KR20210062874A - 계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈을 포함한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 마련되는 전동 어시스트 시스템에 있어서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 무한궤도형 주행 부재의 캐터필러부; 상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 상기 캐터필러부의 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 상기 캐터필러부의 Yaw 각도를 추정하는 제어부를 포함하여, 상기 랜딩기어부의 일단이 승강되면, 상기 캐터필러부가 승강되어 계단 또는 단차면과 접촉되고, 이후 상기 캐터필러부의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시키는 것을 일 특징으로 한다.

Description

계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈을 포함한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법{CONTROL SYSTEM OF ELECTRIC ASSIST MODULE AND CONTROL METHOD FOR WHEELCHAIR DRIVING ON STAIRS AND STEPPED TERRAIN}

본 발명은 휠체어의 경사 주행을 보조하는 전동 어시스트 모듈을 제어하는 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 휠체어의 계단 또는 단차 주행을 보조자 없이 탑승자의 조작으로 주행할 수 있도록 보조하는 전동 어시스트 모듈의 Yaw각도를 추정하여 전동 어시스트 모듈을 제어할 수 있는 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.

휠체어는 다리가 자유롭지 못하거나, 몸이 불편하여 걷기가 어려운 사람을 대상으로 앉은 상태에서 이동할 수 있도록 의자에 바퀴가 구비되는 구조를 갖는다. 최근 급격한 고령화와 보행 장애인들의 숫자 증가로 인해 교통 약자의 수가 비약적으로 증가하여 2017년에는 14,963천 명으로 전체 인구의 28.9%를 차지하게 되었다. 그에 따라 교통 약자들의 주요 이동수단인 휠체어의 수요가 점점 증가하고, 다양한 환경에서 휠체어 이용 욕구가 증가하고 있다.

휠체어를 이용하여 외출 시 불편한 점으로 응답한 내용 중 턱이 있는 곳이 20.8%, 계단이 20%로 많은 사람들이 단차가 있는 지형 이동에 어려움을 겪고 있다고 조사되었다. 휠체어 사용자들은 계단 및 경사 지형 이동을 위해 별도의 승강기 혹은 리프트 등을 이용해야 한다. 하지만 기존 전동휠체어 크기와 중량으로 리프트 사용 제한이 있고 승강기 혹은 리프트 등이 설치되어있지 않은 건물의 경우 계단 이동을 위해서는 보호자가 직접 사용자를 들어서 이동시켜야 하는 번거로움이 있다. 또한, 계단 이동에 있어 해결방안으로 별도의 경사 혹은 리프트 등을 설치하는 경우가 있지만 주 이동 경로마다 설치해야 하여 추가 비용이 부과되고, 구조적 문제로 설치가 어렵다. 따라서 휠체어 사용자의 이동권 확보를 위하여 장소와 보호자 여부에 상관없이 스스로 승월하고 수동휠체어에 간단한 부착만으로도 계단 지형 이동이 가능한 장치 개발의 필요성이 대두되고 있다.

휠체어 사용자 스스로 계단을 승월할 수 있는 장치로는 바퀴 형태의 iBot, 무한궤도형의 Scelovo와 Topchair가 대표적이다. iBot과 같은 바퀴 형태의 계단 승월 장치는 역진자 형태의 정밀한 균형제어로 계단을 주행한다. 하지만 계단 주행 중 전원 차단에 의한 기립 불가로 인하여. 전복과 같은 안전사고가 일어날 수 있다. 이에 안전한 계단 승월을 위한 장치 개발에 있어 대부분의 연구에서는 일반 바퀴가 아닌 무한궤도형 메커니즘을 이용한 연구가 병행되고 있다. 무한궤도형 메커니즘은 굴곡면 접촉 성능이 뛰어나 접지 부위가 고르게 분포되므로 타 구동 방법에 비해 장애물 또는 계단을 승월하는데 있어 안정적인 주행이 가능하다.

