다기능 전동 휠체어{Multi Functional Electric Wheel-chair}

본 발명은 노약자나 장애인을 위한 휠체어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카트로 변환이 가능하며, 오르막길 또는 내리막길에서 착좌부는 항시 수평 자세를 유지하고, 휠체어로부터 하차가 용이한 다기능 전동 휠체어에 관한 것이다.

최근에 사회가 점점 고령화 되어 감에 따라 노인을 위한 복지 정책의 중요성이 대두되고 있다. 가장 문제가 되는 것 중의 하나가 노인을 부양하는 문제이다. 하지만 사회적 구조로 볼 때, 부양인구가 점점 줄어들어 노인들이 혼자서 사회생활을 해야 하는 경우가 많아지고 있다. 따라서 노인들이 사회생활을 할 수 있도록 돕는 것이 중요한 해결책의 하나이다. 가장 기본적인 사회생활은 기동성이다. 기동성이 확보되어야 생활의 기본 수준, 즉 장보기, 사람만나기, 간단한 업무 처리 등을 유지할 수 있기 때문이다. 하지만, 노령화로 인한 체력의 소진으로 움직임이 원활하지 않은 것이 사실이다. 특히, 보행이 불편한 장애인의 경우에는 더욱 그러하다. 기동성을 필요로 하는 일들을 할 수 있어야만 자립할 수 있기 때문이다.

보행이 불편한 장애인이나 노인들의 기동성을 도와주는 방법은 많이 있다. 힘을 조절기능이 있는 카드 형태의 이동로봇에 의존하여 이동하는 방법과 불편한 다리에 보행 보조기를 직접 착용하는 방법이 있다. 하지만 두 다리를 사용하지 못하는 경우에 사용하는 수단 중의 하나가 휠체어이다.

휠체어는 착좌부와 이동수단으로 이루어지며, 거동이 불편한 노약자 또는 장애인이 착좌하여 팔의 힘 또는 전동 장치를 이용하여 이동이 가능하도록 만들어진 의료기구이다. 특히 전동 휠체어는 전동 장치를 동력원으로 이동하기 때문에 간편한 조작으로 원하는 곳으로 이동할 수 있어 기력이 쇄한 노약자들에게 매우 유용한 수송체이다. 상용화가 되어 있는 일반적인 휠체어의 경우에는 4개의 바퀴로 구성된 이동 로봇 형태를 갖추고 있다. 조향을 할 수 있는 핸들이나 조이스틱을 부착하였으며, 탑승자가 편안하게 앉을 수 있도록 의자가 부착되어있다.

기존의 휠체어 로봇들은 모두 신뢰성과 그 가치가 입증되어 상용화 되었지만, 이러한 신뢰성과 가치가 모두 평지에서만 국한되어있다. 우리나라 지형 특성상 내리막길, 오르막길과 같은 경사진 언덕에서는 그 안정성이 검증되지 않았다. 경사진 지면을 내려갈 때 무게 중심에 의해 앞으로 쏠리는 현상이 나타나는데, 이 때 탑승자는 불편함을 느끼게 된다. 전동 휠체어의 경우 큰 부피 때문에 휴대가 불편하여 운송 수단을 통한 원거리 이동을 할 수 없었다. 또한 몸이 불편한 노약자의 승하차에 대한 부분이 고려되어있지 않아 승하차에 어려움이 따르는 것이 사실이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 휠체어 전방의 이동 수단을 상하 조절 가능하도록 하여 경사진 곳의 주행 시에도 착좌부의 수평상태를 유지하게 되는 휠체어를 제공함에 있다.

또한, 슬라이드 가능한 착좌부를 구성하여 휠체어에서 하차가 용이한 휠체어를 제공함에 있다.

또한, 접이식 구조를 통해 수납 및 운송이 용이하고 카트모드로 변형이 가능한 휠체어를 제공함에 있다.

마지막으로 급발진 및 급제동 방지 시스템을 적용하게 되는 휠체어를 제공함에 있다.

