KR102643693B1 - 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템 - Google Patents

지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 관한 것으로서, 사용자가 탑승할 수 있도록 시트, 등받이, 팔걸이 및 발받침대가 형성되어 있는 프레임과, 상기 프레임의 하부에 형성되며 배터리 및 구동모터를 통해 상기 프레임 하부에 형성된 바퀴를 회전시켜 움직일 수 있도록 동력을 제공하는 구동부와, 상기 팔걸이에 형성되며 상기 구동부의 동작 및 상기 프레임의 방향을 제어하기 위한 신호를 생성하는 조작부와, 상기 조작부에 의해 입력된 신호에 따라 상기 구동부의 동작을 제어하고, 상기 사용자의 상태를 판단하여 주행여부를 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템{Environment-sensitive electric wheelchair system using a geomagnetic joystick}
본 발명은 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동 휠체어를 제어하는 조이스틱의 동작상태를 정밀하게 검출할 수 있고 환경 또는 사용자 상태에 따라 전동 휠체어의 동작을 자동으로 제어할 수 있는 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 관한 것이다.
고령화 사회가 도래하면서 세계적으로 실버산업이 폭발적으로 증가하고 있으며, 특히 우리나라는 세계에서 가장 빠른 고령인구의 증가율을 보여 실버산업 시장이 급속하게 증가할 가능성이 높으며 85세 이상 초고령 인구의 증가로 요양보호를 요하는 노인이 증가하여 의료서비스, 사회서비스 등의 실버산업 발전을 촉진하고 있다.
현재 세계적으로 고령화가 진행되고 있는 시점에서 고령자 삶의 질(QOL : Quality Of Life) 향상을 통해 사회참여를 도모하기 위해 필요한 분야로는 생명지원 분야, 생활지원 분야와 생활 활동지원 분야 등으로 구분할 수 있으며, 이에 필요한 기술로는 생체기능 대행 보조기술, 치료지원 기술, 자립지원 기술, 생체 계측 기술 등을 활용한 자립지원 기술 및 간호지원 기술이 요구된다.
또한, 노령인구가 지속적으로 증가되어 고령화 사회가 가속화됨에 따라 휠체어의 수요가 늘고 있다.
일반적으로 휠체어는 좌판 및 등받이가 구비되고, 한 쌍의 앞바퀴 및 뒷바퀴가 각각 회전가능하게 설치된 휠체어바디, 휠체어바디의 전방에 설치되고, 사용자의 다리 및 발이 각각 안치되는 다리받침대 및 발판, 좌판의 양측상방에 위치하도록 휠체어바디에 고정 설치된 팔걸이를 포함하여 이루어진다.
그러나 휠체어는 사용자의 힘으로 바퀴를 회전시켜야 하므로 거동이 불편한 사용자가 혼자서 사용하기에는 무리가 있었다.
이러한 종래 휠체어의 사용상 문제점을 해결하기 위해 최근에는 전동기의 회전동력을 전달받아 바퀴가 회전되는 전동휠체어가 개발되어 사용되고 있다.
전동휠체어는 배터리 및 모터를 통해 바퀴를 회전시켜 사용자가 원하는 방향으로 휠체어를 이동시킬 수 있도록 할 수 있도록 형성되어 있는데, 방향성 및 동작을 제어하기 위해 조이스틱이 형성되어 있다.
조이스틱을 통해 사용자는 휠체어를 쉽게 조작하여 이동할 수 있도록 형성되나 조이스틱은 단순히 방향성만 결정할 수 있고 속도를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있었다.
또한 전동 휠체어에 사용자가 조작하는 중 건강상의 문제가 발생하여 의식을 잃거나 경직되는 경우 조이스틱이 전동휠체어를 동작시키는 상태로 유지되기 때문에 2차 사고가 발생될 수 있다는 문제점이 있었다.