기존 연구의 경우 무한궤도 메커니즘은 안정적 계단 진입, 계단 승월 연구가 중점으로 이루어졌지만 주행 중 발생할 수 있는 예외 상황에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 특히 계단 주행 중 정렬 이상 동작과 같은 Yawing은 슬립현상 및 미끄러운 지면과 같은 외부적인 요인으로 인해 발생할 수 있다. Yawing은 직진성을 잃고 한쪽으로 치우쳐 주행하는 현상을 발생시키고, 전복 등의 안전사고로 이어질 수 있어 연구의 필요성이 높다.

한편, 종래기술로 미국등록특허 제7080842호는 계단을 위한 휠체어 장치를 개시한다. 현재까지의 종래기술은 단차에 랜딩을 위한 피봇 부재를 구비하나, 전술한 계단 상승시의 전복 등의 안전사고로 인하여 보조자가 필요한 실정이다. 현재, 상용화되고 있는 계단 승강을 위한 휠체어 및 보조 어시스트 모듈은 SANO사의 리프트카 PTR이 있다. 현재 휠체어에 적용되어 휠체어의 계단 주행을 가능하게 하는 무한궤도형 제품도 공개되고 있으나, 리프트카 독자적인 기능으로 보조자 없이 단독으로 휠체어의 계단 승강을 보조하기에는 전복 등의 안전성 문제가 해결되지 못한 실정이다.

본 출원인은 계단 승월을 위한 전동 어시스트 모듈의 승강시 발생될 수 있는 전복의 위험성을 극복하기 위한 제어 시스템으로, Yawing으로 인한 정렬 이상 현상을 안정적으로 보정하는 방법을 제안하고자 한다. 일반적으로 Yawing 각도는 관성센서의 가속도, 각속도 데이터를 통해 측정되지만, 가속도계가 감지하는 중력가속도 방향과 일치하는 Z축에 대한 회전 감지가 어렵고, 각속도계 데이터의 시간 축적에 의한 드리프트 현상 발생으로 인해 센서에 의한 Yawing 각도 측정이 어려운 실정이다. 본 출원인은 회전 감지가 아닌 3축의 가속도 데이터로 Yaw 각도 변화량을 추정하고 이를 이용하여 전동 어시스트 모듈을 제어할 수 있는 시스템 및 방법을 제안한다.

미국등록특허 제7080842호

본 발명은 보조자 없이 휠체어의 계단 및 단차 승강의 주행을 가능하게 하는 전동 어시스트 모듈을 포함한 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 휠체어의 계단 및 단차 승강의 주행시 Yawing 각도를 추정하여 전동 어시스트 모듈을 보정함으로써, 안전성이 우수한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 마련되는 전동 어시스트 시스템에 있어서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 무한궤도형 주행 부재의 캐터필러부; 상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 상기 캐터필러부의 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 상기 캐터필러부의 Yaw 각도를 추정하는 제어부를 포함하여, 상기 랜딩기어부의 일단이 승강되면, 상기 캐터필러부가 승강되어 계단 또는 단차면과 접촉되고, 이후 상기 캐터필러부의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시키는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제어부는, x축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Roll 각도를 산출하고, y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도를 산출할 수 있다.

바람직하게, 상기 제어부는, 상기 Roll 각도와 상기 Pitch 각도의 비율의 역탄젠트 연산으로 Yaw 각도를 추정하여, 회전량의 분석 없이 Yawing 각도를 추정할 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 전동 어시스트 시스템은 상기 제어부가 추정한 Yaw 각이 비례 제어로 적용되어 구동되는 모터를 포함하고, 모터의 구동으로 상기 캐터필러부의 직진성을 보정하는 보정 제어기를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 보정 제어기는, 상기 제어부의 추정된 Yaw 각도를 피드백 받아 상기 캐터필러부가 기울어진 방향과 회전량에 따라 상기 모터의 입력 속도를 증속 또는 감속할 수 있다.

