KR20220003941A - 평지 진입 구간의 감지가 가능한 전동 어시스트 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 착탈되는 전동 어시스트 모듈에 있어서, 복수개의 휠 및 상기 휠을 회전시키는 체인벨트가 마련되는 무한궤도형 주행 부재로서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 캐터필러부; 상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 및 상기 캐터필러부의 하면에 마련되는 압력 감지부를 포함하며, 상기 압력 감지부는 상기 캐터필러부의 압력 변화를 감지하여 단차의 마지막 구간(계단-평지 진입 구간)을 판단하는 것을 특징으로 한다.

Description

평지 진입 구간의 감지가 가능한 전동 어시스트 모듈{ELECTRIC ASSIST MODULE AND DETECTION METHOD OF THE ENTRY SECTION OF FLAT LAND}
본 발명은 휠체어의 경사 주행을 보조하는 전동 어시스트 모듈에 관한 것으로서, 특히 휠체어의 계단 또는 단차 주행을 보조자 없이 탑승자의 조작으로 주행할 수 있고, 단차의 마지막 구간인 평지 진입 구간의 감지가 가능한 전동 어시스트 모듈에 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 이동시켜야하는 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 이루어 졌지만 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 어이스트 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.
또한, 무한궤도형 메커니즘 휠체어용 전동 어시스트 모듈은 계단을 감지하고 랜딩기어를 이용해 진입각을 확보하는데, 평지-계단의 진입시, 마지막 계단 모서리를 감지하는 것이 중요하다. 마지막 단계인 계단-평지 진입에 있어서 장치가 마지막 계단 모서리를 감지하지 못하고 무게중심점이 마지막 계단 모서리를 지나게 되면 장치 무게에 쏠림 현상이 발생하여 큰 충격과 장치 파손으로 이어질 수 있다. 기존의 계단승강을 위한 전동 어시스트 모듈은 위치 추정에 있어서 라이다, 초음파, 적외선 등 비전센서를 사용하였다. 그러나, 계단승강장치 특성상 높은 위치에 센서 부착이 어렵고 계단에 매우 가깝게 배치되어 계단 판별에 용이하지 않고 빛, 먼지, 온도 등 환경에 매우 민감하여 고가의 가격임에도 오류가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
이에, 본 출원인은 외부 환경에 강인하고 즉각적인 감지에 용이한 센싱 기법으로 계단-평지 진입 구간을 감지하는 전동 어시스트 모듈을 고안하게 되었다.
미국등록특허 제7080842호
본 발명은 보조자 없이 휠체어의 계단 및 단차 승강의 주행을 가능하게 하는 전동 어시스트 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 압력 센서를 이용하여 외부 환경에 강인하고 즉각적인 감지에 용이한 센싱 기법으로 계단-평지 진입 구간을 감지할 수 있는 전동 어시스트 모듈을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 착탈되는 전동 어시스트 모듈에 있어서, 복수개의 휠 및 상기 휠을 회전시키는 체인벨트가 마련되는 무한궤도형 주행 부재로서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 캐터필러부; 상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 및 상기 캐터필러부의 하면에 마련되는 압력 감지부를 포함하며, 상기 압력 감지부는 상기 캐터필러부의 압력 변화를 감지하여 단차의 마지막 구간(계단-평지 진입 구간)을 판단하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 압력 감지부는, 상기 캐터필러부의 전방 위치에 마련되는 제1 압력 센서와, 상기 캐터필러부의 후방 위치에 마련되는 제2 압력 센서를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 캐터필러부는, 하면에 상기 압력 감지부를 수용하는 센서홈이 형성되고, 높이 방향으로 탄성을 부여하는 탄성부재와 상기 탄성부재의 압력을 감지하는 복수개의 압력 센서가 상기 센서홈에 수용될 수 있다.
바람직하게, 상기 압력 감지부의 측정된 압력 데이터를 이용하여 상기 캐터필러부의 평지 진입 여부를 판단하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 압력 감지부를 통해 상기 캐터필러부의 후방에 압력이 감지된 후, 전방에 압력이 감지된 경우, 상기 캐터필러부가 계단 주행중의 상태로 판단하고, 상기 캐터필러부의 전방과 후방에 압력이 감지된 후, 전방에 압력이 감지되지 않은 경우 계단에서 평지 구간으로 진입한 것으로 판단하여 상기 랜딩기어부를 하강시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 캐터필러부의 후방의 영역에 상기 휠체어 프레임과 체결되고, 상기 캐터필러부의 계단 승/하강시, 상기 휠체어 프레임을 틸팅하여 상기 착석부를 수평으로 유지시키는 휠체어 각도 조절부가 더 포함될 수 있다.
