WO2021100991A1 - 계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈을 포함한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법 - Google Patents

계단 및 단차 지형의 휠체어 주행을 위한 전동 어시스트 모듈을 포함한 전동 어시스트 시스템 및 전동 어시스트 모듈의 제어 방법 Download PDF

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WO
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electric assist
caterpillar
assist module
angle
wheelchair
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PCT/KR2020/006021
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이응혁
정지안
황현창
이원영
이철우
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한국산업기술대학교 산학협력단
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Publication date
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    • A61G2203/10—General characteristics of devices characterised by specific control means, e.g. for adjustment or steering

Definitions

  • the present invention relates to a system and a control method for controlling an electric assist module that assists inclined driving of a wheelchair, and the yaw angle of the electric assist module for assisting the driving of stairs or steps of the wheelchair to be driven by the operation of the occupant without an assistant. It relates to a system and a control method capable of controlling an electric assist module by estimation.
  • Wheelchairs have a structure in which a chair is equipped with wheels so that a person who is difficult to walk due to a lack of free legs or an uncomfortable body can move from a seated state. Due to the recent rapid aging and the increase in the number of people with disabilities, the number of people with reduced mobility has increased dramatically, accounting for 28.9% of the total population to 14,963 thousand in 2017. Accordingly, the demand for wheelchairs, which is a major means of transportation for the vulnerable, is increasing, and the desire to use wheelchairs in various environments is increasing.
  • Wheel-type iBot, caterpillar Scelovo and Topchair are representative devices that wheelchair users can climb stairs on their own.
  • Wheel-type stair climbing devices such as iBot run stairs with precise balance control in the form of an inverted pendulum.
  • Safety accidents such as overturning may occur. Therefore, in the development of a device for safe stair climbing, most of the studies are conducted concurrently using a caterpillar mechanism rather than a general wheel.
  • the caterpillar-type mechanism has excellent contact performance on the curved surface, so that the grounding part is evenly distributed, so it is possible to drive more safely in ascending obstacles or stairs compared to other driving methods.
  • US Patent No. 7080842 discloses a wheelchair device for stairs.
  • the prior art is provided with a pivot member for landing at a step, but an assistant is required due to safety accidents such as overturning when the above-described stairs are raised.
  • the commercially available wheelchair and auxiliary assist module for up and down stairs is the lift car PTR of SANO.
  • a caterpillar-type product that is applied to a wheelchair and enables the wheelchair to run on stairs is also being released, but safety problems such as rollover have not been solved in order to assist a wheelchair up and down stairs without an assistant with its own lift car function.
  • the present applicant intends to propose a method for stably correcting an alignment anomaly caused by yawing as a control system for overcoming the risk of overturning that may occur when the electric assist module for ascending and descending stairs.
  • the yawing angle is measured through the acceleration and angular velocity data of the inertial sensor, but it is difficult to detect the rotation about the Z axis that matches the gravitational acceleration direction detected by the accelerometer. It is difficult to measure the yawing angle.
  • the applicant of the present invention proposes a system and method capable of controlling the electric assist module by estimating the amount of change in the yaw angle using acceleration data of three axes rather than detecting rotation.
  • An object of the present invention is to provide a system and a control method including an electric assist module that enables a wheelchair to move up and down stairs and steps without an assistant.
  • the present invention is to provide an electric assist system with excellent safety and a control method of an electric assist module by estimating a yawing angle when driving up and down stairs and steps of a wheelchair and correcting the electric assist module.
