KR102564658B1

KR102564658B1 - 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈

Info

Publication number: KR102564658B1
Application number: KR1020220147756A
Authority: KR
Inventors: 류기환
Original assignee: (주)스포투
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2023-08-08

Abstract

본 발명은 하나의 모듈 형태로 이루어져 기존의 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에 부가될 수 있고, 운동 부하 및 운동량의 측정이 가능하며, 내구성과 정확성이 우수한 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈에 관한 것이다. 본 발명에 따른 센서 모듈은, 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에서 웨이트 블럭과 운동암 사이를 연결하며 장력을 통해 상기 웨이트 블럭의 하중을 상기 운동암에 전달하는 와이어의 경로상에 배치되는 센서 모듈로서, 상기 와이어를 사이에 두고 양쪽에서 상기 와이어와 각각 접하도록 배치된 메인 풀리 및 보조 풀리를 포함하고, 상기 와이어의 길이방향 변위를 메인 풀리의 회전 변위로 변환하고, 상기 와이어의 장력에 비례하여 상기 메인 풀리 또는 상기 보조 풀리에 미치는 힘을 지렛대의 원리로 증폭하는 와이어-풀리 메카니즘부; 상기 메인 풀리의 회전 변위를 검출하는 변위 센싱부; 상기 와이어-풀리 메카니즘부에 의해 증폭된 힘을 로드셀을 통해 검출하는 하중 센싱부; 상기 메인 풀리의 회전 운동을 이용하여 전력을 생산하는 발전 유닛; 상기 발전 유닛에서 생산된 전력을 저장하는 배터리; 및 상기 하중 센싱부와 상기 변위 센싱부에서 검출된 전기적 신호를 데이터로 가공하여 사용자의 모바일 기기로 송출하는 통신부; 를 포함한다. "본 연구는 중소벤처기업부의 2022년도 창업성장기술개발사업(팁스프로그램, No.　S3279628)의 지원에 의한 연구임"

Description

웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈{Sensor Module For Weight Traning Machine}

본 발명은 웨이트 트레이닝 기구에 설치 가능한 센서 모듈에 관한 것으로, 더 상세하게는 블럭핀(block pin)을 이용하여 웨이트 블럭(weight block)의 개수를 조절함으로써 운동 부하를 조절하고 와이어를 통해 부하가 연결되는 웨이트 트레이닝 기구(핀 블럭 머신)에 설치 가능하고, 운동 중에 선택된 웨이트 블럭들의 하중 및 이동 거리 등을 검출하여 운동량을 측정하는 센서를 포함하는 센서 모듈에 관한 것이다.

과거에 비해 신체 활동이 적은 반면 고열량 음식을 섭취하는 현대인의 생활 패턴으로 인해 건강 관리를 위한 운동의 중요성이 강조되고 있다. 건강을 위한 운동으로서, 전통적으로는 주로 체중 조절 위주로 달리기, 자전거 타기, 등산과 같은 유산소 운동의 중요성이 강조되어 왔다면, 최근에는 근육의 필요성이 널리 알려지면서 근력 운동에 대한 관심이 커지고 있다. 근력 운동에는 자신의 체중을 이용한 스쿼트, 플랭크, 푸시업 등의 맨몸 운동도 있으나, 개인적 특성 또는 요구를 반영하여 여러가지 표적 근육들을 발달시키는 데에는 웨이트 트레이닝(Weight Training)이 효과적인 것으로 알려져 있다.

웨이트 트레이닝에는 운동 부하를 가중시키는 다양한 도구나 기구들이 활용되는데, 덤벨, 케틀벨, 바벨과 같이 단순한 중량물에서부터, 레그 익스텐션/레그컬 머신, 레그 프레스 머신, 체스트 프레스 머신, 펙덱 머신, 렛 풀 다운 머신, 로우 머신, 크런치 머신 등 다양한 웨이트 트레이닝 기구가 활용된다. 앞에 언급된 웨이트 트레이닝 기구들의 공통점은, 단위 중량을 가진 다수의 웨이트 블럭 중 블럭핀의 위치에 따라 선택된 개수의 블럭들을 중력 반대 방향으로 들어 올리도록 웨이트 블럭들의 움직임이 가이드 되고, 웨이트 블럭들의 하중이 와이어를 통해 사용자가 움직이는 운동암에 전달되도록 구성된 핀블럭 머신이라는 점이다. 각 머신의 표적 근육에 따라 운동암의 위치와 움직임이 달라지지만, 기본적으로 핀블럭 머신은 중량물인 웨이트 블럭의 가동 범위가 프레임과 가이드에 의해 제한되므로 안전 사고의 위험을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이러한 이유에서 핀블럭 머신은 피트니스 센터에서 흔히 접할 수 있는 유형의 웨이트 트레이닝 기구이기도 하다.

