KR20140014730A - 보행 보조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 장치는, 본체부; 상기 본체부의 하단에 구비되는 다수의 바퀴; 상기 본체부의 상면에 구비되고, 사용자의 팔이 안착되는 조향부; 및 상기 본체부의 일측에 놓이고, 상기 조향부로부터 전송되는 감지 신호를 수신하여 상기 바퀴의 구동을 제어하는 컨트롤 박스를 포함하고, 상기 조향부는, 좌측과 우측에 각각 놓여서, 사용자의 팔이 얹히는 좌측 상판 및 우측 상판; 상기 상판들의 전단부 영역에 각각 세워져서 사용자가 손으로 파지하는 한 쌍의 핸들; 상기 상판들의 하측에 각각 놓이는 한 쌍의 하판; 상기 상판의 저면에 장착되어 상판을 지지하고, 상기 상판으로부터 전달되는 힘을 감지하는 다수의 힘 감지부를 포함하고, 상기 다수의 힘 감지부 각각은, 서로 다른 면에 장착되는 다수의 스트레인 게이지를 포함한다.

Description

보행 보조 장치{Walking assisting apparatus}

본 발명은 보행 보조 장치에 관한 것이다.

본 발명은 사용자의 조작 의지를 직관적으로 파악하여, 보행 보조 장치와 같은 시스템을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

최근들어 기술이 급성장함에 따라, 다양한 분야에서 사용자의 조작 의지를 직관적으로 파악하여 사용자의 조작 의지에 따라 대상체의 움직임을 제어하기 위한 장치 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 로봇 또는 자동차 산업 분야에서 사용자의 동작에 따라 로봇 또는 자동차의 움직임을 제어하는 기술이 상용화되고 있다.

대상체가 사용자의 조작 의지에 순응하도록 하는 기술을 모션 컴플라이언스(motion compliance)로 정의하며, 이러한 대상체는 사용자의 조작 의지를 파악하여 명령을 내리는 마스터(master)와, 마스터로부터 전달되는 명령에 순응하여 움직이는 슬레이브(slave)로 구성된다.

이와 같은 모션 컴플라이언스 기술이 적용된 대표적인 대상체로서 보행 보조 장치를 들 수 있다.

상기 보행 보조 장치는, 하지 근력이 약한 노약자 또는 장애인의 보행에 도움을 주기 위한 장치로서, 사용자가 손으로 조작하는 힘을 통하여 보행 의지를 파악한다. 일방적인 보행 보조 장치에 적용되는 보행 의지 파악 수단으로서는 스티어링 휠, 조이스틱 또는 마우스를 들 수 있다. 그러나, 조이스틱이나 마우스를 조작하기 위해서는 사용자가 적어도 한 손을 조이스틱이나 마우스를 파지하여야 하는 제약이 따른다. 뿐만 아니라, 사용자가 이러한 조작 수단의 조작법을 연습을 통해 익숙해져야 하는 과정이 반드시 필요한 단점이 있다.

한편, 조작력의 방향을 측정하는 가장 쉬운 방법은 6축의 힘/모멘트 센서를 사용하는 것이다. 이 방법은 측정의 정밀성과 대역 면에서 탁월하지만, 매우 고가이고 요구되는 측정력의 사양이 커짐에 따라 자체 중량도 커지는 단점이 있다.

최근에 제안되고 있는 보행 의지 파악 수단으로서, 일본 공개특허공보 제2009-075083호에 제시된 바와 같이, 외부로부터 힘이 작용하는 작용부와, 자전 변화 소자를 장착하고 있는 탄성 고정부의 자속 변위량을 측정하는 힘센서를 들 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 낮은 자유도의 측정에는 큰 문제가 없으나, 6자유도로 확장시에는 기구적인 복잡성에 문제가 있다. 나아가, 각각의 자유도가 독립적으로 측정되지 않고, 상호 중첩 또는 연동되어 측정될 가능성을 내포하고 있는 단점이 있다. 그리고, 조립 시 공차 관리에 어려움이 있는 단점이 있다.