  • the present invention is an electric assist system provided in a wheelchair frame provided with a seating portion in which a passenger sits on a frame formed with a footrest and a handle, and drive wheels are provided on both sides of the frame, the wheelchair A caterpillar part of a caterpillar member mounted on a frame and moving up and down stairs or steps of the wheelchair frame; A landing gear part provided in the caterpillar part, the free end of the wheelchair frame being raised/lowered about the center of gravity of the wheelchair frame; A three-axis acceleration sensor measuring acceleration in the x, y, and z axes of the caterpillar unit; And a control unit for estimating the yaw angle of the caterpillar unit by calculating a roll angle and a pitch angle from the data of the acceleration sensor, and when one end of the landing gear unit is raised and lowered, the caterpillar unit is raised and lowered to come into contact with a staircase or a stepped surface. Then, by driving the caterpillar unit, it is characterized in that the step is driven up and down the
  • control unit calculates the roll angle by calculating an inverse tangent of the ratio of the x-axis acceleration value and the z-axis acceleration value, and calculating the pitch angle by calculating the inverse tangent of the ratio of the y-axis acceleration value and the z-axis acceleration value. I can.
  • control unit may estimate a yaw angle by calculating an inverse tangent of a ratio of the roll angle and the pitch angle to estimate the yawing angle without analyzing the rotation amount.
  • the electric assist system includes a motor driven by applying the Yaw angle estimated by the control unit as a proportional control, and may further include a correction controller for correcting the linearity of the caterpillar unit by driving the motor. .
  • the correction controller may increase or decrease the input speed of the motor according to a direction in which the caterpillar is inclined and an amount of rotation by receiving feedback from the estimated Yaw angle of the controller.
  • the present invention provides a control method of an electric assist module for driving a wheelchair on a stair and stepped terrain, comprising: (a) a control unit of the electric assist module to measure the x, y, z axis accelerations of the electric assist module; (B) calculating, by the control unit of the electric assist module, a roll angle of the electric assist module using x-axis and z-axis acceleration data, and calculating a pitch angle of the electric assist module using y-axis and z-axis acceleration data; (C) the control unit of the electric assist module calculates the roll angle and the pitch angle calculated in step (b) to estimate the Yaw angle of the electric assist module; And (d) correcting the straightness of the electric assist module by receiving feedback of the Yaw angle estimated in step (c) by the correction controller of the electric assist module.
  • the caterpillar part of the caterpillar of the caterpillar linearly raises and lowers the step of the stairs, and a separate landing gear part for initial landing of the caterpillar part is provided, so that the stairs of the wheelchair can be moved up and down without an assistant.
  • the landing gear unit has a free end at the front and rear sides and raises and lowers the front/rear based on the center of gravity, and the center of gravity is positioned toward the stairs when successive steps such as stairs are raised to prevent falls by running backwards. make this possible.
  • there is an advantage of assisting the user to appropriately respond according to the type of the step by looking at the step in the front and ascending and descending from obstacles in the mound such as a step of the first step other than a staircase.
  • the present invention has the advantage of improving the stability of the electric assist module as the control unit estimates the Yaw angle and properly corrects the linearity of the caterpillar unit.
  • FIG. 1 is a perspective view of a wheelchair in which an electric assist module according to an embodiment of the present invention is coupled to a wheelchair frame.
  • FIG. 2 is a perspective view of an electric assist module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a control block diagram of a correction controller according to an embodiment of the present invention.
  • 5 shows an electric assist module for performing an experimental example, an experiment stair environment, and an experiment progress simulation.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an experiment performed according to the experiment environment of FIG. 5.
  • FIG. 12 is a perspective view of a wheelchair in which an electric assist module according to another embodiment of the present invention is coupled to a wheelchair frame.
  • FIG. 12(a) shows the appearance of the electric assist module and the wheelchair frame on a flat ground
  • FIG. 12(b) shows the appearance of the electric assist module and the wheelchair frame when climbing stairs.
  • FIG. 13 is a rear perspective view of the electric assist module according to the embodiment of FIG. 12.
  • FIG. 14 shows a landing state of the electric assist module according to the embodiment of FIG. 12.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a wheelchair 1 in which an electric assist module 3 according to an embodiment of the present invention is coupled to a wheelchair frame 10.
