KR101738398B1

KR101738398B1 - 비접촉 토크센서 및 이를 포함하는 근력보조 휠체어

Info

Publication number: KR101738398B1
Application number: KR1020150119951A
Authority: KR
Inventors: 윤 허; 홍응표; 남기태; 김용철; 김지혜; 문무성; 류제청
Original assignee: 근로복지공단
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2017-05-29
Also published as: KR20170024675A

Abstract

비접촉 토크센서 및 이를 포함하는 근력보조 휠체어가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 근력보조 휠체어는 푸쉬림이 구비된 휠(wheel)과 상기 휠의 회전을 어시스트 하는 모터를 구비하는 근력보조 휠체어에 있어서, 푸쉬림의 중심축에 노출되도록 위치하고 푸쉬림의 움직임에 따라 중심축을 기준으로 노출 면적이 가변하는 전도성 타겟을 수용하고, 휠허브의 외측면에 소정 간격을 두어 연결되는 센서블록; 및 휠의 회전축에 위치되어 전도성 타겟과 마주하는 비접촉 토크 센서를 포함하고, 비접촉 토크 센서는 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크에 따른 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하고, 이에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 검출한다.

Description

비접촉 토크센서 및 이를 포함하는 근력보조 휠체어{CONTACTLESS TORQUE SENSOR AND POWER ASSISTED WHEELCHAIR COMPRISING THE SAME}

본 발명은 토크센서 및 이를 포함하는 근력보조 휠체어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휠체어 사용자의 구동의지를 파악하기 위한 비접촉 토크센서와 이를 포함하는 근력보조 휠체어에 관한 것이다.

대표적 재활보조 장치인 휠체어는 크게 수동형과 전동형으로 구분될 수 있다. 수동형 휠체어는 사용자(휠체어 탑승자를 의미하며, 이하에서도 마찬가지임)가 직접 바퀴를 손으로 굴려가며 사용하며 운동효과가 높으나 사용자가 과도한 피로를 느낄 수 있다. 전동형 휠체어는 사용자에게 편의성을 제공하지만 운동효과가 낮다는 한계가 있다. 이에 따라 최근에는 양 휠체어의 장점을 취하는 파워어시스트 휠체어(POWER ASSISTED WHEELCHAIR, 근력보조 휠체어 혹은 동력보조 휠체어라고도 함)에 대한 니즈가 높아지고 있다.

근력보조 휠체어는 사용자가 수동으로 휠체어의 바퀴를 회전시키기 위해 상기 바퀴에 구비되는 푸쉬림(Push-rim, 혹은 핸드-림이라고도 함)을 잡고 힘을 가하면, 푸쉬림에 장착된 센서부에서 상기 푸쉬림에 가해진 힘을 측정하여 정보를 생성하고, 상기 정보에 기반하여 모터를 제어하여 바퀴의 회전속도를 컨트롤하는 휠체어를 말한다. 즉 사용자의 수동조작을 기본으로 하되, 모터를 통해 사용자의 구동을 보조함으로써 기존의 수동형 휠체어 및 전동형 휠체어의 장점을 살리고 단점을 보완할 수 있어 최근 많은 연구개발이 이루어지고 있다.

상술한 것과 같은 근력보조 휠체어에서는 푸쉬림에 가해진 힘을 측정하기 위한 센서(대표적으로는 토크 센서)가 필수적으로 요구된다. 이러한 센서는 푸쉬림에 설치되며, 상기 푸쉬림에 가해지는 사용자 입력 토크를 감지하고 신호를 출력하여 모터제어수단으로 전송한다. 상기 모터제어수단은 상기 신호를 기반으로 모터제어신호를 생성하고, 모터를 제어하는 기능을 한다.

