KR20150137489A - 그네의 운동량 측정장치 및 방법 - Google Patents

그네의 운동량 측정장치 및 방법 Download PDF

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KR20150137489A
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Abstract

본 발명은 그네의 운동량 측정장치 및 방법에 관한 것이다. 그러한 그네의 운동량 측정장치는 그네의 발판과; 발판에 장착되는 가속도 측정부와; 가속도 측정부의 데이터에 의하여 운동량을 연산하는 제어부와; 그리고 제어부에 의하여 연산된 그네의 운동량 데이터를 네트워크를 통하여 외부로 전송하는 통신부를 포함한다.

Description

그네의 운동량 측정장치 및 방법{Apparatus for measuring momentum of swing and method of the same}
본 발명은 그네의 운동량 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3축 가속도 센서를 이용하여 그네의 운동량을 측정할 수 있고, 측정된 데이터를 어플리케이션을 통하여 원격지에 전송할 수 있는 장치에 관한 것이다.
통상적으로 그네는 큰 나뭇가지나 두 기둥 위에 나무를 가로질러 두 줄을 맨 뒤, 줄 아래 발판을 걸쳐놓고 거기에 올라앉거나 서서 몸을 앞뒤로 움직여 날게 하는 놀이를 의미한다.
그리고, 이러한 그네는 놀이터, 학교 등지에 널리 설치되어 있으며, 민속놀이로도 애용되고 있다.
특히, 강릉 단오제와 같은 향토축제에서 그네뛰기는 씨름과 더불어 대표적인 민속놀이로 인정받고 있다.
그러나, 이러한 그네는 체육행사 혹은 민속놀이의 한 행사로 관심을 받을 뿐 운동으로서의 효과를 입증하기 위한 과학적인 분석은 어려운 상태이다.
특허출원 제10-1998-13262호(명칭:회전식 그네)
따라서, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 과제는 그네의 운동량을 측정함으로써 그네의 보급률을 높이는데 있다.
아울러, 측정된 운동량 데이터를 스마트폰 등을 이용하여 원격지에 전송함으로써 널리 공유할 수 있는 그네의 운동량 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 그네의 운동량 측정장치를 제공하는 바, 이러한 그네의 운동량 측정장치는, 그네의 발판과; 발판에 장착되는 가속도 측정부와;
가속도 측정부의 데이터에 의하여 운동량을 연산하는 제어부와; 그리고
제어부에 의하여 연산된 그네의 운동량 데이터를 네트워크를 통하여 외부로 전송하는 통신부를 포함한다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예는 그네의 운동량 측정방법을 제공하는 바,
이러한 그네의 운동량 측정방법은, 측정장치에 전원을 인가하여 준비하는 단계와;
그네가 진자운동을 함에 따라 가속도 센서로부터 발생한 전압값이 제어부에 전달되는 단계와;
제어부의 연산부가 전압값을 연산하여 가속도를 산출하는 단계와;
산출된 가속도값에 의하여 운동량 데이터를 산출하는 단계와; 그리고
산출된 데이터가 네트워크를 통하여 서버 및 통신기기로 전송되는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그네의 운동량 측정장치는 그네의 왕복운동시 발생되는 가속도값을 측정하고, 이 가속도값을 수식으로 연산하여 최대속도, 최고높이, 왕복횟수 등의 운동량 데이터를 얻음으로써 그네의 운동량을 수치적으로 확인할 수 있고, 이러한 수치적인 결과에 의하여 그네 기술의 개발, 그네를 이용한 체력단련, 다이어트 등의 분야에 응용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동량 측정장치가 적용된 그네를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 그네의 운동량 측정장치의 구조를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 3축 가속도센서의 작동 원리를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 그네의 운동량 측정장치에 있어서, 각 구간별로 3축 가속도 센서의 작동원리를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 그네의 운동량 측정장치에 의하여 측정된 Z축 그래프를 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시된 그네의 운동량 측정장치에 의하여 측정된 데이터가 네트워크를 통하여 스마트폰 등에 전송되는 상태를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동량 측정방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 그네의 운동량 측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 제안하는 그네(1)의 운동량 측정장치(5)는 그네(1)의 발판(3)과; 발판(3)에 장착되는 가속도 측정부(7)와; 가속도 측정부(7)의 데이터에 의하여 운동량을 연산하는 제어부(9)를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 그네(1)의 운동량 측정장치(5)에 있어서, 그네(1)의 발판(3)은 줄(2) 등에 의하여 연결되어 사용자가 올라서는 판을 의미한다. 그리고, 이 발판(3)에 가속도 측정부(7)가 장착됨으로써 그네(1)가 전후방향으로 왕복하는 진자운동을 할 때 가속도를 측정하게 된다.