바람직하게, 상기 휠체어 각도 조절부는, 일단이 휠체어 프레임의 등받이를 형성하는 프레임에 착탈 결합되고, 타단이 휠체어 프레임의 착석부 또는 착석부의 하단 프레임에 착탈 결합되는 틸팅 프레임; 및 캐터필러부를 기준으로 상기 틸팅 프레임을 소정의 각도로 피벗 또는 회동 될 수 있는 주지의 동력 수단을 구비한 틸팅 모듈을 포함할 수 있다.
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, 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.
본 발명에 따르면 고가의 비전센서 없이, 외부환경에 강인하고 즉각적인 감지가 가능한 센서 메커니즘으로 계단-평지 진입 구간을 감지할 수 있고, 진입 과정에서 랜딩기어를 내려 안전하게 평지 진입이 가능하도록 구성되어 안전성이 향상되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈이 휠체어 프레임에 결합된 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 구동 모습을 나타낸다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈이 휠체어 프레임에 결합된 휠체어의 사시도를 나타낸다. 도 3의 (a)는 평지에서의 전동 어시스트 모듈과 휠체어 프레임의 모습을 나타내며, 도 3의 (b)는 계단승월시의 전동 어시스트 모듈과 휠체어 프레임의 모습을 나타낸다.
도 4는 도 3의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 배면 사시도를 나타낸다.
도 5은 도 3의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 랜딩 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈을 나타낸다. 도 6a는 전동 어시스트 모듈의 측면도를 나타내고, 도 6b는 전동 어시스트 모듈의 계단-평지 진입 모습을 나타낸다.
도 7는 도 6의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 평지 진입 구간 감지 알고리즘을 나타낸다.
도 8는 도 6의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 실험례 환경을 나타낸다.
도 9은 도 6의 실험례에 따른 전방, 후방의 압력 감지부 데이터를 나타낸다.
도 10은 도 6의 실험례의 실험 과정 및 결과를 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.
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.
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 DC모터를 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.
제어부(70)는 랜딩기어부(50)를 제어하여 캐터필러부(30)의 안정적인 계단 승강을 가능하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 구동 모습을 나타낸다. 도 2에서, 휠체어 프레임(10)이 승강하는 단차는 크게 연속된 단차를 갖는 계단(8)과, 단일 단차의 보도블럭(9)을 예시한다.
도 2의 (a)는, 제어부(70)가 계단(8) 승강시 전동 어시스트 모듈(3)의 제어 모습이다. 제어부(70)는 연속된 단차의 계단(8)에 진입시, 휠체어 프레임(10)을 회동시켜 착석자가 계단을 등지도록 배치한다. 이후, 제어부(70)는 랜딩기어부(50)의 후방 랜딩 휠(55)이 지면 방향으로 가압하고, 전방 랜딩 휠(53)을 들어올린다. 이에 따라 기어축(51)을 중심으로 캐터필러부(30)의 후방이 들어올려지며, 휠체어 프레임(10)이 후방향으로 뉘여지게 된다. 무게중심의 안정이 유지된 채로 휠체어 프레임(10)이 첫 단차에 안착되면, 이후 캐터필러부(30)가 구동되어 연속 단차면을 승강하게 된다.
도 2의 (b)는, 제어부(70)가 보도블럭(9) 승강시 전동 어시스트 모듈(3)의 제어 모습이다. 제어부(70)는 단일 단차의 보도블럭(9)에 진입시, 휠체어의 전복 우려가 미약하므로, 도 3의 (a)와 같은 회동조작 없이 전진 상태로 진입하도록 한다. 제어부(70)는 랜딩기어부(50)의 전방 랜딩 휠(53)을 지면 방향으로 가압하고, 후방 랜딩 휠(55)을 들어올린다. 이에 따라, 기어축(51)을 중심으로 캐터필러부(30)의 전방이 들어올려지며, 보도블럭(9)의 단차에 안착되도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)이 휠체어 프레임(10)에 결합된 휠체어의 사시도를 나타낸다. 도 3의 (a)는 평지에서의 전동 어시스트 모듈(3)과 휠체어 프레임(10)의 모습을 나타내며, 도 3의 (b)는 계단승월시의 전동 어시스트 모듈(3)과 휠체어 프레임(10)의 모습을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 전동 어시스트 모듈(3)은 도 1 내지 2에서 전술한 캐터필러부(30), 랜딩기어부(50, 500), 및 제어부(70)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 3의 전동 어시스트 모듈(3)은 도 1 내지 2와는 다른 실시예로서, 휠체어 각도 조절부(40)를 더 포함할 수 있다. 도 1 내지 2의 실시예에서는 전동 어시스트 모듈(3)이 계단 승월을 보조함에 있어서, 휠체어 프레임(10)의 무게 중심 유지를 위해 승월 방향을 변경하고, 승월 방향에 따라 전면부 또는 후면부의 방향에서 랜딩이 가능한 랜딩기어부(50)를 제시하였다. 도 3에 따른 본 실시예에서는, 계단 승월시 휠체어 프레임(10)이 기울지 않도록 휠체어 각도 조절부(40)의 구성이 추가된다.
