KR20150138089A - 전기 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는, 사용자의 신체의 일부와 접촉되는 위치에 설치되어 기 설정된 주기마다 사용자의 심박수를 측정하는 심박수 센서부; 사용자의 답력 및 상기 심박수 센서부에 의해 측정된 사용자의 심박수를 기초로 모터제어신호를 생성하여 출력하는 제어부; 및 사용자의 답력의 크기를 검출하여 상기 제어부로 제공하며, 상기 모터제어신호에 따라 모터를 구동하는 구동부를 포함할 수 있다.

Description

전기 자전거 {ELECTRIC BICYCLE}

본 출원은 전기 자전거에 관한 것이다.

최근 자전거를 통해 수행할 수 있는 유산소 운동이 보편화되고 있다. 이때, 실외에서 이용할 수 있는 일반 자전거와, 헬스장 혹은 실내에서 이용할 수 있는 헬스 바이크(health bike)로 구분할 수 있다.

이때, 상기 일반 자전거는 사용자의 페달링(pedaling)에 의한 답력을 이용하여 주행되는 것이나, 높은 경사를 갖는 언덕 등에서는 사용자가 많은 힘을 가하여야 하는 불편함이 있다. 따라서, 이러한 불편함을 해결하기 위해 자전거에 모터를 장착하고, 상기 모터의 구동력 및 사용자의 답력으로 자전거를 구동시킬 수 있는 전기 자전거가 최근 개발되고 있다.

한편, 상기 전기 자전거는 최적의 운동 효과를 위해서는 최대 심박수, 예를 들어 65 내지 85%를 유지하면서 장시간 운동을 하는 것이 효과적이다. 이를 벗어나 운동을 지나치게 운동을 한다면, 무산소 운동이 되어 칼로리 소모는 더 클 수 있지만, 지방 감소의 효율성은 떨어질 수 있다.

따라서, 심박수를 보면서 운동량을 조절하는 것이 최적의 운동 효과를 내기 위해서 필요하나, 종래의 전기 자전거는 단순히 디스플레이 장치를 이용하여 측정된 심박수를 사용자에게 보여주기만 하는 수동적인 형태에 불과한 문제가 있다.

또한, 종래의 전기 자전거는 주행 노면의 경사는 고려하지 않은 채 모터가 구동됨으로써, 사용자가 경사도에 따라 직접 구동 모드를 변경하거나 또는 사용자가 직접 페달링을 통해 속도를 변경했어야 했다. 더욱이 사용자가 수동적으로 구동 모드 또는 속도를 변경하는 경우에는, 사용자의 주의력을 분산시켜 사고를 유발시킬 수 있는 문제가 있었다.

이와 관련하여, 하기 선행기술문헌에 기재된 특허문헌 1은, 유산소 운동기구 운동부하의 설정 및 설정된 운동부하에 따라 운동하는 운동자의 에너지 소모량 측정 장치 및 방법을 개시하고 있다.

한국공개특허 제2014-0017721호 (공개일: 2014.02.12.)

당해 기술분야에서는 전기 자전거 사용자의 운동 효과를 높이면서도 안전성을 향상시키기 위한 전기 자전거의 제어 방안이 요구되고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 전기 자전거를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는, 사용자의 신체의 일부와 접촉되는 위치에 설치되어 기 설정된 주기마다 사용자의 심박수를 측정하는 심박수 센서부와, 사용자의 답력 및 상기 심박수 센서부에 의해 측정된 사용자의 심박수를 기초로 모터제어신호를 생성하여 출력하는 제어부와, 사용자의 답력의 크기를 검출하여 상기 제어부로 제공하며, 상기 모터제어신호에 따라 모터를 구동하는 구동부를 포함할 수 있다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 목표 심박수 설정에 따라 자율적인 운동량 조절 및 심박수 관리가 가능하며, 목표 심박수, 사용자의 답력 및 주행 노면의 경사도에 따라 전기 자전거의 구동을 제어함으로써 효율적인 모터 구동이 가능하다.

또한, 경사로에서 안전성을 증가시킬 수 있으며, 사용자의 주행 편의성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 주요 구성부를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전기 자전거의 주요 구성부 중 구동부를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 순서도에서 주행 노면의 경사도를 더 고려하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 주요 구성부를 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는 심박수 센서부(100), 제어부(200) 및 구동부(300)를 포함할 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는, 표시부(400), 정보 입력부(500) 및 배터리(700)를 더 포함할 수 있다.