한국특허 공개번호 제10-2021-0111033호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지자계 센서를 이용하여 조이스틱의 움직임을 감지할 수 있어 조이스틱의 3축 위치를 정밀하게 검출할 수 있는 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 사용자의 건강상태를 실시간으로 측정하고 건강상 문제가 발생되는 경우 전동휠체어가 입력된 신호와는 무관하게 자동으로 정지되도록 하는 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 장시간 운행하거나 장거리를 운행할 때 전동휠체어를 구동하는 신호를 한 번만 입력하면 설정된 속도로 정속주행할 수 있어 조이스틱을 오랫동안 작동시켜 발생하는 피로감 및 통증을 감소시킬 수 있는 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템은 사용자가 탑승할 수 있도록 시트, 등받이, 팔걸이 및 발받침대가 형성되어 있는 프레임과, 상기 프레임의 하부에 형성되며 배터리 및 구동모터를 통해 상기 프레임 하부에 형성된 바퀴를 회전시켜 움직일 수 있도록 동력을 제공하는 구동부와, 상기 팔걸이에 형성되며 상기 구동부의 동작 및 상기 프레임의 방향을 제어하기 위한 신호를 생성하는 조작부와, 상기 조작부에 의해 입력된 신호에 따라 상기 구동부의 동작을 제어하고, 상기 사용자의 상태를 판단하여 주행여부를 결정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 조작부는 지자계센서를 이용하여 x축, y축, z축의 가변 범위를 측정하여 상기 구동부가 동작되기 위한 신호를 출력할 수 있어 상기 전동 휠체어를 전, 후, 좌, 우 방면으로 이동되도록 조작하는 레버와, 상기 구동부에 전원을 인가하거나 상기 레버를 통해 수행되는 작업 및 설정 모드를 변경할 수 있도록 형성되는 다수 개의 제어버튼과, 상기 레버 및 상기 제어버튼에 의해 상기 구동부가 동작되는 상태를 시각적으로 출력하는 디스플레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 레버는 중립 상태를 기준으로 z축의 위치가 지면으로부터 기울어진 상태로 판단되면 상기 레버는 기울어진 방면으로 움직일 때는 저항성이 증가되어 움직임이 억제되고, 기울어진 반대 방면으로 움직일 때는 저항성이 감소되어 쉽게 움직일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 제어버튼은 상기 레버가 동작되어 신호가 1회 발생되면 상기 신호와 동일한 신호를 발생시켜 상기 레버가 동작되지 않는 상태에서도 상기 구동부가 설정된 속도로 주행하도록 상기 구동부를 제어시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 제어부는 상기 조작부에 형성되어 상기 조작부를 조작하는 손 또는 손목과 접촉되어 상기 사용자의 맥박, 혈압, 스트레스지수, 산소포화도를 측정하는 생체신호센서를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 생체신호센서를 통해 측정된 정보를 기반으로 상기 사용자의 상태가 불안정하거나 건강상태에 이상이 있는 경우 상기 구동부를 정지시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 제어부는 상기 프레임과 상기 조작부에 다수 개가 분산되어 형성되어 상기 사용자의 탑승상태를 확인하기 위한 다수 개의 임피던스모듈을 더 포함하며, 상기 임피던스모듈은 상기 사용자가 상기 시트에 착석한 상태와 자세를 판단하고, 상기 조작부를 조작하는 사용자가 탑승한 사용자와 일치하는지 판단하여 상기 구동부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 제어부는 상기 프레임의 전방에 형성되어 전방에서 주행에 방해되는 물체 또는 사람을 감지할 수 있는 감지센서를 더 포함하며, 상기 감지센서를 통해 감지된 물체 또는 사람이 검출되면 상기 구동부를 정지시켜 충돌이 발생되지 않도록 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 상기 구동부는 상기 프레임의 후면 하부 양측에 한 쌍으로 이루어져 있고 회전력에 의해 상기 프레임을 이동시키는 구동바퀴와, 상기 프레임의 전면 하부 양측에 한 쌍으로 이루어져 있고 주행 방향에 따라 회전될 수 있도록 형성되는 조향바퀴와, 상기 프레임의 하부에 형성되어 외부 전력을 저장할 수 있도록 형성되는 배터리와, 상기 구동바퀴에 각각 형성되며 상기 배터리로부터 전력을 공급받으면 상기 구동바퀴를 독립적으로 회전시키는 구동모터와, 상기 구동바퀴에 탈부착될 수 있도록 형성되어 있어 상기 프레임이 정지 또는 감속될 때 상기 구동바퀴와 접촉되어 회전력을 감소시키는 제동유닛과, 상기 제동유닛에 형성되며 상기 제동유닛이 상기 구동바퀴에 접촉될 때 발생되는 회전력을 공급받아 전기를 생산하는 발전기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 의하면, 지자계 센서를 이용하여 조이스틱의 움직임을 감지할 수 있어 조이스틱의 3축 위치를 정밀하게 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 의하면, 사용자의 건강상태를 실시간으로 측정하고 건강상 문제가 발생되는 경우 전동휠체어가 입력된 신호와는 무관하게 자동으로 정지되도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 의하면, 장시간 운행하거나 장거리를 운행할 때 전동휠체어를 구동하는 신호를 한 번만 입력하면 설정된 속도로 정속주행할 수 있어 조이스틱을 오랫동안 작동시켜 발생하는 피로감 및 통증을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 전체적인 구조를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 외형을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 조작부를 확대하여 나타낸 사시도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동 휠체어를 제어하는 조이스틱의 동작상태를 정밀하게 검출할 수 있고 환경 또는 사용자 상태에 따라 전동 휠체어의 동작을 자동으로 제어할 수 있는 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 전체적인 구조를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 외형을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템의 조작부를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템은 사용자가 탑승할 수 있도록 시트(110), 등받이(120), 팔걸이(130) 및 발받침대(140)가 형성되어 있는 프레임(100)과, 프레임(100)의 하부에 형성되며 배터리(250) 및 구동모터(210)를 통해 프레임(100) 하부에 형성된 바퀴를 회전시켜 움직일 수 있도록 동력을 제공하는 구동부(200)와, 팔걸이(130)에 형성되며 구동부(200)의 동작 및 프레임(100)의 방향을 제어하기 위한 신호를 생성하는 조작부(300)와, 조작부(300)에 의해 입력된 신호에 따라 구동부(200)의 동작을 제어하고, 사용자의 상태를 판단하여 주행여부를 결정하는 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
프레임(100)은 사용자가 탑승할 수 있도록 휠체어 형태로 이루어져 있으며, 사용자의 둔부를 지지하는 시트(110), 등을 지지하는 등받이(120), 조작부(300)를 조작할 때 팔을 거치할 수 있도록 시트(110)의 양측 상부에 형성되는 팔걸이(130), 발을 받쳐 지지할 수 있도록 형성되는 발받침대(140)를 포함하고 있다.