또한, 본 발명은 계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈의 제어 방법에 있어서, 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 전동 어시스트 모듈의 x, y, z축 가속도를 측정하는 (a)단계; 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 x축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Roll 각도를 산출하고, y축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Pitch 각도를 산출하는 (b)단계; 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 (b)단계에서 산출된 Roll 각도와 Pitch 각도를 연산하여 상기 전동 어시스트 모듈의 Yaw 각도를 추정하는 (c)단계; 및 상기 전동 어시스트 모듈의 보정 제어기가 상기 (c)단계에서 추정된 Yaw 각도를 피드백 받아 상기 전동 어시스트 모듈의 직진성을 보정하는 (d)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 무한궤도의 캐터필러부가 계단의 단차를 선형적으로 승강시키고, 캐터필러부의 초기 랜딩을 위한 별도의 랜딩기어부가 구비되어 보조자 없이도 휠체어의 계단 승강이 가능한 이점이 있다.

또한 본 발명은, 랜딩기어부가 전후방의 자유단을 갖고 무게중심을 기준으로 전/후방을 승강시키며, 계단 등의 연속된 단차 상승시 무게중심을 계단 쪽으로 위치시켜 후진 주행으로 낙상 방지를 위한 안정적인 주행이 가능하도록 한다. 또한, 계단이 아닌 1단의 단차 등의 둔덕의 장애물에서는 단차를 정면으로 바라보고 승강하여 단차의 종류에 따라 사용자가 적절히 대응할 수 있도록 보조하는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 제어부가 Yaw각도를 추정하여 캐터필러부의 직진성을 적절히 보정함에 따라 전동 어시스트 모듈의 안정성을 향상시키는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈이 휠체어 프레임에 결합된 휠체어의 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 사시도를 나타낸다.
도 3은 캐터필러부의 계단 및 경사 주행 중 외부적인 요인으로 인한 Yawing 발생 모델을 묘사한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보정 제어기의 제어 블록도를 나타낸 것이다.
도 5는 실험례 수행을 위한 전동 어시스트 모듈과 실험 계단 환경 및 실험 진행 시뮬레이션을 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 실험환경에 따른 실험 수행 모습을 나타낸 것이다.
도 7은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=10)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 8은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=200)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 9은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=200)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다.
도 10는 실험례로서, 비례계수가 (K_p=700)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 11은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=700)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)이 휠체어 프레임(10)에 결합된 휠체어(1)의 사시도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 계단 및 단차의 승강이 가능한 본 실시예에 따른 휠체어(1)는 휠체어 프레임(10)과 전동 어시스트 모듈(3)을 포함할 수 있다. 휠체어 프레임(10)은 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임(11)에 탑승자가 앉게 되는 착석부(13)가 마련되고, 프레임(11)의 양측에 구동바퀴(15)가 구비된다. 본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 휠체어 프레임(10)에 일체형으로 결합되어 보급되어도 무방하고, 휠체어 프레임(10)과 호환 가능하도록 별도로 보급되어도 무방하다.

전동 어시스트 모듈(3)은 휠체어 프레임(10)의 하부에 체결된다. 바람직하게, 전동 어시스트 모듈(3)은 좌우측 구동바퀴(15)의 사이공간에 체결되어 마련될 수 있다. 전동 어시스트 모듈(3)은 평지에서 구동바퀴(15)의 주행을 방해하지 않으나, 탑승자가 경사 또는 계단 또는 보도블럭의 단일성 단차를 주행할 수 있도록 보조한다.

전동 어시스트 모듈(3)은 캐터필러부(30), 랜딩기어부(50), 및 제어부(70)를 포함하여 구성될 수 있다. 전동 어시스트 모듈(3)은 랜딩기어부(50)의 일단이 승강되면, 캐터필러부(30)가 반력으로 승강되어 계단 또는 단차면과 캐터필러부(30)가 접촉될 수 있도록 한다. 이후, 캐터필러부(30)의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 휠체어 프레임(10)의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시킬 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 사시도를 나타낸다.

