KR101779912B1 - 편광필터를 이용하여 사용자 입력 토크를 감지하는 근력 보조 휠체어 - Google Patents

편광필터를 이용하여 사용자 입력 토크를 감지하는 근력 보조 휠체어 Download PDF

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Abstract

편광필터를 이용하여 사용자 입력 토크를 감지하는 근력 보조 휠체어가 개시된다. 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어는 회전축에 결합하는 휠허브와, 휠허브의 외측에 위치하도록 회전축에 결합하는 핸드림과, 휠허브와 핸드림을 연결하는 탄성부재를 포함하는 근력 보조 휠체어에 있어서, 휠허브에 배치되는 제1 편광필터와, 제1 편광필터와 대향하도록 핸드림에 배치되는 제2 편광필터 - 투과축이 제1 편광필터의 투과축에 대하여 소정 각도 차이남 - 와, 제2 편광필터의 외측에 위치되어 제2 편광필터 방향으로 광을 조사하는 광원과, 광원과 대향하도록 제1 편광필터의 내측에 위치되어 편광필터들을 투과한 광의 광량을 검출하는 광센서를 더 포함한다.

Description

편광필터를 이용하여 사용자 입력 토크를 감지하는 근력 보조 휠체어{POWER ASSISTED WHEELCHAIR SENSING USER INPUT TORQUE USING POLARIZING FILTER}
본 발명은 근력 보조 휠체어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휠체어 사용자의 구동의지를파악하기 위한 사용자 입력 토크를 감지함에 있어 편광필터를 이용하는 근력 보조 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 핸드림(Hand-rim, 혹은 푸쉬-림이라고도 함)을 잡고 힘을 가하면, 상기 핸드림에 장착된 센서부에서 상기 핸드림에 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 핸드림에 가해진 힘을 측정하기 위한 센서(대표적으로는 토크 센서)가 필수적으로 요구된다. 이러한 센서는 핸드림에 설치되며, 상기 핸드림에 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, 핸드림에 장착된 센서에 전력을 전달하고 상기 센서로부터 생성된 신호를 전송받기 위해서는 슬립링(Slip-Ring)이나 원형 커넥터(Circular Connector)와 같은 특수한 장치들이 필요하다. 핸드림이 휠과 함께 회전하기 때문에 단순 유선 방식으로는 전력 및 신호의 전달이 실질적으로 어렵기 때문이다(핸드림의 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 편광필터를 이용하여 사용자 입력 토크를 추정함으로써 휠의 회전을 어시스트하는 모터를 제어 가능한 근력 보조 휠체어를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 회전축에 결합하는 휠허브와, 상기 휠허브의 외측에 위치하도록 상기 회전축에 결합하는 핸드림과, 상기 휠허브와 핸드림을 연결하는 탄성부재를 포함하는 근력 보조 휠체어에 있어서, 상기 휠허브에 배치되는 제1 편광필터와, 상기 제1 편광필터와 대향하도록 상기 핸드림에 배치되는 제2 편광필터 - 투과축이 상기 제1 편광필터의 투과축에 대하여 소정 각도 차이남 - 와, 상기 제2 편광필터의 외측에 위치되어 상기 제2 편광필터 방향으로 광을 조사하는 광원과, 상기 광원과 대향하도록 상기 제1 편광필터의 내측에 위치되어 상기 편광필터들을 투과한 광의 광량을 검출하는 광센서를 더 포함하는 근력 보조 휠체어가 제공될 수 있다.
또한, 상기 광센서로부터 상기 광량을 수신하고, 상기 광량을 기반으로 상기 핸드림에 가해진 사용자 입력 토크를 추정하는 연산부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연산부에서 추정된 사용자 입력 토크에 기반하여 상기 휠허브에 결합된 휠의 회전을 어시스트하는 모터를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제2 편광필터는 상기 제1 편광필터의 투과축에 대하여 45°차이나게 배향되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 편광필터 및 제2 편광필터는 상기 회전축이 중앙에 위치하는 링형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 구체예들에 따른 근력 보조 휠체어는 휠허브와 핸드림에 각각 편광필터를 배치하고, 상기 편광필터를 투과한 광의 광량을 검출함으로써 상기 광량 변화에 기반하여 사용자 입력 토크를 추정하고, 이에 기반하여 휠의 회전을 어시스트하는 모터를 제어할 수 있다.
