KR100865810B1 - 회전형 운동기구의 부하 제어 장치 및 부하 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 헬스용 사이클 또는 일립티컬 머신과 같은 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 장치 및 방법으로서, 더욱 상세하게는 영구자석 발전기 및 저항체로 구성되는 회로의 온/오프 스위칭 제어를 통해 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
헬스용 사이클, 일립티컬 머신, 운동기구, 부하 제어.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 장치를 나타내는 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 장치의 스위칭 회로부 및 스위칭 회로 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 영구자석 발전기 200 : 저항체
300 : 스위칭 회로부 400 : 스위칭 회로 제어부
500 : 홀 센서 600 : 운동량 연산부
310 : 다이액 320 : 3극 사이리스터
410 : 가변저항 420 : 커패시터
본 발명은 헬스용 사이클 또는 일립티컬 머신과 같은 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 장치 및 방법으로서, 더욱 상세하게는 영구자석 발전기 및 저항체로 구성되는 회로의 온/오프 스위칭 제어를 통해 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 건강 증진용 운동기구의 부하장치는 중력을 이용하는 웨이트 방식과, 유체 점성의 저항을 이용한 유압 실린더 방식, 회전 바퀴에 마찰력을 가하는 브레이크 방식, 그리고 회전하는 도체에 자성체를 근접시켜 유도 전류를 발생시키는 마그네틱 방식이 있다.
그러나 웨이트 방식은 근력운동 이외의 운동에는 부하로서 사용하기 어렵고, 무게가 무거워서 협소한 곳에서는 사용이 불편하며, 부하의 강도를 단계적으로만 조절할 수 있어 연속적인 강도 조절은 불가능하다.
유압 실린더 방식은 간단한 원리이기 때문에 무게와 부피가 작으나, 사용자가 운동부하를 용이하게 조절하는 것이 어렵다.
브레이크 방식은 장치의 내구성이 다른 방식에 비해 떨어지며, 소음과 먼지가 발생되고 정지마찰력이 운동마찰력보다 크기 때문에, 실제 운동을 시뮬레이션하기 힘들다.
또한 마그네틱 방식은 유도전류로 인한 충분한 부하를 얻기 위해서 무거운 플라이휠(fly-wheel)을 쓰기 때문에 기구의 무게가 많이 증가하고, 사용자에게 부여 할 수 있는 최대 부하의 크기가 상대적으로 작은 단점이 있다.
또한, 상술한 종래의 기술들은 컴퓨터를 통해 부하의 크기를 제어하고, 사용 자가 운동하는 정보를 컴퓨터와 쌍방향으로 송수신하는 것이 어려웠다. 부하를 제어하기 위해서는 기계적인 액츄에이터와 같은 장치를 추가해야 하며, 사용자의 운동 정보를 얻기 위해서도 추가적인 센서를 구비해야 한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 회전형 운동기구의 부피 및 무게를 줄일 수 있고, 회전형 운동기구의 부하의 크기를 선형으로 제어할 수 있으며, 회전형 운동기구 사용자 또는 컴퓨터가 운동부하를 용이하게 제어할 수 있어 실제 실외에서 운동하는 것과 같은 시뮬레이션이 가능하고, 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 용이하게 측정할 수 있는 회전형 운동기구의 부하 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따르면, 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 장치로서, 회전형 운동기구의 회전체에 연결되어, 회전체의 회전시 전자기유도에 의해 전력을 생성하는 영구자석 발전기; 상기 영구자석 발전기로부터 생성된 전력을 소비하는 저항체; 상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로를 온/오프(on/off) 스위칭하는 스위칭 회로부; 및 상기 스위칭 회로부의 온/오프 비율을 조정하는 스위칭 회로 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 방법으로서, 회전형 운동기구의 회전체에 연결된 영구자석 발전기가 회전체의 회전시 전자기유도에 의해 전력을 생성하는 단계; 저항체가 상기 영구자석 발전기로부터 생성된 전력을 소비하는 단계; 상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로의 온/오프 비율을 결정하는 단계; 결정된 온/오프 비율에 따라 상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로를 온/오프 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 대한 설명에 앞서, 본 발명에서 회전형 운동기구의 부하를 제어하는 원리에 대하여 먼저 설명한다.
