KR102074567B1 - 휠체어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휠체어에 관한 것이다. 본 발명에서 휠체어(10)의 몸체(100) 양측에는 제 1링크(200)가 각각 나란하게 설치된다. 상기 제 1링크의(200) 일단에는 제 1 및 제 2바퀴(320. 330)가 회전가능하게 설치되는 제 2링크(300)가 연결된다. 상기 제 1링크(200)의 일단에는 제 3링크(400)가 길이가 가변 가능하게 연결된다. 상기 제 3링크(400)의 타단에는 제 3바퀴(440)가 회전 가능하게 설치된다. 상기 제 1 내지 제 3바퀴(320, 330, 440)에는 상기 제 1 내지 제 3바퀴(320, 330, 440)에 회전력을 전달하는 구동부가 연결된다. 상기 몸체(100)에는 상기 제 1 내지 제 3바퀴(320, 330, 440)의 이동을 제한하는 컨트롤러가 설치된다. 이과 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 사용자의 무게중심에 따라 제어하여 제 3링크의 길이를 가변하여 지면을 밀어 수직항력을 만들어 계단을 넘어갈 수 있는 힘을 만들고, 제 2링크가 제 1링크에 대해 틸팅되도록 하여 계단을 딛고 넘어갈 수 있도록 하므로, 안정성을 확보하면서 동시에 용이하게 계단을 등반 할 수 있는 이점이 있다.

Description

휠체어{Wheel chair}

본 발명은 휠체어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무게중심을 조절하여 계단을 안정적인 것과 동시에 용이하게 오를 수 있도록 구성되는 휠체어에 관한 것이다.

일반적으로 화장실, 경사로, 지하철역이나 병원 같은 곳에는 수동 또는 전동 휠체어를 탄 장애인들의 편의성을 위해 엘레베이터나 휠체어 리프트 등이 설치된다.

하지만 이러한 휠체어 리프트 등이 모든 시설에 갖추어 진 것이 아닐 뿐만 아니라 고장 등에 의하여 사용하지 못할 경우가 발생할 수 있다. 이러할 경우 부득이 타인의 도움을 받아야 하기 때문에 불편하다 할 것이다.

또한, 휠체어에 탄 상태에서 계단을 오르기 위해서는 타인이 휠체어 뒤로 이동하여 끌어당기는 방향으로 상기 휠체어를 이동시켜야 하기 때문에 힘들 뿐만 아니라 휠체어에 탄 사람의 무게중심이 앞으로 쏠려 넘어지면서 다칠 수 있는 문제점도 있다.

따라서 타인의 도움 없이도 계단을 정면 방향으로 안정적인 것과 동시에 용이하게 오를 수 있는 휠체어가 요구된다.

대한민국 공개특허공보 특2002-0085325호(2002년 11월 16일 공개) 대한민국 등록실용신안공보 제20-0234318호(2001년 06월04일 등록)

