KR20180086551A - 스마트폰 센서를 이용한 휠체어 전복예방장치 - Google Patents

스마트폰 센서를 이용한 휠체어 전복예방장치 Download PDF

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Abstract

휠체어에 손쉽게 탈·부착할 수 있는 스마트폰에 내장된 중력가속도 센서를 이용하면 매우 저렴하고 편리하게 휠체어의 기울기를 실시간으로 측정할 수 있다. 이를 위해 측정된 중력가속도 데이터를 수집하여 유무선으로 전송할 수 있는 앱 개발이 필요하고, 보내온 중력가속도 데이터를 활용하여 휠체어 기울기를 실시간으로 계산할 수 있는 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치가 필요하다. 휠체어의 기울기가 허용된 휠체어 기울기를 초과하였을 때 경고를 발생시키거나 휠체어 작동을 중단할 수 있는 휠체어 전복 진단 및 예방장치는 휠체어의 안전을 크게 향상시킬 수 있다. 많은 사람들이 사용하고 일반적으로 사용하고 있는 스마트폰을 이용함으로써 별도의 고가 센서나 장비를 별도로 구축할 필요가 없이 휠체어 전복 진단 및 예방장치를 저렴하게 구축 운영할 수 있고, 매우 편리하게 사용할 수 있다.

Description

스마트폰 센서를 이용한 휠체어 전복예방장치 {Prevention of Wheelchair Overturning using Smartphone Sensors}
장애인이나 고령자가 휠체어를 사용할 때 발생할 수 있는 치명적인 사고가 휠체어 전복사고이다. 민첩성, 판단력 및 조작능력 등이 떨어지는 장애인이나 고령자가 휠체어를 타고 허용되는 경사도보다 큰 경사를 올라가거나 내려올 때 무게중심을 잡지 못하여 휠체어 전복사고가 발생한다. 휠체어 전복은 휠체어 사고의 13%에 불과하지만 치명적인 사고로 이어질 수 있기 때문에 전복진단 및 예방이 매우 중요하다. 스마트폰에 장착된 각종 센서를 활용하여 휠체어의 전복을 예방하고자 한다.
많은 사람들이 사용하고 있는 스마트폰에는 스마트폰의 사용상의 편의와 다양한 기능을 제공하기 위하여 고가의 각종 센서들이 장착되어 있다. 중력가속도 센서, 선 가속도 센서, 자이로스코프, 기압 센터, 근접센서, 차력 측정센서, 나침반, 소리측정 센서 등 매우 다양한 센서가 장착되어 있을 뿐만 아니라, 각 센서를 위한 신호처리장치도 함께 장착되어 있다. 만약 각종 센서와 신호처리장치를 별도 설치하려고 하면 매우 큰 비용이 요구된다.
스마트폰에 내장된 각종 센서를 단순히 스마트폰의 기능을 위해서만 사용하지 않고 휠체어 활용에 적용한다면, 매우 저렴한 비용으로 다양한 기능을 발휘할 수 있다. 본 특허에서는 스마트폰 센서에서 가장 기본적인 센서 중의 하나인 중력 가속도 센서를 활용하여 휠체어의 전복을 예방하고자 한다.
휠체어의 전복 가능성을 탐지하기 위해서는 휠체어의 기울기를 실시간으로 탐지할 수 있어야 한다. 휠체어의 기울기를 탐지하기 위해서 중력가속도계 및 신호처리장치가 필요하다. 휠체어의 기울기를 탐지할 수 있는 센서 및 신호처리장치는 설치가 매우 편리해야 하고 또 저렴하여야 한다. 또 측정된 중력가속도 데이터를 휠체어 제어장치에 전송할 수 있어야 한다. 휠체어의 제어장치에서는 수신된 중력가속도의 신호를 이용하여 휠체어의 기울기를 계산하고 휠체어의 전복 가능성을 실시간으로 진단하여야 한다.
