KR102371922B1 - Control system of electric assist module and control method for wheelchair driving on stairs and stepped terrain - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 마련되는 전동 어시스트 시스템에 있어서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 무한궤도형 주행 부재의 캐터필러부; 상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 상기 캐터필러부의 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 상기 캐터필러부의 Yaw 각도를 추정하는 제어부를 포함하여, 상기 랜딩기어부의 일단이 승강되면, 상기 캐터필러부가 승강되어 계단 또는 단차면과 접촉되고, 이후 상기 캐터필러부의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시키는 것을 일 특징으로 한다.The present invention provides an electric assist system provided in a wheelchair frame in which a seating portion for a passenger to sit is provided on a frame having a footrest and a handle, and driving wheels are provided on both sides of the frame. Caterpillar portion of the caterpillar type traveling member for elevating the steps or steps of the frame; a landing gear unit provided in the caterpillar unit, the free ends of which are raised/lowered before and after the center of gravity of the wheelchair frame as an axis; a 3-axis acceleration sensor for measuring the x, y, and z-axis acceleration of the caterpillar part; and a controller for estimating the yaw angle of the caterpillar part by calculating the roll angle and the pitch angle with the data of the acceleration sensor. , then, by driving the step by driving the caterpillar part, it is characterized in that the step is raised or lowered by the stairs or the slope of the step of the wheelchair frame without an assistant.

Description

계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈을 포함한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법{CONTROL SYSTEM OF ELECTRIC ASSIST MODULE AND CONTROL METHOD FOR WHEELCHAIR DRIVING ON STAIRS AND STEPPED TERRAIN}Electric assist system including electric assist module for wheelchair driving on stairs and step terrain, and control method of electric assist module

본 발명은 휠체어의 경사 주행을 보조하는 전동 어시스트 모듈을 제어하는 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 휠체어의 계단 또는 단차 주행을 보조자 없이 탑승자의 조작으로 주행할 수 있도록 보조하는 전동 어시스트 모듈의 Yaw각도를 추정하여 전동 어시스트 모듈을 제어할 수 있는 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and control method for controlling an electric assist module that assists inclining driving of a wheelchair. It relates to a system and a control method capable of controlling an electric assist module by estimating.

휠체어는 다리가 자유롭지 못하거나, 몸이 불편하여 걷기가 어려운 사람을 대상으로 앉은 상태에서 이동할 수 있도록 의자에 바퀴가 구비되는 구조를 갖는다. 최근 급격한 고령화와 보행 장애인들의 숫자 증가로 인해 교통 약자의 수가 비약적으로 증가하여 2017년에는 14,963천 명으로 전체 인구의 28.9%를 차지하게 되었다. 그에 따라 교통 약자들의 주요 이동수단인 휠체어의 수요가 점점 증가하고, 다양한 환경에서 휠체어 이용 욕구가 증가하고 있다.A wheelchair has a structure in which a chair is provided with wheels so that it can be moved in a seated state for a person who does not have free legs or who has difficulty walking due to physical discomfort. Recently, due to the rapid aging of the population and the increase in the number of people with walking disabilities, the number of people with disabilities in transportation has dramatically increased. Accordingly, the demand for wheelchairs, which are the main means of transportation for the transportation disadvantaged, is increasing, and the desire to use wheelchairs in various environments is increasing.

휠체어를 이용하여 외출 시 불편한 점으로 응답한 내용 중 턱이 있는 곳이 20.8%, 계단이 20%로 많은 사람들이 단차가 있는 지형 이동에 어려움을 겪고 있다고 조사되었다. 휠체어 사용자들은 계단 및 경사 지형 이동을 위해 별도의 승강기 혹은 리프트 등을 이용해야 한다. 하지만 기존 전동휠체어 크기와 중량으로 리프트 사용 제한이 있고 승강기 혹은 리프트 등이 설치되어있지 않은 건물의 경우 계단 이동을 위해서는 보호자가 직접 사용자를 들어서 이동시켜야 하는 번거로움이 있다. 또한, 계단 이동에 있어 해결방안으로 별도의 경사 혹은 리프트 등을 설치하는 경우가 있지만 주 이동 경로마다 설치해야 하여 추가 비용이 부과되고, 구조적 문제로 설치가 어렵다. 따라서 휠체어 사용자의 이동권 확보를 위하여 장소와 보호자 여부에 상관없이 스스로 승월하고 수동휠체어에 간단한 부착만으로도 계단 지형 이동이 가능한 장치 개발의 필요성이 대두되고 있다.Among those who answered that they felt uncomfortable when going out using a wheelchair, 20.8% had jaws and 20% had stairs. Wheelchair users must use a separate elevator or lift to move on stairs and slopes. However, in the case of a building that has restrictions on the use of lifts due to the size and weight of the existing electric wheelchair and does not have an elevator or lift installed, there is a hassle in that the guardian has to lift the user directly to move the stairs. In addition, although there are cases where a separate slope or lift is installed as a solution to the movement of stairs, additional costs are charged because they must be installed on each main movement path, and installation is difficult due to structural problems. Therefore, in order to secure the mobility rights of wheelchair users, there is a need to develop a device that can climb on its own regardless of location or guardian and can move on stairs by simply attaching it to a manual wheelchair.

휠체어 사용자 스스로 계단을 승월할 수 있는 장치로는 바퀴 형태의 iBot, 무한궤도형의 Scelovo와 Topchair가 대표적이다. iBot과 같은 바퀴 형태의 계단 승월 장치는 역진자 형태의 정밀한 균형제어로 계단을 주행한다. 하지만 계단 주행 중 전원 차단에 의한 기립 불가로 인하여. 전복과 같은 안전사고가 일어날 수 있다. 이에 안전한 계단 승월을 위한 장치 개발에 있어 대부분의 연구에서는 일반 바퀴가 아닌 무한궤도형 메커니즘을 이용한 연구가 병행되고 있다. 무한궤도형 메커니즘은 굴곡면 접촉 성능이 뛰어나 접지 부위가 고르게 분포되므로 타 구동 방법에 비해 장애물 또는 계단을 승월하는데 있어 안정적인 주행이 가능하다. Examples of devices that allow wheelchair users to climb stairs on their own are the wheel-type iBot, and the caterpillar-type Scelovo and Topchair. A wheel-type stair climbing device such as the iBot runs the stairs with precise balance control in the form of an inverted pendulum. However, due to the inability to stand up due to power cut off while driving on the stairs. Accidents such as overturning may occur. Therefore, in most of the studies on the development of devices for safe stair climbing, studies using a caterpillar-type mechanism rather than a general wheel are being conducted in parallel. Since the caterpillar-type mechanism has excellent contact performance with curved surfaces and the grounding area is evenly distributed, stable driving is possible in climbing obstacles or stairs compared to other driving methods.

기존 연구의 경우 무한궤도 메커니즘은 안정적 계단 진입, 계단 승월 연구가 중점으로 이루어졌지만 주행 중 발생할 수 있는 예외 상황에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 특히 계단 주행 중 정렬 이상 동작과 같은 Yawing은 슬립현상 및 미끄러운 지면과 같은 외부적인 요인으로 인해 발생할 수 있다. Yawing은 직진성을 잃고 한쪽으로 치우쳐 주행하는 현상을 발생시키고, 전복 등의 안전사고로 이어질 수 있어 연구의 필요성이 높다.In the case of existing studies, studies on the caterpillar mechanism have focused on stable stair entry and stair climbing, but studies on exceptional situations that may occur during driving are insufficient. In particular, yawing such as misalignment during stair driving may occur due to external factors such as slippage and slippery ground. Yawing loses straightness and causes a phenomenon of driving biased to one side, and it can lead to safety accidents such as overturning, so there is a high need for research.