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 틸팅 가능하게 구성되는 링크의 각도 및 길이를 조절하여 무게중심을 조절함으로써 안정적인 것과 동시에 용이하게 계단을 오를 수 있는 휠체어를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어에 따르면, 몸체; 상기 몸체의 양측에 각각 나란하게 설치되는 제 1링크; 상기 제 1링크의 일단에 연결되고, 서로 멀어지는 방향으로 각각 연장되어 일단 및 타단에 제 1바퀴 및 제 2바퀴가 회전 가능하게 설치되는 제 2링크; 상기 제 1링크의 타단 일단이 연결되고, 타단에 제 3바퀴가 회전 가능하게 설치되며, 상기 제 3바퀴가 바닥을 지지하는 방향으로 길이가 가변되는 제 3링크; 상기 제 1 내지 제 3바퀴에 연결되어 상기 제 1 내지 제 3바퀴에 회전력을 전달하는 구동부; 및 상기 몸체에 설치되고, 상기 구동부를 제어하여 상기 제 1 내지 제 3바퀴의 이동을 제한하는 컨트롤러를 포함하여 구성되고, 상기 제 2링크는 상기 제 1링크의 일단에 틸팅 가능하게 연결되고, 상기 제 2링크는 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제 1링크에 대해 각도가 가변되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 3링크는, 상기 제 1링크의 타단으로부터 하부로 연장되어 형성되고, 길이방향과 나란한 방향으로 가이드슬릿이 형성되는 고정 프레임, 일단부에 상기 가이드 슬릿에 삽입되어 상기 가이드 슬릿을 따라 슬라이딩 이동되는 가이드가 구비되고, 타단부에 상기 제3바퀴가 회전 가능하게 설치되는 가변 프레임, 및 상기 고정 프레임과 가변 프레임 사이에 설치되어 상기 가변 프레임을 상기 고정 프레임으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동시키는 전동실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체와 제 1링크 사이에 설치되어 상기 제 1링크에 대해 상기 몸체의 기울기를 가변시키는 회전 구동기, 및 상기 몸체에 설치되어 상기 몸체의 기울기를 감지하는 자이로 센서를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 자이로 센서로부터 감지된 기울기값을 전달받아 기설정값과 비교하여 상기 몸체의 기울기를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 자이로센서로부터 감지된 기울기값을 전달받아 기설정값과 비교하여 상기 전동실린더를 제어하는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어에 따르면, 사용자의 무게중심에 따라 제어하여 제 3링크의 길이를 가변하여 지면을 밀어 수직항력을 만들어 계단을 넘어갈 수 있는 힘을 만들고, 제 2링크가 제 1링크에 대해 틸팅되어 계단을 딛고 넘어갈 수 있다. 따라서 안정성을 확보하면서 동시에 용이하게 계단을 등반 할 수 있으므로, 사용자의 안정성 및 편의성이 증대되는 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 일부 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 동작 상태를 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 바퀴가 넘어갈 수 있는 장애물의 최대 높이를 구하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어가 계단을 올라가는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 7 및 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어에 대한 변수들과 이에 대한 실험값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어에 대한 개략도 및 선형 변위 값과 시간에 대한 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 제 3링크의 작동 상태를 나타내는 개략도이다.
도 11은 도 10의 상태에서 제 3링크와 제 2링크 사이의 각도를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 구성이 사시도로 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 휠체어(10)의 외관은 몸체(100)에 의해 형성된다. 본 실시예에서, 상기 몸체(100)는 사용자가 앉는 의자(110), 팔걸이(미도시), 및 발받침(미도시) 등으로 구성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(100)의 양측에는 제 1링크(200)가 각각 설치된다. 본 실시예에서, 상기 제 1링크(200)는 호 형상으로 형성된다. 상기 제 1링크(200)는 상기 몸체(100)의 양측에 서로 나란한 방향으로 배치된다.

상기 제 1링크(200)에는 슬롯(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 슬롯에는 상기 몸체(100)의 일부를 관통하여 결합핀(미도시)가 설치되는 부분이다. 즉, 상기 제 1링크(200) 및 상기 몸체(100)는 슬롯과 핀에 의해 서로 연결될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제 1링크(200)의 일단에는 제 2링크(300)가 연결된다. 본 실시예에서, 상기 제 2링크(300)는 호 형상으로 형성된다. 상기 제 2링크(300)는 상기 제 1링크(200)의 일단을 중심으로 서로 멀어지는 방향으로 연장 형성된다. 상기 제 2링크(300)의 일단 및 타단에는 각각 제 1바퀴(320) 및 제 2바퀴(330)가 각각 회전 가능하게 설치된다.

본 실시예에서, 상기 제 2링크(300)는 힌지핀(310)에 의해 상기 제 1링크(200)의 일단에 틸팅 가능하게 연결된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 제2링크(300)는 상기 힌지핀(310)을 중심으로 틸팅 된다. 이때, 아래에서 설명될 컨트롤러의 제어에 의해 계단 등반 과정에서 상기 제 2링크(300)의 구동 궤적이 결정된다. 이와 같이 되면, 계단(S) 등과 같은 장애물이 나타났을 때 상기 제 2링크(300)를 틸팅되어 계단(S)을 딛고 올라갈 수 있다.

본 실시예에서, 상기 제 1바퀴(320)는 휠(322), 상기 휠(322)의 중심을 관통하여 상기 제 2링크(300)의 일단에 회전 가능하게 설치되는 회전축(324), 및 상기 휠(322)의 외주면을 감싸도록 구비되는 타이어(326)로 구성될 수 있다. 상기 타이어(326)는 지면에 접촉되는 부분으로, 임의로 미끄러지는 것이 방지되도록 표면에 요철과 같은 미끄럼 방지 홈 및 돌기가 형성될 수 있다.

