KR101638242B1 - 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법 및 이를 위한 제어 장치 - Google Patents

전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법 및 이를 위한 제어 장치 Download PDF

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Abstract

배터리 전원으로 모터를 구동하여 발생하는 동력으로 바퀴부의 회전을 보조하도록 설계된 유모차, 노인용 보행기, 산업용 수레, 또는 마트용 카트와 같은 이송장치(이하, '유모차'로 통칭함)를 제어하는 방법이 개시된다. 힘센서를 이용하여 측정한 '사용자가 유모차에 가하는 힘'으로부터 유모차 구동에 관한 사용자의 의사를 파악하여 그 의사에 맞는 추종 각속도를 산출한다. 속도센서를 이용하여 유모차의 실제 각속도를 측정한다. 실제 각속도가 추종 각속도를 추종하기 위한 각속도 보상값을 산출한다. 경사센서가 측정하는 '유모차가 위치한 지점의 경사각'과 유모차의 총 질량에 의해 유모차가 경사면에서 밀려 내려가는 힘을 보상하기 위한 토크 보상값을 산출한다. 각속도 보상값과 토크 보상값을 합하여 모터부의 구동을 위한 구동제어신호를 산출하여 모터구동부에 제공한다. 이러한 제어를 수행하기 위한 제어 장치도 개시된다. 이에 의하면, 모터가 경사도에 따라 적정한 동력을 보조해주므로, 사용자는 유모차가 위치한 지점이 평지, 오르막, 내리막에 상관없이 언제나 평지에서 모는 정도의 힘만으로 유모차를 구동할 수 있다. 내리막에서 유모차 손잡이를 놓치더라도, 그 사실을 자동으로 인지하여 유모차를 신속하고 안전하게 정지시킬 수 있어 안전사고를 예방할 수 있다.

Description

전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법 및 이를 위한 제어 장치 { Method of Controlling Motor Driven Power Assisted Safe Stroller and Apparatus for the Same}
본 발명은 유모차, 노인용 보행기, 산업용 수레, 마트용 카트 등(이하, 대표예인 '유모차'로 통칭함)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터의 동력을 이용하여 여러 가지 기능과 편의성을 제공할 수 있는 전동 동력 보조 안전 유모차에 관한 것이다.
영유아를 둔 가족의 외부 활동에 필수적인 유모차는 그 구동방식에 따라 수동형과 전동형으로 분류된다. 수동형은 가격이 저렴하고 유지 보수가 용이한 장점이 있지만, 유모차를 미는 사람(이하에서는 '사용자'라 함)이 자신의 힘만으로 손잡이를 직접 밀어서 사용하기 때문에, 아기 외에 무거운 짐도 함께 이동하여야 하거나 또는 오르막 경사면을 이동할 때 많이 불편하고, 경사면에서 손잡이를 놓치게 되면 그에 대처하기가 어려워 사고로 이어지는 경우가 발생할 수 있다.
최근에는 한 자녀 가정이 늘면서 부모들이 아이를 위해서라면 고가의 유모차도 과감하게 구입하는 경향이 두드러지고 있고, 업계는 이에 발맞추어 유모차의 안전성과 편리성 강화에 초점을 맞추고자 하는 노력을 도모하고 있다. 그 일예로, 전기모터를 이용한 전동 유모차가 개발되어 판매하고 있다. 그 전동 유모차는 스위치 방식으로 정해진 속도로 유모차가 움직이는 것만 가능하다. 따라서 유모차 사용자가 어떤 이유에서건 그 유모차의 손잡이를 놓았을 때도 그 유모차는 계속 움직이는 문제점이 있다. 유모차가 이동해야 할 도로가 오르막 경사면이면 유모차 바퀴에 정방향 토크를 부가하면 사용자가 힘을 덜 들여도 된다. 반대로, 내리막 경사면에서는 유모차 바퀴에 부방향 토크를 부가함으로써 사용자가 내리막 고속 이동을 막는 데 힘을 덜 사용해도 된다. 기존의 전동 유모차는 도로의 경사 조건에 따른 토크 제어 기능을 갖지 못하여 유모차의 안전성과 편의성의 측면에서 개선이 여지가 크다.
대한민국 특허등록 10-1408162호는 손잡이에 장착된 센서를 통해 보호자와 유모차가 멀어지는 것을 감지하여 유모차 바퀴 축에 설치된 전자클러치브레이크를 작동시켜 유모차를 정지시킴으로써 내리막길 안전사고를 막을 수 있도록 설계된 전자동 유모차를 개시한다. 하지만, 이 유모차 역시 도로의 경사 조건을 자동으로 인식하여 그에 따른 토크 제어를 자동으로 하지 못하며, 사용자의 유모차 운전에 관한 의사를 자동으로 파악하여 모터를 구동함으로써 유모차를 편리하고 안전하게 운행하도록 지원해주는 기능까지 갖추지는 못한 한계가 있다.
본 발명은 종래의 전동 유모차가 갖는 한계를 개선하기 위한 것으로서, 도로의 경사 조건 및 유모차 운전에 관한 사용자의 의사를 자동으로 파악하여 모터 구동에 반영함으로써 이동로의 경사도에 상관없이 언제나 평지이동에 필요한 힘만으로 구동할 수 있는 편리함과 내리막 경사면에서 사용자가 손잡이를 놓쳤을 때는 자동 정지되게 하는 안전함을 함께 제공하도록 설계된 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법 및 이를 위한 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 전원으로 모터를 구동하여 발생하는 동력으로 바퀴부의 회전을 보조하도록 설계된 유모차, 노인용 보행기, 산업용 수레, 또는 마트용 카트와 같은 이송장치(이하, '유모차'로 통칭함)를 제어하는 방법에 있어서, 힘센서를 이용하여 측정한 '사용자가 유모차에 가하는 힘'으로부터 유모차 구동에 관한 사용자의 의사를 파악하여 그 의사에 맞는 추종각속도를 산출하는 단계; 속도센서를 이용하여 유모차의 실제 각속도를 측정하는 단계; 상기 실제 각속도가 상기 추종 각속도를 추종하기 위한 각속도 보상값을 산출하는 단계; 경사센서가 측정하는 '유모차가 위치한 지점의 경사각'과 유모차의 총 질량에 의해 유모차가 경사면에서 밀려 내려가는 힘을 보상하기 위한 토크 보상값을 산출하는 단계; 및 상기 각속도 보상값과 상기 토크 보상값을 합하여 모터부의 구동을 위한 구동제어신호를 산출하여 모터구동부에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법이 제공된다.
상기 제어 방법에 있어서, 상기 추종 각속도를 산출하는 단계는, 힘센서를 이용하여 사용자가 유모차에 가하는 힘을 측정하는 단계; 측정된 힘 신호의 크기를 기준값과 비교하여 사용자가 유모차를 구동하려는 의사인지 아니면 정지하려는 의사인지를 판별하는 단계; 및 구동의사로 판별되면 상기 측정된 힘을 미리 설정해둔 구동의사 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하여 상기 구동의사 시 기준모델에 따른 추종 각속도를 산출하고, 정지의사로 판별되면 상기 측정된 힘을 미리 설정해둔 정지의사 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하여 상기 정지의사 시 기준모델에 따른 추종 각속도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어 방법은, 사용자가 유모차의 뒷바퀴만 지면에서 떨어지도록 들어 올린 상태에서 상기 힘센서가 출력하는 힘 측정값을 소정의 환산표를 참조하여 유모차의 실제 총질량으로 환산하여 상기 토크보상값을 산출하는 단계에 적용되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제어 방법에 있어서, 상기 토크보상값은, 사용자가 경사면에서도 평지와 같은 힘을 가하여 유모차를 구동할 수 있도록 하기 위해, 유모차가 위치하는 경사면의 경사각에 상관없이 유모차의 실제 총질량에 작용하는 중력에 의해 경사면의 아래쪽으로 밀려 내려가려는 것을 방지해주는 크기로 정해지는 것이 바람직하다.
