KR101731351B1 - 제어 센서 시스템 - Google Patents

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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 제어 센서 시스템에 관한 것으로서, 본 발명은 사용자가 팔을 얹어놓도록 구성된 상판 프레임; 상기 상판 프레임의 하부에 위치하는 하판 프레임;과 상기 상판 프레임과 상기 하판 프레임 사이에 구비되는 복수의 탄성 지지부들과 변위 측정부들로 구성된 제어 센서 시스템에서, 상기 탄성 지지부는, 상기 하판 프레임의 상단 일면에 고정되고, 상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되어, 상기 상판 프레임의 위치를 유지시키도록 구성되고, 상기 상판 프레임과 연결된 탄성체부를 포함하여, 상기 탄성체부의 탄성력을 이용하여 상기 상판 프레임에 이동성을 부여하도록 구성되고, 상기 변위 측정부는, 상기 상판 프레임의 변위를 측정하도록 구성된 제어 센서 시스템을 제공한다. 따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템에 의하며, 사용자의 힘/모멘트에 의한 상판 프레임의 이동이 탄성 지지부 내의 탄성 변형에 의해서만 발생하므로, 기존의 압축 센서를 사용한 시스템과 달리 물리적 접촉을 배제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템은, 마찰이 발생하지 않아, 미소의 힘/모멘트도 측정할 수 있어, 사용자 조작 의도를 정확하고 효율적으로 파악할 수 있다.

Description

제어 센서 시스템{CONTROL SENSOR SYSTEM}
본 발명은 노약자 또는 장애인의 걷기, 앉기, 서기 등과 같은 일상 활동들을 지원하고 근력을 보조하기 위한 보행 보조 시스템을 제어하기 위한 제어 센서 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄성체와 변위 측정 센서로 구성되어, 사용자의 보행 보조 시스템 조작 의도를 효율적으로 파악할 수 있도록 구성된, 제어 센서 시스템에 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 접어들었으며, 한국과 미국도 빠른 속도로 고령화되어 가고 있다. 고령화 시대에 따라, 뇌졸중, 신체마비 그리고 장애인 또한 증가 추세에 있으며, 근력이 부족하여 거동이 불편한 노약자가 급속하게 증가하고 있다.
이에 따라, 노약자 또는 장애인의 걷기, 앉기, 서기 등의 일상 생활을 지원하고, 이들의 근력을 보조하기 위한 보행 보조 시스템이 개발되어 이용되고 있다. 일반적인 보행 보조 시스템은 바퀴, 구동부, 핸들 등으로 구성되어, 사용자가 핸들을 잡고 밀면서, 원하는 방향으로 걸어가는 형태로 동작한다.
여기서 진일보한 보행 보조 시스템으로는, 전동 모터 등에 의해 구동 및 조향이 이뤄지는 모바일 로봇 형태로 구성된 보행 보조 시스템이 이용되고 있다. 이 경우, 사용자는 보행 보조 시스템을 원하는 방향 및 속도로 이동시키기 위해, 보행 보조 시스템에 일정한 조작하게 된다.
따라서, 보행 보조 시스템은 사용자가 보행 보조 시스템을 조작하려는 의도, 즉 사용자의 조작 의도를 파악하여야 한다. 또한, 보행 보조 시스템은 사용자의 조작 의도에 순응하여, 시스템이 구동하도록 구성되어야 하는데, 보행 보조 시스템의 특성상, 사용자의 세밀한 조작을 직관적으로 파악할 수 있는 시스템이 필요하게 된다.
이에 따라, 사용자의 조작 의도를 직관적으로 파악하여, 보행 보조 시스템을 효율적으로 제어할 수 있는 제어 시스템이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 보행 보조 시스템을 효율적으로 제어하기 위하여, 사용자의 조작 의도를 직관적으로 파악할 수 있는 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서, 본 발명은 사용자가 팔을 얹어놓도록 구성된 상판 프레임; 상기 상판 프레임의 하부에 위치하는 하판 프레임;과 상기 상판 프레임과 상기 하판 프레임 사이에 구비되는 복수의 탄성 지지부들과 변위 측정부들로 구성된 제어 센서 시스템에서, 상기 탄성 지지부는, 상기 하판 프레임의 상단 일면에 고정되고, 상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되어, 상기 상판 프레임의 위치를 유지시키도록 구성되고, 상기 상판 프레임과 연결된 탄성체부를 포함하여, 상기 탄성체부의 탄성력을 이용하여 상기 상판 프레임에 이동성을 부여하도록 구성되고, 상기 변위 측정부는, 상기 상판 프레임의 변위를 측정하도록 구성된 제어 센서 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 탄성 지지부는, 상기 하판 프레임의 상단 일면에 고정되고, 상기 탄성체부의 상단을 고정시키도록 구성된 하판 고정 프레임; 상기 탄성체부의 하단 일면에 부착된 수평 프레임으로 구성된 이동 프레임;과 상기 상판 프레임과 상기 이동 프레임을 연결하는 프레임으로 구성된 상판 지지부를 더 포함하는 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 변위 측정부는, 상단은 상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되고, 하단은 상기 하판 프레임의 상단 일면에 부착되어 연결된 변위 센서로 구성된 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 변위 측정부는, 상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되는 상부 변위 측정부와, 상기 하판 프레임의 상단 일면에 부착되는 하부 변위 측정부을 포함하며, 상부 변위 측정부와 하부 변위 측정부의 통신을 통해, 상기 상판 프레임의 변위를 측정하도록 구성된 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 변위 측정부는, Capacitive Gap 센서 또는 IR(InfraRed) 거리 센서로 구성된 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 변위 측정부는, 상기 측정된 상판 프레임의 변위를 변위 신호로 변환하도록 구성된 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 변위 측정부의 상기 변위 신호를 분석하여, 상기 상판 프레임에 입력된 상기 사용자의 힘/모멘트를 측정하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 제어 시스템은, 상기 측정된 사용자의 힘/모멘트를 이용하여, 상기 사용자의 조작 의도를 파악하도록 구성된 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 제어 시스템은, 상기 사용자의 힘/모멘트에 관한 정보를 저장하도록 구성된 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 복수의 탄성 지지부들은, 상기 상판 프레임 또는 상기 하판 프레임의 모서리 부분에 각각 위치하는 실시예를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 복수의 변위 측정부들은, 상기 복수의 탄성 지지부들의 사이에 각각 위치하는 실시예를 포함한다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속함을 밝혀둔다.
