KR100974341B1 - 지능형 복합 오토바이크 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 지능형 복합 오토바이크가 개시된다. 상기 지능형 복합 오토바이크는, 사용자의 운동에 따라 수동적으로 회전되거나 또는 능동적으로 동력 자전되는 회전체를 포함하는 운동기구부와, 회전체와 연동되는 것으로, 자장 형성을 위해 다수의 영구자석을 갖춘 회전자와 회전자와 전자기적인 상호 작용을 하도록 구동코일이 감겨있는 고정자를 포함하는 발전 전동체와, 발전 전동체의 회전속도에 비례하는 출력전압으로부터 일정한 폭의 펄스 전압을 부하저항으로 공급하는 제1 드라이버 모듈과, 발전 전동체의 회전상태를 모니터링하고 현재의 회전상태와 동기되는 교류 전원을 발전 전동체에 대해 공급하는 제2 드라이버 모듈과, 사용자의 모드 전환에 따라 발전 전동체와 제1 및 제2 드라이버 모듈 사이를 상호 배타적으로 접속하는 절환 스위치, 및 모드 전환에 관한 사용자 인터페이스를 제공하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 근육 단련용 운동부하를 제공하는 일반운동모드와, 재활훈련을 목적으로 일정한 운동패턴을 생성하도록 동력 구동되는 재활훈련모드를 함께 지원하는 지능형 복합 오토바이크가 제공된다.

Description

지능형 복합 오토바이크{Intelligent Complex Autobike for both rehabilitation training and fitness exercise}

본 발명은 지능형 복합 오토바이크에 관한 것으로, 일반 사용자를 대상으로 근육 단련용 운동부하를 제공하는 일반운동모드와, 환자와 노약자들을 대상으로 재활훈련을 목적으로 하는 재활훈련모드를 함께 지원하는 복합 운동 기구에 관한 것이다.

신체장애로 인하여 거동이 불편하거나, 근력이 부족하여 신체활동이 어려운 환자나 노약자들로서는 스스로 운동하는 것이 쉽지 않더라도, 각 신체근육의 퇴화와 장기간 불사용에 따른 부작용을 예방하고 신체기능을 회복하기 위하여, 규칙적인 재활훈련을 통하여 경직된 근육을 풀어주고 각 신체 근육을 단련하는 것이 필요하다.

일반적인 재활훈련에서는 물리치료사나 간병인과 같은 보조자들의 조력을 동반하므로, 재활훈련에 소요되는 인건비 등의 제반 비용은 환자들에게 경계적인 부담이 되며, 인력부족이나 비용부담 등으로 충실한 재활훈련이 이루어지지 못할 경우, 심각한 신체 장애를 초래할 수 있다.

한편, 거동자체는 가능하지만 근력이 약한 노약자들로서는 자신의 건강상태에 따라 선택적으로 재활훈련을 받거나 또는 스스로 신체운동을 병행하는 것이 바람직한데, 예를 들어, 초반에는 재활훈련을 실시하여 근육활동이 익숙해진 다음, 자신의 의지에 따라 일반 운동으로 전환할 수 있도록 일반운동과 재활훈련의 기능을 복합적으로 제공하는 것이 필요하다.

본 발명은 근육 단련용 운동부하를 제공하는 일반운동모드와, 재활훈련을 목적으로 일정한 운동패턴을 생성하도록 동력 구동되는 재활훈련모드를 함께 지원하는 지능형 복합 오토바이크를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 지능형 복합 오토바이크는,

사용자의 운동에 따라 수동적으로 회전되거나 또는 능동적으로 동력 자전되는 회전체를 포함하는 운동기구부;

상기 회전체와 연동되는 것으로, 자장 형성을 위해 다수의 영구자석을 갖춘 회전자와, 상기 회전자와 전자기적인 상호 작용을 하도록 구동코일이 감겨있는 고정자를 포함하는 발전 전동체;

상기 발전 전동체의 회전속도에 비례하는 출력전압으로부터 일정한 폭의 펄스 전압을 부하저항으로 공급하는 제1 드라이버 모듈;

상기 발전 전동체의 회전상태를 모니터링하고, 현재의 회전상태와 동기되는 교류 전원을 상기 발전 전동체에 대해 공급하는 제2 드라이버 모듈;