상기 제어 방법에 있어서, 상기 각속도 보상값은, 상기 추종 각속도와 상기 실제 각속도 간의 차이값에 대하여 비례적분(PI) 제어를 수행하여 산출하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 바퀴들과, 상기 바퀴에 결합되어 지지되는 바디 프레임과, 상기 바디 프레임에 결합된 손잡이부를 포함하는 유모차, 노인용 보행기, 산업용 수레, 또는 마트용 카트와 같은 이송장치(이하, '유모차'로 통칭함)에 부가되어 전동 동력을 제공하기 위한 제어 장치로서, 상기 유모차에 설치되어, 사용자가 유모차에 가하는 힘을 측정하는 힘센서; 상기 유모차에 설치되어, 상기 유모차가 위치하는 지점의 경사각을 측정하는 경사센서; 상기 유모차에 설치되어, 상기 유모차의 속도와 등가적인 실제 각속도를 측정하는 속도센서; 입력되는 모터구동신호에 의해 구동되어 회전력을 발생시켜 상기 복수의 바퀴들의 적어도 일부를 회전시키도록 하는 모터부; 입력되는 구동제어신호에 의거하여 모터구동신호를 생성하여 상기 모터부에 제공하는 모터구동부; 상기 모터부의 구동에 필요한 에너지원으로 사용되는 배터리; 및 상기 힘센서의 출력신호로부터 유모차 구동에 관한 사용자의 의사를 파악하여 그 의사에 맞는 추종 각속도를 산출함과 더불어 상기 속도센서가 검출하여 피드백해주는 상기 유모차의 실제 각속도가 상기 추종 각속도를 추종하도록 하기 위한 각속도 보상값과, 상기 경사센서가 측정하는 '유모차가 위치한 지점의 경사각'과 유모차의 총 질량에 의해 유모차가 경사면에서 밀려 내려가는 힘을 보상하기 위한 토크 보상값을 포함하는 상기 구동제어신호를 생성하여 상기 모터구동부에 제공함으로써 상기 모터부의 구동을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 장치가 제공된다.
상기 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 힘센서의 출력신호의 크기가 제1 범위 이내이면 상기 유모차를 정지하려는 사용자 의사(이하, '정지 의사'라 함)로 판별하고, 상기 제1 범위를 벗어나면 상기 유모차를 구동하려는 사용자 의사(이하, '구동 의사'라 함)로 판별하며, 상기 정지 의사로 판별되면 상기 힘센서의 출력신호에 정지 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하고, 상기 구동 의사로 판별되면 상기 힘센서의 출력신호에 구동 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하여 상기 추종 각속도를 산출하는 처리를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제어부에서, 상기 각속도 보상값은, 상기 추종 각속도와 상기 실제 각속도 간의 차이값에 대하여 비례적분(PI) 제어를 수행하여 산출하는 것이 바람직하다.
상기 제어부에서, 상기 토크보상값은, 사용자가 경사면에서도 평지와 같은 힘을 가하여 유모차를 구동할 수 있도록 하기 위해, 유모차가 위치하는 경사면의 경사각에 상관없이 유모차의 실제 총질량에 작용하는 중력에 의해 경사면의 아래쪽으로 밀려 내려가려는 것을 방지해주는 크기로 정해지는 것이 바람직하다.
상기 유모차의 총 질량은, 사용자가 유모차의 뒷바퀴만 지면에서 떨어지도록 들어 올린 상태에서 상기 힘센서가 출력하는 힘 측정값을 상기 제어부에서 소정의 환산표를 참조하여 환산한 유모차의 실제 총 질량인 것이 바람직하다.
상기 모터부와 상기 바퀴부는 상기 모터부가 상기 바퀴부의 허브 안으로 일체화되어 상기 바퀴부를 직접 구동하는 인휠 모터일 수 있다. 인휠 모터를 채용하지 않는 경우, 상기 제어장치는 상기 모터부에서 발생시킨 회전력을 상기 바퀴부들의 적어도 일부에게 전달하여 그 바퀴부들의 회전 구동을 보조하는 동력전달부를 더 구비한다.
본 발명에 따른 '전동 동력 보조 안전 유모차'는 사용자가 오르막, 내리막, 평지를 이동할 때 항상 평지와 같은 힘으로 유모차를 구동할 수 있도록 하기 위해, 유모차가 위치한 지점의 경사각과 실제 총 질량에 따른 필요한 힘을 모터의 동력으로 보상해준다. 유모차가 위치하고 있는 지점이 경사면이든 평지든 상관없이 사용자는 평지에서 몰 때의 힘만 가하여 유모차를 몰 수 있다. 이동로의 경사조건에 구애받지 않으므로 유모차 구동에 힘이 덜 필요하여 구동이 쉽고 이동범위를 확대할 수 있다.
유모차 손잡이 부분의 토크 센서가 사용자가 손잡이를 밀었을 때 생기는 토크를 측정하여 사용자가 유모차를 구동하고자 하는 의사가 있는지 여부를 파악하고, 그 사용자 의사에 따라 별도의 기준모델을 미리 설정해두고 유모차의 실제 각속도가 그 기준모델에 따른 추종 각속도를 추종하도록 제어한다. 이런 제어방식은 경사면에서의 안전사고를 예방해줄 수 있다. 즉, 탑승자인 유아는 외부 상황에 대하여 저항능력이 전혀 없다. 경사면에서 사용자가 의도하지 않게 유모차의 손잡이를 놓쳤을 시에는 유모차를 정지시키기 위한 기준모델이 자동으로 적용되어, 모터가 생성하는 보상 토크가 브레이크 작용을 하여 유모차를 신속하고 안전하게 정지시킬 수 있다. 경사면에서의 유모차의 가속하강, 충돌, 전도 등과 같은 안전사고를 방지할 수 있다.
기존의 유모차의 문제점을 보완하고 새로운 시스템으로 구동되므로 유모차 사용자의 선택폭이 증진된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 동력 보조 안전 유모차를 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 유모차에서 시트를 제거하고 후방에서 본 상태를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명에 따른 전동 동력 보조 안전 유모차의 제어시스템을 나타낸 블록도이고,
도 4는 본 발명에 따른 전동 동력 보조 안전 유모차를 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이며,
도 5는 도 3의 제어부가 수행하는 제어로직을 나타내는 제어흐름도이며,
도 6은 유모차가 경사면을 이동하는 경우, 토크 보상 제어를 설명하기 위한 유모차의 자유물체도(free body diagram)이며,
도 7은 경사면에서 경사각의 크기에 따른 보상 토크의 이론값과 실제값을 비교하기 위한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 바람직하게 실시하기 위한 내용을 구체적으로 설명하기로 한다.
일반적인 유모차는 앞바퀴와 뒷바퀴를 포함하는 바퀴부, 시트부, 바퀴부에 지지되어 시트부를 받쳐주는 바디 프레임부, 그리고 바디 프레임부에 결합된 손잡이부를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유모차(100)는 이런 유모차의 기본적인 구성을 기반으로 하여, 이하에서 설명하는 본 발명의 실시를 위한 별도의 구성요소들이 부가되는 형태의 구성을 갖는다. 또한, 기본적인 구성의 구조는 부가되는 구성요소의 기능적, 구조적 특징에 따라 그에 적합하도록(adaptively) 변형된다. 도 1과 도 2는 시트부(140)가 설치된 상태와 제거된 상태의 유모차(100)를 측방과 후방에서 본 모습을 도시하고 있다.
