KR20200093255A - 초음파 센서 기반 스마트 지팡이 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 기반 스마트 지팡이는 지팡이에 부착되어 장애물의 유무에 대한 정보를 수집하는 초음파센서(120); 상기 센서를 통해 감지된 장애물에 대한 정보를 진동 및 LED 점멸수준으로 알려주는 진동모터(140) 및 고리형 LED(141); 특정 위치 인식을 위해 적외선을 발사시키는 적외선 송신부(130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이이다. 본 발명은 사용자 및 주변인에게 장애물에 대한 정보를 제공하여 사용자의 안전한 보행을 도모할 뿐만 아니라, 사용자가 특정 장소를 찾을 수 있는 직관적인 정보를 제공하여 편리성을 증대시키는 것이 그 특징이다.

Description

초음파 센서 기반 스마트 지팡이{A Smart Stick Based On Ultrasonic Sensors}

본 발명은 장애물의 유무에 대하여 사용자와 주변인에게 정보를 제공하고 특정 위치 인식을 도와주는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이에 관한 것이다.

일반적으로 지팡이는 지지할 기구가 필요하거나 시각 외의 다른 정보를 요하는 사람들의 거동을 위해 사용되는 도구로서, 최근에는 그 기본적인 용도에 더하여 호신용, 등산용, 의료보조용 등의 제품이 주를 이루고 있다.

지팡이는 위와 같은 거동의 보조적 수단으로서, 가늘고 긴 자루에 바닥을 지지할 수 있는 끝 단 부분과, 자루의 반대편 끝에는 사용자가 손으로 잡고 이용하는 부분인 손잡이로 구성되어 있는 것이 가장 기본적인 구성이라고 할 수 있다. 사용자의 편리함을 증진 시키기 위해, 삼단으로 접어서 보관할 수 있는 지팡이, 손잡이 부분이 인간공학적 요소를 고려하여 디자인된 지팡이 등이 존재한다. 예컨대, 등록특허 제10-1100968호에는 길이 조절이 가능한 지팡이가 개시되어 있으며 그 구성은 다음과 같다.

제1관체, 및 상기 제1관체에 삽입되어 제1관체의 길이 방향을 따라 슬라이드 이동 가능한 제2관체를 포함하는 길이 조절형 지팡이로서, 상기 제2관체에는 길이방향을 따라 복수의 조절공이 형성되고, 상기 제1관체에는 조절공에 체결될 수 있는 조절핀이 결합되며, 상기 제1관체와 제2관체가 결합된 상태에서 복수의 조절공은 제1관체의 몸체 내에 위치하여 외부로 노출되지 않는 것을 포함하여 구성된다.

상기 등록특허는 기존의 지팡이의 기본 구성을 바탕으로, 그 형태를 변형 가능하도록 하여 길이 조절기능을 제공하는 각종 구성으로 이루어져 있다. 그러나, 이는 단순히 사용자의 휴대성을 증대하는 효과를 가져올 뿐이다.

최근에는 상기와 같은 지팡이로부터 문제점을 인식하여, 사용자가 장애물을 인식하는 기능에 무게를 둔 제품 개발이 이어지고 있다. 출원번호 10-1998-003519 의 발명이 바로 그런 예이다.

해당 발명은 적외선을 이용하여 장애물을 감지하는 발명으로서, 적외선을 발사시키는 발광센서, 장애물에 부딪혀 반사되는 적외선을 모으는 집광렌즈, 상기 집광렌즈를 통하여 모아진 적외선을 감지하는 수광센서 등을 포함하여 구성된다.

KR 10-2011-0126225, 2011. 11. 23. KR 10-2000-0019427, 2000. 04. 06.

상기와 같은 종래 기술을 적용한 지팡이는 기존 지팡이와 같은 자루에 적외선 센서를 추가한 형태를 하고 있으며, 사용자에게 이어폰을 통해 장애물 유무를 알려준다. 이를 통해 사용자가 장애물을 소리 알림으로 피하면서 사용자의 안전을 확보하고자 하였다.