캐터필러부(30)는 복수개의 휠(31) 및 휠(31)을 회전시키는 체인벨트(33)가 마련되는 무한궤도형 주행 부재로서, 휠체어 프레임(10)에 장착되어 휠체어 프레임(10)의 계단 또는 단차를 승강한다. 도면에는 도시되지 않았으나, 캐터필러부(30)에는 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서가 마련될 수 있다. 가속도 센서는 x, y, z축의 가속도를 각각 측정할 수 있는 주지의 구성이어도 무방하다. 가속도 센서는 캐터필러부(30)의 중앙 하부에 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예로, 캐터필러부(30)는 휠체어 프레임(10)의 계단 승강을 주행하는 바퀴로 구동바퀴(15)와 구분된다. 계단 승강시의 주행은 캐터필러부(30)에 의해 수행된다. 캐터필러부(30)는 휠(31)과 체인벨트(33)로 이루어진 무한궤도형 주행 부재로 구동바퀴(15) 형태의 계단 승월 장치가 갖는 역진자 형태의 정밀한 균형제어가 없어도 굴곡면 접촉 성능이 뛰어나고 접지 부위가 고르게 분포되는 특징을 갖는다. 무한궤도형 캐터필러부(30)는 연속 단차를 갖는 계단에서 체인벨트(33)가 연속적인 주행면을 제공하여 계단승월에 특히 탁월하다. 한편, 여러 연구에서 무한궤도 메커니즘의 안정적 계단 진입, 계단 승월 연구가 중점적으로 이루어졌지만 주행중 발생할 수 있는 예외 상황에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 특히, 계단 주행 중 정렬이상 동작과 같은 Yawing은 직진성을 잃고 한쪽으로 치우쳐 주행하는 현상을 발생시킬 수 있고, 전복 등의 안전사고로 이어질 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 캐터필러부(30)의 안정적인 계단진입을 위한 수단으로 랜딩기어부(50)를 구성한다. 또한, 캐터필러부(30)의 안정적인 주행을 위한 구동 제어의 로직이 탑재된 제어부(70)가 포함될 수 있다.

랜딩기어부(50)는 캐터필러부(30)에 마련되며, 휠체어 프레임(10)의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강될 수 있다. 랜딩기어부(50)는 캐터필러부(30)의 초기 승강을 위한 보조부재를 의미한다. 본 실시예에 따른 랜딩기어부(50)는 휠체어를 기준으로 전방 또는 후방을 각각 승강시킬 수 있는 기어 구조로 제공됨에 주목한다. 보조자 없는 휠체어의 계단승강은 사용자가 후방을 바라보도록 하여 계단을 등지고 승강하도록 구동시켜야 낙상 등의 안전사고를 방지할 수 있다. 따라서, 휠체어의 전방 또는 후방을 단차의 종류에 따라 구분하여 주행할 수 있도록, 랜딩기어부(50)는 휠체어의 전방을 들어올리거나 후방을 들어올리도록 마련됨이 바람직하다.

랜딩기어부(50)는 기어축(51), 전방 랜딩 휠(53), 후방 랜딩 휠(55) 및 구동 모듈(57)을 포함할 수 있다.

랜딩기어부(50)는 계단 승강시 탑승자가 계단을 등질 수 있도록 휠체어 프레임(10)의 방향이 후진 방향으로 전환된 상태에서 전방의 자유단이 승강되도록 제어된다. 또한 랜딩기어부(50)는, 단차 승강시 탑승자가 정면을 향하도록 휠체어 프레임(10)의 방향을 정면으로 위치시킨 상태에서 후방의 자유단이 승강되도록 제어된다. 랜딩기어부(50)는 1회성의 단차 승강시에는 탑승자가 직진으로 단차 지형을 주행하고, 계단의 복수개 단차 승강시에는 탑승자가 후진으로 단차 지형을 주행하도록 제어될 수 있다.

기어축(51)은 휠체어 프레임(10)의 무게중심에 위치한다. 도 2를 참조하면, 기어축(51)은 캐터필러부(30)의 하부에 마련되며, 기어를 구동하는 DC 모터를 중앙에 두고 양측에 마련되었다. 기어축(51)은 도 2와 같이 병렬 프레임으로 마련될 수 있을 뿐만 아니라, 단일 프레임으로 마련되어도 무방하다.

전방 랜딩 휠(53)과 후방 랜딩 휠(55)은 기어축(51)을 중심으로 전후 방향 신장된 길이를 갖는 몸체에 마련된다. 전방 랜딩 휠(53)과 후방 랜딩 휠(55)은 몸체의 단부에 각각 휠이 마련되며, 상보적인 구동을 할 수 있다.