휠체어의 기울기를 탐지하기 위해서 매우 고가의 측정 장비가 요구된다면 그 효용성이 매우 떨어질 것이다. 저렴하고 편리할 뿐만 아니라 실시간으로 휠체어 기울기를 측정할 수 있도록 또 그 성능이 우수하여야 한다. 이를 위해 휠체어에 손쉽게 탈부착이 가능한 스마트폰에 내장된 중력가속도계를 이용한다. 스마트폰에는 고성능 센서뿐만 아니라 신호처리장치도 함께 내장되어 있다. 측정된 중력가속도 데이터를 실시간으로 수집하여 휠체어 제어장치로 전송할 수 있어야 한다. 이를 위해 스마트폰 메모리에 저장된 측정 데이터를 수집하여 유무선으로 전송할 수 있는 앱 개발이 필요하다. 스마트폰의 앱에서 보내온 중력가속도 데이터를 분석하여 휠체어 기울기를 실시간으로 계산하고 예방을 위한 조치를 지시할 수 있는 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)를 휠체어에 구축하여야 한다.
판단력과 민첩성이 떨어지는 노약자나 장애인들이 휠체어를 사용할 때 가장 치명적인 사고 중의 하나가 휠체어 전복이다. 휠체어의 전복을 진단하고 예방하기 위해서는 고가의 고급 센서와 신호처리장치가 필요한데, 많은 사람들이 활용하고 있는 스마트폰에 내장된 센서와 신호처리장치를 활용하면 휠체어 운전 중에 발생할 수 있는 전복사고를 매우 저렴하고 손쉽게 진단하고 예방할 수 있다. 특히 스마트폰에 내장된 중력 가속도계는 3축 방향의 기울기를 측정할 수 있어 다양한 방향의 전복을 측정 및 진단할 수 있다. 스마트폰에는 중력가속도계 뿐만 아니라 다양한 고급 센서들이 기본적으로 장착되어 있어, 스마트폰과 휠체어가 서로 연동 될 수 있다면 저렴한 비용으로 휠체어를 손쉽게 지능화할 수 있다. 또 휠체어를 타면서 스마트폰을 활용할 수 있게 지원하고 스마트폰에 필요한 전원도 공급할 수 있다.
그림 1은 휠체어에 손쉽게 탈부착이 가능한 스마트폰의 모습을,
그림 2는 스마트폰의 중력가속도계에서 측정된 3축 신호의 모습을,
그림 3은 휠체어가 경사를 주행하는 모습을,
그림 4는 휠체어가 경사를 주행할 때 발생하는 무게 중심의 변화를,
그림 5는 스마트폰내 장착된 중력가속계에서 측정된 신호를 전송하기 위한 앱과 앱을 통해 보내온 측정신호를 처리하여 휠체어 기울기를 파악하는 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치의 모습을,
그림 6은 스마트폰 중력가속도계에서 측정된 신호가 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치에 전송되어져 휠체어의 기울기를 계산하는 과정의 개념도를,
그림 7은 휠체어에 고정된 방향으로 설치된 스마트폰의 모습을,
그림 8은 휠체어에 임의의 방향으로 설치된 스마트폰의 모습을,
그림 9는 스마트폰 중력가속도계에서 보내온 측정신호를 분석하여 휠체어 이동거리에 따라 휠체어 기울기를 계산하고 경사면의 기울기를 사전에 예측하는 개념도를
각각 나타내고 있다.
휠체어의 전복을 진단하기 위하여 스마트폰에 내장된 중력가속도계를 활용한다. 스마트폰은 현대인의 생활과 매우 밀접한 관계가 있어서 많은 사람들이 스마트폰을 사용하고 있다. 스마트폰은 사용의 편리성과 다양한 기능을 제공하기 위해서는 스마트폰 안에 다양한 고급 센서들이 장착되어 있다. 고급 센서뿐만 아니라 센서에서 나오는 각종 전기적 신호를 처리할 수 있는 각종 고급 신호처리장치도 함께 내장되어 있다. 이러한 센서와 신호처리장치를 잘 활용하면 휠체어의 지능화에 매우 큰 도움을 받을 수 있다. 특히 휠체어 전복을 편리하고 저렴하게 진단하고 예방하는데 사용할 수 있다.