본 발명의 휠체어는 프레임(10)과, 상기 프레임(10)에 설치되는 착좌부(20)와, 메인 모터에 의해 구동되는 이동수단(30)을 포함하는 전동 휠체어에 있어서, 상기 전동 휠체어는, 수평프레임(11)과, 수직프레임(12)으로 구성되는 프레임(10); 밑받침(21)과, 상기 밑받침(21)에 힌지 결합되는 등받이(22)로 구성되는 착좌부(20); 및 상기 메인 모터의 구동을 제어하는 제어부; 를 포함하되, 상기 밑받침(21)은 상기 수평프레임(11)에 수평방향으로 슬라이드 되도록 결합되고, 상기 등받이(22)는 제1 동력원(51)에 의해 상기 수직프레임(12)에 상하 슬라이드 되도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 이동수단(30)은 상기 수직프레임(12)의 하단에 설치되는 후륜부(31); 및 지지프레임(32a, 32b)과, 상기 지지프레임(32a, 32b)에 의해 상기 수직프레임(12)에 연결되는 전륜휠(32c)로 구성되는 전륜부(32); 를 포함하되, 상기 수평지지프레임(32a)은 제2 동력원(52)에 의해 상기 수직프레임(12)에 상하 슬라이드 되도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지프레임(32a, 32b)은 하단에 전륜휠(32c)이 연결되는 수직지지프레임(32b)과, 상기 수직지지프레임(32b)의 상단과, 수직프레임(12)을 연결하는 수평지지프레임(32a)으로 구성되되, 상기 수직지지프레임(32b)과 상기 수평지지프레임(32a)은 제1 힌지결합부(91)를 통해 힌지 결합되고, 상기 수평지지프레임(32a)상에는 제2 힌지결합부(92)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 휠체어는 'ㄷ' 자형으로 되며, 개방부 끝단이 상기 수직프레임(12)의 상단에 힌지 결합되며, 상기 수직프레임(12)으로부터 착탈 가능한 손잡이부(40);가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 동력원(51) 및 제2 동력원(52)은 서브 모터에 의해 회전하는 웜과 웜휠인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 메인 모터는, 일정 가속도 이상이 될 경우 제어부에 의해 동작이 정지되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 동력원(52)은, 지면의 경사각을 감지할 수 있는 경사 센서에 의해 경사각을 입력받아 상기 지지프레임(32a, 32b)을 승하강 시키는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 휠체어는, 전진, 좌회전, 우회전, 후진의 4가지의 입력 값을 AD변환을 통해 제어부에서 연산하며, 상기 후륜부(31)의 좌우 2개의 바퀴를 PWM(pulse width modulation)을 통해 독립적으로 제어하여 상기 4가지 입력 값에 따른 움직임을 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 다기능 전동 휠체어는 경사진 곳의 주행 시에도 착좌부의 자세를 안정적으로 유지할 수 있어 어떠한 지형에서도 편안한 주행이 가능한 효과가 있다.

또한, 적은 힘으로도 용이하게 하차가 가능한 효과가 있다.

또한, 접이식으로 사이즈를 줄일 수 있어 보관 및 운송이 용이하다.

또한, 급발진 및 급제동을 방지하기 때문에 주행 시 위험성이 감소된다.

도 1은 본 발명의 휠체어 전체사시도
도 2a는 본 발명의 하차 수단 작동상태 측면도(작동 전)
도 2b는 본 발명의 하차 수단 작동상태 측면도(작동 후)
도 3a는 본 발명의 휠체어 경사구간 주행상태 측면도(오르막)
도 3b는 본 발명의 휠체어 경사구간 주행상태 측면도(내리막)
도 4a는 본 발명의 휠체어 접이 수단 작동상태 측면도(작동 전)
도 4b는 본 발명의 휠체어 접이 수단 작동상태 측면도(작동 중)
도 4c는 본 발명의 휠체어 접이 수단 작동상태 측면도(작동 후)
도 5는 본 발명의 제어부 구성도
도 6은 본 발명의 휠체어 주행 제어 순서도
도 7은 본 발명의 휠체어 기울기 제어 순서도
도 8은 본 발명의 휠체어 정지 제어 순서도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 다기능 전동 휠체어는 프레임(10), 착좌부(20), 이동수단(30), 손잡이부(40), 제1 동력원(51), 제2 동력원(52), 메인 모터(MM) 및 서브 모터(SM)를 포함하여 이루어진다.