그런데 이와 같이 구축된 기존의 센서의 경우, 푸쉬림에 장착된 센서에 전력을 전달하고 상기 센서로부터 생성된 신호를 전송받기 위해서는 슬립링(Slip-Ring)이나 원형 커넥터(Circular Connector)와 같은 특수한 장치들이 필요하다. 푸쉬림이 휠과 함께 회전하기 때문에 단순 유선 방식으로는 전력 및 신호의 전달이 실질적으로 어렵기 때문이다(푸쉬림의 회전으로 인해 선이 꼬이거나 하는 문제 발생의 우려가 높음). 이러한 특수 장치들은 근력보조 휠체어의 구조를 보다 복잡하게 할 뿐더러 제작비 상승의 원인으로 작용하고 있다. 보다 단순한 구조를 갖는 근력보조 휠체어가 필요한 이유다.

본 발명은 센서에 전력을 공급하거나 센서로부터 신호를 수신함에 있어 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 특수한 장치들이 요구되지 않으며 보다 간단한 구조를 통해 사용자 입력 토크를 측정할 수 있는 근력보조 휠체어를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 푸쉬림이 구비된 휠(wheel)과 상기 휠의 회전을 어시스트 하는 모터를 구비하는 근력보조 휠체어에 있어서, 상기 푸쉬림의 중심축에 노출되도록 위치하고 상기 푸쉬림의 움직임에 따라 상기 중심축을 기준으로 노출 면적이 가변하는 전도성 타겟을 수용하고, 휠허브의 외측면에 소정 간격을 두어 연결되는 센서블록; 및 상기 휠의 회전축에 위치되어 상기 전도성 타겟과 마주하는 비접촉 토크 센서를 포함하고, 상기 비접촉 토크 센서는 상기 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크에 따른 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하고, 이에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 검출하는 근력보조 휠체어가 제공될 수 있다.

이 때, 상기 출력된 사용자 입력 토크 신호에 기반하여 상기 모터를 제어함으로써 상기 휠의 회전속도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 센서블록은 비전도성 소재로 형성되며, 상기 휠허브와의 연결을 위한 베어링 힌지; 및 상기 전도성 타겟이 끼워지는 수용홈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 휠허브의 외측면 일부분에 일단이 결합되고 타단은 상기 센서블록의 단부와 결합하여 상기 센서블록에 텐션을 인가하는 탄성 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 탄성 가이드 부재는 스프링 부재일 수 있다.

또한, 상기 비접촉 토크 센서는 인덕티브 센서이고, 센서 코일의 중심이 상기 휠의 회전축과 일치하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 인덕티브 센서의 출력은 상기 센서 코일과 전도성 타겟이 겹치는 면적에 비례할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 근력보조 휠체어에 설치되어 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크 신호를 검출하는 근력보조 휠체어용 토크 센서에 있어서, 상기 푸쉬림의 중심축에 노출되도록 위치하고 상기 푸쉬림의 움직임에 따라 상기 중심축을 기준으로 노출 면적이 가변하는 전도성 타겟을 수용하고, 상기 푸쉬림의 외측면에 소정 간격을 두어 연결되는 센서블록; 및 상기 휠의 회전축에 위치되어 상기 전도성 타겟과 마주하는 비접촉 토크 센서를 포함하고, 상기 비접촉 토크 센서는 상기 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크에 따른 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하고, 이에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 검출하는 근력보조 휠체어용 토크 센서가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 근력보조 휠체어는 푸쉬림의 중심축에 전도성 타겟을 배치하고 휠의 회전축 내부에는 상기 전도성 타겟과 마주하도록 비접촉 토크 센서를 배치하여, 상기 비접촉 토크 센서가 사용자 입력 토크에 따라 변하는 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하여 사용자 입력 토크 신호를 검출함으로써, 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 특수한 장치들이 요구되지 않아 보다 간단한 구조를 통해 사용자 입력 토크를 측정할 수 있다.

또한, 상기 전도성 타겟이 수용되는 센서블록에 텐션을 인가하는 탄성 가이드 부재를 푸쉬림에 설치함으로써, 푸쉬림의 운동이 없을 경우 상기 센서블록이 항상 일정한 자리에 위치하도록 함으로써 사용자 입력 토크 측정에 영향을 미치는 요소를 최소화 할 수 있다.

