KR101374064B1 - 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템 - Google Patents

운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 자전거가 단순한 운송수단으로서가 아니라 사용자에게 운동 정보를 제공하여 운행의 즐거움을 줄 수 있는 운동정보를 제공할 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴에 설치되는 속도 감지센서와, 상기 앞 바퀴, 뒷 바퀴 또는 프레임 상에 설치되는 경사도 감지센서와, 손잡이에 부착된 기어 변속기에 설치되는 기어 단수 감지센서와, 탑승하고 있는 사용자의 신체 일부에 부착된 맥박 및 근전도 감지센서와, 패달 측에 설치되는 토크 감지센서와, 상기 속도 감지센서, 경사도 감지센서, 기어 단수 감지센서, 맥박 및 근전도 감지센서와 토크 감지센서로부터 각각 감지된 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도 정보와 토크 정보를 전송받아, 이를 기초로 현재 속도, 최적의 기어 단수 및 최대 토크를 계산하는 제어모듈을 구비하는 자전거; 및 상기 자전거의 거치대에 설치되고, 상기 제어모듈과 무선 통신망으로 연결되어 상기 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도와 토크 정보, 상기 현재 속도, 기어 단수 및 최대 토크 정보를 전송받고, 미리 설치된 운동 관리 어플리케이션의 실행에 의하여 상기 각각의 정보를 기초로 사용자의 운동정보를 제공하는 사용자 단말을 포함하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템을 개시한다.

Description

운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템{DRIVING SYSTEM FOR BICYCLE PROVIDING EXERCISE INFORMATION}
본 발명의 일 실시예는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자전거는 사용자인 사람이 인위적인 힘을 부여하여 페들을 회전시킴에 따라 전진 이동되는 이동수단의 하나로서 매연 등에 따른 환경오염이 전혀 없음과 함께 운동효과 등 건강에 유익한 점 때문에 사용인구가 점진적으로 증가하고 있다.
특히, 현대인들에게는 점점 자전거를 이용한 운동에 관심이 많아짐에 따라 운동의 효과를 얻기 위해서, 운동자가 자신이 원하는 만큼의 칼로리를 소모하도록 구간, 경사 등이 형성된 운동코스를 선택하는 것이 중요한 사항이 되고 있다. 더욱이, 자전거를 타는 방법에 따라 칼로리 소모량이 달라지며, 운동자의 체중에 따라서도 칼로리 소모량이 달라질 수 있다. 그러나, 기존의 자전거는 어느 코스를 어떤 방법으로 운동시에 얼마만큼의 칼로리가 소비되는지에 관하여 구체적으로 나타내주지 못한다는 문제점이 있었다.
등록특허공보 제10-0923592호 'GPS 수신기를 이용한 사용자의 운동정보를 제공하는 방법 및 이를 위한 이동단말' 공개특허공보 제10-2010-0081175호 '네비게이션 장치 및 그의 네비게이팅 방법 '
본 발명의 일 실시예는 자전거가 단순한 운송수단으로서가 아니라 사용자에게 운동 정보를 제공하여 운행의 즐거움을 줄 수 있는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템은 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴에 설치되는 속도 감지센서와, 상기 앞 바퀴, 뒷 바퀴 또는 프레임 상에 설치되는 경사도 감지센서와, 손잡이에 부착된 기어 변속기에 설치되는 기어 단수 감지센서와, 탑승하고 있는 사용자의 신체 일부에 부착된 맥박 및 근전도 감지센서와, 패달 측에 설치되는 토크 감지센서와, 상기 속도 감지센서, 경사도 감지센서, 기어 단수 감지센서, 맥박 및 근전도 감지센서와 토크 감지센서로부터 각각 감지된 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도 정보와 토크 정보를 전송받아, 이를 기초로 현재 속도, 사용자에게 제공하기 위한 기어 단수 및 최대 토크를 계산하는 제어모듈을 구비하는 자전거; 및 상기 자전거의 거치대에 설치되고, 상기 제어모듈과 무선 통신망으로 연결되어 상기 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도와 토크 정보, 상기 현재 속도, 기어 단수 및 최대 토크 정보를 전송받고, 미리 설치된 운동 관리 어플리케이션의 실행에 의하여 상기 각각의 정보를 기초로 사용자의 운동정보를 제공하는 사용자 단말을 포함할 수 있다.