한편, 핀블럭 머신 등을 이용한 웨이트 트레이닝은 개인별 신체 부위별 운동 능력에 따라 적절한 운동의 강도와 횟수 등을 설정하고, 적절한 수의 세트를 반복 수행할 때 효과를 얻을 수 있다. 이를 위해 PT(Personal Training)라고 불리는 개인훈련 코칭 서비스가 활용되기도 하지만 많은 경우에 비용과 시간의 제약이 따른다. 최근에는 통신 기술이 적용된 센서와 스마트 기기를 활용하여 웨이트 트레이닝 기구를 통한 사용자의 운동 정보를 수집하고, 스마트 기기의 응용 프로그램을 통해 운동 효과 향상을 위한 정보를 제공하려는 시도가 이루어지고 있다.

이러한 시도가 성공적이기 위해서는 웨이트 트레이닝 기구에 적용되는 센서가 매우 중요하다. 웨이트 트레이닝 기구의 특성상 한번 설치된 기구는 교체가 어렵고 교체 주기 또한 매우 길다. 따라서, 센서는 기존의 웨이트 트레이닝 기구에 추가적으로 설치될 수 있어야 한다는 기술적 과제가 따른다. 또한, 운동 부하의 측정을 위해 매우 큰 중량을 다루게 되므로 센서가 중량물의 하중에 그대로 노출될 경우 내구성을 확보하기 어렵다. 센싱 대상이 비교적 큰 하중과 이동 범위를 갖는다는 점을 극복하고 설치의 용이성과 함께 내구성과 정확성을 확보해야하는 기술적 과제가 따른다.

등록특허 제10-2429323호(2022.08.01) 등록특허 제10-2436607호(2022.08.23)

본 발명에 따른 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈은, 하나의 모듈 형태로 이루어져, 와이어를 통해 부하가 연결된 기존의 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에 쉽게 설치될 수 있고, 하나의 모듈로서 운동 부하 및 운동량의 측정이 모두 가능하며, 높은 중량의 측정 대상을 반복적으로 측정하면서도 내구성과 정확성을 동시에 확보할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에 따른 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈은, 주 설치 장소가 사람들의 활동이 많고 중량물을 다루는 짐(Gym)이라는 점을 고려하여, 추가적인 배선 연결 없이 작동에 필요한 전기 에너지를 확보할 수 있도록 함으로써 안전성과 경제성을 제공할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.

"본 연구는 중소벤처기업부의 2022년도 창업성장기술개발사업(팁스프로그램, No.　S3279628)의 지원에 의한 연구임"

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈은, 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에서 웨이트 블럭과 운동암 사이를 연결하며 장력을 통해 상기 웨이트 블럭의 하중을 상기 운동암에 전달하는 와이어의 경로상에 배치되는 센서 모듈로서, 상기 웨이트 트레이닝 기구의 프레임에 대해 고정 설치되는 고정 몸체부; 상기 고정 몸체부와 힌지를 통해 연결되는 회동 몸체부; 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 배치된 메인 풀리; 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽에 배치되고, 상기 메인 풀리와의 사이에서 상기 와이어가 상기 경로의 연장 방향에 대해 소정의 각도로 꺾이며 맞물려 통과하도록 배치된 적어도 하나의 보조 풀리; 및 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 상기 힌지로부터 소정의 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어, 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽의 대응되는 접촉점과의 접촉 하중을 검출하는 로드셀; 을 포함하고, 상기 소정의 거리는 상기 와이어의 장력에 의해 상기 회동 몸체부를 상기 고정 몸체부에 대해 회동시키는 힘의 작용점과 상기 힌지 사이의 거리보다 가까워, 상기 힘이 지렛대의 원리에 의해 증폭되어 상기 로드셀에 인가되도록 한다.

상기 메인 풀리는 상기 고정 몸체부에 배치되고, 상기 적어도 하나의 보조 풀리는 상기 와이어의 연장 방향으로 서로 소정의 간격을 두고 상기 회동 몸체부에 배치된 한 쌍의 보조 풀리로 구성되고, 상기 한 쌍의 보조 풀리는 상기 와이어의 연장 방향을 기준으로 상기 메인 풀리를 사이에 두고 양쪽에 배치될 수 있다.

상기 센서 모듈은, 상기 메인 풀리의 회전축을 중심으로 한 원주 궤적상에 배치된 다수의 자석; 및 상기 원주 궤적과 마주보는 위치에 설치되어 상기 다수의 자석의 움직임에 의한 자기장 변화에 의해 상기 메인 풀리의 변위를 검출하는 변위 센싱부; 를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 변위 센싱부는 자기장 변화를 검출하는 홀센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서 모듈은 상기 원주 궤적과 마주보는 위치에 설치되어 상기 다수의 자석의 움직임에 의한 자기장 변화에 의해 전력을 생산하는 발전 유닛을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 변위 센싱부는 상기 발전 유닛으로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 상기 메인 풀리의 변위를 검출하도록 구성될 수도 있다.

