KR100869012B1 - 정밀도가 향상된 부하 측정 장치 및 부하 측정 기능을가지는 운동 장치 - Google Patents

정밀도가 향상된 부하 측정 장치 및 부하 측정 기능을가지는 운동 장치 Download PDF

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Abstract

부하를 정밀하게 측정하기 위한 부하 측정 장치 및 이를 포함하는 운동 장치가 개시된다. 스트레인 게이지를 포함하는 로드 셀에 인가되는 부하를 측정하기 위한 장치는 부하를 로드 셀에 인가하는 부하 인가부 및 부하에 따라 스트레인 게이지의 양단에 발생되는 전압을 이용하여 부하를 연산하기 위한 부하 연산부를 포함하며, 부하 인가부는, 로드 셀에 점접촉하여 부하를 로드 셀에 직접적으로 인가한다. 또한, 부하 인가부는, 소정 길이의 부하 강체를 통하여 로드 셀과 점접촉하며, 부하 강체는 소정 중량의 캘리브레이션 추가 매달리기에 충분한 길이를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하여 운동 장치에 작용하는 부하를 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

정밀도가 향상된 부하 측정 장치 및 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치{Load measuring device with improved accuracy and excercise apparatus having load measuring capability}
도 1은 종래 기술에 의한 부하 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 측면에 의한 부하 측정 장치를 나타내는 도면들이다.
도 3a는 도 2b에 도시된 로드 셀 및 부하 인가부의 형상을 더욱 상세히 나타내는 도면이다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a에 도시된 로드 셀 및 부하 인가부의 정면도 및 우측면도이다.
도 4a는 도 3b에 도시된 부하 인가부에 캘리브레이션 추가 매달린 형상을 나타내는 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같은 캘리브레이션 추의 중량에 상응하여 로드 셀에 발생되는 출력 전압 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 운동 장치에 관한 것으로서, 특히, 인가되는 부하를 정밀하게 측정하기 위한 부하 측정 장치 및 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치에 관한 것이다.
바쁜 일상에 시달리는 현대인들의 운동량은 부족하며, 특히, 컴퓨터 기술의 발전에 기인하여 현대인들은 컴퓨터 앞에서 생활하는 일이 많기 때문에, 마우스 조작이나 키보드 조작과 같은 단순 반복적인 운동 외에는 운동량이 절대적으로 부족한 실정이다. 뿐만 아니라, 인터넷의 급속한 보급에 따라, 현대인들의 컴퓨터 앞에서 보내는 시간은 더욱 증가하고 있다. 따라서, 운동 부족에 기인한 다양한 성인병이 현대인의 건강을 위협하고 있으며, 이에 대한 경각심이 고조된다.
특히, 생활 수준의 향상에 힘입어, 단지 의식주를 해결하면서 사는 것이 아니라, 건강한 신체를 가지고 얼마나 나은 삶의 질을 누릴 수 있느냐가 가장 커다란 관심사로 부각되었다. 최근의 웰빙 열풍은 이와 같은 현대인의 건강에 대한 관심이 얼마나 지대한지를 보여주는 일 예이다.
운동에 대한 관심이 증대됨에 따라서 다양한 운동 기구들이 개발되었다. 이러한 운동 기구에는 아령과 같은 단순한 운동 보조 기구로부터, 피트니스 센터에서 볼 수 있는 전문 운동 장치까지 다양한 운동 장치가 포함된다. 이러한 운동 장치 중에서 사용자가 가정에서 손쉽게 운동할 수 있도록 일반 가정에서 이용될 수 있는 장치들도 다양하게 개발되었다.
이러한 운동 장치들 중에 널리 이용되는 것 중에는 싸이클 타입의 운동 장치 및 러닝 머신이 포함된다. 러닝 머신의 경우 대표적인 유산소 운동인 조깅, 파워 워킹, 및 노르딕 워킹을 적은 실내 공간에서 즐길 수 있다는 점에서 널리 이용된다. 특히, 싸이클 운동 장치는 러닝 머신과 달리 관절에 가해지는 부하를 감소시킬 수 있으므로 관절이 약한 사용자에게 널리 이용된다.
