KR102044903B1

KR102044903B1 - 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치

Info

Publication number: KR102044903B1
Application number: KR1020180160596A
Authority: KR
Inventors: 고현철; 정준일
Original assignee: 주식회사 엠앤엠
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-11-14
Also published as: CN113474058B; JP2022513234A; EP3895764A4; EP3895764A1; US20220054913A1; WO2020122334A1; CN113474058A; JP7196312B2

Abstract

본 발명은 타격되는 타켓의 상태나 환경적 변화와, 타켓의 움직임이 발생되는 상태에서 타격되는 등의 가변되는 타격조건에서 각각의 변화되는 상태에 대응하여 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한 파워 측정장치에 관한 것이다.
이를 위해. 본 발명은, 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)가 격투 운동에서 사용되어지는 미트나 호구로 타겟에 설치되면, 타겟에서 히팅(hitting)에 따른 점수로 이어지는 영역에 각기 에어포켓(11)이 형성되어 이루어지는 에어포켓 그룹(11g); 에어포켓(11)에 가해지는 충격력으로 타격의 강약(파워)에 대한 점수를 판정하여, 타격 시의 파워를 측정하여 점수 판정에 효율성을 높일 수 있도록 에어포켓(11) 상에서 체적 변화에 따라 다른 일측의 압력센서(13a)로 압력을 전달하기 위해 형성되는 배관튜브(12); 및 타겟지점에 해당하는 에어포켓(11)에 대한 타격시, 배출되는 공기가 압력센서(13a)를 중심으로 연결되는 배관튜브(12)를 타고 다른 에어포켓(11)으로 넘어가는 것을 방직하기 위해 압력센서(13a) 전단에 각 에어포켓(11)을 연결하는 각 배관튜브(12)에 형성되는 첵밸브(12a); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치{Power measuring device corresponding to a variable striking condition}

본 발명은 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 타격되는 타켓의 상태나 환경적 변화와, 타켓의 움직임이 발생되는 상태에서 타격되는 등의 가변되는 타격조건에서 각각의 변화되는 상태에 대응하여 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한 파워 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 태권도 등과 같은 타격식 스포츠 선수들은 신체 보호를 위해 호구를 착용하며, 훈련생의 효과를 높이기 위해 수련용 미트나 쉴드, 샌드백 등을 이용하고 있다.

이러한 호구 및 수련용 도구들은 훈련생의 신체 보호를 우선하다 보니 단순한 기능에서 벗어나지 못해 왔다.

즉, 일반 호구를 비롯한 수련용품들은 훈련생을 보호하면서 단순 타격 연습만 할 수 있도록 되어 있기 때문에 선수나 훈련생이 훈련 중에 타격한 타점이나 타격 강도를 확인할 수 없고, 그 결과 타격의 정확도나 강도에 대해 확인이 곤란한 문제가 있다.

이러한 점을 고려하여 최근에는 타격식 스포츠로서의 태권도를 비롯하여 각종 격투기 종목에서도 전자 호구가 개발되어 채점 방식의 수단으로 사용되고 있다.

보통 전자 호구는 태권도, 권투, 가라데, 킥복싱 등과 같은 무도에 사용되는 것으로서, 타격에 따른 점수를 판별할 수 있도록 개발된 것이다.

이러한 전자 호구는 접점방식의 전자칩을 내장한 형태로서, 전자칩의 접점으로부터 득점여부를 판별하도록 하는 타입으로 되어 있다.

그러나, 이와 같은 전자 호구는 타격으로 인해 상대방이 받는 충격의 강도 등은 전혀 고려하지 않고, 단지 접촉에 의한 전자칩의 접점신호만을 입력받아 점수를 측정하는 방식인 관계로 실질적인 점수를 판정하는 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 종래의 기술의 경우 타격의 강약에 따른 득점의 데이터 정보를 저장한다는 언급만 있을 뿐, 타격의 강약에 따른 점수를 판별하는 구체적인 방법에 대해서는 제시하지 못하고 있고, 결국 이 역시도 타격 시의 파워를 정확하게 측정하는 측면에서 미흡한 점이 있는 등 점수를 판정하는 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 단점을 해결하고자 본 출원인은 대한민국 특허등록 등록번호 제10-1718870호 "타겟 타격 시의 파워 측정 장치"에서 전문 운동선수나 일반인들의 타격 훈련이나 운동 연습 등에 사용되는 타격기는 물론, 무도 시합, 연습 대련, 격투기 훈련 등에 사용되는 전자 호구 등과 같은 타겟에 타격을 가했을 때의 파워를 정확하고 정밀하게 측정하는 장치를 제시한 바 있다.

이에 더하여 본 출원에서는 가변적 상황과 에어포켓의 노후와 온도 변화 등에 따른 압력변위값에 대한 보정을 보다 정밀하게 하는 기술을 제공하고자 한다.