도 1은 근력보조 휠체어를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 근력보조 휠체어에서 푸쉬림을 정면에서 도시한 부분도이다.
도 3은 도 1의 근력보조 휠체어의 측부 일부분의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 센서블록 및 비접촉 토크 센서의 사시도이다.
도 6 및 도 7은 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크에 따라 위치가 가변하는 전도성 타겟을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 근력보조 휠체어에 대해 개략적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명과 직접적으로 관련되는 내용을 중심으로 기재되었으며, 이외의 부가적인 설명들은 생략하였음을 밝혀 둔다.

도 1은 근력보조 휠체어(10)를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 근력보조 휠체어(10)는 휠체어 본체(11)와, 휠체어 본체(11)의 좌우 양측에 설치된 휠(12)을 포함한다. 휠(12)은 축(미도시)을 통해 회전 가능하도록 설치된다. 그리고 휠(12)에는 사용자가 수동으로 휠(12)을 회전시킬 수 있도록 푸쉬림(13, 혹은 핸드림이라고도 함)이 장착된다. 구체적으로는 휠(12)이 장착된 휠허브(14)의 외측부 원주를 따라 푸쉬림(13)이 결합되고, 사용자가 푸쉬림(13)을 잡고 정방향 또는 역방향으로 힘을 가하면 푸쉬림(13)과 휠(12)은 사용자의 의도에 맞춰 함께 회전하는 구조다. 이를 위해 휠(12)의 회전축과 푸쉬림(13)의 회전축(내지 중심축)이 일치하도록 휠허브(14)를 통해 결합한다.

한편, 도 1에 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 휠(12)에는 모터(미도시, 도 3의 부호 17 참고)가 설치된다. 상기 모터는 사용자가 휠(12)에 가하는 힘에 더하여 휠(12)을 회전시키는 것을 어시스트 하기 위한 보조 동력을 제공하는 기능을 한다. 이와 같은 근력보조 휠체어(10)의 기본 구성들은 공지된 것인 바, 더 이상의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 2는 도 1의 근력보조 휠체어(10)에서 푸쉬림(13)을 정면에서 도시한 부분도이다. 도 2를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 푸쉬림(13)은 휠허브(14)의 외측면에 결합되는 것으로, 구체적으로는 휠허브(14)에 등간격으로 설치되는 림-스포크(15)를 통해 결합될 수 있다. 도 2에서는 림-스포크(15)가 휠허브(14)의 원주를 120°등간격으로 설치된 모습을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 휠허브(14)와 푸쉬림(13)의 사이에는 복수의 스프링(14a)이 설치될 수 있다. 도 2에서는 3세트의 스프링(14a)이 설치되어 있으나, 스프링의 개수는 이에 한정되지 않는다. 스프링(14a)은 사용자가 푸쉬림(13)에 힘을 가할 때 소정 범위에서 푸쉬림(13)이 휠(12)과 독립적으로 움직일 수 있도록 하기 위해 설치되는 것이다. 예를 들어 사용자가 푸쉬림(13)에 정방향(시계 방향)으로 힘을 가하면, 푸쉬림(13)은 스프링(14a)이 압축되는 동안에는 휠(12)과 독립적으로 움직인다. 일 구체예에 있어서 푸쉬림(13)은 휠(12)과 독립적으로 움직일 수 있다. 그리고 사용자가 푸쉬림(13)에 가하는 힘이 스프링(14a)의 압축력을 넘어서면 비로소 푸쉬림(13)의 제어에 따라 휠(12)이 함께 회전될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명은 사용자 입력 토크를 감지하고 이에 기반하여 휠의 회전을 어시스트 하는 근력보조 휠체어를 제공한다. 여기에서, "사용자 입력 토크"는 사용자가 푸쉬림에 가하는 토크(torque)를 의미한다. 그리고 "휠의 회전을 어시스트 하는"의 의미는 측정된 사용자 입력 토크 데이터를 기반으로 휠을 회전시키는 모터를 제어함으로써 사용자의 휠체어 구동을 보조하는 것을 말한다.