즉, 프레임(100)은 의자와 같은 형태로 이루어져 있어 사용자가 앉은 상태로 이동될 수 있도록 형성되어 있으며, 구동부(200), 조작부(300), 제어부(400)에 형성된 구성요소가 장착될 수 있게 된다.
구동부(200)는 프레임(100)의 하부에 형성되어 있으며 프레임(100) 전면과 하부 양측에 각각 형성된 조향바퀴(230)와 구동바퀴(220)를 통해 프레임(100)이 사용자가 원하는 방향으로 이동할 수 있도록 동력을 제공하기 위해 사용된다.
조작부(300)는 시트(110)의 양측 상부에 형성된 한 쌍의 팔걸이(130) 중 어느 하나에 형성되어 있으며, 사용자가 시트(110)에 착석한 후 팔걸이(130)에 팔을 거치시킨 상태에서 조작부(300)를 조작할 수 있어 사용자의 피로감을 감소시킬 수 있고, 조작부(300)를 통해 구동부(200)를 동작시켜 프레임(100)을 사용자가 원하는 방향으로 이동할 수 있게 된다.
제어부(400)는 조작부(300)에 의해 입력된 신호를 이용하여 구동부(200)의 동작을 제어하는데 사용되며, 사용자의 건강상태에 따라 입력된 신호를 수행해도 되는지 판단한 후 구동부(200)를 동작하도록 구성되어 있다.
구동부(200), 조작부(300), 제어부(400)에 관한 세부적인 구성과 기능을 설명하기로 한다.
조작부(300)는 지자계센서(311)를 이용하여 x축, y축, z축의 가변 범위를 측정하여 구동부(200)가 동작되기 위한 신호를 출력할 수 있어 전동 휠체어를 전, 후, 좌, 우 방면으로 이동되도록 조작하는 레버(310)와, 구동부(200)에 전원을 인가하거나 레버(310)를 통해 수행되는 작업 및 설정 모드를 변경할 수 있도록 형성되는 다수 개의 제어버튼(330)과, 레버(310) 및 제어버튼(330)에 의해 구동부(200)가 동작되는 상태를 시각적으로 출력하는 디스플레이(320)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
레버(310)는 조이스틱 형태로 이루어져 있어 사용자가 손으로 파지하여 움직일 수 있도록 형성되어 있고, 레버(310)는 중심축이 항상 중립된 상태로 수직하게 형성되어 있고 사용자가 전방, 후방, 좌측, 우측 방면으로 레버(310)의 상단을 회동시키면 하단이 회동되면서 신호를 발생시킬 수 있게 된다.
이때 레버(310)는 지자계센서(311)를 이용하여 x축, y축, z축으로 가변되는 위치를 판단할 수 있게 되며, 이를 통해 3축 방향으로 움직이는 위치를 정밀하게 감지할 수 있게 된다.
즉, 레버(310)를 회동시키게 되면 전방, 후방, 좌측, 우측 방면을 판단하기 위해 x축과 y축의 좌표를 산출할 수 있게 되고, 레버(310)의 수직상태에 대한 가변각도를 측정함으로써 z축의 좌표를 산출할 수 있게 된다.
이를 통해 사용자가 레버(310)를 회동시켰을 때 회동되는 방향을 x축과 y축으로 측정하여 레버(310)의 방향성을 확인할 수 있고, z축의 가변각도를 통해 레버(310)가 얼마나 회동 되었는지를 확인하여 구동부(200)를 정밀하게 조작할 수 있게 된다.
제어버튼(330)은 구동부(200)에 전원을 인가하거나 제어부(400)의 설정을 조정하기 위해 사용되는 것으로, 다수 개의 버튼이 형성되어 있고, 각 버튼을 이용하여 설정을 변경하거나 조절할 수 있게 된다.
이때 제어버튼(330)은 최대 주행속도를 설정하여 레버(310)를 최대로 회동시켰을 때의 속도가 설정된 속도보다 높아지지 않도록 제어할 수 있게 되고, 사용자의 건강상태에 대한 설정 값을 지정하여 해당 설정 값보다 사용자의 건강상태가 안 좋은 경우에는 구동부(200)에 전원이 인가되지 않도록 할 수도 있다.