영구자석 발전기, 저항체 및 스위치를 직렬로 구성한 회로에서 스위치를 온(On)하여 폐회로로 만든 다음 영구자석 발전기를 동작시키면 큰 부하가 걸리게 된다. 그리고 스위치를 오프(Off)하여 개회로로 만든 다음 영구자석 발전기를 동작시키면 에너지를 소비하는 저항체가 없는 회로와 같기 때문에 부하가 걸리지 않게 된다. 따라서 스위치의 온/오프 비율을 조정하면 영구자석 발전기를 일정 속도로 회전시키는데 필요한 부하의 크기를 선형적으로 제어할 수 있게 된다. 이 때 온/오프 횟수를 1초에 100회 이상으로 하면 사용자는 부하의 변동을 느끼지 못하게 된다. 본 발명은 이러한 원리를 이용하여 회전형 운동기구의 부하를 제어한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하 는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 장치를 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
부하 제어 장치는 영구자석 발전기(100), 저항체(200), 스위칭 회로부(300), 스위칭 회로 제어부(400)를 포함하며, 홀 센서(500) 및 운동량 연산부(600)를 추가적으로 포함할 수 있다.
영구자석 발전기(100)는 회전형 운동기구의 회전체에 연결되어, 회전체의 회전시 전자기 유도에 의해 전력을 생성하는 구성이다. 사용자가 회전형 운동기구를 사용하는 경우에 사용자의 운동에 의해 회전형 운동기구의 회전체가 회전하게 되고 이 회전체에 연결된 영구자석 발전기는 전자기 유도 현상에 의해 전력을 생성하게 된다.
저항체(200)는 영구자석 발전기(100)로부터 생성된 전력을 소비하는 구성이 다. 저항체(200)는 사용자가 회전체를 회전운동시키는 경우에 영구자석 발전기(100)에 의해 생성된 전력을 소비한다. 저항체(200)에서 소비되는 전력량을 회로의 스위칭에 의해 제어함으로써 영구자석 발전기(100)에 연결된 운동기구의 부하를 제어할 수 있다. 저항체(200)로서는 LED 또는 램프와 같은 발광체 또는 발열체를 사용할 수 있다. 발광체를 사용하는 경우에는, 사용자가 운동하는 동안 발광체에서 빛이 방출되며, 사용자의 운동량이 큰 경우에는 영구자석 발전기(100)에 의해 생성되는 전력량이 크므로 더 밝은 빛이 방출된다. 따라서, 사용자는 발광체로부터 나오는 빛의 세기로부터 자신의 운동량을 직관적으로 인식할 수 있다.
스위칭 회로부(300)는 영구자석 발전기(100)와 저항체(200)를 포함하는 회로를 온/오프 스위칭하는 구성이다. 스위칭 회로부(300)는 스위칭 소자인 SCR(Silicon-Controlled Rectifier Thyristor), FET 또는 TR 등을 사용하여 구성할 수 있다. 스위칭 회로 제어부(400)는 스위칭 회로부(300)의 온/오프 비율을 조정하는 구성이다.
스위칭 회로 제어부(400)는 운동기구의 부하를 제어하기 위한 회로의 온/오프 스위칭 비율을 결정하고 결정된 온/오프 비율에 따라 스위칭 회로부(300)을 동작시킨다. 스위칭 회로 제어부(400)에서 조정된 온/오프 비율에 따라 스위칭 회로부(300)가 회로를 온/오프 스위칭한다. 스위칭 회로 제어부(400)를 PC, PDA 또는 휴대전화 등의 디지털 장치와 연결하여 디지털 장치로부터의 신호에 기초하여 온/오프 비율을 조정하는 것도 가능하다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 회로부(300) 및 스위칭 회로 제어부(400)에 대하여 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 스위칭 회로부(300)는 3극 사이리스터(320) 및 다이액(310)을 포함하고, 스위칭 회로 제어부(400)는 가변저항(410) 및 커패시터(420)을 포함한다.
3극 사이리스터(320)는 영구자석 발전기(100)와 저항체(200)를 포함하는 회로의 온/오프 스위칭을 수행하는 구성이다. 본 실시예에서는 트라이액을 3극 사이리스터(320)로 사용하였으나, 다른 실시예에서는 SCR(Silicon-Controlled Rectifier Thyristor)을 3극 사이리스터(320)로 사용할 수도 있다.
다이액(310)은 가변저항(410)의 양단에 걸리는 전압에 따라 3극 사이리스터(320)의 온/오프 스위칭을 제어하는 구성이다.
가변저항(410)은 다이액(310)을 트리거시키는 전압의 크기 및 위상을 조절하여 온/오프 비율을 결정하는 구성이다. 가변저항(410)으로서, 아날로그형 저항을 사용할 수도 있고, 전자볼륨과 같은 디지털형 저항을 사용할 수도 있다.
커패시터(420)는 가변저항(410)과 직렬 접속되어 RC 회로를 구성한다.