  • the wheelchair 1 capable of raising and lowering stairs and steps may include a wheelchair frame 10 and an electric assist module 3.
  • the wheelchair frame 10 is provided with a seat 13 on which the occupant sits on a frame 11 formed with a footrest and a handle, and drive wheels 15 are provided on both sides of the frame 11.
  • the electric assist module 3 according to the present embodiment may be integrally coupled to the wheelchair frame 10 and distributed, and may be separately distributed so as to be compatible with the wheelchair frame 10.
  • the electric assist module 3 is fastened to the lower part of the wheelchair frame 10.
  • the electric assist module 3 may be provided by being fastened to the space between the left and right driving wheels 15.
  • the electric assist module 3 does not interfere with the driving of the driving wheel 15 on a flat ground, but assists the occupant to travel a single step of a slope or a stair or a sidewalk block.
  • the electric assist module 3 may include a caterpillar unit 30, a landing gear unit 50, and a control unit 70.
  • the electric assist module 3 allows the caterpillar unit 30 to be raised and lowered by a reaction force so that the stair or stepped surface and the caterpillar unit 30 can be brought into contact with each other. Thereafter, by driving the caterpillar unit 30, the step is driven so that the stairs or the inclined surface of the step of the wheelchair frame 10 can be elevated without an assistant.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the electric assist module 3 according to the embodiment of the present invention.
  • the caterpillar part 30 is a caterpillar type traveling member provided with a plurality of wheels 31 and a chain belt 33 that rotates the wheels 31, and is mounted on the wheelchair frame 10 to provide a staircase of the wheelchair frame 10. Or go up and down the step.
  • the caterpillar unit 30 may be provided with a three-axis acceleration sensor that measures x, y, and z-axis acceleration.
  • the acceleration sensor may be a well-known configuration capable of measuring accelerations in the x, y, and z axes, respectively.
  • the acceleration sensor may be provided under the center of the caterpillar part 30, but is not limited thereto.
  • the caterpillar unit 30 is a wheel that moves up and down stairs of the wheelchair frame 10 and is distinguished from the driving wheel 15.
  • the running of the stairs is performed by the caterpillar unit 30.
  • the caterpillar part 30 is a caterpillar type running member composed of a wheel 31 and a chain belt 33, and has a curved surface contact performance without precise balance control in the form of an inverted pendulum of the stair climbing device in the form of a driving wheel 15. It is excellent and has the characteristic that the grounding part is evenly distributed.
  • the caterpillar part 30 of the caterpillar type is particularly excellent for climbing stairs as the chain belt 33 provides a continuous running surface in a staircase having a continuous step.
  • the landing gear part 50 is configured as a means for stably entering the stairs of the caterpillar part 30.
  • a control unit 70 on which logic for driving control for stable driving of the caterpillar unit 30 is mounted may be included.
  • the landing gear unit 50 is provided on the caterpillar unit 30, and the free ends of the front/rear can be raised/lowered around the center of gravity of the wheelchair frame 10.
  • the landing gear part 50 refers to an auxiliary member for initial elevation of the caterpillar part 30.
  • the landing gear unit 50 according to the present embodiment is provided in a gear structure capable of raising and lowering the front or rear side of the wheelchair, respectively. In order to move up and down the stairs of a wheelchair without an assistant, it is necessary to drive the user to move up and down the stairs with his or her back in order to prevent safety accidents such as falls. Therefore, it is preferable that the landing gear part 50 is provided to lift the front or rear of the wheelchair so that the front or rear of the wheelchair can be divided and driven according to the type of the step.
  • the landing gear unit 50 may include a gear shaft 51, a front landing wheel 53, a rear landing wheel 55, and a driving module 57.
  • the landing gear unit 50 is controlled so that the front free end is raised and lowered in a state in which the direction of the wheelchair frame 10 is changed to the reverse direction so that the occupant can go up and down the stairs when the stairs are elevated.