한편, 종래기술로 미국등록특허 제7080842호는 계단을 위한 휠체어 장치를 개시한다. 현재까지의 종래기술은 단차에 랜딩을 위한 피봇 부재를 구비하나, 전술한 계단 상승시의 전복 등의 안전사고로 인하여 보조자가 필요한 실정이다. 현재, 상용화되고 있는 계단 승강을 위한 휠체어 및 보조 어시스트 모듈은 SANO사의 리프트카 PTR이 있다. 현재 휠체어에 적용되어 휠체어의 계단 주행을 가능하게 하는 무한궤도형 제품도 공개되고 있으나, 리프트카 독자적인 기능으로 보조자 없이 단독으로 휠체어의 계단 승강을 보조하기에는 전복 등의 안전성 문제가 해결되지 못한 실정이다.On the other hand, as a prior art, US Patent No. 7080842 discloses a wheelchair device for stairs. The prior art up to now has a pivot member for landing on the step, but an assistant is required due to safety accidents such as overturning when climbing the stairs. Currently, a commercially available wheelchair and auxiliary assist module for stair climbing is SANO's lift car PTR. Currently, a caterpillar-type product that is applied to a wheelchair and enables the wheelchair to travel up the stairs is also being released, but safety issues such as overturning have not been solved because the liftcar's unique function helps the wheelchair go up and down the stairs alone without an assistant.

본 출원인은 계단 승월을 위한 전동 어시스트 모듈의 승강시 발생될 수 있는 전복의 위험성을 극복하기 위한 제어 시스템으로, Yawing으로 인한 정렬 이상 현상을 안정적으로 보정하는 방법을 제안하고자 한다. 일반적으로 Yawing 각도는 관성센서의 가속도, 각속도 데이터를 통해 측정되지만, 가속도계가 감지하는 중력가속도 방향과 일치하는 Z축에 대한 회전 감지가 어렵고, 각속도계 데이터의 시간 축적에 의한 드리프트 현상 발생으로 인해 센서에 의한 Yawing 각도 측정이 어려운 실정이다. 본 출원인은 회전 감지가 아닌 3축의 가속도 데이터로 Yaw 각도 변화량을 추정하고 이를 이용하여 전동 어시스트 모듈을 제어할 수 있는 시스템 및 방법을 제안한다.The present applicant intends to propose a method for stably correcting an alignment abnormality caused by yawing as a control system for overcoming the risk of overturning that may occur during elevating of an electric assist module for climbing stairs. In general, the yaw angle is measured through the acceleration and angular velocity data of the inertial sensor, but it is difficult to detect rotation about the Z-axis that matches the direction of gravitational acceleration detected by the accelerometer. It is difficult to measure the yaw angle by The present applicant proposes a system and method capable of estimating the amount of yaw angle change using 3-axis acceleration data rather than rotation detection and controlling the electric assist module using this.

미국등록특허 제7080842호US Patent No. 7080842

본 발명은 보조자 없이 휠체어의 계단 및 단차 승강의 주행을 가능하게 하는 전동 어시스트 모듈을 포함한 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 휠체어의 계단 및 단차 승강의 주행시 Yawing 각도를 추정하여 전동 어시스트 모듈을 보정함으로써, 안전성이 우수한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a system and a control method including an electric assist module that enables the driving of stairs and step elevation of a wheelchair without an assistant. Another object of the present invention is to provide an electric assist system and a control method of an electric assist module having excellent safety by estimating a yaw angle during driving of stairs and step elevation of a wheelchair and correcting the electric assist module.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 마련되는 전동 어시스트 시스템에 있어서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 무한궤도형 주행 부재의 캐터필러부; 상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 상기 캐터필러부의 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 상기 캐터필러부의 Yaw 각도를 추정하는 제어부를 포함하여, 상기 랜딩기어부의 일단이 승강되면, 상기 캐터필러부가 승강되어 계단 또는 단차면과 접촉되고, 이후 상기 캐터필러부의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시키는 것을 일 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an electric assist system provided in a wheelchair frame in which a seating portion for a passenger to sit is provided on a frame having a footrest and a handle, and driving wheels are provided on both sides of the frame, the wheelchair a caterpillar part of a caterpillar type traveling member mounted on a frame to elevate stairs or steps of the wheelchair frame; a landing gear unit provided in the caterpillar unit, the free ends of which are raised/lowered before and after the center of gravity of the wheelchair frame as an axis; a 3-axis acceleration sensor for measuring the x, y, and z-axis acceleration of the caterpillar part; and a controller for estimating the yaw angle of the caterpillar part by calculating the roll angle and the pitch angle with the data of the acceleration sensor. , It is characterized in that, by driving the step by driving the caterpillar part, it is characterized in that the stairs or the slope of the step of the wheelchair frame are raised and lowered without an assistant.

바람직하게, 상기 제어부는, x축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Roll 각도를 산출하고, y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도를 산출할 수 있다.Preferably, the control unit calculates the roll angle by the inverse tangent operation of the ratio of the x-axis acceleration value to the z-axis acceleration value, and calculates the pitch angle by the inverse tangent operation of the ratio of the y-axis acceleration value and the z-axis acceleration value. can

바람직하게, 상기 제어부는, 상기 Roll 각도와 상기 Pitch 각도의 비율의 역탄젠트 연산으로 Yaw 각도를 추정하여, 회전량의 분석 없이 Yawing 각도를 추정할 수 있다. Preferably, the control unit may estimate the yaw angle by calculating the inverse tangent of the ratio of the roll angle and the pitch angle to estimate the yaw angle without analyzing the rotation amount.

바람직하게, 본 발명에 따른 전동 어시스트 시스템은 상기 제어부가 추정한 Yaw 각이 비례 제어로 적용되어 구동되는 모터를 포함하고, 모터의 구동으로 상기 캐터필러부의 직진성을 보정하는 보정 제어기를 더 포함할 수 있다.Preferably, the electric assist system according to the present invention includes a motor driven by applying the yaw angle estimated by the control unit as proportional control, and may further include a correction controller for correcting the straightness of the caterpillar unit by driving the motor. .

바람직하게, 상기 보정 제어기는, 상기 제어부의 추정된 Yaw 각도를 피드백 받아 상기 캐터필러부가 기울어진 방향과 회전량에 따라 상기 모터의 입력 속도를 증속 또는 감속할 수 있다.Preferably, the correction controller may receive feedback from the estimated yaw angle of the controller to increase or decrease the input speed of the motor according to a direction in which the caterpillar part is inclined and a rotation amount.

또한, 본 발명은 계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈의 제어 방법에 있어서, 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 전동 어시스트 모듈의 x, y, z축 가속도를 측정하는 (a)단계; 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 x축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Roll 각도를 산출하고, y축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Pitch 각도를 산출하는 (b)단계; 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 (b)단계에서 산출된 Roll 각도와 Pitch 각도를 연산하여 상기 전동 어시스트 모듈의 Yaw 각도를 추정하는 (c)단계; 및 상기 전동 어시스트 모듈의 보정 제어기가 상기 (c)단계에서 추정된 Yaw 각도를 피드백 받아 상기 전동 어시스트 모듈의 직진성을 보정하는 (d)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a method for controlling an electric assist module for wheelchair driving in stairs and step terrain, comprising: (a) measuring, by a controller of the electric assist module, the x, y, z-axis acceleration of the electric assist module; (b) step of the controller of the electric assist module calculating the roll angle of the electric assist module from the x-axis and z-axis acceleration data, and calculating the pitch angle of the electric assist module from the y-axis and z-axis acceleration data; (c) step of the controller of the electric assist module estimating the yaw angle of the electric assist module by calculating the roll angle and the pitch angle calculated in step (b); and (d) the correction controller of the electric assist module receives the feedback of the yaw angle estimated in the step (c) and corrects the straightness of the electric assist module.