또한, 한국 등록특허공보 제10-0717397호에는 로드셀을 이용한 보행 보조 장치가 제시되기도 하였다. 상기 등록특허에 의한 보행 보조 장치의 경우, 좌측과 우측의 팔 지지대에 각각 압축인장형 로드셀이 하나씩 제공된다. 그리고, 좌측 로드셀과 우측 로드셀의 인장 또는 수축 상태를 파악하여, 사용자의 전진, 후진, 좌회전 또는 우회전의 의도를 파악하는 구조이다.

그러나, 단일의 로드셀을 이용하는 보행 보조 장치의 경우, 로드셀에 힘을 가하기 위하여 반드시 양손으로 손잡이를 잡고 밀거나 당기는 조작을 하여야 하는 제한이 따른다. 이는 조이스틱이나 마우스가 가지는 한계와 유사하다.

뿐만 아니라, 손잡이의 조작에 따른 로드셀의 인장과 수축값을 통한 직선 변위값만의 대소만 가지고 판단하기 때문에, 모멘트값을 이용한 방향 전환 의도는 파악할 수가 없는 단점이 있다. 예컨대, 좌측과 우측 로드셀에서 감지하는 힘의 값이 양의 값을 나타내는 경우 이른 전진 의도로 해석하게 된다. 그러나, 좌측값과 우측값이 모두 양의 값이지만 좌측값과 우측값 중 어느 하나가 더 클 경우에 이를 방향 전환 의도로 파악하지 못하고 전진 의도로만 파악할 수 있는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 개선하기 위하여 제안된 것으로서, 사용자의 조작 의지를 나타내는 작용력에 대하여 작용력의 크기뿐만 아니라 모멘트까지 측정할 수 있도록 하여, 사용자의 조작 의지를 보다 정확하게 파악할 수 있는 메카니즘이 구현된 보행 보조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 기존의 6축 로드셀 대비 가격이 저렴하고 조립성이 용이한 보행 의지 측정 수단이 구비된 보행 보조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 장치는, 본체부; 상기 본체부의 하단에 구비되는 다수의 바퀴; 상기 본체부의 상면에 구비되고, 사용자의 팔이 안착되는 조향부; 및 상기 본체부의 일측에 놓이고, 상기 조향부로부터 전송되는 감지 신호를 수신하여 상기 바퀴의 구동을 제어하는 컨트롤 박스를 포함하고, 상기 조향부는, 좌측과 우측에 각각 놓여서, 사용자의 팔이 얹히는 좌측 상판 및 우측 상판; 상기 상판들의 전단부 영역에 각각 세워져서 사용자가 손으로 파지하는 한 쌍의 핸들; 상기 상판들의 하측에 각각 놓이는 한 쌍의 하판; 상기 상판의 저면에 장착되어 상판을 지지하고, 상기 상판으로부터 전달되는 힘을 감지하는 다수의 힘 감지부를 포함하고, 상기 다수의 힘 감지부 각각은, 서로 다른 면에 장착되는 다수의 스트레인 게이지를 포함한다.

상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 다수의 스트레인 게이지를 이용하여 X축 및 Y축 방향 힘을 측정할 수 있을 뿐 아니라, 방향 전환을 위한 모멘트값을 측정할 수 있어, 사용자의 보행 의지를 더욱 정확하게 감지 및 측정할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 손잡이 부분에 심전도 모듈이 장착되기 때문에, 사용자가 보행 보조 장치의 조작 과정에서 현재 건강 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 장점이 있다.