상기 센싱 모듈은 상기 발전 유닛에서 생산된 전력을 저장하는 배터리를 더 포함하고, 상기 배터리를 전원으로 활용하여 상기 로드셀 및 상기 변위 센싱부를 구동하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 한 측면에 따른 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈은, 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에서 웨이트 블럭과 운동암 사이를 연결하며 장력을 통해 상기 웨이트 블럭의 하중을 상기 운동암에 전달하는 와이어의 경로상에 배치되는 센서 모듈로서, 상기 와이어를 사이에 두고 양쪽에서 상기 와이어와 각각 접하도록 배치된 메인 풀리 및 보조 풀리를 포함하고, 상기 와이어의 길이방향 변위를 메인 풀리의 회전 변위로 변환하고, 상기 와이어의 장력에 비례하여 상기 메인 풀리 또는 상기 보조 풀리에 미치는 힘을 지렛대의 원리로 증폭하는 와이어-풀리 메카니즘부; 상기 메인 풀리의 회전 변위를 검출하는 변위 센싱부; 상기 와이어-풀리 메카니즘부에 의해 증폭된 힘을 로드셀을 통해 검출하는 하중 센싱부; 상기 메인 풀리의 회전 운동을 이용하여 전력을 생산하는 발전 유닛; 상기 발전 유닛에서 생산된 전력을 저장하는 배터리; 및 상기 하중 센싱부와 상기 변위 센싱부에서 검출된 전기적 신호를 데이터로 가공하여 사용자의 모바일 기기로 송출하는 통신부; 를 포함한다.

상기 와이어-풀리 메카니즘부는 상기 웨이트 트레이닝 기구의 프레임에 대해 고정 설치되는 고정 몸체부 및 상기 고정 몸체부와 힌지를 통해 연결되는 회동 몸체부를 포함하고, 상기 메인 풀리는 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 배치되고, 상기 보조 풀리는 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽에, 상기 메인 풀리와의 사이에서 상기 와이어가 상기 경로의 연장 방향에 대해 소정의 각도로 꺾이며 맞물려 통과하도록 배치되며, 상기 하중 센싱부는 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 상기 힌지로부터 소정의 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어, 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽의 대응되는 접촉점과의 접촉 하중을 검출하는 로드셀을 포함하고, 상기 소정의 거리는 상기 와이어의 장력에 의해 상기 회동 몸체부를 상기 고정 몸체부에 대해 회동시키는 힘의 작용점과 상기 힌지 사이의 거리보다 가까워, 상기 힘이 지렛대의 원리에 의해 증폭되어 상기 로드셀에 인가되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 센서 모듈은 상기 메인 풀리의 회전축을 중심으로 한 원주 궤적상에 배치된 다수의 자석을 더 포함하고, 상기 변위 센싱부는, 상기 원주 궤적과 마주보는 위치에 설치되고, 상기 다수의 자석의 움직임에 의한 자기장 변화를 검출하는 홀센서 또는 상기 자기장의 변화에 따라 전력을 생산하는 발전 유닛의 전기적 신호에 의해 상기 메인 풀리의 변위를 검출하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 모듈 형태로 이루어져, 와이어를 통해 부하가 연결된 기존의 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에 쉽게 설치될 수 있고, 하나의 모듈로서 운동 부하 및 운동량의 측정이 모두 가능하며, 높은 중량의 측정 대상을 반복적으로 측정하면서도 내구성과 정확성을 동시에 확보할 수 있도록 구성된, 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 주 설치 장소가 사람들의 활동이 많고 중량물을 다루는 짐(Gym)이라는 점을 고려하여, 추가적인 배선 연결 없이 작동에 필요한 전기 에너지를 확보할 수 있도록 함으로써 안전성과 경제성을 제공할 수 있도록 구성된, 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 모듈이 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에 설치된 상태를 예시한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈의 구성을 보인다.
도 3은 상기 도 2의 실시예에서 제 1 몸체부의 구성 및 하중 센싱 원리를 보인다.
도 4는 상기 도 2의 실시예에서 제 2 몸체부의 구성을 보인다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈의 웨이트 블럭의 변위/속도 센싱 및 발전을 위한 구성을 보인다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈의 기능적 구성을 보인다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속한 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 위, 아래, 좌, 우 등의 방향은 별도의 언급이 있는 경우를 제외하고는 참조된 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 모듈이 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에 설치된 상태를 예시한다.

