KR20220105199A - 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법 - Google Patents

사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 4바퀴가 달리고 후륜에 구동모터가 설치된 하부 프레임;
하부프레임 상부에 부가되고 손잡이와 팔굽받침이 설치된 상부프레임;
상하부 프레임에 센서들이 분산 설치된 센서수단; 센서수단을 통하여 보행의도를 인식하여 의도대로 모터구동부 구동을 제어하는 제어부; 및 이들에 전원을 인가하는 밧데리를 포함하는 스마트 롤레이터이며;
상기 스마트 롤레이터의 제어부는 밧데리 전원 및 센서가 정상인지를 확인하는 예비단계;
사용자가 근접해 있고 정속 또는 감, 가속 보행인지를 확인하는 사용자이동 검출단계;
전방에 장애물이 있는지, 노면이 평편한 지, 상향 경사 인지, 하향경사인지 인식하는 노면 확인단계;
노면 확인단계에서 상향 경사시는 모터회전을 증속하고, 하향 경사시는 모터 구동을 제한하는 클러치 구동부를 작동하는, 보행제동단계를 순차 수행하고;
상기 보행제동단계에서 상향경사시에는 전륜이 상향경사면을 오르기 시작하면 후륜이 점차 증속하도록 가변증속시키고, 사용자가 감속이동하면 증속을 멈추고 속도를 유지하는 단계를 수행하는 롤레이터의 제어방법을 제공한다.

Description

사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법{Smart rollator for autonomous driving by recognition of the user's intent to walk and its control method}
본 발명은 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
롤레이터(Rollator)는 보행 보조장치로, 이러한 보조장치는 유럽특허 EP3000456호로 알려져 있고, 핸들에 자이로센서를 결합하고, 핸들에 브레이크레버를 설치하며, 밧데리전원으로 바퀴 구동모터를 구동하는 구성으로 이루어지며, 스위치나 레버 작동으로 제동하는 방식이다. 이와 유사한 특허로는 일본 특개2009-183407호, 일본특허 평 8-280763호, 일본 평11-267162호를 들 수 있다.
또한 핸들을 밀고 당기는 힘으로 속도를 조절하는 방식의 전동 보행보조기가 국내특허등록 10-0807300호, 국내특허등록10-1102845호로 알려졌으나, 이들은 사용자가 조작하는 힘에 의하여만 작동하는 방식이어서 손가락 힘이 약한 노약자는 사용하기가 어려운 문제점이 있다.
전방에 장애물이 있을 때 사용자에게 햅틱신호를 제공하는 스마트 직립 보행기가 미국공개특허 US2018025866호로 개발되었으나, 햅틱 감각을 인식하는 감각 기능이 무딘 사용자에게는 적용될 수 없는 기술적인 문제점이 있다.
본 발명은 이를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 센서들을 통한 노면 경사확인과, 사용자의 보행속도와, 사용자의 보행의도를 복합적으로 인식하여 자율 주행을 가능토록 하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법을 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 노면경사가 상향경사인 시점에서는 속도를 상향가변시키고, 상향경사가 유지되는 시점에서는 유지시점의 속도를 유지토록 하여 사용자의 보행의도에 연동하도록 주행하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법을 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 노면경사가 하향경사인 시점에서는 속도를 가변감속시키고, 경사가 하향경사진 시점에서는 감속 상태를 유지하여 사용자의 보행의지에 연동하도록 주행하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 및 이의 제어방법을 제공하려는 것이다.
이를 위한 본원발명은 4바퀴가 달리고 후륜 바퀴축에 구동모터 출력이 연결된 하부 프레임;
하부프레임 상부에 부가되고 손잡이와 팔굽받침이 설치된 상부프레임;
사용자 유무를 확인하는 근접센서, 사용자의 보행 속도를 확인하는 속도센서, 사용자의 감가속도를 확인하는 가속도센서를 포함하는 센서들이 하부프레임에 분산 설치된 사용자이동 검출센서부;
전방 장애물 유무를 확인하는 도플러센서, 전방 노면의 경사도를 확인하는 자이로센서를 포함하는 센서 등이 상,하부프레임 전방에 분산 설치된 보행제동감지 센서부;
상부프레임이나 팔굽받침에 설치되어 사용자가 가하는 힘을 인식하는 전단력센서, 상기 사용자 이동검출 센서부 및 보행제동감지 센서부의 센싱값으로 사용자 자세 및 이동변화와 노면 경사에 따른 보행의도를 인식하여 모터구동부에서 대응토록하는 제어부; 및
보행의도대로 모터구동부에서 구동모터의 제동, 구동모터의 제동해제, 및 구동모터의 가속을 제어부 출력단에서 선택 수행하는 모터구동부를 포함하는 사용자의 보행의지를 복합적으로 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터를 제공한다.