상기 자전거는 상기 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴에 설치되어 상기 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 발전기와, 상기 발전기로부터 전달된 전기 에너지를 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터로부터 제공된 직류 전원을 충전하여 컨트롤러에 직류 전원을 공급하는 배터리와, 상기 속도, 경사도, 기어 단수와 맥박 및 근전도 정보와, 상기 현재 속도, 사용자에게 제공하기 위한 기어 단수 및 최대 토크 정보를 저장하는 메모리와, 상기 사용자 단말과의 데이터 송수신을 위한 통신부와, 상기 제어모듈의 각각의 구성요소의 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 사용자의 운동 정보는 자전거의 현재 속도, 평균 속도, 소모 칼로리량, 잔여 거리, 지도 상의 현재 위치, 기어 단수, 맥박 및 근전도, 경사도, 토크 정보 및 최대 토크 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 운동 관리 어플리케이션은 상기 자전거가 주행되는 도로의 네비게이션 지도 정보를 포함하고, 상기 사용자 단말은 상기 자전거가 주행되는 도로의 네비게이션 지도 정보와 상기 운동 정보를 외부로 디스플레이할 수 있다.
상기 속도 감지센서는 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴의 바퀴살에 부착된 자석과 상기 자석의 회전수를 카운트하는 센서를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴의 반지름을 이용한 원주값에 상기 자석이 감지되는 주기 정보를 이용하여 속도값을 연산할 수 있다.
상기 속도 감지센서는 상기 바퀴살의 회전을 카운트하는 센서를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 앞 바퀴 또는 뒷 바퀴의 반지름를 이용한 원주값에 상기 바퀴살의 개수가 같아질 때의 시간 정보를 이용하여 속도값을 연산할 수 있다.
상기 기어 단수 감지센서는 와이어의 텐션에 의하여 단수가 변경되는 기어 변속기에 부착되어 와이어의 길이변화를 감지하고, 상기 컨트롤러는 상기 감지된 와이어의 길이변화를 이용하여 상기 자전거의 기어 단수를 연산할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 토크 감지센서로부터 감지된 현재 토크 정보와 미리 측정된 기준 토크 정보를 비교하여 최대 토크 정보를 연산할 수 있다.
상기 사용자 단말은 상기 최대 토크 정보에 대하여 미리 입력된 사용자의 신체 정보를 이용하여 현재 토크 정보에 대비하여 사용자가 제공가능한 최대 토크 정보를 재연산할 수 있다.
상기 속도 감지센서와 상기 경사도 감지센서는 하나의 케이스 내부에 일체형으로 장착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템은 스마트 폰과 연동되어 운동 정보를 제공하는 자전거를 제공하고 있기 때문에, 사용자로 하여금 자전거를 이용하여 운동에 관한 흥미를 유발하고 운동을 지속할 수 있도록 한다. 따라서, 자전거 사용 증대를 유도하여 환경 보호 및 국민 건강 증진에도 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 자가 발전으로 운행하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 자전거의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 속도 감지센서를 설치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 경사도 감지센서를 설치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 기어변속기와 연결된 기어 단수 감지센서를 설치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 발전기를 설치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템에서 자전거에 스마트 폰을 설치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 자전거의 동력 전달 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 자전거의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이며, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 속도 감지센서를 설치한 상태를 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 경사도 감지센서를 설치한 상태를 나타내는 도면이며, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 기어변속기와 연결된 기어 단수 감지센서를 설치한 상태를 나타내는 도면이고, 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 발전기를 설치한 상태를 나타내는 도면이며, 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템에서 자전거에 스마트 폰을 설치한 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템의 자전거의 동력 전달 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템은 자전거(10) 및 사용자 단말(20)을 포함한다.