본 도면은 와이어를 통해 부하가 연결된 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에서 다수의 웨이트 블럭(220)이 와이어(W)에 연결되어 상하로 움직이며 운동 부하를 제공하는 부분을 보인다. 웨이트 트레이닝 기구의 프레임(210) 안쪽에 다수의 웨이트 블럭(220)이 움직일 수 있는 공간이 형성되고, 상기 다수의 웨이트 블럭(220)은 상기의 공간 내에서 제한된 범위를 제한된 궤적을 따라 상하로 움직이도록 가이드 된다. 움직임 가이드를 위한 구조물은 본 도면에서는 생략되었다. 여기에 설명된 것과 같은 구조는 와이어를 통해 부하가 연결된 핀블럭 머신 타입의 여러 웨이트 트레이닝 기구에 공통적으로 적용되며, 이러한 핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구로는 레그 익스텐션/레그컬 머신, 레그 프레스 머신, 체스트 프레스 머신, 펙덱 머신, 렛 풀 다운 머신, 로우 머신, 크런치 머신 등을 들 수 있다.

본 도면에는 생략되었으나, 상기 다수의 웨이트 블럭(220) 각각은 그 중심부를 수직으로 관통하는 수직 관통공을 가져 상기 와이어(W)에 연결된 핀 결합봉(221)이 상기 수직 관통공을 통해 다수의 웨이트 블럭(220)들을 관통하며 삽입되도록 구성된다. 또한, 각 웨이트 블럭(220)에는 상기 수직 관통공과 앞뒤로 교차하는 수평 관통공(미도시)이 형성되어, 이를 통해 블럭핀(미도시)이 상기 핀 결합봉(221)에 끼워질 수 있도록 구성된다. 상기 블럭핀을 층층이 쌓인 상기 다수의 웨이트 블럭(200) 중 위에서 몇 번째의 블럭에 끼우는지에 따라 상기 핀 결합봉(221)에 딸려 움직이는 웨이트 블럭의 개수, 즉 운동 부하의 하중이 결정된다.

여기서, 본 발명에 따른 센서 모듈(100)은 상기 핀 결합봉(221)으로부터 사용자에 의해 움직여지는 운동암(미도시) 쪽으로 연장된 상기 와이어(W)의 경로상에 배치된다. 상기 센서 모듈(100)은 적어도 그 일부분이 보조 프레임(235)을 통해 상기 프레임(210)에 대해 고정되도록 설치될 수 있다. 상기 와이어(W)는 상기 다수의 웨이트 블럭(220)의 하중에 의한 장력을 상기 운동암에 전달하며, 그 경로 중에 배치된 도르레(218)에 의해 방향을 바꾸며 상기 운동암까지 연결된다. 본 실시예에서 상기 센서 모듈(100)은 상기 핀 결합봉(221)과 상기 도르레(218) 사이에 배치되었으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 도르레(218)와 상기 운동암 사이에 배치되어도 무방하다.

상기 센서 모듈(100)은 상기 와이어(W)가 상기 센서 모듈(100) 내부를 가로질러 지나도록 설치된다. 본 도면에는 상기 와이어(W)와 상기 센서 모듈(100)의 연결 관계를 볼 수 있도록 커버가 생략되었으나, 실제로는 상기 센서 모듈(100)의 내부 구성요소들이 외부로 노출되지 않도록, 상기 와이어(W)의 움직임을 방해하지 않는 형태의 커버로 덮일 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이 상기 센서 모듈(100)은 기존의 핀블럭 머신 타입 웨이트 트레이닝 기구에 부가적으로 설치될 수 있으며, 이를 위해 기존 기구의 프레임(210)에 고정 지지되는 보조 프레임(235)과 함께 설치될 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈(100)의 내부 구성을 도면과 함께 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈의 구성을 보인다.

본 실시예에 따른 센서 모듈(100)은 제1 몸체부(10)와 제2 몸체부(20)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 몸체부(10,20)는 각각 강성이 있는 단단한 몸체로 이루어지고, 서로 힌지(15)를 통해 결합된다. 상기 제1 및 제2 몸체부(10,20)는 상기 힌지(15)를 중심으로 소정의 범위에서 상대적으로 회동할 수 있도록 간격을 두어 배치된다.

