KR100419459B1 - Unicycle having stabilization Mechanism - Google Patents

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KR100419459B1
KR100419459B1 KR10-2001-0021402A KR20010021402A KR100419459B1 KR 100419459 B1 KR100419459 B1 KR 100419459B1 KR 20010021402 A KR20010021402 A KR 20010021402A KR 100419459 B1 KR100419459 B1 KR 100419459B1
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박선순
김영도
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주식회사 다원시스
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Abstract

본 발명은 단일바퀴를 갖는 자전거의 전후 및 좌우 방향으로 넘어지려 하는 근원적 불안정성을 해결하기 위하여, 단일바퀴 자전거의 안정화 메커니즘을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a stabilization mechanism of a single-wheeled bicycle, in order to solve the fundamental instability to fall in the front and rear and left and right directions of a bicycle having a single wheel.

이러한 안정화 메커니즘을 갖는 단일바퀴 자전거는 자전거를 이동시키는 한 개의 바퀴(31), 이 바퀴를 중심으로 각 구성품을 고정시키기 위한 프레임(32), 구동력을 얻기 위한 페달(33), 허브(34), 자전거를 전후 좌우로 안정화시키기 위한 원판형 플라이휘일(39), 이 플라이휘일(39)을 안정되게 고정시키기 위한 안정지지박스(38)와 지지박스(38)에 고정된 축과 베어링(미도시), 플라이휘일(39)을 회전시키기 위한 소형 전동기(37), 소형 전동기(37)에 전기를 공급하기 위한 밧데리(36), 전동기에의 전기를 공급 또는 차단하기 위한 스위치(미도시), 및 승차를 위한 안장(35)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.The single wheel bicycle having such a stabilization mechanism includes one wheel 31 for moving the bicycle, a frame 32 for fixing each component about the wheel, a pedal 33 for obtaining driving force, a hub 34, A disc-shaped flywheel 39 for stabilizing the bicycle from side to side, and a shaft and bearing fixed to the support box 38 and the support box 38 for stably fixing the flywheel 39. , A small electric motor 37 for rotating the flywheel 39, a battery 36 for supplying electricity to the small electric motor 37, a switch (not shown) for supplying or cutting off electricity to the electric motor, and riding It is characterized by consisting of a saddle 35 for.

이렇게 구성함으로써, 본 발명은 운전자가 무게 중심을 이동하여 넘어짐을 방지할 수 있는 시간적인 여유가 많아져서 운전자가 충분히 넘어짐을 방지할 수 있게 된다.With this configuration, the present invention increases the time margin for the driver to move the center of gravity to prevent the fall, thereby preventing the driver from falling sufficiently.

Description

안정화 메카니즘을 갖는 단일바퀴 자전거 {Unicycle having stabilization Mechanism}Unicycle having stabilization Mechanism

본 발명은 단일바퀴를 갖는 자전거에 관한 것이다. 특히, 자전거가 전후로 넘어지려 하는 외발 자전거의 근원적 불안정성을 극복하여 자전거가 잘 넘어지지 않도록 하는 안정화 복원 메커니즘을 갖는 자전거에 관한 것이다.The present invention relates to a bicycle having a single wheel. In particular, the present invention relates to a bicycle having a stabilization restoration mechanism that overcomes the instability of the unicycle, which the bicycle is about to fall back and forth, to prevent the bicycle from falling.

도 1은 단일바퀴를 갖는 자전거를 개략적으로 도시한 것이다. 단일바퀴를 갖는 자전거는 기본적으로 한 개의 바퀴(1), 허브(2), 안장(3), 페달(4) 및 프레임(5)으로 이루어진다. 단일바퀴를 갖는 자전거는 지면에 단 하나의 점에서만 접촉, 다시 말하면 점 접촉되어 있으므로 하단 끝이 뾰족한 막대기를 평평한 바닥에 세우려 할 때와 유사하게, 사방 360도 어느 방향으로도 넘어질 수 있는 개연성을 가지고 있다. 따라서, 단일바퀴를 갖는 자전거는 서커스 단원 등 고도의 훈련된 사람들만이 제한적으로 탈 수 있으며, 이들 조차도 매우 큰 노력 및 집중과 긴장 속에서 타야할 정도로 고도의 숙련도를 요한다.1 schematically shows a bicycle having a single wheel. A bicycle with a single wheel basically consists of one wheel 1, a hub 2, a saddle 3, a pedal 4 and a frame 5. Bicycles with single wheels are only in contact with the ground at one point, that is, they are in point contact, so the probability of falling in any direction 360 degrees in all directions is similar to when trying to erect a pointed bar on a flat surface. Have. Thus, a bicycle with a single wheel can only ride a limited number of highly trained people, such as circus members, and even these require a high degree of proficiency to ride in very high effort, concentration and tension.