상기 프레임(10)은 본 발명의 휠체어를 지지하기 위한 구성으로, 강성이 있는 금속 빔 상으로 될 수 있다. 상기 프레임(10)은 수평프레임(11)과 수직프레임(12)으로 구성된다. 상기 수평프레임(11)의 상단에는 착좌부(20)가 위치할 수 있고, 상기 수평프레임(11)은 수직프레임(12)의 중앙에 결합되거나, 일체로 구성될 수 있다. 상기 수직프레임(12)의 상단에는 손잡이부(40)가 힌지 결합되며, 하단에는 이동수단(30)이 설치된다. 상기 수직프레임(12)상에는 제1 및 제2 동력원(51, 52), 메인 모터(MM), 서브 모터(SM) 및 제어부(미도시)가 설치된다.

상기 착좌부(20)는 밑받침(21)과 등받이(22)로 구성되며, 밑받침(21)은 상기 수평프레임(11)의 상단에, 등받이(22)는 상기 수직프레임(12)의 일측에 결합 설치된다.

이때, 상기 착좌부(20)는 사용자가 휠체어에서 하차 시 하차를 용이하게 하기 위한 하차수단을 구비하며, 하차수단에 필요한 구성은 다음과 같다.

상기 하차수단은 힌지회전부(61), 수평슬라이드부(62), 착좌힌지결합부(71), 수직슬라이드부(72), 제1 동력원(51), 제1 서브 모터(SM1), 제어부를 포함한다.

우선 상기 밑받침(21)과 등받이(22)는 상기 밑받침(21) 후단과 상기 등받이(22)의 하단에 형성되는 착좌힌지결합부(63)를 통해 힌지 결합될 수 있다. 또한, 상기 힌지회전부(61)는 상기 밑받침(21)의 하단에 결합된다. 상기 힌지회전부(61)는 상기 수평슬라이드부(62)에 연결되며, 상기 수평슬라이드부(62)는 상기 수평프레임(11)의 상단에 전후 수평방향으로 슬라이드 가능하도록 결합된다. 마지막으로 상기 수직슬라이드부(71)는 상기 등받이(22)의 후면에 설치되고, 상기 수직프레임(12)에 상하 슬라이드 가능하도록 결합된다.

따라서 상기 수직슬라이드부(72)가 상방으로 회동하면, 등받이(22)가 상승회동하고, 등받이(22)에 연결된 밑받침(21)의 후단은 상기 힌지회전부(61)에 의해 상승 회동함과 동시에 전단은 상기 수평슬라이드부(62)를 통해 후방으로 슬라이드 된다. 즉 밑받침(21)의 경사각을 도 2b에 도시된 바와 같이 변형시켜 사용자의 하차를 용이하게 한다.

상기 수직슬라이드부(72)는 제1 동력원(51)을 통해 상하 회동하게 되며, 상기 제1 동력원(51)은 제어부의 제어에 의해 동작된다. 상기 제1 동력원(51)은 서브 모터(SM)에 의해 회전하는 웜과 웜휠의 구성이 적용될 수 있다.

상기 이동수단(30)은 후륜부(31)와 전륜부(32)로 구성된다. 상기 후륜부(31)는 상기 수직프레임(12)의 하단에 설치된다. 상기 후륜부(31)는 메인 모터(MM)에 의해 구동되는 통상의 바퀴 구성이 적용될 수 있다. 상기 전륜부(32)는 상기 후륜부(31)의 전방에 위치하며, 후륜부(31)의 구동에 의해 자유 회전 하는 통상의 바퀴 구성이 적용될 수 있다. 상기 전륜부(32)는 수평지지프레임(32a), 수직지지프레임(32b), 및 전륜휠(32c)로 구성된다. 상기 수평지지프레임(32a)은 일단이 상기 수직프레임(12)에 연결되며, 타단에는 상기 수직지지프레임(32b)의 상단이 연결된다. 상기 수직지지프레임(32b)의 하단에는 전륜휠(32c)이 연결된다. 따라서 상기 전륜부(32)는 상기 후륜부(31)의 전방에 위치하되, 수직프레임(12) 상에 연결된다.