상기 제1 몸체부(10)에는 적어도 하나의 보조 풀리가 배치되는데, 본 실시예에 따르면 상기 와이어(W)의 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 제1 보조 풀리(11)와 제2 보조 풀리(12)가 배치된다. 상기 제2 몸체부(20)에는 메인 풀리(21)가 배치되는데, 상기 메인 풀리(21)는 상기 와이어(W)의 길이방향을 따라 상기 제1 보조 풀리(11)와 상기 제2 보조 풀리(12)의 중간에 대응되는 위치에 배치된다. 상기 제1 및 제2 보조 풀리(11,12)는 상기 와이어(W)를 상기 메인 풀리(21) 쪽으로 가압하고, 상기 메인 풀리(21)는 상기 와이어(W) 와의 마찰에 의해 상기 와이어(W)의 길이방향 변위만큼 회전하도록 구성된다. 상기 제1 및 제2 보조 풀리(11,12)와 상기 메인 풀리(21)는 서로 엇갈리게 배치되어, 상기 제1 보조 풀리(11)와 상기 메인 풀리(21) 사이 및 상기 메인 풀리(21)와 상기 제2 보조 풀리(12) 사이에서 상기 와이어(W)가 이들 풀리의 곡면을 따라 각도가 꺾이며 통과하도록 구성된다. 다시 말해서, 도면상에서 가로 방향으로 상기 제1 및 제2 보조 풀리(11,12)와 상기 메인 풀리(21) 사이의 거리는 상기 제1 또는 제2 보조 풀리(11,12)의 반지름 및 상기 메인 풀리(21)의 반지름의 합보다 작은 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 몸체부(10)와 상기 제2 몸체부(20) 사이에서 서로 간격을 두고 마주한 부분으로서, 상기 힌지(15)로부터 상기 와이어(W)의 길이방향을 따라 소정의 거리만큼 떨어진 부분에 압축형 하중 센서인 로드셀(22)이 배치된다. 본 실시예에서 상기 로드셀(22)은 상기 제2 몸체부(20)에 고정 설치되고, 상기 제1 몸체부(10) 일측의 접촉점(13)이 상기 로드셀(22)과 접촉하도록 배치되었으나, 상기 로드셀(22)와 상기 접촉점(13)의 위치는 서로 뒤바뀔 수도 있다.

위와 같은 구성에 의해, 상기 와이어(W)에 걸린 장력에 의해 상기 제1 및 제2 보조 풀리(11,12)에 작용하는 반발력은 상기 제1 몸체부(10)를 도면상에서 반시계 방향으로 회전시키는 힘으로 작용하게 되고, 그 결과 상기 접촉점(13)이 상기 로드셀(22)을 가압하게 된다. 따라서, 상기 로드셀(22)에서 측정된 하중에 따라 상기 와이어(W)에 걸린 장력, 즉 상기 와이어(W)에 연결된 웨이트 블럭들의 하중을 검출할 수 있게 된다.

이때, 상기 힌지(15)를 중심으로 상기 와이어(W)가 상기 제1 및 제2 보조 풀리(11,12)에 작용하는 반발력과 상기 접촉점(13)이 상기 로드셀(22)을 누르는 힘 사이에는 지렛대의 원리가 적용된다. 지렛대의 원리를 활용함으로써 상기 와이어(W)에 걸린 장력에 대한 상기 로드셀(22)의 측정 감도를 향상시킬 수 있다. 이 점은 아래에서 좀 더 자세히 다루기로 한다.

본 실시예는 전술한 보조 프레임(235)에 대해 상기 제2 몸체부(20)가 고정되고 상기 제1 몸체부(10)가 상기 힌지(15)를 중심으로 회동하도록 연결된 것으로, 도 3 및 도 4를 참조한 이하의 설명도 이 점을 전제로 한 것이다. 다만, 본 발명의 실시 형태는 상기 제1 몸체부(10)가 상기 보조 프레임(235)에 고정되고, 제2 몸체부(20)가 상기 힌지(15)를 중심으로 회동하는 것으로 변형될 수도 있다. 여기서는 서로 힌지를 통해 연결된 한 쌍의 몸체부를 제1 몸체부(10)와 제2 몸체부(20)로 칭하였으나 이것은 설명의 편의를 위한 것이고, 상기 보조 프레임(235)를 통해 웨이트 트레이닝 기구의 프레임(210)에 대해 고정되는 쪽을 고정 몸체부, 상기 고정 몸체부에 대해 힌지를 중심으로 회동 가능하게 연결된 쪽을 회동 몸체부로 정의할 수도 있다.

도 3은 상기 도 2의 실시예에서 제 1 몸체부의 구성 및 하중 센싱 원리를 보인다.

와이어(W)가 상기 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 상기 제1 보조 풀리(11)와 상기 제2 보조 풀리(12) 사이의 구간을 통과할 때, 상기 제1 보조 풀리(11)의 축(115)에는 와이어(W)의 두 방향 장력(T)의 합력, F1이 인가된다. 이와 유사하게 제2 보조 풀리(12)의 축(125)에도 상기 두 방향 장력(T)의 합력, F2가 인가된다. 전술한 도 2의 실시예에서 상기 제1 및 제2 보조 풀리(11,12)는 상기 메인 풀리(21)의 축에 대해 대칭적인 위치에 있으므로, 상기 F1과 F2는 같은 값을 가지게 되나, 이들은 제1 및 제2 보조 풀리(11,12) 상호간의 상기 메인 풀리(21)의 위치에 대한 상대 위치의 차이에 따라 서로 다른 값을 가지게 될 수도 있다.