이러한 단일바퀴 자전거에서 전후방으로 넘어짐을 방지를 위한 안정화 메커니즘을 갖는 단일바퀴 자전거가 본 출원인의 선행 특허출원 제2000-10176호에 제시되어 있는데, 이 단일바퀴 자전거는 도 2와 같이 한 개의 바퀴(21)를 중심으로 각 구성품을 고정시키기 위한 프레임(22), 구동력을 얻기 위한 페달(23), 허브(24), 안정화 메커니즘을 구동시키기 위한 소형 전동기(25) 및 풀리(26), 안정화 복원 메커니즘을 구동시키기 위한 콘트롤러(27), 전동기(25)에 전기를 공급하기 위한 축전지(28) 및 승차를 위한 안장(29)으로 구성된다.A single wheel bicycle having a stabilization mechanism for preventing the fall of the single wheel bicycle forward and backward is presented in the applicant's prior patent application No. 2000-10176, which is a single wheel bicycle 21 as shown in FIG. Frame 22 for fixing each component, pedal 23 for driving force, hub 24, small electric motor 25 and pulley 26 for driving stabilization mechanism, and stabilization restoring mechanism. It consists of a controller 27 for driving, a storage battery 28 for supplying electricity to the electric motor 25, and a saddle 29 for riding.

이 선행 발명에서 두 바퀴 자전거와 마찬가지로 좌우로 넘어지려는 작용은 운전자의 감각적 조작, 다시 말하면 넘어지려는 방향으로 방향을 조정함으로써 어느 정도 해결할 수 있으나, 운전자가 페달을 밟을 때 힘이 좌측 또는 우측으로 쏠리게 되어 좌우 불안정성은 여전히 존재한다. 또한, 이 선행 발명을 구현하기 위하여 큰 토오크를 필요로 하므로 상대적으로 큰 출력의 전동기(25)를 필요로 하고, 이 전동기를 구동하기 위한 밧데리(28) 역시 큰 용량을 필요로 하므로 전체 시스템을 소형화시키기가 어렵고 제작원가 역시 증대되는 한편 외관적 구조가 단순하지 못한 단점이 있다.Like the two-wheeled bicycle in this prior invention, the action of falling to the left and right can be solved to some extent by adjusting the direction of the driver's sensational operation, that is, the direction of falling, but the force is left or right when the driver presses the pedal. The left and right instability still exists. In addition, since a large torque is required to implement this prior invention, a relatively large output electric motor 25 is required, and the battery 28 for driving the electric motor also requires a large capacity, thereby miniaturizing the entire system. It is difficult to make and the manufacturing cost is also increased while the appearance structure is not simple.

본 발명은 종래의 이러한 문제점을 감안하여, 단일바퀴 자전거에 있어서, 자전거가 전후 및 좌우로 넘어지려 하는 근원적 불안정성을 해결하기 위한 것으로서, 단지 작은 토오크를 요구하는 소형 전동기와 소형의 밧데리를 사용하여, 소형이고 저렴하며 전후 및 좌우 방향으로의 안정화 메커니즘을 갖는 외발 자전거를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION In view of these problems in the related art, the present invention is to solve the fundamental instability of the bicycle, which is to fall back and forth and to the left and right in a single wheel bicycle, by using a small electric motor and a small battery requiring only small torque, It is an object to provide a unicycle which is compact and inexpensive and has a stabilizing mechanism in the front and rear and right and left directions.