따라서 사용자 입력 토크를 추정하기 위한 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 특수한 장치들이 요구되지 않는 바, 구동 휠의 디자인 자유도가 높아질 뿐더러 비용 절감 측면에서도 장점을 갖는다.
도 1은 근력 보조 휠체어를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어에서 휠 및 핸드림 부분의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어에서 정상 상태의 편광필터 배치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어에서 사용자가 전진 토크 또는 후진 토크를 가했을 때의 편광필터 배치 및 그에 따른 신호 검출을 개념적으로 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.
우선 근력 보조 휠체어에 대해 개략적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명과 직접적으로 관련되는 내용을 중심으로 기재되었으며 이외의 부가적 설명들은 생략하였음을 밝혀 둔다.
도 1은 근력 보조 휠체어(10)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 근력 보조 휠체어(10)는 휠체어 본체(11)와, 휠체어 본체(11)의 좌우 양측에 설치된 휠(12)을 포함한다. 휠(12)은 회전축(미도시)을 통해 회전 가능하도록 설치된다. 휠(12)에는 사용자가 수동으로 휠(12)을 회전시킬 수 있도록 핸드림(13, 푸쉬림으로 칭해질수도 있으나 본 명세서에서는 핸드림으로 칭하기로 함)이 장착된다. 구체적으로는 휠(12)이 장착된 휠허브(14)의 외측부 원주를 따라 핸드림(13)이 결합되고, 사용자가 핸드림(13)을 잡고 정방향 또는 역방향으로 힘을 가하면 핸드림(13)과 휠(12)이 사용자의 의도에 맞춰 함께 회전할 수 있다. 이를 위해 휠(12)의 회전축과 핸드림(12)의 회전축(내지 중심축)이 일치되도록 휠허브(14)를 통해 결합할 수 있다.
도 1에 구체적으로 도시되지는 않았으나, 휠(12)에는 모터(미도시, 도 2의 부호 15 참고)가 설치될 수 있다. 상기 모터는 사용자가 휠(12)에 가하는 힘에 더하여 휠(12)을 회전시키는 것을 보조(어시스트)하기 위한 보조 동력을 제공할 수 있다. 이와 같은 근력 보조 휠체어(10)의 기본 구성들은 공지된 것이므로, 자세한 내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어에서 휠 및 핸드림 부분의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 근력 보조 휠체어의 휠체어 본체의 좌우 양측에는 휠(12)이 설치된다(도 2에서는 그 중 일측만 도시되고 있음). 구체적으로 회전축(19)이 중앙 부근에 관통되는 형태로 휠허브(14)가 배치되고(회전축의 후단에는 휠 베이스(17)가 배치될 수 있음), 휠허브(14)에 휠(12)이 결합됨으로써 휠허브(14)가 회전하면 휠(12)이 함께 회전한다. 이 때, 휠(12)은 휠(12)의 회전을 보조하기 위한 동력을 제공하는 모터(15)와 기어박스(16)를 통해 연결되며, 모터(15)의 구동에 따라 기어박스(16)내의 기어들이 동작함으로써 휠(12)의 회전을 돕는다. 휠허브(14)의 외측 방향(본 명세서에서 외측 방향은 도 2를 기준으로 우측 방향, 내측 방향은 좌측 방향을 의미함)으로 관통된 회전축(19)에는 핸드림(13)이 결합한다. 즉 핸드림(13)은 휠(12)과 동일한 회전축(19)에 결합되되, 휠(12) 및 휠허브(14)의 외측에 위치된다. 일 구체예에 있어서, 핸드림(13)은 휠허브(14)의 외측면에 결합될 수 있으며, 구체적으로는 휠허브(14)의 외측면에 등간격으로 설치되는 림-스포크(미도시)를 통해 결합될 수 있다. 핸드림(13)의 테두리는 사용자가 파지할 수 있도록 외측 방향으로 소정 각도 벤딩된 형태를 가질 수 있다. 핸드림(13)의 하단부가 지면에 닿지 않도록, 핸드림(13)의 크기는 휠(12)의 크기보다 작게 형성되는 것이 일반적이다.