이하에서는 가변저항(410)의 크기를 최대, 대, 중, 소, 최소로 한 경우, 스위칭 회로부(300) 및 스위칭 회로 제어부(400)의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
가변저항(410)의 크기를 "최대"로 하면, 가변저항(410)의 양단에 걸리는 전압(VR)이 최대가 되고 트리거 전압(VC)이 최소가 되어 다이액(310)은 트리거 레벨에 도달하지 못하게 되므로 3극 사이리스터(320)는 도통되지 않는다. 따라서, 전체 회 로는 오프(off)되어 저항체(200)에서 에너지가 소비되지 않기 때문에 운동자는 기계적인 마찰로 생기는 부하 이외의 부하는 느끼지 못하게 된다.
가변저항(410)의 크기를 "대(大)"로 하면 가변저항(410)의 양단에 걸리는 전압(VR)은 대(大)가 되고 트리거 전압(VC)이 소(小)가 되어 다이액(310)은 트리거 레벨에 도달하는 시간이 늦어지므로 3극 사이리스터(320)는 도통되는 시간이 도통되지 않는 시간보다 적어진다. 따라서, 전체 회로가 온되는 시간이 오프되는 시간보다 적어지게 되고, 저항체(200)에서 소(小) 에너지가 소비되어 운동자는 약한 운동부하를 느끼게 된다.
가변저항(410)의 크기를 "중(中)"으로 하면 가변저항(410)의 양단에 걸리는 전압(VR)도 중(中)이 되고 트리거 전압(VC)도 중(中)이 되어 다이액(310)의 트리거는 중간 속도로 이루어지며 3극 사이리스터(320)는 도통되는 시간과 도통되지 않는 시간이 동일하게 된다. 따라서, 전체 회로가 온되는 시간과 오프되는 시간이 동일하게 되고, 저항체(200)에서 중(中) 에너지가 소비되어 운동자는 중간 정도의 운동부하를 느끼게 된다.
가변저항(410)의 크기를 "소(小)"로 하면 가변저항(410)의 양단에 걸리는 전압(VR)은 소(小)가 되고 트리거 전압(VC)은 대(大)가 되어 다이액(310)의 트리거가 빠르게 이루어지며 3극 사이리스터(320)는 도통되는 시간이 도통되지 않는 시간보다 많아진다. 따라서, 전체 회로의 온되는 시간이 오프되는 시간보다 많아지게 되고, 저항체(200)에서 대(大) 에너지가 소비되어 운동자는 강한 운동부하를 느끼게 된다.
가변저항(410)의 크기를 "최소"로 하면 가변저항(410)의 양단에 걸리는 전압(VR)은 최소가 되고 트리거 전압(VC)은 최대가 되어 다이액(310)은 항상 트리거 되며 3극 사이리스터(320)도 항상 도통된다. 따라서, 전체 회로는 항상 폐회로가 되고, 저항체(200)에서 최대 에너지가 소비되어 운동자는 최대의 운동부하를 느끼게 된다.
다시 도 2로 돌아가서, 홀 센서(500) 및 운동량 연산부(600)에 대하여 설명한다.
홀 센서(500)는 영구자석 발전기(100)와 저항체(200)를 포함하는 회로에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 세기를 검출하는 구성이다. 영구자석 발전기(100)에 의해 생성된 전력에 의해 회로에 전류가 흐르게 되고, 전자기 유도 현상에 의해 회로 주변에 자기장이 형성된다. 홀 센서(500)는 이 때 발생한 자기장을 검출하게 된다.
운동량 연산부(600)는 홀 센서(500)로부터 검출된 자기장의 세기에 기초하여 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 계산하고, 계산된 운동량을 표시하는 구성이다. 홀 센서(500)에 의해 검출된 자기장의 세기는 운동기구 사용자의 운동량에 비례하게 된다. 따라서, 운동량 연산부(600)는 자기장의 세기로부터 사용자의 운동량을 계산할 수 있고, 이것을 표시하여 사용자가 자신의 운동량을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 장치에 따르면, 회전형 운동기구의 부피 및 무게를 줄일 수 있고, 회전형 운동기구의 부하의 크기를 선형으로 제어할 수 있으며, 회전형 운동기구 사용자 또는 컴퓨터가 운동부하를 용이하게 제어할 수 있어 실제 실외에서 운동하는 것과 같은 시뮬레이션이 가능하고, 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 용이하게 측정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 방법을 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 회전형 운동기구의 회전체에 연결된 영구자석 발전기(100)가 회전체의 회전시 전자기 유도에 의해 전력을 생성한다(S310). 사용자가 회전형 운동기구를 사용하는 경우에 사용자의 운동에 의해 회전형 운동기구의 회전체가 회전하게 되고 이 회전체에 연결된 영구자석 발전기는 전자기 유도 현상에 의해 전력을 생성하게 된다.