도 1은 종래의 기술에 따른 단일바퀴 자전거.1 is a single wheel bicycle according to the prior art.

도 2는 선출원인 전후방 넘어짐 방지 기능을 가진 단일바퀴 자전거.Figure 2 is a single wheel bicycle having a front and rear fall prevention function as a first source.

도 3는 본 발명에 따른 안정화 메카니즘을 갖는 단일바퀴 자전거.3 is a single wheel bicycle having a stabilization mechanism according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 안정화 메카니즘의 원리를 설명하는 도면.4 illustrates the principle of a stabilization mechanism according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

32 : 프레임 34 : 허브32: Frame 34: Hub

36 : 밧데리 37 : 소형 전동기36: battery 37: small electric motor

38 : 보호 지지박스 39 : 플라이휘일38: protective support box 39: flywheel

이러한 안정화 메커니즘을 갖는 단일바퀴 자전거는 도 3과 같이 자전거를 이동시키는 한 개의 바퀴(31), 상기 바퀴를 중심으로 각 구성품을 고정시키기 위한 프레임(32), 구동력을 얻기 위한 페달(33), 허브(34), 자전거를 전후 좌우로 안정화시키기 위한 원판형 플라이휘일(39), 이 플라이휘일(39)를 격리하고 이 플라이휘일(39)을 프레임(32)에 고정시키기 위한 보호지지박스(38)와, 이 보호지지박스(38)에 고정된 축과 베어링(미도시), 이 플라이휘일(39)을 회전시키기 위한 소형 전동기(37), 소형 전동기(37)에 전기를 공급하기 위한 밧데리(36), 전동기에의 전기를 공급 또는 차단하기 위한 스위치(미도시), 및 승차를 위한 안장(35)으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 따른 단일바퀴 자전거의 동작원리는 다음과 같다.Single wheel bicycle having such a stabilization mechanism is one wheel 31 for moving the bicycle as shown in Figure 3, the frame 32 for fixing each component around the wheel, the pedal 33 for obtaining the driving force, the hub 34, a disc-shaped flywheel 39 for stabilizing the bicycle from side to side, left and right, a protective support box 38 for isolating the flywheel 39 and fixing the flywheel 39 to the frame 32; And a shaft and a bearing (not shown) fixed to the protective support box 38, a small electric motor 37 for rotating the flywheel 39, and a battery 36 for supplying electricity to the small electric motor 37. ), A switch (not shown) for supplying or cutting off electricity to the electric motor, and a saddle 35 for riding. The operation principle of the single wheel bicycle according to this configuration is as follows.

먼저 운전자가 단일바퀴 자전거를 수직으로 세우고, 전동기(37)를 구동시키기 위한 스위치를 온시키면 전동기(37)가 작동하여 자전거의 프레임(32)과 수평축을 이루어 고정되어 있는 플라이휘일(39)을 회전 가속하게 된다. 이 플라이휘일(39)이 회전 가속되면, 마치 회전하고 있는 팽이가 쓰러지지 않고 회전하듯이, 플라이휘일(39)의 회전에 의해 플라이휘일 축을 쓰러지지 않게 하는 힘이 플라이휘일(39)에 결합된 보호지지박스를 통해 프레임(32)에 전달되어 단일바퀴 자전거를 전후좌우로 안정되게 유지시키려는 힘이 작용한다.First, when the driver raises the single wheel bicycle vertically and turns on the switch for driving the electric motor 37, the electric motor 37 operates to rotate the flywheel 39 fixed in a horizontal axis with the frame 32 of the bicycle. Will accelerate. When the flywheel 39 is accelerated in rotation, the protective support coupled to the flywheel 39 is a force that prevents the flywheel shaft from falling down by the rotation of the flywheel 39 as if the spinning top rotates without falling. It is transmitted to the frame 32 through the box, the force acts to keep the single wheel bicycle stable front, rear, left and right.