디스플레이(320)는 구동부(200)가 동작되는 상태를 시각적으로 나타내어 주행속도, 오류메세지, 설정 값을 표시할 수 있도록 형성되어 있으며, 필요에 따라 사용자가 소지한 스마트폰은 제어부(400)와 무선으로 연동되어 스마트폰에 출력되는 화면을 디스플레이(320)에 표시할 수도 있게 된다.
사용자의 스마트폰과 연동되는 경우 사용자의 건강상태를 스마트폰의 건강 어플에 자동으로 기록할 수 있게 되며, 충돌, 사고, 건강상태 악화, 구동부(200)의 치명적인 문제점이 발생되는 경우 제어부(400)는 디스플레이(320)에 해당 내용을 출력하고 스마트폰을 통해 119에 구조요청 전화나 메시지를 전송하여 사용자가 구출될 수 있도록 유도할 수 있게 된다.
또한 레버(310)는 중립 상태를 기준으로 z축의 위치가 지면으로부터 기울어진 상태로 판단되면 레버(310)는 기울어진 방면으로 움직일 때는 저항성이 증가되어 움직임이 억제되고, 기울어진 반대 방면으로 움직일 때는 저항성이 감소되어 쉽게 움직일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
레버(310)의 중심축은 외면에 스프링에 의해 중심 위치에 수직하게 세워져 있도록 형성되어 있어 외력이 가해지지 않는 경우 x축, y축, z축이 가변되지 않은 중립상태로 유지될 수 있게 된다.
이때 프레임(100)이 경사면을 따라 이동하는 경우 레버(310)의 z축도 경사면으로부터 수직하게 형성되게 되는데, 이 경우 경사면에 의해 기울어진 방면으로 레버(310)를 회동시키는 경우 중력에 의해 쉽게 회동될 수 있어 오작동이 발생될 수 있는 여지가 있다.
이를 위해 레버(310)의 중심축에는 스프링 외에 다수 개의 실린더로 이루어진 저항체(312)가 마련되어 있으며, 저항체(312)는 지자계센서(311)를 통해 레버(310)의 중심축이 중립상태에서 기울어진 것으로 판단되면 기울어진 방면에 위치된 저항체(312)에는 내부에 가스 또는 작동유가 유입되어 레버(310)가 쉽게 회동되지 않도록 방지하고, 기울어진 반대 방면에 형성된 저항체(312)는 가스 또는 작동유가 배출되면서 레버(310)가 쉽게 회동될 수 있게 된다.
즉, 오르막을 오를 때 사용자가 레버(310)를 당기면서 후방으로 구동부(200)가 동작되도록 하는 것을 방지하고, 전방으로만 레버(310)가 쉽게 회동될 수 있도록 유도할 수 있게 되며, 내리막을 내려 갈 때는 레버(310)가 전방으로 쉽게 이동되지 않도록 방지하여 과속에 의해 발생되는 추돌사고를 방지할 수 있게 된다.
이때 다수 개의 저항체(312)는 가스 또는 작동유가 서로 연결되어 있어 경사로에 진입하면 가스 또는 작동유가 자동으로 이동될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한 제어버튼(330)은 레버(310)가 동작되어 신호가 1회 발생되면 신호와 동일한 신호를 발생시켜 레버(310)가 동작되지 않는 상태에서도 구동부(200)가 설정된 속도로 주행하도록 구동부(200)를 제어시키는 것을 특징으로 한다.
제어버튼(330)은 주행모드를 변경할 수 있도록 설정할 수 있게 되는데, 장시간 이동이 필요한 경우 제어버튼(330) 중의 하나를 눌러 정속주행 모드로 선택하고 레버(310)를 전방으로 회동시키면 제어버튼(330)에 의해 구동부(200)가 동작되어 설정된 속도로 정속주행이 가능하게 된다.
이때 사용자는 레버(310)를 전방을 향해 한 번만 회동시킨 후 중립상태로 복귀해도 제어버튼(330)에 의해 레버(310)가 전방으로 회동된 상태로 유지되도록 신호를 발생시키므로 장시간 이동시 사용자가 레버(310)를 밀고 있는 상태로 유지하면서 발생되는 통증을 감소시킬 수 있게 된다.
또한 제어버튼(330)을 통해 전방으로 정속주행이 수행되고 있는 상태에서 사용자가 레버(310)를 좌측 또는 우측 방면으로 레버(310)를 회동시키게 되면 정속주행 상태에서 좌측 또는 우측 방면으로 방향이 전환될 수 있게 된다.
또한 정속주행 상태에서 레버(310)를 후방으로 당기는 경우 속도가 감속되도록 형성되어 있으며, 레버(310)를 당기는 회동 각도에 따라 감속되는 속도를 달리하도록 함으로써 사용자가 정속주행 속도를 수동으로 제어할 수 있게 된다.
즉, 곡선구간이나 좌회전 또는 우회전이 필요한 경우 속도를 감속시켜야 할 필요성이 있는데, 이때 레버(310)를 후방으로 당기면서 좌측 또는 우측 방면으로 회동시키면 감속된 상태에서 좌회전 또는 우회전할 수 있게 된다.