상기와 같은 구성을 통하여, 본 발명의 제어 센서 시스템은, 사용자의 힘/모멘트에 의한 상판 프레임의 이동이 탄성 지지부 내의 탄성 변형에 의해서만 발생하므로, 기존의 압축 센서를 사용한 시스템과 달리 물리적 접촉을 배제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템은, 마찰이 발생하지 않아, 미소의 힘/모멘트도 측정할 수 있어, 사용자 조작 의도를 정확하고 효율적으로 파악할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제어 센서 시스템은 탄성 지지부에서 사용자의 무게 또는 화물 등에 의해서 발생되는 Z축 방향(아래 방향)의 힘/모멘트가 압축력으로 작용하지 않고, 인장력으로 작용하는 구조로 이루어져 있어, 이에 따르는 좌굴 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제어 센서 시스템은, 사용자의 힘/모멘트를, X축, Y축, Z축 각 방향으로, 독립적으로 측정할 수 있어, 사용자 조작 의도를 정확하고 효율적으로 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 제어 센서 시스템은 범용적으로 사용되는 거리 센서를 이용하므로, 적은 비용으로 제어 센서 시스템을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 시스템을 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 제어 장치인 제어 센서 시스템을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄성 지지부의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변위 측정부를 포함한 제어 센서 시스템의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상판 프레임이 우측 방향으로 이동한 경우의 제어 센서 시스템의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상판 프레임이 좌측 방향으로 이동한 경우의 제어 센서 시스템의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상판 프레임이 Z축 방향으로 이동한 경우의 제어 센서 시스템의 측면도이다.
도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변위 측정부를 포함한 제어 센서 시스템의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어 센서 시스템이 사용자의 조작 의도를 파악하는 방법에 대한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 이하 설명에서 동일한 구성 요소에는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 시스템(1)을 도시한 측면도이다.
도 1은 사용자의 안정적이고 효율적인 보행을 지원하는 보행 보조 시스템(1)으로, 본 발명의 보행 보조 시스템(1)은 조작부(100), 기구부(200), 구동부(300)을 포함하여 구성된다.
우선, 조작부(100)는 사용자가 보행 보조 시스템(1)의 이동 방향 또는 속도 등을 조작할 수 있도록 구성된다. 또한, 조작부(100)는 사용자가 보행 보조 시스템(1)에 기대어 자세를 유지 및 이동할 수 있도록 구성된다. 본 발명의 조작부(100)는 제어 센서 시스템(110)과 핸들부(120)를 구비하여 구성될 수 있다.
우선, 제어 센서 시스템(110)은 보행 보조 시스템(1)의 최상부에 위치하여, 사용자의 팔을 걸칠 수 있도록 하는 지지대로 구성된다. 도면에서 보는 바와 같이, 사용자의 팔을 자연스럽게 걸칠 수 있도록 하는 "U" 형태의 지지대로 구성될 수 있다. 제어 센서 시스템(110)의 형태는 사용자의 몸을 자연스럽게 지지할 수 있는 여러 형태로 구현할 수 있음은 자명하다.
또한, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은 사용자가 제어 센서 시스템(110)에 가하는 힘/모멘트를 측정 및 판단하여, 사용자의 조작 의지를 파악도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 보행 보조 시스템(1)은 제어 센서 시스템(110)에서 파악된 사용자의 조작 의지에 따라, 구동되는 것이다.
따라서, 제어 센서 시스템(110)은 사용자가 입력하는 힘/모멘트를 측정할 수 있는 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 사용자의 힘/모멘트를 측정할 수 있는 센서로는 압축 센서, 가속도 센서 등이 있겠으나, 본 발명은, 변위 센서를 이용하여, 사용자의 힘/모멘트를 측정하도록 구성된 제어 센서 시스템(110)에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 제어 센서 시스템(110)에 대한 자세한 설명은 도 2 이하에서 후술하도록 한다.
핸들부(120)는 제어 센서 시스템(110)의 전면 일측에 부착되어, 사용자가 손으로 잡을 수 있도록 구성된다. 사용자의 양손으로 보행 보조 시스템(1)을 구속하기 위하여, 도면과 같이, 2개의 원형 프레임으로 구성된 핸들부(120)가 제어 센서 시스템(110)에 부착되도록 구성할 수 있다.