  • the landing gear unit 50 is controlled so that the rear free end is raised and lowered in a state in which the direction of the wheelchair frame 10 is positioned to the front so that the occupant faces the front when the step is raised or lowered.
  • the landing gear unit 50 may be controlled so that the occupant travels the stepped terrain straight when raising and lowering the stepped step, and the occupant travels the stepped terrain backward when raising and lowering the plurality of steps of the stairs.
  • the gear shaft 51 is located at the center of gravity of the wheelchair frame 10. Referring to FIG. 2, the gear shaft 51 is provided under the caterpillar part 30, and is provided on both sides with a DC motor driving the gear in the center.
  • the gear shaft 51 may be provided as a parallel frame as shown in FIG. 2, and may be provided as a single frame.
  • the front landing wheel 53 and the rear landing wheel 55 are provided on a body having a length elongated in the front and rear directions around the gear shaft 51.
  • the front landing wheel 53 and the rear landing wheel 55 are provided with wheels at the ends of the body, respectively, and can perform complementary driving.
  • the driving module 57 may include a motor to selectively lift the front landing wheel 53 or the rear landing wheel 55 around the gear shaft 51 to raise and lower one side of the caterpillar part 30.
  • the driving module 57 may be located at the rear of the caterpillar unit 30 and may be connected to the rear landing wheel 55.
  • the front landing wheel 53 and the rear landing wheel 55 are disposed under the caterpillar part 30, so that when the front landing wheel 53 is elevated, the rear end of the caterpillar part 30 is raised and lowered, and the rear landing wheel 55 ) When this is lifted, the front end of the caterpillar unit 30 is lifted.
  • the driving module 57 may raise and lower the front landing wheel 53 when raising and lowering the stairs, and raise and lower the rear landing wheel 55 when raising and lowering the step other than the stairs.
  • the driving module 57 may include a correction controller, which will be described below.
  • the control unit 70 controls the landing gear unit 50 to enable the caterpillar unit 30 to move up and down the stairs stably.
  • the controller 70 may estimate the Yaw angle of the caterpillar unit 30 by calculating the roll angle and the pitch angle using data of the acceleration sensor provided in the caterpillar unit 30.
  • Yaw ( ⁇ ) refers to an angle at which the caterpillar part 30 is tilted to one side due to a rotational motion occurring around the electric assist module 3 as an axis.
  • Roll( ⁇ ) refers to the tilted angle in the X-Y plane generated at the rear due to the tilt of the front Yaw.
  • Pitch( ⁇ ) refers to an inclined angle in the height direction of the Z-axis.
  • the traveling coordinate system of the electric assist module 3 does not have rotation other than the Yaw axis when traveling on a flat ground, but when the electric assist module 3 runs on stairs and slopes, roll and pitch axis rotations occur based on the local coordinate system.
  • Yawing occurs while the electric assist module 3 is running on stairs, an alignment error occurs in the traveling coordinate system (X, Y, Z) of the electric assist module 3 by the angle of Yaw (?).
  • Yawing occurs while the electric assist module 3 is running on stairs
  • an alignment error occurs in the traveling coordinate system (X, Y, Z) of the electric assist module 3 by the angle of Yaw (?).
  • the degree of freedom is limited due to the nature of the staircase topography, so that rolling occurs at the same time.
  • yawing of the electric assist module 3 changes in the local coordinate system standard, roll and pitch angles are observed.
  • the Yawing can detect the situation through the Yaw axis rotation amount analysis.
  • the Yaw angle is difficult to detect rotation in an accelerometer, and it is difficult to measure due to a drift phenomenon in an angular velocity meter. Therefore, in this embodiment, the yaw angle is indirectly estimated using the roll and pitch angles to solve this problem.
  • the controller 70 may calculate the roll angle ⁇ by calculating an inverse tangent of a ratio between the x-axis acceleration value and the z-axis acceleration value.