사용자의 모드 전환에 따라 상기 발전 전동체와, 제1 및 제2 드라이버 모듈 사이를 상호 배타적으로 접속하는 절환 스위치; 및

모드 전환에 관한 사용자 인터페이스를 제공하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 절환 스위치는,

일반운동모드에서 상기 발전 전동체와 제1 드라이버 모듈을 접속시키고,

재활훈련모드에서 상기 발전 전동체와 제2 드라이버 모듈을 접속시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어, 상기 제1 드라이버 모듈은,

상기 발전 전동체와 부하저항 사이에 개재되어 on/off 방식으로 구동되는 적어도 하나 이상의 제1 스위칭 소자(switching element)를 포함하고,

상기 부하저항에 대해 일정한 펄스 폭(pulse width)으로 전원공급구간(Ton)과 전원차단구간(Toff)을 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 있어, 상기 제2 드라이버 모듈은,

상기 발전 전동체의 회전상태를 감지하여 위치신호를 출력하는 홀 센서;

상기 위치신호에 근거하여 스위칭 신호를 생성하는 콘트롤러; 및

상기 스위칭 신호에 의해 on/off 제어되는 제2 스위칭 소자(switching element)를 포함하여, 상기 발전 전동체에 공급할 교류 전원을 생성하는 인버터부;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 운동기구부는,

상기 회전체가 일 측에 회동 가능하게 지지되어 있는 수평 프레임;

상기 수평 프레임의 타 측으로부터 수직 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임;

상기 수직 프레임의 양측에 회동 가능하게 설치된 한 쌍의 회전 손잡이 부재들;

상기 각 회전 손잡이 부재에 장착되는 것으로, 그 길이방향으로 소정의 간극을 사이에 두고 이격되게 설치되어 있는 한 쌍의 지지롤러들; 및

상기 지지롤러들 사이에 개재되어 일단이 슬라이딩 가능하게 지지되는 한편, 그 타단은 크랭크 암을 개재하여 상기 회전체와 동력 연결되어 있고, 길이방향으로 그 중앙에는 사용자 접촉이 이루어지는 페달이 형성되어 있는 페달링크;를 포함한다.

한편, 상기 절환 스위치는 릴레이 소자로 구성될 수 있다.

본 발명의 지능형 복합 오토바이크에 의하면, 정상적인 신체활동이 가능한 일반인을 대상으로는 근육 단련을 위한 운동부하를 제공하는 한편으로, 신체거동이 불편한 환자 또는 근력이 약한 노약자들을 대상으로는 재활훈련모드를 지원함으로써, 하나의 기구를 이용하여 다양한 사용자들이 자신의 목적에 적합한 신체활동을 영위할 수 있는 장점이 있다. 또한, 신체기능이 떨어지는 노약자들의 경우에는 재활훈련과 일반운동을 적절히 병행함으로써, 보다 적극적인 방식으로 자신의 건강을 돌볼 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명의 지능형 복합 오토바이크에 의하면, 운동속도에 무관하게 항시 균일한 운동부하를 제공함으로써, 근력이 떨어지는 노약자나 환자 등에게 무리한 운동을 강요하지 않고 제품에 대한 소비자들의 신뢰성 및 만족도를 높일 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 지능형 복합 오토바이크에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 형태에 따른 지능형 복합 오토바이크의 전체적인 블록 구성도이다. 도면을 참조하면, 상기 지능형 복합 오토바이크는 일반운동모드에서는 사용자에 의해 수동적으로 동작되면서 운동 환경을 제공하고, 재활훈련모드에서는 사용자의 신체 일부를 일정한 운동경로를 따라 능동적으로 견인하면서 재활 치료를 수행하는 운동기구부(100, Elliptical)와, 상기 운동기구부(100)에 대해 근육 단련을 위한 적정의 운동부하를 제공하거나, 또는 일정한 운동경로를 생성하도록 동력원을 제공하는 BLDC 발전 전동체(200, BLDC)와, 상기 발전 전동체(200)의 입력신호와 발전전력 등 전기적인 입출력을 제어하도록 상기 발전 전동체(200)와 선택적으로 연결되는 제1, 제2 드라이버 모듈(300,400)과, 일반운동모드와 재활훈련모드 간의 모드 전환에 따라 발전 전동체(200)의 연결을 제1, 제2 드라이버 모듈(300.,400) 사이에서 전환시키는 절환 스위치부(600)와, 운동속도, 운동강도, 심장박동수와 같은 운동상태를 모니터링하여 디스플레이 패널(530) 상에 표시하며, 사용자 인터페이스(User interface, 510)를 제공하는 디스플레이부(500)를 구비한다.

