의 중간에 설치되어 전후 또는 좌우로 2단으로 꺽어짐으로써 경사면을 오르거나 내려가거나 또는 경사면을 좌측 또는 우측에 두고 횡으로 가로지르는 경우 상기 다수의 수직 지지프레임(21)이 수직을 유지하도록 하여 안정된 자세로 경사면을 종방향 또는 횡방향으로 가로지를 수 있게 한다.
본 실시예에서는 이중힌지(50)를 사용했지만, 필요에 따라 삼중, 사중, 등 그 이상의 갯수로 힌지를 사용하여 더욱 안정된 자세로 경사면 또는 복잡하게 굴곡진 노면을 종방향 또는 횡방향으로 가로지를 수 있다.
센서부(60)는 상기 본체 지지 프레임(20) 또는 4개의 바퀴(10a, 10b, 10c, 10d)의 일측 또는 내부에 구성되고 노면의 상태 및 수직 하중(지면 반발력)을 감지하는 하중센서로서 예를 들면, 로드셀, FSR(Force Sensitive Resistors) 센서로 구성되는 하중 센서(61)와, 상기 스마트 핸들(40)의 상단에 설치되어 보행자의 손을 통해 체온, 산소포화도 및 심전도 등을 측정하는 생체신호 센서(62) 및 상기 바퀴(10)의 가속도 및 상기 본체 지지 프레임(20)의 기울어짐을 감지하는 관성센서(63)를 포함하여 구성된다.
관성센서(63)는 스마트 보행 보조장치(100)의 가속도, 속도, 방향 및 거리 등 다양한 항법 관련 정보를 센싱할 수 있으며 그 예로는 가속도센서 또는 자이로센서를 포함한다.
보행 제어부(70)는 상기 센서부(60)에서 입력되는 하중 데이터, 관성 데이터 및 생체신호 데이터를 입력받아서 처리하여 그 처리결과에 따라 상기 레벨 조정 액튜에이터(30)와 구동모터(80)를 제어하여 스마트 보행 보조장치(100)의 전후, 좌우 레벨을 조정하고 전후, 좌우 방향으로 구동한다.
또한 체온, 산소포화도 및 심전도 등의 생체신호는 내장된 무선통신부(75)를 통해 의료기관의 의료서버에 전송되어 데이터베이스에 저장되고, 보행자의 건강상태를 진단하는데 사용된다.
구동모터(80)는 다수의 바퀴(10a, 10b, 10c, 10d) 중에서 2개의 후방 바퀴(10a, 10d)에 설치되어 보행 제어부(70)의 제어에 따라 정회전 및 역회전하여 스마트 보행 보조장치(100)를 전진 또는 후진시킨다. 본 실시예에서는 구동모터(80)가 2개의 후방 바퀴(10a, 10d)에 설치되지만, 모든 바퀴(10a, 10b, 10c, 10d)에 설치되어 보행 제어부(70)의 제어에 따라 구동될 수 있다.
도 3에 본 발명에 의한 보행 보조장치를 제어하는 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도가 도시되고, 도 4a에 본 발명에 의한 좌,우측 스마트 핸들에 설치되는 압력센서를 나타내는 모식도가 도시되고, 도 4b에 보행자의 보행 방향의지를 나타내기 위해 스마트 핸들에 설치된 압력 센서에 의해 감지된 방향벡터가 도시된다.
좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b)에 설치되는 압력센서(41)는 도 4a에 도시된 바와 같이 좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b)에 각각 2개씩 전,후로 설치되는 4개의 FSR(Force Sensitive Resistors) 센서, 로드셀 등에 의해 압력센서(41a, 41b, 41c, 41d)를 구성한다.
좌측 압력센서(41a, 41b)의 중간 P1에서 압력에 따라 좌측 전방 하중센서(41a)의 압력이 좌측 후방 압력센서(41b)의 압력보다 크면, 전방으로 향하는 방향벡터 P1이 발생하고, 그 반대이면 후방으로 향하는 방향벡터 P1이 발생한다.
마찬가지로 우측 압력센서(41c, 41d)의 중간에서 압력에 따라 우측 전방 하중센서(41c)의 압력이 우측 후방 압력센서(41d)의 압력보다 크면, 전방으로 향하는 방향벡터 P2가 발생하고, 그 반대이면 후방으로 향하는 방향벡터 P2가 발생한다.