이제, 이렇게 프레임(32)에 고정된 플라이휘일(39)이 회전하는 경우에, 단일바퀴 자전거가 전후, 좌우로 잘 쓰러지지 않고 안정하게 유지될 수 있는 원리에 대하여 도 4를 참고로 하여 살펴 보도록 한다.Now, when the flywheel 39 fixed to the frame 32 is rotated, the principle that the single wheel bicycle can be stably maintained without falling down from side to side, will be described with reference to FIG. 4. .

회전하고 있는 플라이휘일이 축적하고 있는 에너지는 수식 (1)로 표현 된다The energy accumulated by the rotating flywheel is represented by equation (1).

(1) (One)

여기서 E는 플라이휘일의 축적에너지, J는 플라이휘일의 관성모멘트, ωr는 플라이휘일의 회전각속도이다.Where E is the accumulated energy of the flywheel, J is the moment of inertia of the flywheel, and ω r is the rotational angular velocity of the flywheel.

이때 운전자 및 단일바퀴 자전거의 질량을 M이라하고, 이 질량 M의 무게 중심이 지표면의 수직 축으로부터 φ의 넘어짐 각도를 갖는다면, 아래 수식 (2)와 같이 넘어지려하는 토오크 Tf를 갖는다.At this time, the mass of the driver and the single-wheeled bicycle is M, and if the center of gravity of the mass M has a fall angle of φ from the vertical axis of the ground surface, it has a torque T f that is about to fall as shown in Equation (2) below.

(2) (2)

여기서 g는 중력가속도이고, l은 바퀴축으로부터 운전자와 단일바퀴 자전거의 무게중심까지의 거리이다.Where g is gravity acceleration and l is the distance from the wheel axle to the center of gravity of the driver and single wheel bike.

수식 (2)에 따른 넘어지려는 토오크에 의하여 넘어짐 각도가 증가하려할 때, 이에 반대하려는 안정화 토오크 Tr는 수식 (3)에 따라 발생하게 된다.When the fall angle is increased due to the torque to fall according to equation (2), the stabilizing torque Tr to be opposed to this occurs according to equation (3).

(3) (3)

즉, 수식 (2)와 수식 (3)은 평형을 이루므로 아래의 수식 (4)를 만족해야 한다. 또한 도 4의 벡터(aωr)는 플라이휘일(39)의 회전 각속도(ωr)의 방향을 표시하는 단위 벡터이다.That is, since Equations (2) and (3) are in equilibrium, the following Equation (4) must be satisfied. In addition, vector (a ωr) of Figure 4 is a unit vector indicating the direction of the rotation angular velocity (ω r) of the flywheel (39).

(4) (4)

수식 (4)는 다시 수식 (5)로 정리 된다.Equation (4) is rearranged into Equation (5).

(5) (5)

수식 (5)로부터 플라이휘일(39)의 회전 관성 모멘트(J)가 클수록, 플라이휘일의 회전속도(ωr)를 높일수록, 넘어짐 각속도(ωφ또는∂ωr/∂φ)를 매우 낮게 유지시킬수 있다. 다시 말하면, 플라이휘일(39)의 관성모멘트를 크게하거나 플라이휘일(39)의 회전 속도(wr)를 크게 하면, 넘어짐 각속도(∂wr/∂φ)가 적어져 보다 천천이 넘어지게 되어, 운전자가 무게 중심을 이동하여 넘어짐을 방지할 수 있는 시간적인 여유가 많아져서 운전자가 충분히 넘어짐을 방지할 수 있게 된다.From equation (5), the larger the rotational moment of inertia (J) of the flywheel 39, the higher the rotational speed (ω r ) of the flywheel, the lower the fall angular velocity (ω φ or ∂ω r / ∂φ) You can. In other words, when the moment of inertia of the flywheel 39 is increased or the rotational speed w r of the flywheel 39 is increased, the fall angular velocity (∂w r / ∂φ) decreases, causing a slower fall. There is more time for the driver to move the center of gravity to prevent the driver from falling, thus preventing the driver from falling sufficiently.