이하, 도 3에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 다른 실시예 구성을 상세히 설명한다. 본 실시예에서, 캐터필러부(30)는 휠체어 프레임(10)이 안착되는 몸체가 소정의 길이로 형성되되 몸체의 후방에서는 위쪽으로 절곡된 ‘ㄴ’ 형상의 프레임으로 제공될 수 있다. 캐터필러부(30)의 절곡된 후방의 영역에 휠체어 각도 조절부(40)가 마련될 수 있으며, 휠체어 각도 조절부(40)를 축으로 휠체어 프레임(10)이 틸팅될 수 있다.
휠체어 각도 조절부(40)는 틸팅 프레임(41)과 틸팅 모듈(43)로 구성될 수 있다. 틸팅 프레임(41)은 일단이 휠체어 프레임(10)의 등받이를 형성하는 프레임에 착탈 결합되고, 타단이 휠체어 프레임(10)의 착석부 또는 착석부의 하단 프레임에 착탈 결합될 수 있다. 틸팅 프레임(41)은 틸팅 모듈(43)의 회전력으로 소정의 각도만큼 피벗될 수 있다. 틸팅 프레임(41)의 피벗으로 틸팅 프레임(41)과 결합된 휠체어 프레임(10)이 기울여질 수 있다.
휠체어 각도 조절부(40)의 각도 조절은 제어부(70)를 통해 수행될 수 있다. 제어부(70)는 PID 제어 모듈을 구비하여, 계단 주행을 위해 계단 감지시 랜딩기어부(50, 500)를 제어할 수 있으며, 랜딩기어부(50, 500)의 제어시 산출된 각도가 상쇄될 수 있도록 휠체어 각도 조절부(40)의 틸팅 각도를 산출할 수 있다.
틸팅 모듈(43)은 휠체어 프레임(10)의 후방에 위치되며, 캐터필러부(30)에 마련되어 캐터필러부(30)를 기준으로 소정의 각도로 피벗 또는 회동 될 수 있는 주지의 모터 구성을 포함할 수 있다. 틸팅 모듈(43)의 일단은 틸팅 프레임(41)에 결합된다.
도 4는 도 3의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 배면 사시도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 도 3의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 옴니휠(530)이 장착된 랜딩기어부(500)가 구성될 수 있다. 본 실시예에 따른 랜딩기어부(500)는 랜딩기어축(510)이 캐터필러부(30)의 폭 방향으로 마련될 수 있다. 본 실시예에 따른 랜딩기어부(500)는 도 1 내지 2의 실시예와 구분되는 것으로 랜딩 휠이 전후방의 양측이 아닌 일측에만 형성되어도 무방하다. 이는, 전술한 휠체어 각도 조절부(40)의 구성으로 휠체어 프레임(10)의 무게중심이 안정적으로 유지될 수 있으므로, 승월 방향을 양측이 아닌 한쪽으로만 구성해도 되기 때문이다.
본 실시예로, 랜딩기어부(500)의 휠로는 옴니휠(530)이 제공됨이 바람직하다. 옴니휠(530)은 자체 프레임이 휠체어 프레임(10)의 전후 방향으로 회전되며, 휠체어 프레임(10)이 전후 방향으로 회전되는 프레임의 외주연에 휠체어 프레임(10)의 측방향으로 회전되는 보조휠(531)이 복수개 구성될 수 있다.