도 3은 도 1의 근력보조 휠체어(10)의 측부 일부분의 단면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 센서블록(110) 및 비접촉 토크 센서(130)의 사시도이다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 근력보조 휠체어는 센서블록(110)과 비접촉 토크 센서(130)를 포함한다.

센서블록(110)은 휠허브(14)의 외측면에 연결되는 것으로, 푸쉬림(13)의 중심축에 노출되도록 위치하는 전도성 타겟(120)을 수용할 수 있다. 센서블록(110)은 베어링 힌지(110a) 및 수용홈(110b)을 포함할 수 있다. 센서블록(110)의 형태는 특정되지 않으며, 다양한 형태를 가질 수 있다(첨부된 도면에서는 센서블록이 바[bar] 형태를 갖도록 형성된 경우를 도시하였음).

베어링 힌지(110a)는 센서블록(110)을 휠허브(14)에 연결하기 위한 것으로, 센서블록(110)이 휠허브(14)와 마주하는 면에 형성될 수 있다. 예컨대 도 4 및 도 5를 참고하면, 센서블록(110)의 중앙 부근에 베어링 힌지(110a)가 형성되며, 베어링 힌지(110a)는 휠허브(14)에 결합됨으로써 센서블록(110)을 휠허브(14)에 위치시킨다. 센서블록(110)이 휠허브(14)에 결합됨으로써, 푸쉬림(13)이 움직이면(즉, 휠허브(14)가 움직이면) 푸쉬림(13)의 운동방향에 따라 센서블록(110) 역시 함께 움직이게 된다. 그러나 센서블록(110)이 푸쉬림(13)과 직접 연결되어 있는 것은 아니므로(예컨대 림-스포크(15)에 센서블록(110)이 연결되는 것이 아니므로 센서블록(110)과 푸쉬림(13)은 물리적으로 분리되어 있음), 센서블록(110)의 운동이 푸쉬림(13)과 정확히 일치하지 않고 소정 정도의 차이가 있을 수 있다. 예를 들면, 사용자가 푸쉬림(13)에 보다 강한 힘을 가하거나 보다 약한 힘을 가할 때, 푸쉬림(13)의 운동과 센서블록(110)의 운동은 차이를 보일 수 있다. 그러나 푸쉬림(13)이 움직이지 않을 때에는 센서블록(110)의 위치가 일정하게 유지되어야 하는 바, 본 발명의 일 구현예에서는 센서블록(110)에 텐션을 인가하는 탄성 가이드 부재(140)를 더 포함할 수 있다. 탄성 가이드 부재(140)에 대해서는 이후에 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

수용홈(110b)은 전도성 타겟(120)이 끼워지는 곳으로, 센서블록(110)이 휠허브(14)와 마주하는 면에 형성될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참고하면, 수용홈(110b)은 베어링 힌지(110a)의 하부분에 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 수용홈(110b)의 위치는 전도성 타겟(120)을 끼웠을 때, 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출될 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 수용홈(110b)은 푸쉬림(13)의 중심축(13a)과 상응하는 위치에 형성될 수 있다. 수용홈(110b)의 형태는 특정되지 않으며, 전도성 타겟(120)의 형태와 대응하도록 형성될 수 있다. 관련하여, 첨부된 도면에서는 수용홈(110b)을 하방으로 곡면진 형태로 형성하였으나, 이에 한정되지 않는다.

상술한 바와 같이 형성되는 센서블록(110)은 푸쉬림(13)의 움직임에 대응하여 푸쉬림(13)과 함께 움직일 수 있다. 예컨대 사용자가 푸쉬림(13)에 정방향(시계방향)으로 힘을 가하면, 푸쉬림(13)과 푸쉬림(13)에 연결된 센서블록(110)은 베어링 힌지(110a)에서 방향이 역전되어 역방향으로 움직인다. 역으로 사용자가 푸쉬림(13)에 역방향(반시계방향)으로 힘을 가하면, 푸쉬림(13)과 푸쉬림(13)에 연결된 센서블록(110)은 정방향으로 움직인다. 그리고 센서블록(110)의 움직임에 따라 센서블록(110)에 수용된 전도성 타겟(120)은 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되거나 노출되지 않을 수 있다. 또는 센서블록(110)의 움직임에 따라 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되는 전도성 타겟(120)의 면적이 상대적으로 커지거나 작아질 수 있다. 다시 말하면, 사용자가 푸쉬림(13)에 힘을 가하는 방향이나 힘의 크기에 따라 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되는 정도가 달라질 수 있다.