상기 제 2바퀴(330)는 상기 제 1바퀴(320)와 마찬가지로, 휠(332), 상기 휠(332)의 중심을 관통하여 상기 제 2링크(300)의 타단에 회전 가능하게 설치되는 회전축(334), 및 상기 휠(332)의 외주면을 감싸도록 구비되는 타이어(336)로 구성될 수 있다. 상기 타이어(336)는 지면에 접촉되는 부분으로, 임의로 미끄러지는 것이 방지되도록 표면에 요철과 같은 미끄럼 방지 홈 및 돌기가 형성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제 1링크(200)의 타단에는 각각 제 3링크(400)의 일단이 연결된다. 상기 제 3링크(400)는 막대 형상으로, 상기 제 1링크(200)의 타단으로부터 지면을 향해 연장되어 형성된다. 본 실시예에서, 상기 제 3링크(400)의 타단은 상기 제 2링크(300)로부터 멀어지는 방향으로 연장되어 형성된다. 이는 상기 제 2링크(300)가 상기 제 1링크(200)를 중심으로 회동될 때 상기 제 3링크(400)와 간섭되지 않도록 하기 위한 것이다.

상기 제 3링크(400)의 일단에는 제 3바퀴(440)가 회전 가능하게 설치된다. 휠(442), 상기 휠(442)의 중심을 관통하여 상기 제 3링크(400)의 일단에 회전 가능하게 설치되는 회전축(444), 및 상기 휠(442)의 외주면을 감싸도록 구비되는 타이어(446)로 구성될 수 있다. 상기 타이어(446)는 지면에 접촉되는 부분으로, 임의로 미끄러지는 것이 방지되도록 표면에 요철과 같은 미끄럼 방지 홈 및 돌기가 형성될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 3링크(400)는 고정 프레임(410) 및 가변 프레임(430)로 구성될 수 있다.

상기 고정 프레임(410)은 상기 제 1링크(200)의 타단, 즉, 지면을 향해 하부로 연장되어 형성된다. 상기 고정 프레임(410)은 대략 속이 빈 막대 형상으로 형성된다.

상기 고정 프레임(410)의 양측에는 각각 가이드 슬릿(420)이 형성된다. 상기 가이드 슬릿(420)은 상기 고정 프레임(410)의 길이방향으로 연장되어 형성된다. 상기 가이드 슬릿(420)은 아래에서 설명될 가변 프레임(430)의 이동을 안내하는 역할을 한다.

상기 고정 프레임(410)에는 가변 프레임(430)이 슬라이딩 가능하게 구비된다. 상기 가변 프레임(430)은 상기 고정 프레임(410)으로부터 선택적으로 돌출되어 상기 제 3링크(400)의 길이를 가변시키는 역할을 한다.

상기 가변 프레임(430)의 일단부에는 가이드(432)가 구비된다. 상기 가이드(432)는 상기 가변 프레임(430)과 일체로 형성될 수 있다. 상기 가이드(432)는 상기 가이드 슬릿(420)에 삽입되어 상기 가변 프레임(430)과 함께 상기 가이드 슬릿(420)을 따라 이동된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고정 프레임(410)과 가변 프레임(430) 사이에는 전동실린더(500)가 설치될 수 있다. 상기 전동실린더(500)는 상기 가변 프레임(430)을 상기 고정 프레임(410)으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동시키는 역할을 한다.

즉, 상기 전동실린더(500)는 실린더 내부의 피스톤의 변위에 따라서 길이가 가변하며, 이에 따라서 상기 몸체(100)의 기울기를 제어할 수 있게 구성된다. 상기 전동실린더(500)는 아래에서 설명될 컨트롤러에 의해 제어된다.

한편, 상기 몸체(10)와 제 1링크(200) 사이에는 회전 구동기(M)가 설치될 수 있다. 상기 회전 구동기(M)는 상기 제 2링크(300)에 대해 상기 몸체(100)의 기울기를 가변시키는 역할을 한다. 상기 회전 구동기는 전동모터 또는 서보모터로 구성될 수 있다.