휠허브(14)와 핸드림(13)은 1 이상의 탄성부재(18)에 의해 연결될 수 있다. 탄성부재(18)는 탄성을 가진 부품으로 외력에 의해 탄성 변형이 되었다가, 상기 외력이 해제되면 복원력에 의해 원래 형태로 복원되는 부품이다. 탄성부재(18)는 스프링 부재일 수 있으며, 이하에서는 스프링 부재인 경우를 중심으로 설명하며 동일한 부호를 병기하도록 한다. 예컨대 복수의 스프링 부재(18)가 회전축(19)의 회전 방향으로 압축력을 받을 수 있도록 휠허브(14)의 외측 표면에 등간격으로 결합 배치되고, 핸드림(13)이 결합되었을 때에 스프링 부재(18)의 양 단부가 핸드림(13)이 회전할 때 핸드림(13)으로부터 발생하는 외력에 의해 압축되도록 할 수 있다. 일 구체예에 있어서, 휠허브(14)의 외측 표면에는 스프링 부재(18)가 휠허브(14)에 대해 평행방향으로 배치될 수 있도록 스프링 부재(18)의 크기에 상응하는 크기를 갖는 홈부(미도시)가 형성되고, 상기 홈부에 스프링 부재(18)의 일부가 매립되는 형태로 스프링 부재(18)가 결합될 수 있다. 또한 핸드림(13)의 내측 표면에는 수직 방향으로 소정 크기의 한 쌍의 돌기(미도시)가 형성되고, 핸드림(13)이 결합되었을 때 상기 돌기가 스프링 부재(18)의 양 단부를 각각 파지할 수 있다.
본 구체예에 있어서, 사용자가 핸드림(13)에 전진 토크를 가하면 핸드림(13)은 휠체어의 전진 방향으로 회전을 시작한다(예를 들어, 시계방향). 핸드림(13)이 회전하기 시작하면 핸드림(13)의 내측 표면에 형성된 돌기가 스프링 부재(18)에 외력을 가하게 되어 스프링 부재(18)가 상기 전진 방향으로 압축력을 받는다. 스프링 부재(18)는 휠허브(14)의 외측 표면에 결합되어 있으므로, 스프링 부재(18)가 압축된 후에는 핸드림(13)으로부터의 외력이 휠허브(14)로 전달되므로 휠허브(14)가 회전을 시작한다. 그리고 휠허브(14)에 결합된 휠(12)이 상기 전진 방향으로 회전한다. 사용자가 핸드림(13)에 가한 토크를 해제하면 스프링 부재(18)는 원래 형태로 복원된다. 즉 스프링 부재(18)는 사용자가 핸드림(13)에 힘을 가할 때(토크를 가함) 소정 범위에서 핸드림(13)이 휠(12)과 독립적으로 움직일 수 있도록 하는 기능을 한다. 상술한 것과 같이 사용자가 핸드림(13)에 힘을 가할 때에 휠(12) 및 휠허브(14)와 핸드림(13)간에는 물리적인 뒤틀림이 발생하고, 상기 힘이 스프링 부재(18)의 압축력을 넘어서면 핸드림(13)의 회전 방향으로 휠허브(14) 및 휠(12)이 회전될 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 동작하는 근력 보조 휠체어에 있어서, 사용자의 입력 토크를 추정함으로써 휠(12)의 회전을 어시스트하는 모터를 제어 가능한 구성을 제공한다. 여기에서 사용자의 입력 토크는 사용자가 핸드림(13)에 가하는 토크(torque)를 의미한다.
이를 위해, 근력 보조 휠체어는 휠허브(14)에 배치되는 제1 편광필터(20)와, 핸드림(13)에 배치되는 제2 편광필터(30)와, 상기 편광필터(20,30)들에 광을 조사하는 광원(40)과, 상기 광의 광량을 검출하는 광센서(50)를 포함할 수 있다.