또한 레버(310)를 후방 방면으로 회동시켜 감속된 상태에서 중립상태로 전환되면 제어버튼(330)에 의해 설정된 속도로 다시 속도가 증가되게 되고, 완전히 정지시키는 경우에는 속도가 0이 될 때까지 레버(310)를 후방 방면으로 회동시킨 상태로 유지하면 제어버튼(330)에서 발생되는 신호가 차단되면서 정속주행 모드가 해제될 수 있게 된다.
이때 정속주행 모드에서 구동부(200)를 정지시키기 위해 레버(310)를 후방 방면으로 회동된 상태로 유지하는 경우에는 레버(310)에 의해 후진되지 않도록 정지신호가 출력되고, 정속주행 모드가 해제된 상태에서 레버(310)가 중립상태로 이동된 후 후방 방면으로 회동되면 구동부(200)가 후진되도록 신호를 출력시킬 수 있게 된다.
또한 정속주행 모드 외에 레버(310)의 회동에 의해 동작되는 주행모드에서도 전진주행상태에서 속도를 감속시킬 때는 레버(310)를 후방으로 회동시키면 구동부(200)가 정지되도록 해야 하며, 완전히 정지된 상태에서 레버(310)를 중립상태로 전환한 후 다시 후방으로 회동시키면 후진되도록 하는 것이 바람직하다.
또한 구동부(200)는 프레임(100)의 후면 하부 양측에 한 쌍으로 이루어져 있고 회전력에 의해 프레임(100)을 이동시키는 구동바퀴(220)와, 프레임(100)의 전면 하부 양측에 한 쌍으로 이루어져 있고 주행 방향에 따라 회전될 수 있도록 형성되는 조향바퀴(230)와, 프레임(100)의 하부에 형성되어 외부 전력을 저장할 수 있도록 형성되는 배터리(250)와, 구동바퀴(220)에 각각 형성되며 배터리(250)로부터 전력을 공급받으면 구동바퀴(220)를 독립적으로 회전시키는 구동모터(210)와, 구동바퀴(220)에 탈부착될 수 있도록 형성되어 있어 프레임(100)이 정지 또는 감속될 때 구동바퀴(220)와 접촉되어 회전력을 감소시키는 제동유닛(240)과, 제동유닛(240)에 형성되며 제동유닛(240)이 구동바퀴(220)에 접촉될 때 발생되는 회전력을 공급받아 전기를 생산하는 발전기(260)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
프레임(100)이 레버(310)의 조작 방향에 따라 이동될 수 있도록 하기 위해 구동부(200)는 프레임(100)의 하부에 형성되어 있으며, 프레임(100)의 전면 하부 양측에는 한 쌍의 조향바퀴(230)가 마련되고, 후면 양측에는 한 쌍의 구동바퀴(220)가 마련되어 있다.
먼저 구동바퀴(220)는 구동모터(210)와 연결되어 구동모터(210)에서 발생되는 회전력을 전달받아 회전되어 프레임(100)이 이동될 수 있도록 하기 위한 것으로, 한 쌍의 구동바퀴(220)에는 각각 구동모터(210)가 연결되어 회전력을 독립적으로 제어할 수 있도록 형성되어 있다.
이때 구동바퀴(220)의 회전속도나 토크를 조절할 수 잇도록 구동바퀴(220)와 구동모터(210) 사이에는 별도의 기어박스가 마련되어 있을 수도 있으며, 독립적으로 회전되는 한 쌍의 구동바퀴(220)는 회전속도를 서로 달리 적용되어 좌회전 또는 우회전을 수행할 수 있게 된다.
또한 회전속도를 서로 동일하게 형성하는 경우 전방 또는 후방으로 이동될 수 있게 되며, 레버(310)의 회동 방향이나 각도에 따라 제어부(400)에 의해 한 쌍의 구동바퀴(220)의 회전속도가 독립적으로 제어될 수 있게 된다.
조향바퀴(230)는 프레임(100)의 전면 하부를 지지하기 위해 사용되며 프레임(100)과 연결된 수직축이 자유롭게 회전될 수 있도록 형성되어 있어 구동바퀴(220)에 의해 프레임(100)이 진행되는 방향에 맞춰 조향바퀴(230)가 회전될 수 있게 된다.
또한 조향바퀴(230)의 수직축에는 별도의 조향모터를 형성시켜 레버(310)의 조작에 따라 조향바퀴(230)를 좌우로 회전시켜 진향방향에 맞게 조절할 수도 있게 된다.
배터리(250)는 프레임(100)의 하부에 형성되어 있으며 구동모터(210)에 전력을 공급하기 위해 사용되고, 외부로부터 전력을 공급받아 저장하여 야외에서도 구동모터(210)를 동작시키기 위해 사용된다.
이때 배터리(250)는 수소연료전지를 이용하여 전력을 발전시켜 구동모터(210)에 공급할 수도 있게 되며, 일반적으로 전동 휠체어에 사용되는 배터리(250)를 적용하여 사용할 수도 있게 된다.