  • Roll ( ⁇ ) calculated by the control unit 70 can be represented by the following [Equation 1].
  • Ax denotes the x-axis acceleration data
  • Az denotes the z-axis acceleration data
  • the controller 70 may calculate the pitch angle ⁇ by calculating an inverse tangent of a ratio between the y-axis acceleration value and the z-axis acceleration value.
  • Pitch ( ⁇ ) calculated by the control unit 70 can be expressed by the following [Equation 2].
  • Ay denotes y-axis acceleration data
  • Az denotes z-axis acceleration data
  • Yaw's angle ⁇ is difficult to measure in a dynamic model due to acceleration data generated during driving, and the angular speedometer data has an error due to a drift phenomenon caused by time accumulation.
  • the angle of Yaw can be calculated as [Equation 3] with the same principle.
  • the values of Roll( ⁇ ), Pitch( ⁇ ), and Yaw( ⁇ ) can be obtained using the data of the acceleration sensor, but each ⁇ of Yaw is the driving of the electric assist module (3).
  • the accuracy of the sensor data is low because it is difficult to detect rotation about the Z-axis that coincides with the direction of gravity acceleration.
  • the control unit 70 does not directly calculate the yaw angle, but uses the Ax and Ay acceleration data measured by the acceleration sensor attached to the electric assist module 3 based on the gravitational acceleration data Az detected by the accelerometer. Note that ( ⁇ ) is calculated.
  • the controller 70 estimates the yaw angle by calculating the inverse tangent of the ratio of the roll angle and the pitch angle, and estimates the yawing angle without analyzing the amount of rotation.
  • the angle of Yaw( ⁇ ) estimated by the control unit 70 can be expressed by the following [Equation 4].
  • the controller 70 may control the correction controller by using the estimated Yaw( ⁇ ) information.
  • the correction controller may be provided on the driving module 57.
  • the correction controller corrects the linearity of the caterpillar unit 30 by driving a motor provided in the driving module 57.
  • the correction controller receives speeds of Velocity_L and_R to motors that control Left and Right, respectively.
  • the correction controller feeds back the Yaw(?) angle estimated by the control unit 70 while driving, and increases or decelerates the input speed according to the inclined direction and the amount of rotation.
  • the correction controller corrects the linearity by inputting the increased or decelerated Velocity Control_L,_R to the motor.
  • the correction logic performed by the correction controller can be represented by the following [Equation 5].
  • the correction controller corrects the linearity by controlling the motor speed Velocity Contorl_L and Velocity Control_R according to the estimated Yaw( ⁇ ) angle according to [Equation 5].
  • Threshold the range within ⁇ ° is judged as a stable range, and correction may not be applied.
  • Kp is a proportional constant that determines the sensitivity of the controller and can be selected through performance changes according to experiments.
  • 5 shows an electric assist module for performing an experimental example, an experiment stair environment, and an experiment progress simulation.
  • 6 is a diagram illustrating an experiment performed according to the experiment environment of FIG. 5.
  • the Yaw angle estimation method and the linearity correction system are applied to the actual electric assist module 3 to check whether the linearity is corrected.
  • the value of Kp was varied from 10-700 to investigate whether the system was corrected for linearity and the change in rotational angular velocity.
  • the experiment was conducted and data graphs were calculated for three cases showing representative characteristics.
  • a real stair experiment environment and an experimental device were implemented as shown in FIGS. 5 and 6. Referring to FIG. 5, an experiment environment was constructed in order to target stairs of the most common standard that can be encountered during movement of a wheelchair user.
  • the effective width of stairs and landings which are the ranges suggested by Ordinance No. 548 of the Ministry of Land, Infrastructure, and Transport were manufactured to be more than 600mm, the height of the steps less than 180mm, and the width of the steps more than 260mm.