구체적으로, 바퀴부(110)는 앞바퀴와 뒷바퀴 중 적어도 어느 한 쪽은 차축으로 결합된 두 개의 바퀴로 구성된다. 도면에 예시된 유모차는 뒷바퀴부(112)가 두 개의 바퀴를 차축(114)으로 연결된 구조로 되어 있다. 모터(70)가 생성한 회전력은 예컨대 기어부(80)와 같은 동력전달수단을 통해 이 차축(114)에 전달된다. 이 경우, 앞바퀴부(116)는 한 개 이상의 바퀴로 구성된다. 도면에 예시된 유모차(100)는 앞바퀴부(116)가 두 개의 바퀴를 포함하는 경우를 보여준다. 물론 앞바퀴부도 뒷바퀴부와 마찬가지로 차축으로 두 바퀴를 연결하여 모터의 회전력을 전달받을 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.
바디 프레임부(120)는 유모차(100)의 바디를 구성하는 부분으로서, 바퀴부(110) 위에 결합되어 지지되며 시트부(140)를 받쳐준다. 구체적으로, 뒷바퀴(112)들의 바퀴축에 결합된 후방 프레임(122)과, 앞바퀴(116)들의 바퀴축에 결합된 전방 프레임(124)을 포함한다. 후방 프레임(122)과 전방 프레임(124)이 시트부(140)를 직접 받쳐주는 구조로 만들 수 있다. 대안으로, 도면에 예시된 것처럼, 후방 프레임(122) 및 전방 프레임(124)에 결합되어 지지되면서 시트부(140)를 잡아서 받쳐주는 시트파지 프레임(126)을 더 포함하는 구조로 만들 수도 있다. 예시된 것에 따르면, 후방 프레임(122)과 전방 프레임(124)은 각각 대략 U자를 거꾸로 뒤집은 형상을 가지며, 전방 프레임(124)은 후방 쪽으로 비스듬히 설치되고, 후방 프레임(122)은 전방 쪽으로 비스듬히 설치되어, 상단부가 서로 접근 내지 접촉된다. 시트파지 프레임(126)도 시트부(140)를 내포하여 감쌀 수 있도록 대략 U자 형상으로 만들어지며, 이의 하부가 후방 및 전방 프레임(122, 124)의 상부와 결합되어 그들에 의해 지지되고, 그의 좌우측 수직부가 시트부(140)의 좌우측을 붙잡아 지지할 수 있도록 결합된다.
시트부(140)는 유아가 그 위에 앉거나 누울 수 있도록 받침부(142)와 등받이부(144)를 포함하며, 이 둘은 원하는 각도로 접거나 펼 수 있도록 결합된다. 시트부(140)는 바디 프레임부(120)에 결합되어 지지된다. 도면에 예시된 시트부(140)는 시트파지 프레임(126)에 결합되어 지지되며, 필요 시 도 2처럼 그 시트파지 프레임(126)으로부터 분리될 수도 있다.
손잡이부(130)는 바디 프레임부(120)에 사용자의 힘을 전달할 수 있도록 결합된다. 도면에 예시된 이 손잡이부(130)는 사용자가 손으로 잡아 미는 중앙 손잡이와, 이의 양쪽에서 소정길이 연장되어 끝부분이 바디 프레임부(120), 보다 구체적으로는 시트파지 프레임(126)의 좌우측 수직부에 결합된 좌측 및 우측 연장부를 포함한 대략 U자형상이다. 사용자가 힘을 가하기에 편리하도록 중앙 손잡이는 사용자의 가슴 근처에 수평으로 배치되고, 좌우측 연장부는 아랫방향으로 비스듬히 배치된다.
이러한 기본적 구성요소들은 사용자의 힘만으로 밀고 이동할 수 있는 수동형 유모차가 일반적으로 구비하는 것들이다. 본 발명에 따른 유모차(100)은 이런 기본적인 구성요소에 사용자가 유모차(100)를 이동시키기 위해 손잡이부(130)를 밀거나 당길 때 가해지는 힘을 측정하기 위한 힘센서(20)와, 유모차(100)가 위치하고 있는 지점의 경사도를 측정하기 위한 경사센서(30), 그리고 유모차(100)의 이동속도를 측정하기 위한 속도센서(40) 등을 구비하는 센서부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 유모차(100)는 유모차(100)에 전동 동력을 제공하기 위한 수단으로서, 회전 동력을 생성하는 모터부(70)와, 모터부(70)를 구동하는 모터구동부(60), 그리고 모터부(70)가 생성한 회전 동력을 유모차(100)의 바퀴부(110)에 전달하는 동력전달부(80)를 더 포함한다. 유모차(100)는 센서부에서 측정한 사용자 힘, 경사각, 유모차(100)의 속도값을 제공받아 유모차(100)가 있는 지점의 경사도와 사용자 의사를 파악하여 유모차의 구동 토크를 보상하고, 내리막길 안전사고를 방지하기 위한 총괄적 제어를 하는 제어부(50)를 더 포함한다.
힘센서(20)는 손잡이부(130)에 가해지는 힘에 의해 탄성변형체의 변형이 일어나거나 전압이 발생하는 경우 그 변형량이나 전압을 측정하는 방식, 또는 전자력, 자이로효과, 지레 등과 같은 힘의 균형을 이용하여 측정하는 방식 등 기존에 알려진 힘 측정 방식을 이용하여 구현된 센서라면 어떤 것이든 무방하다. 예컨대 토크센서나 압력센서 등도 힘센서의 일종으로서, 본 발명의 힘센서(20)로서 사용될 수 있다. 예컨대 토크센서는 사용자가 유모차(100)의 손잡이부(130)에 힘을 가하였을 때의 토크를 측정하여 그 측정된 토크의 값을 정방향 토크인 경우에는 +값으로 나타내고, 역방향 토크인 경우에는 -값으로 나타내어 제어부(50)에 제공한다.
힘센서(20)의 측정값은 유모차 구동에 관한 사용자의 의사 즉, 유모차(100)를 구동하는지 아니면 정지시키고자 하는지를 파악하는 데 이용된다. 힘센서(20)는 사용자 유모차 구동 의사를 가장 정확하게 파악할 수 있는 위치에 힘센서(20)를 설치하는 것이 바람직하다. 사용자가 유모차(110)를 구동하기 위해 손잡이부(130)에 가하는 힘은 손잡이부(130)의 좌측 연장부 또는 우측 연장부의 말단 즉, 시트부(140)와의 결합 지점을 통해 시트부(140)로 전달된다. 그러므로 그 결합 지점이 힘센서(20)를 설치하기에 적합한 지점이다. 물론 사용자의 힘은 손잡이부(130)의 중앙 손잡이에 일차적으로 가해지므로, 거기에 힘센서(20)를 설치하는 것도 가능할 것이다. 어떤 종류의 힘센서(130)를 사용하는가에 따라 그것의 최적의 설치위치나 설치 형태가 다를 수 있다. 사용하는 힘센서(130)의 특징을 잘 고려하여 적합하게 설치하면 된다. 예를 들어 도면에 예시된 것처럼, 토크센서를 힘센서(20)로서 사용하는 경우, 사용자가 손잡이부(130)를 미는 힘에 의한 토크는 시트부(140)와 결합하는 손잡이부(130)의 좌측 연장부 또는 우측 연장부의 말단부에서 측정하는 것이 용이하고 정확하므로 그 말단부에 토크센서를 설치하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 힘센서(20)의 측정값은 유모차(100)의 실제 총질량(유모차(100)의 질량과 거기에 탑승한 영유아 및/또는 물건의 질량을 합한 값)을 파악하는 데도 이용된다(이에 관한 자세한 내용은 후술함). 모터부의 구동제어 특히 내리막길 안전사고 방지를 위한 제어에 있어서, 유모차(100)의 실제 총 질량을 알면 더욱 신속하고 정확한 제어를 할 수 있다.
경사센서(30)는 유모차(100)가 위치하고 있는 지점의 경사각을 측정하기 위한 것으로, 경사각은 0도인 평지에서 경사각이 0도로 측정될 수 있도록 설치하되, 유모차(100)의 진행방향의 경사각을 정확하게 측정할 수 있도록 설치하면 된다. 설치 위치에 관한 다른 특별한 제한은 없다. 예컨대, 후술할 제어부(50)를 올려놓기 위한 수평 받침대의 저면에 장착할 수 있다. 1축 방향(유모차(100)의 진행방향) 경사센서로도 충분하며, 사용 못할 것은 아니나 다축 방향의 경사도까지 측정할 수 있는 경사센서까지는 필요 없다. 경사센서(30)는 측정된 경사각이 예컨대 오르막일 때는 양(+)의 값이 되고, 내리막일 때는 음(-)의 값이 되는 출력신호를 제어부(50)로 제공한다.