셋째, 다수의 스트레인 게이지를 이용하여 1축 혹은 다축의 힘뿐만 아니라 방향 전환을 위한 모멘트를 함께 측정할 수 있기 때문에, 좌측과 우측에서 동일 축 방향으로 힘이 가해 지더라도 방향 전환 의지를 명확하게 파악할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조작 의지 감지 메카니즘이 구비된 보행 보조 장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 장치의 핸들부 일측 구성을 보여주는 분해 사시도.
도 3은 상기 핸들부의 종단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핸들부에 제공되는 힘 감지부의 배치 모습을 보여주는 도면.
도 5는 상판에 수직 방향 힘이 작용하는 모습을 보여주는 힘 작용도.
도 6은 좌측 상판에 수직 방향 힘이 작용할 때 스트레인 게이지에서 감지하는 힘의 크기를 보여주는 그래프.
도 7은 수직축 방향 힘을 제거하고, 각 축에 작용하는 힘과 조향부에 작용하는 모멘트를 구하는 보상 알고리즘 수행을 위한 좌표를 보여주는 도면.
도 8은 좌측과 우측 상판에 각각 전방으로 미는 힘을 작용하였을 때의 감지 결과를 보여주는 그래프.
도 9는 좌측과 우측 상판에 각각 측방향으로 미는 힘을 작용하였을 때의 감지 결과를 보여주는 그래프.
도 10은 좌측 상판과 우측 상판 중 어느 일측은 전방으로 힘이 작용하고 다른 일측은 후방으로 힘이 작용하였을 때의 감지 결과를 보여주는 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 조향부에 구비되는 핸들을 보여주는 사시도.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조작 의지 감지 메카니즘이 구비된 보행 보조 장치의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조작 의지 감지 메카니즘이 구비된 보행 보조 장치(10)는, 골격을 이루는 한 쌍의 사이드 프레임(11) 및 전방 프레임(15)과, 상기 전방 프레임(15)의 상면에 안착되는 컨트롤 박스(16)와, 상기 한 쌍의 사이드 프레임(11) 각각의 상면에 안착되는 조향부(20)와, 상기 사이드 프레임(11) 각각의 하단에서 전방과 후방으로 연장되는 한 쌍의 레그(12)와, 상기 한 상의 레그(12) 각각의 단부에 연결되는 바퀴(13) 및 상기 레그(12)와 사이드 프레임(11)을 연결하고 상기 바퀴(13)를 통하여 전달되는 충격을 흡수하는 완충부(14)를 포함한다. 그리고, 상기 바퀴들(13) 중 적어도 일부에는 구동 모터(미도시)가 연결되어, 상기 바퀴를 회전시키는 동력을 제공한다. 그리고, 전방측 또는 후방측 바퀴들 중 어느 일측의 바퀴들은 고정된 상태로 제공되고, 타측의 바퀴들은 수직축을 중심으로 좌우 방향으로 회동 가능하게 제공될 수 있다. 회동 가능하게 제공되는 바퀴들에는 방향 전환을 위한 메카니즘이 연결될 수 있다. 그리고, 상기 구동 모터는 상기 회동 가능하게 장착되는 바퀴 또는 반대편 바퀴에 장착될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 전진 또는 후진의 경우 상기 구동 모터에 의하여 바퀴가 회전하되, 바퀴들은 모두 전방을 향하도록 제어된다. 그리고, 좌측 또는 우측으로 방향 전환을 하기 위해서는 상기 회동 가능하게 장착되는 바퀴가 좌측 또는 우측으로 회전하게 된다. 여기서, 상기 전방 프레임(15)과 사이드 프레임(11) 및 상기 레그(12)를 상기 보행 보조 장치(10)의 본체부로 통칭할 수 있다.

상세히, 상기 보행 보조 장치(10)의 사용자가 양 팔을 상기 조향부(20)에 얹은 상태에서 가고자 하는 방향으로 힘을 가하면, 상기 조향부(20)에서 그 힘의 크기와 방향을 정확하게 인식하여 상기 컨트롤 박스(16)로 전송한다. 그리고, 상기 컨트롤 박스(16)에서는 구동 모터 및 상기 바퀴의 방향 전환 메카니즘으로 제어 신호를 전송하게 된다. 그리고, 상기 컨트롤 박스(16)로부터 전송되는 구동 모터의 회전 제어 신호와 방향 전환 신호에 따라 상기 보행 보조 장치(10)가 이동하게 된다.

이하에서는 상기 보행 보조 장치(10)의 이동을 위한 조작 의지 감지 메카니즘, 즉 조향부(20)의 구성 및 기능에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는 조작 의지 감지 메카니즘과 조향부(20)는 동일한 개념으로 사용될 수 있음을 밝혀 둔다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 장치의 핸들부 일측 구성을 보여주는 분해 사시도이고, 도 3은 상기 핸들부의 종단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핸들부에 제공되는 힘 감지부의 배치 모습을 보여주는 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 장치(10)를 구성하는 조향부(20)는 좌측 조향부와 우측 조향부를 포함하며, 각 측 조향부는 동일한 구성으로 이루어진다.