좌,우측 방향벡터 P1, P2의 합과 차에 따라 보행방향 의지를 판단할 수 있으며, 도 4b에 도시된 바와 같이 좌,우측 방향벡터 P1, P2가 함께 전방인 경우 전진방향이고, 좌측 방향벡터 P1이 전방을 가리키고, 우측 방향벡터 P2가 후방을 가리키는 경우 우회전 방향이고, 좌측 방향벡터 P1이 후방을 가리키고, 우측 방향벡터 P2가 후방인 경우 좌회전 방향이고, 좌,우측 방향벡터 P1, P2가 함께 후방인 경우 후진방향으로 판단한다.
따라서 보행 제어부(70)는 좌측 압력센서(41a, 41b)와 우측 압력센서(41c, 41d)에서 입력되는 압력값에 의해 도 4b에 도시된 바와 같이 방향의지를 판단하여 후방바퀴(10)를 제어하고, 전방바퀴(10)에 장치된 조향장치를 제어하여 보행자의 보행을 보조하게 된다.
보행 제어부(70)는 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐을 감지하거나, 바퀴(10)에 설치된 하중센서(61)를 통해 수신되는 수직 하중의 변화를 감지한다. 또한, 상기 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐과 수직 하중의 변화를 모두 감지하여 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐 또는 수직 하중에 따른 상태 보정을 위한 연산 및 제어를 수행한다.
보행 제어부(70)는 센서부(60)의 하중센서(61) 및 다수의 바퀴(10)를 통해 수신되는 스마트 보행 보조장치(100)의 상태(기울어짐, 하중 등)정보를 획득하기 위해 센서부(60)의 신호를 수신하고, 상기 센싱 신호에 따라 스마트 보행 보조장치(100)의 상태를 감지한다. 보행 제어부(70)는 상기 감지된 상태에 따라 레벨 또는 자세를 보상하기 위한 보상값을 연산한다.
보행 제어부(70)는 센서부(60)에서 감지된 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐 및 노면의 상태에 따른 감지 신호에 기초하여 상기 기울어짐 각도를 0°에 수렴하기 위한 보상값을 산출하고, 연산된 보상값을 보상하기 위해 레벨 조정 액츄에이터(30)로 제어신호를 출력한다.
보행 제어부(70)의 메모리(71)는 상기 센서부(60)에서 입력되는 신호를 일시 또는 영구 저장하고, 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐 또는 노면의 상태에 따른 기울어짐 보상을 위한 보상값에 대한 정보를 저장한다.
보행 제어부(70)는 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐 정도를 보상한 값을 보상하기 위하여 제어신호를 각각의 바퀴(10)에 대응되는 레벨 조정 액츄에이터(30)로 출력한다.
하중센서(61)는 본체 지지 프레임(20) 또는 레벨 조정 액츄에이터(30) 및 바퀴(10)의 일측 또는 내부에 구성되고 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐 또는 노면의 상태 및 수직 하중(지면 반발력)을 감지한다.
상기 하중센서(61)는 스마트 보행 보조장치(100)의 기울어짐 또는 노면의 상태 및 하중을 감지하기 위한 예로 관성센서(63), 하중센서(61), 변위센서를 포함한다.
관성센서(63)는 보행 보조장치(10)의 가속도, 속도, 방향 및 거리 등 다양한 항법 관련 정보를 센싱할 수 있으며 그 예로는 가속도센서 또는 자이로센서를 포함한다.
하중센서(61)는 스마트 보행 보조장치(100)의 바퀴(10)를 통해 전달되는 지면 반발력을 측정할 수 있으며 그 예로는 로드셀, FSR(Force Sensing Resistor)을 포함한다.
도 5a 및 도 5b 에 본 발명에 의한 보행 제어부에서 산출된 보상값에 따라 경사길을 종방향으로 주행하는 스마트 보행 보조장치의 레벨을 제어하는 동작을 나타내는 측면도가 도시되고, 도 6a 및 도 6b 에 본 발명에 의한 보행 제어부에서 산출된 보상값에 따라 경사길을 횡방향으로 주행하는 보행 보조장치의 레벨을 제어하는 동작을 나타내는 정면도가 도시된다.