이때, 상기 이동수단(30)은 내리막길이나 오르막길의 경사에 관계없이 상기 착좌부(20)의 밑받침(21)을 해수면과 수평상태로 유지시키기 위해 수평유지수단을 구비하며, 수평유지수단에 필요한 구성은 다음과 같다.

상기 수평유지수단은 수평지지프레임(32a)과 제2 동력원(52) 및 제어부를 포함한다. 상기 수평지지프레임(32a)의 일단은 상기 수직프레임(12)에 상하 슬라이드 가능하도록 연결된다. 상기 수평지지프레임(32a)은 제2 동력원(52)을 통해 상하 회동하게 되며, 상기 제2 동력원(52)은 제어부의 제어에 의해 동작된다. 상기 제2 동력원(52)은 서브 모터(SM)에 의해 회전하는 웜과 웜휠의 구성이 적용될 수 있다.

상기 서브 모터(SM)는 복수 개 구비되며, 상기 제1 동력원(51)의 구동을 위한 서브 모터(SM)와 제2 동력원(52)의 구동을 위한 서브 모터(SM)가 각각 구비될 수 있다.

따라서 오르막길을 주행할 때에는 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 수평지지프레임(32a)의 상승 회동을 통해 전륜부(32)가 후륜부(31)보다 상측에 위치하게 하여 밑받침(21)의 수평상태를 유지하고, 내리막길을 주행할 때에는 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 수평지지프레임(32a)의 하강 회동을 통해 전륜부(32)가 후륜부(31)보다 하측에 위치하게 하여 밑받침(21)의 수평상태를 유지시킨다. 주행 시 경사부의 경사각은 경사센서를 통해 감지하게 되며, 경사센서에서 감지한 경사각에 따라 제2 동력원(52)의 상하 미세 조정을 제어부를 통해 구현한다.

상기 손잡이부(40)는 'ㄷ' 자형으로 이루어지며 개방부 끝단이 상기 수직프레임(12)의 상단에 힌지 결합된다. 따라서 상기 손잡이부(40)가 하방 회동하여 지면과 수평을 유지할 때에는 사용자의 임의 이탈을 방지하는 가이드 역할을 하게 되며, 상기 손잡이부(40)가 상방 회동하여 지면과 수직을 유지할 때에는 카트의 손잡이 역할을 수행한다. 상기 손잡이부(40)가 지면과 수직을 유지하였을 때, 상기 손잡이부(40)의 밀폐부 끝단은 후방으로 절곡 형성되어 파지를 용이하게 구성할 수 있다. 또한 상기 손잡이부(40)는 필요시에만 장착 사용하고, 보관이나 이동 시에 탈거할 수 있도록 상기 수직플레임(12)으로부터 착탈 가능하게 구성된다.

본 발명의 휠체어는 보관 및 운반을 용이하게 하기 위해 접이식으로 구성된다. 우선 도 4a에 도시된 바와 같이 손잡이부(40)가 수직으로 힌지회동 가능하며, 도 4b에 도시된 바와 같이 착좌부(20)가 후방으로 슬라이드 된다.

아울러 상기 수평지지프레임(32a)과 수직지지프레임(32b)은 제1 힌지결합부(91)를 통해 힌지 결합되어 상기 수직지지프레임(32b)이 내측으로 접힐 수 있도록 구성되며, 수평지지프레임(32a)상에도 제2 힌지결합부(92)가 형성되어 도 4c에 도시된 바와 같이 수평지지프레임(32a)을 내측으로 한 번 더 접을 수 있도록 구성한다.