한편, 상기 디스플레이부(500)는 일반운동모드와 재활훈련모드에 관한 사용자의 선택을 입력받도록 조작 버튼들이 제공되는 사용자 인터페이스(User Interface,510)와, 표시 기능을 수행하는 디스플레이 패널(Display Panel,530), 그리고, 상기 사용자 인터페이스(510)로부터의 사용자 입력에 대응하여 모드 전환 동작을 제어하는 한편으로, 운동거리, 운동시간 등에 관한 데이터를 디스플레이 패널(530) 측에 전달하여 표시되도록 하는 메인 컨트롤러(MCU,550)를 구비한다. 그리고, 본 발명의 오토바이크에는 운동 중 사용자의 심장박동수(heart rate)를 측정하기 위한 센싱 유닛이 추가적으로 마련될 수 있는데, 측정된 데이터를 디스플레이 패널(530) 상에 표시하기 위하여, 센싱 유닛으로부터 수신된 데이터를 가공하여 메인 컨트롤러(550)로 전달하는 데이터 리시버(heartrate receiver,520)가 추가로 마련될 수 있다.

상기 운동기구부(100)는 지면과 이격되어 있는 페달의 스탭핑(stepping)을 통하여 회전체가 공 회전됨으로써 고정된 위치에서 운동 환경을 제공하거나(일반운동모드), 역으로 회전체의 동력 자전을 통하여 페달의 스탭핑(stepping) 모션이 생성됨으로써 고정된 위치에서 재활치료를 받을 수 있도록(재활훈련모드) 구성되는 사이클(cycle), 스탭퍼(stepper), 또는 일립티컬(elliptical) 등의 다양한 기구로 구성될 수 있다.

도 2에는 운동기구부(100)의 일 실시 형태로서, 타원형 운동궤적을 형성하는 일립티컬(elliptical)이 도시되어 있다. 도시된 운동기구부(100)는 수평 프레임(110)과, 상기 수평 프레임(110)으로부터 대략 수직 상방으로 연장되는 수직 프레임(120)을 구비한다. 상기 수직 프레임(120)의 양측으로는 회전 손잡이 부재(130)가 배치되어 있다. 상기 회전 손잡이 부재(130)는 수직 프레임(120)의 양측 으로 돌출 형성되어 있는 회전축(125)에 의해 지지되어, 전후 방향을 따라 소정 각도로 선회된다.

각 회전 손잡이 부재(130)의 하부에는 서로 소정 간격을 두고 수직으로 이격되게 한 쌍의 지지롤러들(131,132)이 설치되어 있다. 쌍을 이루는 지지롤러들(131,132) 사이로는 페달링크(170)의 일단부가 개재되어 슬라이딩 가능하게 지지된다. 상기 페달링크(170)의 중앙에는 사용자의 스텝핑(stepping) 동작이 이루어지는 페달부분(171)이 형성되어 있으며, 페달링크(170)의 구동은 크랭크 암(160)을 통하여, 지지부재(155)에 의해 회동가능하게 고정되어 있는 회전체(150, flywheel)을 회전시키게 된다. 그리고, 상기 페달링크(170)의 운동은 보조링크(140)를 통하여 회전 손잡이 부재(130)를 선회시키게 된다.

상기한 바와 같이, 페달링크(170)가 고정된 위치에 직접적으로 힌지 고정되어 있지 않고, 한 쌍의 지지롤러들(131,132) 사이로 슬라이딩 가능하게 지지됨으로써, 페달링크(170)의 운동궤적이 원형으로 형성되는 것이 아니라, 자연스러운 도보 동작에 가까운 타원형으로 형성될 수 있으므로, 페달부분(171)이 사용자의 발에 지속적으로 접촉된 상태를 유지하여 운동의 안정감과 연속성을 줄 수 있는 장점이 있다.