그러나, 사용자에게 이어폰을 통해 음성신호를 전달하는 시스템은 사용자가 즉각적인 반응을 하기 어렵고, 이어폰을 사용하면 사용자가 외부에서 오는 청각적 정보로부터 차단되어 오히려 위험에 빠질 수 있다는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 소리 신호보다 위험 감지에 좀더 직접적인 신호가 된다고 할 수 있는 진동을 이용하여 사용자에게 장애물 유무에 대한 정보를 전달한다. 이뿐만이 아니라, 사용자 주변의 행인에게도 LED 신호를 통해 사용자가 처한 상황에 대한 정보를 전달함으로써 사용자의 안전을 최대화할 수 있다.

단, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 지적한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 지팡이의 일 측면에 위치하여 장애물의 유무를 감지하는 초음파 센서(120), 감지된 장애물의 유무 여부를 알려주는 진동모터(140), 주변인에게 장애물의 거리에 따라 LED 점멸수준으로서 알림을 주는 고리형 LED(141) 및 특정 위치 인식을 위해 적외선을 발사시키는 적외선 송신부(130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이를 제공함으로써, 사용자가 장애물에 의해 거동에 불편을 겪지 않고, 사전에 이를 인지하여 안전하게 대응할 수 있도록 한다.

상기 초음파 센서(120);는 상기 스마트 지팡이의 몸체의 일 측면에 적어도 2개 이상이 부착되어, 각 초음파 센서에서 초음파를 방사한 뒤 장애물에 부딪혀 돌아오는 초음파를 수신하여 정보를 수집한다. 위와 같은 방법으로 측정된 값의 비교를 통해 장애물의 유무를 결정한다.

적어도 2개이상이 부착된 상기 초음파 센서(120)는 Trig핀 및 Echo핀을 포함한다. 상기 Trig핀에서 발생한 초음파가 물체에 부딪혀 반사되어 돌아온 초음파를, 상기 Echo핀에서 수집한다. 이 정보를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정한다.

적어도 2개 이상이 부착된 상기 초음파 센서(120)를 통해 측정된 거리를 기존에 설정 되어있던 기준거리와 비교하는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 센서(120)에 의해 측정된 상기 장애물의 거리를 그 수준에 따라 나누어 상기 고리형 LED(141)이 LED 점멸로 나타낸다. 바람직하게는, 장애물이 기준거리 내라면 빠르게 점멸하고 기준 거리 밖이라면 느리게 점멸한다.

상기 적외선 송신부(130)는 지팡이의 몸체에 부착되어, 위치 인식을 필요로 하는 특정 장소에 위치한 수신부로 적외선을 방사하는 것을 특징으로 한다.

이전에도 초음파를 이용하여 장애물을 감지하는 스마트 지팡이에 대한 연구는 지속되어 왔다. 그러나, 기존의 제품이 고가의 부품을 사용하고 종래의 방식에서 크게 벗어나지 못한다는 점을 고려하여, 좀더 저렴한 방식의 제품 개발이 요구되는 현실이다. 대부분의 현대인이 기술의 발전덕분에 편리한 생활을 누리고 있으나, 경제적인 문제로 이를 접하기 어려운 소외 계층 또한 현대의 혜택을 누릴 수 있도록 저렴한 대체품의 개발이 필요하다 할 것이다. 본 발명의 경우, 기존의 장애물을 감지하는 지팡이에 사용되는 고가의 부품대신, 상대적으로 저렴하게 생산이 가능한 3D 프린팅과 같은 방법을 사용함에 큰 장점이 있다.

또한, 기존의 GPS를 이용하였던 특정 장소 인식 기능에 있어서, 본 발명은 적외선 센서와 비콘을 이용하여 위치인식 시스템을 구현하였다. 이를 통해 실내 위치인식에 있어서 제한적인 이용만이 가능했던 종래의 기술보다 편의성이 개선되었다.

도 1은 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 사시도이다.
도 2는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 확대 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 전방의 물체가 곡선형일 때 반사되는 초음파를 도시한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 전방의 물체가 평면형일 때 반사되는 초음파를 도시한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 상기 초음파 센서(120)에 의해 물체가 감지되는 기능을 도식화한 참고도이다.
도 6는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 전체적인 기능의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 제품의 장애물 감지 기능의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 제품의 위치 인식 기능의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 실시 예에 따른 회로부의 전체 회로를 나타낸 회로도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 사시도이다. 도 1에 도시된 바를 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 기반 스마트 지팡이(100)는 장애물의 유무와 거리 정보를 판단하는 초음파 센서(120), 이를 진동으로써 알리는 진동모터(140), LED 점멸수준으로 전달하는 고리형 LED(141) 및 특정 위치 인식을 위한 적외선 송신부(130)로 구성된다.