제동유닛(240)은 구동바퀴(220)를 정지시키기 위해 사용되며, 구동바퀴(220)와 접촉되면서 마찰력에 의해 구동바퀴(220)의 속도가 감속되거나 정지시킬 수 있게 된다.
이때 제동유닛(240)은 현재 프레임(100)이 주행하고 있는 방향의 반대 방향으로 레버(310)가 회동되면 속도를 감속할 수 있도록 구동바퀴(220)에 접촉되어 제동시키게 되며, 레버(310)가 중립상태로 전환되면 구동바퀴(220)로부터 분리되어 다시 주행할 수 있도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
발전기(260)는 제동유닛(240)에 형성되어 있으며 제동유닛(240)이 구동모터(210)와 접촉되었을 때 발생되는 회전력을 이용하여 전기로 생산하여 배터리(250)를 충전하기 위해 사용되며, 배터리(250)가 수소연료전지로 이루어지는 경우 리튬이온으로 구성된 보조전력저장장치를 마련하여 생산된 전기를 보조적으로 활용하도록 구성할 수도 있게 된다.
또한 제어부(400)는 조작부(300)에 형성되어 조작부(300)를 조작하는 손 또는 손목과 접촉되어 사용자의 맥박, 혈압, 스트레스지수, 산소포화도를 측정하는 생체신호센서(410)를 더 포함하며, 제어부(400)는 생체신호센서(410)를 통해 측정된 정보를 기반으로 사용자의 상태가 불안정하거나 건강상태에 이상이 있는 경우 구동부(200)를 정지시키는 것을 특징으로 한다.
생체신호센서(410)는 사용자의 생체신호를 측정하여 사용자의 건강상태를 파악함으로써, 사용자가 전동 휠체어를 운전할 수 있는 상태인지 판단하기 위해 사용된다.
이때 생체신호센서(410)는 사용자가 레버(310)를 파지할 때 손목 부근에 접촉되어 사용자의 생체정보를 측정할 수 있도록 형성되어 있으며, 레버(310)를 파지함과 동시에 생체정보를 측정 및 분석함으로써 사용자의 건강상태를 판단할 수 있게 된다.
생체신호센서(410)를 통해 맥박, 혈압, 스트레스지수, 산소포화도를 측정할 수 있게 되며, 사용자의 건강 상태에 따라 질병이나 질환 증상을 판단하여 운전가능 상태를 제어부(400)가 판단하게 된다.
제어부(400)가 질병이나 질환 증상을 판단하기 위해 평소 사용자의 생체정보를 분석하여 맥박, 혈압, 산소포화도에 대한 정보를 저장한 후 평소 측정된 수치보다 낮거나 높은 경우에는 사용자의 건강이 악화된 상태로 판단하여 구동부(200)에 인가되는 전원을 차단시킬 수 있게 된다.
또한 다양한 사용자가 전동 휠체어를 공유하여 사용하는 경우 사용자 정보를 조작부(300)를 통해 변경할 수 있게 되며, 변경된 사용자의 생체정보를 이용하여 사용자의 건강상태를 구별할 수도 있게 된다.
사용자의 건강상태가 악화된 경우 디스플레이(320)에 건강상태를 출력하고 조작부(300)와 무선통신으로 연동된 사용자의 스마트폰을 통해 119에 신고를 하거나, 지정된 간병인에게 연락하여 사용자를 케어할 수 있도록 유도할 수 있게 된다.
스트레스지수의 경우 사용자가 불안정하거나 스트레스로 인해 화가 난 상태에서는 난폭운전이 발생될 수 있기 때문에 사용자가 진정될 때까지 구동부(200)의 전원을 차단할 수 있게 된다.
이 경우 디스플레이(320)를 통해 스트레스지수와 함께 사용자에게 안정을 취하라는 메시지를 출력할 수 있게 되며, 사용자가 안정을 취한 후 스트레스지수가 정상 범위로 측정되면 구동부(200)에 전원을 인가하여 운전할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한 생체신호센서(410)는 사용자의 혈중알콜농도를 측정하여 음주현황을 분석할 수도 있게 되며, 음주 운전으로 판단되는 경우 구동부(200)에 전원이 인가되지 않도록 방지하고 디스플레이(320)에 출력함으로써 음주운전에 의한 사고를 방지할 수 있게 된다.
또한 생체신호센서(410)는 레버(310)의 외면에 형성되어 사용자가 레버(310)를 파지하였을 때 파지된 부위에서 생체신호를 측정할 수도 있게 된다.
또한 제어부(400)는 프레임(100)과 조작부(300)에 다수 개가 분산되어 형성되어 사용자의 탑승상태를 확인하기 위한 다수 개의 임피던스모듈(430)을 더 포함하며, 임피던스모듈(430)은 사용자가 시트(110)에 착석한 상태와 자세를 판단하고, 조작부(300)를 조작하는 사용자가 탑승한 사용자와 일치하는지 판단하여 구동부(200)를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
임피던스모듈(430)은 프레임(100)에 탑승한 사용자와 레버(310)를 파지한 사용자가 동일한 인물인지 파악하기 위해 사용되는 것으로, 프레임(100)과 조작부(300)에 다수 개의 임피던스모듈(430)이 분산되어 배치되어 있다.
