KR20080008133A - 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇 - Google Patents

무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇 Download PDF

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KR20080008133A
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Abstract

본 발명은 거동이 불편한 노약자들의 이동보조를 위한 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇에 관한 것으로, 보행보조로봇은 노약자의 보행의지파악 및 지지를 위한 손잡이, 앉기 서기를 보조하기 위한 승하강 손잡이 장치, 전방의 예기치 못한 장애물 검출을 위한 초음파 거리 측정기, 보행 보조를 위한 모터가 부착된 구동 바퀴 및 캐스터, 건강 모니터 장치, 무선 센서 네트워크 장치, 무선랜이 장착된 임베디드 시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇을 제공하는데 있다.
보행, 보조로봇, 로드셀, 보행의지, 노약자, 이동 로봇

Description

무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇{An old walk aid robot a wireless health monitoring of possibility}
도1은 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 구성 요소를 나타낸 도면.
도2는 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 보행의지 파악 시스템 구성을 나타낸 도면.
도3은 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 초음파 센서를 나타낸 도면.
도4는 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 보행로봇의 위치 결정을 위한 좌표 모델링을 나타낸 도면.
도5는 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 보행로봇과 무선건강 모니터링 시스템과의 연결 방법을 나타낸 도면.
도6은 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 보행보조로봇의 사시도.
도7은 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 보행보조로봇의 측면을 나타낸 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10:손잡이 20:승하강 손잡이 장치
22:스크류 30:초음파 거리 측정기
32:초음파 센서 34:초음파 링
40:구동바퀴 42:캐스터
44:전륜바퀴 46:후륜바퀴
50:건강 모니터 장치 60:무선 센서 네트워크 장치
62:터치 스크린 70:임베디드 시스템
72:무선랜 80:로드셀
본 발명은 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노약자의 약간의 힘을 입력받아 모터를 통해 동력을 전달하여 수월하게 이동하는 보조용 로봇에 관한 것이다.
일반적으로 노약자들은 하지근력이 약화되어 보행이 힘들며 주변 환경에 대한 신속한 대처가 어렵다. 또한 건강 악화로 인해 꾸준한 관리 및 조치가 필요하다. 따라서 심신이 허약한 노약자의 보행 보조 기기가 시중에 나와 있다.
그러나 기존의 보행보조기기는 수동의 캐스터만 달려있는 형태로 구성되어 능동적인 보조가 어려웠고 사용자의 힘에 의지하는 보행 형태를 보인다. 또한 다양 한 서비스를 제공할 수 없고 신속한 상황대처가 어려운 단점이 있는 등 노약자 생활에 질 높은 서비스를 기대하기 어려웠다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 본 발명의 목적은 사용자의 약간의 힘을 입력받아 모터를 통해 동력을 전달함으로써 훨씬 수월하게 이동할 수 있으며 전방의 예기치 못한 장애물과 같은 위험상황에서 경보 및 정지, 회피를 시켜줌으로써 안전성을 크게 향상시키며 사용자의 몸에 부착된 건강 모니터링 장비와의 무선 인터페이스를 통해 건강을 모니터링하고 응급상황 발생시 조치를 통하여 안전성을 향상시키는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇은, 보행보조로봇은 노약자의 보행의지파악 및 지지를 위한 손잡이, 앉기 서기를 보조하기 위한 손잡이 승하강 장치, 전방의 예기치 못한 장애물 검출을 위한 초음파 거리 측정기, 보행 보조를 위한 모터가 부착된 구동 바퀴 및 캐스터, 건강 모니터 장치, 무선 센서 네트워크 장치, 무선랜이 장착된 임베디드 시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇을 제공함으로써 달성하였다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세하게 설 명한다.
도1은 본 발명에 따른 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇의 구성 요소를 나타낸 도면이다.
도시된 바와같이, 본 발명에 따른 보행보조로봇(100)은 노약자의 보행의지파악 및 지지를 위한 손잡이(10), 앉기 서기를 보조하기 위한 승하강 손잡이 장치(20), 전방의 예기치 못한 장애물 검출을 위한 초음파 거리 측정기(30), 보행 보조를 위한 모터가 부착된 구동 바퀴(40) 및 캐스터(42), 건강 모니터 장치(50), 무선 센서 네트워크 장치(60), 무선랜(72)이 장착된 임베디드 시스템(70)으로 구성되어 있다.
상기 보행보조로봇(100)을 사용하는 사용자는 버튼을 통해 앉아있는 상태에서 보행보조로봇(100)의 손잡이(10)에 기대어 일어설 수 있다.