한편, 베어링 힌지(110a)의 위치나 전도성 타겟(120)의 형태에 따라 상술한 전도성 타겟(120)의 노출되는 정도는 가변할 수 있다. 예를 들어, 베어링 힌지(110a)가 도 4 및 도 5에 도시된 것보다 상방향에 위치하면 센서블록(110)이 움직이는 범위는 보다 커질 수 있으며, 사용자가 푸쉬림(13)에 동일한 힘을 가하더라도 전도성 타겟(120)의 형태에 따라 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되는 정도는 달라질 수 있다. 그러므로 푸쉬림(13)의 각도 변화에 따른 사용자 입력 토크 감지의 민감도 향상 등을 위하여 최적의 베어링 힌지(110a)의 위치 내지 전도성 타겟(120)의 형태를 변형하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 구현예에 따른 근력보조 휠체어는 탄성 가이드 부재(140)를 더 포함할 수 있다. 탄성 가이드 부재(140)는 휠허브(14)의 외측면 일부분에 일단이 결합되고 타단은 센서블록(110)의 단부와 결합할 수 있다. 탄성 가이드 부재(140)는 센서블록(110)에 텐션을 인가함으로써 푸쉬림(13)에 움직임이 없는 경우에 센서블록(110)이 항상 일정하게 위치할 수 있도록 하는 기능을 한다. 이는 푸쉬림(13)의 움직임에 의해 전도성 타겟(120)과 후술할 비접촉 토크 센서(130)간의 수직거리가 영향을 받지 않도록 하기 위해, 앞서 설명했던 것과 같이 센서블록(110)이 푸쉬림(13)과 물리적으로 분리되어 배치되었는 바, 푸쉬림(13)에 움직임이 없는 경우 센서블록(110)의 위치를 일정하게 유지할 필요가 있기 때문이다.

탄성 가이드 부재(140)는 외력에 의해 변형되더라도 탄성력에 의해 복원 가능한 소재라면 어느 것이나 사용 가능하다. 예컨대 첨부된 도면들에서와 같이 탄성 가이드 부재(140)로 스프링 부재를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 스프링 부재를 예로 들면, 스프링 부재의 일단부는 휠허브(14)의 외측면 테두리 부근에 결합하고, 타단부는 센서블록(110)의 하부에 마련된 돌기부(111)에 연결할 수 있다. 이에 따라 푸쉬림(13)이 움직이지 않을 때에는 센서블록(110)이 상기 스프링 부재에 의해 움직임이 고정되는 바, 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 위치한 상태를 지속적으로 유지할 수 있다.

비접촉 토크 센서(130)는 휠(12)의 회전축(12a)에 고정 배치되는 것으로, 센서블록(110)에 수용된 전도성 타겟(120)과 마주하도록 위치된다. 이러한 비접촉 토크 센서(130)는 푸쉬림(13)에 가해진 사용자 입력 토크에 따라 위치가 가변하는 전도성 타겟(120)의 노출 면적 변화를 감지하고, 이에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 출력하는 기능을 한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 비접촉 토크 센서(130)는 인덕티브 센서(Inductive Sensor)일 수 있다. 인덕티브 센서는 회로를 관통하는 자기력선이 변화하면 상기 회로에 전류를 흐르게 하려는 기전력이 생기는 현상(전자기 감응)을 이용하는 것으로, 구체적으로는 센서 코일(발진 코일 및 수신 코일)에 금속 커플러를 위치시킨 후에 상기 금속 커플러 위치를 변화시켜 코일에 수신되는 자기력선 양을 변화시킴으로써 상기 금속 커플러의 각도 변화, 또는 상기 금속 커플러 및 센서 코일간의 직선 거리 등을 측정하는 기능을 한다. 특히 인덕티브 센서의 경우 먼지, 기름 및 수분이 있는 환경에서도 전도체(금속 커플러)의 위치를 고분해능으로 감지할 수 있는 장점이 있다. 이러한 인덕티브 센서의 기능, 구조 등은 공지된 것인 바, 구체적인 내용은 생략하도록 한다.