본 발명의 휠체어는 기본적인 주행을 위한 메인 모터(MM)로 2개의 DC 모터를 사용하였고, 서브 모터(MM)로는 착좌부(20) 평형 유지 기능인 수평지지프레임(32a)의 상하 회동을 위한 1개의 DC 모터, 탑승자의 하차 기능인 수직슬라이드부(72)의 상하 슬라이드를 위한 1개의 DC 모터를 사용하여 총 4개의 DC 모터를 사용하였다.

상기 경사센서는 언덕의 기울기를 검출 하도록 1개의 Tilt Sensor(SA1)를 사용하였으며, 급발진, 급정거 기능을 위해 가속도 측정용 AM-3Axis 3축 가속도 센서를 사용하였다.

제어부는 DSP2812를 이용하여, 주행용 2개의 DC 모터(RS232), 슬라이드용 2개의 DC 모터를 각각 제어하였다. 주행용 2개의 DC모터는 모터 Driver (NT-DMDSC-50A)를 통하여 제어되며 슬라이드용 2개의 DC 모터는 모터 Driver (LMD18200)를 통해 각각 제어된다. 상기 제어부는 상기 수직프레임(12)상에 배터리를 장착하여 전원을 공급한다.

도 5는 본 발명의 제어부의 하드웨어 구조를 나타낸다. 외부 입력으로는 조이스틱의 움직임 값과 센서 값이다. 조이스틱을 조작하여 전진, 좌회전, 우회전, 후진의 4가지의 입력 값을 AD변환을 통해 DSP2812에서 연산하여 받아들인다. 4가지 경우에 따른 오른쪽 바퀴와 왼쪽 바퀴의 2개의 PWM(pulse width modulation)을 만들어서 DC 모터의 속도를 제어함으로써 로봇의 움직임을 결정하도록 하였다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 휠체어는 탑승자가 조이스틱을 조작하여 이동을 할 수 있다. 조이스틱의 움직임 값을 받아 그에 따른 전진, 좌회전, 우회전 기능을 수행하도록 하였다. 조이스틱의 ADC 값을 DSP를 통해 연산하여 그에 맞는 상황에 따라 전진 및 좌회전, 우회전 지령을 RS-232 통신을 통해 전달해 주면 모터드라이버를 통해 모터를 제어하는 순서로 진행 된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 휠체어의 자세제어에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 휠체어가 경사를 만나게 되면 기울어진 만큼 탑승자도 기울어지게 된다. 따라서 그 각도에 따른 제어를 해야 한다. 예를 들어, 로봇이 오르막길을 오른다면 로봇은 탑승자는 뒤쪽으로 기울어지게 된다. 도 3a에 도시된 바와 같이 이 상태에서 모터가 회전하여 앞바퀴가 위쪽으로 올라간다면 로봇은 평형을 유지할 수 있게 된다. 마찬가지로 도 3b에 도시된 바와 같이 내리막길에서도 로봇이 내리막길을 내려 갈 때에 앞바퀴가 기울어진 만큼 아래쪽으로 내려와 각도를 보정해 준다면 평형을 유지 할 수 있게 된다. 이러한 기울기는 틸트 센서로 검출한다. 언덕에서

아울러 도 8에 도시된 순서도에 따라 본 발명의 휠체어는 급발진 및 급정거를 방지하기 위하여 일정 속도 이상의 가속도가 되면 동작을 정지하는 기능이 제어부에 부가된다. 즉 설정된 가속도 이상으로 휠체어가 동작하게 되면 메인모터(MM)의 동작을 정지시키게 된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10 : 프레임 11 : 수평프레임
12 : 수직프레임
20 : 착좌부 21 : 밑받침
22 : 등받이
30 : 이동수단 31 : 후륜부
32 : 전륜부 32a : 수평지지프레임
32b : 수직지지프레임 32c : 전륜휠
40 : 손잡이부
51 : 제1 동력원 52 : 제2 동력원
61 : 힌지회전부 62 : 수평슬라이드부
71 : 착좌힌지결합부 72 : 수직슬라이드부
91 : 제1 힌지결합부 92 : 제2 힌지결합부