속도센서(40)는 유모차(100)의 이동속도를 측정하기 위한 수단이다. 유모차(100)의 이동속도는 앞바퀴나 뒷바퀴(116, 112)의 각속도 또는 모터부(70)의 각속도 ω와 등가적인 물리량이므로, 이 값을 측정하면 된다. 예컨대 모터부(70)의 각속도 ω는 모터부(70)의 회전수를 카운트함으로써 측정할 수 있다. 도시된 속도센서(40)는 모터부(70)의 회전수를 카운트하여 각속도 ω를 측정할 수 있도록 모터부(70)와 일체형으로 구성된 속도센서이다.
동력전달부(80)는 모터부(70)가 생성한 동력을 차축(114)에 전달하여 차축(114)을 회전시키기 위한 수단이다. 예컨대 모터부(70)의 회전축에 결합된 기어와 바퀴부(110)의 차축(114)에 결합된 기어들로 구성된 기어조립체로 구현될 수 있다. 대안으로, 벨트와 풀리를 이용하여 구현될 수도 있다.
모터구동부(60)는 모터부(70)의 구동에 필요한 구동신호를 생성하여 모터부(70)에 제공한다. 이 구동신호는 제어부(50)가 제공하는 모터 구동에 관한 제어신호에 따라 배터리(90) 전원을 이용하여 만든다.
모터부(70)는 모터구동부(60)의 구동신호 입력에 의해 회전 동력을 발생시킨다. 사용하는 직류 전원에 적합하게 직류 모터, 예컨대 브러시리스 모터(BLDC 모터)로 구현하는 것이 바람직하다. 이 모터부(70)는 차축(114)과 가까운 위치에 고정되고, 동력전달부(80)와 맞물려 차축(114)에 동력을 제공할 수 있도록 설치된다.
인휠 모터(in-wheel motor)(휠허브 모터(wheel hub motor)라고도 함)를 채용할 수도 있다. 인휠 모터는 전기 모터부가 바퀴의 허브 안으로 일체화되어 인휠 모터가 바퀴를 직접 구동하는 구조로 된 모터이다. 모터부(70)와 유모차의 바퀴부들(112, 116) 중 적어도 일부가 인휠 모터(85)로 대체되는 경우, 동력전달부(80)는 생략될 수 있다. 인휠 모터(85)는 뒷바퀴에만 또는 앞바퀴에만 적용되거나, 또는 그 둘 모두에 적용될 수 있을 것이다.
제어부(50)는 힘센서(20), 경사센서(30), 속도센서(40)로부터 각각의 측정값을 전기신호 형태로 제공받을 수 있도록 이들 센서(20, 30, 40)와 전기적으로 연결된다. 또한, 모터구동부(60)에 모터 구동에 관한 제어신호를 제공할 수 있도록 모터구동부(60)와도 전기적으로 연결된다. 측정값을 아날로그 신호로 제공하는 센서들(20, 30, 40)을 사용하는 경우, 제어부(50)는 그것을 디지털 신호로 변환하는 AD변환기를 구비한다. 제어부(50)는, 모터구동부(60)에 제공하는 모터구동 제어신호가 아날로그 신호이므로, 모터구동 제어값을 아날로그 신호로 변환하기 위한 DA변환기를 구비한다. 제어부(50)는 기본적으로 후술하는 본 발명의 제어방법을 실행하기 위한 프로그램을 내장하고 필요한 데이터를 저장하는 메모리, 센서들(20, 30, 40)로부터 제공되는 측정값을 입력받고 그 내장 프로그램을 실행하여 모터구동에 관한 제어값을 연산하는 연산장치를 포함한다.
유모차(100)는 배터리(90)를 전원수단으로서 구비한다. 배터리(90)는 전원을 필요로 하는 구성요소들, 예컨대 센서부(20, 30, 40), 제어부(50), 모터구동부(60) 등에 연결되어, 이들이 필요로 하는 전원을 공급한다. 도시하지는 않았지만, 사용자가 필요에 따라 이들 구성요소들에 대한 배터리(90)의 전원 공급을 온 또는 오프 시킬 수 있도록 하기 위해, 전원스위치를 더 구비할 수 있다. 전원스위치가 켜진 경우에만 이하에서 설명하는 제어방법이 실행될 수 있다.
바디 프레임부(120)의 하부에 충분한 공간이 주어지므로, 배터리(90), 모터구동부(60), 제어부(50)는 거기의 적당한 지점에 고착시키면 된다. 예컨대 이들을 받침판(비도시)에 고정시키고, 그 받침판을 바디 프레임부(120)에 고착할 수 있다. 미관을 좋게 하기 위해 이들 구성요소들을 수납함(비도시) 안에 모두 수납하고, 그 수납함을 바디 프레임부(120)에 고착시킬 수도 있다. 유모차는 일반적으로 차량에 실어 이동하여 사용하기도 하는데, 차량 이동 시 부피를 최소화하기 위해 접을 수 있는 구조로 설계된다. 본 발명의 유모차(100)도 배터리(90), 모터구동부(60), 제어부(50) 등을 바디 프레임부(120)에 고착함에 있어서, 유모차(100)를 접거나 펴는 것에 지장을 주지 않도록 설치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 부가적인 구성요소들은 기존의 또는 장래의 접이식 또는 비접이식 유모차에 적합하게 설치될 수 있다.
도 3은 모터유모차(100)의 구동 제어를 위한 제어시스템(10)을 블록도로 도시한다. 제어부(50)는 힘센서(20), 경사센서(30), 그리고 속도센서(40)로부터 샘플링주기마다 그들의 측정값 즉, 사용자가 유모차(100)에 가하는 힘(T), 유모차가 위치하는 지점의 경사각(θ), 그리고 유모차의 속도 즉 모터부(70)의 각속도(ω*)에 관한 정보를 각각 전기신호 형태로 제공받는다. 제어부(50)는 센서부(20, 30, 40)에서 제공되는 측정값들을 이용하여 이하에서 설명하는 제어로직을 수행함으로써 모터구동 제어신호(Cd)를 생성하여 모터구동부(60)로 제공한다. 모터구동부(60)는 그 모터구동 제어신호(Cd)에 의거하여 모터구동신호(Md)를 생성하여 모터부(70)에 제공한다. 이에 의해 제어부(50)가 지시하는 회전속도로 모터부(70)가 구동되고, 이에 의해 생성된 회전력은 동력전달부(80)를 통해 유모차(100)의 차축(114)에 전달된다. 사용자가 가하는 힘과 모터부(70)의 부가하는 보조 동력의 합력이 유모차(100)를 구동한다. 모터부(70)의 각속도(ω*)는 속도센서(40)가 실시간으로 검출하여 제어부(50)로 피드백 한다.
이 제어시스템(10)이 수행하는 제어방법이 도 4의 흐름도에 도시되어 있다. 이 흐름도를 참조하면서 본 발명의 유모차(100)의 제어방법을 설명한다.
먼저, 본 발명은 사용자 의사에 기반한 토크 보상 제어 알고리즘을 적용한다. 유모차(100)를 구동하는 사용자의 의사를 자동으로 파악하여 그 파악된 의사에 따라 그에 적합한 모터의 구동제어를 수행하는 데 특징이 있다. 사용자의 의사는 크게 두 가지로 구분한다. 하나는 유모차를 구동하려는 의사이고, 다른 하나는 유모차를 정지시키려는 의사이다. 유모차의 운동을 동역학적으로 모델링하여, 유모차가 구동 시와 정지 시의 기준모델을 각각 만든다. 파악된 사용자의 의사가 유모차를 구동하려는 것이라면, 실제 유모차(100)가 구동 시의 기준모델의 운동을 추종하도록 모터부(70)의 구동을 제어한다. 이와 달리, 파악된 사용자의 의사가 유모차를 정지시키려는 것이면, 실제 유모차(100)가 정지 시의 기준모델의 운동을 추종하도록 모터의 구동을 제어한다. 이하에서는 이를 좀 더 구체적으로 설명한다.