싸이클 운동 장치를 이용한 운동 효과를 극대화하기 위하여, 싸이클 운동 장치의 운동 부하를 조절할 수 있는 장치가 이용된다. 사용자는 싸이클 운동 장치의 운동 부하를 조절함으로써 오르막 및 내리막길에서 달리는 듯한 효과를 얻을 수 있으며, 운동 강도를 조절함으로써 운동 효과를 향상시킬 수도 있다. 또한, 사용자가 싸이클 운동 장치에 가하는 부하를 측정함으로써 사용자의 건강 상태를 분석하고, 이에 상응하여 바람직한 운동 처방을 내리는 것도 가능하다.
도 1은 종래 기술에 의한 부하 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 부하 측정 장치(150)는 디스크에 인가되는 구동력을 검출한다. 디스크는 회전축(110), 전자석(130), 및 플라이휠(140)을 포함한다. 사용자에 의하여 전자석(130)이 회전되면, 제1 와이어(155)는 수직으로 상승되고, 제2 와이어(160)는 수직으로 하강된다. 수직으로 상승되는 힘은 로드 셀(150)에 의하여 측정된다. 제2 와이어(160)는 하단부에 부착된 탄성 스트립(165)에 의하여 팽창되어 전자석(130)에 인가되는 힘의 영점을 조정한다. 로드 셀(150)이 제1 와이어(155)에 의하여 상향으로 당겨지면, 로드셀의 표면에 부착된 스트레인 게이지들의 양단에 인가되는 전압이 변경된다. 변경된 전압치는 디지털 신호로 변환되며, 부하 연산부(미도시)는 변환된 디지털 신호에 기반하여 디스크에 인가된 부하를 연산한다.
그런데, 도 1에 도시된 부하 측정 장치는 다음과 같은 문제점을 가진다.
우선, 전자석(130)에 인가되는 부하가 클 경우 제1 와이어(155)를 당기는 힘이 커지는데, 제1 와이어(155)가 지탱할 수 있는 수준 이상의 부하가 인가되면 제1 와이어가 단선될 수 있다. 또한, 와이어 자체의 장력에 기인하여, 측정되는 부하가 정밀하지 못하다. 뿐만 아니라, 도 1에 도시된 부하 측정 장치는 제1 와이어(155)가 로드 셀과 구슬과 같은 장치를 이용하여 연결된다. 그러므로, 과도한 힘이 가해질 경우, 제1 와이어(155)가 로드 셀로부터 분리될 수 있다. 더 나아가, 로드 셀(150)의 캘리브레이션은 제2 와이어(160)의 하단부에 추를 매달아서 간접적으로 수행하기 때문에 캘리브레이션이 복잡하고, 측정 정밀도가 낮다.
그러므로, 운동 장치에 인가되는 큰 값의 부하를 용이하게 측정할 수 있음은 물론, 캘리브레이션이 용이한 부하 측정 장치가 절실히 요구된다.
본 발명의 목적은 디스크에 인가되는 부하를 와이어를 이용하지 않고 직접 측정함으로써, 큰 값의 부하를 용이하게 측정할 수 있는 부하 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 디스크에 인가되는 부하를 점접촉을 통하여 로드 셀에 전달함으로써 로드 셀의 측정 결과의 정밀도를 향상시키기 위한 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 부하 인가부에 직접적으로 캘리브레이션 추를 매달아 측정되는 출력 전압에 기반하여 로드 셀에 인가되는 부하를 계산함으로 써, 로드 셀의 캘리브레이션 과정을 정밀하게 수행함으로써, 사용자가 인가하는 구동력을 정밀하게 측정하기 위한 싸이클 운동 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일면은, 적어도 하나 이상의 스트레인 게이지를 포함하는 로드 셀(load cell)에 인가되는 부하를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 부하 측정 장치는 부하를 로드 셀에 인가하는 부하 인가부 및 부하에 따라 스트레인 게이지의 양단에 발생되는 전압을 이용하여 부하를 연산하기 위한 부하 연산부를 포함하며, 부하 인가부는, 로드 셀에 점접촉하여 부하를 로드 셀에 직접적으로 인가하는 것을 특징으로 한다. 또한, 부하 인가부는, 소정 길이의 부하 강체(rigid element)를 통하여 로드 셀과 점접촉하며, 부하 강체는 소정 중량의 캘리브레이션 추(calibration mass)가 매달리기에 충분한 길이를 가지는 것이 바람직하다. 