도 5a 또는 도 5b 에 도시된 바와 같이 내리막 노면이나 오르막 노면을 통과 시에 스마트 보행 보조장치(100)의 높이를 상하로 조절하는 경우 보행 제어부(70)에서 높이 조절 값에 따라 4개의 레벨 조정 액츄에이터(30a, 30b, 30c, 30d)의 각각 늘어나는 길이 또는 줄어드는 길이를 조정하기 위한 값을 산출하고 상기 산출한 조정값에 의해 4개의 레벨 조정 액츄에이터(30a, 30b, 30c, 30d)를 각각 조정할 수 있다.
한편 도 5b 에 도시된 바와 같이 오르막 노면에서 2개의 후방바퀴(10a, 10d)에 부착된 구동모터(80)를 구동하여 스마트 보행 보조장치(100)가 구동모터(80)의 힘에 의해 오르막 노면을 오르도록 함으로써 보행자는 스마트 보행 보조장치(100)에 의한 부하를 받음이 없이 또는 스마트 보행 보조장치(100)의 끄는 힘에 도움을 받아 오르막길을 용이하게 오를 수 있다.
도 6a와 도 6b 에 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치가 좌측이 높고 우측이 낮은 또는 그 반대인 경사면을 지나가는 상태를 나타내는 정면도가 각각 도시된다.
본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치(100)는 도 6a에 도시된 바와 같이 좌측이 높고 우측이 낮은 경사면을 통과 시에 스마트 보행 보조장치(100)의 좌측의 높이를 높이고 우측의 높이를 낮추는 경우 보행 제어부(70)에서 높이 조절 값에 따라 4개의 레벨 조정 액츄에이터(30a, 30b, 30c, 30d)의 각각 늘어나는 길이를 조정하기 위한 값을 산출하고 상기 산출한 조정값에 의해 좌측 수직지지대(21a, 21b)에 설치된 2개의 레벨 조정 액츄에이터(30a, 30b)를 축소시켜 좌측 수직지지대(21a, 21b)의 높이를 낮추고, 우측 수직지지대(21c, 21d)에 설치된 2개의 레벨 조정 액츄에이터(30)를 신장시켜 우측 수직지지대(21c, 21d)의 높이를 높이도록 조정할 수 있다.
이때 상,하부 수평프레임(23, 22)에 장치된 이중 힌지(50)는 각각 꺽어져서 상,하부 수평프레임(23, 22)이 각각 좌측이 높고 우측이 낮은 상태가 되게 한다.
이와 같이 보행 제어부(70)에서 좌,우측 수직지지대(21a, 21b, 21c, 21d)의 높이를 좌측이 높고 우측이 낮은 경사면에 맞추어 조정함으로써 스마트 보행 보조장치(100)의 무게 중심이 경사면 아래로 기울지 않고 원래의 무게중심을 유지한 상태에서 경사면을 안정적으로 지나갈 수 있게 된다.
여기서 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치(100)가 좌측이 낮고 우측이 높은 경사면을 지나갈 때 앞서 설명한 경우의 반대로 보행 제어부(70)에 의해 레벨 조정 액츄에이터(30)가 제어되기 때문에 설명을 생략한다.
좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b)에 산소포화도 센서(62a), 체온센서(62b) 및 심전도(ECG:Electrocardiogram) 센서(62c)로 구성되는 생체신호 센서(62)를 부착하여 보행자의 생체신호를 측정하여 보행 제어부(70)에 입력한다.
적색광 영역(650-750 nm)과 적외선광 영역(850-1000 nm)의 두 신호를 신체의 일부(예를 들면, 손가락 끝 부분 등)에 빛을 투과시켜 흡수된 광의 차이를 나타내는 측정된 신호로부터 산소 포화도를 측정하게 된다.
도 7에 본 발명에 의한 스마트 보행 보조장치의 스마트 핸들에 설치되는 산소포화도 센서의 일실시예가 도시된다.