사용자는 핸들부(120) 또는 제어 센서 시스템(110)을 조작하여, 보행 보조 시스템(1)의 이동 방향을 조정할 수 있다. 일례로, 사용자는 핸들부(120)를 조정하여 보행 보조 시스템(1)의 이동 방향을 바꿀 수 있으며, 제어 센서 시스템(110)에 힘을 가하여 보행 보조 시스템(1)의 이동 방향 또는 속도 등을 조정할 수도 있다. 또한, 사용자는 핸들부(120) 또는 제어 센서 시스템(110)을 통해 보행 보조 시스템(1)에 몸을 지지할 수 있게 된다.
기구부(200)는 조작부(100)와 구동부(300)를 연결하여, 보행 보조 시스템(1)을 지지하는 메인 몸체 부분으로, 본 발명의 기구부(200)는 메인 연결 프레임(210), 구동부 연결 프레임(220), 기구부 연결 프레임(230), 전면 받침부(240)를 포함하여 구성된다.
메인 연결 프레임(210)은 조작부(100)의 제어 센서 시스템(110)에 수직으로 연결되는 복수 개의 프레임으로 구성되어, 제어 센서 시스템(110)과 구동부(300)의 바퀴 받침부(310)를 연결하고 고정하는 역할을 한다.
또한, 메인 연결 프레임(210)은 조작부(100)와 체결되는 상부 메인 연결 프레임(211)과 구동부와 체결되는 하부 메인 연결 프레임(212)으로 구성될 수 있다.
상부 메인 연결 프레임(211)과 하부 메인 연결 프레임(212)는 슬라이딩 방식으로 연결되어, 상부 메인 연결 프레임(211)과 하부 메인 연결 프레임(212)의 연결 상태에 따라, 메인 연결 프레임(210)의 길이를 조절할 수 있게 구성된다.
따라서, 본 발명의 보행 보조 시스템(1)에 의하며, 사용자는 메인 연결 프레임(210)의 길이를 조절하여, 사용자의 키에 맞춰 보행 보조 시스템(1)의 높이를 조절할 수 있게 된다.
구동부 연결 프레임(220)은 메인 연결 프레임(210)에 수직으로 연결되는 복수 개의 프레임으로 구성되어, 하부 메인 연결 프레임(212)와 구동부(300)의 바퀴 받침부(310)를 고정하는 역할을 한다.
도면에서 보는 바와 같이, 구동부 연결 프레임(220)은 "ㄱ"자의 상부 구동부 연결 프레임(221)과 "ㄴ"자의 하부 구동부 연결 프레임(222)으로 구분되어 구성될 수 있다. 여기서, 상부 구동부 연결 프레임(221)은 기구부 연결 프레임(230)을 통해 메인 연결 프레임(210)에 구속되며, 하부 구동부 연결 프레임(222)은 바퀴 받침부(310)과 함께 메인 연결 프레임(210)에 구속된다.
관련하여, 바퀴 받침부(310)는 구동부 연결 프레임(220)에 고정되어 체결되나, 메인 연결 프레임(210)은 구동부 연결 프레임(220)에 따라 지면과 수평하게 이동 가능하도록, 구동부 연결 프레임(220)에 체결될 수 있다.
이 경우, 하부 메인 연결 프레임(212)과 구동부 연결 프레임(220)에 상호 연결되도록 구성되는, 기구부 연결 프레임(230)에 의해, 보행 보조 시스템(1)과 사용자 사이의 거리를 조절할 수 있게 된다. 즉, 기구부 연결 프레임(230)은, 메인 연결 프레임(100)과 같이, 길이 조절이 가능하도록 구성되어, 기구부 연결 프레임(230)의 길이에 의해, 구동부(300)와 사용자 사이의 거리가 조절되는 것이다.
전면 받침부(240)는 구동부 연결 프레임(220)의 전면부에 위치하여, 복수 개의 구동부 연결 프레임(220)이 상호 연결되도록, 구동부 연결 프레임(220) 사이에 고정되어 구비된다. 즉, 전면 받침부(240)는 구동부 연결 프레임(220)들이 인위적으로 외측으로 벌어지지 않도록, 구동부 연결 프레임(220)들을 연결하는 것이다.
일례로, 전면 받침부(240)는 안장시트로 구성될 수 있다. 이 경우, 보행 중에 휴식을 취하고자 할 때 사용자가 앉을 수 있는 자리를 제공하도록, 전면 받침부(240)는 사용자 내측으로 젖혀지도록 구성될 수 있을 것이다.
구동부(300)는 보행 보조 시스템(1)의 이동을 담당하며, 구동부(300)는 바퀴 받침부(310), 바퀴부(320), 록킹부(330)를 구비한다.
바퀴 받침부(310)는 메인 연결 프레임(210)과 구동부 연결 프레임(220)에 고정되는 복수의 프레임으로 구성된다. 바퀴 받침부(310)의 프레임 일측에는 바퀴가 부착되도록 구성된다.
보행 보조 시스템(1)의 안정적인 이동을 위하여, 바퀴 받침부(310)는 4개의 프레임으로 구비하여, 2개 프레임은 구동부(300)의 전면을 향해 기울어진 2개의 프레임과 구동부(300)의 후면을 향해 기울어진 2개의 프레임으로 구성될 수 있다.