더 나아가, 부하 연산부는 캘리브레이션 추의 중량을 변경함에 상응하여 발생되는 전압을 참조하여 부하를 연산하며, 스트레인 게이지는 풀-브리지(full-bridge) 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다. 뿐만 아니라, 동심으로 설치되며 상호 소정거리 이격된 플라이휠 및 전자석 간의 인력에 상응하여 부하가 발생되며, 플라이휠 및 전자석 간의 인력은 플라이휠의 회전 속도에 따라 변경된다. 바람직하게는, 로드 셀은 플라이휠의 회전 방향과 실질적으로 직각을 이루도록 플라이휠의 회전축으로부터 소정 거리 이격되어 배열되고, 부하 인가부는 로드 셀의 회전 방향과 동일한 방향으로 로드 셀에 부하를 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 면은, 스테 퍼(stepper), 노젓기 기구(rowing machine), 바이크, 걷기 운동 기구 및 손 운동 기구와 같은 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치에 관한 것이다. 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치는, 사용자에 의하여 인가되는 구동력에 상응하는 부하를 발생시키는 부하 발생부, 부하 발생부에서 발생된 부하를 적어도 하나 이상의 스트레인 게이지를 포함하는 로드 셀에 인가하는 부하 인가부 및 부하에 따라 스트레인 게이지의 양단에 발생되는 전압을 이용하여 부하를 연산하기 위한 부하 연산부를 포함하고, 부하 인가부는, 로드 셀에 점접촉하여 부하를 로드 셀에 직접적으로 인가하는 것이 바람직하다. 또한, 부하 발생부는 동심으로 설치되며 상호 소정거리 이격된 플라이휠 및 전자석을 포함하고, 인력은 플라이휠의 회전 속도에 따라 변경되는 것을 특징으로 한다. 로드 셀은 플라이휠의 회전 방향과 실질적으로 직각을 이루도록 플라이휠의 회전축으로부터 소정 거리 이격되어 배열되고, 부하 인가부는 로드 셀의 회전 방향과 동일한 방향으로 로드 셀에 부하를 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여 운동 장치에 인가되는 부하를 정밀하게 측정할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 대하여, 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 측면에 의한 부하 측정 장치를 나타내는 도면들이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 회전체(280)는 페달(미도시)에 의하여 구동되고, 회전체(280)의 회전력은 기어군(290)에 의하여 일정한 회전수비로 변환되어 부하 발생부(220)로 전달된다. 회전체(280) 및 부하 발생부(220) 간의 회전수를 조절해야 하는 이유는 다음과 같다. 일반적으로 회전체(280)는 페달에 의하여 고속 회전하는데 반하여 부하 발생부(220)는 저속 회전한다. 이러한 회전수비는 곧 회전체(280) 및 부하 발생부(220)에 작용하는 힘의 차이가 된다. 일반적으로, 1:6의 회전수비를 가지는 디스크가 널리 이용된다. 이것은, 회전체(280)에 120kg중의 힘이 가해졌을 경우, 부하 발생부(220)에는 20kg중의 힘만이 인가된다는 것을 나타낸다. 이와 같이 회전체(280) 및 부하 발생부(220) 간의 회전수비를 조절함으로써 부하 발생부(220)의 동작의 신뢰성을 향상시키고 싸이클 운동 장치의 내구성을 증진시킬 수 있다. 회전체(280)는 스프로켓(sprocket)일 수 있다.
부하 발생부(220)는 회전축(210), 전자석(230) 및 플라이휠(240)을 포함한다. 회전체의 회전수는 홀 센서들(미도시)을 이용하여 검출될 수 있다. 이 경우, 홀 센서들에 의하여 검출되는 회전수는 회전체(280)와 연동되어 회전하는 회전판(276)의 회전수일 수 있다. 회전판(276)의 회전수가 검출되면, 검출된 회전수는 기어군(290)에 의하여 일정한 회전수비로 변환된다. 홀 센서의 구성 및 동작에 대해서는 공지된 바 있으므로 명세서의 간략화를 위하여 상세한 설명이 생략된다.