본 발명에 따르면, 무한궤도의 캐터필러부가 계단의 단차를 선형적으로 승강시키고, 캐터필러부의 초기 랜딩을 위한 별도의 랜딩기어부가 구비되어 보조자 없이도 휠체어의 계단 승강이 가능한 이점이 있다. According to the present invention, the caterpillar part of the caterpillar track linearly raises and lowers the step of the stairs, and a separate landing gear part for the initial landing of the caterpillar part is provided, so that it is possible to ascend and descend the stairs of the wheelchair without an assistant.

또한 본 발명은, 랜딩기어부가 전후방의 자유단을 갖고 무게중심을 기준으로 전/후방을 승강시키며, 계단 등의 연속된 단차 상승시 무게중심을 계단 쪽으로 위치시켜 후진 주행으로 낙상 방지를 위한 안정적인 주행이 가능하도록 한다. 또한, 계단이 아닌 1단의 단차 등의 둔덕의 장애물에서는 단차를 정면으로 바라보고 승강하여 단차의 종류에 따라 사용자가 적절히 대응할 수 있도록 보조하는 이점이 있다. In addition, in the present invention, the landing gear unit has front and rear free ends and raises and lowers the front/rear based on the center of gravity, and the center of gravity is positioned toward the stairs when a continuous step difference such as stairs is raised. make this possible In addition, there is an advantage of assisting the user so that the user can properly respond according to the type of the step by looking at the step in the front and ascending and descending from the obstacle of the hill, such as a step difference of one step rather than the stairs.

또한 본 발명은, 제어부가 Yaw각도를 추정하여 캐터필러부의 직진성을 적절히 보정함에 따라 전동 어시스트 모듈의 안정성을 향상시키는 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of improving the stability of the electric assist module as the control unit estimates the yaw angle and appropriately corrects the straightness of the caterpillar unit.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈이 휠체어 프레임에 결합된 휠체어의 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 사시도를 나타낸다.
도 3은 캐터필러부의 계단 및 경사 주행 중 외부적인 요인으로 인한 Yawing 발생 모델을 묘사한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보정 제어기의 제어 블록도를 나타낸 것이다.
도 5는 실험례 수행을 위한 전동 어시스트 모듈과 실험 계단 환경 및 실험 진행 시뮬레이션을 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 실험환경에 따른 실험 수행 모습을 나타낸 것이다.
도 7은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=10)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 8은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 9은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다.
도 10는 실험례로서, 비례계수가 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 11은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다.
1 is a perspective view of a wheelchair in which an electric assist module is coupled to a wheelchair frame according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a perspective view of an electric assist module according to an embodiment of the present invention.
3 is a depiction of a yawing generation model due to external factors during stairway and inclined driving of the caterpillar unit.
4 is a control block diagram of a correction controller according to an embodiment of the present invention.
5 shows an electric assist module for performing an experimental example, an experimental staircase environment, and an experimental progress simulation.
6 is a view showing an experiment performed according to the experimental environment of FIG. 5 .
7 is an experimental example, showing the roll, pitch, and yaw data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =10).
8 is an experimental example, showing the roll, pitch, and yaw data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =200).
9 is an experimental example, showing the speed correction data and angular velocity data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =200).
10 is an experimental example, and shows the roll, pitch, and yaw data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =700).
11 shows, as an experimental example, speed correction data and angular velocity data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =700).

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. The same reference numerals provided in the respective drawings indicate members that perform substantially the same functions.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.Objects and effects of the present invention can be naturally understood or made clearer by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)이 휠체어 프레임(10)에 결합된 휠체어(1)의 사시도를 나타낸다.1 shows a perspective view of a wheelchair 1 in which an electric assist module 3 according to an embodiment of the present invention is coupled to a wheelchair frame 10 .

도 1을 참조하면, 계단 및 단차의 승강이 가능한 본 실시예에 따른 휠체어(1)는 휠체어 프레임(10)과 전동 어시스트 모듈(3)을 포함할 수 있다. 휠체어 프레임(10)은 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임(11)에 탑승자가 앉게 되는 착석부(13)가 마련되고, 프레임(11)의 양측에 구동바퀴(15)가 구비된다. 본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 휠체어 프레임(10)에 일체형으로 결합되어 보급되어도 무방하고, 휠체어 프레임(10)과 호환 가능하도록 별도로 보급되어도 무방하다.Referring to FIG. 1 , the wheelchair 1 according to the present embodiment capable of ascending and descending stairs and steps may include a wheelchair frame 10 and an electric assist module 3 . The wheelchair frame 10 is provided with a seating portion 13 on which a passenger sits on the frame 11 having a footrest and a handle, and driving wheels 15 are provided on both sides of the frame 11 . The electric assist module 3 according to the present embodiment may be supplied by being integrally coupled to the wheelchair frame 10 , or may be supplied separately to be compatible with the wheelchair frame 10 .

전동 어시스트 모듈(3)은 휠체어 프레임(10)의 하부에 체결된다. 바람직하게, 전동 어시스트 모듈(3)은 좌우측 구동바퀴(15)의 사이공간에 체결되어 마련될 수 있다. 전동 어시스트 모듈(3)은 평지에서 구동바퀴(15)의 주행을 방해하지 않으나, 탑승자가 경사 또는 계단 또는 보도블럭의 단일성 단차를 주행할 수 있도록 보조한다. The electric assist module 3 is fastened to the lower part of the wheelchair frame 10 . Preferably, the electric assist module 3 may be provided by being fastened to the space between the left and right driving wheels 15 . The electric assist module 3 does not interfere with the driving of the driving wheels 15 on flat ground, but assists the occupant to drive on a slope or a single step of a staircase or sidewalk block.

전동 어시스트 모듈(3)은 캐터필러부(30), 랜딩기어부(50), 및 제어부(70)를 포함하여 구성될 수 있다. 전동 어시스트 모듈(3)은 랜딩기어부(50)의 일단이 승강되면, 캐터필러부(30)가 반력으로 승강되어 계단 또는 단차면과 캐터필러부(30)가 접촉될 수 있도록 한다. 이후, 캐터필러부(30)의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 휠체어 프레임(10)의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시킬 수 있도록 한다.The electric assist module 3 may include a caterpillar unit 30 , a landing gear unit 50 , and a control unit 70 . In the electric assist module 3 , when one end of the landing gear unit 50 is raised and lowered, the caterpillar unit 30 is raised and lowered by reaction force so that the stairs or step surface and the caterpillar unit 30 come into contact with each other. Thereafter, the step is driven by the driving of the caterpillar unit 30 so that the stairs or the slope of the step of the wheelchair frame 10 can be raised and lowered without an assistant.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 사시도를 나타낸다.Figure 2 shows a perspective view of the electric assist module (3) according to an embodiment of the present invention.

캐터필러부(30)는 복수개의 휠(31) 및 휠(31)을 회전시키는 체인벨트(33)가 마련되는 무한궤도형 주행 부재로서, 휠체어 프레임(10)에 장착되어 휠체어 프레임(10)의 계단 또는 단차를 승강한다. 도면에는 도시되지 않았으나, 캐터필러부(30)에는 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서가 마련될 수 있다. 가속도 센서는 x, y, z축의 가속도를 각각 측정할 수 있는 주지의 구성이어도 무방하다. 가속도 센서는 캐터필러부(30)의 중앙 하부에 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The caterpillar unit 30 is a caterpillar type traveling member provided with a plurality of wheels 31 and a chain belt 33 for rotating the wheels 31 , and is mounted on the wheelchair frame 10 and is a step of the wheelchair frame 10 . Or raise and lower the step. Although not shown in the drawings, the caterpillar unit 30 may be provided with a 3-axis acceleration sensor for measuring x, y, and z-axis acceleration. The acceleration sensor may have a well-known configuration capable of measuring accelerations in the x, y, and z axes, respectively. The acceleration sensor may be provided at the lower center of the caterpillar unit 30 , but is not limited thereto.