유모차 구동에 관한 사용자의 의사는 유모차 손잡이부(130)를 미는 힘으로부터 파악할 수 있다(S10 단계). 예시된 것처럼 토크센서를 힘센서(20)로 사용하는 경우, 손잡이부(130)에서 발생하는 토크(T)값을 이용하여 파악할 수 있다. 사용자가 손잡이부(130)에 힘을 가할 때 토크센서는 손잡이부(130)에서 걸리는 토크를 전압신호(토크신호 T)로 변환하여 제어부(50)에 제공한다(S12 단계).
토크센서는 측정된 토크의 크기가 예컨대 -5V ~ +5V 범위 내의 전압값으로 환산되어 출력되도록 한다. 이 경우, 토크신호 T는 이론적으로는 손잡이부(130)에 힘이 가해지지 않을 때는 0[V](기준값)가 측정되고, 손잡이부(130)를 앞으로 미는 힘이 가해질 때는 그 힘의 크기에 따라 0[V]<T≤5[V] 범위 내의 정(+) 방향 토크값이 측정되고, 손잡이부(130)를 뒤로 당기는 힘이 가해질 때는 그 힘의 크기에 따라 -5[V]≤T<0[V] 범위 내의 부(-) 방향 토크값이 측정될 것이다. 실제로는 여러 요인에 의한 노이즈가 토크신호에 포함될 수 있다. 그러므로 토크센서의 출력 전압신호의 값이 정확하게 0[V]가 아니고 그 근처의 값 예컨대 -0.2[V] ~ +0.2[V] 사이의 값(이하, '실질적 0[V]'라 함)이면 손잡이부(130)에 힘이 가해지지 않은 상태로 간주하는 것이 바람직하다. 토크신호의 전압값이 실질적 0[V]인 경우는 사용자가 유모차(100)를 밀거나 당기는 등의 구동행위를 하지 않는 상태 즉, 정지 상태로 볼 수 있고, 실질적 0[V]가 아닌 경우에는 사용자가 유모차(100)를 구동하고 있는 상태 즉, 구동 상태로 볼 수 있다.
그러므로 제어부(50)는 힘센서(20) 즉, 토크센서가 제공하는 토크신호(T)의 전압값이 실질적 0[V]인지 여부를 판단한다(S14 단계). 이 때, 그 토크신호가 아날로그 신호이면 디지털 값으로 변환하는 처리를 선행한다.
그리고 제어부(50)는 정지 상태의 기준모델과 구동 상태의 기준모델을 각각 미리 설정해두고, S14 단계에서의 판단 결과에 따라 모터부(70)의 구동에 관한 제어를 수행한다. 제어부(50)의 제어 목표는 유모차(100)의 실제 속도와 등가적인 값인 모터부(70)의 각속도(ω)가 미리 설계해둔 두 가지 기준모델 즉, 유모차의 정지 상태 기준모델의 각속도(ω*)와 구동상태 기준모델의 각속도(ω*) 중 어느 한 가지를 추종하도록 하는 것이다.
이를 위해, 토크센서가 제공하는 토크신호(T)의 전압값이 실질적 0[V]이 아닌 경우는 구동상태 기준모델에 따른 유모차 추종 각속도(ω*)를 산출한다(S16 단계). 반면에, 토크신호(T)의 전압값이 실질적 0[V]인 경우에는 정지 상태의 기준모델에 따른 유모차 추종 각속도(ω*)를 산출한다(S18 단계).
이와 병행하여 제어부(50)는 속도센서(40)가 실시간으로 측정하는 모터부(70)의 실제 각속도(ω)를 제공받으므로(S34 단계), 제어부(50)는 그 모터부(70)의 실제 각속도(ω)가 두 기준모델에 따른 산출된 각속도(ω*)를 추종하도록 각속도 보상값을 산출한다(S20 단계). 단계 S18과 S20의 구체적인 산출방법은 후술하는 도 5의 설명에서 함께 하기로 한다.
본 발명은 또한, 경사면에서의 자유 하강 방지를 위한 토크 보상 제어를 수행하는 데 다른 특징이 있다. 유모차(100)가 경사면에서 운행하고 있는 상황을 고려한다(S22 단계). 본 발명에 따른 제어방법은 유모차(100)가 위치한 지점의 경사각에 따른 토크를 모터부(70)의 동력으로 보상해준다. 힘센서(20)로 측정한 유모차(100)의 실제 총 질량과 경사센서(30)가 실시간으로 측정한 경사각을 이용해 경사진 곳에서 보상해 주어야 할 토크의 크기를 계산해 낸다. 이때 바퀴에 보상되어야 할 필요 토크를 계산하여 DC모터에서 토크를 보상해 준다. 토크 보상에 의해, 사용자는 유모차(100)가 위치하고 있는 지점의 경사도와 상관없이 마치 평지에서 유모차(100)를 모는 것과 같은 힘만으로 유모차를 움직일 수 있다.
이를 위해, 경사센서(30)는 유모차(100)가 위치한 지점의 경사각을 실시간으로 측정하여 그에 대응하는 전압신호로 변환한 경사신호를 제어부(50)에 제공한다(S24 단계). 예컨대 측정 가능한 경사각이 -20°~ +20° 때 0.5V~4.5V의 출력 전압신호를 출력하는 경사센서(30)를 채용하는 경우, 경사센서(30)의 출력 전압값에 2.5를 뺀 후 10을 곱하면 다시 경사각 -20°~ +20°로 환산할 수 있다. 측정된 경사각을 나타내는 전압신호는 제어부(50)에 제공된다.
제어부(50)는 경사센서(30)로부터 제공되는 출력 전압신호를 입력받아 상기 경사각에 따라 유모차(100)에 보상해줄 토크 보상량을 산출한다(S28 단계). 도 6은 토크 보상 제어를 설명하기 위한 유모차의 자유물체도(free body diagram)이다. 유모차(100)의 자유물체도를 보면, 유모차(100)에는 유모차 질량 m에 따른 중력 W=mg이 지구중심 방향으로 작용한다. 이 힘의 경사면과 평행한 방향의 성분의 크기는 mg·sinθ이다. 여기서, g는 중력가속도이고, θ는 유모차(100)가 위치한 지점(경사면)의 경사각이다. 경사면 표면과 유모차 바퀴부(112, 116) 간의 마찰력을 무시하는 경우, 유모차(100)에는 경사면을 따라 아래로 굴러 내려가려는 힘 mg·sinθ가 작용하는 것으로 볼 수 있다. 그러므로 유모차(100)에 사용자가 아무런 힘을 가하지 않을 때, 유모차(100)가 경사면에서 밀려 내려오지 않도록 하기 위해서는 mg·sinθ과 같거나 더 큰 힘(F)이 반대방향으로 유모차(100)에 가해져야 한다. 즉, 본 발명은
Figure 112014093672703-pat00001
......(1)
인 힘 F를 경사센서(30)를 이용하여 보상해주는 시스템을 기본으로 적용한다.
또한, 모터부(70)의 회전수는 다음 식으로 구할 수 있다(동력전달부(80)를 감속비가 1:1인 기어로 구성한 경우)
Figure 112014093672703-pat00002
......(2)
이므로,
Figure 112014093672703-pat00003
......(3)
유모차(100)의 뒷바퀴(112)의 필요 토크 T는 아래 식을 이용하여 구한다.