손가락(110)이 삽입될 수 있는 원통형 케이스(621)가 좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b) 중 어느 하나에 설치되고, 상기 원통형 케이스(621)의 내부에 적색광 발광부(622)와 적외선 발광부(623)가 설치되고, 그 맞은편에 상기 적색광 발광부(622)와 적외선 발광부(623)에서 발생하는 빛을 수광하는 수광부(624)가 설치된다.
산소포화도 센서(62a)는 적혈구의 산소 헤모글로빈(HbO2)과 순수 헤모글로빈(Hb)이 각각 빛을 흡수하는 흡수계수의 차이를 이용하여 측정하며, 적색광 영역(650-750 nm)의 파장을 발생시키는 적색광 발광부(622)와 적외선광 영역(850-1000 nm)의 파장을 발생시키는 적외선 발광부(622)가 손가락(110) 끝의 손톱부분에 적색광과 적외선광을 비추도록 설치되고, 그 맞은 편에 손가락(110)을 통과한 적생광과 적외선광의 세기를 측정하는 수광부(624)가 설치된다.
손가락(110) 끝 부분에 적색광 발광부(622)와 적외선 발광부(623)에서 발생하는 적색광 및 적외선광을 투과시켜 나타나는 산소 헤모글로빈(HbO2)과 순수 헤모글로빈(Hb)의 흡수 특성의 차이로부터 발생하는 적색광 및 적외선의 세기를 측정하여 보행 제어부(70)에 입력하여 산소 포화도를 측정하게 되고, 측정시 나타나는 맥파(PPG:Phptoplethysmography) 신호는 심장박동의 주기를 갖고 있으며, 혈압 측정할 때 나타나는 신호와 유사한 형태의 파형을 나타낸다.
이렇게 산소포화도 센서(62a)에 의해 측정된 맥파(PPG) 신호는 보행 제어부(70)에 입력되어 무선통신부(75)를 통해 의료서버에 전송되고 데이터베이스에 저장되어 전문 의료기관에서 분석됨으로써 스트레스 측정, 심장상태, 고혈압 동맥경화 등을 수시 또는 정기적으로 진단하게 된다.
체온계(62b)는 적외선 체온계를 사용하며 좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b) 중어느 하나에 설치되어 손바닥의 피부에서 발생하는 적외선을 이용하여 체온을 측정하고 측정된 체온은 보행 제어부(70)에 입력되어 무선통신부(75)를 통해 의료서버에 전송되어 전문 의료기관에서 분석되어 보행자의 건강상태를 진단하는데 사용된다.
심전도(ECG:Electrocardiogram) 센서(62c)는 좌,우측 스마트 핸들(40a, 40b)에 전극을 부착하여 전극에 발생하는 전압의 변화에 의해 심장의 활동전류가 측정되어 도 8에 도시된 바와 같이 P, QRS, T파를 측정한다.
상기 측정된 P, QRS, T파는 보행 제어부(70)에 입력되어 무선통신부(75)를 통해 의료서버에 전송되어 전문 의료기관에서 분석되어 스트레스 측정, 심장상태, 고혈압 동맥경화 등을 진단하는데 사용된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이행할 수 있을 것이다.