상기 운동기구부(100)와 역학적으로 연결되어 있는 BLDC 발전 전동체(200)는, 일반운동모드에서 회전체(150)의 운동을 입력으로 하여 전기적인 에너지를 출력하는 발전 작용을 함과 동시에, 발전 과정에서 자연스럽게 형성되는 회전저항을 회전체(150)로 전달함으로써, 사용자가 적정의 운동부하를 느낄 수 있도록 한다. 또한 재활훈련모드에서, 상기 발전 전동체(200)는 상용전원을 입력으로 하여 회전체(100)에 대해 자전 동력을 제공함으로써, 예를 들어, 페달부분(170)의 모션을 따라 환자의 다리가 일정한 동선을 추종하여 움직이도록 한다.

상기 BLDC 발전 전동체(200)는 절환 스위치(600)를 개재하여 제1 드라이버 모듈(300) 또는 제2 드라이버 모듈(400)과 택일적으로 접속되며, 발전 전동체(200)와 전기적인 접속을 형성한 제1 및 제2 드라이버 모듈(300,400)은 주로 발전 전동체(200)로 입력되는 일련의 제어신호를 생성하거나, 발전 전동체(200)로부터 발생되는 출력전원의 흐름을 제어하게 된다. 즉, 상기 발전 전동체(200)는 사용자의 선택에 따라 일반운동모드 또는 재활훈련모드로 작동될 수 있는데, 제1 드라이버 모듈(300)은 일반운동모드를 지원하며, 상기 제2 드라이버 모듈(400)은 재활훈련모드를 지원한다.

상기 발전 전동체(200)는 BLDC(Brushless Direct Current) 구조로 이루어짐으로써, 회전속도에 따라 균일한 회전저항을 제공하여 급격한 부하의 증감에 따른 운동 충격을 줄일 수 있고, 특히 운동능력이 부족한 노약자의 경우, 필요 이상으로 과도한 운동부하가 걸리지 않도록 한다. 이에 대한 보다 상세히 설명은 후술하기로 한다.

도 3에는 BLDC(Brushless Direct Current)형 발전 전동체(200)의 단면구조가 도시되어 있다. 도시된 발전 전동체(200)는 크게, 원통형 단면을 갖는 하우징 어셈블리(211,212,213)와, 상기 하우징 어셈블리(211,212,213)의 내벽을 따라 고정적으로 장착되어 있는 고정자(stator,216)와, 상기 고정자(216)에 대해 자기장이 미치 는 공극(air gap)을 사이에 두고 마주하게 배치되어 회전 전계를 형성하는 회전자(rotor,219)를 포함하는 구조이다.

상기 하우징 어셈블리(211,212,213)는 원통형 실린더 구조의 하우징 본체(211)와, 상기 하우징 본체(211)의 전단부를 폐쇄하는 전단 커버(212), 및 하우징 본체(211)의 후단부를 폐쇄하는 후단 커버(213)를 포함하여 이루어진다. 상기 하우징 어셈블리(211,212,213)의 양단에는 저널 베어링(221,222)을 개재하여 하우징 어셈블리(211,212,213)를 관통하도록 조립되는 샤프트 축(220)이 회전 가능하게 지지되어 있다. 상기 고정자(216)는 규소강판, 니켈강판 등과 같은 자성강판의 적층체로 이루어진 고정자 요크부재(214)와 상기 고정자 요크부재(214)에 권취되어 있는 고정자 권선코일(215)을 포함하는 구조이다. 상기 회전자(219)는 샤프트 축(220) 상에 끼워 조립되는 회전자 요크부재(217)와, 그 외주 상에 형성된 슬롯(미도시)에 끼워 조립되어 있는 마그네트 조립체(218)를 포함한다. 상기 마그네트 조립체(218)는 페라이트 계열이나 희토류 계열의 자성체로 이루어질 수 있다. 상기 회전자 요크부재(217)는 규소강판, 니켈 강판 등과 같은 자성강판의 적층체로 이루어질 수 있다.