이러한 가속도 측정부(7)는 다양한 가속도 측정센서를 포함할 수 있으며, 예를 들면 3축 가속도 센서를 포함한다. 이러한 3축 가속도 센서는 검출 방식에 따라 정전 용량식, 피에조 저항식, 열분포 검출식, 지기센서 방식 등 다양한 방식으로 분류될 수 있다.
피에조 저항식은 소자 중앙에 설치된 피에조 저항의 변동을 브릿지 회로로 검출하게 된다.
그리고, 열분포 검지식은 칩의 발열부분에 의한 가열된 기체의 움직임을 온도 센서로 검출하는 방식이다.
또한, 정전 용량식은 전극 사이의 거리 변화를 정전용량으로 검지하는 방식이다.
이러한 정전 용량식은 도 3에 도시된 바와 같이, 프루프 메스(proof mass;m)를 전극(X,Y,Z)들 사이 중앙에 위치한 구조이다. 가속도가 없으면 프루프 메스(m)는 중앙에 위치하고, 가속도가 발생하면 중앙에서 반대편의 전극으로 이동하게 되고, 정전용량의 차이가 발생한다.
그리고, 이때 발생된 정전용량에 대한 전압값을 검출하여 연산함으로써 가속도를 측정할 수 있다.
예를 들면, 가속도 센서의 X축 전압값이 1.65V, Y축 전압값이 1.64V, Z축 전압값이 2.31V가 나온다면, X축 및 Y축값은 공히 1.65V로 동일하고, Z축값은 2.31V로 X축 및 Y축값과 다르다.
그리고, 이와 같이 측정된 전압값은 후술하는 제어부(9)에 전송됨으로써 가속도의 방향이 X,Y,Z축중 어느 방향인지를 판단할 수 있다.
또한, 전압값 1.65V는 0G의 가속도로 환산하고, Z축값인 2.31V는 1G의 가속도로 환산함으로써 가속도를 측정할 수 있다.
이와 같이 가속도센서에 의하여 측정된 전압값은 제어부(9)에 의하여 연산됨으로써 가속도 및 가속도가 작용하는 방향, 그네(1)의 최대 높이, 왕복횟수를 연산할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 제어부(9)는 가속도 측정부(7)로부터 전압값이 입력되는 입력부(11)와; 입력된 전압값에 의하여 가속도, 최대높이, 왕복횟수, 평균 가속도를 연산하는 연산부(13)와; 결과값을 저장하는 저장부(15)와; 연산된 결과를 출력하는 출력부(17)와; 연산된 결과를 숫자 및 문자로 표시하는 디스플레이부(19)와; 연산될 결과를 네트워크(N)를 통하여 원격지에 전송하는 통신부(21)를 포함한다.
이러한 제어부(9)에 있어서, 연산부(13)는 입력된 전압값에 의하여 그네(1)의 가속도, 최대 높이, 왕복횟수를 연산하게 된다.
즉, 그네(1)가 진자운동을 할 때, 발판(3)이 위로 올라갈수록 위치 에너지는 증가하고, 운동에너지는 감소하게 된다. 반대로, 발판(3)이 내려가기 시작하면 속도가 증가하면서 운동에너지는 증가하고, 위치에너지는 감소한다.
따라서, 발판(3)이 최저점을 통과할 때에는 속도가 최고이고, 높이는 0이며, 그네(1)가 최고점에 도달하면 속도는 0이고 높이는 최고점인 H이다.