대한민국 특허등록 등록번호 제10-1718870호 "타겟 타격 시의 파워 측정 장치"

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 타격되는 타켓의 상태나 환경적 변화와, 타켓의 움직임이 발생되는 상태에서 타격되는 등의 가변되는 타격조건에서 각각의 변화되는 상태에 대응하여 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한 파워 측정장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

구체적으로, 본 발명은 타켓을 오래 사용할 경우 타켓 내에서 충격을 받아들이는 에어포켓이 노후되거나 기온이 변하는 등의 외부영향에 따라 측정치가 불균일해지기 때문에 보정을 통해 작동할 때마다 영점을 맞출 수 있도록 하기 위한 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 태권도 등과 같은 격투 운동에서 사용되어지는 미트나 호구 등의 타켓에 설치되면, 타켓이 이동하며 타격하기 때문에 타격량에 이동시의 운동에너지 등을 합하거나 감하여 측정치를 보정할 뿐만 아니라, 단일의 타겟에 다수의 에어백(타격지점)이 설치될 경우, 각 일 측의 에어백을 타격하여 배출되는 공기가 타 측의 에어백으로 넘어가는 현상을 방지하도록 하기 위한 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치를 제공하기 위한 것이다.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치는, 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)가 격투 운동에서 사용되어지는 타겟에 설치되면, 타겟에서 히팅(hitting)에 따른 점수로 이어지는 영역에 각기 에어포켓(11)이 형성되어 이루어지는 에어포켓 그룹(11g); 에어포켓(11)에 가해지는 충격력으로 타격의 강약(파워)에 대한 점수를 판정하여, 타격 시의 파워를 측정하여 점수 판정에 효율성을 높일 수 있도록 에어포켓(11) 상에서 체적 변화에 따라 다른 일측의 압력센서(13a)로 압력을 전달하기 위해 형성되는 배관튜브(12); 및 타겟지점에 해당하는 에어포켓(11)에 대한 타격시, 배출되는 공기가 압력센서(13a)를 중심으로 연결되는 배관튜브(12)를 타고 다른 에어포켓(11)으로 넘어가는 것을 방직하기 위해 압력센서(13a) 전단에 각 에어포켓(11)을 연결하는 각 배관튜브(12)에 형성되는 첵밸브(12a); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명은 압력센서(13a) 외에 G센서(13b)를 추가로 포함하는 센서모듈(13); 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 압력센서(13a)는, 에어포켓(11)에서 연장되는 배관튜브(12)의 끝단에 설치되어 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한, G센서(13b)는, 타켓이 이동하며 타격하기 때문에 타격량에 이동시의 운동에너지를 합하거나 감하여 측정치를 보정하기 위한 변위값을 측정하기 위해 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, G센서(13b)에 의해 측정된 변위값이 A/D 변환부(14)를 거쳐 제어부(15)로 제공됨으로써, 제어부(15)에 의한 타격량에 대한 운동 에너지를 하나의 파라미터로 한 보정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 타격을 받은 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 공기 압력변화를 압력센서(13a)에서 검출하게 되고, 검출된 아날로그의 공기 압력변화값이 수신되면, 디지털 신호(시그널 전압)로 변환한 뒤에 제어부(15) 측에 제공하는 A/D 변환부(14); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, A/D 변환부(14)는, G센서(13b)에 의해 측정된 변위에 따른 변위변화를 G센서(13b)에서 검출하게 되고, 검출된 아날로그의 변위변화값을 디지털 신호(시그널 전압)로 변환한 뒤에 제어부(15) 측에 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치는, 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치가 태권도 시합을 진행할 때 착용하는 호구에 설치되면 시합할 때 일정한 타격력 이상이 되지 않으면 득점으로 인정되지 않도록 함으로써, 태권도 경기를 보다 박진감 있게 진행시킬 수 있도록 하는 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치는, 타켓을 오래 사용할 경우 타켓 내에서 충격을 받아들이는 에어포켓이 노후되거나 기온이 변하는 등의 외부영향에 따라 측정치가 불균일해지기 때문에 보정을 통해 작동할 때마다 영점을 맞출 수 있도록 할 수 있는 효과를 제공한다.

뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치는, 태권도 등과 같은 격투 운동에서 사용되어지는 미트나 호구 등의 타켓에 설치되면, 타켓이 이동하며 타격하기 때문에 타격량에 이동시의 운동에너지 등을 합하거나 감하여 측정치를 보정할 뿐만 아니라, 단일의 타겟에 다수의 에어백(타격지점)이 설치될 경우, 각 일 측의 에어백을 타격하여 배출되는 공기가 타 측의 에어백으로 넘어가는 현상을 방지하기 위해 각각의 첵밸브가 갖추어진 첵밸브 어셈블리 구성을 갖는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)가 설치되는 타겟으로 태권도에서 사용되는 수련용 타격미트(도 2a) 및 호구 중 몸통보호대(도 2b)에 적용한 예를 보여준다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)에서 압력변화에 따른 시그널 값을 예시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)는 복수의 에어포켓(11)으로 형성되는 에어포켓 그룹(11g), 각 에어포켓(11)과 센서모듈(13) 중 압력센서(13a)를 연결하는 배관튜브(12), 압력센서(13a) 및 G센서(13b)로 이루어지는 센서모듈(13), A/D 변환부(14), 제어부(15), 보정 회로부(15a), 송신모듈(16)을 포함할 수 있다.

그리고, 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)와 근거리 무선통신을 통해 신호 및 정보를 수신하기 위한 수신모듈(21)을 구비하는 디스플레이장치(20)가 시스템의 구성요소로 포함될 수 있다.

에어포켓 그룹(11g)을 구성하는 각 에어포켓(11)은 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)가 격투 운동에서 사용되어지는 미트나 호구 등의 타겟에 설치되면, 타겟에서 히팅(hitting)에 따른 점수로 이어지는 영역에 각기 형성될 수 있다.

배관튜브(12)는 에어포켓(11)에 가해지는 충격력으로 타격의 강약(파워)에 대한 점수를 판정하여, 타격 시의 파워를 보다 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 등 점수 판정에 효율성을 높일 수 있도록 에어포켓(11) 상에서 체적 변화에 따라 다른 일측의 압력센서(13a)로 압력을 전달하기 위해 형성될 수 있다. 즉, 배관튜브(12)는 에어포켓(11)을 따라 연결되는 배관으로 압력센서(13a)과 다른 한측이 연결된 구조를 갖는다.이에 따라, 에어포켓(11)이 타격을 받는 경우 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 공기 압력변화를 압력센서(13a)가 검출할 수 있게 된다.

그리고, 타겟으로는 로봇, 무술 훈련기, 전자 타격기, 전자 호구, 수련용 미트나 수련용 쉴드, 샌드백, 차량 충돌테스트용 더미 등 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 도 2와 같이 태권도에서 사용되는 수련용 타격미트(도 2a) 및 몸통보호대(도 2b)에 적용한 예를 보여준다.

이와같이 타켓에 적용하는 경우, 에어포켓(11)은 무술 훈련기의 머리 부분, 어깨 부분, 팔 부분, 복부 부분, 옆구리 부분, 다리 부분 등 다양한 부위에 내장 또는 노출되는 구조로 설치될 수 있으며, 이렇게 각 에어포켓(11)이 머리, 복부, 옆구리(좌/우) 등에 배치됨으로써, 몸체 구분 부위별 타격 및 정밀 타격 강도 측정이 가능하게 된다.

첵밸브(12a)는 타겟지점에 해당하는 에어포켓(11)에 대한 타격시, 배출되는 공기가 압력센서(13a)를 중심으로 연결되는 배관튜브(12)를 타고 다른 에어포켓(11)으로 넘어가는 것을 방직하기 위해 압력센서(13a) 전단에 각 에어포켓(11)을 연결하는 각 배관튜브(12)에 형성될 수 있다.

센서모듈(13)은 상술한 압력센서(13a) 외에 G센서(13b)를 추가로 포함할 수 있다.

압력센서(13a)는 상술한 봐와 같이 에어포켓(11)에서 연장되는 배관튜브(12)의 끝단에 설치되어 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출할 수 있다.

압력센서(13a)는 타겟 상의 제어부(15) 일측에 설치되면서 제어부(15)과는 전기적으로 연결되고, 타겟에 있는 각 에어포켓(11)과는 배관튜브(12)를 통해 연결된다.

다음으로, G센서(13b)는 타켓이 이동하며 타격하기 때문에 타격량에 이동시의 운동에너지 등을 합하거나 감하여 측정치를 보정하기 위한 변위값을 측정하기 위해 형성될 수 있다. 즉 G센서(13b)에 의해 측정된 변위값이 A/D 변환부(14)를 거쳐 제어부(15)로 제공됨으로써, 제어부(15)에 의한 타격량에 대한 운동 에너지를 하나의 파라미터로 한 보정이 수행되도록 할 수 있다.

즉, G센서(13b)는 격투 운동에서 사용되어지는 미트나 호구 등의 타켓에 설치되면, 타켓이 이동하며 타격하기 때문에 타격량에 이동시의 운동에너지 등을 합하거나 감하여 측정치를 보정하기 위한 용도이다.

A/D 변환부(14)는 타격을 받은 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 공기 압력변화를 압력센서(13a)에서 검출하게 되고, 이렇게 검출된 아날로그의 공기 압력변화값이 수신되면, 디지털 신호(시그널 전압)로 변환한 뒤에 제어부(15) 측에 제공할 수 있다.