그림 1은 휠체어에 손쉽게 탈부착이 가능한 스마트폰의 모습을 보여주고 있다. 각종 센서 및 신호처리장치가 내장된 스마트폰을 필요할 때 휠체어에 손쉽게 탈부착할 수 있다는 것은 매우 큰 장점이다. 휠체어에 스마트폰을 부착하면 휠체어를 사용하면서 스마트폰을 사용할 수 있는 장점도 있지만, 스마트폰에 내장된 매우 고가의 고급 센서와 신호처리장치를 그대로 활용할 수 있다는 장점도 있다. 그림 1에서 휠체어가 전복될 때 휠체어의 앞과 뒤 방향 즉 피칭방향으로 전복이 주로 발생하고, 휠체어의 좌측이나 우측 방향 즉 롤링방향으로 전복이 가끔 발생하기도 한다. 때로는 피칭과 롤링의 복합 방향으로 전복이 발생하기도 한다.
그림 2는 스마트폰에 설치된 앱(App)을 통하여 측정된 중력가속도 신호를 보여주고 있다. 스마트폰에 장착된 중력가속도계는 중력가속도를 3축 방향으로 측정한다. 3축 방향의 중력가속도의 크기를 각각 계산하여 전체 중력의 방향을 계산해 낼 수 있어, 휠체어의 피칭 및 롤링 방향 등의 어떤 기울기도 동시에 계산해 낼 수 있다. 중력가속도가 측정되면 스마트폰 메모리에 자동으로 데이터가 기록되는데 앱을 통해서 저장된 측정 데이터를 수집할 수 있다. 수집된 측정 데이터는 유선을 통해서 혹은 블루투스와 같은 무선을 통해서 휠체어로 전송된다.
그림 3은 휠체어가 경사를 올라가거나 내려올 때 휠체어의 움직임을 보여주고 있다. 휠체어 앞바퀴가 경사를 오르기 시작하면서, 휠체어의 기울기는 점점 높아져서 뒷바퀴가 경사면에 올라가기 시작할 때 휠체어의 기울기와 경사면의 기울기가 같아진다. 휠체어 뒷바퀴가 경사면에 완전히 올라가지 않더라도 앞바퀴가 약간의 일정거리만 움직이면 움직인 거리와 움직인 거리 사이에 발생한 기울기의 각도를 계산하면 경사면의 기울기 각도를 미리 알 수 있다. 따라서 뒷바퀴가 경사면에 도달하기 이전에 경사면의 기울기를 계산하여, 위험을 파악하고 휠체어의 전복 가능성을 사전에 진단할 수 있다.
그림 4는 휠체어의 앞바퀴가 경사면을 오르기 시작한 후 뒷바퀴가 경사면에 도달하기까지의 휠체어 기울기의 변화를 보여주고 있다. 휠체어 뒷바퀴가 경사면에 도달하여 휠체어의 기울기가 완전히 기울어지기 이전이라도 경사면의 기울기를 계산하여 경사면의 위험을 사전에 파악하여 휠체어의 전복 가능성을 진단할 수 있음을 보여주고 있다.
그림 5는 스마트폰(100)에 내장된 중력가속도계(110)에서 측정된 중력가속도 데이터가 스마트폰에 설치된 앱(120)을 통하여 휠체어에 실시간으로 전송되고, 휠체어에 전송된 중력가속도 데이터를 통해 휠체어 기울기를 계산하는 마이크로 컨트롤러 장치(150)로 이루어진 본 특허의 구성을 보여주고 있다. 스마트폰(100)에는 중력가속도계(110)와 함께 신호처리장치가 함께 내장되어 있다.