이때 속도는 가속도를 적분하여 얻을 수 있고, 최고 높이, 최고 속도는 아래 수식에 의하여 얻을 수 있다. 즉,
운동에너지= 1/2 mv2 -------- 수식 1
위치에너지= mgh ------- 수식 2
(m: 발판 및 운동량 측정장치의 질량, v: 속도, g: 중력가속도, h:높이)
따라서, 임의 지점에서 역학에너지(E)는 보존되므로, 결국 아래의 식이 성립한다.
1/2 mv2 = mgh --------------- 수식 3
따라서, 상기 수식들을 이용하여 속도, 높이 등을 산출할 수 있다.
아울러, 아래의 수식을 같이 적용하여 산출할 수도 있다.
T=L(-mgsinθ) --------------- 수식 4
(T: 토크(장력), L: 그네의 줄길이,
mgsinθ: 발판 및 측정장치의 무게인 mg의 접선성분)
이와 같이, 제어부(9)는 각속도 센서에 의하여 측정된 가속도값을 적분함으로써 속도를 연산할 수 있고, 이 속도를 상기 수식에 의하여 연산함으로써 가속도, 최대 높이를 파악할 수 있다.
그리고, 왕복횟수는 저장부(15)에 저장된 가속도, 최고속도 등의 데이터 변화량을 분석함으로써 연산할 수 있다.
즉, 그네(1)의 Z축 가속도 그래프는 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 패턴이 반복되는 바, 그네(1)의 준비단계, 발구름, 입식, 좌식 단계의 순서로 1사이클이 완성된다. 이때, 준비단계의 가속도가 0이고, 발구름, 입식, 좌식이 진행됨에 따라 가속도가 발생하고, 그네(1)가 최고점에 도달하였을 때 가속도가 다시 0이 된다.
이와 같이 가속도가 0에서 다시 0으로 복귀하는 것은 1회 편도운동이므로, 이 과정이 2회 반복 되면 1회 왕복으로 판단한다.
따라서, 이러한 가속도 변화에 따른 그래프를 분석함으로써 왕복횟수를 파악할 수 있다.
상기 디스플레이부(19)는 연산된 결과치인 가속도, 최고속도, 왕복회수 등을 표시하게 된다. 이러한 디스플레이부(19)는 다양한 방식의 표시장치가 적용될 수 있으며, 예를 들면, 엘이디(LED), 엘씨디(LCD) 등이 포함될 수 있다.
그리고, 통신부(21)는 연산부(13)에 의하여 출력된 결과를 네트워크(N)를 통하여 원격지에 전송한다.
이러한 통신부(21)는 다양한 통신칩을 포함하며, 예들 들면 CC1120 RF chip을 이용하여 통신을 수행한다. 이러한 통신칩은 400MHz대 RF Tx/Rx방식이며, 최대 16dBm 출력이 가능하다.
400MHz 대역의 RF신호를 이용하는 것은 2.4GHz 대역의 무선 주파수와 혼선을 피하기 위함이다.
또한, MAC/PHY는 IEEE 802.15.4g이며, 모듈레이션 포멧(Modulation Formats)은 2-FSK, 2-GFSK, 4-FSK, 4-GFSK, MSK, OOK 등이다.
이러한 통신칩은 WIFI, 3G, 4G 등의 통신환경에서 외부의 통신기기, 예를 들면, 스마트폰(S)(S)과 같은 모바일 통신기기와 신호를 송수신할 수 있다.
따라서, 그네(1)의 운동량 측정장치(5)의 데이터를 통신칩을 통하여 스마트폰(S) 등의 통신기기에 전송함으로써, 스마트폰(S)을 통하여 외부에서 그네(1)의 상황을 파악할 수 있다.
즉, 외부 사용자는 스마트폰(S)상에서 그네(1)의 운동량을 파악할 수 있는 어플리케이션을 다운받아서 탑재한다. 이때, 각 스마트 콘센트(1)마다 ID가 설정된 상태이므로 네트워크(N) 상에서 식별 및 접속이 가능하다.