구동 모듈(57)은 모터를 구비하여 기어축(51)을 중심으로 전방 랜딩 휠(53) 또는 후방 랜딩 휠(55)을 선택적으로 승강시켜서 캐터필러부(30)의 일측을 승강시킬 수 있다. 구동 모듈(57)은 캐터필러부(30)의 후방에 위치하여 후방 랜딩 휠(55)에 연결될 수 있다.

전방 랜딩 휠(53)과 후방 랜딩 휠(55)은 캐터필러부(30)의 하부에 배치되어, 전방 랜딩 휠(53)이 승강시 캐터필러부(30)의 후단이 승강되고, 후방 랜딩 휠(55)이 승강시 캐터필러부(30)의 전단이 승강된다.

구동 모듈(57)은 계단의 승강시 전방 랜딩 휠(53)을 승강시키고, 계단이 아닌 단차의 승강시 후방 랜딩 휠(55)을 승강시킬 수 있다. 구동 모듈(57)은 하기에서 설명하게 될 보정 제어기를 구비할 수 있다.

제어부(70)는 랜딩기어부(50)를 제어하여 캐터필러부(30)의 안정적인 계단 승강을 가능하도록 한다.

본 실시예로, 제어부(70)는 캐터필러부(30)에 마련된 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 캐터필러부(30)의 Yaw 각도를 추정할 수 있다.

도 3은 캐터필러부(30)의 계단 및 경사 주행 중 외부적인 요인으로 인한 Yawing 발생 모델을 묘사한 것이다. 도 3을 참조하면, Yaw(ψ)는 전동 어시스트 모듈(3)을 축으로 일어나는 회전운동으로 캐터필러부(30)가 한쪽으로 기우뚱해지는 각도를 지칭한다. Roll(ρ)은 전방 Yaw의 기울임으로 인해 후방에 발생된 X-Y평면에서의 기울임된 각도를 지칭한다. Pitch(

)는 Z축 높이 방향의 기울임된 각도를 지칭한다.

전동 어시스트 모듈(3)의 주행 좌표계는 평지 주행시 Yaw 축 이외에서 회전은 존재하지 않지만, 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 및 경사로면에서 주행시 지역 좌표계 기준 Roll, Pitch 축 회전이 발생된다. 보다 상세히 Yawing 모델을 설명하면, 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 위를 주행하게 되면, 계단의 각도(α)만큼 Pitching이 관측된 상태로 주행하게 된다. 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 주행중 Yawing이 발생하게 되면, 전동 어시스트 모듈(3)의 주행 좌표계(X, Y, Z)에서 Yaw의 각(ψ)만큼 정렬 이상 현상이 발생된다. 이 때, 계단 지형의 특성상 자유도가 제한되어 Rolling이 동시에 발생하게 된다. 정리하면, 전동 어시스트 모듈(3)의 Yawing 발생시 지역좌표계 기준, Roll, Pitch 각도의 변화가 관측된다.

계단 승월을 위한 전동 어시스트 모듈(3)의 계단 주행 중 Yaing은 Yaw축 회전량 분석을 통해 상황 감지가 가능하다. 그러나, 전술한 바와 같이 Yaw 각은 가속도계에서의 회전 감지가 어렵고, 각속도계에서의 드리프트 현상으로 측정이 어렵다. 때문에, 본 실시예에서는 이의 해결을 위해 Roll과 Pitch의 각을 이용해 Yaw의 각을 간접적으로 추정한다.

본 실시예로, 제어부(70)는 x축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Roll 각도 ρ를 산출할 수 있다. 제어부(70)가 산출하는 Roll(ρ)은 하기의 [수학식 1]로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, Ax는 x축 가속도 데이터를, Az는 z축 가속도 데이터를 의미한다.

제어부(70)는 y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도

를 산출할 수 있다. 제어부(70)가 산출하는 Pitch(

)는 하기의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서, Ay는 y축 가속도 데이터를, Az는 z축 가속도 데이터를 의미한다.