본 발명에서 디스크에 가해지는 부하란 사용자가 페달 등을 통하여 디스크를 회전시키기 위하여 가하는 힘을 나타낸다. 부하는 플라이휠(240) 및 전자석(230) 간의 인력 및 상기 플라이휠(240)의 회전 속도에 따라서 변경된다. 예를 들어, 전자석(230) 및 플라이휠(240)간의 자기력이 증가한다고 가정한다. 전자석(230)의 자기력은 전자석에 인가되는 전압의 크기를 증가시키거나, PWM(Pulsewidth Modulation) 방식으로 제어되는 전압의 지속 시간(duration)을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 전자석(230)의 자기력이 증가되면, 전자석(230) 및 플라이휠(240) 간의 인력이 증가된다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
사용자에 의하여 페달(미도시)이 회전하면, 기어군(290) 또는 체인(미도시)에 의해 연결된 플라이휠(240)이 회전한다. 그러면, 전자석(230) 및 플라이휠(240) 간의 전기 및 자기작용에 따라 플라이휠(240)과 전자석(230) 간에 인력이 발생한다. 그 이유는, 도체인 플라이휠(240)이 전자석(230)에 의해서 발생한 불균일한 자계 속에서 회전함에 따라 자계의 변화를 방해하려는 방향으로 암페어의 법칙에 의해 플라이휠(240) 내에 전류가 발생되고, 발생된 전류와 전자석(230)에 흐르는 전류와의 사이에 인력이 발생하기 때문이다. 이러한 인력은 플라이휠(240)의 회전 속도가 증가할수록 더 커진다. 또한, 전자석(230) 및 플라이휠(240) 간의 간격이 작을수록 인력은 강해진다. 전자석(230)은 플라이휠(240)을 따라서 회전하려고 하지만, 전자석(230)에 연결된 부하 인가부(도 3a의 356)가 로드 셀(250)에 의하여 차단되므로 회전할 수 없다. 이 때, 전자석(230)의 회전력을 로드 셀(250)이 측정한다. 로드 셀(250) 및 강체(356)의 형상에 대해서는 도 3a 및 도 3b를 이용 하여 상세히 후술된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 로드 셀(250)은 종래 기술에 의한 부하 측정 장치와는 달리, 와이어를 이용하지 않고 직접적으로 전자석(230)이 회전하고자 하는 힘을 수용한다. 그러므로, 부하를 정밀하게 측정할 수 있다.
페달 위치 센서(272, 274)는 회전체(280)의 소정 부분에 형성된 홀(hole)을 검출할 수 있다. 홀들은 페달의 소정 위치에 대한 관련성을 가지도록 형성되며, 페달 위치 센서(272, 274)들에 의하여 검출된다. 페달 위치 센서(272, 274)로는 근접 센서가 이용될 수 있다. 근접 센서란 평소에 일정한 전압을 출력하다가 금속과 가까워지면 0V의 전압을 출력하는 센서이다. 홀들이 페달 위치 센서(272, 274)에 근접하지 않는 동안에는 페달 위치 센서(272, 274)는 소정 레벨의 전압을 출력한다. 페달 위치 센서의 출력 전압은 회로 구성에 따라 변경될 수 있으며, 예를 들어, 5V 이거나 24V일 수 있다. 만약 홀들이 페달 위치 센서(272, 274)에 접근한다면 근접 센서에는 도체가 가까이 존재하지 않게 되고, 따라서 페달 위치 센서(272, 274)의 출력은 0V가 된다. 따라서, 근접 센서의 출력 전압을 분석함으로써 홀을 검출할 수 있고, 홀이 검출되면 홀 및 페달 간의 위치 관계에 기반하여 페달이 왼쪽 발에 의하여 구동되는지 오른 발에 의하여 구동되는지 여부를 판단할 수도 있다. 이와 같이, 힘을 가하는 발이 왼발인지 오른발인지를 검출하면 왼발 및 오른발 각각의 근력 등 다양한 정보를 측정할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 로드 셀(250) 및 페달 위치 센서(272, 274)로부터 출력된 신호는 ADC(미도시)를 통하여 디지털 신호로 변환된 후 부하 연산부(미도 시)로 전달된다. 또는, 로드 셀(250) 및 페달 위치 센서(272, 274)로부터 출력된 신호는 소정의 통신 인터페이스를 통하여 외부의 처리 장치로 전달될 수도 있다. 부하 연산부는 수신된 디지털 신호를 처리하여 부하를 연산한다. ADC 및 부하 연산부의 구성에 대해서는 당업자에게 공지되어 있으므로 상세한 설명이 생략된다.
가요성 부재부(260)는 전자석(230)을 로드 셀(250)과 접촉하도록 고정시킨다. 가요성 부재부(260)를 이용하여 전자석(230)이 좌우로 움직이지 않도록 방지할 수 있으므로, 부하가 로드 셀에 정확하게 전달되도록 할 수 있다.