또한, A/D 변환부(14)는 G센서(13b)에 의해 측정된 변위에 따른 변위변화를 G센서(13b)에서 검출하게 되고, 검출된 아날로그의 변위변화값을 디지털 신호(시그널 전압)로 변환한 뒤에 제어부(15) 측에 제공할 수 있다.

즉, A/D 변환기(14)는 압력센서(13a)에 의해 감지된 공기 압력변화값 및 G센서(13b)에 의해 감지된 변위변화값의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 한다.

제어부(15)는 압력센서(13a)로부터 A/D 변환기(14)를 거쳐 입력되는 공기 압력변화값에 대한 디지털 신호를 기반으로 타격의 강약에 대한 파워를 연산하여 점수로 판정할 수 있다.

또한, 제어부(15)는 G센서(13b)로부터 A/D 변환기(14)를 거쳐 입력되는 변위변화값이 압력센서(13a)에 의한 공기 압력변화값을 수신하기 직전에 압력센서(13a)의 타격면을 기준으로 타격면의 방향으로 이동하는 경우, 변위변화값에 비례하는 "- 가중치"를 공기 압력변화값에 적용함으로써, 실제의 공기 압력변화값에 대한 보정 효과를 제공할 수 있다.

다른 실시예로, 제어부(15)는 G센서(13b)로부터 A/D 변환기(14)를 거쳐 입력되는 변위변화값이 압력센서(13a)에 의한 공기 압력변화값을 수신하기 직전에 압력센서(13a)의 타격면을 기준으로 타격면의 방향의 반대 방향으로 이동하는 경우, 변위변화값에 비례하는 "+ 가중치"를 공기 압력변화값에 적용함으로써, 실제의 공기 압력변화값에 대한 보정 효과를 제공할 수 있다.

제어부(15)는 태권도 수련용 타격미트 및 호구 형태의 타겟을 적용하는 경우에 타겟 베이스의 내부 일측에 설치될 수 있으며, 이러한 제어부(15는은 A/D 변환기(14)로부터 입력되는 디지털 신호에 기초하여 보정된 파워에 대한 점수를 판정할 수 있게 된다.

예를 들면, 제어부(15)는 압력센서(13a)의 시그널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점까지의 최대 전압인 피크(Peak) 전압을 시그널 전압이 상승하는 시점부터 꼭지점까지 상승하여 멈출 때까지의 걸린 시간으로 나눈 값이 평균 충격력이며, 이 값에 상술한 G센서(13b)에 의한 보정과 후술하는 보정 회로부(15a)에 의한 보정에 각 모드별 계산식을 적용하여 합산하면, 타격의 강약에 대한 점수를 직접 얻을 수 있게 된다.

특히, 제어부(15)에서 평균 충격력을 측정할 때, 에어포켓(11)(11)의 물성, 장착상태, 형상 및 크기와, 타격 부위의 물리적 변화 등을 고려한 물성보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정함으로써, 보다 정확한 평균 충격력을 얻을 수 있게 된다.

또한, 제어부(15)는 획득한 정보를 모니터나 전광판, 휴대 단말기 등과 같은 디스플레이 장치(20)에 제공하기 위한 수단을 포함한다.

이를 위하여, 제어부(15) 측에는 송신모듈(16)이 구비됨과 더불어 디스플레이장치(20)측에는 수신모듈(21)이 구비된다.

이때의 제어부(15)의 송신모듈(16)과 디스플레이 장치(20)의 수신모듈(21) 간의 무선 송수신 방식은 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification) 등 다양한 무선 송수신 방식이 적용될 수 있게 된다.

이에 따라, 제어부(15)에서 판별된 점수는 송신모듈(16)의 안테나를 통해 디스플레이 장치(20), 예를 들면 모니터 내의 수신모듈(21)로 전송되는 한편, 상기 수신모듈(21)은 송신모듈(16)로부터 전송되어 오는 디지털의 점수 신호를 안테나를 통해 수신하게 되고, 계속해서 이렇게 수신된 점수 신호를 모니터로 출력하게 되므로서, 모니터에는 타격자의 파워에 대한 점수가 디스플레이될 수 있게 된다.

보정 회로부(15a)는 타켓을 오래 사용할 경우 타켓 내에서 충격을 받아들이는 에어포켓(11)이 노후되거나 기온이 변하는 등의 외부영향에 따라 측정치가 불균일해지는 경우, 제어부(15)에 의한 압력센서(13a)에 의한 압력 측정값에 대한 분석시마다 제어부(15)에 의한 요청에 따라 영점을 맞출 수 있는 기능을 제공할 수 있다.