Yaw의 각도 ψ는 주행 중 발생하는 가속도 데이터로 인해 동적 모델에서는 측정이 어렵고 각속도계의 데이터는 시간 축적에 의한 드리프트 현상으로 오차가 발생한다. 이론적으로 Yaw의 각도는 같은 원리로 [수학식 3]과 같이 산출될 수 있을 것이다.

[수학식 3]

[수학식1, 2]와 같이 Roll(ρ), Pitch(

), Yaw(ψ)의 값을 가속도 센서의 데이터를 이용하여 구할 수 있으나, Yaw의 각 ψ은 전동 어시스트 모듈(3)의 주행 중, 중력 가속도 방향과 일치하는 Z축에 대한 회전 감지가 어려워 센서 데이터의 정확도가 낮다. 제어부(70)는 Yaw각을 직접 산출하지 않고, 전동 어시스트 모듈(3)에 부착된 가속도 센서에서 측정된 Ax, Ay 가속도 데이터를 가속도계가 감지하는 중력가속도 데이터 Az를 기준으로 Roll(ρ)과 Pitch(

)를 산출함에 주목한다.

여기서, Yaw(ψ)의 각도가 0°인 상황에서 Roll(ρ)과 Pitch(

)는

의 관계를 갖는다. 반면, Yaw(ψ)의 각도가 90°인 상황에서 Roll(ρ)과 Pitch(

)는

의 관계를 갖는다. 상기의 관계식을 고찰해보면, Roll(ρ)과 Pitch(

) 및 Yaw(ψ) 의 각도는 탄젠트 함수의 성질을 갖고 있다.

상기의 원리에 근거하여, 제어부(70)는 Roll 각도와 Pitch 각도의 비율의 역탄젠트 연산으로 Yaw 각도를 추정하여, 회전량의 분석 없이 Yawing 각도를 추정할 수 있다. 제어부(70)가 추정하는 Yaw(ψ) 의 각도는 하기의 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

제어부(70)는 추정된 Yaw(ψ)의 정보를 이용하여 보정 제어기를 제어할 수 있다. 보정 제어기는 구동 모듈(57) 상에 구비될 수 있다. 보정 제어기는 구동 모듈(57)이 구비한 모터의 구동으로 캐터필러부(30)의 직진성을 보정한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보정 제어기의 제어 블록도를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 보정 제어기는 Left와 Right를 각각 제어하는 모터에 Velocity_L,_R의 속도를 입력받는다. 보정 제어기는 주행중 제어부(70)가 추정한 Yaw(ψ) 각을 피드백하여 기울어진 방향과 회전량에 따라 입력 속도를 증속 또는 감속한다. 보정 제어기는 증속, 또는 감속 된 Velocity Control_L,_R를 모터에 입력하여 직진성을 보정한다.

보정 제어기가 수행하는 보정 로직은 하기의 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

보정 제어기는 [수학식 5]에 따라 모터의 속도 Velocity Contorl_L 과 Velocity Control_R을 추정된 Yaw(ψ) 각도에 따라 제어하여 직진성을 보정하며, 전동 어시스트 모듈(3)의 특성상 지속적인 각도 변화로 인해 β°를 Threshold로 설정하여 β°이내의 범위를 안정 범위로 판단하여 보정을 적용하지 않을 수 있다. Kp는 비례상수로 제어기의 민감도를 결정하고 실험에 따른 성능 변화를 통해 선정될 수 있다.

실험례 . 전동 어시스트 모듈의 직진성 보정

도 5는 실험례 수행을 위한 전동 어시스트 모듈과 실험 계단 환경 및 실험 진행 시뮬레이션을 나타낸 것이다. 도 6은 도 5의 실험환경에 따른 실험 수행 모습을 나타낸 것이다.