  • the electric assist module 3 according to the present embodiment used the caterpillar type electric assist module of FIG. 5 to test the proposed yaw angle estimation technique and the performance of the linearity correction controller, and an assistant artificially caused yawing to perform the experiment. To do this, I did not add a separate landing gear configuration.
  • the electric assist module (hereinafter abbreviated as'assist module') implemented in the experimental example of FIG. 5 is corrected by intentionally applying an external force while moving stairs to verify the performance of the yaw angle estimation technique and the linearity correction controller using the same. Whether or not was experimented.
  • the assist module showed a data graph for pre-processing by running at a slow speed of 0.1 m/s.
  • the assist module has the same initial stage as section 1 in FIG. 6.
  • an experiment protocol was devised that shows the process of correcting the straightness as in sections 3 and 5 by deliberately applying an external force to the Yawing counterclockwise and clockwise as in section 24.
  • roll and pitch angles and yaw angles through estimation techniques are collected for posture estimation, and driving speed and angular velocity data are presented to determine whether or not to correct straightness.
  • a low Kp is applied to check the state.
  • FIG. 7 shows a state in which a stair-driving mechanism by setting the proportionality coefficient Kp to 10 to correct the straightness due to the external environment caused by yawing, and the results of the roll, pitch data, and yaw angle estimation technique.
  • the assist module runs at the initial stage of section 1, and intentionally causes yawing counterclockwise during driving, resulting in a sudden change in angle in section 2. Yawing was detected in section 3, but it was confirmed that the correction was hardly corrected by the low Kp.
  • the electric assist module is set to 700 to generate yawing in the same counterclockwise and clockwise direction to correct straightness, and the yaw data estimated through the roll, pitch data, and yaw angle estimation technique are shown. I can confirm.
  • K p 700
  • the quick straightness correction process of the assist module can be confirmed in sections 3 and 5, and the instantaneous angular velocity in the angular velocity data graph in the straightness correction process is 141 [deg/s]. ], -220[deg/s].
  • FIGS. 12 to 14 propose an electric assist module 3 of an embodiment similar to that of FIGS. 1 and 2.
  • 12 is a perspective view of a wheelchair in which the electric assist module 3 is coupled to the wheelchair frame 10 according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 12 (a) shows the state of the electric assist module 3 and the wheelchair frame 10 on a flat ground
  • Figure 12 (b) is the electric assist module 3 and the wheelchair frame 10 when climbing stairs Shows the appearance of.
  • the electric assist module 3 may include the caterpillar unit 30, landing gear units 50 and 500, and the control unit 70 described above in FIGS. 1 and 2.
  • the electric assist module 3 of FIG. 4 is a different embodiment from FIGS. 1 and 2 and may further include a wheelchair angle adjustment unit 40.
  • the ascending direction is changed to maintain the center of gravity of the wheelchair frame 10, and in the direction of the front or rear part according to the ascending direction.
  • a landing gear part 50 capable of landing was presented.
  • a configuration of the wheelchair angle adjustment unit 40 is added so that the wheelchair frame 10 does not tilt when climbing stairs.
  • the caterpillar part 30 may be provided as a'b'-shaped frame in which a body on which the wheelchair frame 10 is seated is formed to have a predetermined length, but is bent upward at the rear of the body.
  • the wheelchair angle adjustment unit 40 may be provided in the bent rear area of the caterpillar unit 30, and the wheelchair frame 10 may be tilted around the wheelchair angle adjustment unit 40.
  • the wheelchair angle adjustment unit 40 may be composed of a tilting frame 41 and a tilting module 43.
  • One end of the tilting frame 41 may be detachably coupled to a frame forming a backrest of the wheelchair frame 10, and the other end may be detachably coupled to a seating portion of the wheelchair frame 10 or a lower frame of the seating portion.
  • the tilting frame 41 may be pivoted by a predetermined angle by the rotational force of the tilting module 43.