이때 임피던스모듈(430)은 사용자가 프레임(100)에 탑승한 상태에서 사용자의 피부가 노출되는 부위에 최소 1개 이상 형성되어 있고, 조작부(300)의 레버(310) 또는 손목이 접촉되는 부위에 1개 형성되어 있어 프레임(100)과 조작부(300)에 형성된 임피던스모듈(430)이 사용자의 신체를 통해 도통되어 사용자의 생체임피던스를 측정할 수 있게 된다.
생체임피던스를 통해 사용자의 심장박동, 호흡수, 피부층 전기저항, 감정 등을 나타내는 데이터 및 에너지와 칼로리 소비량과 같은 데이터를 포함하는 생리 관련 신호를 측정할 수 있게 된다.
제어부(400)는 분리된 두 위치에서 측정되는 생체임피던스를 통해 프레임(100)에 탑승한 사용자가 레버(310)를 조작하고 있는지 판단할 수 있게 되며, 이를 이용하여 제3자가 조작부(300)를 임의로 조작하지 않도록 방지할 수 있게 된다.
즉, 제어부(400)는 임피던스모듈(430)을 이용하여 레버(310)를 파지한 사람과 프레임(100)에 탑승한 사람이 일치되는 상태에서만 레버(310)의 조작에 따라 구동부(200)에 전원을 인가하여 전동 휠체어가 주행할 수 있도록 제어할 수 있게 된다.
만약 프레임(100)에 탑승한 사용자 외에 제3자가 레버(310)를 임의로 조작하는 경우 임피던스모듈(430)에 의해 생체임피던스가 측정되지 않기 때문에 레버(310)를 조작하더라도 제어부(400)는 구동부(200)에 전원을 인가하지 않게 되므로 사용자의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
또한 생체신호센서(410)와 임피던스모듈(430)을 통해 측정되는 정보를 매칭시켜 사용자의 상태를 보다 정밀하게 측정하고, 건강상태를 두 데이터를 비교하여 판단할 수 있게 된다.
또한 제어부(400)는 프레임(100)의 전방에 형성되어 전방에서 주행에 방해되는 물체 또는 사람을 감지할 수 있는 감지센서(420)를 더 포함하며, 감지센서(420)를 통해 감지된 물체 또는 사람이 검출되면 구동부(200)를 정지시켜 충돌이 발생되지 않도록 방지하는 것을 특징으로 한다.
감지센서(420)는 라이다를 이용하여 전방에 존재하는 사람, 사물, 지형을 분석하여 정속주행 중 전방에 존재하는 장애물을 회피하여 기동하거나 정지하여 사용자가 다치지 않도록 방지하기 위해 사용된다.
또한 감지센서(420)는 프레임(100)을 기준으로 전 방위에 존재하는 장애물을 검출할 수 있기 때문에 프레임(100)을 후진할 때에 장애물이 검출되는 경우 후진이 되지 않도록 방지하고 디스플레이(320)로 검출된 장애물을 표시할 수 있게 된다.
감지센서(420)를 통해 제어부(400)는 자율주행을 수행할 수 있게 되며, 디스플레이(320)를 통해 화면을 보며 제어버튼(330)으로 목적지를 설정하면 감지센서(420)를 기반으로 정속주행을 수행하여 사용자가 목적지까지 별도의 조작 없이 도착할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템에 의하면, 지자계 센서를 이용하여 조이스틱의 움직임을 감지할 수 있어 조이스틱의 3축 위치를 정밀하게 검출할 수 있고, 사용자의 건강상태를 실시간으로 측정하고 건강상 문제가 발생되는 경우 전동휠체어가 입력된 신호와는 무관하게 자동으로 정지되도록 하고, 장시간 운행하거나 장거리를 운행할 때 전동휠체어를 구동하는 신호를 한 번만 입력하면 설정된 속도로 정속주행할 수 있어 조이스틱을 오랫동안 작동시켜 발생하는 피로감 및 통증을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명은, 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
100 : 프레임 110 : 시트
120 : 등받이 130 : 팔걸이
140 : 발받침대 200 : 구동부
210 : 구동모터 220 : 구동바퀴
230 : 조향바퀴 240 : 제동유닛
250 : 배터리 260 : 발전기
300 : 조작부 310 : 레버
311 : 지자계센서 312 : 저항체
320 : 디스플레이 330 : 제어버튼
400 : 제어부 410 : 생체신호센서
420 : 감지센서 430 : 임피던스모듈

Claims (8)

  1. 사용자가 탑승할 수 있도록 시트, 등받이, 팔걸이 및 발받침대가 형성되어 있는 프레임과;
    상기 프레임의 하부에 형성되며 배터리 및 구동모터를 통해 상기 프레임 하부에 형성된 바퀴를 회전시켜 움직일 수 있도록 동력을 제공하는 구동부와;
    상기 팔걸이에 형성되며 상기 구동부의 동작 및 상기 프레임의 방향을 제어하기 위한 신호를 생성하는 조작부와;
    상기 조작부에 의해 입력된 신호에 따라 상기 구동부의 동작을 제어하고, 상기 사용자의 상태를 판단하여 주행여부를 결정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 프레임과 상기 조작부에 다수 개가 분산되어 형성되어 상기 사용자의 탑승상태를 확인하기 위한 다수 개의 임피던스모듈;을 더 포함하며,
    상기 임피던스모듈은 상기 사용자가 상기 시트에 착석한 상태와 자세를 판단하고, 상기 조작부를 조작하는 사용자가 탑승한 사용자와 일치하는지 판단하여 상기 구동부를 동작시키는 것을 특징으로 하는
    지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템.