본 실시예로, 캐터필러부(30)는 휠체어 프레임(10)의 계단 승강을 주행하는 바퀴로 구동바퀴(15)와 구분된다. 계단 승강시의 주행은 캐터필러부(30)에 의해 수행된다. 캐터필러부(30)는 휠(31)과 체인벨트(33)로 이루어진 무한궤도형 주행 부재로 구동바퀴(15) 형태의 계단 승월 장치가 갖는 역진자 형태의 정밀한 균형제어가 없어도 굴곡면 접촉 성능이 뛰어나고 접지 부위가 고르게 분포되는 특징을 갖는다. 무한궤도형 캐터필러부(30)는 연속 단차를 갖는 계단에서 체인벨트(33)가 연속적인 주행면을 제공하여 계단승월에 특히 탁월하다. 한편, 여러 연구에서 무한궤도 메커니즘의 안정적 계단 진입, 계단 승월 연구가 중점적으로 이루어졌지만 주행중 발생할 수 있는 예외 상황에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 특히, 계단 주행 중 정렬이상 동작과 같은 Yawing은 직진성을 잃고 한쪽으로 치우쳐 주행하는 현상을 발생시킬 수 있고, 전복 등의 안전사고로 이어질 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 캐터필러부(30)의 안정적인 계단진입을 위한 수단으로 랜딩기어부(50)를 구성한다. 또한, 캐터필러부(30)의 안정적인 주행을 위한 구동 제어의 로직이 탑재된 제어부(70)가 포함될 수 있다.In this embodiment, the caterpillar unit 30 is a wheel that travels up and down the stairs of the wheelchair frame 10 and is distinguished from the driving wheel 15 . Driving when ascending and descending stairs is performed by the caterpillar unit 30 . The caterpillar part 30 is a caterpillar-type traveling member consisting of a wheel 31 and a chain belt 33. Even without precise balance control in the inverted pendulum shape of the driving wheel 15-type stair climbing device, the curved surface contact performance is excellent. It is excellent and has the characteristic that the grounding area is evenly distributed. The caterpillar part 30 of the caterpillar track type is particularly excellent for climbing stairs because the chain belt 33 provides a continuous running surface in the stairs having a continuous step. On the other hand, several studies have focused on stable stair entry and stair climbing of the caterpillar mechanism, but studies on exceptional situations that may occur during driving are insufficient. In particular, yawing, such as misalignment behavior during stair driving, may cause a phenomenon of losing straightness and driving biased to one side, which may lead to safety accidents such as overturning. Accordingly, in the present embodiment, the landing gear unit 50 is configured as a means for stably entering the stairs of the caterpillar unit 30 . In addition, the control unit 70 in which the logic of driving control for stable driving of the caterpillar unit 30 is mounted may be included.

랜딩기어부(50)는 캐터필러부(30)에 마련되며, 휠체어 프레임(10)의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강될 수 있다. 랜딩기어부(50)는 캐터필러부(30)의 초기 승강을 위한 보조부재를 의미한다. 본 실시예에 따른 랜딩기어부(50)는 휠체어를 기준으로 전방 또는 후방을 각각 승강시킬 수 있는 기어 구조로 제공됨에 주목한다. 보조자 없는 휠체어의 계단승강은 사용자가 후방을 바라보도록 하여 계단을 등지고 승강하도록 구동시켜야 낙상 등의 안전사고를 방지할 수 있다. 따라서, 휠체어의 전방 또는 후방을 단차의 종류에 따라 구분하여 주행할 수 있도록, 랜딩기어부(50)는 휠체어의 전방을 들어올리거나 후방을 들어올리도록 마련됨이 바람직하다.The landing gear unit 50 is provided in the caterpillar unit 30 , and the free ends of the front/rear sides may be raised/lowered around the center of gravity of the wheelchair frame 10 as an axis. The landing gear unit 50 means an auxiliary member for the initial elevation of the caterpillar unit 30 . It is noted that the landing gear unit 50 according to the present embodiment is provided with a gear structure capable of elevating the front or the rear, respectively, based on the wheelchair. When ascending and descending stairs in a wheelchair without an assistant, safety accidents such as falls can be prevented by driving the user to face the rear to ascend and descend with the back of the stairs. Therefore, it is preferable that the landing gear unit 50 is provided to lift the front or rear of the wheelchair so that the front or rear of the wheelchair can be driven separately according to the type of step.

랜딩기어부(50)는 기어축(51), 전방 랜딩 휠(53), 후방 랜딩 휠(55) 및 구동 모듈(57)을 포함할 수 있다.The landing gear unit 50 may include a gear shaft 51 , a front landing wheel 53 , a rear landing wheel 55 , and a driving module 57 .

랜딩기어부(50)는 계단 승강시 탑승자가 계단을 등질 수 있도록 휠체어 프레임(10)의 방향이 후진 방향으로 전환된 상태에서 전방의 자유단이 승강되도록 제어된다. 또한 랜딩기어부(50)는, 단차 승강시 탑승자가 정면을 향하도록 휠체어 프레임(10)의 방향을 정면으로 위치시킨 상태에서 후방의 자유단이 승강되도록 제어된다. 랜딩기어부(50)는 1회성의 단차 승강시에는 탑승자가 직진으로 단차 지형을 주행하고, 계단의 복수개 단차 승강시에는 탑승자가 후진으로 단차 지형을 주행하도록 제어될 수 있다.The landing gear unit 50 is controlled so that the front free end is raised and lowered in a state in which the direction of the wheelchair frame 10 is switched to the reverse direction so that the passenger can have his or her back on the stairs when ascending and descending the stairs. In addition, the landing gear unit 50 is controlled so that the free end of the rear is raised and lowered in a state in which the direction of the wheelchair frame 10 is positioned in the front so that the passenger faces the front when the step is lifted. The landing gear unit 50 may be controlled so that the occupant travels the stepped terrain in a straight line when ascending and descending by a single step, and the passenger travels the stepped terrain in a reverse manner when ascending and descending by a plurality of steps of the stairs.

기어축(51)은 휠체어 프레임(10)의 무게중심에 위치한다. 도 2를 참조하면, 기어축(51)은 캐터필러부(30)의 하부에 마련되며, 기어를 구동하는 DC 모터를 중앙에 두고 양측에 마련되었다. 기어축(51)은 도 2와 같이 병렬 프레임으로 마련될 수 있을 뿐만 아니라, 단일 프레임으로 마련되어도 무방하다. The gear shaft 51 is located at the center of gravity of the wheelchair frame 10 . Referring to FIG. 2 , the gear shaft 51 is provided under the caterpillar part 30 and provided on both sides with a DC motor driving the gear in the center. The gear shaft 51 may be provided as a parallel frame as shown in FIG. 2 , but may also be provided as a single frame.

전방 랜딩 휠(53)과 후방 랜딩 휠(55)은 기어축(51)을 중심으로 전후 방향 신장된 길이를 갖는 몸체에 마련된다. 전방 랜딩 휠(53)과 후방 랜딩 휠(55)은 몸체의 단부에 각각 휠이 마련되며, 상보적인 구동을 할 수 있다. The front landing wheel 53 and the rear landing wheel 55 are provided on a body having a length extending in the front-rear direction about the gear shaft 51 . The front landing wheel 53 and the rear landing wheel 55 are provided with wheels at the ends of the body, respectively, and can be driven complementary to each other.