상기 자전거(10)는 앞 바퀴(3)와 뒷 바퀴(2)를 구비하는 2륜 자전거이다. 상기 두 개의 바퀴들은 프레임(1)에 지지된다.
상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)에는 속도 감지센서(121)가 설치된다. 보다 구체적으로는, 상기 속도 감지센서(121)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 바퀴살(2a)에 부착된 자석(121a)과 상기 자석(121a)의 회전수를 카운트하는 센서(121b)를 포함한다. 변형 예로서, 상기 속도 감지센서(121)는 상기 바퀴살(2a)의 회전을 카운트하는 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)에 설치되어 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 발전기(112)가 설치된다. 상기 발전기(112)는 제어모듈(110)과 송전선(미도시)을 통하여 연결되어, 제어모듈(120)에 포함된 컨버터(113)로 전기 에너지를 전달한다. 상기 발전기(112)는 회전축(2b)에 N극(112b)과 S극(112a)을 번갈아 붙여놓은 원통형 자석묶음을 바퀴 축에 고정한다. 바퀴축을 고정하고 있는 프레임에 코일(112c)을 감은 전도체를 고정시키면, 바퀴가 회전하면서 AC 전원이 발생하고 이 전원을 DC로 전환하여 배터리(114)에 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 소형이고 경량의 발전기를 구비하여 자전거 바퀴에 저항이 발생하지 않도록 함으로써, 자전거의 속도에는 영향을 주지 않으면서 운행 중일 때는 항상 안정적인 전원을 공급할 수 있게 된다.
상기 프레임(1)에는 체인 휠(5)이 결합되어 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 앞 바퀴(3), 뒷 바퀴(2) 또는 프레임(1) 상에는 경사도 감지센서(122)가 설치된다. 상기 경사도 감지센서(122)는 수은 센서, G(Gravity) 센서, 기계식 구슬, 포텐션 메타 측정기, 마이크로 전자기계(MEM) 센서 등의 다양한 장치로 구현될 수 있다. 본 발명에서의 속도 감지센서(121)와 상기 경사도 감지센서(122)는 상기와 같이 별도의 부위에 분리 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 하나의 케이스(미도시) 내부에 일체형으로 장착될 수 있다. 또한, 상기 경사도 감지센서(122)는 사용자 단말(20)의 내부에 구비된 경사도 감지 센서 또는 프로그램에 의하여 대체될 수도 있다.
상기 체인 휠(5)은 체인(7)에 의하여 종동 휠(6)과 연결된다. 체인 휠(5)에는 한 쌍의 패달(5a, 5b)이 마련되어 있다. 상기 한 쌍의 패달(5a, 5b) 중 적어도 하나의 패달에는 토크 감지센서(미도시)가 설치된다. 상기 한 쌍의 패달(5a, 5b)은 크랭크 아암(5c)에 의하여 체인 휠(5)과 연결된다. 상기 한 쌍의 패달(5a, 5b)은 체인 휠(5)의 회전중심에 대하여 대칭으로 배치된다. 상기 자전거(10)에 탑승한 사용자가 한 쌍의 패달(5a, 5b)을 번갈아 밟아 체인 휠(5)을 회전시키면, 체인(7)에 의하여 종동 휠(6)이 회전된다. 상기 종동 휠(6)은 뒷 바퀴(2)와 연결되어 있어, 종동 휠(6)의 회전에 의하여 뒷 바퀴(2)가 회전된다.
또한, 상기 프레임(1)의 상부에는 핸들(8)이 배치된다. 보다 구체적으로, 앞 바퀴(3) 상의 프레임(1) 상에 핸들(8)이 배치되며, 핸들(8)에 자전거(10)의 속도를 줄이는 브레이크 조작부(4)도 마련된다. 또한, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 핸들(8)에는 기어 변속기(9)가 부착되어 있다. 상기 기어 변속기(9)에는 기어 단수 감지센서(123)가 설치된다.
또한, 상기 핸들(8)의 중간부에는 사용자 단말(20)의 거치대(미도시)가 구비되어, 도 3e에서와 같이 거치대에 사용자 단말(20)을 장착할 수 있다.