상세히, 상기 조향부(20)는, 사용자의 팔꿈치 아랫부분에 해당하는 팔뚝이 놓이는 상판(22)과, 상기 상판(22)의 전단부 근처에 세워지는 핸들(21)과, 상기 상판(22)으로부터 하측으로 이격되는 지점에 놓이는 하판(23)과, 상기 하판(23)의 전단부와 후단부에 연결되는 베이스(25) 및 상기 베이스(25)에 안착된 상태에서 상기 상판(22)을 지지하는 힘 감지부(24)를 포함한다.

더욱 상세히, 상기 베이스(25)는, 상측이 개구되고 하측이 차폐되며 내부에 소정 깊이의 함몰부가 형성되는 형태로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 힘 감지부(24)의 하측 부분이 상기 베이스(25)의 내부에 안착된다.

또한, 상기 힘 감지부(24)는, 다층 및 다각형으로 이루어진 변형체(240)와, 상기 변형체(240)에 부착되는 다수의 스트레인 게이지(241,242)를 포함한다. 상세히, 상기 변형체(240)는 상기 상판(22)에 가해지는 수평 방향 또는 수직 방향 힘에 의하여 전후 또는 좌우 방향으로 휘어질 수 있는 인장 강체일 수 있다. 그리고, 상기 변형체(240)는 도시된 바와 같이 다층, 구체적으로 2층으로 이루어질 수 있고, 각 층의 일 면에 상기 스트레인 게이지(241,242)가 부착된다. 그리고, 상기 변형체(240)의 변형 정도, 다시 말하면 휘어지는 정도가 상기 스트레인 게이지(241,242)에 의하여 감지된다. 그리고, 상기 스트레인 게이지(241,242)의 휘어지는 양태에 따라 상기 상판(22)에 작용하는 힘의 크기와 방향이 결정된다.

또한, 상기 변형체(240)의 각 층에 장착되는 스트레인 게이지(241,242)는 서로 직교하는 면에 장착된다. 구체적으로, 상기 변형체(240)는 다수의 면을 가지는 다각형 기둥, 구체적으로는 사각 기둥 형태를 이룬다. 상기 스트레인 게이지(241,242)는, 상기 변형체(240)의 상부층 전면에 장착되어 X축 방향 힘을 감지하는 X축 스트레인 게이지(241)와, 상기 변형체(240)의 하부층 측면(도면에서는 좌측면)에 장착되어 Y축 방향 힘을 감지하는 Y축 스트레인 게이지(242)를 포함한다.

그리고, 상기 힘 감지부(24)는 좌측 조향부의 전후측 및 우측 조향부의 전후측에 전부 4개가 설치될 수 있다. 따라서, 상기 조향부(20)에는 4개의 X축 스트레인 게이지(241)와 4개의 Y축 스트레인 게이지(242)가 장착된다. 여기서, 좌측 조향부의 전방측 힘 감지부(24)에 장착된 X축 스트레인 게이지를 제 1 측정부(241a), Y축 스트레인 게이지를 제 2 측정부(242a), 후방측 힘 감지부(24)에 장착된 X축 스트레인 게이지를 제 3 측정부(241b), Y축 스트레인 게이지를 제 4 측정부(242b)로 정의한다. 그리고, 우측 조향부의 전방측 힘 감지부(24)에 장착된 X축 스트레인 게이지를 제 5 측정부(241c), Y축 스트레인 게이지를 제 6 측정부(242c), 후방측 힘 감지부(24)에 장착된 X축 스트레인 게이지를 제 7 측정부(241d), Y축 스트레인 게이지를 제 8 측정부(242d)로 정의한다. 정리하면, 본 실시예에서는, X축 스트레인 게이지 모두는 상기 변형체(240)의 전면에 장착되며, 제 1,3,5,7 측정부(241a ~ 241d)로 정의되고, Y축 스트레인 게이지 모두는 상기 변형체(240)의 좌측에 장착되며, 제 2,4,6,8 측정부(242a ~ 242d)로 정의된다.