이와 같이, 스마트폰(S) 화면상에서 어플리케이션을 구동시켜서 그네(1)의 현재 운동량을 파악할 수 있다.
한편, 전원 공급부(10)는 AC전원 혹은 DC전원을 포함한다. 따라서, 전원의 사용이 불가능한 장소에서는 태양전지를 이용하여 전원을 공급받거나 배터리를 충전할 수 있다. 전원의 사용이 가능한 장소에서는 AC 혹은 DC전원을 사용하며, 전원이 오프된 경우에는 배터리로부터 전원을 공급받는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그네의 운동량 측정장치의 작동방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그네(1)의 운동량 측정방법은, 측정장치(5)에 전원을 인가하여 준비하는 단계(S100)와; 그네(1)가 진자운동을 함에 따라 가속도 센서로부터 발생한 전압값이 제어부(9)에 전달되는 단계(S110)와; 제어부(9)의 연산부(13)가 전압값을 연산하여 가속도를 산출하는 단계(S120)와; 산출된 가속도값에 의하여 최고속도, 최대높이, 반복회수를 산출하는 단계(S130)와; 산출된 데이터가 네트워크(N)를 통하여 서버 및 통신기기로 전송되는 단계(S140)를 포함한다.
이러한 순서로 진행되는 그네의 운동량 측정방법에 있어서, 준비단계(S100)에서는 운동량 측정장치(5)의 전원 스위치를 온(On)상태로 함으로써 전원을 공급한다. 그리고, 운동량 측정장치(5)는 자체 기능을 점검하여 이상유무를 판단한다.
준비단계(S100)가 완료되면, 사용자가 그네(1)를 탑승함에 따라 가속도 센서로부터 전압값이 발생하고, 발생된 전압값이 제어부(9)로 전달되는 단계(S110)가 진행된다.
즉, 사용자가 그네(1)의 발판(3)에 탑승하고 그네(1)를 타기 시작함에 따라 가속도 센서가 작동하게 되고, 이때 발생한 전압값이 제어부(9)에 전달된다.
그리고, 이러한 전압값은 그네(1)의 동작 속도에 따라 가변된다. 즉, 그네(1)의 동작은 최초의 정지단계와, 발을 구름으로써 그네(1)가 움직이기 시작하는 단계와, 그네(1)에 어느 정도의 가속도가 붙는 단계와; 그네(1)에 최고 가속도가 붙어서 그네(1)의 발판(3)이 최고점에 도달하는 단계로 진행된다.
그네(1)의 동작이 이러한 순서로 진행됨에 있어서, 그네(1)는 최저점을 중심으로 전방 혹은 후방으로 왕복운동을 하게 된다. 그리고 발판(3)이 위로 올라갈수록 위치 에너지는 증가하고, 운동에너지는 감소하게 된다. 반대로, 발판(3)이 내려가기 시작하면 속도가 증가하면서 운동에너지는 증가하고, 위치에너지는 감소한다.
따라서, 발판(3)이 최저점을 통과할 때에는 속도가 최고이고, 높이는 0이며, 그네(1)가 최고점에 도달하면 속도는 0이고 높이는 최고점인 H이다.
이와 같이, 그네(1)가 각 구간을 통과할 때 구간별로 발생되는 전압값이 가변적이다. 그리고, 각 구간의 전압값은 제어부(9)로 전송됨으로써 운동량 데이터로 연산된다.
가속도를 산출하는 단계(S120)에서는 제어부(9)의 연산부(13)가 입력된 전압값에 의하여 각 전압값별로 가속도를 산출한다. 이때, 가속도는 각 전압값별로 미리 설정된다.
이와 같이 가속도가 산출되면, 운동량 데이터를 산출하는 단계(S130)가 진행된다. 즉, 이 운동량 데이터 산출단계(S130)에서는 산출된 가속도값에 의하여 최고속도, 최대높이, 반복회수를 산출한다.