또한, 상기 프레임(1)의 상부에는, 구체적으로 뒷 바퀴(2) 상의 프레임(1) 상에 사용자가 앉는 안장(1a)이 마련된다.
상기 안장(1a)에 탑승한 사용자의 신체의 일부에는 맥박 및 근전도 감지센서(미도시)가 설치된다.
그리고, 상기 핸들(8), 안장(1a) 및 체인 휠(5)을 지지하는 프레임(1)에 제어모듈(110)이 배치된다.
상기 제어모듈(110)은 발전기(112)로부터 전달된 전기 에너지를 직류 전원으로 변환하는 컨버터(113)와, 컨버터(113)로부터 제공된 직류 전원을 충전하여 컨트롤러(111)에 직류 전원을 공급하는 배터리(114)와, 속도, 경사도, 기어 단수와 맥박 및 근전도 정보와, 현재 속도, 최적의(즉, 사용자에게 제공하기 위한) 기어 단수 및 최대 토크 정보를 저장하는 메모리(115)와, 사용자 단말(20)과의 데이터 송수신을 위한 통신부(116)와, 상기 각 구성요소들의 동작을 제어하는 컨트롤러(111)를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러(111)는 속도 감지센서(121), 경사도 감지센서(122), 기어 단수 감지센서(123), 맥박 및 근전도 감지센서(124)와 토크 감지센서(125)로부터 각각 감지된 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도 정보와 토크 정보를 전송받아, 이를 기초로 현재 속도, 최적의 기어 단수 및 최대 토크를 계산한다.
상기 컨트롤러(111)는 토크 감지센서(125)로부터 감지된 현재 토크 정보와 미리 측정된 기준 토크 정보를 비교하여 최대 토크 정보를 연산할 수 있다.
상기 컨트롤러(111)는 각각의 센서들로부터 제공된 데이터들로부터 속도, 경사도, 기어 단수와 맥박 및 근전도 정보와, 현재 속도, 최적의 기어 단수 및 최대 토크 정보 등을 제공하기 위한 연산 처리 결과 데이터들을 메모리(115)에 일시 저장할 수 있고, 또한 상기 정보들을 메모리(115)에 축적하여 저장할 수 있다.
또한, 상기 정보 및 데이터들은 컨트롤러(111)로부터 통신부(116)를 통하여 사용자 단말(20)에 제공될 수 있다. 상기 통신부(116)와 사용자 단말(20)은 케이블 등을 이용한 유선 통신 및 WIFI, 블루투스, RFID, 3G, 4G, LTE 등의 무선 통신 모두 가능하다.
상기 사용자 단말(20)은 자전거(10)의 거치대에 설치되고, 제어모듈(110)과 무선 통신망으로 연결되어 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도와 토크 정보, 현재 속도, 기어 단수 및 최대 토크 정보를 전송받고, 미리 설치된 운동 관리 어플리케이션의 실행에 의하여 상기 각각의 정보를 기초로 사용자의 운동정보를 제공한다. 예를 들면, 상기 사용자 단말(20)은 자전거를 운행하는 날짜 2013년 7월 30일, 운행거리 860m, 잔여거리 240m, 운행시간 10분, 칼로리소모량 40cal, 현재 토크 10Nm, 최적 토크 20 Nm 등으로 표시할 수 있다. 또한, 상기 사용자 단말(20)은 현재 경사도에서의 최적 기어단수를 표시하기 위하여 사용자 몸무게 및 최대토크 값을 분석하고, 이를 통하여 앞기어와 뒷기어의 최적 기어단수를 표시할 수 있다. 아울러, 상기 사용자 단말(20)은 화면에 2013년 7월 1일부터 7월 30일까지 매일 자전거를 타서 소모된 칼로리량의 변화를 디스플레이할 수도 있고, 이러한 정보를 사용자가 확인함으로써 자전거를 이용한 운동량을 조절할 수 있으며, 운동으로서 자전거 이용을 효과적으로 활용할 수 있다.