이 경우에 있어, 비접촉 토크 센서(130)는 센서 코일을 포함하고, 센서블록(110)에 수용된 전도성 타겟(120)은 상기 금속 커플러에 대응할 수 있다. 즉, 전도성 타겟(120)은 금속 소재로 형성될 수 있으며, 구체적으로는 알루미늄 소재로 형성될 수 있다. 그러나 전도성 타겟(120)의 소재가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 전도성 타겟(120)을 수용하는 센서블록(110)은 비전도성 소재, 구체적으로는 플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 센서블록(110)이 전도성 소재로 형성되는 경우에는 비접촉 토크 센서(130)가 전도성 타겟(120)을 타겟으로 하여 감지하기가 어렵기 때문이다.

앞서 설명한 바와 같이, 푸쉬림(13)에 가해진 사용자 입력 토크에 따라 센서블록(110)의 위치가 가변되고, 센서블록(110)에 수용되는 전도성 타겟(120)의 위치 역시 가변된다. 이 때, 센서블록(110)의 움직임에 따라 전도성 타겟(120)은 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되거나 노출되지 않을 수 있고, 또는 노출되는 전도성 타겟(120)의 면적이 상대적으로 커지거나 작아질 수 있다. 비접촉 토크 센서(130)는 이러한 전도성 타겟(120)의 노출 면적 변화를 감지하며, 이에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 출력한다. 예컨대, 비접촉 토크 센서(130)에서 출력되는 신호는 비접촉 토크 센서(130)의 센서 코일과 전도성 타겟(120)이 겹쳐지는 면적에 비례할 수 있다.

이를 위해, 비접촉 토크 센서(130)의 센서 코일의 중심은 휠(12)의 회전축(12a)과 일치하도록 배치될 수 있다. 비접촉 토크 센서(130)의 출력이 전도성 타겟(120)과 겹쳐지는 면적에만 영향을 받고, 휠(12)의 회전에는 영향을 받지 않도록 하기 위함이다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 비접촉 토크 센서(130)를 회전축(12a)에 대해 수직방향으로 배치함으로써, 비접촉 토크 센서(130)의 센서 코일의 중심을 회전축(12a)과 일치시킬 수 있다.

비접촉 토크 센서(130)는 상기와 같은 방법으로 검출 및 출력한 사용자 입력 토크 신호를 모터(도3의 부호 17 참고)를 제어하는 모터 제어부(미도시)로 전송할 수 있다. 상기 전송을 위해 비접촉 토크 센서(130)는 내부에 통신모듈을 포함하거나, 별도의 통신부와 연결될 수 있다. 그리고 상기 모터 제어부는 상기 사용자 입력 토크 신호를 기반으로 모터의 회전을 제어하는 모터 제어 신호를 산출하고, 상기 신호를 통해 모터의 회전을 제어할 수 있다. 모터 제어부의 모터 회전 제어와 관련한 내용들은 잘 알려진 것인 바, 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 모터의 회전은 감속기(도 3의 부호 16 참고)와 링기어를 거쳐 휠허브로 전달됨으로써 휠을 회전시킨다.

기존 근력보조 휠체어에서는 사용자 입력 토크를 측정하는 토크 센서가 푸쉬림에 설치되는 것이 일반적이었다. 따라서 상기 토크 센서에 전력을 전달하고 상기 센서로부터 생성된 신호를 전송받기 위해서는 슬립링(Slip-Ring)이나 원형 커넥터(Circular Connector)와 같은 특수한 장치들이 요구되는 바, 구조를 보다 복잡하게 만들어야만 했고 제작비가 상승하는 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서는 푸쉬림에 전도성 타겟을 배치하고 휠의 회전축 내부에는 상기 전도성 타겟과 마주하도록 비접촉 토크 센서를 배치하여, 상기 비접촉 토크 센서가 사용자 입력 토크에 따라 변하는 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하여 사용자 입력 토크 신호를 출력하게 함으로써, 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 특수한 장치들이 요구되지 않아 보다 간단한 구조를 통해 사용자 입력 토크를 측정할 수 있다. 즉, 본 발명은 기존 근력보조 휠체어의 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 장치들을 생략 가능하다는 장점을 갖는다.