제1 편광필터(20)는 휠허브(14)에 배치되며, 제2 편광필터(30)는 핸드림(13)에 배치된다. 이 때, 제1 편광필터(20) 및 제2 편광필터(30)는 대향하도록 배치된다. 즉 제1,2 편광필터(20,30)는 평행하게 배치된다. 제1,2 편광필터(20,30)는 휠허브(14) 및 핸드림(13)의 몸체에 각각 삽입(내지 매립)된 형태로 배치될 수 있다. 일 구체예에 있어서 휠허브(14) 및 핸드림(13)의 몸체에는 소정 크기의 관통홀(미도시)이 형성되고 상기 관통홀에 편광필터(20,30)가 각각 상기 몸체와 평행한 방향으로 삽입 결합될 수 있다. 편광필터는 특정 방향의 빛만 통과하도록 하는 소재부품이며, 예컨대 편광필터로 광을 조사하면 상기 편광필터에 형성되어 있는 투과축(혹은 편광축)과 나란한 성분을 갖는 광만 편광필터를 통과할 수 있다. 이러한 편광필터는 카메라, 디스플레이 등의 분야에서 많이 사용되는 소재부품일 뿐더러, 본 발명에서 편광필터의 기술적 원리는 부차적인 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
제1 편광필터(20) 및 제2 편광필터(30)는 회전축(19)이 중앙에 위치하는 링(Ring) 형태(또는 도넛 형태)로 형성될 수 있다(도 3, 도 4 참고). 이 경우, 제1 편광필터(20) 및 제2 편광필터(30)는 회전축(19)이 중앙에 위치하도록 회전축(19)의 원주 테두리 부근에 배치 가능한 형태를 갖게 된다. 이 경우 회전축(19)을 포함하는 휠(12), 휠허브(14) 및 핸드림(13)의 중앙 부분에 대한 디자인 자유도가 높아질 수 있다. 근력 보조 휠체어의 경우 기능 보강, 사용자 편의성 등을 위해 많은 기계 구성, 장치, 회로 등이 장착 또는 설치된다. 이들 기계 구성, 장치, 회로 등은 주로 회전축(19)을 포함한 휠(12), 휠허브(14) 및 핸드림(13)의 중앙 부분에 집중되어 장착, 설치되는데, 이는 근력 보조 휠체어에서 기능이 집약되고 사용자 편의성과 직결되는 부분이 휠의 구동에 있기 때문이다. 따라서 편광필터(20,30)들이 상기 중앙 부분에 간섭되지 않는 형태로 배치되는 경우에는, 상기 중앙 부분에 대한 디자인 자유도가 높아 지므로, 보다 다양한 형태의 휠, 핸드림 디자인이나 휠/핸드림 구동 설계가 가능하다.
제2 편광필터(30)의 배치에 있어서, 제2 편광필터(30)는 제1 편광필터(20)의 투과축(편광축)에 대하여 소정 각도 차이나도록 배치된다. 예를 들어 제1 편광필터(20)와 제2 편광필터(30)에 형성된 슬릿 패턴이 동일하고, 제1 편광필터(20)의 배치 위치를 기준으로 제2 편광필터(30)가 제1 편광필터(20)에 대해 소정 각도 틀어진 형태로 배치될 수 있다. 즉 제2 편광필터(30)의 슬릿 패턴은 제1 편광필터(20)를 기준으로 상기 소정 각도만큼 틀어지게 되며, 이에 따라 양 편광필터(20,30)의 투과축은 상기 각도만큼 차이가 발생한다. 다시 말하면 핸드림(13)에 외력이 가해지지 않은 상태에서, 제1 편광필터(20) 및 제2 편광필터(30)의 투과축은 차이를 보인다. 이와 같이 핸드림(13)에 외력이 가해지지 않은 상태를 정상 상태로 지칭하기로 한다. 상기 양 편광필터(20,30)의 투과축 차이(제2 편광필터(30)가 제1 편광필터(20)에 대해 틀어진 정도)는 45도 가량이 바람직하다(정확히 45도를 의미하지는 않으며 소정 오차 존재할 수 있음). 이는 소위 말루스 법칙(Malus's law)에 따라 양 편광필터(20,30)의 투과축 차이가 45도 부근에서 가장 큰 광량변화를 보이며 50%의 투과율을 나타내기 때문이다. 이는 공지된 내용인 바, 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 제1 편광필터(20) 및 제2 편광필터(30)의 이러한 투과축 각도 차이는 상술한 것처럼 휠허브(14) 및 핸드림(13)이 스프링 부재(18)에 의해 연결되는 바, 핸드림(13)에 외력이 가해지지 않는 한 상기 투과축 각도 차이는 유지될 수 있다.