10: 바퀴 20: 본체 지지 프레임
21: 수직 프레임 22: 하부 수평프레임
23: 상부 수평프레임 30: 레벨 조정 액튜에이터
40: 스마트 핸들 41: 압력센서
50: 이중힌지 60: 센서부
61: 하중 센서 62: 생체신호 센서
63: 관성센서 70: 보행 제어부
80: 구동모터
100: 스마트 보행 보조장치 110: 손가락
21: 수직 프레임 22: 하부 수평프레임
23: 상부 수평프레임 30: 레벨 조정 액튜에이터
40: 스마트 핸들 41: 압력센서
50: 이중힌지 60: 센서부
61: 하중 센서 62: 생체신호 센서
63: 관성센서 70: 보행 제어부
80: 구동모터
100: 스마트 보행 보조장치 110: 손가락
Claims (10)
- 전방과 후방에 각각 설치되는 다수의 바퀴와;
상기 다수의 바퀴를 각각 지지하기 위한 다수의 수직 프레임과, 상기 다수의 수직 프레임의 하부 및 상부를 횡방향으로 연결하는 상,하부 수평프레임을 포함하는 본체 지지 프레임과;
상기 다수의 수직 프레임의 하부에 설치되어 좌우 또는 전후 레벨을 조정하는 레벨 조정 액튜에이터와;
상기 다수의 후방 수직 프레임의 상단에 설치되는 스마트 핸들과;
상기 하부 수평프레임 및 상부 수평프레임들의 중간에 설치되어 전후 또는 좌우로 꺽어지는 다수의 이중 힌지와;
노면의 상태 및 수직 하중을 감지하는 하중 센서와, 상기 스마트 핸들에 설치되는 생체신호 센서 및 상기 바퀴의 가속도 및 스마트 보행 보조장치의 기울어짐을 감지하는 관성 센서를 포함하는 센서부와;
상기 센서부에서 입력되는 하중 데이터, 관성 데이터 및 변위 데이터를 입력받아서 처리하여 그 처리결과에 따라 상기 레벨 조정 액튜에이터를 제어하여 상기 다수의 수직 프레임의 전후, 좌우 레벨을 조정하는 보행 제어부와;
상기 보행 제어부의 제어를 받아 상기 다수의 후방바퀴를 구동하는 구동모터를 포함하며,
상기 보행 제어부는 내리막 노면이나 오르막 노면을 통과 시에 상기 다수의 바퀴에 설치되는 하중센서 및 관성센서에서 측정되는 신호를 수신하여 전,후방 수직 프레임의 높이 조절 값을 산출하고, 상기 산출된 높이 조절 값에 따라 상기 다수의 레벨 조정 액츄에이터를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레벨 조정 액튜에이터는 공압 실린더, 유압 실린더, 솔레노이드로 구성되며, 상기 다수의 수직 프레임의 중간 또는 하부에 설치되고, 상기 제어부의 제어를 받아서 신장 또는 수축되어 좌우 또는 전후 레벨을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 스마트 핸들은 보행자의 손을 통해 가해지는 압력을 감지하기 위한 압력센서와 보행자의 손을 통해 핏속의 산소 포화도를 통한 맥파신호, 체온, 심전도를 측정하는 생체신호 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 생체신호 센서에서 측정되는 체온, 산소포화도 및 심전도의 생체신호는 보행 제어부에 내장된 무선통신부를 통해 의료기관의 의료서버에 전송되어 데이터베이스에 저장되고, 보행자의 건강상태를 진단하는데 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 압력센서는 좌,우측 스마트 핸들에 각각 2개씩 전,후로 설치되는 4개의 FSR(Force Sensitive Resistors) 센서 또는 로드셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 압력센서는 좌,우측 스마트 핸들에 각각 2개씩 전,후로 설치되고, 전,후로 설치되는 압력센서의 중간에서 압력의 크기에 따라 좌,우측 방향벡터 P1, P2를 설정하고, 좌,우측 방향벡터 P1, P2의 합과 차에 따라 보행방향 의지를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 보행 제어부는 상기 좌,우측 방향벡터 P1, P2가 함께 전방인 경우 전진방향으로 판단하고, 좌측 방향벡터 P1이 전방을 가리키고, 우측 방향벡터 P2가 후방을 가리키는 경우 우회전 방향으로 판단하고, 좌측 방향벡터 P1이 후방을 가리키고, 우측 방향벡터 P2가 후방인 경우 좌회전 방향으로 판단하고, 좌,우측 방향벡터 P1, P2가 함께 후방인 경우 후진방향으로 판단하여 후방바퀴에 부착된 구동모터를 제어하고, 전방바퀴에 장치된 조향장치를 제어하여 보행자의 보행을 보조하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 생체신호 센서는 보행자의 손가락이 삽입될 수 있는 원통형 케이스가 좌,우측 스마트 핸들 중 어느 하나에 설치되고, 상기 원통형 케이스의 내부에 적색광 발광부와 적외선 발광부가 설치되고, 그 맞은편에 상기 적색광 발광부와 적외선 발광부에서 발생하는 빛을 수광하는 수광부가 설치된 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 적색광 발광부는 650-750 nm의 파장에 해당하는 적색광을 발생시키고, 상기 적외선 발광부는 850-1000 nm의 파장에 해당하는 적외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 스마트 보행 보조장치.
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