이하에서는 본 발명의 작동상태에 대해 설명한다.

도 6 및 도 7은 푸쉬림(13)에 가해진 사용자 입력 토크에 따라 위치가 가변하는 전도성 타겟(120)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 사용자가 푸쉬림(13)에 정방향(시계방향)으로 힘을 가하면, 푸쉬림(13)이 정방향으로 움직임과 동시에 휠허브(14)에 연결된 센서블록(110)과 센서블록(110)에 수용된 전도성 타겟(120)이 역방향으로 움직인다. 푸쉬림(13)에 움직임이 없을 때에는 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되도록 위치하므로, 상기와 같이 정방향으로 사용자 입력 토크가 가해지면 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되는 면적은 도 6에서와 같이 보다 작아지게 된다. 이 때, 도면에 도시되어 있지는 않지만 휠(12)의 회전축에 배치된 비접촉 토크 센서(130)는 센서 코일과 전도성 타겟(120)의 겹치는 면적을 항상 감지하고 있으므로, 상기와 같은 전도성 타겟(120)의 면적 변화를 감지하게 된다. 그리고 비접촉 토크 센서(130)는 상기 면적 변화에 근거하여 사용자 입력 토크 신호를 출력하고(예컨대 전도성 타겟(120)의 노출 면적이 작아지는 바, 출력값이 보다 작아지는 상황일 수 있음), 상기 신호를 모터드라이버와 같은 모터 제어부로 전송한다. 그리고 모터 제어부에서는 상기 사용자 입력 토크 신호를 수신하고, 이를 기반으로 모터 회전수를 제어하게 된다. 모터의 회전은 감속기, 링기어를 거쳐 휠허브로 전달됨으로써 휠을 회전시키고, 사용자의 구동을 보조한다. 즉, 사용자의 정방향 구동의지를 비접촉 토크 센서를 통해 감지하고, 모터를 제어하여 사용자의 구동을 보조하게 되는 것이다.

도 7을 참조하면, 역으로 사용자가 푸쉬림(13)에 역방향(반시계방향)으로 힘을 가하면, 푸쉬림(13)이 역방향으로 움직임과 동시에 센서블록(110) 및 전도성 타겟(120)은 정방향으로 움직인다. 상기와 같이 역방향으로 사용자 입력 토크가 가해지면 전도성 타겟(120)이 푸쉬림(13)의 중심축(13a)에 노출되는 면적은 보다 커지게 된다. 이 때, 비접촉 토크 센서(130)는 전도성 타겟(120)의 면적 변화를 감지하고, 상기 면적 변화에 근거하여 사용자 입력 토크 신호를 출력하고(예컨대 전도성 타겟(120)의 노출 면적이 커지는 바, 출력값이 보다 커지는 상황일 수 있음), 상기 신호를 모터 제어부로 전송한다. 그리고 모터 제어부에서는 상기 사용자 입력 토크 신호를 수신하고, 이를 기반으로 모터 회전수를 제어하게 된다. 모터의 회전은 감속기, 링기어를 거쳐 휠허브로 전달됨으로써 휠을 회전시키고, 사용자의 구동을 보조한다. 즉, 사용자의 역방향 구동의지를 비접촉 토크 센서를 통해 감지하고, 모터를 제어하여 사용자의 구동을 보조하게 되는 것이다.