상기 샤프트 축(220)은 운동기구부(100, 보다 구체적으로 운동기구부의 회전체(150))와 동력 연결되어 이에 의해 연동된다. 예를 들어, 회전체(150)를 따라 샤프트 축(220)이 회전하기 시작하면, 샤프트 축(220)과 일체로 회전되는 마그네트 조립체(218)에 의해 고정자 권선코일(215)의 양단에서 유도 기전력이 발생되며, 권선코일(215)을 통하여 전기에너지가 출력된다. 한편, 동 도면에서 미 설명된 도면 부호 250은 회전자(219)의 위치신호를 출력하는 홀 센서를 나타내는데, 상기 홀 센서(250)는 회전자(219)와 동축으로 설치되어 함께 회전하는 센서용 마그네트(251)와 상기 센서용 마그네트(251)의 N,S 극성의 변화를 전기적인 신호로 출력하는 센싱부(252)를 구비할 수 있다. 상기 홀 센서(250)와 관련된 상세한 설명은 후술하기로 한다.

종래 교류 발전기와 비교할 때, BLDC 구조에서는 전자석 형태의 회전자를 영구자석(마그네트 조립체(218)에 해당)으로 대치시킴으로써, 회전자(219)에 별도의 DC 전압을 인가할 필요가 없으며, 회전자(219)에 DC 전압을 공급하기 위한 정류자(commutator)나 브러시(brush)가 생략될 수 있다. 이렇게 정류자나 브러시와 같은 기계적인 접동 요소가 삭제됨으로써, 전기적인 노이즈(불꽃)와, 접촉에 의한 기계적인 노이즈가 감소하게 되므로, 저 소음, 저 진동의 구동이 가능하다. 또한, 구성부품의 마찰 마모가 줄어들게 되므로, 제품의 장 수명이 보장되고, 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 이외에도 전체적인 형상 구조의 단순화에 따른 경박단소화는 물론, 제품 설계의 자유도가 증가하게 되는 기술적 장점이 있다.

또한, 종래 교류 발전기에서는 출력 전원의 일부를 되돌려 전자석 형태의 회전자로 공급하므로, 회전자 주위에 시불변의 일정한 자계를 형성하기 위해서는 출력전압을 일정한 수준으로 제어하는 것이 필수적이다. 도 4a에 도시되어 있듯이, 교류 발전기의 출력전압(Output Voltage)은 회전속도(RPM)와 관계없이 항시 일정하게 유지되므로, 회전속도(RPM)의 증가에도 불구하고 적정의 운동부하를 지속적으로 유지하기 위해서는 부하저항을 통한 소모전력을 증가시키는 것이 필요하며, 스위칭 소자의 on/off 시간을 조절함으로써 부하저항으로 전달되는 펄스의 폭을 늘려주게 된다. 즉, 도 4a에서 회전속도(RPM)의 증가에 따라 부하저항으로 전달되는 펄스의 폭을 저속 영역의 t1에서 고속 영역의 t1`으로 증가시키는 것이 필요하다.

그러나, BLDC 구조를 채용한 본 발명의 발전 전동체는 도 4b에 도시된 바와 같이, 회전속도(rpm)에 비례적으로 증가하는 출력전압(Output Voltage)을 발생시키게 되므로, 회전속도(RPM)와 무관하게 일정한 폭(t)의 펄스 출력을 부하저항으로 보내더라도 부하저항을 통한 소모전력은 회전속도에 따라 증가하게 된다. 이것은 회전속도의 증가에 따른 무부하 공 회전 상태를 막을 수 있고, 고속 회전시에도 균일한 운동부하를 제공할 수 있게 된다는 것을 의미한다. 이와 관련하여, 도 1을 참조하면 절환 스위치(600)를 통하여 발전 전동체(200)와 접속되는 제1 드라이버 모듈(300)은 발전 전동체(200)의 출력전원으로부터 일정한 펄스 폭의 PWM 신호를 취하여 부하저항(Loader)으로 공급하는 PWM 콘트롤러(370, PWM controller)를 구비하며, 출력전원의 다른 일부는 복합 오토바이크를 구성하는 다른 전장품들, 예를 들어, 디스플레이 패널(530)을 구동하기 위한 전력으로 사용될 수 있다. 한편, 상기 제1 드라이버 모듈(300)은 상기 발전 전동체(200)로부터 출력되는 3상 교류 전원을 일정한 DC 전원으로 변환하기 위한 정류 회로(310)와, 상기 정류 회로(310)를 제어하기 위한 콘트롤러(350,BLDC controller(I))를 더 구비할 수 있다.