바퀴부(320)는 보행 보조 시스템(1)을 이동시키는 바퀴로 구성되어, 바퀴 받침부(310)의 일측에 부착된다. 보행 보조 시스템(1)의 안정적인 보행을 위하여, 바퀴부(320)는 바퀴 받침부(310)의 구성과 마찬가지로, 4개의 바퀴로 구성될 수 있다.
이 경우, 구동부(300) 전면에는 모터와 일체화된 형태(In-Wheel Motor)의 바퀴 2개가 구비되고, 구동부(300) 후면에는 일정 각도 내에서 전방향 구동한 형태(Omni-wheel)의 바퀴 2개가 구비되어, 사용자가 보행 보조 시스템(1)의 구동과 제어를 동시에 가능하게 하여, 사용자의 이동 효율성을 극대화할 수 있다.
록킹부(330)는 바퀴부(320)에 부착되어, 바퀴를 움직이지 못하도록 고정시키는 역할을 담당한다. 록킹부(330)는 모든 바퀴부(320)에 부착될 수 있으나, 구동부 (300)의 전면 바퀴부(320) 또는 후면 바퀴부(320) 한쪽에만 부착될 수 있다.
이하에서는, 전술한 보행 보조 시스템(1)에 대한 사용자의 조작 의도를 파악하여, 보행 보조 시스템(1)을 제어할 수 있도록 구성된, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 시스템(1)의 제어 장치인 제어 센서 시스템(110)을 도시한 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은 상부에 위치하여 사용자가 팔을 얹어놓도록 구성된 상판 프레임(20), 하부에 위치하여 기구부(200)와 연결되도록 구성된 하판 프레임(30)과, 상판 프레임(20)과 하판 프레임(30) 사이에 위치하는 복수의 탄성 지지부(10)들과 탄성 지지부(10)들 사이에 위치하는 복수의 변위 측정부(40)들로 구성된다.
상판 프레임(20)과 하판 프레임(30)은 동일한 형태의 프레임으로 구성될 수 있으며, 상판 프레임(20)과 하판 프레임(30)은, 전술한 바와 같이, 사용자의 팔을 자연스럽게 걸칠 수 있도록 하는 가운데가 넓은 "U" 형태의 지지대로 구성될 수 있다.
상판 프레임(20)은 사용자의 힘/모멘트를 입력받는 프레임이며, 하판 프레임(30)은 기구부(200)의 상단에 부착되어, 상판 프레임(20)에 입력되는 사용자의 힘/모멘트를 측정하는 기준이 된다.
따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은 상판 프레임(20)에 가해지는 사용자의 힘/모멘트를 측정 및 판단하여, 사용자의 조작 의지를 파악하도록 구성된 센서 시스템이다.
즉, 사용자는, 보행 보조 시스템(1)의 구동을 조작하기 위해, 제어 센서 시스템(110)의 상판 프레임(20)에 힘/모멘트를 가하게 된다. 그리고, 본 발명의 제어 센서 시스템(11)은 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트를 측정 및 판단하여, 사용자의 조작 의지를 파악하게 되는 것이다.
탄성 지지부(10)는 하판 프레임(30)의 상단 일면에 고정되고, 상판 프레임(20)의 하단 일면에 부착되어, 상판 프레임(20)의 위치 및 자세를 유지시키도록 구성된다.
탄성 지지부(10)는 상판 프레임(20)과 연결된 탄성체를 포함하여, 상판 프레임(20)에 이동성을 부여하고, 상판 프레임(20)의 이동을 제어할 수 있다. 상판 프레임(20)에 사용자의 힘/모멘트가 가해지면, 본 발명의 상판 프레임(20)은, 탄성 지지부(10)의 탄성력을 통해, 이동하도록 구성되는 것이다.
도면에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)에는 4개의 탄성 지지부(10)가 상판 프레임(20)과 하판 프레임(30)의 모서리 부분에 각각 부착될 수 있다. 그러나, 이는 제어 센서 시스템(110)이 사용자의 힘/모멘트를 효율적으로 측정하기 위함이며, 본 발명에 의한 탄성 지지부(10)의 개수와 위치는 도면에 의해 제한되지 않음을 밝혀둔다.
본 발명의 탄성 지지부(10)의 구성과 역할에 대하여는, 도 3에서 자세히 후술하도록 한다.
변위 측정부(40)는 상판 프레임(20)의 변위를 검출한다. 전술한 바와 같이, 사용자의 힘/모멘트에 의해, 상판 프레임(20)은 일정 방향과 거리만큼 이동하게 된다. 본 발명의 변위 측정부(40)는 이때 발생한 상판 프레임(20)의 변위를 검출하는 것이다.
일례로, 사용자가 상판 프레임(20)의 앞쪽에 힘/모멘트를 가하면, 상판 프레임(20)이 앞으로 이동하게 된다. 이때, 변위 측정부(40)는 상판 프레임(20)의 이동 방향과 거리 즉, 변위를 검출하여, 사용자가 보행 보조 시스템(1)을 전진시키려는 조작 의도를 판단하는 것이다. 그리고, 사용자가 상판 프레임(20)의 좌측에 힘/모멘트를 가하면, 상판 프레임(20)이 좌측으로 이동하게 된다. 이때, 변위 측정부(40)는 상판 프레임(20)의 변위를 검출하여, 사용자가 보행 보조 시스템(1)을 좌측으로 이동시키려는 조작 의도를 판단하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은, 변위 측정부(40)를 통해, 사용자의 힘/모멘트에 의해 이동한 상판 프레임(20)의 변위를 검출하여, 사용자의 조작 의도를 파악하는 시스템이다.