본 발명은 또한 4바퀴(W1~W4)가 달리고 후륜 바퀴축에 구동모터가 연결된 하부 프레임;
하부프레임 상부에 부가되고 손잡이와 팔굽받침이 설치된 상부프레임;
상,하부 프레임에 분산 설치된 센서들;
센서들의 인식을 통하여 보행의도를 파악하여 의도대로 모터구동부 구동을 제어하는 제어부; 및
이들에 전원을 인가하는 밧데리를 포함하는 시스템에,
제어부는 밧데리 전원 및 센서들이 정상인지를 확인하는 예비단계;
사용자가 근접해 있고 정속 또는 감, 가속 보행인지를 확인하는 사용자이동 검출단계;
전방에 장애물이 있는지, 노면이 평편한 지, 상향 경사 인지, 하향경사인지 인식하는 노면 확인단계;
노면 확인단계에서 상향 경사시는 모터회전을 증속하고, 하향 경사시는 모터 구동을 제한하는 클러치 구동부를 작동하는, 보행제동단계를 순차 수행하고;
상기 보행제동단계에서 상향경사시에는 전륜이 상향경사면을 오르기 시작하면 후륜이 점차 증속하는 가변증속과정을 수행하고, 사용자가 감속이동하면 증속을 멈추고 속도를 유지하는 유지과정을 수행하는 사용자의 보행의지를 복합적으로 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터 제어방법을 제공한다.
이상과 같이 본원발명은 센서들을 통한 노면 경사확인과, 사용자의 보행속도와, 사용자의 보행의도를 복합적으로 인식하여 자율 주행을 가능토록 한다.
본 발명은 노면경사가 상향경사인 시점에서는 속도를 상향가변시키고, 상향경사가 유지되는 시점에서는 유지시점의 속도를 유지토록 하여 사용자의 상향경사시의 보행의지에 연동하도록 주행한다.
본 발명은 노면경사가 하향경사인 시점에서는 속도를 가변감속시키고, 경사가 하향경사진 시점에서는 감속 상태를 유지하여 사용자의 하향경사시의 보행의지에 연동하도록 주행한다.
도 1은 본 발명의 전면 방향의 사시도,
도 2는 본 발명의 후면 방향의 사시도,
도 3은 도 1 의 상부 프레임 지지구조를 보인 요부도면,
도 4는 도 2의 수직 단면도,
도 5는 도 2의 평면도,
도 6은 본 발명의 제어블럭도,
도 7은 도플러센서에 의한 노면 인식 도면,
도 8은 본 발명의 보행제동단계를 보인 파형도,
도 9는 본 발명의 사용자이동 검출단계와 노면확인단계를 보인 제어흐름도,
도 10은 본 발명의 보행제동단계를 보인 제어흐름도 이다.