한편, 사용자가 양팔을 좌측과 우측 조향부에 얹으면, 상기 좌측 및 우측 조향부를 구성하는 각각의 상판에 수직 방향 힘이 작용하게 된다. 상기 수직 방향 힘은, 사용자의 팔의 무게 및 사용자가 누르는 힘의 합을 말한다. 사용자가 핸들(21)을 잡고 앞뒤로 밀거나 팔꿈치를 옆으로 밀 때 순수하게 수평 방향 힘만 작용하지는 않을 것이며, 수직 방향 힘이 작용할 수밖에 없을 것이다. 그리고, 이러한 수직 방향 힘에 의해서도 상기 힘 감지부(24)의 변형체(240)는 휘어지게 되고, 그 결과 상기 제 1 내지 제 8 측정부들 중 일부는 반응을 하여 힘을 감지하게 될 것이다. 그러나, 상기 보행 보조 장치(10)의 이동에 수직 방향 힘, 즉 Z축 방향 힘은 고려 대상이 되지 않는다. 따라서, 상기 측정부들에서 감지되는 힘의 크기 중 수직 방향 힘을 제거할 필요가 있다.

도 5는 상판에 수직 방향 힘이 작용하는 모습을 보여주는 힘 작용도이고, 도 6의 (a)와 (b)는 좌측 상판에 수직 방향 힘이 작용할 때 스트레인 게이지에서 감지하는 힘의 크기를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 상기 상판(22)에 순수 수직 방향 힘이 상기 상판(22)의 중앙에 작용하는 경우, 전방과 후방의 변형체(240)가 서로 대칭되는 방향으로 휘어진다. 이와 함께 상기 변형체(240)의 전면에 장착된 제 1 측정부(241a)와 제 3 측정부(241b)도 역시 서로 대칭되는 방향으로 휘어져서 힘을 측정하게 된다.

참고로, 본 도면은 작용하는 힘에 대하여 힘감지부(24)의 변형 모습을 과장되게 표현한 것임을 밝혀 둔다. 실제로는 상기 변형체(240)는 아주 미세하게 휨변형이 일어날 것이며, 이러한 미세한 힘 작용을 스트레인 게이지가 감지하게 된다.

도 6의 (a)를 을 참조하면, 그래프의 가로축은 시간축이 되고 세로축은 힘의 크기를 나타낸다.

상세히, 좌측 상판에 수직 방향 힘만 가하였을 때 제 1 측정부(241a)와 제 3 측정부(241b)에서 감지되는 힘의 크기는 서로 반대 값을 나타낸다. 즉, 힘의 절대값은 동일하되 작용 방향이 반대가 되는 것이다. 이는, 상기 제 1 측정부(241a)와 제 3 측정부(241b)가 변형체(240)의 동일면에 장착되지만, 도 5에 도시된 바와 같이 변형 방향이 다르기 때문이다. 그리고, Y축 스트레인 게이지에는 힘이 작용하지 않기 때문에 거의 0에 가까운 힘이 감지된다. 뿐만 아니라, 우측 조향부에는 힘이 작용하지 않기 때문에 우측 조향부에 장착된 X축 스트레인 게이지에서 감지되는 힘도 0의 값을 나타낸다.

이와 같이 수직축으로 작용하는 힘도 X축 스트레인 게이지에서 감지하기 때문에, 실질적으로 X축 방향으로 작용하는 힘만을 추출하기 위해서는 X축 스트레인 게이지에서 감지되는 힘의 값 중 수직축으로 작용하는 힘을 제거하는 과정이 수행되어야 한다. 이와 같이 수직축으로 작용하는, 소위 판단에 불필요한 힘을 제거하는 과정은 벡터 제어를 이용한 보상 알고리즘(수학식 1 참조)을 통하여 수행될 수 있다.

도 6의 (b)를 참조하면, 이러한 보상 과정을 거친 후의 각 측정부에서 감지한 힘의 값을 산출한 결과이다. 상세히, 수직축 방향 힘만 작용한 경우, X축 방향과 Y축 방향 및 사용자를 중심으로 조향부(20)에 작용하는 모멘트값이 모두 0이거나 0에 가까운 오차 범위에 들어오는 것을 확인할 수 있다. 본 실시예에서는 힘의 값이 ±50의 오차 범위 내에 들어오면 힘이 0인 것으로 간주하여, 힘이 작용하지 않는다고 판단한다. 이 상태에서는 보행 보조 장치(10)가 이동하지 않고 정지한 상태를 유지하게 된다.