휠체어의 계단 승월을 위한 어이스트 모듈로 캐터필러부(30)가 구성될 경우, 휠체어의 전후 구동은 손쉽게 제어될 수 있으나 캐터필러부(30)의 부피로 인하여 선회 동작이 어렵게 된다. 본 실시예에 따른 랜딩기어부(500)는 이러한 문제점을 개선하고자 랜딩 휠로 옴니휠(530)이 적용될 수 있다. 옴니휠(530)의 보조휠(531)로 인하여 캐터필러부(30)는 선회동작이 용이할 수 있다.
도 5은 도 3의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 랜딩 모습을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 전동 어시스트 모듈(3)의 계단 승월 또는 방향 선회시 랜딩기어부(500)가 구동하여 옴니휠(530)이 하강하고, 캐터필러부(30)가 들어올려진 모습을 확인할 수 있다. 이 경우, 탑승자는 캐터필러부(30)가 계단을 승월하도록 주행하거나, 캐터필러부(30)의 방향을 선회할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)을 나타낸다. 도 6a는 전동 어시스트 모듈(3)의 측면도를 나타내고, 도 6b는 전동 어시스트 모듈(3)의 계단-평지 진입 모습을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임(10)에 착탈된다.
본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 캐터필러부(30), 랜딩기어부(50), 휠체어 각도 조절부(40), 제어부(70) 및 압력 감지부(80)를 포함할 수 있다. 랜딩기어부(50)와 제어부(70)는 설명의 편의를 위해 생략 도시되었으며, 도 1 내지 도 5의 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
캐터필러부(30)는 복수개의 휠(31) 및 휠(31)을 회전시키는 체인벨트(33)가 마련되는 무한궤도형 주행 부재로서, 휠체어 프레임(10)에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강한다. 케터필러부(30)는 벨트 지지대(35)가 프레임으로 마련되며, 벨트 지지대(35)에 체인벨트(33)가 결합되어 무한궤도를 구성한다.
캐터필러부(30)는 하면에 압력 감지부(80)를 수용하는 센서홈(351)이 형성될 수 있다. 본 실시예로, 센서홈(351)은 케터필러부(30)의 벨트 지지대(35)에 형성될 수 있으며, 벨트 지지대(35)의 하면에 소정의 거리로 유격되어 적어도 2개가 형성될 수 있다. 센서홈(351)은 벨트 지지대(35)의 하면에, 캐터필러부(30)의 전방의 위치에 1개, 캐터필러부(30)의 후방의 위치에 1개가 형성될 수 있다.
센서홈(351)은 캐터필러부(30)의 전후에 후술하게 될 압력 센서(81, 83)를 수용하여, 캐터필러부(30)의 전방과 후방에서 각각 계단(8)의 모서리를 지날 때, 압력을 감지하도록 한다. 센서홈(351)에는 높이 방향으로 탄성을 부여하는 탄성부재(801)와 탄성부재(801)의 압력을 감지하는 복수개의 압력 센서(803)가 수용될 수 있다.
랜딩기어부(50)는 캐터필러부(30)에 마련되며, 휠체어 프레임(10)의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강될 수 있다. 랜딩기어부(50)의 실시예는 도 1 내지 5에서 전술한 사항이 원용될 수 있다.
휠체어 각도 조절부(40)는 캐터필러부(30)의 후방의 영역에 휠체어 프레임(10)과 체결되고, 캐터필러부(30)의 계단 승/하강시, 휠체어 프레임(10)을 틸팅하여 착석부를 수평으로 유지시킬 수 있다. 휠체어 각도 조절부(40)는 틸팅 프레임(41) 및 틸팅 모듈(43)을 포함할 수 있다.
틸팅 프레임(41)은 일단이 휠체어 프레임(10)의 등받이를 형성하는 프레임에 착탈 결합되고, 타단이 휠체어 프레임(10)의 착석부 또는 착석부의 하단 프레임에 착탈 결합될 수 있다. 틸팅 모듈(43)은 캐터필러부(30)를 기준으로 틸팅 프레임(41)을 소정의 각도로 피벗 또는 회동 될 수 있는 주지의 동력 수단을 구비할 수 있다.
압력 감지부(80)는 캐터필러부(30)의 하면에 마련될 수 있다. 압력 감지부(80)는 캐터필러부(30)의 벨트 지지대(35) 하면에 마련될 수 있다. 압력 감지부(80)는 캐터필러부(30)의 벨트 지지대(35) 하면에 형성된 센서홈(351)에 수용되어 마련될 수 있다. 압력 감지부(80)는 캐터필러부(30)의 압력 변화를 감지하여 단차의 마지막 구간(계단-평지 진입 구간)을 판단할 수 있도록 한다.
