KR200254842Y1

KR200254842Y1 - 휠체어의 ac 서보모터 전동 구동장치

Info

Publication number: KR200254842Y1
Application number: KR2020000021675U
Authority: KR
Inventors: 진상호; 박정규
Original assignee: 진상호; 박정규
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2001-11-29

Abstract

본 고안은, 현재 병원의 환자 또는 장애인들이 많이 사용하고 있는 수동휠체어의 이동 방법으로 운전자가 손으로 휠체어의 좌, 우 바퀴의 손잡이를 회전시켜 목적지까지 이동하는 방법과 또는 대리인이 휠체어를 밀어서 목적지까지 이동하는 불편한 점들의 해결방법으로, 간단한 AC(Alternating Current) 서보모터 구동의 보조장치를 설치하여 속도 제어함으로써, 현재 사용하고 있는 휠체어를 간이 자동 겸 수동용 휠체어로 바꿀 수 있는 AC 서보모터의 전동 구동장치에 관한 것이다.

현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 수동휠체어에 간단한 AC 서보모터 구동용 보조장치를 설치 속도 제어하므로 싼 가격으로 자동휠체어와 동등한 성능을 발휘하며, 만약 전원이 부족하면, 종래의 자동휠체어의 경우 모터와 감속기 사이의 클러치를 조작해야 수동으로 이동이 가능하게 되는 불편함이 있었는데, 본 고안에서는 이러한 클러치의 변환없이 스위치의 조작으로 수동이동이 가능하도록 고안하였다.

동작 스위치는 3 부분으로 첫째는 스위치가 ON되면 전지의 전류가 AC 서보모터로 흘러 모터가 회전하여 본 고안의 원동바퀴 겸 운전바퀴가 회전하게 되면 휠체어는 전진하게 된다. 둘째는 스위치를 중립으로 하면 전지의 전원을 단락시켜 AC 서보모터가 브레이크 되어 급정지된다. 마지막으로, 스위치를 OFF하게 되면 AC 서보모터는 브레이크가 풀리며, 가벼운 자연상태로 된다. 따라서, AC 서보모터에는 브러쉬가 없어 마찰계수가 낮아 수동으로 이동이 가능하게 된다.

방향의 변환은 좌, 우의 회전의 경우 핸들로 조정하고, 뒤로 이동이 필요할 경우는 모터의 역회전이 가능한 별도의 스위치에 의해 후진하게 된다.

속도 제어회로에는 밧데리의 전압 DC레벨을 본 고안에 사용되는 AC 서보모터의 전원인 AC레벨로 변환시키는 인버터 회로가 설치되어 있으며, 속도 제어는 원칩 컴퓨터를 이용하여 PWM제어를 함으로 모터의 전력 소모가 작게 되도록 설계하였다. 모터의 입력선에 CT센서를 설치하여 전류제어를 하며, 휠체어의 속도제어는 PWM제어로 저속에서 고속까지 무단변경이 가능하도록 하였다.

Description

휠체어의 AC 서보모터 전동 구동장치{Drive Equipment and Controll of AC Servomotor for Wheel chair}

본 고안의 목적은 병원의 환자 또는 장애인 그리고 사회의 고령화에 의해 휠체어를 이용하는 노인들이 현재 상용화되어 사용중인 수동휠체어를 손쉽고 간단하게 고안된 AC(Alternating Current) 서보모터 구동 보조장치를 장착함으로써 간이 자동과 수동 겸용의 휠체어로 바꿀 수 있어, 종래의 수동 및 자동휠체어의 단점을 보완하여 사용자의 불편함을 해결하여 삶의 질을 높이는 데 있다.