이하에서는 상기에서 설명한 수직축 방향 힘의 보상 과정을 통해 조향부(20)에 X축 방향(전진 또는 후진)의 힘과 Y축 방향(좌회전 또는 우회전) 힘 및 조향부(20)에 작용하는 모멘트값(좌회전 또는 우회전을 결정하는 값)들 각각의 총합을 구하는 방법에 대해서 설명하도록 한다.

도 7은 수직축 방향 힘을 제거하고, 각 축에 작용하는 힘과 조향부에 작용하는 모멘트를 구하는 보상 알고리즘 수행을 위한 좌표를 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, 전방으로 작용하는 X축 방향 힘을 양의 값으로, 우측으로 작용하는 Y축 방향 힘을 양의 값으로, 반시계 방향으로 작용하는 모멘트 값을 양의 값으로 설정하도록 좌표를 설정할 수 있다. 그리고, A와 L은 양의 값으로 정의한다. 그러면, 아래와 같은 행렬식에 의하여 ∑Fx,∑Fy,∑Mz 값을 구할 수 있다.

상기의 보상 알고리즘을 수행하면, 수직축 방향으로 작용하는 힘을 제거하여 순수하게 수평 방향으로 작용하는 힘만을 추출하고, 그에 따른 모멘트를 구할 수 있다.

도 6의 (b)에 나타나는 그래프는, (a)에 나타나는 각 측정부들에서 감지된 힘으로부터 수직 방향 작용 힘을 배제한 상태에서의 Fx,Fy 및 Mz 값을 보여주는 그래프이다. 그래프에서 보이는 바와 같이, Fx,Fy 및 Mz가 모두 0으로부터 오차 범위 내에 들어오는 값으로 측정되므로, 보행 보조 장치(10)는 움직이지 않고 정지한 상태로 유지된다.

예를 들어, 수직 방향으로 5N의 힘이 작용하고 전방으로 3N의 힘이 작용한다고 가정했을 때, ∑Fx는 12N이 산출되어야 한다. 수직 방향으로 5N의 힘이 작용할 때, F1=-5N, F3=5N의 값이 측정될 것이고, 여기에 3N의 힘을 전방으로 작용하면 실제로 제 1 측정부(241a)와 제 3 측정부(242b)에서 감지되는 값은 F1=-2N, F3=8N이 된다. 이들을 상기의 행렬식에 대입하면, Fx=F1+F3=6N이 되며, 이는 순수하게 전방으로 3N이 작용하였을 때 F1과 F3의 값의 합과 동일하게 된다. 즉, 수직축 방향 힘이 제거되면서 X축 방향 힘이 산출되는 것이다. 그리고, L=1이라고 가정하면, 조향부에 작용하는 모멘트 Mz=-(-2)×(1)-(8)×(1) = -6N/m가 되어 시계 방향으로 모멘트가 작용하게 된다. 따라서, 상기 보행 보조 장치(10)는 우회전하게 된다.

도 8은 좌측과 우측 상판에 각각 전방으로 미는 힘을 작용하였을 때의 감지 결과를 보여주는 그래프이다.

도 8의 (a)를 참조하면, 좌측 상판과 우측 상판에 각각 전방으로 향하는 힘이 작용함을 알 수 있고, 이들 힘을 상기 행렬값에 대입한 결과가 (b)에 나타난다.

상세히, Y축 방향으로 작용하는 힘은 없으므로 Fy=0의 값이 산출되고, Fx>0의 값이 산출된다. 그리고, Mz의 경우 일부 구간에서는 0의 값이 산출되고, 일부 구간에서는 음의 값이 산출된다. 만일 감지값이 오차 범위 내에 들어오는 경우는 0으로 보되, 오차 범위를 벗어나면 방향 전환의 의지가 있는 것으로 판단된다. 예컨대, 좌측 상판에 5N의 힘을 가하고 우측 상판에 3N의 힘을 가하는 경우, 양쪽 모두 전방으로 힘을 가하지만, 사용자는 우회전하고자 하는 의지로 파악되어야 한다. 따라서, 모멘트 Mz<0의 값으로 산출되어야 맞을 것이고, (b)의 그래프에서 -50과 -100사이의 값으로 감지되는 구간에서는 보행 보조 장치(10)가 우회전하게 될 것이다. 즉, 본 발명에 따르면, 사용자의 방향 전환 의지를 파악하기 위해서 Fx 뿐만 아니라 모멘트 Mz도 고려 인자에 포함시키는 것을 특징으로 한다. 그러나, 상기에서 종래 기술로 제시된 한국 등록특허공보 제10-0717397호의 경우, 본 발명에서와 같이 로드셀을 이용하여 사용자의 동작 의지를 파악하고 있으나, 단순히 단일 축 방향, 즉 X축 방향 힘만을 고려 인자로 설정하고 있다. 따라서, 사용자가 양쪽 모두 전방 또는 후방으로 힘을 가하되, 어느 한쪽에 가하는 힘을 다른 한쪽보다 크게하여, 방향 전환을 하고자 시도하더라도 보행 보조 장치는 이를 인식하지 못하고 전진 또는 후진 명령으로만 판단하게 되는 단점이 있다.