예를 들어, 둥근테 형의 플라이휘일의 반경을 10cm, 플라이휘일 무게 5Kg, 플라이이휘일 회전속도 300rps, 운전자 무게 50Kg, 넘어짐 각도 10도에서, 넘어짐 각속도는 약 1 rad/sec 로서, 이 속도로서는 넘어질 때까지의 걸리는 시간은 약 1.5초 걸리게 되므로, 이 시간은 운전자가 충분히 무게 중심을 교정할수 있는 시간이다.For example, at a round frame-shaped flywheel 10 cm, flywheel 5 kg, flywheel rotational speed 300 rpm, driver weight 50 Kg, and fall angle 10 degrees, the fall angular velocity is about 1 rad / sec. It takes about 1.5 seconds to lose, so this time is enough for the driver to correct the center of gravity.

이상에서는 본 발명에 따른 안정화 메카니즘이 전후 방향으로의 넘어짐을 지연시키는 역할을 한다고 기재하였으나, 이와 같은 안정화 메카니즘은 전후간 뿐만 아니라 좌우 방향에 대하여도 같은 원리가 적용 된다. 특히, 두 바퀴 자전거와는 다르게, 운전자가 페달을 밟을 때, 무게 중심이 좌측 또는 우측으로 쏠리게 됨에 따른 좌우 넘어짐에 대한 안정화 동작은 매우 효과적으로 작용한다.In the above description that the stabilization mechanism according to the present invention serves to delay the fall in the front and rear direction, the same principle is applied to the stabilization mechanism as well as to the left and right directions. In particular, unlike two-wheeled bicycles, when the driver pedals, the stabilization action against left and right falls as the center of gravity is squeezed left or right works very effectively.

이상에서는 본 발명의 설명의 편의상 어느 정도 특정한 실시예의 형태로 기재하였으나, 이러한 기재 사항은 오직 실시 예로서 제시된 것이고, 당업자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 본 발명과 유사한 효과를 가지는 다양한 변형이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들면 원판형 플라이휘일 대신에 자동차 바퀴 휠처럼 가운데에 날개가 있고 가장자리에는 림이 있는 구조 또는 부채살 모양의 날개가 있는 구조도 가능하다. 또한 플라이휘일의 회전속도를 높이기 위하여 전동기 축과 플라이휘일축 사이에 변속 장치(예를 들면, 변속기어, 풀리)를 설치하는 것도 가능하다.In the above description for convenience of description of the present invention to some extent in the form of specific embodiments, these descriptions are presented by way of example only, those skilled in the art can be various modifications having a similar effect to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. You will know. For example, instead of a disc flywheel, it is possible to have a wing in the center, a rim at the edge, or a fan-shaped wing like a car wheel. In addition, in order to increase the rotational speed of the flywheel, it is also possible to install a transmission (for example, a gear and a pulley) between the motor shaft and the flywheel shaft.

본 발명은 단일바퀴를 갖는 자전거가 전후방 및 좌우방향으로 넘어지지 않도록, 전술한 바와 같은 안정화 메커니즘을 제공하여, 단일바퀴 자전거의 근원적 불안정성을 해결할 수 있다. 특히 운전자가 좌우 페달을 밟으면 무게중심이 좌우로 쏠리는 경우에도 안정화 메카니즘이 작동하는 효과를 갖는다. 또한 본 발명에 따른 구성은 전동기와 밧데리를 소형화 할 수 있으므로 제작원가를 크게 줄일 수 있다. 한편, 단일바퀴 자전거는 구조가 간단하며 소형으로 제작할 수 있으므로 승용차 등으로 쉽게 운반할 수 있어 일반 두발 자전거의 경우보다 쉽게 널리 이용될 수 있을 것이다. 또한 자전거 이용자들의 다양한 욕구를 충족시켜 주며, 레저 산업에 기여하는 효과를 가져올 것이다.The present invention provides a stabilization mechanism as described above so that the bicycle having a single wheel does not fall in the front, rear and left and right directions, thereby solving the instability of the single wheel bicycle. In particular, when the driver presses the left and right pedals, the stabilization mechanism works even when the center of gravity is turned left and right. In addition, the configuration according to the present invention can miniaturize the motor and the battery can significantly reduce the manufacturing cost. On the other hand, the single-wheeled bicycle is simple in structure and can be manufactured in a small size, so that it can be easily carried in a passenger car, etc., so that it can be more widely used than in the case of a general bicycle. It will also satisfy the various needs of bicycle users and will contribute to the leisure industry.