관련하여, 본 발명의 변위 측정부(40)는 사용자가 상판 프레임(20)에 가하는 힘/모멘트를 3축의 방향으로 측정할 수 있다. 즉, 사용자의 힘/모멘트에 의해 이동된 상판 프레임(20)의 변위를, 지면을 기준으로, X축, Y축, Z축의 3축의 방향으로 측정하는 것이다. 따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은 사용자의 3축의 힘/모멘트를 측정 및 판단하여, 사용자의 조작 의도를 파악하고, 보행 보조 시스템(1)을 구동시킬 수 있다.
도면에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)에는 3개의 변위 측정부(40)가 탄성 지지부(10)들 사이에 각각 위치할 수 있다. 그러나, 이는 제어 센서 시스템(110)이 사용자의 힘/모멘트를 효율적으로 측정하기 위함이며, 본 발명에 의한 변위 측정부(40)의 개수와 위치는 도면에 의해 제한되지 않음을 밝혀둔다.
또한, 변위 측정부(40)는 상부와 하부가 서로 물리적으로 분리되어 있어, 각각 상대 운동이 발생할 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
본 발명의 변위 측정부(40)의 구성과 역할에 대하여는, 도 4에서 자세히 후술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄성 지지부(10)의 측면도이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 탄성 지지부(10)는 하판 프레임(30)의 상단 일면에 고정되고, 상판 프레임(20)의 하단 일면에 부착되어, 상판 프레임(20)에 이동성을 부여한다. 따라서, 상판 프레임(20)에 사용자의 힘/모멘트가 가해지면, 본 발명의 탄성 지지부(10)는 사용자의 힘/모멘트에 따라, 상판 프레임(20)을 이동시킨다.
본 발명의 탄성 지지부(10)는 하판 고정 프레임(11), 탄성체부(13), 이동 프레임(15), 상판 지지부(17)으로 구성된다.
하판 고정 프레임(11)은 하판 프레임(30)의 상단 일면에 부착, 고정되어, 탄성체부(13), 이동 프레임(15), 상판 지지부(17)를 지지하는 역할을 한다.
그리고, 하판 고정 프레임(11)은 탄성체부(13)와 이동 프레임(15)이 움직일 수 있는 공간을 제공하는 프레임으로 구성된다. 즉, 본 발명의 하판 고정 프레임(11)은, 사용자의 힘/모멘트에 의해 움직이게 되는 탄성체부(13)와 이동 프레임(15)을 하판 고정 프레임(11)의 상단 일면에 고정시키고, 탄성체부(13)와 이동 프레임(15)의 이동 공간을 제공하는 역할을 하는 것이다.
또한, 하판 고정 프레임(11)은 상판 프레임(20)에는 부착되지 않으며, 상판 프레임(20)과는 일정한 공간을 유지하도록 구성된다.
탄성체부(13)는, 상단은 하판 고정 프레임(11)의 상단 일면에 부착되고, 하단은 이동 프레임(15)에 부착된다. 탄성체부(13)는 일정한 탄성력을 가지는 탄성체로 구성되어, 사용자의 힘/모멘트에 따라 길이가 변화하게 되고, 탄성력에 의해, 원상태로의 복원이 가능하도록 구성된다.
일례로, 사용자가 상판 프레임(20)에 Z축 방향(아래 방향)으로 힘을 가하면, 탄성체부(13)의 길이가 길어지게 되며, 사용자가 상판 프레임(20)에 힘을 가하지 않으면, 탄성체부(13)는 원래 길이로 복원되는 것이다.
또한, 사용자가 상판 프레임(20)에 X,Y축 방향으로 힘을 가하면, 탄성체부(13)의 길이가 길어지게 되며, 이동 프레임(15)에 부착된 탄성체부(13)의 하단 부분이 사용자가 힘을 가한 방향으로 이동하게 되는 것이다. 다만, 하판 고정 프레임(11)에 부착된 탄성체부(13)의 상단 부분은, 고정되어 움직이지 않는다.
이동 프레임(15)은 탄성체부(13)의 하단과 상판 지지부(17)의 하단에 수평으로 부착된 프레임으로 구성되어, 상판 지지부(17)를 통해 전해지는 사용자의 힘/모멘트를 탄성체부(13)에 전달하는 역할을 한다. 그리고, 이동 프레임(15)은, 사용자의 힘/모멘트에 의한 탄성체부(13)의 변형에 따라, 상판 지지부(17)와 함께 그 위치가 변하게 된다.
상판 지지부(17)으로 상단은 상판 프레임(20)의 하단 일면에 부착되고, 하단은 이동 프레임(15)의 상단 일면에 부착되어, 상판 프레임(20)과 이동 프레임(15)을 연결하는 사선 형태의 프레임으로 구성된다.