도 9는 좌측과 우측 상판에 각각 측방향으로 미는 힘을 작용하였을 때의 감지 결과를 보여주는 그래프이다.

도 9의 (a)를 참조하면, F2,F4,F6 및 F8이 모두 양의 값을 나타내므로, 이는 좌측 상판과 우측 상판이 모두 한쪽 방향으로 힘을 받고 있다는 것을 의미한다. 그리고, 그래프 (b)를 참조하면, X축 방향 힘은 0으로 감지되므로, 사용자는 방향 전환을 하고자 하는 것으로 파악된다. 그리고, 도 7을 참조하면 본 그래프는 좌측 방향으로 힘이 작용하고 있음을 알 수 있다.

또한, 상세히, Fy의 값이 양의 값을 나타내는 구간에서 동시에 Mz 값도 양의 값을 나타내고 있다는 것은, 힘이 상판의 정중앙에서 작용하고 있다기 보다는 상판의 중심으로부터 전방으로 치우치는 지점에서 좌측 방향으로 힘이 작용하는 것으로 예측할 수 있다. 만일, 양의 값을 나타내는 모멘트값이 오차 범위 내의 값이라면 무시하도록 프로그램될 수 있다. 또는, Y축 방향으로 힘이 작용할 경우, 즉 방향 전환의 경우는 모멘트 값은 고려 인자에 넣지 않도록 프로그램될 수도 있다.

도 10은 좌측 상판과 우측 상판 중 어느 일측은 전방으로 힘이 작용하고 다른 일측은 후방으로 힘이 작용하였을 때의 감지 결과를 보여주는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 사용자가 방향 전환을 위해서 좌측 상판과 우측 상판 중 어느 일측은 전방으로 밀고 다른 일측은 후방으로 미는 동작을 할 수가 있다. 이 경우, 좌측과 우측에 작용하는 힘의 크기는 같고 방향만 반대라고 한다면, Fx 값은 0으로 감지될 것이고, 모멘트 값(Mz)이 양의 값 또는 음의 값을 나타낼 것이다. 그래프 (b)를 보면, Mz값이 음의 값을 나타내므로, 이 구간에서는 사용자가 우회전하기 위하여 좌측 상판을 전방으로 밀고 우측 상판을 후방으로 당기고 있음을 알 수 있다.

또한, Fy값이 양의 값을 나타내고 있는 것은, 사용자가 상판을 밀거나 당기는 과정에서 Y축 방향으로 약간의 힘이 들어갔을 수 있으며, 이 값이 오차 범위 내라면 무시해도 좋다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 조향부에 구비되는 핸들을 보여주는 사시도이다.

도 11을 참조하면, 상기 핸들(21)은 상기 상판(22)의 전단부 근처에 세워질 수 있다.

상세히, 상기 핸들(21)은, 사용자가 손으로 파지할 수 있는 파지부(211)와, 상기 파지부의 좌측면 또는 우측면에 장착되는 심전도 모듈(212)을 포함한다. 상기 심전도 모듈(212)은 사용자가 상기 파지부(211)를 잡았을 때 손바닥 또는 손가락에 의하여 덮이는 지점에 장착될 수 있다. 정확한 심전도 측정을 위해서는 사용자의 손가락에 의하여 덮이는 면에 장착되는 것이 좋다. 그리고, 상기 심전도 모듈(212)은 상기 한 쌍의 핸들(21) 중 어느 하나 또는 모두에 장착될 수 있다.