여기서, V는 유모차의 속도, D는 유모차의 뒷바퀴(112)의 지름, N은 모터부(70)의 회전수를 각각 나타낸다. (D는 단위가 mm이고, N은 RPM [rev/min]이고, 속도 V의 단위가 m/s이기 때문에 RPM의 단위를 맞춰주기 위해서 분모와 같은 상수를 사용함).
T = F x R ......(4)
여기서, R은 뒷바퀴(112)의 반지름이다.
제어부(50)는 이들 식을 이용하여 모터부(70)에서 필요로 하는 보상 토크를 산출하여 모터구동부(60)에 제공한다. 이에 의해 모터부(70)가 생성하는 토크에 보상이 이루어져 본 발명이 원하는 대로 모터부(70)의 구동을 제어할 수 있다.
이와 같은 토크 보상 제어에 따르면, 유모차(100)는 평지에서 아무런 힘이 가해지지 않아서 정지해 있는 상태와 같게 된다. 또한, 사용자가 경사면에서 부주의로 유모차 손잡이부(130)를 놓치더라도, 유모차(100)는 경사면에서 미끄러져 내려가지 않고 정지하게 된다. 왜냐하면 사용자가 유모차(100)를 놓쳐 힘을 가하지 못하고 모터부(70)만 유모차(100)에 하강 방지를 위한 보상 토크를 유모차(100)에 가해주기 때문이다.
힘 mg·sinθ의 크기를 계산하려면, 경사각 θ과 유모차(100)의 총 질량(유모차에 탑승한 유아나 기타 물건의 질량을 전부 포함한 질량임) m을 알아야 한다. 경사각 θ은 경사센서(30)의 검출값으로부터 알 수 있다. 질량 m은 탑승 유아의 평균체중 등을 고려하여 미리 정한 하나의 값(고정값)으로 고정할 수도 있겠으나, 만약 그 고정값이 유모차(100)의 실제 총 질량과 편차가 크면 계산된 힘 mg·sinθ의 크기가 정확하지 않아 제어에 오차가 발생한다. 본 발명은 오차를 최소화하기 위한 방안으로, 사용자의 간단한 조작에 의해 유모차(100)의 실제 총 질량을 직접 측정하는 방법을 사용한다(S26 단계).
유모차(100)의 총 질량은 힘센서(20)를 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 유모차(100) 자체의 질량은 제조 시 이미 알고 있는 값이므로, 유모차(100)에 탑승하는 영유아나 싣는 물건 등 유모차(100) 이외의 질량을 정확하게 알아내면 된다. 이를 위해, 유모차(100)에 부가되는 질량(또는 유모차의 총 질량)과 힘센서(20)의 측정값 간의 상관관계 데이터를 미리 만들기 위한 테스트를 수행하고, 그 테스트를 통해 얻어진 상기 상관관계 데이터를 환산 테이블로 만들어 제어부(50)에 저장해두고, 추후 유모차(100)에 총 질량 산출에 활용한다. 상기 상관관계 데이터를 확보하기 위한 테스트는, 질량을 알고 있는 물건(테스트 물건)을 그 유모차(100)에 시트부(140)에 싣고서 사용자가 유모차(100)의 손잡이부(130)를 위로 들어 올려 뒷바퀴(112)가 지면에서 떨어진 상태(이 때, 앞바퀴부(116)는 지면에 닿아 있음)에서 힘센서(20)가 측정한 힘(예: 토크)의 크기를 제어부(50)가 연산을 통해 미리 '유모차(100)에 부가되는 질량(또는 유모차의 총 질량)과 힘센서(20)의 측정값 간의 상관관계 데이터'를 환산 테이블로 저장해두는 방법으로 수행한다. 상기 테스트는 상기 테스트 물건의 질량을 예컨대 1kg부터 30kg까지 1kg씩 증가시켜가면서 위와 같은 상관관계 데이터를 확보해둔다(이 경우, 유모차(100)의 총 질량의 이론적 최대 호차는 0.5kg이 될 것이다).
유모차(100)에 부가되는 질량과 힘센서(20)의 측정값 간의 상관관계 데이터가 준비된 상태에서, 사용자가 전원스위치를 온 시킨 상태에서 유모차(100)에 실제로 영유아를 태워(및/또는 물건을 실어) 이동을 시작하기 전에 상기 테스트와 똑같은 방법으로 그 유모차(100)의 손잡이부(130)를 들어 올려 유모차(100)의 실제 총 질량을 산출할 수 있다. 즉, 사용자가 유모차(100)를 들어 올렸을 때, 제어부(50)는 힘센서(20)가 측정한 힘(토크)의 크기를 산출하고, 내장된 상기 상관관계 데이터에 관한 환산 테이블을 참조함으로써 산출된 힘(토크)의 크기에 대응되는 유모차(100)의 실제 총 질량(m)을 산출할 수 있다.
제어부(50)는, 이렇게 유모차(100)의 총 질량(m)을 운행 시작 단계에서 미리 산출해두고, 유모차(100)가 운행하는 동안에 유모차(100)가 위치한 지점의 실시간 경사각 θ에 상응하여 모터부(70)가 발생시켜야 할 토크 보상값을 계산한다(S28 단계).
제어부(50)는 단계 S20에서 산출한 각속도 보상값과 단계 S28에서 산출한 토크 보상값을 입력값으로 하여 소정의 제어로직을 수행함으로써 모터부(70)의 구동을 제어하기 위한 신호(모터구동제어신호)를 생성한다(S30 단계). 도 5는 이를 위한 제어부(50)의 제어로직을 나타낸다.
제어부(50)는 사용자가 유모차(100)를 경사면에서 구동할 때, 경사에 따른 토크를 모터부(70)의 동력으로 보상해줌으로써 유모차(100)를 평지에서 구동할 때와 같은 힘만으로 구동할 수 있도록 해줌과 동시에, 사용자가 부주의로 인해 유모차(100)의 손잡이부(130)를 놓치더라도 유모차(100)가 안전하게 정지하도록 함으로써 경사면을 따라 급가속 하강에 따른 안전사고의 발생을 방지해주는 제어를 수행한다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
유모차의 바퀴(112, 116)에는 사람이 가해주는 힘, 마찰과 기타 등의 외란 토크가 작용한다. 뒷바퀴(112)를 연결해주는 차축(114)과 동력전달부(80)인 기어로 연결된 모터부(70)의 각속도(유모차(100)의 각속도)를 속도센서(40)가 측정한다. 제어부(50)는 경사센서(30)와 유모차(100)의 실제 총 질량을 이용해 경사면에서 보상해 주어야 하는 토크를 계산하고, 그 계산된 보상 토크를 모터구동부(60)를 통해 모터부(70)의 토크에 보상되도록 제어한다. 또한, 제어부(50)는 보상된 토크와 사용자가 유모차(100)에 가한 힘에 의한 토크의 합이 유모차(100)의 차축(114)이 연결된 뒷바퀴(112)에 작용하여 얻어지는 유모차(100)의 실제 각속도(ω)가 기준모델의 각속도(ω*)를 추종하도록 제어한다. 즉, 가상의 유모차 기준모델의 각속도(ω*)와 속도센서(40)를 통해 얻은 실제 모터부(70)의 각속도(ω) 내지 실제 유모차 뒷바퀴(112)의 각속도를 지속적으로 비교하여 양자가 일치하도록 닫힌 루프(close-loop) 제어를 사용한다.
이를 위해, 유모차 구동에 관한 사용자의 의사가 '정지'인 경우와 '구동'인 경우 각각에 관하여 유모차 구동에 관한 기준모델을 설정한다. 두 기준모델은 다음과 같은 전달함수 H 1 (s)와 H 2 (s)로 나타낼 수 있다. 이 두 전달함수 H 1 (s)와 H 2 (s)는 정지와 구동의 경우 유모차(100) 전체의 전달함수이다.