구동 모듈(57)은 모터를 구비하여 기어축(51)을 중심으로 전방 랜딩 휠(53) 또는 후방 랜딩 휠(55)을 선택적으로 승강시켜서 캐터필러부(30)의 일측을 승강시킬 수 있다. 구동 모듈(57)은 캐터필러부(30)의 후방에 위치하여 후방 랜딩 휠(55)에 연결될 수 있다.The driving module 57 may include a motor to selectively elevate the front landing wheel 53 or the rear landing wheel 55 around the gear shaft 51 to elevate one side of the caterpillar unit 30 . The driving module 57 may be located at the rear of the caterpillar unit 30 and connected to the rear landing wheel 55 .

전방 랜딩 휠(53)과 후방 랜딩 휠(55)은 캐터필러부(30)의 하부에 배치되어, 전방 랜딩 휠(53)이 승강시 캐터필러부(30)의 후단이 승강되고, 후방 랜딩 휠(55)이 승강시 캐터필러부(30)의 전단이 승강된다. The front landing wheel 53 and the rear landing wheel 55 are disposed under the caterpillar part 30, and when the front landing wheel 53 is raised and lowered, the rear end of the caterpillar part 30 is raised and lowered, and the rear landing wheel 55 ), the front end of the caterpillar unit 30 is raised and lowered when this is lifted.

구동 모듈(57)은 계단의 승강시 전방 랜딩 휠(53)을 승강시키고, 계단이 아닌 단차의 승강시 후방 랜딩 휠(55)을 승강시킬 수 있다. 구동 모듈(57)은 하기에서 설명하게 될 보정 제어기를 구비할 수 있다.The driving module 57 may raise and lower the front landing wheel 53 when ascending and descending stairs, and may raise or lower the rear landing wheel 55 when ascending or descending a step other than stairs. The driving module 57 may include a correction controller, which will be described below.

제어부(70)는 랜딩기어부(50)를 제어하여 캐터필러부(30)의 안정적인 계단 승강을 가능하도록 한다. The control unit 70 controls the landing gear unit 50 to enable stable stair elevation of the caterpillar unit 30 .

본 실시예로, 제어부(70)는 캐터필러부(30)에 마련된 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 캐터필러부(30)의 Yaw 각도를 추정할 수 있다.In this embodiment, the control unit 70 may estimate the yaw angle of the caterpillar unit 30 by calculating the roll angle and the pitch angle using data of the acceleration sensor provided in the caterpillar unit 30 .

도 3은 캐터필러부(30)의 계단 및 경사 주행 중 외부적인 요인으로 인한 Yawing 발생 모델을 묘사한 것이다. 도 3을 참조하면, Yaw(ψ)는 전동 어시스트 모듈(3)을 축으로 일어나는 회전운동으로 캐터필러부(30)가 한쪽으로 기우뚱해지는 각도를 지칭한다. Roll(ρ)은 전방 Yaw의 기울임으로 인해 후방에 발생된 X-Y평면에서의 기울임된 각도를 지칭한다. Pitch(

Figure 112019120271265-pat00001
)는 Z축 높이 방향의 기울임된 각도를 지칭한다. FIG. 3 depicts a yawing generation model due to external factors during stairs and inclined driving of the caterpillar unit 30 . Referring to FIG. 3, Yaw (ψ) refers to an angle at which the caterpillar unit 30 is inclined to one side due to a rotational movement occurring around the electric assist module 3 as an axis. Roll(ρ) refers to the tilted angle in the XY plane generated at the rear due to the tilt of the front yaw. Pitch(
Figure 112019120271265-pat00001
) refers to the tilted angle in the Z-axis height direction.

전동 어시스트 모듈(3)의 주행 좌표계는 평지 주행시 Yaw 축 이외에서 회전은 존재하지 않지만, 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 및 경사로면에서 주행시 지역 좌표계 기준 Roll, Pitch 축 회전이 발생된다. 보다 상세히 Yawing 모델을 설명하면, 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 위를 주행하게 되면, 계단의 각도(α)만큼 Pitching이 관측된 상태로 주행하게 된다. 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 주행중 Yawing이 발생하게 되면, 전동 어시스트 모듈(3)의 주행 좌표계(X, Y, Z)에서 Yaw의 각(ψ)만큼 정렬 이상 현상이 발생된다. 이 때, 계단 지형의 특성상 자유도가 제한되어 Rolling이 동시에 발생하게 된다. 정리하면, 전동 어시스트 모듈(3)의 Yawing 발생시 지역좌표계 기준, Roll, Pitch 각도의 변화가 관측된다.In the driving coordinate system of the electric assist module 3, rotation does not exist other than the yaw axis when driving on flat ground, but when the electric assist module 3 is driving on stairs and slopes, the local coordinate system based Roll and Pitch axis rotation occurs. To explain the yawing model in more detail, when the electric assist module 3 travels on the stairs, it travels in a state where pitching is observed as much as the angle α of the stairs. When the electric assist module (3) yawing occurs during stair driving, an alignment abnormality occurs as much as the angle (ψ) of the yaw in the traveling coordinate system (X, Y, Z) of the electric assist module (3). At this time, the degree of freedom is limited due to the nature of the stair topography, and rolling occurs at the same time. In summary, when the yawing of the electric assist module (3) occurs, changes in the local coordinate system standard, roll, and pitch angle are observed.

계단 승월을 위한 전동 어시스트 모듈(3)의 계단 주행 중 Yaing은 Yaw축 회전량 분석을 통해 상황 감지가 가능하다. 그러나, 전술한 바와 같이 Yaw 각은 가속도계에서의 회전 감지가 어렵고, 각속도계에서의 드리프트 현상으로 측정이 어렵다. 때문에, 본 실시예에서는 이의 해결을 위해 Roll과 Pitch의 각을 이용해 Yaw의 각을 간접적으로 추정한다.During the stair driving of the electric assist module (3) for stair climbing, Yaing can detect the situation through the Yaw axis rotation amount analysis. However, as described above, the yaw angle is difficult to detect rotation in the accelerometer and difficult to measure due to the drift phenomenon in the accelerometer. Therefore, in this embodiment, the angle of the yaw is indirectly estimated using the angles of the roll and the pitch to solve this problem.

본 실시예로, 제어부(70)는 x축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Roll 각도 ρ를 산출할 수 있다. 제어부(70)가 산출하는 Roll(ρ)은 하기의 [수학식 1]로 나타낼 수 있다.In this embodiment, the controller 70 may calculate the roll angle ρ by calculating the inverse tangent of the ratio of the x-axis acceleration value to the z-axis acceleration value. Roll(ρ) calculated by the control unit 70 may be expressed by the following [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019120271265-pat00002
Figure 112019120271265-pat00002

여기서, Ax는 x축 가속도 데이터를, Az는 z축 가속도 데이터를 의미한다.Here, Ax denotes x-axis acceleration data, and Az denotes z-axis acceleration data.

제어부(70)는 y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도

Figure 112019120271265-pat00003
를 산출할 수 있다. 제어부(70)가 산출하는 Pitch(
Figure 112019120271265-pat00004
)는 하기의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.The control unit 70 calculates the pitch angle by calculating the inverse tangent of the ratio of the y-axis acceleration value to the z-axis acceleration value.
Figure 112019120271265-pat00003
can be calculated. Pitch calculated by the control unit 70 (
Figure 112019120271265-pat00004
) can be expressed by the following [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019120271265-pat00005
Figure 112019120271265-pat00005

여기서, Ay는 y축 가속도 데이터를, Az는 z축 가속도 데이터를 의미한다.Here, Ay denotes y-axis acceleration data, and Az denotes z-axis acceleration data.