상기 심전도 모듈(212)에는 사용자의 손가락 위치에 대응하는 지점에 다수의 감지부가 형성되며, 상기 다수의 감지부는 사용자의 체온, 심박 상태 등을 감지하는데 필요한 감지부들을 포함한다.

이와 같이, 핸들(21)에 심전도 모듈(212)이 장착됨으로써, 보행 보조 장치(10)를 운전하는 중에 사용자의 건강 상태를 실시간으로 파악할 수 있으므로, 노약자 또는 장애인과 같이 정상인보다 더욱 세심하게 건강 상태를 체크해야 하는 사람들에게 매우 유용하다고 할 수 있다.

상기 컨트롤 박스(16)에 별도의 통신 모듈이 구비되도록 하여, 상기 심전도 모듈(212)에서 감지된 심전도 결과가, 병원 등을 포함하는 사용자의 건강 상태를 실시간으로 체크할 필요 또는 의무가 있는 사람 또는 기관으로 전송되도록 할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 본체부;
   상기 본체부의 하단에 구비되는 다수의 바퀴;
   상기 본체부의 상면에 구비되고, 사용자의 팔이 안착되는 조향부; 및
   상기 본체부의 일측에 놓이고, 상기 조향부로부터 전송되는 감지 신호를 수신하여 상기 바퀴의 구동을 제어하는 컨트롤 박스를 포함하고,
   상기 조향부는,
   좌측과 우측에 각각 놓여서, 사용자의 팔이 얹히는 좌측 상판 및 우측 상판;
   상기 상판들의 전단부 영역에 각각 세워져서 사용자가 손으로 파지하는 한 쌍의 핸들;
   상기 상판들의 하측에 각각 놓이는 한 쌍의 하판;
   상기 상판의 저면에 장착되어 상판을 지지하고, 상기 상판으로부터 전달되는 힘을 감지하는 다수의 힘 감지부를 포함하고,
   상기 다수의 힘 감지부 각각은, 서로 다른 면에 장착되는 다수의 스트레인 게이지를 포함하는 보행 보조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 컨트롤 박스는, 상기 조향부로부터 전송되는 감지 결과를 바탕으로 상기 바퀴의 정역회전 방향 및 바퀴의 좌우회전 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 바퀴로 회전력을 전달하는 구동 모터를 더 포함하는 보행 보조 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 다수의 스트레인 게이지는, 상기 상판으로부터 전달되는 수평 방향 힘과 수직 방향 힘을 감지하고,
   상기 힘 감지부의 전면과 후면 중 어느 일면에 장착되어, X축 수평 방향 힘을 감지하는 X축 게이지와,
   상기 힘 감지부의 좌측면과 우측면 중 어느 일면에 장착되어, 상기 X축과 직교하는 Y축 수평 방향 힘을 감지하는 Y축 게이지를 포함하는 보행 보조 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 힘 감지부는 상기 좌측 상판의 전방과 후방 및 상기 우측 상판의 전방과 후방에 각각 장착되고,
   상기 X축 게이지들끼리는 서로 동일한 방향을 향하도록 장착되고, 상기 Y축 게이지들끼리는 서로 동일한 방향을 향하되 상기 X축 게이지들이 향하는 방향과 직교하는 방향을 향하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   수직축 방향 힘을 배제한 X축 수평 방향 전체 힘((Fx)net)과, Y축 방향 전체 힘((Fy)net) 및 상기 조향부에 작용하는 회전 모멘트(Mz)는, 계산식
   

   

   ,
   

   

   ,
   

   

   , 및
   

   

   에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 조향부의 전진 또는 후진 의지는, 상기 Fx값에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 조향부의 방향 전환 의지는, 상기 Fx값과 Mz값의 조합 또는 상기 Fy값에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 핸들 중 어느 하나 또는 전부에 장착되어, 사용자의 심전도를 감지하는 심전도 모듈을 더 포함하는 보행 보조 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 심전도 모듈은, 사용자의 체온, 심박 상태를 포함하는 건강 상태를 체크하기 위한 다수의 감지부를 포함하는 보행 보조 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨트롤 박스에 제공되어, 상기 심전도 모듈로부터 감지되는 심전도 감지 결과를 전송하기 위한 통신 모듈을 더 포함하는 보행 보조 장치.
    

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