상기 사용자 단말(20)은 제어모듈(110)로 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 인터페이싱 역할을 수행하고, 사용자의 조작에 의하여 자전거(10)에 구비된 제어모듈(110)을 제어하기 위한 각종 기능을 구비한 운동 관리 어플리케이션이 구비되어 있다. 이러한 사용자 단말(20)은 운동 관리 어플리케이션의 실행에 의하여 사용자의 운동정보를 디스플레이한다. 상기 사용자의 운동 정보는 자전거의 현재 속도, 평균 속도, 소모 칼로리량, 잔여 거리, 지도 상의 현재 위치, 기어 단수, 맥박 및 근전도, 경사도, 토크 정보 및 최대 토크 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 사용자 단말(20)은 고유 번호를 갖는 스마트 폰(Smart-Phone)을 의미할 수 있으나, 본 발명에서 사용자 단말(20)의 종류를 한정하는 것은 아니고, 본 제어모듈과 연동되도록 구성된 다른 종류의 이동 통신 단말기, 워크스테이션, 개인 휴대 정보 단말기(personal digital assistant: PDA), 웹 패드 등과 같이 메모리 수단을 구비하고 마이크로 프로세서를 탑재하여 어플리케이션이 실행가능한 디지털 기기라면 얼마든지 채택될 수 있다. 상기 운동 관리 어플리케이션은 사용자 단말(20)에 응용프로그램의 형태로 설치되거나, 별도의 하드웨어 모듈로서 사용자 단말(20) 내에 탑재된 형태로 구현될 수 있다.
또한, 상기 사용자 단말(20)은 상기 최대 토크 정보에 대하여 미리 입력된 사용자의 신체 정보를 이용하여 현재 토크 정보에 대비하여 사용자가 제공가능한 최대 토크 정보를 재연산할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여, 상기와 같이 구성된 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템을 이용하여 자전거의 속도, 경사도, 현재 기어 단수, 토크값, 운동량 등을 측정하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
우선, 상기 자전거의 속도를 측정하기 위하여는, 자전거 사용자가 스마트 폰에서 앞 바퀴(3) 혹은 뒷 바퀴(2)의 반지름 입력한 뒤, 앞 바퀴(3) 혹은 뒷 바퀴(2) 중 선택된 바퀴의 살에 자석을 부착하고, 자석의 회전수를 카운트할 수 있는 센서를 부착한다. 이러한 상태에서, 상기 컨트롤러(111)는 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 반지름을 이용한 원주값에 상기 자석이 감지되는 주기 정보를 이용하여 속도값을 연산하게 된다. 또한, 상기 자전거의 속도를 측정하는 다른 방법으로는, 자전거 사용자가 스마트 폰에 앞 바퀴(3) 혹은 뒷 바퀴(2)의 반지름과 살의 갯수 입력한 뒤, 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2) 중 선택된 바퀴의 고정 프레임 위치에 살의 회전을 카운트하는 센서를 부착한다. 이러한 상태에서, 상기 컨트롤러(111)는 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 반지름를 이용한 원주값에 상기 바퀴살의 개수가 같아질 때의 시간 정보를 이용하여 속도값을 연산하게 된다.
예를 들어, 상기 컨트롤러(111)는 수학식 1에 의하여 속도값(V)을 연산할 수 있다.
[수학식 1]
V = 2πR / t
여기서, R은 자전거의 반지름이고, t는 자석을 감지할 때까지의 시간 혹은 살의 개수가 같을 때까지의 시간이다.
이와 같이 속도값을 연산한 컨트롤러(111)는 연산된 속도값을 스마트 폰으로 전송한다.
또한, 상기 자전거의 경사도를 측정하기 위하여, 자전거 사용자는 경사도 감지센서(122)(즉, 수평센서)를 부착하기 편리한 곳, 예를 들면 상기 앞 바퀴(3), 뒷 바퀴(2) 또는 프레임 상에 설치하여 경사도 값을 제어모듈로 전달한다. 상기 수평센서는 MEMS, 액형, 자이로스코프, G 센서 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제어모듈은 운동량이 경사도에 따라 많은 차이가 발생하므로 제어모듈로 전송된 경사도 값과 스마트 폰으로 미리 등록된 몸무게와 동력이 전달되는 뒷기어의 단수(스프라켓 피치)를 적용하여 현재 토크를 산출함으로써, 운동량인 소모칼로리를 계산할 수 있다.