상기 몸체(100)에는 자이로 센서(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 자이로 센서는 상기 몸체(100)의 기울기를 감지하는 역할을 한다. 상기 자이로 센서는 상기 몸체(100)의 기울기를 감지하여 감지된 기울기값을 아래에서 설명될 컨트롤러로 전달한다.

한편, 상기 휠체어(10)에는 구동부(미도시)가 구비된다. 상기 구동부는 상기 제 1 내지 제 3바퀴(320, 330, 440)에 회전력을 전달하는 역할을 한다. 상기 구동부는 제 1 내지 제 3바퀴(320, 330, 440)에 각각 연결되어 설치될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 구동부는 전동모터일 수 있다. 상기 구동부는 아래에서 설명될 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.

한편, 상기 휠체어(10)에는 컨트롤러(미도시)가 구비된다. 본 실시예에서, 상기 컨트롤러는 상기 몸체(100)에 설치될 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 구동부를 제어하여 상기 제 1 내지 제 3바퀴(440)의 이동을 제한하는 역할을 한다.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 자이로센서로부터 감지된 기울기값을 전달받아 기설정값과 비교하여 상기 회전 구동기(M) 및 전동실린더(500)를 제어하는 역할을 한다. 즉, 상기 컨트롤러는 상기 몸체(100)의 무게중심에 따라 상기 회전 구동기(M) 및 전동실린더(500)를 제어하여 사용자가 계단(S) 등을 올라갈 때 앞으로 쏠리는 것을 방지한다. 상기 컨트롤러에 저장된 기울기값은 미리 저장된 프로그램를 통해 미리 결정되어 있거나 별도의 연산 장치를 통해 기울기값이 결정될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 동작 과정을 설명한다.

먼저, 계단에 대해 설명하자면, 계단은 일차적으로 건물 내에 있는 것을 대상으로 국회의 주택건설 기준 등에 규정에 따라 설정하였다. 공동으로 사용하는 계단의 경우에는 180mm x 260mm(단 높이(max) x 너비(min)), 세대 내 계단 또는 건축물의 옥외계단의 경우에는 200mm x 240mm(단 높이(max) x 너비(min)으로 규정하였다.

그리고 일반적으로 바퀴가 넘어갈 수 있는 장애물의 최대 높이는 0.38R(R: 반지름이다. 이는 도 4를 참고로 하여 다음과 같은 수식을 이용하여 구할 수 있다.

바퀴의 견인력과 정지 마찰력이 같고, 수직 항력과 바퀴의 무게가 같다고 하면,

F_t=μF_N

도 4에 도시된 바와 같이, 점 P 에서의 토크는,

T=F_NRcosθ-μF_Nsinθ·Rsinθ

θ의 임계값을 계산하면,

F_NRcosθ=μF_Nsinθ·Rsinθ

이상적으로, μ=1이므로,

θ=51.8°

따라서 바퀴가 넘어갈 수 있는 장애물의 최대 높이는

R - Rcosθ = R(1-cosθ) = 0.38R 이다.

그리고 사용자의 몸무게는 평균 미국인의 신체 크기를 사용하여 65kg으로 설정하였으며, 휠체어의 무게는 5kg으로 설정하였다.

한편, 도 5의 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어의 개략도를 보면,

여기서 설계 시 정해주어야 할 변수는 l₁,l₂,l₃,l₄,r₁,r₂,r₃ 로 총 7개 이다. 이 변수들을 다음의 구속 조건들을 만족하는 범위에서 결정하였다.

(1) 바퀴의 크기

바퀴의 최대 반지름은 바닥과 접촉하고 있어야하기 때문에 다음의 식을 만족한다.

여기서 휠체어가 규정을 만족하는 모든 높이와 길이의 계단을 넘을 수 있어야 하기 때문에 극한의 수치들을 사용하였다. 각각을 계산하면

또한, 사용하는 모터의 크기와 만들 수 있는 바퀴의 크기를 고려했을 때 바퀴의 반지름을 적어도 25mm는 만족하여야 한다. 따라서 다음의 식을 만족한다.

(2) 링크의 크기

링크 1(본 발명 제 2링크(300))에서 삼각형 결정 조건에 의해서 인접한 두 변의 길이의 합은 나머지 한 변의 길이보다 커야한다. 따라서 다음의 식을 만족한다.