광원(40)은 편광필터(20,30)들에 광을 조사하는 기능을 하는 것으로, 제2 편광필터(30)의 외측에 위치될 수 있다. 그리고 광원(40)의 광 조사부(미표기)는 제2 편광필터(30)의 외측면과 대향하도록 배치됨으로써, 제2 편광필터(30)의 표면 방향으로 광을 조사할 수 있다. 일 구체예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이 회전축(19)의 외측 단부에 광원 브라켓(40a)이 배치되고 광원(40)은 광원 브라켓(40a)의 내측 표면에 배치될 수 있다. 광원 브라켓(40a)은 회전축(19)의 운동에 영향을 받지 않도록 회전축(19)과는 독립적으로 배치된다(예컨대, 광원 브라켓(40a)이 회전축(19)의 하우징(미도시)에 결합되고, 회전축(19)은 하우징 내에서 회전하는 형태). 따라서 회전축(19)이 회전할 때, 광원 브라켓(40a)은 회전하지 않고 광원(40)은 회전축(19)의 회전과 무관하게 고정된다. 한편, 광원(40)은 광을 조사할 수 있으면 충분하고, 특정되지 않는다. 일 구체예에 있어서, 광원(40)은 레이저 다이오드 또는 엘이디 소자일 수 있다. 광원(40)의 개수도 특정되지 않으며, 예컨대 도 2에서와 같이 광원 브라켓(40a)의 내측 표면 상부와 하부에 각각 하나의 광원(40)이 배치될 수 있다.
광센서(50)는 편광필터(20,30)들을 투과한 광의 광량을 검출하는 기능을 하는 것으로, 제1 편광필터(20)의 내측에 위치될 수 있다. 즉, 광원(40)에서 조사된 광은 순차적으로 제2 편광필터(30), 제1 편광필터(20)를 투과하여 광센서(50)에 다다를 수 있다. 이를 위해 광센서(50)의 수광부(미도시)는 광원(40)과 대향하도록 배치될 수 있다. 일 구체예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이 회전축(19)의 내측(제1 편광필터(20)의 좌측 방향)에 광센서 브라켓(50a)이 배치되고 광센서(50)는 광센서 브라켓(50a)의 외측 표면에 배치될 수 있다. 광센서 브라켓(50a)은 회전축(19)의 운동에 영향을 받지 않도록 회전축(19)과는 독립적으로 배치된다(예컨대, 광센서 브라켓(50a)이 회전축(19)의 하우징(미도시)에 결합되고, 회전축(19)은 하우징 내에서 회전하는 형태). 따라서 회전축(19)이 회전할 때, 광센서 브라켓(50a)은 회전하지 않고 광센서(50)는 회전축(19)의 회전과 무관하게 고정된다. 광센서(50)는 광원(40)으로부터 조사된 광을 수광하여 신호를 검출하는 통상의 광센서를 이용할 수 있다. 광센서(50)의 배치는 광원(40)의 배치와 대응된다. 예컨대 도 2에서와 같이 광원 브라켓(40a)의 내측 표면 상부와 하부에 각각 하나의 광원(40)이 배치되는 경우, 광센서 브라켓(50a)의 외측 표면에서 배치된 광원(40)과 대향하는 위치에 각각 광센서(50)가 배치될 수 있다.
근력 보조 휠체어는 광센서(50)로부터 검출된 광량(광량 데이터, 광량 신호)을 수신하고, 상기 광량을 기반으로 핸드림(13)에 가해진 사용자 입력 토크를 추정하는 연산부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 연산부에서 추정된 사용자 입력 토크에 기반하여 휠허브(14)에 결합된 휠(12)의 회전을 어시스트하는 모터(15)를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 광센서(50)는 검출된 광량(광량 데이터, 광량 신호)를 상기 연산부로 실시간 전송할 수 있다. 이를 위해 광센서(50)는 통상의 데이터 전송 모듈을 내장하거나 별도의 통신모듈과 연결될 수 있다. 상기 연산부에서는 상기 광량에 기반하여 사용자 입력 토크를 추정한다. 사용자 입력 토크의 추정 방식에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술한다. 상기 제어부는 상기 연산부에서 사용자 입력 토크를 추정하면, 상기 추정값에 기반하여 모터(15)를 제어하는 제어신호를 생성함으로써 모터(15)를 제어할 수 있다. 이를 위해 상기 제어부는 상기 연산부로부터 사용자 입력 토크에 관한 데이터를 수신할 수 있으며, 상기 모터 제어신호를 모터(15)로 전송하는 통상의 통신 모듈 등을 포함할 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 연산부 및 제어부는 전기, 전자 회로로 구성될 수 있으며 근력 보조 휠체어에 위치하는 컨트롤 박스 내부에 설치될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어의 동작과, 상기 동작에 따라 사용자 입력 토크가 추정되는 방식에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어에서 정상 상태의 편광필터 배치를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 근력 보조 휠체어에서 사용자가 전진 토크 또는 후진 토크를 가했을 때의 편광필터 배치 및 그에 따른 신호 검출을 개념적으로 도시한 도면이다.