본 도면에서 상기 힌지(15)로부터 상기 제1 보조 풀리(11)의 축(115)까지의 와이어 길이방향의 거리를 Dp1 이라고 정의하고, 같은 방향으로 상기 제2 보조 풀리(12)의 축(125)까지의 거리를 Dp2 라고 정의하며, 또한 상기 힌지(15)로부터 상기 접촉점(13)까지의 거리를 D_L 이라고 정의하기로 한다. 상기 접촉점(13)이 상기 로드셀(22)에 작용하는 힘이 L이라 할 때, 상기 제1 몸체부(10)의 일부인 상기 접촉점(13) 또한 반대 방향으로 같은 크기의 반발력, Lc를 받게 된다. 한편, 설명의 편의를 위해서 전술한 Dp2 는 0 인 것으로 가정한다.

상기 힌지(15)를 중심으로 상기 제1 몸체부(10)에 작용하는 회전력, 즉 모멘트를 구하면, 전술한 F1에 의한 모멘트 M1은, 반시계방향으로, 식 M1= F1 × Dp1 에 의해 구해진다. 한편, 전술한 F2에 의한 모멘트는 Dp2 = 0 라는 가정에 의해 무시된다. 접촉점(13)에 대한 반발력 Lc에 의한 모멘트 M_L은, 시계방향이며, 식 M_L = Lc × D_L 에 의해 구해진다. 상기 제1 몸체부(10)가 모멘트 평형을 이룬 상태에서, 상기 M1과 상기 M_L은 서로 반대 방향이고 절대값이 같은 관계를 가지게 된다.

|F1 × Dp1| = |Lc × D_L| 의 관계로부터,

Lc = F1 * Dp1/D_L의 결과를 구할 수 있다.

이것은 곧 동일한 F1에 대해서 Dp1/D_L, 즉 상기 힌지(15)로부터 상기 접촉점(13)까지의 거리 D_L에 대한 상기 힌지(15)로부터 상기 제1 보조 풀리(11)까지의 거리 Dp1의 비가 클수록 동일한 F1 값(F1은 장력 T 값에 비례함)에 대해 로드셀(22)에서 검출되는 L 값(L의 절대값은 Lc의 절대값과 같음)의 크기가 커짐을 의미한다.

요약하자면, 본 실시예에 따른 센서 모듈(100)의 구성은 위와 같은 지렛대의 원리를 이용하여 와이어의 장력에 대한 로드셀의 감도를 향상시킬 수 있다.

앞서 언급된 것처럼 위의 설명은 Dp2 = 0 라는 가정을 전제로 한 것이고, 그 외의 경우라면, M1은 F1과 F2의 합력이 상기 힌지(15)로부터 (Dp1+Dp2)/2 거리인 가상의 작용점에 작용한 결과와 같다. 따라서, Dp1과 Dp2의 평균 값보다 D_L 의 크기가 작으면 위와 같이 와이어 장력에 대한 로드셀의 감도를 향상시킬 수 있다.

도 4는 상기 도 2의 실시예에서 제 2 몸체부의 구성을 보인다.

제2 몸체부(20)에 배치된 상기 메인 풀리(21)는 전술한 바와 같이 와이어와의 마찰에 의해 와이어의 변위만큼 회전축(215)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 본 실시예에 따른 센서 모듈에는 상기 메인 풀리(21)의 회전 변위를 측정할 수 있는 회전 변위 센싱 요소가 구비된다. 본 실시예에 따르면, 이러한 회전 변위 센싱 요소의 한 예로서, 상기 메인 풀리(21)의 적어도 일면에 설치된 다수의 자석(211,212)과 이들 자석의 회전 변위에 따른 자기장 변화를 카운트(count)하기 위한 홀센서(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 다수의 자석(211,212)은 상기 메인 풀리(21)의 회전축(215)을 중심으로한 원주 상에 일정한 간격으로 배치되고, 반대의 극성이 교대로 배치될 수 있다.

회전 변위 센싱 요소의 다른 예로서, 로터리 엔코더(Rotary Encoder)가 적용될 수도 있다. 로터리 엔코더는 상기 메인 풀리(21)의 회전축 또는 상기 메인 풀리(21)의 회전축에 연동하여 회전하는 다른 회전축에 설치될 수 있다. 로터리 엔코더의 회전 센싱 방식에는 홀센서 방식 및 광학센서 방식 등이 있으나, 본 발명에 따른 센서 모듈에는 센싱 방식과 무관하게 적용될 수 있다. 회전 변위 센싱 요소로서 로터리 엔코더를 적용하는 것은 신뢰성이 이미 검증된 기성 부품을 활용하여 상기 메인 풀리(21)의 회전 변위를 센싱할 수 있다는 측면에서 이점이 있다.

한편, 본 도면에서 도면부호 24는 상기 제2 몸체부(20)의 일부로서 힌지(15) 결합을 위해 상기 도 3에 도시된 상기 제1 몸체부(10) 중 도면부호 14가 가리키는 부분과 중첩되는 부분을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈의 웨이트 블럭의 변위/속도 센싱 및 발전을 위한 구성을 보인다.