도 5a 및 도 5b에는 각각 종래 교류 발전기와 본 발명의 BLDC 발전 전동체에서, 회전속도(RPM)에 따르는 회전저항(Torque, kgm)의 변화가 도시되어 있다. 종래 교류 발전기에서는 전자석 형태의 회전자를 구비하므로 전계 형성을 위한 전압의 인가를 필요로 한다. 가동 초기에는 자기 기동 능력이 없으므로, 외부전원(battery)에 의존하게 되고, 안정화된 이후에 비로소 자신의 발전 전력을 활용하여 인가 전압을 얻게 된다. 이러한 특성 때문에, 도 5a에 도시되어 있듯이, 회전속도가 대략 40rpm 이상의 안정화 영역에서는 일정한 회전저항(Torque, 운동부하)이 제공되는 반면에, 안정화되기 이전의 40rpm 이하의 저속 영역에서는 회전속도에 따라 회전저항(Torque, 운동부하)의 변동이 크게 나타나게 된다. 그리고, 대략 100rpm 이상의 고속 영역에서도 회전속도(Torque)의 변동이 크게 나타난다. 그러나, 상기 전자석 형태의 회전자(219)를 영구자석으로 대치시킨 본 발명의 BLDC 구조에서는 초기에 외부전원이 공급되는 과도기 상태(transient status) 없이, 가동 초기의 저속 영역으로부터 고속 영역에 이르기까지 균일한 회전저항(Torque)을 제공하게 되므로, 운동속도(회전속도)와 무관하게 사용자가 최초에 설정해 놓은 운동부하가 일정하게 유지될 수 있다. 동 도면들에서 level 1~ level 25는 사용자가 자신의 체력 조건에 맞추어 사전에 설정해 놓은 운동부하의 설정 값에 해당된다.

도 6a 및 도 6b에는 각각 종래 교류 발전기와 본 발명의 BLDC 발전 전동체에서, 회전속도(RPM)에 따른 출력전압(Watt)의 변화가 도시되어 있다. 도 6a를 참조하면, 회전속도(RPM)의 증가에 따라 대략 40rpm 이하의 저속 영역과, 중간의 안정 영역, 그리고, 대략 100rpm 이상의 고속 영역에서 출력전력(Watt)의 변화가 서로 상이한 양상을 보이며, 이에 따라 각 영역마다 대응되는 고유한 수식제어 회로를 별도로 마련해야 하는 불편이 있다. 이에 반하여, 도 6b를 참조하면, 회전속도(RPM)의 증가에 수반하여 출력전력(Watt)이 거의 선형적으로 증가하게 되므로 입 력 대 출력을 간단한 선형관계로 정의할 수 있게 됨으로써, 제어 회로의 구성이 단순화될 수 있다.

한편, 상기 BLDC형 발전 전동체(200)에서, 고정자 권선코일(215)에 외부입력 전류가 인가되면 각 권선코일(215)의 극성이 순차적으로 변하면서 회전자계가 발생되고, 자기적인 상호작용으로 회전자계를 따라 회전하려는 경향의 토크가 발생되어 회전자(219)가 구동하게 된다. 이때, 회전자(219)의 자극과 회전자계의 자극을 서로 동기시켜야 하므로, 회전자(219)의 회전상태를 모니터링하여, 현재 회전상태에 맞는 회전자계를 형성하도록 고정자 권선코일(215)에 제어된 전류를 인가하는 것이 필요하다.