(1) 정상 상태
사용자가 핸드림(13, 도 2 참고)에 외력을 가하지 않은 상태가 정상 상태이다. 상술한 것처럼 휠허브(14, 도 2 참고)에는 제1 편광필터(20)가 배치되고, 핸드림(13)에는 제2 편광필터(30)가 제1 편광필터(20)와 대향하여 배치된다. 그리고 제2 편광필터(30)의 투과축이 제1 편광필터(20)의 투과축에 대하여 소정 각도 차이나도록 제2 편광필터(30)가 배치된다. 제2 편광필터(30)의 외측 방향에는 1 이상의 광원(40)이 배치되고(도 3에서는 한 쌍의 광원을 도시함), 광원(40)과 대향하면서 제1 편광필터(20)의 내측 방향에는 1 이상의 광센서(50)가 배치된다. 광원(40)에서 조사된 광은 제2 편광필터(30)를 투과하고, 이어 제1 편광필터(20)를 투과한 후에 광센서(50)에 수광된다. 이 때, 제1 편광필터(20) 및 제2 편광필터(30)의 상기 투과축 차이에 따른 광량이 기준값이 된다. 공지된 바와 같이 핸드림(13) 및 휠허브(14)간의 투과축 차이(각도)와 두 편광필터(20,30)를 투과한 광량(빛의 세기)는 소위 말루스의 법칙(Malus's law)에 의해 I=Imaxcos2θ의 관계로 표현될 수 있으며, 상기 투과축 차이가 45도 가량일 때 가장 큰 광랑변화를 보이게 된다.
(2) 사용자 입력 토크가 가해진 상태
도 4의 (a)는 사용자가 전진 방향으로 핸드림(13)에 토크를 주었을 때를 묘사한 도면이며, 도 4의 (b)는 사용자가 후진 방향으로 핸드림(13)에 토크를 주었을 때를 묘사한 도면이다. 도 4의 (a)에서와 같이 사용자가 전진 방향으로 핸드림(13)에 토크를 주면(전진 토크), 휠허브(14)와 핸드림(13)을 연결하는 스프링 부재(18)의 압축력을 넘어설 때까지 소정 범위에서는 핸드림(13)이 휠(12)과 독립적으로 움직인다(이와 같은 핸드림과 휠의 동작에 대해서는 상술하였는 바, 중복 설명은 생략하도록 한다). 즉 휠(12) 및 휠허브(14)와 핸드림(13) 간에는 물리적 뒤틀림이 발생한다. 따라서 상기 물리적 뒤틀림에 의해 휠허브(14)에 배치된 제1 편광필터(20)와 핸드림(13)에 배치된 제2 편광필터(30)의 투과축은 정상 상태에서 일시적으로 벗어나 각도변화가 일어나며, 상기 각도 변화는 정상 상태일 때 광센서(50)에서 검출된 광량과 각도변화가 일어났을 때 광센서(50)에서 검출된 광량을 비교함으로써 산출할 수 있다(말루스 법칙에 의함). 그리고 산출된 각도 변위와 스프링 부재(18)의 토크 상수를 곱하면 핸드림(13)에 가해진 사용자의 입력 토크가 산출될 수 있다. 즉, 도 4의 (a)에서와 같이 사용자가 전진 방향으로 핸드림(13)에 토크를 줌에 따라 핸드림(13)이 전진 방향으로 소정 각도 회전하며 이에 따라 제1 편광필터(20)와 제2 편광필터(30)의 투과축 각도 차이는 정상 상태일 때의 45도에서 줄어들게 되며(도 4의 (a)에서는 40도로 줄어든 경우를 도시함), 이에 따라 광센서(50)에서 수광하는 광의 광량이 정상 상태와 비교하여 변하게 된다. 이 때, 연산부에서는 광센서(50)로부터 변화된 각도에 따른 광량(광량 데이터, 광량 신호 등)을 수신하고 말루스의 법칙을 기반으로 제1 편광필터(20)와 제2 편광필터(30)의 각도 변위를 역산할 수 있다. 그리고 산출된 각도 변위에 기 입력되어 있는 스프링 부재(18)의 토크상수를 곱함으로써 사용자의 입력 토크를 산출할 수 있다. 상기 연산부에서는 산출된 사용자의 입력 토크를 제어부로 송신하고, 상기 제어부에서는 상기 사용자의 입력 토크에 기반하여 휠(12)의 회전을 보조하는 모터의 회전수 등을 제어하는 제어신호를 생성하여 모터(15, 도 2 참고)의 회전을 제어할 수 있다. 모터(15)의 회전은 기어박스(16, 도 2 참고)에 위치한 감속기, 링기어 등을 거쳐 휠허브(14)로 전달됨으로써 휠(12)을 회전시키는 구동력을 제공함으로써 사용자의 구동을 보조할 수 있다. 다시 얘기하면 사용자의 전진 방향으로의 구동의지를 광센서(50)를 통해 감지하고, 이에 따라 모터를 제어함으로써 사용자의 구동을 보조하게 되는 것이다.