정지 시의 전달함수:
Figure 112014093672703-pat00004
......(5)
구동 시의 전달함수:
Figure 112014093672703-pat00005
......(6)
여기서, 관성모멘트 a1, a2와 점성 마찰 b1, b2는 테스트를 통해 얻어지는 실험값일 수 있다. 이 실험값은 유모차(100)에 토크를 입력하여 그 때의 유모차 속도 응답을 출력하여 확인 후 시스템 특정화(System Identification)을 통해 실제 유모차의 전달함수를 구하는 것을 통해 얻어진다. 구동 시 가상 전달함수는 실제 유모차를 구동시키면서 사용자의 임의로 선택할 수 있고, 정지 시 가상 전달함수는 사용자가 손잡이를 놓쳤을 때 안전하게 감속하여 정지할 수 있도록 설정할 수 있다.
사용자가 유모차에 가하는 힘(토크)이 0인 경우에는 정지 시의 전달함수가 적용되고, 0이 아닌 경우에는 구동 시의 전달함수가 적용된다. 제어부(50)의 추종 각속도 산출부(52)는 힘센서(20)로부터 제공되는 토크 T(s)를 입력받아 그것에 전달함수 H 1 (s) 또는 H 2 (s)를 적용하여 추종 각속도(ω*)를 산출한다.
제어부(50)는 정지 시의 전달함수 H 1 (s)와 구동 시의 전달함수 H 2 (s)를 거친 추종 각속도(ω*)를 유모차(100)의 각속도가 추종하도록 피드백 제어를 한다. 구체적으로, 각속도 오차 산출부(54)는 산출된 추종 각속도(ω*)에서 각도센서(40)가 검출한 유모차(100)의 실제 각속도(ω)를 감한 값을 산출한다.
산출된 각속도 차이는 PI제어부(56)의 입력값으로 제공되어 이득제어가 수행된다. 이득제어는 응답속도를 빠르게 하기 위한 비례제어(P제어)와 유모차(100)가 정지할 때에 오차가 생기지 않도록 적분제어(I제어)를 이용한다. PI 제어에 적용하는 이득제어 전달함수 G(s)는,
Figure 112014093672703-pat00006
......(7)
로 나타낼 수 있다. 여기서, 비례제어 계수 K p 와 적분제어 계수 K i 는 테스트를 통해 구한 실험값일 수 있다.
비례제어만 적용하면, 응답속도는 빠르나 정상 상태의 오차가 0이 되지 못하고 계속 잔존하기 때문에 사용자가 경사면에서 유모차(100)를 놓쳤을 경우 유모차(1000가 내리막에서 정지하지 못하고 경사면 아래로 계속 조금씩 굴러내려가게 되는 단점이 있다. 이미분제어까지 적용하면 유모차(100)의 반응속도가 지나치게 느려지는 단점이 있다. 비례 적분 제어를 수행하면, 정상 상태 오차가 0이 되어, 손잡이를 놓았을 때 유모차가 곧바로 잘 멈춘다.
제어부(50)의 경사도 보상부(58)는 PI제어를 통해 얻어진 회전 각속도에 경사면의 경사각에 의한 토크 보상을 위한 제어를 수행한다. 위에서 언급한 것처럼, 경사면에서는 유모차(100)에는 경사면을 따라 내려가는 방향으로 mg·sinθ만큼의 힘이 작용하는데, 이 힘 때문에 사용자는 그 경사면을 오를 때에는 더 강하게 유모차(100)를 밀어야 하고, 그 경사면을 내려갈 때에는 반대방향으로 유모차(100)를 잡아주어야 한다. 상기 힘 mg·sinθ을 이겨내기 위해 추가로 필요한 토크를 보상해주면, 경사면을 오르거나 내려갈 때도 사용자는 평지에서 밀듯이 유모차(100)를 구동할 수 있다. 경사도 보상부(58)는 보상이 필요한 토크 mg·sinθ에 상당하는 각속도를 계산하고, 그 계산된 각속도를 PI제어부(56)의 출력 각속도와 합하여 구동제어신호를 생성한다(S30 단계).
사용자가 똑같은 힘으로 유모차(100)를 앞으로 미는 경우와 뒤로 당기는 경우에 모터부(70)를 통해 보상해주는 토크의 크기도 같게 할 수 있지만, 사용자가 앞으로 나아가는 것이 뒤로 물러서는 것보다 더 빠르고 편하게 느껴지는 것이 일반적이다. 이런 점을 고려하여, 제어부(50)가 보상 토크를 산출함에 있어서, 뒤로 당기는 경우에 비해 앞으로 미는 경우 더 큰 비율 (예컨대 1.2~2.5)로 토크를 보상해주는 것이 바람직하다. 예컨대 상기 비율을 2배를 적용하는 경우, 뒤로 당길 때의 부방향 토크값이 -2[V]인 경우 보상 토크의 크기를 -10을 적용한다면, 앞으로 밀 때의 정방향 토크값이 +2[V]인 경우 보상 토크의 크기는 +20(=10x2)으로 적용한다.
이렇게 하여 얻어진 각속도 값이 실제 유모차(100)를 구동 제어하기 위해 제어부(50)가 모터구동부(60)에 제공하는 각속도이다. 모터구동부(60)는 그 각속도 값을 이용하여 모터 구동신호를 생성하여 모터부(70)를 구동한다(S32 단계). 그 결과 나타나는 유모차(100)의 실제 각속도(즉, 모터부(70)의 실제 각속도) ω는 속도센서(40)를 통해 다시 각속도 오차 산출부(54)로 피드백 되어(S34 단계) 그 실제 각속도(ω)가 추종 각속도(ω*)를 추종하도록 폐루프 제어가 수행된다.
이와 같은 제어방법에 따르면, 유모차의 운동을 동역학적으로 모델링하여 유모차가 구동 시와 정지 시의 가상모델을 만들고, 실제 유모차가 가상모델의 운동을 추종하도록 모터부의 구동을 제어한다. 사용자가 유모차(100) 손잡이부(130)를 놓친 상태 그리고 그 상태가 경사면에서 발생하였는지 등을 자동으로 검출해낼 수 있다. 그리고 경사면의 경사도 때문에 중력에 의해 유모차(100)에 가해지는 하강 토크를 이겨낼 수 있는 최소한의 보상 토크를 모터부(70)가 언제나 보상해주도록 되어 있으므로, 사용자가 의도하지 않게 경사면에서 유모차의 손잡이부(130)를 놓친 경우에도 그 유모차(100)는 경사면에서 정지해있을 수 있게 된다. 또한, 경사면에 따른 하강 토크가 모터(70)의 동력 보조에 의해 상쇄되므로, 유모차(100)는 경사면에서도 마치 평지에 있는 것과 같은 상태로 존재할 수 있다. 그러므로 경사면에서도 사용자는 평지에서 유모차(100)를 구동하는 힘만 가해서 유모차(100)를 몰 수 있게 된다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 실제 유모차(100)를 경사진 곳에서 놓쳤을 때 정지 성능을 확인하기 위해, 제어시스템(10)을 끈(off) 상태와 켠(on) 상태에서 유모차(100)를 동일 위치에서 놓았을 때의 거동을 비교 관찰해 보았다. 제어 시스템(10)이 꺼져 있는 경우 유모차(100)가 자중에 의해 빠른 속도로 내려가고, 제어 시스템(10)이 켜져 있는 경우에는 유모차(100)가 신속하게 정지하는 것을 확인할 수 있었다.