Yaw의 각도 ψ는 주행 중 발생하는 가속도 데이터로 인해 동적 모델에서는 측정이 어렵고 각속도계의 데이터는 시간 축적에 의한 드리프트 현상으로 오차가 발생한다. 이론적으로 Yaw의 각도는 같은 원리로 [수학식 3]과 같이 산출될 수 있을 것이다.The angle ψ of the yaw is difficult to measure in a dynamic model due to acceleration data generated while driving, and errors occur in the gyrometer data due to drift due to time accumulation. Theoretically, the angle of Yaw can be calculated as in [Equation 3] on the same principle.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019120271265-pat00006
Figure 112019120271265-pat00006

[수학식1, 2]와 같이 Roll(ρ), Pitch(

Figure 112019120271265-pat00007
), Yaw(ψ)의 값을 가속도 센서의 데이터를 이용하여 구할 수 있으나, Yaw의 각 ψ은 전동 어시스트 모듈(3)의 주행 중, 중력 가속도 방향과 일치하는 Z축에 대한 회전 감지가 어려워 센서 데이터의 정확도가 낮다. 제어부(70)는 Yaw각을 직접 산출하지 않고, 전동 어시스트 모듈(3)에 부착된 가속도 센서에서 측정된 Ax, Ay 가속도 데이터를 가속도계가 감지하는 중력가속도 데이터 Az를 기준으로 Roll(ρ)과 Pitch(
Figure 112019120271265-pat00008
)를 산출함에 주목한다.As in [Equation 1, 2], Roll(ρ), Pitch(
Figure 112019120271265-pat00007
) and Yaw(ψ) can be obtained using the data of the acceleration sensor, but each ψ of Yaw is difficult to detect rotation about the Z axis that coincides with the direction of gravitational acceleration while the electric assist module 3 is running. Data accuracy is low. The control unit 70 does not calculate the yaw angle directly, but roll (ρ) and pitch based on the gravitational acceleration data Az that the accelerometer senses the Ax and Ay acceleration data measured by the acceleration sensor attached to the electric assist module 3 . (
Figure 112019120271265-pat00008
) is calculated.

여기서, Yaw(ψ)의 각도가 0°인 상황에서 Roll(ρ)과 Pitch(

Figure 112019120271265-pat00009
)는
Figure 112019120271265-pat00010
의 관계를 갖는다. 반면, Yaw(ψ)의 각도가 90°인 상황에서 Roll(ρ)과 Pitch(
Figure 112019120271265-pat00011
)는
Figure 112019120271265-pat00012
의 관계를 갖는다. 상기의 관계식을 고찰해보면, Roll(ρ)과 Pitch(
Figure 112019120271265-pat00013
) 및 Yaw(ψ) 의 각도는 탄젠트 함수의 성질을 갖고 있다. Here, in the situation where the angle of Yaw(ψ) is 0°, Roll(ρ) and Pitch(
Figure 112019120271265-pat00009
)Is
Figure 112019120271265-pat00010
have a relationship of On the other hand, in the situation where the angle of Yaw(ψ) is 90°, Roll(ρ) and Pitch(
Figure 112019120271265-pat00011
)Is
Figure 112019120271265-pat00012
have a relationship of Considering the above relation, Roll(ρ) and Pitch(
Figure 112019120271265-pat00013
) and the angle of Yaw(ψ) have properties of a tangent function.

상기의 원리에 근거하여, 제어부(70)는 Roll 각도와 Pitch 각도의 비율의 역탄젠트 연산으로 Yaw 각도를 추정하여, 회전량의 분석 없이 Yawing 각도를 추정할 수 있다. 제어부(70)가 추정하는 Yaw(ψ) 의 각도는 하기의 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.Based on the above principle, the control unit 70 may estimate the yaw angle by calculating the inverse tangent of the ratio of the roll angle and the pitch angle, and estimate the yaw angle without analyzing the rotation amount. The angle of Yaw(ψ) estimated by the controller 70 may be expressed by the following [Equation 4].

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019120271265-pat00014
Figure 112019120271265-pat00014

제어부(70)는 추정된 Yaw(ψ)의 정보를 이용하여 보정 제어기를 제어할 수 있다. 보정 제어기는 구동 모듈(57) 상에 구비될 수 있다. 보정 제어기는 구동 모듈(57)이 구비한 모터의 구동으로 캐터필러부(30)의 직진성을 보정한다. The controller 70 may control the correction controller by using the estimated Yaw(ψ) information. The correction controller may be provided on the driving module 57 . The correction controller corrects the straightness of the caterpillar unit 30 by driving the motor included in the driving module 57 .

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보정 제어기의 제어 블록도를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 보정 제어기는 Left와 Right를 각각 제어하는 모터에 Velocity_L,_R의 속도를 입력받는다. 보정 제어기는 주행중 제어부(70)가 추정한 Yaw(ψ) 각을 피드백하여 기울어진 방향과 회전량에 따라 입력 속도를 증속 또는 감속한다. 보정 제어기는 증속, 또는 감속 된 Velocity Control_L,_R를 모터에 입력하여 직진성을 보정한다. 4 is a control block diagram of a correction controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , the correction controller receives velocities of Velocity_L and _R from motors respectively controlling Left and Right. The correction controller feeds back the Yaw (ψ) angle estimated by the controller 70 while driving, and increases or decreases the input speed according to the inclined direction and the amount of rotation. The correction controller compensates the straightness by inputting the increased or decreased Velocity Control_L,_R to the motor.

보정 제어기가 수행하는 보정 로직은 하기의 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.The correction logic performed by the correction controller may be expressed by the following [Equation 5].

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019120271265-pat00015
Figure 112019120271265-pat00015

보정 제어기는 [수학식 5]에 따라 모터의 속도 Velocity Contorl_L 과 Velocity Control_R을 추정된 Yaw(ψ) 각도에 따라 제어하여 직진성을 보정하며, 전동 어시스트 모듈(3)의 특성상 지속적인 각도 변화로 인해 β°를 Threshold로 설정하여 β°이내의 범위를 안정 범위로 판단하여 보정을 적용하지 않을 수 있다. Kp는 비례상수로 제어기의 민감도를 결정하고 실험에 따른 성능 변화를 통해 선정될 수 있다. The correction controller corrects the straightness by controlling the speed Velocity Control_L and Velocity Control_R of the motor according to the estimated yaw (ψ) angle according to [Equation 5], and due to the characteristic of the electric assist module (3), β° By setting as Threshold, the range within β° is judged as a stable range, and correction may not be applied. Kp is a proportional constant that determines the sensitivity of the controller and can be selected through performance changes according to experiments.

실험례experimental example . 전동 어시스트 모듈의 직진성 보정 . Straightness correction of electric assist module

도 5는 실험례 수행을 위한 전동 어시스트 모듈과 실험 계단 환경 및 실험 진행 시뮬레이션을 나타낸 것이다. 도 6은 도 5의 실험환경에 따른 실험 수행 모습을 나타낸 것이다.5 shows an electric assist module for performing an experimental example, an experimental staircase environment, and an experimental progress simulation. 6 is a view showing an experiment performed according to the experimental environment of FIG. 5 .