그림 6은 스마트폰(100)의 중력가속도계(110)를 통해 측정된 중력가속도를 통해 휠체어 기울기를 계산하고, 허용된 휠체어 기울기와 비교하여, 휠체어 전복 가능성을 사전에 진단하는 개념도를 보여주고 있다. 스마트폰(100)의 중력가속도계(110)에서 측정(200)되어 스마트폰의 메모리에 저장되어 있는 중력가속도 신호를 스마트폰의 앱(120)이 수집(210)하여 유무선통신을 통해 전송(220)한다. 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)(150)는 수신된 측정신호(230)를 활용하여 중력가속도 방향을 계산(240)하여, 휠체어 초기 기울기(250)와 비교하면 휠체어의 기울기를 계산(260) 할 수 있다. 만약 휠체어의 기울기가 허용된 휠체어 기울기와 비교(300)하여 허용된 기울기보다 더 커지면(310) 경고를 발생하고 휠체어의 작동을 중지(320) 시킬 수 있다.
휠체어가 수평상태에 있을 때의 초기 중력가속도 방향 계산은 휠체어 기울기 계산에 있어 매우 중요하다. 초기 중력가속도의 방향 계산에 있어 스마트폰의 휠체어 장착 방향과 휠체어의 상태가 중요하다. 초기 중력가속도의 방향을 계산하기 위해서는 여러 가지 방법들이 있다. 첫 번째 방법은 그림 7과 같이 사전에 고정된 특정한 방향으로 스마트폰을 휠체어에 장착하는 방법이다. 스마트폰이 고정된 특정한 방향으로 장착되었을 경우에는 휠체어가 수평으로 있을 때와의 상대적인 각도를 미리 알 수 있어, 초기 중력가속도의 방향을 사전에 계산 혹은 입력해 둘 수 있다.
초기 중력가속도를 계산하는 두 번째 방법은 그림 8과 같이 사용자의 편의에 따라 스마트폰을 자유롭게 임의의 방향으로 장착하는 방법이다. 이 경우에는 사용자가 초기 중력가속도의 방향을 설정해 주어야 한다. 예를 들면 휠체어에 스마트폰을 장착한 후 휠체어의 현재 상태가 수평 상태에 있는지, 아니면 경사면에 위에 있는지를 확인해 주어야 한다. 이를 위해서 스마트폰을 휠체어에 장착할 때 현재의 휠체어가 수평 상태에 있는지를 사용자에게 질문하는 것이다. 만약 사용자가 현재의 휠체어가 수평 상태에 있다고 답한다면 그 때의 중력 가속도의 방향이 초기 중력 가속도의 방향으로 설정되는 것이다. 만약 현재 휠체어가 수평 상태에 있지 않다고 답한다면 휠체어가 수평 상태에까지 가서 휠체어가 수평상태에 있다고 답할 때까지 전복진단 및 예방장치는 작동되지 않게 하는 방법이다. 그러나 초기 중력가속도가 한번 설정된 이후라고 하더라도 사용 중에 스마트폰의 방향이 바뀌게 되면 다시 초기 중력가속도의 방향을 설정해 주어야 한다.
초기 중력가속도를 계산하는 세 번째 방법은 휠체어가 일정 거리를 주행할 때 가장 많이 측정되는 중력 가속도의 방향을 초기 중력가속도의 방향으로 잡는 방법이다. 이 방법은 휠체어가 대부분을 수평면 위를 주행한다는 가정하에서 설정되는 방법이다. 휠체어가 경사면을 계속 오르고 내려가는 주행할 때에는 오차가 발생할 수는 있지만, 스마트폰을 사용자 편의에 따라 임의로 설치할 수 있고, 또 자동으로 초기 중력가속도의 방향을 잡을 수 있는 장점도 있다.