본 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)은 고가의 라이다 센서를 사용하지 않고, 바닥면의 압력 감지 알고리즘으로부터 계단의 마지막 단차를 확인하여 저렴한 단가로 계단 승강 및 안정적인 주행이 가능하도록 한다.
압력 감지부(80)는 제1 압력 센서(81) 및 제2 압력 센서(83)를 포함할 수 있다. 제1 압력 센서(81)는 캐터필러부(30)의 전방 위치에 마련될 수 있다. 제2 압력 센서(83)는 캐터필러부(30)의 후방 위치에 마련될 수 있다.
제1 압력 센서(81)는 캐터필러부(30)의 전방에서 계단 승강/하강시의 계단 모서리를 감지한다. 제2 압력 센서(83)는 캐터필러부(30)의 후방에서 계단 승강/하강시의 계단 모서리를 감지한다. 제1, 2 압력 센서(81, 83)는 각각 탄성 부재(801)와 압력 센서(803)가 모듈화되어 센서홈(351)에 마련될 수 있다.
제어부(70)는 압력 감지부(80)의 측정된 압력 데이터를 이용하여 캐터필러부(30)의 평지 진입 여부를 판단할 수 있다.
제어부(70)는 압력 감지부(80)를 통해 캐터필러부(30)의 후방에 압력이 감지된 후, 전방에 압력이 감지된 경우, 캐터필러부(30)가 계단 주행중의 상태로 판단할 수 있다.
제어부(70)는 캐터필러부(30)의 전방과 후방에 압력이 감지된 후, 전방에 압력이 감지되지 않은 경우, 휠체어가 계단에서 평지 구간으로 진입한 것으로 판단하여 랜딩기어부(50)를 하강시킬 수 있다.
도 6의 본 실시예는 도 3의 실시예에서 전술한 전동 어시스트 모듈(3)의 구성에 계단 모서리 감지를 위한 압력 감지부(80) 구성이 추가된 것을 특징으로 한다.
도 7는 도 6의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 평지 진입 구간 감지 알고리즘을 나타낸다. 도 8는 도 6의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 실험례 환경을 나타낸다.
본 실험례로, 압력감지부(80)의 위치는 벨트 지지대(35)의 전방, 후방에 각각 하나씩 위치하여 계단 주행 중 최대 2칸의 계단 모서리를 감지할 수 있게 설계하였다. 압력 감지부(80)는 국토교통부령 제 548호에서 제시한 범위인 단너비, 단높이를 기반하여 압력 센서(81, 83)가 한 칸 차이의 계단 모서리에 각각 위치하게 설계하였다. 추가적으로 광범위한 계단 대상으로 적용가능하기 위해 압력감지부(80)는 압력센서(81, 83)의 감지 면적 넓게 설계하여 광범위한 압력을 감지할 수 있게 설계하였다.
휠체어용 계단승강장치에 압력센서 기반계단-평지 위치 추정 기법을 적용하여 실험을 진행하였다. 실험 환경은 국토교통부령 제 548호에서 제시한 범위인 계단 및 계단참의 유효너비는 60mm이상, 단 높이는 180mm 이하, 단너비는 260mm 이상으로 제작하였다.
실험은 계단승강장치를 (1)번 계단 모서리 위에 울린 상태에서 계단을 주행을 시작하여 (4)번 계단-평지 진입 구간을 감지했을 때 랜딩기어(50)를 내려 평지로 진입한다. 실험 결과 전방, 제2 압력 센서(83) 데이터를 도 9에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 제어부(70)의 평지 진입 구간 감지 알고리즘은 다음과 같다. 계단 주행 중(ⓐ) 압력 센서(81, 83)는 지속적으로 압력을 감지하여 계단 모서리 위 이동 여부를 판단한다(ⓑ) 후방 벨트 지지대(35)의 압력 센서(81, 83)에 압력이 감지된 후(ⓒ) 전방 벨트 지지대(35)에 압력이 가해지게 된다면 두 압력부 모두 계단 모서리에 위치하였고 계단 위 주행 상황임을 알 수 있다. 후방 벨트지지대(35)에 압력이 감지된 후 전방 지지대(35)에 압력이 가해지지 않으면(ⓓ) 계단-평지 진입 구간으로 판단한다(ⓒ.ⓓ). 압력 감지부(80)의 계단 승강장치의 위치가 평지 진입 구간으로 추정되면 랜딩기어(50)를 내려(ⓔ) 평지로 진입한다.