본 실험례에서는 제안된 Yaw 각도 추정 기법과 직진성 보정 제어기의 성능 검증을 위하여 실제 전동 어시스트 모듈(3)에 Yaw 각도 추정 기법과 직진성 보정 시스템을 적용하여 직진성 보정 여부를 확인한다. 또한 Kp의 변화에 따른 성능 변화를 위해 Kp의 값을 10-700까지 변화를 주어 시스템의 직진성 보정 여부와 회전 각속도의 변화를 조사하였다. 실험을 진행하여 대표적인 특징을 보이는 세가지 경우에 대하여 데이터 그래프를 결과로 산출하였다. 성능 검증 실험을 위하여 실계단 실험환경 및 실험 장치를 도 5, 6과 같이 구현하였다. 도 5를 참조하면, 휠체어 이용자의 이동 중 접할 수 있는 가장 보편적인 규격의 계단을 대상으로 하기 위해 실험 환경을 구성하였다. 국토교통부령 제 548호에서 제시한 범위인 계단 및 계단참의 유효너비는 600mm이상, 단높이는 180mm 이하, 단너비는 260mm 이상으로 제작하였다. 본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 제안하는 Yaw 각도 추정 기법과 직진성 보정 제어기 성능을 실험하기 위해 도 5의 무한궤도형 전동 어시스트 모듈을 사용하였고, 보조자가 작위적으로 Yawing을 일으켜 실험을 수행하기 위해 별도의 랜딩 기어 구성을 추가하지 않았다.

도 6을 참조하면, 도 5의 실험례로 구현한 전동 어시스트 모듈(이하 ‘어시스트 모듈’로 약칭)은 Yaw각 추정기법과 이를 이용한 직진성 보정 제어기 성능 검증을 위하여 계단 이동 중 의도적으로 외력을 가하여 보정 여부가 실험되었다. 어시스트 모듈은 0.1 m/s의 느린 속도로 주행하여 전처리를 진행한 데이터 그래프를 나타내었다.

도 6에서, 어시스트 모듈은 도 6의 ①번 구간과 같은 초기 단계를 갖는다. 이후 이동을 실시하며 반시계, 시계 방향으로 Yawing을 ②,④번 구간과 같이 의도적으로 외력을 가하여 발생시키고, ③,⑤번 구간과 같이 직진성을 보정하는 과정을 나타내는 실험 프로토콜을 구상하였다. 실험에서 자세 추정을 위해 Roll, Pitch 각도와 추정 기법을 통한 Yaw 각도를 수집하고, 직진성 보정 여부 판단을 위해 주행속도, 각속도 데이터를 제시한다.

도 7은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=10)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(

), Yaw(ψ) 데이터를 나타낸다. 도 7의 실험은 제안하는 보정 제어기의 성능을 낮게 수행할 때 상태 확인을 위해 낮은 Kp를 적용하여 실험하였다. 도 7을 참조하면, 비례계수 Kp를 10으로 설정하여 계단 주행중인 기구가 외부 환경으로 인하여 Yawing이 일어나 직진성을 보정하는 모습과 Roll, Pitch 데이터, Yaw 각도 추정 기법의 결과를 나타낸다. 어시스트 모듈은 ①번 구간의 초기단계에서 주행을 실시하며, 주행 중 의도적으로 반시계방향으로 Yawing을 발생시켜 ②번 구간에서 각도에 급격한 변화가 생기게 된다. ③번 구간에서는 Yawing을 감지하였지만 낮은 Kp에 의해 거의 보정이 되지 않음을 확인하였다.

도 8은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=200)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(

), Yaw(ψ) 데이터를 나타낸다. 도 8을 참조하면, ②,④번 구간에서의 급격한 데이터 변화는 의도적으로 발생시킨 Yawing을 나타내고, ③,⑤번 구간에 의해 직진성 보정 과정을 확인하였다.

도 9은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=200)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다. 속도 보정 데이터 ③,⑤번 구간에서 도 7에 따른 실험례로, 보정되지 않았던 형태와 다르게 어시스트 모듈의 직진성 보정을 확인하였다. 직진성 보정 과정 중 순간 각속도는 -67[deg/s], 67[deg/s]로 측정되었다.

도 10는 실험례로서, 비례계수가 (K_p=700)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(

), Yaw(ψ) 데이터를 나타낸다. 도 10은 더욱 신속한 보정을 위하여 더 높은 Kp로 적용하여 동일한 조건으로 실험을 진행하였다.