도 3a는 도 2b에 도시된 로드 셀을 더욱 상세히 나타내는 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 부하 발생부(320)의 플라이휠(340)은 회전축(310)을 중심으로 회전한다. 전자석(330) 및 플라이휠(340) 간에 작용되는 인력은 강체(356)를 통하여 로드 셀(350)에 직접적으로 인가된다. 또한, 가요성 부재부(360)는 스프링에 의하여 상향 팽창되는 가요성 부재(362)를 포함함으로써, 전자석(330)을 고정시키는 역할을 수행한다. 로드 셀(350)은 플라이휠(340)의 회전에 이끌려 회전하려는 전자석(330)의 회전력을 측정하기 위해 플라이휠(340)의 회전방향과 수직으로 부하 발생부(320)의 몸체에 설치된다. 로드 셀(350)에 힘을 가하는 부하 인가부(356)는 전자석(330)의 회전축(310)에서 일정거리 이격되어 설치된다.
부하 발생부(320)에 설치된 로드 셀(350)은 고정되어 있기 때문에 전자석이 회전할 때, 이 회전력이 전자석에 부착된 부하 인가부를 통해 로드 셀에 가해지게 된다. 로드 셀(350)은 'ㄷ' 자 형태를 가지고 있으며, 부하를 직접적으로 수용하는 부하 수용부(352) 및 부하 수용부(352)에 의하여 미세하게 휘어지는 만곡부(354)를 포함한다. 만곡부(354) 상에는 스트레인 게이지(미도시)들이 구현된다. 부하 수용부(352)에는 강한 부하가 직접 인가되기 때문에, 부하 수용부(352)는 두께가 굵은 강성체로 형성되는 것이 바람직하다. 반면에 만곡부(354)는 부하 수용부(352)에 인가되는 부하에 따라서 휘어져야 하므로 상대적으로 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하다. 도 3a에서와 같이 로드 셀(350)을 'ㄷ'자 형태로 구현할 경우, 만곡부(354)의 좌단부 및 우단부는 각각 반대 방향으로 만곡된다. 도 3a에서, 부하 수용부(352)에 대하여 수직 하방으로 부하가 작용한다. 그러면, 만곡부(354)의 좌단부는 아래로 볼록하게 만곡되고, 우단부는 위로 볼록하게 만곡된다.
만곡부(354)의 상부 표면에는 다수 개의 스트레인 게이지들이 풀 브리지 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 이 경우, 만곡부(354)의 좌측에 구현된 스트레인 게이지들은 수축되고, 만곡부(354)의 우측에 구현된 스트레인 게이지들은 인장된다. 로드 셀(350)에서, 스트레인 게이지들의 양단에 발생되는 전압은 스트레인 게이지들의 길이 변화에 따라서 변화된다. 그러므로, 스트레인 게이지들을 풀 브리지 형태로 구현함으로써, 스트레인 게이지들의 길이 변화를 더욱 정확하게 측정할 수 있으므로 인가되는 부하의 크기도 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 가진다. 이 경우, 스트레인 게이지 양단에 생성되는 전압치는 0.8mV 정도로 매우 미세하므로, 최대 부하가 인가되었을 경우 최대 출력을 바람직한 범위(예를 들어, 5V) 이내로 제한하기 위하여 적정한 증폭률을 이용하여 증폭된다. 예를 들어, 증폭률은 약 500일 수 있다.
도 3a에 도시된 부하 수용부(352)의 상부는 반구형으로 형성됨으로써, 강체(356)와 점접촉 하도록 구현되는 것이 바람직하다. 강체(356)와 부하 수용부(352)가 면접촉이나 선접촉 한다면, 로드 셀(350)에 의하여 측정되는 부하는 접촉 위치에 따라서 변동될 수 있으므로 정밀도가 저하된다. 또한, 강체(356) 및 부하 수용부(352)가 비스듬한 형태로 접촉되면 변형력의 측정이 매우 불안정해진다. 따라서, 강체(356) 및 부하 수용부(352)를 점접촉 시킴으로써 접촉되는 면적을 최소화시킴으로써 안정적으로 부하의 변화량을 측정할 수 있다. 즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 로드 셀(350)의 부하 수용부(352) 및 강체(356)는 하나의 점에 의하여 상호 접촉됨으로써, 전자석(330)의 회전력이 모두 로드 셀(350)에 인가되도록 하는 것이 바람직하다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a에 도시된 강체(356) 및 로드 셀(350) 간의 접촉 상태를 도시하는 정면도 및 우측면도이다. 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 로드 셀(350)의 부하 수용부(352)의 중심 부분은 구형으로 돌출되어 있으므로, 강체(356)와 부하 수용부(352)는 점접촉한다는 것을 알 수 있다.