도 7에는 BLDC 발전 전동체(200)의 고정자 권선코일(215)에 제어된 전류를 인가하기 위한 제2 드라이버 모듈(400)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 제2 드라이버 모듈(400)은 컨버터부(410,Converter), 인버터부(430,Inverter), 그리고, 콘트롤러(450, BLDC controller(II))를 포함하여 구성된다. 상기 컨버터부(410)는 상용 AC 전원을 정류 및 평활 처리하여 DC 전원으로 변환하는 것으로, 컨버터 회로(411)와 평활 콘덴서(415)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 인버터부(430)는, 예를 들어, 3상 PWM 인버터로 구성되며, 컨버터부(410)에서 출력되는 DC 전원을 입력으로 하여, 가변 주파수를 갖는 3상 교류 전원을 만들기 위해, 다이오드, 트랜지스터 등의 전력용 반도체로 구성되는 6개의 스위칭 소자(Q1~Q6)를 포함할 수 있다. PWM 제어 신호(s1)를 입력으로 하여, 스위칭 소 자(Q1~Q6)의 on/off 상태를 제어함으로써 각 고정자 권선코일(215)에 대해 정 방향 또는 역 방향의 전류를 공급하고, 각 고정자 권선코일(215)이 형성하는 N,S 자극과 회전자(219)의 N,S 자극이 상호 작용하여 회전자(219)를 구동시키게 된다. 상기 콘트롤러(450)는 스위칭 소자(Q1~Q6)로 공급되는 PWM 제어 신호(s1)를 생성하는데, 보다 구체적으로, 홀 센서(250)로부터 출력되는 회전자(219)의 위치신호(s2)를 검출하여 회전상태를 감지하고, 상기 회전상태와 동기되도록 PWM 제어 신호(s1)의 패턴을 조정하게 된다. 한편, 상기 홀 센서(250)는 회전자(219)에 장착된 마그네트 조립체(218)의 극성, 또는 회전자(219)와 함께 동축으로 회전하는 센서용 마그네트(251, 도 3 참조)의 극성을 감지하며, 예를 들어, 회전상태에 수반되는 N,S 극성의 변화에 따라 로우 레벨과 하이 레벨의 이진화된 검출신호를 출력함으로써, 현재 회전자(219)의 회전상태를 파악할 수 있다. 예를 들어, 상기 홀 센서(250)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 샤프트 축(220) 상에 조립되어 회전자(219)와 함께 동축으로 회전하는 센서용 마그네트(251)와, 상기 센서용 마그네트(251)의 극성 반전을 감지하여 전기적인 신호를 출력하는 센싱부(252)를 구비할 수 있다.

상기 BLDC 발전 전동체(200)는 절환 스위치(600)를 이용하여 제1 드라이버 모듈(300) 또는 제2 드라이버 모듈(400)과 택일적으로 전기적인 접속을 형성하게 된다. 상기 절환 스위치(600)를 이용한 접속 관계는 서로 배타적이므로, 상기 절환 스위치(600)는, 예를 들어, 제1 드라이버 모듈(300)과 차단되는 동시에 제2 드라이버 모듈(400)과 접속되는 것이며, 반대로 제2 드라이버 모듈(400)과 차단되는 동시에 제1 드라이버 모듈(300)에 접속되는 것이다. 이때, 상기 절환 스위치(600)는, 예를 들어, 제1 드라이버(300)의 단자에 대해 탄성 바이어스 되어 있는 스위치 레버(미도시)와, 전기적인 입력에 따라 on/off 작동하여 상기 스위치 레버를 제2 드라이버(400)의 단자 측으로 강제 접속시키는 전자석 형태의 액츄에이터(미도시)를 구비하는 릴레이 소자로 구성될 수 있을 것이다. 상기 절환 스위치는 이외에도 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 반도체 소자를 포함하는 전자적인 스위칭 소자를 포함하여 구성될 수도 있을 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 지능형 복합 오토바이크의 전체적인 블록 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 운동기구부의 구조를 보인 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 BLDC(Brushless Direct Current) 발전 전동체의 수직 단면도이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 교류 발전기와 BLDC 발전 전동체에서, 회전속도에 따른 출력전압의 변화와, 부하저항으로 보내지는 펄스 형태를 보여주는 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 교류 발전기와 BLDC 발전 전동체에서, 운동속도의 변화에 따른 회전저항의 변화를 도시한 도면들이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 교류 발전기와 BLDC 발전 전동체에서, 운동속도의 변화에 따른 출력전력의 변화를 도시한 도면들이다.