도 9은 도 6의 실험례에 따른 전방, 후방의 압력 감지부(80) 데이터를 나타낸다. 주행 중 계단 모서리 위 이동시 후방 압력감지부에서 압력이 감지된 후 전방 압력 감지부에서 압력이 감지되었다(①-②,②-③,③-④). 하지만 계단-평지 진입 구간 위 이동시 후방 압력 감지부에 압력이 감지된 후 전방 압력 감지부에 압력이 감지되지 않아 마지막 계단 모서리로 판단하였다. 마지막 계단 모서리 판단 후 랜딩기어를 내려 평지 진입 동작을 수행하였다.
도 10은 도 6의 실험례의 실험 과정 및 결과를 나타낸다.
평지 진입 구간 감지 기법 적용 결과 평지 진입시 최대 0.5[g]의 가속도가 감지되었으며 적용 전 장치 무게 쏠림 현상 발생시 최대 1.15[g]의 가속도가 감지되었다. 실험례의 결과로, 실험 결과 진입 구간 감지 기법 적용 후, 전동 어시스트 모듈(3)은 평지 진입 최대 가속도가 1.1[g]에서 0.5[g]로 감소하여 47.8% 충격량 감소에 따라 안전성이 증가하였음을 확인하였다.
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
35: 벨트 지지대
351: 센서홈
40: 휠체어 각도 조절부
41: 틸팅 프레임
43: 틸팅 모듈
50, 500: 랜딩기어부
51, 510: 기어축
53: 전방 랜딩 휠
55: 후방 랜딩 휠
530: 옴니휠
531: 보조휠
57: 구동 모듈
70: 제어부
80: 압력 감지부
81: 제1 압력 센서
83: 제2 압력 센서
801: 탄성 부재
803: 압력 센서

Claims (7)

  1. 발받침 및 손잡이를 형성한 프레임에 탑승자가 앉게 되는 착석부가 마련되고, 프레임의 양측에 구동바퀴가 구비된 휠체어 프레임에 착탈되는 전동 어시스트 모듈에 있어서,
    복수개의 휠 및 상기 휠을 회전시키는 체인벨트가 마련되는 무한궤도형 주행 부재로서, 상기 휠체어 프레임에 장착되어 상기 휠체어 프레임의 계단 또는 단차를 승강하는 캐터필러부;
    상기 캐터필러부에 마련되며, 상기 휠체어 프레임의 무게중심을 축으로 전/후의 자유단이 승/하강되는 랜딩기어부; 및
    상기 캐터필러부의 하면에 마련되는 압력 감지부를 포함하며,
    상기 압력 감지부는 상기 캐터필러부의 압력 변화를 감지하여 단차의 마지막 구간(계단-평지 진입 구간)을 판단하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 감지부는,
    상기 캐터필러부의 전방 위치에 마련되는 제1 압력 센서와,
    상기 캐터필러부의 후방 위치에 마련되는 제2 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐터필러부는,
    하면에 상기 압력 감지부를 수용하는 센서홈이 형성되고,
    높이 방향으로 탄성을 부여하는 탄성부재와 상기 탄성부재의 압력을 감지하는 복수개의 압력 센서가 상기 센서홈에 수용되는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 감지부의 측정된 압력 데이터를 이용하여 상기 캐터필러부의 평지 진입 여부를 판단하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 압력 감지부를 통해 상기 캐터필러부의 후방에 압력이 감지된 후, 전방에 압력이 감지된 경우, 상기 캐터필러부가 계단 주행중의 상태로 판단하고,
    상기 캐터필러부의 전방과 후방에 압력이 감지된 후, 전방에 압력이 감지되지 않은 경우 계단에서 평지 구간으로 진입한 것으로 판단하여 상기 랜딩기어부를 하강시키는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐터필러부의 후방의 영역에 상기 휠체어 프레임과 체결되고,
    상기 캐터필러부의 계단 승/하강시, 상기 휠체어 프레임을 틸팅하여 상기 착석부를 수평으로 유지시키는 휠체어 각도 조절부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 휠체어 각도 조절부는,
    일단이 휠체어 프레임의 등받이를 형성하는 프레임에 착탈 결합되고, 타단이 휠체어 프레임의 착석부 또는 착석부의 하단 프레임에 착탈 결합되는 틸팅 프레임; 및
    캐터필러부를 기준으로 상기 틸팅 프레임을 소정의 각도로 피벗 또는 회동 될 수 있는 주지의 동력 수단을 구비한 틸팅 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 어시스트 모듈.
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