본 고안은 종래 기술인 전동휠체어의 수동조작의 불편함과 또한 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 수동휠체어에 간단한 AC 서보모터 구동용 보조장치를 설치하여 속도 제어하므로 싼 가격으로 전동휠체어와 동등한 성능을 발휘하며, 만약 전원이 부족하면, 종래의 전동휠체어의 경우 모터와 감속기 사이의 클러치를 조작해야 수동으로 이동이 가능하게 되는 불편함이 있었는데, 본 고안에서는 이러한 클러치의 변환없이 스위치의 조작으로 수동이동이 가능하도록 고안하였다.

도 1은 현재 상용화되어 일반적으로 가격이 싸며, 가장 보편적으로 많이 사용하고 있는 수동휠체어의 측면도이다. 이것의 이동방법은 두 가지로, 첫째는 좌, 우의 바퀴에 부착되어 있는 손잡이(10)를 운전자가 손으로 회전시켜 목적지까지 이동하는 방법이다. 둘째는, 대리인이 휠체어의 손잡이(12)를 잡고 밀어서 목적지까지 가는 방법이다. 이것들은 모두 사람의 힘에 의해 이동하므로 운전자의 체력적인 소모가 많아 원거리 이동은 불편하며, 또한 대리인(보조인)이 있어야 이동이 가능한 단점이 있다.

도 3은 현재 상용화되어 사용되고 있는 전동휠체어의 측면도이다. 이것은 DC(직류) 기어모터가 좌, 우측 바퀴에 부착되어 운전자가 스위치를 조작(ON)후 핸들을 이용하여 목적지까지 이동하게 된다. 이것의 단점은 첫째, 목적지까지 이동 중에 전원이 부족하게 되면 좌, 우 바퀴에 부착되어 있는 모터가 DC 기어모터이므로 모터와 기어감속기 사이의 클러치를 분리하여야만 수동으로 이동이 가능하게 되어 있으며, 이때에 좌, 우 바퀴에 운전자가 손으로 회전시키는 손잡이가 없어 운전자 자신의 힘으로는 이동이 불가능하다. 따라서, 대리인에 의해 이동이 가능한 불편함이 있다. 둘째는, 구동 모터로 DC 기어모터를 사용하고 있어, DC 모터의 구조상 브러쉬가 설치되어 있어 정기적으로 이것을 교환해야 하는 불편함과 브러쉬의 기계적인 마찰계수가 높아 수동으로 이동할 때 힘이 많이 든다(좌, 우의 2곳). 셋째, 제어법으로 오픈(Open)제어를 하여 휠체어의 속도제어가 일정하지 못하여, 오르막 또는 내리막에는 휠체어의 주행속도 변화가 발생하여 운전자가 불안감을 얻을 수 있는 단점이 있다. 넷째, 제어법으로 DC 모터의 특징으로 전압에 따라 회전이 변화하므로(전압제어) 저속회전 때 토크가 낮아 감속기의 기어비를 크게하여 저속회전이 가능하게 된다. 따라서, 전력소비가 많아 전지(밧데리)의 수명이 짧아 원거리 이동이 불가능하여 충전을 자주 해야 하는 단점도 있다.

도 4는 도 3의 간단한 배면도 이다. 도면상 간단히 설명하기 위해 영문자 M은 DC 모터를 나타내고, G는 기어감속기를 나타낸다. 그리고, DC 모터와 기어감속기사이의 클러치 및 전지, 제어회로는 복잡성을 고려하여 생략하였다.

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도 1은 종래 수동휠체어 형상의 측면도.

도 2는 종래 수동휠체어 형상의 정면도.

도 3은 종래 전동휠체어 형상의 측면도.

도 4는 종래 전동휠체어 형상의 배면도.

도 5는 본 고안 전동휠체어 형상의 측면도.

도 6은 본 고안 전동휠체어 형상의 배면도.

도 7은 본 고안 전동휠체어의 보조장치의 회전부.

도 8은 본 고안 전동휠체어의 보조장치의 상세도.

＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＞

1 : 수동휠체어의 원동바퀴

2 : 수동휠체어의 보조바퀴

3 : 운전자의 좌석

4 : 본 고안의 AC 서보모터 전동 구동장치

5 : 본 고안의 AC 서보모터 전동 구동장치에 연결된 원동바퀴 겸 운전바퀴

6 : 본 고안의 AC 서보모터 전동 구동장치를 부착하는 판

8 : 종래 전동휠체어의 운전바퀴

9 : 종래 전동휠체어의 원동바퀴

10 : 수동휠체어의 원동바퀴 손잡이

11 : 본 고안 AC 서보모터 전동 구동장치의 핸들

12 : 수동휠체어의 보조인 손잡이

도 5는 현재 상용화되어 일반적으로 많이 사용되고 있는 수동휠체어에 본 고안의 AC 서보모터 전동 구동장치(5)를 설치한 전동휠체어의 측면을 나타낸다. 도 6은 이것의 배면도를 나타내며, 도 7은 AC 서보모터 구동장치를 설치한 전동휠체어의 회전부의 상세도 이다.본 고안의 AC 서보모터 전동 구동장치의 구조 및 구성은 도 8과 같다. 구조 및 구성품을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 8의 영문 M은 범용적으로 판매되고 있는 AC 서보모터(4) 이며, TG는 모터의 회전을 측정하는 센서이다. 모터의 축에는 동력을 전달할 수 있는 체인 또는 V 풀리가 붙어 있다. 본 도에서는 이해를 돕기 위해 V 풀리로 나타내고 있다. (5)는 본 고안의 원동바퀴 겸 운전바퀴 이며, 이것은 지면에 접촉하여 휠체어를 모터의 힘으로 움직이게 하는 원동역활을 하여야 히므로 지면에서 미끄럼이 일어 나지 않도록 공기압 타이어를 사용한다. 그리고 AC 서보모터(4)의 동력을 전달 받을 수 있는 체인 또는 V 풀리가 측면에 고정되어 (5)와 동일한 운동을 한다. 공기압 타이어 바퀴의 양쪽에는 마찰계수를 줄이기 위해 볼베어링이 삽입되어 있어며, 종래의 수동휠체어에 부착할 수 있는 부착판(6)이 연결되어 도 7과 같이 독립적으로 좌, 우 회전이 가능한 자전거의 앞 바퀴와 같은 형상으로 되어 있다. 자전거의 페달과 같은 작용을 하는 것이 AC 서보모터(4)의 동력이다. 이상과 같은 독립적인 AC 서보모터 전동 구동장치에 (11)의 핸들이 붙어 좌, 우 회전이 가능하다. 종래의 수동휠체어에 고정은 부착판 (6)의 양끝에는 수동휠체어의 후레임에 C클램프로 고정이 가능하도록 되어 있다. 이상에서 설명한 본 고안의 AC 서보모터 전동 구동장치 보조품을 일반 수동휠체어에 조립하면 간이형 자동휠체어가 된다.이상의 독립적인 전동 구동장치를 이용하여 본 고안의 전동휠체어의 조립 및 동작, 속도 제어방법을 설명한다. 현재 사용하고 있는 수동휠체어에 도 8의 AC 서보모터 구동장치를 부착판(6)을 이용하여 도 6과 같이 설치한다. 부착할 때 주의사항은, 수동휠체어의 보조바퀴(2)가 지면에서 약 1cm 정도 높아야 한다. 따라서, 지면에는 수동휠체어의 원동바퀴(1) 좌, 우와 본 고안의 AC 서보모터 구동장치에 연결된 원동바퀴 겸 운전바퀴(5)가 세 부분으로 접촉되어 있다. 따라서 (5)의 원동바퀴 겸 운전바퀴에 체인 또는 V풀리로 동력이 전달되도록 연결되어 있는 AC 서보모터 구동장치에 전압이 입력되면 모터가 회전하게 되어 수동 휠체어는 움직이게 된다. 상용의 수동휠체어의 높이는 제작회사에 따라 높이가 다르므로, 높이 조정이 가능하도록 볼트로 체결되도록 설계하였다. 보조장치의 회전부(도 8)는 운전자가 탑승 후에도 핸들(11)이 자유스럽게 회전이 가능하도록 마찰계수가 작은 볼 베어링을 사용하였다.동작 스위치는 3 부분으로 첫째는 스위치가 ON되면 전지의 전류가 AC 서보모터로 흘러 모터가 회전하게 되면, 본 고안의 원동바퀴 겸 운전바퀴(5)가 회전하면서 휠체어는 전진한다. 둘째는 스위치를 중립으로 하면 전지의 전원을 단락시켜 AC 서보모터가 브레이크되어 급정지된다. 마지막으로, 스위치를 OFF하게 되면 AC 서보모터는 브레이크가 풀리며, 가벼운 자연상태로 된다. 따라서, AC 서보모터에는 브러쉬가 없어(마찰부분이 없어 마찰계수가 낮음) 수동으로 이동이 가능하게 된다.본 고안의 원동바퀴 겸 운전바퀴(5)는, 일반적인 수동휠체어의 보조바퀴(2) 역할을 한다. 방향의 변환은 좌, 우의 회전은 핸들(11)로 조정하고, 뒤로 이동이 필요할 경우는 모터의 역회전이 가능한 별도의 스위치에 의해 백(Back)한다.