  • the wheelchair frame 10 coupled with the tilting frame 41 may be tilted by the pivot of the tilting frame 41.
  • the angle adjustment of the wheelchair angle adjustment unit 40 may be performed through the control unit 70.
  • the control unit 70 is provided with a PID control module, and can control the landing gear units 50 and 500 when detecting stairs for stair travel, and the angle calculated when the landing gear units 50 and 500 are controlled will be offset.
  • the tilting angle of the wheelchair angle adjustment unit 40 may be calculated so as to be performed.
  • the tilting module 43 is located at the rear of the wheelchair frame 10 and may include a known motor configuration that is provided in the caterpillar part 30 and can pivot or rotate at a predetermined angle with respect to the caterpillar part 30. have. One end of the tilting module 43 is coupled to the tilting frame 41.
  • the electric assist module 3 according to the embodiment of FIG. 12 may include a landing gear part 500 on which an omni wheel 530 is mounted.
  • the landing gear shaft 510 may be provided in the width direction of the caterpillar part 30.
  • the landing gear part 500 according to the present embodiment is distinguished from the embodiments of FIGS. 1 and 2, and the landing wheel may be formed only on one side of the front and rear sides rather than on both sides. This is because the center of gravity of the wheelchair frame 10 can be stably maintained with the configuration of the wheelchair angle adjusting unit 40 described above, so that the ascending direction may be configured with only one side instead of both sides.
  • an omni wheel 530 is provided as a wheel of the landing gear part 500.
  • the omni wheel 530 is an auxiliary wheel whose own frame is rotated in the front and rear direction of the wheelchair frame 10, and is rotated in the lateral direction of the wheelchair frame 10 on the outer periphery of the frame in which the wheelchair frame 10 is rotated in the front and rear direction.
  • a plurality of 531 may be configured.
  • the caterpillar unit 30 When the caterpillar unit 30 is configured as an assist module for climbing stairs of a wheelchair, the front and rear driving of the wheelchair can be easily controlled, but due to the volume of the caterpillar unit 30, the turning operation becomes difficult.
  • an omni wheel 530 may be applied as a landing wheel to improve this problem. Due to the auxiliary wheel 531 of the omni wheel 530, the caterpillar unit 30 may easily rotate.
  • FIG. 14 shows a landing state of the electric assist module 3 according to the embodiment of FIG. 12.
  • the landing gear unit 500 is driven when the electric assist module 3 moves up the stairs or turns the direction so that the omniwheel 530 descends and the caterpillar unit 30 is lifted.
  • the occupant may drive so that the caterpillar unit 30 ascends the stairs or may turn the direction of the caterpillar unit 30.
  • the present invention provides a system and a control method including an electric assist module that enables'running of stairs and steps of a wheelchair without an assistant. According to the present invention, there is an advantage that the caterpillar part of the caterpillar of the caterpillar linearly raises and lowers the step of the stairs, and a separate landing gear part for initial landing of the caterpillar part is provided, so that the stairs of the wheelchair can be moved up and down without an assistant.

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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
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 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.
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.
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 피드백받아 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 (Kp=10)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 8은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 9은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다.
도 10는 실험례로서, 비례계수가 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 Roll, Pitch, Yaw 데이터를 나타낸다.
도 11은 실험례로서, 비례계수가 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 속도 보정 데이터, 각속도 데이터를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈이 휠체어 프레임에 결합된 휠체어의 사시도를 나타낸다. 도 12의 (a)는 평지에서의 전동 어시스트 모듈과 휠체어 프레임의 모습을 나타내며, 도 12의 (b)는 계단승월시의 전동 어시스트 모듈과 휠체어 프레임의 모습을 나타낸다.
도 13는 도 12의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 배면 사시도를 나타낸다.
도 14은 도 12의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈의 랜딩 모습을 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(φ)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. 이때, 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 Yawing은 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]
Figure PCTKR2020006021-appb-I000001
여기서, Ax는 x축 가속도 데이터를, Az는 z축 가속도 데이터를 의미한다.