경사진 곳의 경우 경사센서(30)에서 읽어온 경사 각도와 유모차(100)의 총 질량 m을 이용하여 보상해 주어야 할 힘 mg·sinθ 를 계산한다. 계산된 힘을 바탕으로 모터에서 추가로 보상해 주어야 할 토크가 출력되도록 하였다. 이론적으로 경사각에 따라 보상해 주어야 할 토크를 총 질량 m이 30kg, 35kg, 40kg인 경우로 나누어 그래프를 구했다(도 7의 위쪽에 표시된 이론값 그래프 참조). 그리고 실제로 유모차의 총 질량 m을 30kg, 35kg, 40kg이 되게 하여 실험하여 경사각에 따른 보상 토크의 크기를 측정하였다. 실험 결과는 도 7의 아래쪽에 표시된 실제값 그래프로 나타냈다. 실험 결과에 따르면, 평지 즉, 경사각 θ=0°인 경우에 유모차(100)의 진동에 의해 노이즈가 생기는데, 이 부분을 제외하고는 유모차(100)의 총 질량 m에 따라서 토크보상이 이론값에 근사하게 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 위 실험은 단적인 예를 보여준 것이며, 손잡이를 놓쳤을 뿐만 아니라 손잡이를 잡고 있지 않았을 때에도 항상 유모차가 경사에 의해 생긴 자중에 의해 움직이지 않도록 하였다.
본 발명은 영유아용 유모차뿐만 아니라, 노인용 보행기, 산업용 수레, 마트용 카트 등과 같이 사람의 힘으로 이동할 수 있는 이동체에 손쉽게 융합될 수 있다.
10: 제어시스템 20: 힘센서
30: 경사센서 40: 속도센서
50: 제어부 60: 모터구동부
70: 모터부 80: 동력전달부
85: 인휠 모터 90: 배터리
100: 유모차 110: 바퀴부
120: 바디 프레임 130: 손잡이부 140: 시트부

Claims (12)

  1. 배터리 전원으로 모터를 구동하여 발생하는 동력으로 바퀴부의 회전을 보조하도록 설계된 유모차, 노인용 보행기, 산업용 수레, 또는 마트용 카트와 같은 이송장치(이하, '유모차'로 통칭함)를 제어하는 방법에 있어서,
    힘센서를 이용하여 측정한 '사용자가 유모차에 가하는 힘'으로부터 상기 유모차 구동에 관한 사용자의 의사를 파악하여 그 의사에 맞는 추종 각속도를 산출하는 단계;
    속도센서를 이용하여 상기 유모차의 실제 각속도를 측정하는 단계;
    상기 실제 각속도가 상기 추종 각속도를 추종하기 위한 각속도 보상값을 산출하는 단계;
    경사센서가 측정하는 '유모차가 위치한 지점의 경사각'과 상기 유모차의 총 질량에 의해 상기 유모차가 경사면에서 밀려 내려가는 힘을 보상하기 위한 토크 보상값을 산출하는 단계; 및
    상기 각속도 보상값과 상기 토크 보상값을 합하여 모터부의 구동을 위한 구동제어신호를 산출하여 모터구동부에 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 추종 각속도를 산출하는 단계는, 상기 힘센서를 이용하여 사용자가 상기 유모차에 가하는 힘을 측정하는 단계; 측정된 힘 신호의 크기를 기준값과 비교하여 사용자가 상기 유모차를 구동하려는 의사인지 아니면 정지하려는 의사인지를 판별하는 단계; 및 구동의사로 판별되면 상기 측정된 힘을 미리 설정해둔 구동의사 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하여 상기 구동의사 시 기준모델에 따른 추종 각속도를 산출하고, 정지의사로 판별되면 상기 측정된 힘을 미리 설정해둔 정지의사 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하여 상기 정지의사 시 기준모델에 따른 추종 각속도를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 토크 보상값은, 상기 유모차가 위치하는 경사면의 경사각에 상관없이 사용자가 경사면에서도 평지와 같은 힘을 가하여 상기 유모차를 구동할 수 있도록 하기 위해, 상기 유모차의 실제 총질량에 작용하는 중력에 의해 경사면의 아래쪽으로 밀려 내려가려는 것을 방지해주는 크기로 정해지고,
    상기 각속도 보상값은, 상기 추종 각속도와 상기 실제 각속도 간의 차이값에 대하여 비례적분(PI) 제어를 수행하여 산출하는 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 사용자가 상기 유모차의 뒷바퀴만 지면에서 떨어지도록 들어 올린 상태에서 상기 힘센서가 출력하는 힘 측정값을 소정의 환산표를 참조하여 상기 유모차의 실제 총질량으로 환산하여 상기 토크 보상값을 산출하는 단계에 적용되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 복수의 바퀴들과, 상기 바퀴들에 결합되어 지지되는 바디 프레임과, 상기 바디 프레임에 결합된 손잡이부를 포함하는 유모차, 노인용 보행기, 산업용 수레, 또는 마트용 카트와 같은 이송장치(이하, '유모차'로 통칭함)에 부가되어 전동 동력을 제공하기 위한 제어 장치로서,
    상기 유모차에 설치되어, 사용자가 상기 유모차에 가하는 힘을 측정하는 힘센서;
    상기 유모차에 설치되어, 상기 유모차가 위치하는 지점의 경사각을 측정하는 경사센서;
    상기 유모차에 설치되어, 상기 유모차의 속도와 등가적인 실제 각속도를 측정하는 속도센서;
    입력되는 모터구동신호에 의해 구동되어 회전력을 발생시켜 상기 복수의 바퀴들의 적어도 일부를 회전시키도록 하는 모터부;
    입력되는 구동제어신호에 의거하여 모터구동신호를 생성하여 상기 모터부에 제공하는 모터구동부;
    상기 모터부의 구동에 필요한 에너지원으로 사용되는 배터리; 및
    상기 힘센서의 출력신호로부터 상기 유모차 구동에 관한 사용자의 의사를 파악하여 그 의사에 맞는 추종 각속도를 산출함과 더불어 상기 속도센서가 검출하여 피드백해주는 상기 유모차의 실제 각속도가 상기 추종 각속도를 추종하도록 하기 위한 각속도 보상값과, 상기 경사센서가 측정하는 '유모차가 위치한 지점의 경사각'과 상기 유모차의 총 질량에 의해 상기 유모차가 경사면에서 밀려 내려가는 힘을 보상하기 위한 토크 보상값을 포함하는 상기 구동제어신호를 생성하여 상기 모터구동부에 제공함으로써 상기 모터부의 구동을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 힘센서의 출력신호의 크기가 제1 범위 이내이면 상기 유모차를 정지하려는 사용자 의사(이하, '정지 의사'라 함)로 판별하고, 상기 제1 범위를 벗어나면 상기 유모차를 구동하려는 사용자 의사(이하, '구동 의사'라 함)로 판별하며, 상기 정지 의사로 판별되면 상기 힘센서의 출력신호에 정지 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하고, 상기 구동 의사로 판별되면 상기 힘센서의 출력신호에 구동 시 기준모델에 따른 전달함수를 적용하여 상기 추종 각속도를 산출하고,
    상기 각속도 보상값은, 상기 추종 각속도와 상기 실제 각속도 간의 차이값에 대하여 비례적분(PI) 제어를 수행하여 산출하고,
    상기 토크 보상값은, 상기 유모차가 위치하는 경사면의 경사각에 상관없이 사용자가 경사면에서도 평지와 같은 힘을 가하여 상기 유모차를 구동할 수 있도록 하기 위해, 상기 유모차의 실제 총질량에 작용하는 중력에 의해 경사면의 아래쪽으로 밀려 내려가려는 것을 방지해주는 크기로 정해지는 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서, 상기 유모차의 총 질량은, 사용자가 상기 유모차의 뒷바퀴만 지면에서 떨어지도록 들어 올린 상태에서 상기 힘센서가 출력하는 힘 측정값을 상기 제어부에서 소정의 환산표를 참조하여 환산한 상기 유모차의 실제 총 질량인 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 장치.
  11. 제6항에 있어서, 상기 모터부와 상기 바퀴들은 상기 모터부가 상기 바퀴들의 허브 안으로 일체화되어 상기 바퀴들을 직접 구동하는 인휠 모터인 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 장치.
  12. 제6항에 있어서, 상기 모터부에서 발생시킨 회전력을 상기 바퀴들의 적어도 일부에게 전달하여 그 바퀴들의 회전 구동을 보조하는 동력전달부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 동력 보조 안전 유모차 제어 장치.
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