  2. 사용자가 탑승할 수 있도록 시트, 등받이, 팔걸이 및 발받침대가 형성되어 있는 프레임과;
    상기 프레임의 하부에 형성되며 배터리 및 구동모터를 통해 상기 프레임 하부에 형성된 바퀴를 회전시켜 움직일 수 있도록 동력을 제공하는 구동부와;
    상기 팔걸이에 형성되며 상기 구동부의 동작 및 상기 프레임의 방향을 제어하기 위한 신호를 생성하는 조작부와;
    상기 조작부에 의해 입력된 신호에 따라 상기 구동부의 동작을 제어하고, 상기 사용자의 상태를 판단하여 주행여부를 결정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 조작부는
    지자계센서를 이용하여 x축, y축, z축의 가변 범위를 측정하여 상기 구동부가 동작되기 위한 신호를 출력할 수 있어 전동 휠체어를 전, 후, 좌, 우 방면으로 이동되도록 조작하는 레버와;
    상기 구동부에 전원을 인가하거나 상기 레버를 통해 수행되는 작업 및 설정 모드를 변경할 수 있도록 형성되는 다수 개의 제어버튼과;
    상기 레버 및 상기 제어버튼에 의해 상기 구동부가 동작되는 상태를 시각적으로 출력하는 디스플레이;로 이루어지고,
    상기 레버는 중립 상태를 기준으로 z축의 위치가 지면으로부터 기울어진 상태로 판단되면 상기 레버는 기울어진 방면으로 움직일 때는 저항성이 증가되어 움직임이 억제되고, 기울어진 반대 방면으로 움직일 때는 저항성이 감소되어 쉽게 움직일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는
    지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제어버튼은 상기 레버가 동작되어 신호가 1회 발생되면 상기 신호와 동일한 신호를 발생시켜 상기 레버가 동작되지 않는 상태에서도 상기 구동부가 설정된 속도로 주행하도록 상기 구동부를 제어시키는 것을 특징으로 하는
    지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 조작부에 형성되어 상기 조작부를 조작하는 손 또는 손목과 접촉되어 상기 사용자의 맥박, 혈압, 스트레스지수, 산소포화도를 측정하는 생체신호센서;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 생체신호센서를 통해 측정된 정보를 기반으로 상기 사용자의 상태가 불안정하거나 건강상태에 이상이 있는 경우 상기 구동부를 정지시키는 것을 특징으로 하는
    지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 프레임의 전방에 형성되어 전방에서 주행에 방해되는 물체 또는 사람을 감지할 수 있는 감지센서;를 더 포함하며,
    상기 감지센서를 통해 감지된 물체 또는 사람이 검출되면 상기 구동부를 정지시켜 충돌이 발생되지 않도록 방지하는 것을 특징으로 하는
    지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서
    상기 구동부는
    상기 프레임의 후면 하부 양측에 한 쌍으로 이루어져 있고 회전력에 의해 상기 프레임을 이동시키는 구동바퀴와;
    상기 프레임의 전면 하부 양측에 한 쌍으로 이루어져 있고 주행 방향에 따라 회전될 수 있도록 형성되는 조향바퀴와;
    상기 프레임의 하부에 형성되어 외부 전력을 저장할 수 있도록 형성되는 배터리와;
    상기 구동바퀴에 각각 형성되며 상기 배터리로부터 전력을 공급받으면 상기 구동바퀴를 독립적으로 회전시키는 구동모터와;
    상기 구동바퀴에 탈부착될 수 있도록 형성되어 있어 상기 프레임이 정지 또는 감속될 때 상기 구동바퀴와 접촉되어 회전력을 감소시키는 제동유닛과;
    상기 제동유닛에 형성되며 상기 제동유닛이 상기 구동바퀴에 접촉될 때 발생되는 회전력을 공급받아 전기를 생산하는 발전기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템.
KR1020220041985A 2022-04-05 2022-04-05 지자계 조이스틱을 이용한 환경 감응형 전동 휠체어 시스템 KR102643693B1 (ko)

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