본 도면 오른쪽의 상기 메인 풀리(21)에 관한 사항은 앞서 도 4를 참조하여 설명한 것과 같고, 본 실시예에 따른 센서 모듈은 상기 메인 풀리(21)에서 상기 다수의 자석(211,212)이 배치된 면과 마주보는 위치에 발전 유닛(30)과 홀센서(44)를 구비할 수 있다. 상기 홀센서(44)는 홀 이펙트를 통해 자기장 변화를 검출하는 센싱 소자이다. 상기 발전 유닛(30)은 센서 모듈(100)에서 활용되는 전력을 생산하기 위해 구비될 수 있다. 상기 발전 유닛(30)은 원통형으로 권선된 코일(33)과, 상기 다수의 자석(211,212)에 의한 자기장이 상기 코일(33)의 내/외부를 가로지르도록 자기 회로를 형성하는 제1 및 제2 요크(31,32)를 포함한다. 상기 제1 및 제2 요크(31,32)는 상기 메인 풀리(21)가 회전할 때 상기 코일(33)의 내/외부를 가로지르는 자기장의 방향이 주기적으로 반전되도록 구성된다. 그 결과 상기 메인 풀리(21)의 회전 시에 상기 코일(33)에 교류 파형의 유도 기전력이 발생된다.

상기 발전 유닛(30)에서 생산된 전력은 상기 센서 모듈(100)에 포함된 배터리에 충전되어, 상기 로드셀(22) 및 홀센서(44)를 통한 센싱 동작 등을 위한 전원으로 활용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈의 기능적 구성을 보인다.

본 발명의 한 실시예에 따른 센서 모듈(100)은 먼저 와이어-풀리 메카니즘부(90)를 포함한다. 상기 와이어-풀리 메카니즘부(90)는 상기 센서 모듈(100) 내부를 가로지르는 와이어(W)의 길이방향 변위를 전술한 메인 풀리(21)의 회전 변위로 변환하고, 상기 와이어(W)에 걸린 장력에 비례한 힘의 세기를 지렛대의 원리를 이용하여 물리적으로 증폭하도록 구성된다.

상기 센서 모듈(100)은 상기 메인 풀리(21)의 회전 변위를 검출하는 변위 센싱부(40), 상기 지렛대의 원리로 물리적으로 증폭된 하중을 로드셀을 통해 검출하는 하중 센싱부(50), 상기 메인 풀리(21)의 회전 운동을 이용하여 전력을 생산하는 발전 유닛(30), 상기 발전 유닛(30)에서 생산된 전력을 저장하는 배터리(60), 상기 하중 센싱부(50) 및 상기 변위 센싱부(40)에서 검출된 전기적 신호를 데이터로 가공하여 사용자의 모바일 기기로 송출하는 통신부(70), 및 전술한 구성요소들의 동작을 제어하는 컨트롤러(80)를 포함하여 구성된다.

상기 컨트롤러(80) 또는 상기 통신부(70)의 데이터를 받는 모바일 기기의 연산 기능을 활용하면 상기 메인 풀리(21)의 회전 변위로부터 회전 각속도, 회전 각가속도 등의 정보를 산출할 수 있고, 이로부터 상기 와이어(W)의 변위, 속도 및 가속도 등의 정보를 산출할 수 있다. 한편, 상기 변위 센싱부(40)는 전술한 홀센서(44)의 전기적 신호를 활용하는 대신 상기 발전 유닛(30)으로부터 출력되는 전기적 신호를 활용하여 상기 메인 풀리(21)의 회전 변위 등을 검출하도록 구성될 수도 있다.

100: 센서 모듈
10: 제1 몸체부 11, 12: 제1 및 제2 보조 풀리
15: 힌지 20: 제2 몸체부
21: 메인 풀리 22: 로드셀
30: 발전 유닛 40: 변위 센싱부
44: 홀센서 50: 하중 센싱부
60: 배터리 70: 통신부