본 실험례에서는 제안된 Yaw 각도 추정 기법과 직진성 보정 제어기의 성능 검증을 위하여 실제 전동 어시스트 모듈(3)에 Yaw 각도 추정 기법과 직진성 보정 시스템을 적용하여 직진성 보정 여부를 확인한다. 또한 Kp의 변화에 따른 성능 변화를 위해 Kp의 값을 10-700까지 변화를 주어 시스템의 직진성 보정 여부와 회전 각속도의 변화를 조사하였다. 실험을 진행하여 대표적인 특징을 보이는 세가지 경우에 대하여 데이터 그래프를 결과로 산출하였다. 성능 검증 실험을 위하여 실계단 실험환경 및 실험 장치를 도 5, 6과 같이 구현하였다. 도 5를 참조하면, 휠체어 이용자의 이동 중 접할 수 있는 가장 보편적인 규격의 계단을 대상으로 하기 위해 실험 환경을 구성하였다. 국토교통부령 제 548호에서 제시한 범위인 계단 및 계단참의 유효너비는 600mm이상, 단높이는 180mm 이하, 단너비는 260mm 이상으로 제작하였다. 본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 제안하는 Yaw 각도 추정 기법과 직진성 보정 제어기 성능을 실험하기 위해 도 5의 무한궤도형 전동 어시스트 모듈을 사용하였고, 보조자가 작위적으로 Yawing을 일으켜 실험을 수행하기 위해 별도의 랜딩 기어 구성을 추가하지 않았다.In this experimental example, in order to verify the performance of the proposed yaw angle estimation technique and the straightness correction controller, the straightness correction is checked by applying the yaw angle estimation technique and the straightness correction system to the actual electric assist module (3). Also, in order to change the performance according to the change of Kp, the value of Kp was changed from 10-700 to investigate whether or not the straightness of the system was corrected and the change in the rotational angular velocity. Through the experiment, data graphs were calculated for three cases showing representative characteristics. For the performance verification experiment, a real-stage experimental environment and experimental apparatus were implemented as shown in FIGS. 5 and 6 . Referring to FIG. 5 , an experimental environment was configured to target stairs of the most common standard that a wheelchair user could come across while moving. The effective width of stairs and landings within the range suggested by Ordinance of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport No. 548 was manufactured to be 600mm or more, the step height was 180mm or less, and the step width was 260mm or more. The electric assist module 3 according to this embodiment used the caterpillar-type electric assist module of FIG. 5 to test the proposed yaw angle estimation technique and the straightness correction controller performance, and the assistant arbitrarily caused the yawing to perform the experiment. To do this, a separate landing gear configuration was not added.

도 6을 참조하면, 도 5의 실험례로 구현한 전동 어시스트 모듈(이하 ‘어시스트 모듈’로 약칭)은 Yaw각 추정기법과 이를 이용한 직진성 보정 제어기 성능 검증을 위하여 계단 이동 중 의도적으로 외력을 가하여 보정 여부가 실험되었다. 어시스트 모듈은 0.1 m/s의 느린 속도로 주행하여 전처리를 진행한 데이터 그래프를 나타내었다.Referring to FIG. 6, the electric assist module (hereinafter abbreviated as 'assist module') implemented in the experimental example of FIG. 5 is corrected by intentionally applying an external force during stair movement to verify the performance of the yaw angle estimation technique and the straightness correction controller using the same. was tested whether The assist module showed data graphs that were pre-processed by driving at a slow speed of 0.1 m/s.

도 6에서, 어시스트 모듈은 도 6의 ①번 구간과 같은 초기 단계를 갖는다. 이후 이동을 실시하며 반시계, 시계 방향으로 Yawing을 ②,④번 구간과 같이 의도적으로 외력을 가하여 발생시키고, ③,⑤번 구간과 같이 직진성을 보정하는 과정을 나타내는 실험 프로토콜을 구상하였다. 실험에서 자세 추정을 위해 Roll, Pitch 각도와 추정 기법을 통한 Yaw 각도를 수집하고, 직진성 보정 여부 판단을 위해 주행속도, 각속도 데이터를 제시한다.In FIG. 6 , the assist module has the same initial stage as section ① of FIG. 6 . After that, an experiment protocol was devised to show the process of generating yawing counterclockwise and clockwise while moving and intentionally applying an external force as in sections ② and ④, and correcting straightness as in sections ③ and ⑤. In the experiment, for posture estimation, roll and pitch angles and yaw angles through estimation techniques are collected, and driving speed and angular velocity data are presented to determine whether straightness is corrected or not.

도 7은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=10)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(

Figure 112019120271265-pat00016
), Yaw(ψ) 데이터를 나타낸다. 도 7의 실험은 제안하는 보정 제어기의 성능을 낮게 수행할 때 상태 확인을 위해 낮은 Kp를 적용하여 실험하였다. 도 7을 참조하면, 비례계수 Kp를 10으로 설정하여 계단 주행중인 기구가 외부 환경으로 인하여 Yawing이 일어나 직진성을 보정하는 모습과 Roll, Pitch 데이터, Yaw 각도 추정 기법의 결과를 나타낸다. 어시스트 모듈은 ①번 구간의 초기단계에서 주행을 실시하며, 주행 중 의도적으로 반시계방향으로 Yawing을 발생시켜 ②번 구간에서 각도에 급격한 변화가 생기게 된다. ③번 구간에서는 Yawing을 감지하였지만 낮은 Kp에 의해 거의 보정이 되지 않음을 확인하였다.7 is an experimental example, when the coefficient of proportionality is (K p =10), Roll (ρ), Pitch (
Figure 112019120271265-pat00016
) and Yaw(ψ) data. In the experiment of FIG. 7 , a low Kp was applied to confirm the state when the performance of the proposed correction controller was low. Referring to FIG. 7 , by setting the proportional coefficient Kp to 10, yawing occurs due to the external environment of the instrument running on the stairs to correct straightness, and the results of the roll, pitch data, and yaw angle estimation technique are shown. The assist module drives in the initial stage of section ①, and intentionally generates counterclockwise yaw while driving, resulting in a sudden change in angle in section ②. Yawing was detected in section ③, but it was confirmed that there was hardly any correction due to the low Kp.

도 8은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(

Figure 112019120271265-pat00017
), Yaw(ψ) 데이터를 나타낸다. 도 8을 참조하면, ②,④번 구간에서의 급격한 데이터 변화는 의도적으로 발생시킨 Yawing을 나타내고, ③,⑤번 구간에 의해 직진성 보정 과정을 확인하였다. 8 is an experimental example, when the coefficient of proportionality is (K p =200), Roll (ρ), Pitch (
Figure 112019120271265-pat00017
) and Yaw(ψ) data. Referring to FIG. 8, abrupt data changes in sections ② and ④ indicate intentionally generated yawing, and the straightness correction process was confirmed by sections ③ and ⑤.

도 9은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다. 속도 보정 데이터 ③,⑤번 구간에서 도 7에 따른 실험례로, 보정되지 않았던 형태와 다르게 어시스트 모듈의 직진성 보정을 확인하였다. 직진성 보정 과정 중 순간 각속도는 -67[deg/s], 67[deg/s]로 측정되었다.9 is an experimental example, showing the speed correction data and angular velocity data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =200). In the speed correction data section ③ and ⑤, as an experimental example according to FIG. 7, the straightness correction of the assist module was confirmed differently from the uncorrected form. During the straightness correction process, the instantaneous angular velocity was measured to be -67 [deg/s] and 67 [deg/s].

도 10는 실험례로서, 비례계수가 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(

Figure 112019120271265-pat00018
), Yaw(ψ) 데이터를 나타낸다. 도 10은 더욱 신속한 보정을 위하여 더 높은 Kp로 적용하여 동일한 조건으로 실험을 진행하였다. 10 is an experimental example, when the coefficient of proportionality is (K p =700), Roll (ρ), Pitch (
Figure 112019120271265-pat00018
) and Yaw(ψ) data. 10 shows that the experiment was conducted under the same conditions by applying a higher Kp for more rapid correction.