반대로, 도 4의 (b)에서와 같이 사용자가 후진 방향으로 핸드림(13)에 토크를 줌에 따라 핸드림(13)이 후진 방향으로 소정 각도 회전하며 이에 따라 제1 편광필터(20)와 제2 편광필터(30)의 투과축 각도 차이는 정상 상태일 때의 45에서 커지게 되며(도 4의 (b)에서는 50도로 커진 경우를 도시함), 이에 따라 광센서(50)에서 수광하는 광의 광량이 정상 상태와 비교하여 변하게 된다. 상술한 것처럼 연산부에서는 제1 편광필터(20)와 제2 편광필터(30)의 각도 변위를 역산하고, 산출된 각도 변위에 기 입력되어 있는 스프링 부재(18)의 토크상수를 곱함으로써 사용자의 입력 토크를 산출할 수 있다. 마찬가지로 상기 제어부에서는 상기 연산부로부터 수신한 사용자의 입력 토크에 기반하여 모터(15)의 회전을 제어할 수 있다. 즉 사용자의 후진 방향으로의 구동의지를 광센서(50)를 통해 감지하고, 이에 따라 모터를 제어함으로써 사용자의 구동을 보조하게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구체예들에 따른 근력 보조 휠체어는 휠허브와 핸드림에 각각 편광필터를 배치하고, 상기 편광필터를 투과한 광의 광량을 검출함으로써 상기 광량 변화에 기반하여 사용자 입력 토크를 추정하고, 이에 기반하여 휠의 회전을 어시스트하는 모터를 제어할 수 있다. 따라서 사용자 입력 토크를 추정하기 위한 슬립링이나 원형 커넥터와 같은 특수한 장치들이 요구되지 않는 바, 구동 휠의 디자인 자유도가 높아질 뿐더러 비용 절감 측면에서도 장점을 갖는다.
이상, 본 발명의 구현예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 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 포함됨은 자명하다.
12: 휠 13: 핸드림
14: 휠허브 15: 모터
16: 기어박스 20: 제1 편광필터
30: 제2 편광필터 40: 광원
50: 광센서

Claims (5)

  1. 회전축에 결합하는 휠허브와, 상기 휠허브의 외측에 위치하도록 상기 회전축에 결합하는 핸드림과, 상기 휠허브와 핸드림을 연결하는 탄성부재를 포함하는 근력 보조 휠체어에 있어서,
    상기 휠허브에 배치되는 제1 편광필터와, 상기 제1 편광필터와 대향하도록 상기 핸드림에 배치되는 제2 편광필터 - 투과축이 상기 제1 편광필터의 투과축에 대하여 소정 각도 차이남 - 와, 상기 제2 편광필터의 외측에 위치되어 상기 제2 편광필터 방향으로 광을 조사하는 광원과, 상기 광원과 대향하도록 상기 제1 편광필터의 내측에 위치되어 상기 편광필터들을 투과한 광의 광량을 검출하는 광센서를 더 포함하는 근력 보조 휠체어.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광센서로부터 상기 광량을 수신하고, 상기 광량을 기반으로 상기 핸드림에 가해진 사용자 입력 토크를 추정하는 연산부를 더 포함하는 근력 보조 휠체어.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연산부에서 추정된 사용자 입력 토크에 기반하여 상기 휠허브에 결합된 휠의 회전을 어시스트하는 모터를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어부를 더 포함하는 근력 보조 휠체어.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 편광필터는 상기 제1 편광필터의 투과축에 대하여 45°차이나게 배향되도록 배치되는 근력 보조 휠체어.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 편광필터 및 제2 편광필터는 상기 회전축이 중앙에 위치하는 링형태로 형성되는 근력 보조 휠체어.
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