Claims (9)

단일바퀴 자전거에 있어서,For single wheel bikes, 프레임축(32)에 한쪽 단부가 고정되는 지지 구조에 의해 회전 가능하게 지지되고, 상기 프레임축(32)에 대하여 실질적으로 평행하며, 상기 프레임축(32)에 인접하여 설치되며, 동력원에 의해 회전하도록 구동되는 회전축과,It is rotatably supported by a support structure in which one end is fixed to the frame shaft 32, is substantially parallel to the frame shaft 32, and is installed adjacent to the frame shaft 32, and rotated by a power source. A rotating shaft driven to 상기 회전축에 연동되어 회전하는 플라이휘일을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 바퀴 자전거.Single wheel bicycle comprising a flywheel that rotates in conjunction with the rotation axis. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 플라이휘일이 회전 원판(39)인 것을 특징으로 하는 단일 바퀴 자전거.Single wheel bicycle, characterized in that the flywheel is a rotating disc (39). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 플라이휘일이 다수의 날개와 이 날개의 외측에 원주를 따라 설치된 림(rim)을 가지는 것을 특징으로 하는 단일 바퀴 자전거.And said flywheel has a plurality of wings and a rim installed circumferentially on the outside of the wing. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 동력원은 축전지(36)이고, 상기 축전지(36)에 의해 구동되는 전동기(37)에 의해 상기 회전축이 회전하는 것을 특징으로 하는 단일 바퀴 자전거.The power source is a storage battery (36), characterized in that the rotating shaft is rotated by an electric motor (37) driven by the storage battery (36). 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 플라이휘일과 외부를 격리하도록 하는 보호박스(38)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 단일 바퀴 자전거.Single wheel bicycle, characterized in that the protective box 38 is further installed to isolate the flywheel and the outside. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 동력원은 축전지(36)이고, 상기 축전지(36)에 의해 구동되는 전동기(37)에 의해 상기 회전축이 회전하며, 상기 플라이휘일과 외부를 격리하도록 하는 보호박스(38)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 단일바퀴 자전거.The power source is a storage battery 36, the rotation shaft is rotated by an electric motor 37 driven by the storage battery 36, characterized in that the protective box 38 is further provided to isolate the flywheel and the outside Single wheel bicycle. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 플라이휘일의 회전 속도를 높이기 위하여, 플라이휘일축과 전동기축 사이에 변속 장치를 설치하는 것을 특징으로 하는 단일바퀴 자전거.In order to increase the rotational speed of the flywheel, a single-wheel bicycle, characterized in that the transmission device is provided between the flywheel and the motor shaft. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 플라이휘일의 회전 속도를 높이기 위하여, 플라이휘일축과 전동기축 사이에 변속 장치를 설치하는 것을 특징으로 하는 단일바퀴 자전거.In order to increase the rotational speed of the flywheel, a single-wheel bicycle, characterized in that the transmission device is provided between the flywheel and the motor shaft. 단일바퀴 자전거의 넘어지는 속도를 지연시키는 방법에 있어서,In the method of delaying the falling speed of a single wheel bicycle, 프레임축(32)에 한쪽 단부가 고정되는 지지 구조에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 프레임축(32)에 대하여 실질적으로 평행하며 상기 프레임축(32)에 인접하여 설치되며 동력원에 의해 회전하도록 구동되는 회전축에 연동되어 회전하는 플라이휘일을 회전시켜, 단일바퀴 자전거의 넘어지는 속도를 지연시키는 것을 특징으로 하는 단일바퀴 자전거의 넘어짐 지연 방법.It is rotatably supported by a support structure in which one end is fixed to the frame shaft 32, is substantially parallel to the frame shaft 32, is installed adjacent to the frame shaft 32, and is driven to rotate by a power source. A fall delay method of a single wheel bicycle, wherein the flywheel rotates in association with a rotating shaft to delay the falling speed of the single wheel bicycle.
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