Claims

핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에서 웨이트 블럭과 운동암 사이를 연결하며 장력을 통해 상기 웨이트 블럭의 하중을 상기 운동암에 전달하는 와이어의 경로상에 배치되는 센서 모듈로서,
상기 웨이트 트레이닝 기구의 프레임에 대해 고정 설치되는 고정 몸체부;
상기 고정 몸체부와 힌지를 통해 연결되는 회동 몸체부;
상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 배치된 메인 풀리;
상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽에 배치되고, 상기 메인 풀리와의 사이에서 상기 와이어가 상기 경로의 연장 방향에 대해 소정의 각도로 꺾이며 맞물려 통과하도록 배치된 적어도 하나의 보조 풀리; 및
상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 상기 힌지로부터 소정의 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어, 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽의 대응되는 접촉점과의 접촉 하중을 검출하는 로드셀; 을 포함하고,
상기 소정의 거리는 상기 와이어의 장력에 의해 상기 회동 몸체부를 상기 고정 몸체부에 대해 회동시키는 힘의 작용점과 상기 힌지 사이의 거리보다 가까워, 상기 힘이 지렛대의 원리에 의해 증폭되어 상기 로드셀에 인가되도록 하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 메인 풀리는 상기 고정 몸체부에 배치되고,
상기 적어도 하나의 보조 풀리는 상기 와이어의 연장 방향으로 서로 소정의 간격을 두고 상기 회동 몸체부에 배치된 한 쌍의 보조 풀리로 구성되고, 상기 한 쌍의 보조 풀리는 상기 와이어의 연장 방향을 기준으로 상기 메인 풀리를 사이에 두고 양쪽에 배치된,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 메인 풀리의 회전축을 중심으로 한 원주 궤적상에 배치된 다수의 자석; 및
상기 원주 궤적과 마주보는 위치에 설치되어 상기 다수의 자석의 움직임에 의한 자기장 변화에 의해 상기 메인 풀리의 변위를 검출하는 변위 센싱부; 를 더 포함하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 변위 센싱부는 자기장 변화를 검출하는 홀센서를 포함하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 원주 궤적과 마주보는 위치에 설치되어 상기 다수의 자석의 움직임에 의한 자기장 변화에 의해 전력을 생산하는 발전 유닛을 더 포함하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 5 항에 있어서,
상기 변위 센싱부는 상기 발전 유닛으로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 상기 메인 풀리의 변위를 검출하도록 구성된,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 5 항에 있어서,
상기 발전 유닛에서 생산된 전력을 저장하는 배터리를 더 포함하고,
상기 배터리를 전원으로 활용하여 상기 로드셀 및 상기 변위 센싱부를 구동하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
핀블럭 머신 타입의 웨이트 트레이닝 기구에서 웨이트 블럭과 운동암 사이를 연결하며 장력을 통해 상기 웨이트 블럭의 하중을 상기 운동암에 전달하는 와이어의 경로상에 배치되는 센서 모듈로서,
상기 와이어를 사이에 두고 양쪽에서 상기 와이어와 각각 접하도록 배치된 메인 풀리 및 보조 풀리를 포함하고, 상기 와이어의 길이방향 변위를 메인 풀리의 회전 변위로 변환하고, 상기 와이어의 장력에 비례하여 상기 메인 풀리 또는 상기 보조 풀리에 미치는 힘을 지렛대의 원리로 증폭하는 와이어-풀리 메카니즘부;
상기 메인 풀리의 회전 변위를 검출하는 변위 센싱부;
상기 와이어-풀리 메카니즘부에 의해 증폭된 힘을 로드셀을 통해 검출하는 하중 센싱부;
상기 메인 풀리의 회전 운동을 이용하여 전력을 생산하는 발전 유닛;
상기 발전 유닛에서 생산된 전력을 저장하는 배터리; 및
상기 하중 센싱부와 상기 변위 센싱부에서 검출된 전기적 신호를 데이터로 가공하여 사용자의 모바일 기기로 송출하는 통신부; 를 포함하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 8 항에 있어서,
상기 와이어-풀리 메카니즘부는 상기 웨이트 트레이닝 기구의 프레임에 대해 고정 설치되는 고정 몸체부 및 상기 고정 몸체부와 힌지를 통해 연결되는 회동 몸체부를 포함하고,
상기 메인 풀리는 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 배치되고, 상기 보조 풀리는 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽에, 상기 메인 풀리와의 사이에서 상기 와이어가 상기 경로의 연장 방향에 대해 소정의 각도로 꺾이며 맞물려 통과하도록 배치되며,
상기 하중 센싱부는 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 어느 한 쪽에 상기 힌지로부터 소정의 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어, 상기 고정 몸체부와 상기 회동 몸체부 중 나머지 한 쪽의 대응되는 접촉점과의 접촉 하중을 검출하는 로드셀을 포함하고,
상기 소정의 거리는 상기 와이어의 장력에 의해 상기 회동 몸체부를 상기 고정 몸체부에 대해 회동시키는 힘의 작용점과 상기 힌지 사이의 거리보다 가까워, 상기 힘이 지렛대의 원리에 의해 증폭되어 상기 로드셀에 인가되도록 하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.
제 8 항에 있어서,
상기 메인 풀리의 회전축을 중심으로 한 원주 궤적상에 배치된 다수의 자석을 더 포함하고,
상기 변위 센싱부는, 상기 원주 궤적과 마주보는 위치에 설치되고, 상기 다수의 자석의 움직임에 의한 자기장 변화를 검출하는 홀센서 또는 상기 자기장의 변화에 따라 전력을 생산하는 발전 유닛의 전기적 신호에 의해 상기 메인 풀리의 변위를 검출하는,
웨이트 트레이닝 기구용 센서 모듈.