이하 본원발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본원발명은 도 1 내지 도 6 과 같이 4바퀴(W1~W4)가 달리고 후륜 바퀴축에 구동모터(11) 출력이 연결된 하부 프레임(10);
하부프레임(10) 상부에 부가되고 손잡이(21)와 팔굽받침(22)이 설치된 상부프레임(20);
사용자 유무를 확인하는 근접센서(d), 사용자의 보행 속도를 확인하는 속도센서(e), 사용자의 감가속도를 확인하는 가속도센서(b)를 포함하는 센서들이 하부프레임(10)에 분산 설치된 사용자이동 검출센서부(bb);
전방 장애물 유무를 확인하는 도플러센서(f), 전방 노면의 경사도를 확인하는 자이로센서(c)를 포함하는 센서등이 상,하부프레임(20,10) 전방에 분산 설치된 보행제동감지 센서부(cc);
상부프레임(20)이나 팔굽받침(22)에 설치되어 사용자가 가하는 힘을 인식하는 전단력센서(a), 상기 사용자 이동검출 센서부(bb) 및 보행제동감지 센서부(cc)의 센싱값으로 사용자 자세 및 이동변화와 노면 경사에 따른 보행의도를 인식하여 모터구동부(32)에서 대응토록하는 제어부(30); 및
보행의도 대로 모터구동부(32)에서 구동모터의 제동, 구동모터의 제동해제, 및 구동모터의 가속을 제어부 출력단에서 선택 수행하는 모터구동부(32)를 포함하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터를 구성한다. 도 1 에서 (37)은 저장장치로, (37-1)은 소프트웨어 알고리즘을 저장하는 알고리즘부, (37-2)는 사용자의 데이타필드 별로 구분하여 저정한 데이타베이스이다. (39)는 스마트기기이며, 스마트폰, PDA, 노트북 등을 예시할 수 있다. 이와같이 구성한 본원발명은 센서를 도 6 과 같이 구성하고 도 1 내지 도 5와 같이, 배열한 센서를 통한 인식방식과 원리를 차별화하여 보행의도를 복합적으로 인식하여 주행하는 차별적 구성과 기능을 제공하며, 그 외 기구적 사용방식은 종래방식과 유사하므로 기계적인 세부 작동설명은 생략한다.
이와 같은 차별적인 구성과 제어방법을 도 7 내지 도 10의 파형도 및 흐름도를 연계하여 설명한다.
4바퀴(W1~W4)가 달리고 후륜 바퀴축에 구동모터가 연결된 하부 프레임(10);
하부프레임(10) 상부에 부가되고 손잡이(21)와 팔굽받침(22)이 설치된 상부프레임(20);
상,하부 프레임(20,10)에 분산 설치된 센서들;
센서들의 인식을 통하여 보행의도를 파악하여 의도대로 모터구동부(32) 구동을 제어하는 제어부(30); 및
이들에 전원을 인가하는 밧데리(Bt)를 포함하는 도 1 내지 도 5의 롤레이터에서 수행되고,
도 6의 제어부(30)는 밧데리(Bt) 전원 및 도 6 에 보인 센서(a,b,c,d,e,f)들이 정상인지를 센서인터페이스(31)를 연계하여 마이컴(36)의 입력단(I1)을 통하여 확인하는 예비단계(S0)를 수행한다. 이 경우 각 센서(a,b,c,d,e,f)는 내장된 아날로그디지탈변환기를 통하여 마이컴(36)이 인식 가능한 디지탈 값으로 출력한다. 그리고 설명의 편리상 상, 하부프레임(20,10) 전방에 설치하는 도플러센서(f)와 자이로센서(c)는 사용자의 보행제동을 위한 인식 기능을 하도록 롤레이터의 전방장애물 을 인식하므로 보행제동감지 센서부(cc)로 칭한다.
본 발명에서의 도플러센서 (microwave sensor with Doppler effect)는 마이크로파의 방사원과 대상물체의 사이에 상대운동이 있는 경우에, 정지한 경우와 비해서 마이크로파의 파장이 다르게 관측된다. 이 현상이 마이크로파의 도플러 효과이고, 이 원리를 응용하여 이동물체(롤레이터)의 속도 및 장애물 인식에 사용되되도록 구성하였다. 본 발명에서의 자이로 센서는 가속도를 측정하는 가속도 센서와 달리 각속도를 측정한다. 자이로스코프(Gyroscope)가 각속도를 측정하는 기구인데 MEMS 기술을 적용한 칩 형태의 자이로센서도 각속도를 측정한다. 각속도는 시간당 회전하는 각도를 의미한다.
본 발명에서의 전단력센서(a)는 (Shear force sensor)로 국내특허등록 10-1657894를 예시할 수 있으며, 이러한 구조에 한정하지는 않는다. 이는 미는 힘을 인식하는 것으로, 도 1 에 표기한 위치에 예를들어 위치(a2)는 가속을, 위치(a1)는 감속을 구분하여 인식하도록 구성할 수도 있고, 전단력에 대응하는 스위치 구조를 사용할 수도 있다.
또한 하부프레임(10)에 분산 설치된 근접센서(d), 속도센서(e), 가속도센서(b)를 포함하는 센서는 사용자인 보행 이동 및 속도를 검출하는 기능을 하므로 보행자이동 검출센서부(bb)로 칭한다. 본 발명에서의 근접 센서 (proximity sensor)는 근접각 센서와 유사하며, 이는 물리적 접촉 없이 주변 물체의 존재를 감지할 수 있는 센서이다.