본 발명은 근력보조 휠체어용 토크 센서를 추가적으로 제공할 수 있다. 상기 근력보조 휠체어용 토크 센서는 근력보조 휠체어에 설치되어 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크 신호를 출력하는 기능을 한다. 이 때, 상술한 바와 같이 비접촉 방식으로 사용자 입력 토크 신호를 출력 가능한 바, 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 특수한 장치들이 요구되지 않아 보다 간단한 구조를 통해 사용자 입력 토크를 측정할 수 있다는 장점을 갖는다.

이상, 본 발명을 구체적으로 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

10: 근력보조 휠체어 11: 휠체어 본체
12: 휠 12a: 회전축
13: 푸쉬림 13a: 중심축
14: 휠허브 15: 림-스포크
110: 센서블록 110a: 베어링 힌지
110b: 수용홈 120: 전도성 타겟
130: 비접촉 토크 센서 140: 탄성 가이드 부재

Claims

푸쉬림이 구비된 휠(wheel)과 상기 휠의 회전을 어시스트 하는 모터를 구비하는 근력보조 휠체어에 있어서,
휠허브의 외측면에 연결되는 것으로, 푸쉬림의 중심축과 마주보도록 내측에는 수용홈이 마련되고 상기 수용홈에는 상기 푸쉬림의 중심축에 적어도 일부가 노출되도록 전도성 타겟이 수용되며, 상기 푸쉬림의 움직임에 따라 상기 전도성 타겟의 상기 중심축에 대한 노출 면적이 가변되는 센서블록;
상기 전도성 타겟과 마주하도록 상기 휠의 회전축에 위치되며, 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하는 비접촉 토크 센서; 및
상기 휠허브 외측면 일부분에 일단이 결합되고 타단은 상기 센서블록의 단부와 결합하여 상기 센서블록에 텐션을 인가함으로써 상기 푸쉬림의 움직임이 없을 때에 상기 센서블록의 위치를 일정 수준으로 유지시키는 탄성 가이드 부재를 포함하고,
상기 비접촉 토크 센서는 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 출력하는 근력보조 휠체어.
청구항 1에 있어서,
상기 출력된 사용자 입력 토크 신호에 기반하여 상기 모터를 제어함으로써 상기 휠의 회전속도를 조절하는 근력보조 휠체어.
청구항 1에 있어서,
상기 센서블록은 비전도성 소재로 형성되며, 상기 휠허브와의 연결을 위한 베어링 힌지를 포함하는 근력보조 휠체어.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 탄성 가이드 부재는 스프링 부재인 근력보조 휠체어.
청구항 1에 있어서,
상기 비접촉 토크 센서는 센서 코일을 포함하고, 상기 센서 코일의 중심이 상기 휠의 회전축과 일치하도록 배치되는 인덕티브 센서인 근력보조 휠체어.
청구항 6에 있어서,
상기 인덕티브 센서의 출력은 상기 센서 코일과 전도성 타겟이 겹치는 면적에 비례하는 근력보조 휠체어.
근력보조 휠체어에 설치되어 푸쉬림에 가해진 사용자 입력 토크 신호를 출력하는 근력보조 휠체어용 토크 센서에 있어서,
휠허브의 외측면에 연결되는 것으로, 푸쉬림의 중심축과 마주보도록 내측에는 수용홈이 마련되고 상기 푸쉬림의 중심축에 적어도 일부가 노출되도록 전도성 타겟이 수용되며, 상기 푸쉬림의 움직임에 따라 상기 전도성 타겟의 상기 중심축에 대한 노출 면적이 가변되는 센서블록;
상기 전도성 타겟과 마주하도록 휠의 회전축에 위치되며, 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화를 감지하는 비접촉 토크 센서; 및
상기 휠허브 외측면 일부분에 일단이 결합되고 타단은 상기 센서블록의 단부와 결합하여 상기 센서블록에 텐션을 인가함으로써 상기 푸쉬림의 움직임이 없을 때에 상기 센서블록의 위치를 일정 수준으로 유지시키는 탄성 가이드 부재를 포함하고,
상기 비접촉 토크 센서는 상기 전도성 타겟의 노출 면적 변화에 기반하여 사용자 입력 토크 신호를 출력하는 근력보조 휠체어용 토크 센서.