도 4a는 도 3b에 도시된 부하 인가부에 캘리브레이션 추가 매달린 형상을 나타내는 도면이다.
도 4a에 도시된 부하 측정 장치에서는 소정 중량의 캘리브레이션 추(410)를 직접 강체(356)에 매달고, 캘리브레이션 추(410)의 중량에 의하여 로드 셀(250)에 인가되는 부하를 측정한다. 강체(356)는 캘리브레이션 추(410)를 매달기에 충분한 길이를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 부하 측정 장치에서 캘리브레이션이 필요한 이유는, 외부의 충격이나 흔들림에 의하여 로드셀 장착부가 변형되거나, 가요성부재의 영향으로 증폭률이 변경될 수 있기 때문이다. 그러므로, 부하 측정 장치를 최초 제조할 때뿐만 아니라, 부하 측정 장치를 이용하는 동안에도 캘리브레이션을 수행함으로써 측정 정밀도를 높일 수 있다.
캘리브레이션을 위하여, 서로 다른 상이한 중량을 가지는 캘리브레이션 추(410)가 이용된다. 예를 들어, 캘리브레이션 추(410)의 중량은 5kg, 10kg, 15kg, 20kg, 25kg일 수 있다. 더 많은 추를 이용할수록 캘리브레이션 결과의 정밀도가 향상된다.
다양한 중량을 가지는 캘리브레이션 추(410)를 강체(356)에 매달면, 로드 셀(250)에 인가되는 부하가 측정된다. 측정된 부하는 이용된 캘리브레이션 추(410)의 중량에 상응하여 저장된다. 그러면, 측정된 부하들(캘리브레이션 포인트들)을 이용하여 캘리브레이션 그래프를 생성하고, 이에 기반하여 로드 셀(250)의 출력전압으로부터 상응하는 회전 부하의 절대크기를 결정할 수 있다. 즉, 캘리브레이션 추(410)는 로드 셀(250)에 인가되는 부하의 범위(Range)를 조절하는 용도로 사용되며, 예를 들어, 5kg의 추를 인가했을 때, 1.67V 만큼의 전압이 상승하도록 조절할 수 있다. 예를 들어, 5kg의 캘리브레이션 추(410)를 매달았을 경우 1.67V의 아날로그 전압 값이 측정되었고, 이러한 아날로그 전압 값은 ADC를 통하여 약 340의 디지털 값으로 변환될 수 있다. 또한, 10kg의 캘리브레이션 추(410)를 이용할 경우, 3.54V의 아날로그 전압 값과 689의 디지털 값이 측정되고, 15kg의 캘리브 레이션 추(410)를 이용할 경우, 5V의 전압 값과 약 1024의 디지털 값이 측정될 수 있다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 캘리브레이션 그래프를 생성할 수 있다.
도 4b는 각각 5kg, 10kg, 15kg의 추를 강체(356)에 매달아서 측정한 로드 셀(250)의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
로드 셀(250)의 출력 전압은 디지털 값으로 변환되고, 그 결과를 선형화하여 도 4b에 도시된 그래프를 얻을 수 있다. 이 경우, 그래프는 완전한 직선이 아닐 수 있으나, 회귀 분석 등의 수학적 방법을 이용하여 측정치들 간의 전압 값들을 근사화할 수 있다. 즉, 8kg의 부하를 생성하고 싶다면, 부하 연산부에서 캘리브레이션 곡선의 5kg과 10kg사이의 범위 내에서 8kg의 값을 찾아낼 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션 추(410)의 무게가 10kg 일 때, ADC값이 650이고, 15kg 일 때, ADC 값이 1000이라고 가정을 하면, 11kg 일 때 다음 수학식 1과 같이, ADC값은 약 720 정도가 된다.