도 2는 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 일 실시예에 따른 확대로로, 손잡이(101) 부분의 단면을 나타내고 있다.

손잡이(101)의 내부에 두 개의 진동 모터(130)을 좌우로 배치시켜, 장애물의 방향에 따라 왼쪽 또는 오른쪽의 해당 진동모터(130)가 사용자에게 방향 정보를 전달할 수 있다.

본 발명의 구성요소 중 하나인 상기 초음파 센서(120)는 상기 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 일 측면에 적어도 2개 이상이 부착되어 초음파 신호를 발사시키고 되돌아온 초음파를 수신한다.

상기 초음파 센서(120)는 장애물의 방향과 거리를 측정하는 데 사용될 수 있다. 방향은 상기 초음파 센서(120) 중 한 쪽의 센서에서 높은 값이 출력되었을 때 또는 한 쪽의 센서만 측정되었을 때를 구분하여 장애물의 방향을 결정할 수 있도록 하고, 두 센서 모두 비슷한 값으로 출력될 때 사용자 이동방향으로 방향을 결정한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 센서(120)는 HC-SR04 제품이 사용될 수 있다. 센서의 측정거리는 20~5000mm으로 약 1.7m 거리까지 안정적인 측정값을 보이며, 유효 각도가 20도 이내이고 측정 해상도 3mm를 갖는다. 바람직하게는 DC 5V 전원 인가하여 센서를 사용할 수 있으며, Trig 핀을 통해 10us 주기의 펄스를 인가할 수 있다. Echo 핀으로 되돌아온 초음파는 8개의 40kHz 펄스를 받을 수 있으며, 측정된 거리에 따라 150us ~ 25ms의 펄스가 Echo 핀을 통해 출력될 수 있다.

또한, 상기 초음파 센서(120)는 반사되는 물체의 표면에 의해 측정값이 영향을 받을 수 있는 바, 도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 센서 전방의 물체가 원통형으로 곡선의 모양을 가지고 있다면, 전방 중심으로부터 좌우 20도 정도의 측면에 위치한 물체도 감지할 수 있다는 것을 상기 초음파 센서(120) 측정결과를 통해 알 수 있다. 도 4에 도시된 바에 따르면 초음파 센서(120) 전방의 물체가 센서의 뒷면과 평행하게 되어있는 평면 형상의 물체라면, 전방의 물체를 감지할 수 있는 광각의 범위는 매우 좁아진다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 초음파 센서(120)의 수집된 장애물 방향의 정보 전달에 있어서, 상기 전동모터(140)는 지팡이 손잡이 부분의 좌우에 두 개 이상 위치하여 장애물의 방향에 따라 좌우 중 어느 하나의 진동모터(140)가 작동하여 사용자에게 진동 알림을 전달한다.

또한, 초음파 센서(120)를 이용한 거리 측정을 통해 발생시킬 거리 기준 값을 본 발명의 일 실시예로서 0.5m, 1.0m 지점을 LED 점멸 속도 결정을 위한 영역을 구분하는 기준점으로 설정할 수 있다. 센서의 측정값이 0.5m이하일 경우 가까운 기준점 이내에 물체가 접근한 것을 나타내 LED를 빠르게 점멸시키고, 센서의 측정값이 0.5m이상 1.0m이하일 경우 가까운 기준점과 먼 기준점의 사이에 물체가 접근한 것을 나타내 LED를 느리게 점멸시키며, 센서의 측정값이 1.0m이상일 경우 기준점 내에 물체가 접근하지 않은 것을 나타내 LED를 점멸시키지 않는다.

도 5는 2개의 상기 초음파 센서(120)를 이용한 물체감지 기능을 나타낸 모식도이다. 본 발명의 일 실시예로서 0.5m, 1.0m를 기준점으로 설정했을 때, 좌우의 각 센서가 물체와의 거리를 측정하여 두 센서 값을 비교하여 더 가까운 영역의 측정 값을 따라 출력할 LED의 상태를 결정한다.