본 발명에서의 속도센서(e)는 물체의 속도를 검출하는 센서로, 많이 사용되는 것에 초음파, 레이저, 마이크로파 등의 도플러효과를 이용한 센서를 들 수 있다. 이들 중에서도 레이저는 지향성이 좋고, 파장도 짧기 때문에 미세한 속도변화를 검출할 수 있다. 코일 내에 자석 혹은 철심을 넣은 가동코일 혹은 가동 철심형의 센서는 가동거리는 짧지만, 10-4~102m/s 정도의 넓은 범위에 걸친 속도를 검출할 수 있다. 리니어 인코더나 리니어 포텐셔미터도 변위(變位)측정뿐 아니라 속도측정에 이용된다. 속도는 가속도를 적분함으로써 얻을 수도 있기 때문에 가속도센서를 이용하여 속도를 측정할 수도 있다.
예비단계(S0)에 이어 센서들 중 근접센서(d)에 의하여 사용자의 다리 부분을 인식하여 도 4 및 도 5 와 같이 사용자가 프레임에 근접해 있는지 여부를 확인하고 정속 또는 감, 가속 보행인지를 가속도센서(b)와 속도센서(e)를 통하여 확인하는 사용자이동 검출단계(S10)를 수행한다.
사용자이동 검출단계(S10)에 이어 전방에 장애물이 있는지, 노면이 평편한 지, 상향 경사 인지, 하향경사인지 자이로센서(c)와 도플러센서(f)를 기초로 인식하는 노면 확인단계(S20)를 수행한다. 바람직하기는 도 1 처럼 도플러센서(f)는 전방으로 분산 설치하여 정밀도를 높이도록 하는 것이 좋다. 노면의 상태가 도 7처럼 하향 및 상향 경사진 것을 예시한다.
이어 노면 확인단계(S20)에서 상향 경사시는 모터회전을 증속하고, 하향 경사시는 모터 구동을 제한하는 클러치 구동부(32-1)를 작동하는, 보행제동단계(S30)를 순차 수행하고;
상기 보행제동단계(S30)에서 도 8(b)와 같이 노면이 상향경사를 이루면, 제어부(30)의 마이컴(36)은 전륜이 상향경사면을 오르기 시작하면(T1시점 이후) 후륜이 점차 증속하는 가변증속과정(S32)을 수행하도록 마이컴(36)의 출력단(O1)을 통한 무터구동부(32-1)를 구동시켜 점차 증속토록 하고, 사용자가 감속이동하는 것을 근접센서(d)로 확인하면, 마이컴(36)은 증속을 멈추고 속도를 유지하도록 출력단(O1)을 통하여 모터구동부(32) 작동이 속도를 유지하는 유지과정(S32-1)을 수행한다.
상기, 보행제동단계(S30)에서 도 8(a)와 같이 하향 경사시에는 전륜이 하향경사면이 시작(T1 시점 이후)되면 후륜이 점차 감속하도록 마이컴(36)의 출력단(O2)을 통한 지령으로 클러치구동부(32-2)가 가변 감속 클러치 작용하도록 하는 하향경사과정(S33)을 수행하고, 이 경우 하향경사로 사용자가 멀어지기 시작하는지를 근접센서(d)로 인식하면 클러치 구동부(32-1)를 하향경사도에 따라 클러치 레벨을 달리하여 감속토록 클러치구동부 작동과정(S34)을 수행한다. 물론 경사가 일정하게 유지되면 감속 상태를 유지하여야함은 알 수 있을 것이다.
또한 이렇게 노면 상태에 따라 사용자의 보행 데이타는 저장장치(37)에 데이타베이스(37-2)로 항목 필드 별로 구분하여 저장하므로, 이를 기초로 보행 능력의 향상 여부등을 평가하여 보행등급 향상 여부나 보행 운동시간 등을 조정하도록 사용하는데 유리한 신 개념의 롤레이터 및 이의 제어방법을 제공한다.