그리고, 일어선 사용자는 손잡이(10)를 밀어서 주행을 시작한다. 손잡이(10)는 밀고 당기는 힘을 검출하여 양쪽 손잡이(10)를 다 밀면 전진으로 인식하고 양쪽손잡이(10)를 다 당기면 후진으로 인식한다.
또한, 상기 보행보조로봇의(100) 한쪽 손잡이(10)를 더 강하게 밀면 조향으로 인식하여 로봇은 회전운동을 한다. 상기 로봇이 주행중에 전방의 초음파 거리 검출계에 의해 장애물을 검출하며 장애물의 회피 방향과 사용자의 보행 의지 방향을 분석하여 안전한 방향과 속도를 계산한다. 이렇게 계산된 로봇의 방향과 속도에 따라 모터를 이용하여 로봇이 이동하며 사용자는 이 로봇에 기대어 주행이 가능하다. 이와같이 도 1은 보행보조로봇의 구성 요소를 보여준다.
이러한 사용자가 보행보조로봇(100)에 의해 보행의지 파악 시스템은 도2에 도시한 바와같이 압축/인장형의 로드셀(80)을 이용한다.
상기 로드셀(80)은 사용자의 밀고 당기는 힘을 검출하여 전압(82)으로 출력한다.
그리고, 상기 로드셀(80)의 출력 전압(82)은 1Kg당 수 mV 정도밖에 되지 않으므로 계측 증폭기(84)를 이용하여 10배~20배 증폭시킨다.
여기서 증폭된 전압(82)은 아날로그-디지털 변환기(86)를 이용하여 디지털 신호로 변환한 후 마이크로프로세서(88)로 입력된다. 왼쪽과 오른쪽에 입력된 힘을 계산하여 사용자의 진행 방향과 속도를 계산한다.
이러한 시스템을 구성한 보행보조로봇(100)을 사용하는 노약자는 승하강 손잡이 장치(20)에 의해 앉기 서기 동작을 보조받게 된다.
여기서, 상기 노약자의 활동성에 제약을 받는 동작 중의 하나가 앉기/서기 동작이며 보행보조로봇(100)은 노약자의 앉기서기 동작을 보조할 수 있어야 한다.
또한, 상기 노약자의 키에 적합하도록 높이를 조절하는데에도 사용한다.
이러한 상기 승하강 손잡이 장치(20)의 구성으로 모터(미도시)는 스크류(22)에 연결이 되어 있으며 스크류(22)가 회전을 하면서 시스템을 상하운동시킨다.
상기 시스템의 상하운동에 의해 손잡이(10)가 승하강하게 되는데 이 때 승하강 손잡이 장치(20)의 승하강은 터치스크린의 버튼을 이용하여 조작한다.
이때, 상기 승하강 손잡이 장치(20)는 안정성을 위해 15도 기울기로 기울어져 있다.
그리고, 손잡이(10)를 잡고 전진 방향 작동 중 전방의 예기치 못한 장애물 검출을 위한 초음파 거리 측정기(30)가 보행보조로봇(100)의 전방에 장착된다.
상기 초음파 거리 측정기(30)는 도3에 도시한 바와같이 30도의 지향각을 갖는 초음파 센서(32)를 사용한다.
상기 초음파 센서(32)는 20cm ~ 3m 사이의 장애물을 1cm 분해능을 갖고 검출한다. 이것은 초음파를 통한 거리 측정 시스템의 형태이다.
그리고, 상기 초음파 센서(32)는 40KHz의 공칭주파수를 갖고 있으며 음파가 장애물에 반사되어 돌아오는 시간을 계산하여 거리를 검출한다.
상기 초음파 센서(32)를 전방 180도의 장애물을 검출하도록 장착하는 초음파 링(44)이다. 초음파 링(34)은 각 초음파 센서(32)를 30도 간격으로 6개를 배치한다.
상기 초음파 센서(32)가 장착되어 진행되는 보행보조로봇(100)은 4개의 구동 바퀴(40)로 구성되어 전륜바퀴(44) 두 개는 모터와 연결되어 구동된다.