본 고안의 휠체어에 사용되는 전원은 2륜차(오토바이)의 실더용 전지(밧데리)이며 전압이 12 [V] 또는 24 [V]이다. 이 전원은 DC레벨이며 본 고안에 사용되는 AC 서보모터의 전원은 AC레벨이므로 DC에서 AC로 변환시키는 인버터(Inverter)회로가 설치되어 있다. 속도 제어는 원칩 컴퓨터(Ti제품; TMS 370, 80196 등)를 이용하여 저자가 1993년에 발표한 PWM(Pulse Width Modulation)제어(Journal of Intelligent and Robotic Systems 7 : pp.353-369, 1993, Kluwer academic Publishers 참조)를 이용하여 전력 소모가 작게 되도록 설계하였다. 모터의 입력선에 CT센서(전류센서)를 설치, 전류를 피드백(Feed back)시켜 오르막 및 내리막에는 전류제어가 가능하도록 하였다. 휠체어의 속도제어는 외부에 설치된 회전저항기(포덴셔 메터)를 이용하여 PWM제어의 펄스 폭을 조정하여 저속에서 고속까지 가능하도록 하였다. 이 제어는 저속에서도 토크의 변화가 적은 장점이 있다.

이상에서 서술한 바와 같이 본 고안의 효과는 다음과 같다.

1) 현재 일반적으로 많이 사용하고 있는 수동휠체어를 본 고안의 AC 서보모터 구동용 보조장치를 간단히 설치하므로 자동과 수동 겸용의 휠체어가 가능하여, 상용의 자동 및 수동 휠체어의 단점을 해결할 수 있다.2) 본 고안의 AC 서보모터(IM형 또는 SM형 : DC 브러쉬레스)를 사용하여 PWM제어에 의한 효율이 높아 전지(밧데리)의 사용시간을 연장할 수 있다.

3) 저렴한 가격의 자동 및 수동휠체어가 가능하여 장애인 및 고령화 시대를 맞아 노인들의 삶의 질을 높인다.

4) 수동휠체어의 보조인이 불필요하여 병원의 인력부족에 도움이 되어 국제경쟁력을 높일 수 있다.

Claims

현재 상용화되어 병원의 환자, 장애인, 노인들이 일반적으로 사용하고 있는 수동휠체어를 간이 자동화로 움직이게 별도로 공기압 타이어를 동력 바퀴가 되도록 AC 서보모터(AC 3상 유도전동기, DC 브러쉬레스 모터)와 연결된 구동용 보조장치를 설치 속도 제어함으로써 간이 자동과 수동 겸용이 가능한 휠체어의 보조 AC 서보모터 전동 구동장치.