10;하부프레임 11;구동모터 W1~W4;바퀴 20;상부프레임 21;손잡이 22;팔굽받침 30;제어부 32;구동모터부 S0;예비단계 S10;사용자이동 검출단계 S20;노면 확인단계 S30;보행제동단계 S32;가변증속과정 S32-1;유지과정 S33;하향경사과정 S34;클러치구동부 작동과정 a;전단력센서 b;가속도센서 c;자이로센서 d;근접센서 e;속도센서 f;도플러센서 Bt;밧데리 31;센서인터페이스 32;모터구동부 32-1;모터구동회로 32-2;클러치구동부 M1, M2;모터 32-2;클러치구동부 33;유에스비포트 34;키보드 35;입출력인터페이스 36;마이컴 37;저장장치 37-1;알고리즘부 37-2;데이타베이스 38;디스플레이

Claims (3)

  1. 4바퀴(W1~W4)가 달리고 후륜 바퀴축에 구동모터(11) 출력이 연결된 하부 프레임(10);
    하부프레임(10) 상부에 부가되고 손잡이(21)와 팔굽받침(22)이 설치된 상부프레임(20);
    사용자 유무를 확인하는 근접센서(d), 사용자의 보행 속도를 확인하는 속도센서(e), 사용자의 감가속도를 확인하는 가속도센서(b)를 포함하는 센서들이 하부프레임(10)에 분산 설치된 사용자이동 검출센서부(bb);
    전방 장애물 유무를 확인하는 도플러센서(f), 전방 노면의 경사도를 확인하는 자이로센서(c)를 포함하는 센서등이 상,하부프레임(20) 전방에 분산 설치된 보행제동감지 센서부(cc);
    상부프레임(20)이나 팔굽받침(22)에 설치되어 사용자가 가하는 힘을 인식하는 전단력센서(a), 상기 사용자 이동검출 센서부(bb) 및 보행제동감지 센서부(cc)의 센싱값으로 사용자 자세 및 이동변화와 노면 경사에 따른 보행의도를 인식하여 모터구동부(32)에서 대응토록하는 제어부(30); 및
    보행의도대로 모터구동부(32)에서 구동모터의 제동, 구동모터의 제동해제, 및 구동모터의 가속을 제어부 출력단에서 선택 수행하는 모터구동부(32)를 포함하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터.
  2. 4바퀴(W1~W4)가 달리고 후륜 바퀴축에 구동모터가 연결된 하부 프레임(10);
    하부프레임(10) 상부에 부가되고 손잡이(21)와 팔굽받침(22)이 설치된 상부프레임(20);
    상,하부 프레임(20,10)에 분산 설치된 센서들;
    센서들의 인식을 통하여 보행의도를 파악하여 의도대로 모터구동부(32) 구동을 제어하는 제어부(30); 및
    이들에 전원을 인가하는 밧데리(Bt)를 포함하는 시스템에,
    제어부(30)는 밧데리 전원 및 센서들이 정상인지를 확인하는 예비단계(S0);
    사용자가 근접해 있고 정속 또는 감, 가속 보행인지를 확인하는 사용자이동 검출단계(S10);
    전방에 장애물이 있는지, 노면이 평편한 지, 상향 경사 인지, 하향경사인지 인식하는 노면 확인단계(S20);
    노면 확인단계에서 상향 경사시는 모터회전을 증속하고, 하향 경사시는 모터 구동을 제한하는 클러치 구동부를 작동하는, 보행제동단계(S30)를 순차 수행하고;
    상기 보행제동단계(S30)에서 상향경사시에는 전륜이 상향경사면을 오르기 시작하면 후륜이 점차 증속하는 가변증속과정(S32)을 수행하고, 사용자가 감속이동하면 증속을 멈추고 속도를 유지하는 유지과정(S32-1)을 수행하는 것을 특징으로 하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터의 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 보행제동단계(S30)에서 하향 경사시에는 전륜이 하향경사면이 시작되면 후륜이 점차 감속하는 하향경사과정(S33), 및 하향경사로 사용자가 멀어지기 시작하면 클러치 구동부를 하향경사도에 따라 클러치 레벨을 달리하여 감속토록 클러치구동부 작동과정(S34)을 수행하는 것을 특징으로 하는 사용자의 보행의도를 인식하여 자율 주행하는 스마트 롤레이터의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120125940A (ko) * 2011-05-09 2012-11-19 한국산업기술대학교산학협력단 경사로／장애물 구간에서 편리하고 안전한 진행을 유도하는 보행 보조기
WO2015049910A1 (ja) * 2013-10-03 2015-04-09 シャープ株式会社 歩行補助装置
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