도 10을 참조하면, Kp를 700으로 설정하여 전동 어시스트 모듈을 동일하게 반시계, 시계 방향으로 Yawing을 발생시켜 직진성을 보정하는 모습과 Roll, Pitch 데이터, Yaw 각도 추정 기법을 통해 추정된 Yaw 데이터를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, by setting Kp to 700, the electric assist module generates yaw in the same counterclockwise and clockwise directions to correct straightness and the yaw data estimated through the roll, pitch data, and yaw angle estimation technique. can be checked

도 11은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 도 8의 실험례와 비교하여 어시스트 모듈의 신속한 직진성 보정 과정을 ③,⑤번 구간에서 확인할 수 있었고, 직진성 보정 과정에서의 각속도 데이터 그래프에서의 순간 각속도가 141[deg/s], ?220[deg/s]로 나타났다. 11 shows, as an experimental example, speed correction data and angular velocity data of the caterpillar part when the proportional coefficient is (K p =700). Referring to FIG. 11 , compared with the experimental example of FIG. 8 , it was possible to confirm the rapid straightness correction process of the assist module in sections ③ and ⑤, and the instantaneous angular velocity in the angular velocity data graph in the straightness correction process was 141 [deg/s ], ?220[deg/s].

도 7 내지 도 11의 결과를 정리한 데이터 비교는 [표 1]과 같다.Data comparison summarizing the results of FIGS. 7 to 11 is shown in [Table 1].

Kp K p Yaw
추정
Yaw
calculation
직진성 보정Straightness correction 보정 시간Calibration time 순간 각속도instantaneous angular velocity
1010 OO XX 보정 못함not corrected 보정 못함not corrected 200200 OO OO 0.7[sec]0.7[sec] 64[deg/s], -67[deg/s]64 [deg/s], -67 [deg/s] 700700 OO OO 0.3[sec]0.3[sec] 141[deg/s], -220[deg/s]141 [deg/s], -220 [deg/s]

실험례의experimental 결과. result.

비례계수를 변화하여 수행한 세 실험 모두 성공적으로 Yaw 각을 추정하였다. Kp가 10일 경우는 성공적으로 직진성을 보정하지 못하였으나, 비례계수를 200 이상으로 설정한 경우 모두 직진성을 보정한 것을 확인할 수 있었다.All three experiments performed by changing the proportional coefficient successfully estimated the yaw angle. When the Kp was 10, the straightness could not be corrected successfully, but when the proportional coefficient was set to 200 or more, it was confirmed that the straightness was corrected in all cases.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.

1: 휠체어
8: 계단
9: 보도블럭
10: 휠체어 프레임
11: 프레임
13: 착석부
15: 구동바퀴
3: 전동 어시스트 모듈
30: 캐터필러부
31: 휠
33: 체인벨트
50: 랜딩기어부
51: 기어축
53: 전방 랜딩 휠
55: 후방 랜딩 휠
57: 구동 모듈
70: 제어부
1: wheelchair
8: Stairs
9: sidewalk block
10: wheelchair frame
11: frame
13: seating area
15: drive wheel
3: Electric assist module
30: caterpillar part
31: wheel
33: chain belt
50: landing gear unit
51: gear shaft
53: front landing wheel
55: rear landing wheel
57: drive module
70: control unit

Claims (6)

발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 마련되는 전동 어시스트 시스템에 있어서,
상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 무한궤도형 주행 부재의 캐터필러부;
상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부;
상기 캐터필러부의 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서; 및
상기 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 상기 캐터필러부의 Yaw 각도를 추정하는 제어부를 포함하여,
상기 랜딩기어부의 일단이 승강되면, 상기 캐터필러부가 승강되어 계단 또는 단차면과 접촉되고, 이후 상기 캐터필러부의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시키는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
In the electric assist system provided in a wheelchair frame in which a seating portion for a passenger to sit is provided on a frame having a footrest and a handle, and driving wheels are provided on both sides of the frame,
a caterpillar part of a caterpillar-type traveling member mounted on the wheelchair frame to ascend and descend stairs or steps of the wheelchair frame;
a landing gear unit provided in the caterpillar unit, the free ends of which are raised/lowered before and after the center of gravity of the wheelchair frame as an axis;
a 3-axis acceleration sensor for measuring the x, y, and z-axis acceleration of the caterpillar part; and
Including a control unit for estimating the yaw angle of the caterpillar part by calculating the roll angle and the pitch angle with the data of the acceleration sensor,
When one end of the landing gear part is raised and lowered, the caterpillar part is raised and brought into contact with the step or step surface, and then the step is driven by driving the caterpillar part to raise and lower the stairs or the inclined surface of the step of the wheelchair frame without an assistant, characterized in that Electric assist system.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
x축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Roll 각도를 산출하고,
y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
The method of claim 1,
The control unit is
Calculate the roll angle by calculating the inverse tangent of the ratio of the x-axis acceleration value to the z-axis acceleration value,
Electric assist system, characterized in that the pitch angle is calculated by calculating the inverse tangent of the ratio of the y-axis acceleration value and the z-axis acceleration value.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 Roll 각도와 상기 Pitch 각도의 비율의 역탄젠트 연산으로 Yaw 각도를 추정하여,
회전량의 분석 없이 Yawing 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
3. The method of claim 2,
The control unit is
By estimating the yaw angle by the inverse tangent operation of the ratio of the roll angle and the pitch angle,
Electric assist system, characterized by estimating the yaw angle without analyzing the amount of rotation.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부가 추정한 Yaw 각이 비례 제어로 적용되어 구동되는 모터를 포함하고, 모터의 구동으로 상기 캐터필러부의 직진성을 보정하는 보정 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
The method of claim 1,
The electric assist system comprising a motor driven by applying the yaw angle estimated by the control unit as proportional control, and further comprising a correction controller for correcting the straightness of the caterpillar part by driving the motor.
제 4 항에 있어서,
상기 보정 제어기는,
상기 제어부의 추정된 Yaw 각도를 피드백 받아 상기 캐터필러부가 기울어진 방향과 회전량에 따라 상기 모터의 입력 속도를 증속 또는 감속하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
5. The method of claim 4,
The correction controller is
The electric assist system, characterized in that by receiving the feedback of the estimated yaw angle of the control unit, the input speed of the motor is increased or decelerated according to the inclination direction and the rotation amount of the caterpillar unit.
계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈의 제어 방법에 있어서,
(a) 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 전동 어시스트 모듈의 x, y, z축 가속도를 측정하는 단계;
(b) 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 x축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Roll 각도를 산출하고, y축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Pitch 각도를 산출하는 단계;
(c) 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 (b)단계에서 산출된 Roll 각도와 Pitch 각도를 연산하여 상기 전동 어시스트 모듈의 Yaw 각도를 추정하는 단계; 및
(d) 상기 전동 어시스트 모듈의 보정 제어기가 상기 (c)단계에서 추정된 Yaw 각도를 피드백받아 상기 전동 어시스트 모듈의 직진성을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈의 제어 방법.

In the control method of the electric assist module for wheelchair driving of stairs and step terrain,
(a) the control unit of the electric assist module measuring the x, y, z-axis acceleration of the electric assist module;
(b) calculating, by the control unit of the electric assist module, the roll angle of the electric assist module from the x-axis and z-axis acceleration data, and calculating the pitch angle of the electric assist module from the y-axis and z-axis acceleration data;
(c) estimating, by the control unit of the electric assist module, the yaw angle of the electric assist module by calculating the roll angle and the pitch angle calculated in step (b); and
(d) the correction controller of the electric assist module receiving feedback of the yaw angle estimated in step (c), and correcting the straightness of the electric assist module.

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