상기 초음파 센서(120)는 Trig핀과 Echo핀을 포함할 수 있는데, Trig핀의 압전 소자에 전압이 인가된 후 초음파가 발생하며 방사된 초음파가 물체에 의해 반사되어 되돌아와 Echo핀에 도달한 후, 도달한 초음파의 정보에 맞게 발생된 전압의 크기를 측정하여 물체의 거리를 측정하는 방식으로 각 핀이 운영될 수 있다.

본 발명은 상기 초음파 센서(120)를 통해 감지된 장애물과의 거리를 그 정도에 따라, LED 빠르게 점멸, LED 느리게 점멸 또는 LED 꺼짐으로 시각적으로 확인 가능한 LED 신호를 보내는 고리형 LED(141)를 포함한다.

바람직하게는 온도 변화에 따른 상기 초음파 센서(120)의 측정 값의 변동을 고려하여, 계절 변화에 따른 온도 보정을 포함할 수 있다. 또한 상기 초음파 센서(120)의 유효 각도를 고려할 때, 장애물 대신 바닥에 초음파가 반사되어 감지되는 상황을 방지하기 위해, 바닥과 사용하는 지팡이의 각도를 고려하여 지팡이와 센서의 각도를 결정하고 가림막을 설치하여 초음파의 오작동을 피할 수도 있다.

상기 적외선 송신부(130)는 위치 인식을 원하는 장소에 설치된 적외선 수신부로 적외선을 방사한다. 적외선이 수신부로 입력되어 인식되면, 연동되어 있는 스마트폰 어플리케이션을 통해 수신된 수신부의 번호를 확인할 수 있어, 해당 수신부가 설치된 장소를 인식할 수 있도록 한다. 또한 비콘을 사용하여 유효 ID 변경, 송신 정보 변경, 송신 주기 조절, 수신 세기 조절을 이용해 실내 위치를 파악하기 위한 도구로서 활용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 일 실시예의 전체적인 기능의 흐름을 도시하는 도면이다.

도 6을 구체적으로 살펴보면, 첫 번째 기능인 물체감지를 위해 초음파 센서에서 측정된 거리 값이 칩으로 들어간다. 입력된 측정 값이 칩에 구현된 비교기를 통해 물체의 거리를 비교하고 물체가 위치하는 영역을 판별한다. 이후 출력 영역을 설정해 최종적으로 LED의 상태를 결정한다. 두 번째 기능인 위치인식을 위해 블루투스 기능을 갖는 비콘을 이용해 스마트폰 어플리케이션과의 연동으로 지팡이의 위치를 파악할 수 있다.

도 9은 본 발명의 초음파 센서 기반 스마트 지팡이의 일 실시예의 회로부를 나타내는 회로도 이다.

도 9을 구체적으로 살펴보면, Full Custom IC 회로설계를 이용하여 MCU를 사용하지 않는 설계로 구성될 수 있다. 또한, Cadence 툴을 이용할 수 있다.

100: 스마트 지팡이 101: 손잡이
120: 초음파 센서 130: 적외선 센서
140: 진동모터 141: 고리형 LED

Claims (6)

1. 초음파 센서(120);
   진동모터(140);
   고리형 LED(141);
   적외선 송신부(130);를 포함하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파 센서(120);는 상기 스마트 지팡이의 몸체의 일측면에 적어도 2개 이상이 부착되어, 각 초음파 센서에서 측정된 값의 비교를 통해 장애물의 유무를 알려주는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 적어도 2개 이상이 부착된 초음파 센서(120)는 Trig핀 및 Echo핀을 포함하며, 상기 Trig핀에서 발생한 초음파가 물체에 부딪혀 반사되어 돌아온 초음파를, 상기 Echo핀에서 수집하여 장애물까지의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이.
4. 청구항 2에 있어서,
   기 설정된 기준거리와 상기 적어도 2개 이상이 부착된 초음파 센서(120)를 통해 측정된 거리를 비교하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 적어도 2개 이상이 부착된 초음파 센서(120)에 의해 측정된 상기 장애물의 거리에 따라 상기 고리형 LED(141)의 점멸 수준이 나뉘어져 있는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 적외선 송신부(130)는 지팡이의 몸체에 부착되어, 특정 장소에 위치한 수신부로 적외선을 방사하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기반 스마트 지팡이.

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