이때 운동량 데이터는 아래의 수식에 의하여 산출될 수 있다. 즉,
운동에너지= 1/2 mv2 -------- 수식 1
위치에너지= mgh ------- 수식 2
(m: 발판 및 운동량 측정장치의 질량, v: 속도, g: 중력가속도, h:높이)
따라서, 임의 지점에서 역학에너지(E)는 보존되므로, 결국 아래의 식이 성립한다.
1/2 mv2 = mgh --------------- 수식 3
따라서, 상기 수식들을 이용하여 속도, 높이 등을 산출할 수 있다.
아울러, 아래의 수식을 같이 적용하여 산출할 수도 있다.
T=L(-mgsinθ) --------------- 수식 4
(T: 토크(장력), L: 그네의 줄길이,
mgsinθ: 발판 및 측정장치의 무게인 mg의 접선성분)
이와 같이 운동량 데이터 산출단계(S130)가 완료되면, 데이터를 외부로 전송하는 단계(S140)가 진행된다.
즉, 산출된 최대높이, 동작시간, 평균 가속도, 최고 가속도 등을 산출할 수 있다. 그리고, 산출된 운동량 데이터는 통신부(21)를 통하여 외부의 스마트폰(S) 등 이동 통신기기로 전송된다.
그리고, 사용자는 스마트폰(S)상에서 어플리케이션을 활성화시킨 후, 해당 그네(1)로부터 전송된 데이터를 수신하며, 그네(1)의 운동량 데이터는 화면상에 표시됨으로써 사용자는 이를 확인할 수 있다.
이와 같은 과정을 통하여 사용자는 그네(1)의 운동량을 수치적으로 산출할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 그네의 발판과;
    발판에 장착되는 가속도 측정부와;
    가속도 측정부의 데이터에 의하여 운동량을 연산하는 제어부와; 그리고
    제어부에 의하여 연산된 그네의 운동량 데이터를 네트워크를 통하여 외부로 전송하는 통신부를 포함하는 그네의 운동량 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    가속도 측정부는 3축 가속도 센서를 포함하는 그네의 운동량 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    제어부는 가속도 측정부로부터 전압값이 입력되는 입력부와; 입력된 전압값에 의하여 가속도, 최대높이, 왕복횟수을 연산하는 연산부와; 결과값을 저장하는 저장부와; 연산된 결과를 숫자 및 문자로 표시하는 디스플레이부와; 연산될 결과를 네트워크를 통하여 원격지에 전송하는 통신부를 포함하는 그네의 운동량 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    연산부는 속도, 최고속도, 높이를 아래의 수식에 의하여 산출하는 것을 특징으로 하는 그네의 운동량 측정장치.
    1/2 mv2 = mgh
    (m: 발판 및 운동량 측정장치의 질량, v: 속도, g: 중력가속도, h:높이)
    T=L(-mgsinθ)
    (T: 토크(장력), L: 그네의 줄길이,
    mgsinθ: 발판 및 측정장치의 무게인 mg의 접선성분)
  5. 측정장치에 전원을 인가하여 준비하는 단계와;
    그네가 진자운동을 함에 따라 가속도 센서로부터 발생한 전압값이 제어부에 전달되는 단계와;
    제어부의 연산부가 전압값을 연산하여 가속도를 산출하는 단계와;
    산출된 가속도값에 의하여 운동량 데이터를 산출하는 단계와; 그리고
    산출된 데이터가 네트워크를 통하여 서버 및 통신기기로 전송되는 단계를 포함하는 그네의 운동량 측정방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    운동량 데이터 산출단계에 있어서, 가속도를 적분하여 속도를 구하고, 속도를 아래 수식에 대입함으로써 최대속도, 최대높이, 왕복횟수를 산출할 수 있는 것을 특징으로 하는 그네의 운동량 측정방법.
    1/2 mv2 = mgh
    (m: 발판 및 운동량 측정장치의 질량, v: 속도, g: 중력가속도, h:높이)
    T=L(-mgsinθ)
    (T: 토크(장력), L: 그네의 줄길이,
    mgsinθ: 발판 및 측정장치의 무게인 mg의 접선성분)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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