그리고, 상기 모터(미도시)는 24V 전력으로 60W 급의 모터를 사용하여 사용자의 기댄 채 동작할 수 있도록 구성한다. 후륜바퀴(46) 두 개는 캐스터(42)의 역할을 하며 사용자의 안정성 향상을 위한 단순지지역할을 한다. 도 4는 보행보조로봇의 위치 결정을 위한 좌표 모델링을 나타낸다. 로봇의 위치는 x,y 와 로봇의 진행방향 θ로 나타내는 XYθ 좌표계로 나타낸다. 따라서 로봇의 속도는 (
Figure 112006051458609-PAT00001
x,
Figure 112006051458609-PAT00002
y,
Figure 112006051458609-PAT00003
θ)로 분해된다. 이를 이용하여 로봇이 의
Figure 112006051458609-PAT00004
속도로 이동할 때
Figure 112006051458609-PAT00005
t 시간의 위치의 변화량은
Figure 112006051458609-PAT00006
여기서, 보행보조로봇(100)이 원하는 위치로 가기 위해서는 로봇의 양 바퀴의 회전속도를 결정해야 한다. 차륜구동에서 로봇은 순간회전중심을 기준으로 회전운동을 한다. 순간회전중심의 위치에 따라 양쪽 바퀴의 속도가 결정되며 양쪽 바퀴의 속도에 의해 모터의 회전각속도가 결정이 된다.
순간회전 중심이 무한히 멀리 있을 때 보행보조로봇(100)은 직진을 하며 순간회전중심이 로봇의 중심에 있을 때 로봇은 제자리 회전을 한다.
그리고, 상기 보행보조로봇(100)은 모터를 이용하여 차륜 이동 제어를 하게 되는데 좌우 바퀴는 모터를 이용하여 회전을 제어한다. 모터의 회전 방식은 PWM 제어를 통해 방향과 속도를 제어한다. 모터의 회전은 회전 증가형 인코더를 이용하여 속도를 피드백 받는다.
여기서 상기 PWM (Pulse.Width.Modulation)의 기본은 Pulse의 DutyRatio(듀티비)로 전압 혹은 전류의 양을 콘트롤 하여 부드러운 콘트롤과, 제어과정에서의 불필요한 전력낭비와 발열을 막을 수 있는 고급 제어방식이라 할 수 있다.
따라서 기본 출력파형은 구형파로 입출력의 결합과정 이나 혹은 필요에 의해서( 소프트 스타트등) 파형정형을 하게되는데 이때는 대개 적분회로가 되므로 톱니 파 비슷한 파형 형태로 변화된다. 원하는 전압을 얻기위해 출력전압을 검출하여 가감이 필요한 만큼 피드백 시켜 입력을 제어하는데 그 제어신호가 PWM 이게 된다.
본 발명의 보행보조로봇(100)의 무선 건강 모니터 장치(50) 시스템으로는 도5에 도시한 바와같이 생체 신호는 심전도, 맥박, 혈압 등을 측정하며 무선 센서 네트워크(60) 모듈은 2.4GHz의 주파수로 연결된다.
상기 무선 센서 네트워크 장치(60)은 생체 모니터(62) 시스템과 보행보조로봇(100) 각각 양쪽에 연결한다. 수신한 보행보조로봇(100)은 생체신호를 저장하고 출력하는 역할을 하며 헬스 케어 시스템 서버에 필요한 경우 전송한다.
아울러, 응급 상황 발생시 응급 상황 전송 시스템으로 노약자의 건강에 이상이 생겼을 때 헬스 케어 시스템 서버로 응급상황을 알리는 시스템이다. 응급상황은 생체모니터(62) 시스템에 이상이 생겼을 때를 의미하며 무선 센서 네트워크 장치(60)를 통해 외부의 헬스케어 시스템 서버로 전송한다.
이러한 무선랜(72)이 장착된 임베디드 시스템(70)으로 여기서 상기 임베디드 시스템(70)은 어떤 제품이나 솔루션에 추가로 탑재되어 그 제품 안에서 특정한 작업을 수행하도록 하는 솔루션을 말한다. 예를 들어 주된 용도가 전화인 휴대폰에 텔레비전 기능이 들어가 있다면, 텔레비전 기능(시스템)이 바로 임베디드 시스템(70)이다. 곧, 본 시스템에 끼워넣은 시스템이라는 뜻이다.
첨단 기능이 들어 있는 컴퓨터, 가전제품, 공장자동화 시스템, 엘리베이터, 휴대폰 등 현대의 각종 전자·정보·통신 기기는 대부분 임베디드 시스템(70)을 갖추고 있다. 대개의 경우 그 자체로 작동할 수도 있지만, 다른 제품과 결합해 부수 적인 기능을 수행할 때에 한해 임베디드 시스템(70)이라고 한다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 보행보조로봇의 작동 및 작용효과를 상세히 설명한다.
이와같은 보행보조로봇(100)의 구성은 도6에 도시한 바와같이 손잡이(10)는 사용자가 잡고 앞뒤로 밀기 위한 것으로 상기 손잡이(10)를 기댄 채로 밀고 당길 수 있도록 수직으로 배치되었다.