링크 1의 경우에는 앞바퀴(본 발명 제 2바퀴(330))와 중간바퀴(본 발명 제 1바퀴(320))가 부딪히지 않고 움직이기 위해서는 각각의 반지름의 합보다 바퀴 사이의 거리가 커야 한다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

이와 같이 규정을 한 상태에서, 가장 안전한 휠체어의 사용 환경을 얻기 위해서 두 요소를 고려하였다. 첫 번째로 최적 설계는 계단을 올라갈 때 무게중심의 변동을 최소화하는 것이다. 이것은 이상적인 이동 경로 즉, 처음 이동하는 지점으로부터 계단의 기울기를 갖는 직선으로부터의 편차를 계산함으로서 구할 수 있다. 도 6은 무게중심의 실제 및 이상적인 이동 경로를 보여준다.

두 번째로는 계단을 오를 때 휠체어의 의자가 기울어지는 최대 각도를 최소화시키는 것이다. 의자가 기울어진다는 것은 무게중심의 이동을 의미한다. 이는 휠체어의 전복으로도 이어질 수 있기에 중요 변수로 설정하였다. 이렇게 두 가지 요소들을 같은 비중으로 고려하여 Objective function을 정의하였다. 이는 다음과 같다.

: 계단을 오를 때 무게중심의 높이

: 무게중심과 x좌표가 일치할 때의 이상적인 높이

: 휠체어의 최대 기울기

여기서 Noise factor로 계단을 설정하였지만, 계단의 종류는 두 가지가 있기에 각각에 대한 J값이 있다. 이를 각각 J₁, J₂라고 하겠다. 최종적인 Objective function은 smaller-the-better signal-to-noise(신호대 잡음비 : S/N) ratio로 다음과 같이 정의된다.

다음으로, 각각의 factor와 level들은 다음의 <표 1>과 같이 설정되었다.

Factor	Level #1	Level #2	Level #3
	120	150	180
	75	105	135
	180	210	240
	160	195	230
	50	55	60
	50	55	60
	50	55	60

이와 같이 변수 설계를 하는 이유는 각 control factors의 Level에 대해 내외부 noise가 전체적으로 얼마나 변화를 주는지를 알아보기 위함이다. 또한 이를 활용하여 노이즈 영향에 영향을 받지 않는 설계를 찾을 수 있기 때문이다.

다음으로 Selection of Trthogonal Array(OA) L₁₈(2¹ X 3⁷) 실험으로서 7개의 변수들이 3개에 Level로 전체 시스템에 끼는지 영향을 알고 싶기 때문에 L₁₈ 직교 배열을 선택하였다. 이는 다음 <표 2>와 같다.

Test number	Level of design variables
1	1	1	1	1	1	1	1
2	1	2	2	2	2	2	2
3	1	3	3	3	3	3	3
4	2	1	1	2	2	3	3
5	2	2	2	3	3	1	1
6	2	3	3	1	1	2	2
7	3	1	2	1	3	2	3
8	3	2	3	2	1	3	1
9	3	3	1	3	2	1	2
10	1	1	3	3	2	2	1
11	1	2	1	1	3	3	2
12	1	3	2	2	1	1	3
13	2	1	2	3	1	3	2
14	2	2	3	1	2	1	3
15	2	3	1	2	3	2	1
16	3	1	3	2	3	1	2
17	3	2	1	3	1	2	3
18	3	3	2	1	2	3	1

다음으로 Conducting the matrix experiment로, 위의 <표 2>의 직교 배열을 가지고 변수의 Levels를 달리하여 실험을 하였다. 실험의 결과 값 <표 3>과 이에 해당하는 그래프는 도 7에 도시되어 있다.

Test number	Objective function for each stair shape		S/N ratio (dB)
1	0.656839524	0.637388407	3.779403697
2	0.503604805	0.584149046	5.266240573
3	0.467256089	0.544975672	5.889473207
4	0.535216255	0.61737503	4.765082249
5	0.528361225	0.627737872	4.728727153
6	Not defined
7	0.565218852	0.663929218	4.200596527
8	0.555389358	0.682823066	4.118938172
9	0.660588289	0.655674791	3.6336854
10	Not defined
11	0.661590485	0.630041329	3.795234929
12	0.516186088	0.583311927	5.180553699
13	Not defined
14	0.506137403	0.580070263	5.282268843
15	0.615894575	0.686000522	3.716504934
16	0.522106891	0.641568041	4.658436524
17	0.563981285	0.72223317	3.769080968
18	Fail to climb stairs