이에 따라 제어부(15)에서 평균 충격력을 측정할 때, 타겟의 내부에 장착되는 에어포켓(11)(11) 각각을 타격할 수 있는, 임의로 정해놓은 충격량(운동량)으로 타켓의 사용량에 따른 초기의 각 에어포켓(11)의 공기 압력값과 현재의 각 에어포켓(11)의 공기 압력값의 차이에 해당하는 "디폴트 상태의 공기 압력변화값의 변화량"을 미리 설정된 주기로 연산하는 작동을 수행하고, 초기의 각 에어포켓(11)에 대한 동일한 지점 및 동일한 힘으로 수회의 타격에 따른 공기 압력변화값과 현재의 각 에어포켓(11)에 대한 동일한 지점 및 동일한 힘으로 수회의 "타격에 따른 공기 압력변화값의 변화량"을 연산한 뒤, "디폴트 상태의 공기 압력변화값의 변화량"를 초기 보정계수로 작용하고, "타격에 따른 공기 압력변화값의 변화량"을 최종 보정계수로 작용한 다다음, 초기 보정계수 및 최종 보정계수를 곱하여 충격력을 측정함으로써, 보다 정확한 충격력을 얻을 수 있게 된다.

이러한 구성을 통해 일 예로 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)가 태권도 시합을 진행할 때 착용하는 호구에 설치되면 시합할 때 일정한 타격력 이상이 되지 않으면 득점으로 인정되지 않도록 함으로써, 태권도 경기를 보다 박진감 있게 진행시킬 수 있도록 할 수 있다.

이하, 본 발명의 타겟 타격 시의 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)에 대한 구체적인 실시예에 대해 설명한다.

먼저, 물체가 충돌할 때 계의 운동량은 보존되며 가해진 충격량은 운동량의 변화와 같음을 이해하고 실험적 관계식과 이론식이 일치하는가를 알아보면 다음과 같다.

본 발명에서는 운동량과 충격량이라는 두가지 새로운 개념과 운동량 보존이라는 새로운 보존법칙을 이용할 것이다.

운동량 보존법칙은 에너지 보존법칙만큼 중요한 법칙이다.

광속에 가깝게 빠른 속도로 운동하는 물체나 원자의 구성요소같이 매우 작은 크기의 물체처럼 뉴턴의 법칙이 적절하지 못한 경우에도 운동량 보존법칙은 유효하다.

또한, 뉴튼 역학체계 안에서 운동량 보존은 뉴튼법칙을 직접적으로 적용하기 힘든 경우에도 운동상황을 효과적으로 분석할 수 있게 해준다.

뉴튼의 제2법칙, ΣF = ma를 다른 형태로 고쳐보면 하기의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

ΣF = m(dv/dt) = d(mv) /dt = dp/dt

여기서 질량 m은 상수이므로 미분기호 속으로 들어갈 수 있고, mv 를 그 입자의 운동량 또는 선 운동량이라 부르고 p = mv로 나타낸다.

물체의 운동량, p = mv 와 운동에너지, K = 1/2 mv²은 물체의 질량과 속도에 의존한다.

두 물리량의 근본적인 차이는 무엇일까 순전히 수학적으로 말한다면 운동량은 크기가 속도에 비례하는 벡터이고 운동에너지는 속력의 제곱에 비례하는 스칼라 이다.

그러나, 운동량과 운동에너지의 물리적인 차이를 알기 위해 본 발명에서는 운동량에 밀접히 관련된 충격량을 먼저 정의해야만 한다.

어떤 물체가 t1부터 t2 까지 Δt 시간간격 동안 일정한 총힘 ΣF 가 작용되었다면 충격량은 총힘과 시간간격의 곱으로 나타내고 J로 하기의 수학식 2와 같이 표시한다.

[수학식 2]

J = ΣF (t2 - t1) = ΣFΔt

이때, 수학식 1로부터 dp/dt 는 총운동량 변화량 p₂ - p₁ 를 시간간격 t₂ - t₁ 으로 나눈 것과 같기 때문에 ΣF = (p2 - p1) / (t2 - t1) 이고 이식을 변형하면 ΣF (t2 - t1) = p2 - p1 이된다. 이 식을 위의 수학식 2와 비교하면 하기의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 3]

J = p2 - p1

수학식 3을 충격량-운동량 정리(Impulse-Momentum Theorem)라고 한다.

즉, 한 물체에 주어진 시간동안 생긴 운동량 변화는 물체에 작용한 총 힘의 충격량과 같다.

충격량(Impulse 衝擊量)은 ΣF 와 방향이 같은 벡터량이며, SI 단위는 newton-second (Ns) 이다.

충격량-운동량 정리는 힘이 일정하지 않은 경우에도 적용되는데 뉴턴의2법칙은, 위의 수학식 1을 시간에 대해 적분해보면 하기의 수학식 4와 같이 확인할 수 있다.