제어부(70)는 y축 가속도 값과 z축 가속도 값의 비율의 역탄젠트 연산으로 Pitch 각도 φ를 산출할 수 있다. 제어부(70)가 산출하는 Pitch(φ)는 하기의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2020006021-appb-I000002
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]
Figure PCTKR2020006021-appb-I000003
[수학식1, 2]와 같이 Roll(ρ), Pitch(φ), 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(φ)를 산출함에 주목한다.
여기서, Yaw(ψ)의 각도가 0°인 상황에서 Roll(ρ)과 Pitch(φ)는
Figure PCTKR2020006021-appb-I000004
의 관계를 갖는다. 반면, Yaw(ψ)의 각도가 90°인 상황에서 Roll(ρ)과 Pitch(φ)는
Figure PCTKR2020006021-appb-I000005
의 관계를 갖는다. 상기의 관계식을 고찰해보면, Roll(ρ)과 Pitch(φ) 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]
Figure PCTKR2020006021-appb-I000006
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 감속된 Velocity Control_L,_R를 모터에 입력하여 직진성을 보정한다.
보정 제어기가 수행하는 보정 로직은 하기의 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2020006021-appb-I000007
Figure PCTKR2020006021-appb-I000008
Figure PCTKR2020006021-appb-I000009
Figure PCTKR2020006021-appb-I000010
Figure PCTKR2020006021-appb-I000011
Figure PCTKR2020006021-appb-I000012
보정 제어기는 [수학식 5]에 따라 모터의 속도 Velocity Contorl_L과 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 제548호에서 제시한 범위인 계단 및 계단참의 유효너비는 600mm 이상, 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 ②④번 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 (Kp=10)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(φ), 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 (Kp=200)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(φ), 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 (Kp=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 (Kp=700)일 때 캐터필러부의 Roll(ρ), Pitch(φ), 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 (Kp=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 0 × 보정 못함 보정 못함
200 0 0 0.7[sec] 64[deg/s], -67[deg/s]
700 0 0 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.
이하, 도 12 내지 도 14는 도 1 및 도 2와 유사한 실시예의 전동 어시스트 모듈(3)을 제안한다. 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)이 휠체어 프레임(10)에 결합된 휠체어의 사시도를 나타낸다. 도 12의 (a)는 평지에서의 전동 어시스트 모듈(3)과 휠체어 프레임(10)의 모습을 나타내며, 도 12의 (b)는 계단승월시의 전동 어시스트 모듈(3)과 휠체어 프레임(10)의 모습을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 전동 어시스트 모듈(3)은 도 1, 2에서 전술한 캐터필러부(30), 랜딩기어부(50, 500), 및 제어부(70)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 4의 전동 어시스트 모듈(3)은 도 1, 2와는 다른 실시예로서, 휠체어 각도 조절부(40)를 더 포함할 수 있다. 도 1, 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 12에 따른 본 실시예에서는, 계단 승월시 휠체어 프레임(10)이 기울지 않도록 휠체어 각도 조절부(40)의 구성이 추가된다.
이하, 도 12에 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 13는 도 12의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 배면 사시도를 나타낸다. 도 13를 참조하면, 도 12의 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, 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 14는 도 12의 실시예에 따른 전동 어시스트 모듈(3)의 랜딩 모습을 나타낸다. 도 14를 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.
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.
본 발명은 보조자 없이 휠체어의 계단 및 단차 승강의 `주행을 가능하게 하는 전동 어시스트 모듈을 포함한 시스템 및 제어 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 무한궤도의 캐터필러부가 계단의 단차를 선형적으로 승강시키고, 캐터필러부의 초기 랜딩을 위한 별도의 랜딩기어부가 구비되어 보조자 없이도 휠체어의 계단 승강이 가능한 이점이 있다.

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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