Figure 112007025241768-pat00001
수학식 1에서는 산술 평균이 이용되었으나, 종래의 다양한 수학적 모델링 기법이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 부하 측정 장치는 싸이클 운동 장치(미도시) 내에 구현되어, 사용자가 사이클 운동을 수행하는 동안에 사용자의 다양한 신체 정보를 측정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 운동 장치는 스테퍼, 노젓기 운동 장치, 헬스 바이크, 걷기 운동 기구 및 손 운동 기구 등 다양한 장치일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 운동 장치는 사용자를 운동하도록 유도하고, 사용자가 인가하는 구동력에 상응하는 부하를 발생하는 모든 장치일 수 있다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하여 디스크에 인가되는 부하를 와이어를 이용하지 않고 측정할 수 있다. 그러므로, 큰 값의 부하를 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여 싸이클 운동 장치에 인가되는 부하를 정밀하게 측정할 수 있으며, 부하 측정 장치를 정밀하게 캘리브레이션할 수 있다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나 이상의 스트레인 게이지를 포함하는 로드 셀(load cell)에 인가되는 부하를 측정하기 위한 장치에 있어서,
    소정 중량의 캘리브레이션 추(calibration mass)가 매달리기에 충분한 길이를 가지는 부하 강체(rigid element)를 통하여 상기 부하를 상기 로드 셀에 직접적으로 인가하는 부하 인가부 및
    상기 부하에 따라 상기 스트레인 게이지의 양단에 발생되는 전압 및 상기 캘리브레이션 추의 중량을 변경함에 상응하여 발생되는 전압을 이용하여 상기 부하를 연산하기 위한 부하 연산부를 포함하며, 상기 로드 셀은,
    상기 부하가 직접적으로 작용되는 부하 수용부 및 상기 부하 수용부에 부하가 인가되면 만곡되는 만곡부를 포함하고,
    상기 부하 강체는 상방으로 형성된 상기 부하 수용부의 반구면과 점접촉되는 것을 특징으로 하는 부하 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지는 풀-브리지(full-bridge) 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 부하 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부하는,
    동심으로 설치되며 상호 소정거리 이격된 플라이휠 및 전자석 간의 인력에 상응하여 발생되며, 상기 인력은 상기 플라이휠의 회전 속도에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 부하 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 플라이휠은,
    사용자가 인가하는 구동력에 의하여 회전되는 것을 특징으로 하는 부하 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 로드 셀은,
    상기 플라이휠의 회전 방향과 실질적으로 직각을 이루도록 상기 플라이휠의 회전축으로부터 소정 거리 이격되어 배열되고, 상기 부하 인가부는,
    상기 로드 셀의 회전 방향과 동일한 방향으로 상기 로드 셀에 상기 부하를 인가하는 것을 특징으로 하는 부하 측정 장치.
  8. 운동 장치에 있어서,
    사용자에 의하여 인가되는 구동력에 상응하는 부하를 발생시키는 부하 발생부;
    소정 중량의 캘리브레이션 추가 매달리기에 충분한 길이를 가지는 부하 강체를 통하여 상기 부하를 적어도 하나 이상의 스트레인 게이지를 포함하는 로드 셀에 직접적으로 인가하는 부하 인가부; 및
    상기 부하에 따라 상기 스트레인 게이지의 양단에 발생되는 전압 및 상기 캘리브레이션 추의 중량을 변경함에 상응하여 발생되는 전압을 이용하여 상기 부하를 연산하기 위한 부하 연산부를 포함하며, 상기 로드 셀은,
    상기 부하가 직접적으로 작용되는 부하 수용부 및 상기 부하 수용부에 작용된 부하에 의하여 만곡되는 만곡부를 포함하고,
    상기 부하 강체는 상방으로 형성된 상기 부하 수용부의 반구면과 점접촉되는 것을 특징으로 하는 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 부하 발생부는 동심으로 상호 소정거리 이격되어 설치되는 플라이휠 및 전자석을 포함하며,
    상기 부하는, 상기 플라이휠의 회전 속도에 따라 변경되는 상기 플라이휠 및 전자석 간의 인력에 상응하여 발생되는 것을 특징으로 하는 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 로드 셀은,
    상기 플라이휠의 회전 방향과 실질적으로 직각을 이루도록 상기 플라이휠의 회전축으로부터 소정 거리 이격되어 배열되고, 상기 부하 인가부는,
    상기 로드 셀의 회전 방향과 동일한 방향으로 상기 로드 셀에 상기 부하를 인가하는 것을 특징으로 하는 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 운동 장치는,
    스테퍼(stepper), 노젓기 기구(rowing machine), 바이크, 걷기 운동 기구 및 손 운동 기구 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 부하 측정 기능을 가지는 운동 장치.
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