[수학식 4]

이 정의에 의해서 충격량-운동량 정리인 수학식 3은 알짜힘이 시간에 따라 변하는 경우에도 적용된다.

[참조 도면]

위의 참조 도면은 충격량 (Ch8. Univ. Physics. by Young)을 나타내는 그래프로, 참조 도면의 (b)에서 보는 바와 같이 일정한 운동량을 가진 물체가 충돌할 경우, 딱딱한 충돌(hard collision)이나 부드러운 충돌(cushioned collision)에 관계없이 똑같은 충격량을 가짐을 보여준다(곡선 하단의 면적은 같다).

그러나, 딱딱한 충돌은 짧은 시간에 큰 힘을, 부드러운 충돌은 비교적 긴 시간에 작은 힘의 서로 다른 충격력(impulsive force)이 물체에 가해짐을 알 수 있다.

즉, 어떤 물체 A가 일정한 무게와 속도의 일정한 운동에너지를 가지고 B라는 물체와 충돌을 일으켰을 때의 충돌 에너지는 B의 물성, 즉 질량, 경도, 탄성계수, 놓여져 있는 상태 등의 여러 가지 변수에 대하여 동일하지만, B의 물체에 전달된 충격력은 물성에 따른 변형과 이동에 의한 작용 및 반작용 등의 여러 가지 변수에 의해서 달라질 수 있다.

그래서, 본 발명에서는 충격량을 측정할 수 있는 타격기를 제작하여, 상기 참조 도면에서의 볼록한 사인파를 사용하여 평균충격력을 도출해 사용할 것이며, 공식은 하기의 수학식 5와 같다.

[수학식 5]

충격력(impulsive force,衝擊力)N=델타mv(운동 변화량=충격량Ns)/델타t(시간변화량S)

충격력N=충격량Ns/시간s

다시 설명하면, 때리는 권투선수의 주먹에 대한 운동에너지와 가격을 당했을 때의 충격에너지를 측정하는 것이 아닌, 타격으로 인해 에어포켓(11)의 체적 변화에 대한 압력변화를 공기 압력센서(Air Pressure sensor)로서 간접 검출한다.

즉, 주먹의 크기(에어포켓(11)에 닿는 면적)와 미는 힘의 세기와 속도에 대하여 에어포켓(11)이 찌그러지는 정도에 따른 공기압력의 변화 값을 시간으로 나눠 분석한다.

조금 더 자세히 설명하자면, 도 3에서 에어포켓(11)을 타격 시, 컨트롤 모듈에서 압력센서의 시그널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점의 최대 전압을 피크(Peak)전압이라 하고, 이 값을 이때까지 걸린 시간으로 나눈값을 가상 평균 충격력이라 한다.

하지만, 본래의 충격력을 산출하려면 사인파 전체 면적의 충격량을 계산하여, 사인파의 상승지점부터 하강지점까지의 전체 시간으로 나눠야 되지만, 충격력에 대한 물리적 변형과 간섭 등에 의한 서징(Surging) 등을 필터링 하기 쉽고, 계산이 빠르며, 편리함은 물론, 무도에서의 순간파괴력은 충격력이 전달될 때까지의 시간만으로 판단하는 것이 더 정확하기 때문에 반파의 피크(Peak)전압을 우선시하여 사용하며, 보정이나 필요에 따라 언제든지 충격량을 도출하여 사용할 수 있다.

즉, 압력변화에 따른 시그널 값의 피크전압으로 계산해 보면 아래와 같은 표 1과 같은 임의의 가상 충격력 값을 도 3의 그래프와 같이 도출해 낼 수 있다.

a=2/0.5=4
b=2/1=2
c=5/0.5=10

하지만, 위의 값은 에어포켓(11)이 타격을 받아 찌그러지는 동안의 체적변화에 따른 에어포켓(11) 내 공기압력 변화를 측정한 것으로서, 아직 정확한 충격력으로 보긴 힘들다.

왜냐하면, 타겟의 변위변화량, 에어포켓(11)의 노후화, 온도, 물성, 즉 경도, 탄성계수, 인장력, 기본 공기압력, 장착상태, 포켓의 형상 및 크기, 타격 부위의 두께 등 여러가지 물리적 변화에 따라서 위의 예시 값은 달라질 수 있기 때문이다.

그래서, 에어포켓(11)의 물성을 규격화하고 태권도 호구(타겟)의 물성과 장착되는 형태와 위치에 따라서 전체적인 물성보정이 하기의 수학식 6과 같이 필요하다.

[수학식 6]

최대 시그널 값/시간x물성보정계수

이와 같은 물성보정계수를 보정하는 하나의 예를 설명하면 다음과 같다.