이 결과 값으로는 S/N ratio가 5.889473207로 가장 큰 Run #3이 가장 이상적이다. 이 설계를 적용할 경우 <표 4>에 기재된 바와 같이, 처음 설계인 Level #2와 비교를 해보면,

	S/N ratio(dB)
Initial(Level #2)	4.303677752
Optimized(Run #3)	5.889473207
Enhancement	1.585795455

S/N ratio가 1.585795455 dB(36.8474%) 향상된 것을 확인할 수 있다. 다음은 7개의 변수들이 3개에 Level로 전체 시스템에 끼는지 영향을 알고 싶기 때문에 의 S/N ratio 결과를 바탕으로 sensitivity analysis를 수행하였다. 각 parameter의 변화가 결과에 영향을 주는 크기의 편차 기준을 0.25로 설정하였다.

도 8에 도시된 바와 같이, 결과를 보면, l₁,l₂,r₃ 이 다른 변수들에 비해서 민감도가 높은 것을 볼 수 있다. 따라서 나머지 변수들을 고정시킨 체 이 변수들만 바꾸어서 더 나은 결과 값을 주는지 확인을 해 볼 필요가 있다. 비록 Run #3의 결과 값이 가장 크다고 하지만, 이 세 변수들에 의해서 결과 값이 가장 민감하게 변화하기 때문이다. 따라서 더 큰 S/N ratio를 얻기 위해서 l₁ 은 더 작게, l₃은 더 크게, r₃도 더 크게 설계를 하면 더 큰 S/N ratio를 얻을 수 있을 거라고 예측할 수 있다. 하지만 l₁의 경우에는 휠체어의 크기, 계단의 높이, 사용자의 다리 길이를 고려해야 한다. l₁이 너무 낮아질 경우, 휠체어의 의자의 높이가 낮아져, 휠체어가 계단을 넘어갈 때 사용자의 발이 계단에 부딪치게 된다.

다음, 도 9에 도시된 바와 같이, 사용자의 발과 계단이 가장 가까워지는 순간이다.

이때, 사용자의 발과 계단의 거리는 약 15cm가 된다. 이것보다 거리가 더 짧아진다면 안전하지 못하다고 판단을 하여 l₁의 길이는 감소시키지 그대로 사용하였다.

다음으로 l₃의 크기를 증가시키는 방법이다. 국제 전동 휠체어의 규정에 따르면 휠체어의 최대 길이는 1900mm이다.

이를 만족하는 l₃의 최대 길이는 255mm X 240mm 계단을 오르기 위한 최대 바퀴 반지름의 크기를 60mm로 설정하였다. 따라서 r₃ 또한 그대로 값을 유지하였다. 다음은 l₃을 255mm로 변화한 후의 S/N ratio의 값이다.

이와 같이 S/N ratio가 0.403479135b dB(6.8509%) 향상된 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 링크 2(본 발명의 제 3링크(400))의 l₃에 전동실린더(500)가 사용되는 경우를 설명한다.

예를 들어, 휠체어(10)의 무게를 잡아주는 수직항력이 발생하지 못하거나 충분하지 못하게 되면, 휠체어가 계단을 넘어가지 못하는 경우가 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 전동실린더(500)를 사용하여 제 3링크(400)의 길이를 가변시켰다. 이와 같이 되면, 상기 고정 프레임(410)으로부터 가변 프레임(430)이 이동되면서 전체 길이가 늘어나 지면을 밀어 수직항력을 만듬으로써, 계단을 넘어갈 수 있는 것이다. 이와 같이 수직항력을 발생시켰을 때 휠체어(10)가 진행하고자 하는 방향의 반대방향으로 힘을 받지 않는 부분은 l₃뿐이기에 본 발명의 제 3링크(400)에 상기 전동실린더(500)를 설치한 것이다.

이때, 상기 전동실린더(500)의 스트로크는 적어도 계단 한 개의 가로 길이인 50mm 보다는 길게 밀어줄 수 있어야 한다. 가장 긴 거리가 요구되는 때는 도 10에 도시된 바와 같이, 휠체어와 지표면이 이루는 각이 가장 클 경우이다.