또한, 상기 자전거의 현재 기어 단수를 측정하기 위하여, 상기 자전거의 손잡이에 있는 기어 변속기의 와이어의 텐션을 이용한다. 즉, 상기 기어 변속기는 와이어의 텐션에 의해서 단수가 변경되므로, 기어변속기에 와이어 센서를 부착하여 와이어의 길이 변화로 현재의 단수를 측정할 수 있다. 또한, 상기 컨트롤러(111)는 자전거의 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2) 중 선택한 바퀴의 반지름 대비 앞 기어 및 뒷 기어 각각의 반지름 입력하여 현재 기어 단수를 연산할 수도 있다.
한편, 상기 자전거의 동력 전달의 원리를 설명하기 위하여, 도 4에 도시된 부호들을 간략하게 설명하자면, F1 은 사람이 패달을 밟아 밀어주는 힘이고, r1은 패달 중심에서 패달까지의 거리(반지름)이며, w1은 패달이 도는 속도이고, F2는 앞기어로 전달된 힘이며, r2는 앞기어 까지의 거리(반지름)이고, w2는 앞 기어가 도는 속도이며, F3는 뒷 기어로 전달된 힘이고, r3는 뒷 기어중심에서 뒷기어 까지의 거리(반지름)이며, w3 는 뒤 기어가 도는 속도이고, t는 바퀴가 1회전하는데 소요된 시간이며, T는 패달 토크이고, M 은 몸무게, 경사도, 비, 바람 등에 의한 마찰력을 의미한다. 우선, 상기 패달이 돌아가는 속도와 앞 기어가 도는 속도는 같다(즉, W1 = W2). 또한, 상기 자전거의 속도 V 는 2π/t 이며, 이는 2πt x r/t 이므로 W2r2 = W3r3 가 된다. 이는 뒤 기어의 회전속도로 앞 기어의 회전속도를 나눈 값과 앞기어의 반지름으로 뒤 기어의 반지름을 나눈 값은 같다는 것을 의미한다(즉, W2 = r3/r2 X W3 또는 W2/W3 = r3/r2). 또한, 회전력을 나타내는 토크(T)는 수학식 2에서와 같이 힘(F)과 기어 반지름(r)의 곱으로 정의된다.
[수학식 2]
T1 = F1 x r1
T2 = F2 x r2
T3 = F3 x r3
이는 T1xW1 = T2xW2가 되므로, T1=T2가 되고, 이는 곧T2 x W2 = T3 x W3를 의미한다. 따라서, 수학식 3과 같이 도출되게 된다.
[수학식 3]
T3 = W2/W3 x T2 = W1/W3 x T2
이러한 원리에 의하여, 뒷 바퀴(2)에 큰 토크를 얻기 위해서는 기어의 반지름 비인 r2/r3를 크게 하거나 패달을 밟는 힘을 크게 해야 한다.
한편, 상술한 바와 같이 자전거 동력전달 원리를 분석한 것을 근거로 속도 향상을 위해서는 큰 토크 값을 얻어야 하므로, 상기 자전거의 토크값을 측정할 필요가 있다. 즉, 자전거를 타는 사람들에겐 속도에 대한 욕구가 있으며, 이를 향상시키길 모두 바라므로, 평지 및 경사도에서의 자신의 최대 토크가 얼마인지를 알기 원하고 이를 향상 시킬 때 만족함을 가지게 되므로, 현재 자전거에 가해지는 토크값을 측정할 필요가 있게 된다. 일반적으로 자전거를 타는 보통 사용자들에 있어서의 토크값 측정을 위하여는, 스마트 폰에서 평지 혹은 경사도를 선택한 후 해당 구간을 최대 속도로 달리면, 이때 측정된 토크 값을 평지 혹은 경사도로(오르막, 경사별)에서의 최대 토크값을 측정할 수도 있다. 이에 반하여, 경륜 등과 같은 운동 선수들은 정확한 토크값 측정의 필요가 있기 때문에, 패달부의 앞 기어 유니트 측에 정밀 토크 센서를 설치한 후, 평지 혹은 경사도로(오르막, 경사별)에서 토크값을 측정할 수 있다. 이때, 선수용의 정밀 토크측정은 패달부의 앞 기어 유니트 측에 정밀 토크 센서형으로 겸용 사용할 수 있다.