그리고, 저항체(200)는 영구자석 발전기(100)로부터 생성된 전력을 소비한다(S320). 저항체(200)는 사용자가 회전체를 회전운동시키는 경우에 영구자석 발전기(100)에 의해 생성된 전력을 소비한다. 저항체(200)로서 LED를 사용하는 경우에, 사용자가 운동하는 동안 LED에서 빛이 방출되며, 사용자의 운동량이 큰 경우에는 영구자석 발전기(100)에 의해 생성되는 전력량이 크므로 더 밝은 빛이 방출된다. 따라서, 사용자는 LED의 빛의 세기로부터 자신의 운동량을 알 수 있다.
그리고, 영구자석 발전기(100)와 저항체(200)을 포함하는 회로의 온/오프 비 율을 결정하고(S330), 결정된 온/오프 비율에 따라 영구자석 발전기(100)와 저항체(200)를 포함하는 회로를 온/오프 스위칭한다(S340).
그리고, 영구자석 발전기(100)와 저항체(200)을 포함하는 회로에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 세기를 검출한다(S350). 영구자석 발전기(100)에 의해 생성된 전력에 의해 회로에 전류가 흐르게 되고, 전자기 유도 현상에 의해 회로 주변에 자기장이 형성되는데, 이 때 발생한 자기장을 검출한다.
그리고, 검출된 자기장의 세기에 기초하여 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 계산하고(S360), 계산된 운동량을 표시한다(S370). 검출된 자기장의 세기는 운동기구 사용자의 운동량에 비례하게 되므로, 자기장의 세기로부터 사용자의 운동량을 계산할 수 있고, 이것을 표시하여 사용자가 자신의 운동량을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 제어 방법에 따르면, 회전형 운동기구의 부피 및 무게를 줄일 수 있고, 회전형 운동기구의 부하의 크기를 선형으로 제어할 수 있으며, 회전형 운동기구 사용자 또는 컴퓨터가 운동부하를 용이하게 제어할 수 있어 실제 실외에서 운동하는 것과 같은 시뮬레이션이 가능하고, 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 용이하게 측정할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따르면, 회전형 운동기구의 부피 및 무게를 줄일 수 있고, 회전형 운동기구의 부하의 크기를 선형으로 제어할 수 있으며, 회전형 운동기구 사용자 또는 컴퓨터가 운동부하를 용이하게 제어할 수 있어 실제 실외에서 운동하는 것과 같은 시뮬레이션이 가능하고, 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 용이하게 측정할 수 있다.
Claims (14)
- 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 장치로서,회전형 운동기구의 회전체에 연결되어, 회전체의 회전시 전자기유도에 의해 전력을 생성하는 영구자석 발전기;상기 영구자석 발전기로부터 생성된 전력을 소비하는 저항체;상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로를 온/오프(on/off) 스위칭하는 스위칭 회로부; 및상기 스위칭 회로부의 온/오프 비율을 조정하는 스위칭 회로 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 스위칭 회로부는 사이리스터, FET 또는 TR 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 세기를 검출하는 홀 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 스위칭 회로 제어부는,다이액을 트리거시키는 전압의 크기 및 위상을 조절하여 온/오프 비율을 결정하는 가변저항; 및상기 가변저항과 직렬 접속되어 RC 회로를 구성하는 커패시터를 포함하고,상기 스위칭 회로부는,상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로의 온/오프 스위칭을 수행하는 3극 사이리스터; 및상기 가변저항의 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 3극 사이리스터의 온/오프 스위칭을 제어하는 다이액을 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제4항에 있어서,상기 가변저항은 전자볼륨인 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제5항에 있어서,상기 전자볼륨은 디지털 장치에 연결되어 저항의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 저항체는 LED 또는 램프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제3항에 있어서,상기 홀 센서로부터의 검출된 자기장의 세기에 기초하여 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 계산하고, 계산된 운동량을 표시하는 운동량 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 회전형 운동기구는 헬스용 사이클 또는 일립티컬 머신 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부하 제어 장치.
- 회전형 운동기구의 운동부하를 제어하기 위한 방법으로서,회전형 운동기구의 회전체에 연결된 영구자석 발전기가 회전체의 회전시 전자기유도에 의해 전력을 생성하는 단계;저항체가 상기 영구자석 발전기로부터 생성된 전력을 소비하는 단계;상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로의 온/오프 비율을 결정하는 단계;결정된 온/오프 비율에 따라 상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로를 온/오프 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
- 제10항에 있어서,상기 영구자석 발전기와 상기 저항체를 포함하는 회로에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 세기를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
- 제11항에 있어서,검출된 자기장의 세기에 기초하여 회전형 운동기구 사용자의 운동량을 계산하는 단계; 및계산된 운동량을 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
- 제10항에 있어서,상기 저항체는 LED 또는 램프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
- 제10항에 있어서,상기 회전형 운동기구는 헬스용 싸이클 또는 일립티컬 머신 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
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