도 11에 도시된 그래프를 확인해 보면, 약 1.55sec에서 130°로 각도가 가장 큰 것을 알 수 있다. 여각을 생각해보면 50°이며, 전동실린더(500)의 스트로크를 x라고 할 때 다음의 수식을 생각할 수 있다.

이를 만족하고 휠체어의 미끄러짐을 고려하여 전동실린더(500)의 최대 스트로크를 120mm로 설정하였다.

한편, 도 9나 도 10에 도시된 바와 같은 상태에서, 휠채어의 평행유지를 위해서는 자이로 센서나 기울기 센서를 이용해 컨트롤러에서 연산을 하여 기울기 보정을 할 수 있어야 한다.

이때, 평행유지를 위해서 상기 몸체(100)의 무게중심을 이동 제한하기 위한 수단으로,/자이로 센서나 기울기 센서에서 신호를 검출하고 컨트롤러에서 실시간 연산처리하여 상기 회전 구동기(M)를 제어함으로써 평행유지를 할 수 있다.

또한, 제1 내지 제 3바퀴(320, 330, 440)에 의해 전, 후진을 반복하면서 평행유지를 할 수도 있고, 상기 전동실린더(500)를 동시에 이용하면 더욱 효과적으로 평행유지를 할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 휠체어 100: 몸체
110: 의자 200: 제 1링크
300: 제 2링크 310: 힌지핀
320: 제 1바퀴 322: 휠
324: 회전축 326: 타이어
330: 제 2바퀴 332: 휠
334: 회전축 336: 타이어
400: 제 3링크 410: 고정 프레임
420: 가이드 슬릿 430: 가변 프레임
440: 제 3바퀴 442: 휠
444: 회전축 446: 타이어
500: 전동실린더 M: 회전 구동기

Claims (4)

1. 몸체;
   상기 몸체 양측에 각각 나란하게 설치되는 제1 링크;
   상기 제1 링크 일단에 연결되고, 호 형상으로 형성되어 서로 멀어지는 방향으로 각각 연장되고, 일단 및 타단에 제1 바퀴 및 제2 바퀴가 회전 가능하게 설치되는 제2 링크;
   상기 제1 링크 타단에 일단이 연결되고, 제3 바퀴가 회전 가능하게 설치되며, 상기 제3 바퀴가 바닥을 지지하는 방향으로 길이가 가변되는 제3 링크;
   상기 제1 내지 제3 바퀴에 연결되어 상기 제1 내지 제3 바퀴에 회전력을 전달하는 구동부;
   상기 몸체에 설치되고, 상기 구동부를 제어하여 상기 제1 내지 제3 바퀴의 이동을 제한하는 컨트롤러; 및
   상기 제2 링크는 상기 제1 링크 일단에 틸팅 가능하게 연결되고, 상기 제2 링크는 제어부의 제어에 의해 상기 제1 링크에 대해 각도가 가변되며, 상기 제2 바퀴가 클라이밍하는 경우, 상기 제1 바퀴가 클라이밍하는 바퀴를 지지하는 것을 특징으로 하는,
   휠체어.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 3링크는,
   상기 제 1링크의 타단으로부터 하부로 연장되어 형성되고, 길이방향과 나란한 방향으로 가이드슬릿이 형성되는 고정 프레임,
   일단부에 상기 가이드 슬릿에 삽입되어 상기 가이드 슬릿을 따라 슬라이딩 이동되는 가이드가 구비되고, 타단부에 상기 제3바퀴가 회전 가능하게 설치되는 가변 프레임, 및
   상기 고정 프레임과 가변 프레임 사이에 설치되어 상기 가변 프레임을 상기 고정 프레임으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동시키는 전동실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휠체어.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 몸체와 제 1링크 사이에 설치되어 상기 제 1링크에 대해 상기 몸체의 기울기를 가변시키는 회전 구동기, 및
   상기 몸체에 설치되어 상기 몸체의 기울기를 감지하는 자이로 센서를 더 포함하며,
   상기 컨트롤러는 상기 자이로 센서로부터 감지된 기울기값을 전달받아 기설정값과 비교하여 상기 몸체의 기울기를 제어하는 것을 특징으로 하는 휠체어.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 자이로센서로부터 감지된 기울기값을 전달받아 기설정값과 비교하여 상기 전동실린더를 제어하는 것을 특징으로 하는 휠체어.
   

Images