또한, 상기 자전거를 이용하는 사용자의 운동량을 분석함에 있어서, 일반인과 선수를 다르게 분석할 수 있다. 일반인의 경우는 이동량과 경사도 및 속도를 근거로 소모 Kcal을 구하고, 선수의 경우에는 정확한 토크 값과 평지 혹은 경사 구간에서의 맥박수 및 근전도 값을 측정해서 기록하고, 관리한다. 이는 선수의 부족한 근력부분을 발견하여 훈련시킬 수 있기 때문이며 결국, 속도 향상을 위한 토크 값 증대와 안정적인 체력관리가 가능하기 때문이다. 또한, 마찰력인 경사도는 운동량 분석에 중요한 요소이므로 경사도에 따른 운동량 분석 알고리즘을 적용할 수 있다.
이와 같이 운동량을 분석하기 위하여 소모 칼로리 측정방식을 이용하게 되는데, 상기 소모 칼로리 분석방식은 몸무게에 따른 평균　소모에 대해 실험을 통해 계량화한 계산식인　수학식 4를 이용한다.
[수학식 4]
칼로리 소모량(cal) = 0.0175 ×METS ×무게(kg) ×1000
여기서 METS는 대사율 동등치(Metabolic Equivalents)의 데이터 베이스에 따른 값이다. 예를 들어, 25~30km/sec 속도로 자전거를 탈 때 METS는 14이다. 또한, 무게는 사용자의 입력에 의해 몸무게를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에서는 자전거 주행시 사용자의 스마트 폰을 통하여 동영상을 촬영할 수 있다. 즉, 사용자는 스마트 폰에서 영상녹화 선택을 하고 출발하면 소리와 함께 영상정보가 USB 혹은 외장 SD 혹은 스마트 폰에 내장 메모리에 녹화된다. 상기 정보는 사고 발생 시 증빙자료인 블랙박스의 역할을 하며, 경륜 감독은 선수들이 연습시합 장면을 녹화하여 방향설정 및 운전방식에 대한 교육용으로 활용할 수 있다.
따라서, 본 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템은 도 5에 도시된 바와 같이, 자전거 사용자가 사용자 단말(20)의 운동 관리 어플리케이션(A)을 실행시켜 정보 입력, 등록, 수정, 검색 및 관리할 수 있고, 나아가 자전거 사용자가 선수일 경우 선수를 등록후 훈련 및 관리할 수 있도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 자전거 110: 제어모듈
111: 컨트롤러 112: 발전기
113: 컨버터 114: 배터리
115: 메모리 116: 통신부
120: 센서부 121: 속도 감지센서
122: 경사도 감지센서 123: 기어 단수 감지센서
124: 맥박 및 근전도 감지센서 125: 토크 감지센서

Claims (10)

  1. 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)에 설치되는 속도 감지센서(121)와, 상기 앞 바퀴(3), 뒷 바퀴(2) 또는 프레임 상에 설치되는 경사도 감지센서(122)와, 손잡이에 부착된 기어 변속기(9)에 설치되는 기어 단수 감지센서(123)와, 탑승하고 있는 사용자의 신체 일부에 부착된 맥박 및 근전도 감지센서(124)와, 패달 측에 설치되는 토크 감지센서(125)와, 상기 속도 감지센서(121), 경사도 감지센서(122), 기어 단수 감지센서(123), 맥박 및 근전도 감지센서(124)와 토크 감지센서(125)로부터 각각 감지된 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도 정보와 토크 정보를 전송받아, 상기 전송된 데이터들로부터 미리 연산처리되어 저장된 연산 처리 결과 데이터들을 기초로 현재 속도, 사용자에게 제공하기 위한 기어 단수 및 최대 토크를 계산하되, 상기 경사도 감지센서(122)에 의하여 감지된 경사도 값과 사용자 단말(20)에 미리 등록된 몸무게와 동력이 전달되는 뒷기어의 단수를 적용하여 토크를 산출하고, 상기 토크를 이용하여 사용자의 운동량을 계산하는 제어모듈(110)을 구비하는 자전거(10); 및