그리고, 본 발명의 상판 지지부(17)는 사용자가 상판 프레임(20)에 가하는 힘/모멘트를 이동 프레임(15)과 탄성체부(13)에 전달하는 역할을 한다. 사용자의 힘/모멘트가 상판 프레임(20)에 가해지면, 상판 지지부(17)는 탄성체부(13), 이동 프레임(15)과 연동하여, 사용자가 힘/모멘트를 가한 방향으로 이동된다. 그리고, 상판 지지부(17)에 부착된 상판 프레임(20) 또한, 사용자가 힘/모멘트를 가한 방향으로 이동되는 것이다.
따라서, 전술한 탄성 지지부(10)는 상판 프레임(20)과 연결된 탄성체를 포함하여, 상판 프레임(20)에 이동성을 부여하고, 상판 프레임(20)의 이동을 제어하게 되는 것이다. 즉, 상판 프레임(20)에 사용자의 힘/모멘트가 가해지면, 본 발명의 상판 프레임(20)은 탄성 지지부(10)의 탄성력을 통해, 이동 가능하게 되는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변위 측정부(40)를 포함한 제어 센서 시스템(110)의 측면도이다.
변위 측정부(40)는 탄성 지지부(10)의 탄성력을 통해, 사용자의 힘/모멘트에 따라 이동된 상판 프레임(20)의 변위를 검출한다. 전술한 바와 같이, 사용자의 힘/모멘트에 의해, 상판 프레임(20)은 일정 방향과 거리만큼 이동하게 된다. 본 발명의 변위 측정부(40)는 이때 발생한 상판 프레임(20)의 변위를 검출하는 것이다.
도면에서 보는 바와 같이, 본 발명의 변위 측정부(40)는 상부는 상판 프레임(20)의 하단 일면에, 하부는 하판 프레임(30)의 상단 일면에 부착되어, 상호 연결되는 변위 센서로 구성된다. 사용자가 상판 프레임(20)에 힘/모멘트를 가하지 않은 상태에서는, 변위 측정부(40)의 상부와 하부가 동일한 선상에 위치하도록 구성될 수 있다.
그리고, 사용자가 상판 프레임(20)에 힘/모멘트를 가하게 되면, 상판 프레임(20)이 이동되고, 상판 프레임(20)에 부착되는 변위 측정부(40)의 상단 부분도, 상판 프레임(20)과 함께 이동되는 것이다. 따라서, 본 발명의 변위 측정부(40)는 상단 부분과 하단 부분의 위치 차이를, 상판 프레임(20) 변위로 판단할 수 있게 된다.
본 발명의 변위 측정부(40)는, 상단 부분이 상판 프레임(20)을 따라 이동하게 되고, 하단 부분은 하판 프레임(30)에 고정되므로, 상/하단 부분의 위치 차이로 인한 형태의 변형이 일어나게 된다. 따라서, 본 발명의 변위 측정부(40)는, 사용자의 힘/모멘트에 의해 형태가 변형될 수 있는, 유연한 재질로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 변위 측정부(40)는 제어 센서 시스템(110)의 각 모서리에 위치하는 탄성 지지부(10)들의 사이에 부착된다. 도면에서는, 상판 프레임(20)의 변위를 효율적으로 측정하기 위하여, 변위 측정부(40)가 탄성 지지부(10)들의 가운데에 위치하는 것을 도시하고 있다.
따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은, 변위 측정부(40)를 통해, 사용자의 힘/모멘트에 의해 이동한 상판 프레임(20)의 변위를 검출하여, 사용자의 조작 의도를 파악하는 시스템이다.
이하에서는, 사용자가 상판 프레임(20)에 힘/모멘트를 가한 경우, 제어 센서 시스템(110)의 상판 프레임(20)이 이동되는 경우에 대하여 설명하도록 한다.
관련하여, 본 발명의 변위 측정부(40)는 사용자가 상판 프레임(20)에 가하는 힘/모멘트를 3축의 방향으로 측정할 수 있다. 즉, 사용자의 힘/모멘트에 의해 이동된 상판 프레임(20)의 변위를, 지면을 기준으로, X축, Y축, Z축의 3축의 방향으로 측정하는 것이다.
도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상판 프레임(20)이 X축 방향으로 이동한 경우의 제어 센서 시스템(110)의 측면도이다.
도 5와 도 6은 사용자가 상판 프레임(20)에 X축 방향으로, 힘/모멘트를 가한 경우이다.
도 5는 사용자가 상판 프레임(20)에 우측 방향으로 힘/모멘트를 가한 경우로, 상판 프레임(20)이 우측 방향으로 이동한 것을 도시한 것이고, 도 6은 사용자가 상판 프레임(20)에 좌측 방향으로 힘/모멘트를 가한 경우로, 상판 프레임(20)이 좌측 방향으로 이동한 것을 도시한 것이다.
도 5를 기준으로 설명하면, 우선 사용자는 상판 프레임(20)에 우측 방향으로 힘/모멘트를 가한다. 그리고, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트는 상판 지지부(17), 이동 프레임(15)을 통해, 탄성체부(13)으로 전달된다.
탄성체부(13)는 전달된 사용자의 힘/모멘트에 의해, 길이가 변하게 되고, 탄성체부(13)의 하단 부분이 우측 방향으로 이동하게 된다. 그리고, 탄성체부(13)의 길이 및 위치 변형에 따라, 이동 프레임(15)과 상판 지지부(17)의 위치도 우측 방향으로 이동하게 된다.