그림 9는 휠체어의 이동거리를 측정할 수 있는 장치가 휠체어에 장착되어 있을 경우에 휠체어 전복 가능성을 사전에 진단하는 개념도를 보여주고 있다. 휠체어 바퀴의 회전 속도 혹은 회전 각도를 측정할 수 있는 장치가 있어서 휠체어 이동거리를 계산(270)할 수 있다면, 경사면을 다 오르지 않고서도 이동거리에 따른 휠체어 기울기의 변화를 계산하여 주행 중인 경사면의 기울기를 미리 계산(280)할 수 있다. 경사면의 기울기를 미리 계산하여 경사면의 기울기가 허용된 경사면의 기울기보다 더 크면(290) 경고를 발생하거나 휠체어 작동을 중지(320) 시킬 수 있다. 예를 들면 휠체어에 많이 사용되고 있는 BLDC 모터에서는 홀센서가 설치되어 있기 때문에 별도의 장치가 없어도 휠체어 바퀴의 회전 각도를 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 일반적인 DC 모터에서는 휠체어 바퀴에 엔코더 등의 별도의 측정센서를 설치하여야 휠체어 바퀴의 회전 각도를 측정할 수 있다.

Claims (6)

  1. 휠체어에 손쉽게 탈부착이 가능한 스마트폰(100)과, 휠체어에 장착된 스마트폰에 내장되어 있는 신호처리장치를 포함한 중력가속도계(110)와, 측정(200)되어 스마트폰 메모리에 저장되어 있는 중력가속도계 데이터를 수집(210)하여 유·무선으로 데이터를 전송(220)할 수 있는 스마트폰의 앱(120)과, 스마트폰 앱(120)으로부터 보내온 중력가속도 데이터를 수신(230)하여 중력가속도의 방향을 계산(240)한 후, 휠체어의 초기 중력가속도 방향(250)과 비교하여 현재의 휠체어의 기울기를 계산(260)하고, 휠체어의 기울기가 허용된 기울기 값을 넘었을 때(310) 경고를 발생시키거나 휠체어 작동을 중지(320)하는 등의 전복방지를 위한 조치를 지시할 수 있는 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치(150) 등으로 구성된 휠체어 전복 진단 및 예방 시스템
  2. 청구항 1에서;
    초기 중력가속도의 방향(250)을 계산할 때 스마트폰을 휠체어에 고정된 특정한 방향으로 장착하여 초기 중력가속도의 방향을 사전에 알 수 있는 휠체어 전복 진단 및 예방시스템
  3. 청구항 1에서;
    초기 중력가속도의 방향(250)을 계산할 때 스마트폰을 휠체어에 임의의 방향으로 장착한 후 휠체어의 수평상태를 설정하여 초기 중력가속도의 방향을 알 수 있는 휠체어 전복 진단 및 예방시스템
  4. 휠체어에 손쉽게 탈부착이 가능한 스마트폰(100)과, 휠체어에 장착된 스마트폰에 내장되어 있는 신호처리장치를 포함한 중력가속도계(110)와, 측정(200)되어 스마트폰 메모리에 저장되어 있는 중력가속도계 데이터를 수집(210)하여 유·무선으로 데이터를 전송할 수 있는 스마트폰의 앱(120)과, 스마트 폰 앱(120)으로부터 보내온 중력가속도 데이터를 수신(230)하여 중력가속도의 방향을 계산(240)한 후, 휠체어의 초기 중력가속도 방향(250)과 비교하여 현재의 휠체어의 기울기를 계산(260)하고, 측정할 수 있는 휠체어 이동거리(270)동안 휠체어 기울기의 변화를 통해 경사면의 기울기를 사전에 계산(280)하여, 경사면의 기울기가 허용된 기울기 값을 넘었을 때(310) 경고를 발생시키거나 휠체어 작동을 중지(320)하는 등의 전복방지를 위한 조치를 지시할 수 있는 휠체어 마이크로 컨트롤러 장치(150) 등으로 구성된 휠체어 전복 진단 및 예방 시스템
  5. 청구항 4에서;
    초기 중력가속도의 방향(250)을 계산할 때 스마트폰을 휠체어에 고정된 특정한 방향으로 장착하여 초기 중력가속도의 방향을 사전에 알 수 있는 휠체어 전복 진단 및 예방시스템
  6. 청구항 4에서;
    초기 중력가속도의 방향(250)을 계산할 때 스마트폰을 휠체어에 임의의 방향으로 장착한 후 휠체어의 수평상태를 설정하여 초기 중력가속도의 방향을 알 수 있는 휠체어 전복 진단 및 예방시스템


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