    상기 자전거(10)의 거치대에 설치되고, 상기 제어모듈(110)과 무선 통신망으로 연결되어 상기 속도, 경사도, 기어 단수, 맥박 및 근전도와 토크 정보, 상기 현재 속도, 기어 단수 및 최대 토크 정보를 전송받고, 미리 설치된 운동 관리 어플리케이션의 실행에 의하여 상기 각각의 정보를 기초로 사용자의 운동정보를 제공하되, 상기 최대 토크 정보에 대하여 미리 입력된 사용자의 신체 정보를 이용하여 현재 토크 정보에 대비하여 사용자가 제공가능한 최대 토크 정보를 재연산할 수 있고, 상기 자전거(10)의 주행 영상을 촬영하여 저장하는 사용자 단말(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자전거(10)는 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)에 설치되어 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 발전기(112)를 더 포함하고,
    상기 제어모듈(110)은, 상기 발전기(112)로부터 전달된 전기 에너지를 직류 전원으로 변환하는 컨버터(113)와, 상기 컨버터(113)로부터 제공된 직류 전원을 충전하여 컨트롤러(111)에 직류 전원을 공급하는 배터리(114)와, 상기 속도, 경사도, 기어 단수와 맥박 및 근전도 정보와, 상기 현재 속도, 사용자에게 제공하기 위한 기어 단수 및 최대 토크 정보를 저장하는 메모리(115)와, 상기 사용자 단말(20)과의 데이터 송수신을 위한 통신부(116)와, 상기 제어모듈(110)의 각각의 구성요소의 동작을 제어하는 컨트롤러(111)를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 운동 정보는 자전거(10)의 현재 속도, 평균 속도, 소모 칼로리량, 잔여 거리, 지도 상의 현재 위치, 기어 단수, 맥박 및 근전도, 경사도, 토크 정보 및 최대 토크 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 운동 관리 어플리케이션은 상기 자전거(10)가 주행되는 도로의 네비게이션 지도 정보를 포함하고,
    상기 사용자 단말(20)은 상기 자전거(10)가 주행되는 도로의 네비게이션 지도 정보와 상기 운동 정보를 외부로 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 속도 감지센서(121)는 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 바퀴살(2a)에 부착된 자석(121a)과 상기 자석(121a)의 회전수를 카운트하는 센서(121b)를 포함하고,
    상기 컨트롤러(111)는 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 반지름을 이용한 원주값에 상기 자석(121a)이 감지되는 주기 정보를 이용하여 속도값을 연산하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 속도 감지센서(121)는 상기 바퀴살(2a)의 회전을 카운트하는 센서를 포함하고,
    상기 컨트롤러(111)는 상기 앞 바퀴(3) 또는 뒷 바퀴(2)의 반지름를 이용한 원주값에 상기 바퀴살의 개수가 같아질 때의 시간 정보를 이용하여 속도값을 연산하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 기어 단수 감지센서(123)는 와이어(123a)의 텐션에 의하여 단수가 변경되는 기어 변속기(123)에 부착되어 와이어(123a)의 길이변화를 감지하고,
    상기 컨트롤러(111)는 상기 감지된 와이어(123a)의 길이변화를 이용하여 상기 자전거(10)의 기어 단수를 연산하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러(111)는 상기 토크 감지센서(125)로부터 감지된 현재 토크 정보와 미리 측정된 기준 토크 정보를 비교하여 최대 토크 정보를 연산하는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 속도 감지센서(121)와 상기 경사도 감지센서(122)는 하나의 케이스 내부에 일체형으로 장착될 수 있는 것을 특징으로 하는 운동정보를 제공하는 자전거 주행시스템.
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