태권도 호구에는 태권도 호구를 지탱하면서 에어포켓(11)의 위치를 결정하는 뼈대가 들어가고, 각 점수로 연결되는 위치에 에어포켓(11)이 골격으로부터 장착되어진 상태로 뼈대 내에 설치되어진다.

이후 태권도 호구 몸체(바디)를 구성하는 재료인 합성수지 재료가 주입되어지면, 에어포켓(11)은 각 위치에서 스킨(외피)으로부터 약 5mm 정도로서 가급적 얇은 두께로 유지된다.

이후 틀에서 탈영한 후에 에어포켓(11)의 위치 및 조립상태 확인 등의 검사를 진행하기 위해 에어포켓(11)에 일정공기압(0.7bar)을 넣어 누설여부를 판단하고, 다시 사용표준 공기압력(0.1~0.3bar)을 주입하면서, 정해진 충격량(운동량)으로 만들어진 테스트 벤치를 이용하여 타겟의 에어포켓(11)을 타격하면서 시널값의 피크전압과 응답속도 등을 관찰하면서 최적의 상태에서 표준 공기압력을 결정한다.

즉, 에어포켓(11)으로부터 스킨까지의 두께 및 밀도 등에 의해 에어포켓(11)의 변형률이 달라지기 때문에, 표피의 두께가 두꺼우면 타격량에 대한 충격 흡수율이 커지므로 에어포켓(11)의 변형률이 작아지며, 이때에는 스킨의 두께가 얇은 것 보다 사용표준압력을 적게 한다.

다시 말해서 스킨의 표준 두께와 밀도일 때의 사용평균압력이 0.2bar로 셋팅되어질 때가 피크전압과 응답속도 등의 특성이 가장 적절해진다면, 이때의 보정계수값을 1이라했을 때, 스킨의 두께가 두껍고 밀도가 낮아서 충격흡수율이 높아서 표준공기압력을 낮은 0.1bar로 셋팅했다고 하면 물성 보정계수는 0.9가되고, 반대로 스킨의 두께가 얇고 밀도가 높아서 충격흡수율이 적어 표준공기압력을 0.3bar로 셋팅했다고 하면 물성보정계수는 1.1이 되는 것으로 정의하며, 이는 물리적특성에 따른 체적변위에 대한 보정이라 보면 될 것이다.

스킨이 표준두께와 밀도일 때 충격력N= 피크전압/시간 X 1

스킨이 표준두께보다 두껍고 낮은 밀도일 때 충격력N= 피크전압/시간 X 0.9

스킨이 표준두께보다 얇고 높은 밀도일 때 충격력N= 피크전압/시간 X 1.1

그러나, 아무리 규격화 해서 제작을 한다 해도 조립 및 제작오차가 발생하게 되므로, 제작 최종단계의 보정으로서, 모든 생산공정을 규격화하여 태권도 수련용 타격미트 및 호구를 제작하고, 태권도 수련용 타격미트 및 호구 내에 장착되어진 에어포켓(11)들을 각각 타격할 수 있는, 임의로 정해놓은 충격량(운동량)으로 테스트 벤치를 제작한 후에 수회의 타격에 따른 평균 값으로서, 가능한 최소에서 최대까지 여러 단계로서 정해놓고 타격하면서 최종 보정을 수행함으로써 보다 정확한 평균 충격력을 측정하는 것이 바람직하다.

평균충격력=최대시그널값/시간x물성보정계수x최종보정계수

이와 같은 최종보정계수를 보정하는 하나의 예를 설명하면 다음과 같다.

앞서 언급한 물성보정은 각 타겟의 에어포켓(11)에 대한 물성 보정이었다면, 이는 최종 점검 및 보정으로서, 태권도 호구 전체 즉 태권도 호구를 제조하고 태권도 호구를 타겟에 장착시 타격기 본체가 고정된 상태가 된다.

조립공차 및 타격기 본체의 밀도에 따른 질량차이와 내부 골격에 해당하는 태권도 수련용 타격미트 및 호구 뼈대 설치각도 및 조립상태에 대한 물리적 작용반작용에 대한 공기압력센서의 시그널전압의 피크특성과 응답 속도를 최종 캘리브레이션하는 단계이다.

즉, 조립되는 태권도 호구 뼈대와 합성수지의 무게가 일정할 때, 태권도 호구 본체의 밀도에 따른 평균 질량(G)이 600G일 때, 골격에 해당하는 뼈대로의 스프링강의 평균상수(spring constant , -常數)가 1이라고 가정하고, 동일한 충격량(운동량)인 1 뉴턴의 힘으로 타격 시의 작용 및 반작용력이 달라짐에 대한 에어포켓의 평균변형률을 적용키 위함이다.