도 7은 BLDC 발전 전동체에 제어된 전류를 인가하기 위한 제2 드라이버 모듈의 개략적인 구성이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 운동기구부 110: 수평 프레임

120: 수직 프레임 125: 회전축

130 : 회전 손잡이 부재 131,132: 지지롤러

140: 보조링크 150: 플라이휠

155: 지지부재 160 : 크랭크 암

170: 페달링크 171: 페달부분

200: BLDC 발전 전동체(BLDC) 211: 하우징 본체 212: 하우징의 전단커버

212: 하우징의 전단커버 213: 하우징의 후단커버

214: 고정자 요크부재 215: 고정자 권선코일

216: 고정자 217: 회전자 요크부재

218: 마그네트 조립체 219: 회전자

220: 샤프트 축 221,222: 저널 베어링

250: 홀 센서(Hall Sensor) 251: 센서용 마그네트

252: 센싱부 300: 제1 드라이버 모듈

310: 정류 회로

350,450: 콘트롤러(BLDC Controller(I), BLDC Controller(II) )

370: PWM 콘트롤러(PWM Controller) 380: 부하저항(Loader)

400: 제2 드라이버 모듈 410: 컨버터부(Converter)

430 : 인버터부(Inverter) 500: 디스플레이부 510: 사용자 인터페이스(User Interface)

520: 데이터 리시버(Heartrate Receiver)

530: 디스플레이 패널(Display Panel)

550: 메인 콘트롤러(MCU)

Claims (6)

1. 사용자의 운동에 따라 수동적으로 회전되거나 또는 능동적으로 동력 자전되는 회전체를 포함하는 운동기구부;

   상기 회전체와 연동되는 것으로, 자장 형성을 위해 다수의 영구자석을 갖춘 회전자와, 상기 회전자와 전자기적인 상호 작용을 하도록 구동코일이 감겨있는 고정자를 포함하는 발전 전동체;

   상기 회전자의 회전속도에 비례하는 출력전압으로부터 일정한 폭의 펄스 전압을 부하저항으로 공급하는 제1 드라이버 모듈;

   상기 회전자의 회전상태를 모니터링하고, 현재의 회전상태와 동기되는 교류 전원을 상기 발전 전동체에 대해 공급하는 제2 드라이버 모듈;

   사용자의 모드 전환에 따라 상기 발전 전동체와, 제1 및 제2 드라이버 모듈 사이를 상호 배타적으로 접속하는 절환 스위치; 및

   모드 전환에 관한 사용자 인터페이스를 제공하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 복합 오토바이크.
2. 제1항에 있어서,

   상기 절환 스위치는,

   일반운동모드에서 상기 발전 전동체와 제1 드라이버 모듈을 접속시키고,

   재활훈련모드에서 상기 발전 전동체와 제2 드라이버 모듈을 접속시키는 것을 특징으로 하는 지능형 복합 오토바이크.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 드라이버 모듈은,

   상기 발전 전동체와 부하저항 사이에 개재되어 on/off 방식으로 구동되는 적어도 하나 이상의 제1 스위칭 소자(switching element)를 포함하고,

   상기 부하저항에 대해 일정한 펄스 폭(pulse width)으로 전원공급구간(Ton)과 전원차단구간(Toff)을 설정하는 것을 특징으로 하는 지능형 복합 오토바이크.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 드라이버 모듈은,

   상기 발전 전동체의 회전상태를 감지하여 위치신호를 출력하는 홀 센서;

   상기 위치신호에 근거하여 스위칭 신호를 생성하는 콘트롤러; 및

   상기 스위칭 신호에 의해 on/off 제어되는 제2 스위칭 소자(switching element)를 포함하여, 상기 발전 전동체에 공급할 교류 전원을 생성하는 인버터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 복합 오토바이크.
5. 제1항에 있어서,

   상기 운동기구부는,

   상기 회전체가 일 측에 회동 가능하게 지지되어 있는 수평 프레임;

   상기 수평 프레임의 타 측으로부터 수직 상방으로 연장 형성되는 수직 프레임;

   상기 수직 프레임의 양측에 회동 가능하게 설치된 한 쌍의 회전 손잡이 부재들;

   상기 각 회전 손잡이 부재에 장착되는 것으로, 그 길이방향으로 소정의 간극을 사이에 두고 이격되게 설치되어 있는 한 쌍의 지지롤러들; 및

   상기 지지롤러들 사이에 개재되어 일단이 슬라이딩 가능하게 지지되는 한편, 그 타단은 크랭크 암을 개재하여 상기 회전체와 동력 연결되어 있고, 길이방향으로 그 중앙에는 사용자 접촉이 이루어지는 페달이 형성되어 있는 페달링크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 복합 오토바이크.
6. 제1항에 있어서,

   상기 절환 스위치는 릴레이 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 복합 오토바이크.

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