그리고, 사용자가 밀고 당기는 것을 로드셀(80)을 검출하며, 이 로드셀(80)은 압축 인장형의 로드셀(80)이다.
상기 로드셀(80)을 고정하기 위한 핸들부분으로 로드셀(80)이 고정되어 손잡이(10)가 움직일 때 마다 힘을 검출하게 된다.
그리고, 사용자가 팔목을 이용하여 몸을 기댈 수 있는 받침대(12)가 구성된다. 팔목을 받치는 받침대(12)가 로드셀(80)과 분리됨으로써 로드셀(80)에 사용자의 기대는 힘이 전달되지 않게 하는 역할을 한다.
또, LCD를 이용하여 로봇과의 인터페이스를 할 수 있는 건강 모니터 장치(50)가 구성되며, 손잡이(10)가 승하강할 수 있도록 설계되는 지지대인 캐스터(42)가 구성된다.
또한, 모터와 구동 바퀴(40)는 연결되며, 상기 모터는 가감속 및 정역전 제어가 가능한 DC 모터(미도시)를 사용한다. 후륜바퀴(46)으로 캐스터(42)의 역할을 하며 동력은 전달되지 않고 안정감 향상을 위해 사용한다
아울러, 정면에 구성되는 시스템으로 캐스터(42)의 내부에 모터와 연결한 스 크류(22)가 달려있어 모터가 회전하면 직진운동을 하도록 되어 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
이상 설명한 바와같이 본 발명의 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇은 사용자의 약간의 힘을 입력받아 모터를 통해 동력을 전달함으로써 훨씬 수월하게 이동할 수 있으며 전방의 예기치 못한 장애물과 같은 위험상황에서 경보 및 정지, 회피를 시켜줌으로써 안전성을 크게 향상시키며 사용자의 몸에 부착된 건강 모니터링 장비와의 무선 인터페이스를 통해 건강을 모니터링하고 응급상황 발생시 조치를 통하여 안전성을 향상시키는 효과가 있으므로 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (6)

  1. 보행보조기기에 있어서,
    보행보조로봇(100)은 노약자의 보행의지파악 및 지지를 위한 손잡이(10), 앉기 서기를 보조하기 위한 승하강 손잡이 장치(20), 전방의 예기치 못한 장애물 검출을 위한 초음파 거리 측정기(30), 보행 보조를 위한 모터가 부착된 구동 바퀴(40) 및 캐스터(42), 건강 모니터 장치(50), 무선 센서 네트워크 장치(60), 무선랜(72)이 장착된 임베디드 시스템(70)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 승하강 손잡이 장치(20)는 터치스크린의 조작버튼에 의해 동력이 전달되어 작동하는 것으로 하부와 상부를 잇는 승하강축으로 형성되는 캐스터(42)의 경사각도가 15°기울어지게 형성되어 몸통 내부에서 모터와 스크류(22)의 연결로 상기 스크류(22)가 회전하여 상하이동장치의 상하운동에 의해 승하강 손잡이 장치(20)가 상하 움직이는 것을 포함하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초음파 거리 측정기(30)는 몸통 전방에 30° 간격으로 6개를 배치한 다수의 초음파센서(32)를 구비한 초음파 링(34)이 장착되며, 상기 초음파 센서(32)는 전방 180도의 장애물을 검출하도록 장착하는 것을 포함하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초음파 센서(32)는 20cm ~ 3m 사이의 장애물을 1cm 분해능을 갖고 검출하며, 40KHz의 공칭주파수를 갖고 있어 음파가 장애물에 반사되어 돌아오는 시간을 계산하여 거리를 검출하는 것을 포함하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구동바퀴(40)는 전륜바퀴(44)과 후륜바퀴(46)의 4개의 바퀴로 이루어져 상기 전륜바퀴(44)의 좌우 바퀴는 모터를 이용하여 회전을 제어하며, 상기 모터의 회전 방식은 PWM 제어를 통해 방향과 속도를 제어하고, 상기 모터의 회전은 회전 증가형 인코더를 이용하여 속도를 되돌려 받는 것을 포함하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇.
  6. 제1항에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크 장치(60)는 생체 신호는 심전도, 맥박, 혈압, 응급상황 등을 측정하여 무선 센서 네트워크 장치(60) 모듈은 2.4GHz 의 주파수로 생체 모니터(62) 시스템과 보행보조로봇(100) 각각 양쪽에 연결하여 수신한 보행보조로봇(100)은 생체신호를 저장하고 출력하는 역할을 하며 헬스케어 시스템 서버에 전송하는 것을 포함하는 무선 건강 모니터링이 가능한 노약자용 보행보조로봇.
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