이를 공식에 대입하면 아래와 같다

평균충격력N=충격량/시간X물성 보정계수X최종보정계수(본체 질량X스프링상수)

전자하드웨어 스팩 및 점수도출 상세 설명

공기압력센서 시그널범위 = 500 ~ 4500 mv

공기압력센서 응답속도 = 3Khz

샘플링 속도 = 1Khz

분해능력 = 12bit = 4096단계로 나눌 수 있다.

시그널 사용전압 값이 4500-500= 4000mv가 된다면, 4000mv를 4096단계로 나눈, 즉 1 ~ 4000단계로 점수를 계산할 수 있다.

예를 들어, 시그널 피크 볼테이지가 3000mv라 하고, 샘플링 속도가 1Khz(1000/1초)면, 1ms가 된다고 할 때, 3000mv까지 변위 시간이 3ms인 A라는 사람과 1ms인 B라는 사람의 가상 충격력을 계산하면,

A = 3000/3 = 1000N

B = 3000/1 = 3000N

A와 B 두 사람의 피크전압은 같았지만 속도의 차이만큼 B의 충격력이 큰 것을 알 수 있다.

하지만, 충격량은 속도가 지연된 만큼 A가 크다.

이렇게 가상 충격력 값에 물성보정계수와 최종보정계수를 적용하여 충격력을 얻어 파워 측정을 하고, 이를 점수로 판정한다.

이와 같이, 본 발명의 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)에 따르면, 태권도 훈련 시의 데이터 내지는 측정된 모든 점수와 훈련도 및 성취도 등의 모든 데이터를 무선 통신 시스템인 와이파이 또는 블루투스를 통해 제공받아 편리성을 추구하고, 온라인 상의 서버를 구축하여 관리 또는 분석하는 무도 스포츠 웨어러블 기기로서의 활용가치와 게임으로서의 가능성을 도모할 수 있는 한편, 이는 무도인으로서의 공정한 평가와 더블어 순위와 훈련에 대한 흥미를 얻을 수 있으므로, 우리나라 무술인 태권도의 활성화를 도모할 수 있다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치
11 : 에어포켓
11g : 에어포켓 그룹
12 : 배관튜브
13 : 센서모듈
13a : 압력센서
13b : G센서
14 : A/D 변환부
15a : 제어부
15a : 보정 회로부
16 : 송신모듈

Claims

가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치(10)가 격투 운동에서 사용되어지는 타겟에 설치되면, 타겟에서 히팅(hitting)에 따른 점수로 이어지는 영역에 각기 에어포켓(11)이 형성되어 이루어지는 에어포켓 그룹(11g);
에어포켓(11)에 가해지는 충격력으로 타격의 강약(파워)에 대한 점수를 판정하여, 타격 시의 파워를 측정하여 점수 판정에 효율성을 높일 수 있도록 에어포켓(11) 상에서 체적 변화에 따라 다른 일측의 압력센서(13a)로 압력을 전달하기 위해 형성되는 배관튜브(12); 및
타겟지점에 해당하는 에어포켓(11)에 대한 타격시, 배출되는 공기가 압력센서(13a)를 중심으로 연결되는 배관튜브(12)를 타고 다른 에어포켓(11)으로 넘어가는 것을 방직하기 위해 압력센서(13a) 전단에 각 에어포켓(11)을 연결하는 각 배관튜브(12)에 형성되는 첵밸브(12a); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.
청구항 1에 있어서,
압력센서(13a) 외에 G센서(13b)를 추가로 포함하는 센서모듈(13); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.
청구항 2에 있어서, 압력센서(13a)는,
에어포켓(11)에서 연장되는 배관튜브(12)의 끝단에 설치되어 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.
청구항 3에 있어서, G센서(13b)는,
타켓이 이동하며 타격하기 때문에 타격량에 이동시의 운동에너지를 합하거나 감하여 측정치를 보정하기 위한 변위값을 측정하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.
청구항 4에 있어서,
G센서(13b)에 의해 측정된 변위값이 A/D 변환부(14)를 거쳐 제어부(15)로 제공됨으로써, 제어부(15)에 의한 타격량에 대한 운동 에너지를 하나의 파라미터로 한 보정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.
청구항 5에 있어서,
타격을 받은 에어포켓(11)의 체적 변화에 따른 공기 압력변화를 압력센서(13a)에서 검출하게 되고, 검출된 아날로그의 공기 압력변화값이 수신되면, 디지털 신호(시그널 전압)로 변환한 뒤에 제어부(15) 측에 제공하는 A/D 변환부(14); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.
청구항 6에 있어서, A/D 변환부(14)는,
G센서(13b)에 의해 측정된 변위에 따른 변위변화를 G센서(13b)에서 검출하게 되고, 검출된 아날로그의 변위변화값을 디지털 신호(시그널 전압)로 변환한 뒤에 제어부(15) 측에 제공하는 것을 특징으로 하는 가변되는 타격조건에 대응하는 파워 측정장치.