마지막으로, 상판 지지부(17)에 부착된 상판 프레임(20)이 사용자의 힘/모멘트에 따라, 우측으로 이동하게 되는 것이다.
사용자가 상판 프레임(20)에 Y축 방향으로, 힘/모멘트를 가한 경우도, 도 5와 도 6을 유추하여, 동일하게 작용될 수 있음은 자명하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상판 프레임(20)이 Z축 방향으로 이동한 경우의 제어 센서 시스템(110)의 측면도이다.
도 7은 사용자가 상판 프레임(20)에 Z축 방향으로, 힘/모멘트를 가한 경우이다. 따라서, 도 7은 상판 프레임(20)이 Z축 방향 즉, 아래 방향으로 이동된 것을 도시한 것이다.
사용자가 상판 프레임(20)에 아래 방향으로 힘/모멘트를 가하게 되면, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트는 상판 지지부(17), 이동 프레임(15)을 통해, 탄성체부(13)으로 전달된다.
탄성체부(13)는 전달된 사용자의 힘/모멘트에 의해, 길이가 길어지게 되고, 탄성체부(13)의 하단 부분이 아래 방향으로 이동하게 된다. 그리고, 탄성체부(13)의 길이 및 위치 변형에 따라, 이동 프레임(15)과 상판 지지부(17)의 위치도 아래 방향으로 이동하게 된다. 그리고, 상판 지지부(17)에 부착된 상판 프레임(20)이 사용자의 힘/모멘트에 따라, 아래로 이동하게 되는 것이다.
전술한 본 발명의 제어 센서 시스템(110)에 따르면, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트를, X축, Y축, Z축 각 방향으로, 독립적으로 측정할 수 있게 된다.
따라서, 사용자가 Z축 방향으로 큰 힘/모멘트를 상판 프레임(20)에 가한다 하더라도, 다른 축(X축, Y축) 방향에 영향을 끼치지 않게 되어, 사용자의 힘/모멘트를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은, 사용자의 힘/모멘트에 의한 상판 프레임(10)의 이동이 탄성 지지부(10) 내의 탄성 변형에 의해서만 발생하므로, 기존의 압축 센서를 사용한 시스템과 달리 물리적 접촉을 배제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은, 마찰이 발생하지 않아, 미소의 힘/모멘트에서도 데쓰존(Death-Zone)이 발생하지 않고, 선형적으로 변위를 유발시켜, 사용자 조작 의도를 정확하고 효율적으로 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은 탄성 지지부(10)에서 사용자의 무게 또는 화물 등에 의해서 발생되는 Z축 방향(아래 방향)의 힘/모멘트가 압축력으로 작용하지 않고, 인장력으로 작용하는 구조로 이루어져 있어, 이에 따르는 좌굴 발생을 방지할 수 있다.
도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변위 측정부(40)를 포함한 제어 센서 시스템(110)의 측면도이다.
도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 변위 측정부(40)는 상단 변위 측정부(41)와 하단 변위 측정부(43)으로 구성될 수 있다.
상단 변위 측정부(41)는 상판 프레임(20)의 하단 일면에 부착되고, 하단 변위 측정부(43)는 하판 프레임(30)의 상단 일면에 부착된다. 따라서, 본 발명의 변위 측정부(40)는, 상단 변위 측정부(41)와 하단 변위 측정부(43)가 서로 물리적으로 분리되어 있어, 서로 상대 운동을 할 수 있는 구조가 된다.
그리고, 변위 측정부(40)는, 상단 변위 측정부(41)와 하단 변위 측정부(43)가 서로 통신을 하여, 상판 프레임(10)의 변위를 측정할 수 있도록 구성된다.
전술한 변위 측정부(40)는 상판 프레임(20)의 변위를 비접촉식 방법으로 측정할 수 있는 구조이며, 일례로 기존의 상용 Capacitive Gap 센서, IR 거리 센서 등으로 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제어 센서 시스템(110)은 상용화되어 있는 저가의 거리 센서 등을 이용하여, 사용자의 조작 의도를 효율적으로 파악할 수 있게 된다.
이하에서는, 전술한 제어 센서 시스템(10)으로부터, 사용자의 조작 의도를 파악하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어 센서 시스템(110)이 사용자의 조작 의도를 파악하는 방법에 대한 순서도이다.
우선, 상판 프레임(20)에 사용자의 힘/모멘트가 입력된다.(S100)
상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트는, 제어 센서 시스템(110)의 각 모서리에 위치한 탄성 지지부(10)를 변형시킨다.(S200) 구체적으로, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트는 상판 지지부(17), 이동 프레임(15)을 통해,하판 고정부(11)에 부착된 탄성체부(13)로 전달된다. 탄성체부(13)는 전달된 사용자의 힘/모멘트에 의해, 길이가 변하게 되고, 탄성체부(13)의 하단 부분은 사용자의 힘/모멘트 방향으로 이동하게 된다. 탄성체부(13)의 길이 및 위치 변형에 따라, 이동 프레임(15)과 상판 지지부(17)도 사용자의 힘/모멘트 방향으로 이동하게 되며, 마지막으로, 상판 지지부(17)에 부착된 상판 프레임(20)이 사용자의 힘/모멘트 방향으로 이동하게 되는 것이다.(S300)
변위 측정부(40)는 사용자의 힘/모멘트에 의해 이동된 상판 프레임(20)의 변위를 측정한다.(S400) 그리고, 변위 측정부(40)은 측정된 상판 프레임(20)의 변위를 특정한 변위 신호로 처리하여, 제어 센서 시스템(110)으로 전달할 수 있다.