도 10을 참조하면, Kp를 700으로 설정하여 전동 어시스트 모듈을 동일하게 반시계, 시계 방향으로 Yawing을 발생시켜 직진성을 보정하는 모습과 Roll, Pitch 데이터, Yaw 각도 추정 기법을 통해 추정된 Yaw 데이터를 확인할 수 있다.

도 11은 실험례로서, 비례계수가 (K_p=700)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 도 8의 실험례와 비교하여 어시스트 모듈의 신속한 직진성 보정 과정을 ③,⑤번 구간에서 확인할 수 있었고, 직진성 보정 과정에서의 각속도 데이터 그래프에서의 순간 각속도가 141[deg/s], ?220[deg/s]로 나타났다.

도 7 내지 도 11의 결과를 정리한 데이터 비교는 [표 1]과 같다.

Kp	Yaw 추정	직진성 보정	보정 시간	순간 각속도
10	O	X	보정 못함	보정 못함
200	O	O	0.7[sec]	64[deg/s], -67[deg/s]
700	O	O	0.3[sec]	141[deg/s], -220[deg/s]

실험례의 결과.

비례계수를 변화하여 수행한 세 실험 모두 성공적으로 Yaw 각을 추정하였다. Kp가 10일 경우는 성공적으로 직진성을 보정하지 못하였으나, 비례계수를 200 이상으로 설정한 경우 모두 직진성을 보정한 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

1: 휠체어
8: 계단
9: 보도블럭
10: 휠체어 프레임
11: 프레임
13: 착석부
15: 구동바퀴
3: 전동 어시스트 모듈
30: 캐터필러부
31: 휠
33: 체인벨트
50: 랜딩기어부
51: 기어축
53: 전방 랜딩 휠
55: 후방 랜딩 휠
57: 구동 모듈
70: 제어부

Claims (6)

1. 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 마련되는 전동 어시스트 시스템에 있어서,
   상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 무한궤도형 주행 부재의 캐터필러부;
   상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부;
   상기 캐터필러부의 x, y, z축 가속도를 측정하는 3축의 가속도 센서; 및
   상기 가속도 센서의 데이터로 Roll 각도와, Pitch 각도를 산출하여 상기 캐터필러부의 Yaw 각도를 추정하는 제어부를 포함하여,
   상기 랜딩기어부의 일단이 승강되면, 상기 캐터필러부가 승강되어 계단 또는 단차면과 접촉되고, 이후 상기 캐터필러부의 구동으로 단차를 주행하여 보조자 없이 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차의 경사면을 승강시키는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   x축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Roll 각도를 산출하고,
   y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 Roll 각도와 상기 Pitch 각도의 비율의 역탄젠트 연산으로 Yaw 각도를 추정하여,
   회전량의 분석 없이 Yawing 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부가 추정한 Yaw 각이 비례 제어로 적용되어 구동되는 모터를 포함하고, 모터의 구동으로 상기 캐터필러부의 직진성을 보정하는 보정 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 보정 제어기는,
   상기 제어부의 추정된 Yaw 각도를 피드백 받아 상기 캐터필러부가 기울어진 방향과 회전량에 따라 상기 모터의 입력 속도를 증속 또는 감속하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 시스템.
   
6. 계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈의 제어 방법에 있어서,
   (a) 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 전동 어시스트 모듈의 x, y, z축 가속도를 측정하는 단계;
   (b) 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 x축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Roll 각도를 산출하고, y축, z축 가속도 데이터로 상기 전동 어시스트 모듈의 Pitch 각도를 산출하는 단계;
   (c) 상기 전동 어시스트 모듈의 제어부가 상기 (b)단계에서 산출된 Roll 각도와 Pitch 각도를 연산하여 상기 전동 어시스트 모듈의 Yaw 각도를 추정하는 단계; 및
   (d) 상기 전동 어시스트 모듈의 보정 제어기가 상기 (c)단계에서 추정된 Yaw 각도를 피드백받아 상기 전동 어시스트 모듈의 직진성을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈의 제어 방법.
   
   

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