관련하여, 본 발명의 제어 센서 시스템(110), 변위 측정부(40)로부터 전달 받은 변위 신호를 처리/분석하여, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트를 측정 및 판단하고, 사용자의 힘/모멘트를 이용하여 사용자의 조작 의도를 파악하는 제어 시스템(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 변위 측정부(40)에서 측정된 상판 프레임(20)의 변위를 이용하여, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트를 측정하는 것이다.(S500)
일례로, 제어 시스템은 후술하는 [수학식 1]을 이용하여, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트를 계산할 수 있다.
Figure 112011013803089-pat00001
전술한 [수학식 1]에서, F는 사용자로부터 입력된 힘, M은 사용자로부터 입력된 모멘트, L은 탄성체부(13)의 길이, E는 탄성체부(13)내 탄성체의 탄성 계수, I는 상판 프레임(20)의 단면 관성 모멘트를 의미한다.
마지막으로, 본 발명의 제어 시스템은 측정된 사용자의 힘/모멘트를 이용하여, 사용자가 보행 보조 시스템(1)을 조작하려는 의도를 파악하는 것이다.
일례로, 본 발명의 제어 시스템은, 우측 방향으로의 사용자 힘/모멘트가 측정되면, 사용자는 보행 보조 시스템(1)을 우측으로 이동시키려는 조작 의도를 가지는 것이라 파악하고, 좌측 방향으로의 사용자 힘/모멘트가 측정되면, 사용자는 보행 보조 시스템(1)을 좌측으로 이동시키려는 조작 의도를 가지는 것이라 파악하는 것이다. 또한, 제어 시스템은, 상판 프레임(20)에 입력된 사용자의 힘/모멘트의 세기를 이용하여, 사용자가 의도하는 보행 보조 시스템(1)의 속도를 파악할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 제어 시스템은 사용자가 일상적으로 보행 보조 시스템(1)을 사용할 경우에 가해지는 사용자의 힘/모멘트에 대한 정보 등을 저장할 수 있다. 이를 바탕으로, 제어 센서 시스템(110)은, 사용자가 일정 기준을 과도하게 벗어나는 힘/모멘트를 가하게 되면, 이를 무시하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 보행 보조 시스템(1)의 제어 센서 시스템(110)에서 측정된 사용자의 조작 의도를 파악하여, 보행 보조 시스템(1)을 제어함으로써, 사용자의 보행 안전을 보장할 수 있는 것이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (11)

  1. 사용자가 팔을 얹어놓도록 구성된 상판 프레임; 상기 상판 프레임의 하부에 위치하는 하판 프레임;과 상기 상판 프레임과 상기 하판 프레임 사이에 구비되는 복수의 탄성 지지부들과 변위 측정부들로 구성된 제어 센서 시스템에서,
    상기 탄성 지지부는,
    상기 하판 프레임의 상단 일면에 고정되고, 상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되어, 상기 상판 프레임의 위치를 유지시키도록 구성되고, 상기 상판 프레임과 연결된 탄성체부, 상기 탄성체부의 상단을 고정시키도록 구성된 하판 고정 프레임, 상기 탄성체부의 하단 일면에 부착된 수평 프레임으로 구성된 이동 프레임 및 상기 상판 프레임과 상기 이동 프레임을 연결하는 프레임으로 구성된 상판 지지부를 포함하여, 상기 탄성체부의 탄성력을 이용하여 상기 상판 프레임에 이동성을 부여하도록 구성되고,
    상기 변위 측정부는,
    상기 상판 프레임의 변위를 측정하도록 구성된 제어 센서 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위 측정부는,
    상단은 상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되고, 하단은 상기 하판 프레임의 상단 일면에 부착되어 연결된 변위 센서로 구성된 제어 센서 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위 측정부는,
    상기 상판 프레임의 하단 일면에 부착되는 상부 변위 측정부와, 상기 하판 프레임의 상단 일면에 부착되는 하부 변위 측정부를 포함하며,
    상부 변위 측정부와 하부 변위 측정부의 통신을 통해, 상기 상판 프레임의 변위를 측정하도록 구성된 제어 센서 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 변위 측정부는,
    Capacitive Gap 센서 또는 IR(InfraRed) 거리 센서로 구성된 제어 센서 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 변위 측정부는,
    상기 측정된 상판 프레임의 변위를 변위 신호로 변환하도록 구성된 제어 센서 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변위 측정부의 상기 변위 신호를 분석하여, 상기 상판 프레임에 입력된 상기 사용자의 힘/모멘트를 측정하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는 제어 센서 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은,
    상기 측정된 사용자의 힘/모멘트를 이용하여, 상기 사용자의 조작 의도를 파악하도록 구성된 제어 센서 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은,
    상기 사용자의 힘/모멘트에 관한 정보를 저장하도록 구성된 제어 센서 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 탄성 지지부들은,
    상기 상판 프레임 또는 상기 하판 프레임의 모서리 부분에 각각 위치하는 제어 센서 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 변위 측정부들은,
    상기 복수의 탄성 지지부들의 사이에 각각 위치하는 제어 센서 시스템.
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