더 나아가, 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는, 경사도 측정부(600)를 더 포함할 수 있다.

심박수 센서부(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거를 주행하는 사용자의 심박수를 측정할 수 있다.

이때, 상기 심박수 센서부(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거에서 사용자의 신체와 직접적으로 맞닿는 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어 상기 심박수 센서부(100)는 전기 자전거의 양 손잡이 부분에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 심박수 센서부(100)는 사용자가 전기 자전거를 주행하기 시작하면 사용자의 심박수를 측정할 수 있으며, 측정된 사용자의 심박수를 제어부(200)로 제공할 수 있다. 한편, 심박수 센서부(100)는 일정한 주기에 따라 사용자의 심박수를 측정할 수 있으며, 측정된 심박수를 주기에 따라 제어부(200)로 제공할 수 있다. 한편, 측정되는 심박수는 분당 심박수일 수 있다.

또한, 심박수 센서부(100)는 측정된 사용자 심박수를 표시부(400)에 제공할 수 있으며, 상기 표시부(400)는 제공받은 상기 사용자 심박수를 사용자가 확인할 수 있도록 화면에 출력할 수 있다.

한편, 사용자는 전기 자전거를 주행하기 전, 또는 주행한 이후에 사용자 정보를 정보 입력부(500)를 통해 입력할 수 있다. 상기 사용자 정보는 사용자의 성별, 연령, 신장 및 체중을 포함할 수 있다.

한편, 정보 입력부(500)는 모드 정보를 사용자로부터 입력받을 수 있다. 상기 모드 정보는 자동 모드와 수동 모드일 수 있다. 자동 모드는 사용자의 페달 답력 외에도 모터(310)의 구동력에 의해 전기 자전거가 주행되는 것을 말하며, 수동 모드는, 오로지 사용자의 페달 답력으로만 전기 자전거가 주행되는 것을 말한다.

정보 입력부(500)는 예를 들어 터치 인식이 가능한 터치 패널, 기계식 또는 접촉식 터튼 등으로 구현될 수 있으며, 입력받은 사용자 정보를 제어부(200)로 제공할 수 있다.

제어부(200)는 연산부(210), 메모리부(220) 및 주제어부(230)를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등으로 구현될 수 있다.

상기 연산부(210)는 입력받은 사용자 정보에 따라 사용자의 목표 심박수를 설정할 수 있다. 이때, 사용자의 목표 심박수를 설정하는 방법의 일 실시예는 '목표 심박수 = 200 - 나이'가 될 수 있다.

한편, 목표 심박수는 상술한 바와 같이 사용자 정보를 제공받아 연산부(210)에 의해 연산될 수도 있으며, 또는 사용자가 처음부터 정보 입력부(500)를 통해 목표 심박수를 입력할 수도 있다.

이때, 상기 연산되거나 입력된 목표 심박수는 메모리부(220)에 저장될 수 있다.

또한, 상기 연산부(210)는 메모리부(220)에 저장된 목표 심박수와 현재 측정된 사용자 심박수를 비교할 수 있다. 비교 방법의 일 실시예는 측정된 사용자의 심박수를 측정 전압으로 변환하고, 목표 심박수를 기준 전압으로 변환한 이후, 상기 기준 전압과 측정 전압의 차이를 이용하여 비교를 수행할 수 있다. 즉, 상기 비교 결과는 모터(310)의 구동 제어를 위해 전류 레벨로 변환(conversion)될 수 있으며, 이때의 변환 비율은 선형 또는 비선형, 테이블 형태의 관계식을 가질 수 있다.

나아가, 상기 연산부(210)는 상기 비교 결과와 구동부(300)로부터 제공받은 페달 답력을 이용하여 보조 토크를 산출할 수 있다. 상기 보조 토크를 산출하는 과정은 사전에 설정된 주기에 따라 수행될 수 있다.

상기 주제어부(230)는 산출된 보조 토크를 이용하여 구동부(300)의 동작을 제어하는 모터제어신호를 생성할 수 있다.

상기 제어부(200) 및 후술하는 구동부(300)는 배터리(700)로부터 구동을 위한 전원을 제공받을 수 있다.

구동부(300)에 대해서는 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 도 1에 도시한 전기 자전거의 주요 구성부 중 구동부(300)를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 구동부(300)는 모터(310), 속도 검출부(320), 답력 검출부(330) 및 모터 구동부(340)를 포함할 수 있다.

상기 속도 검출부(320)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 주행 속도를 검출하여 제어부(200)로 제공할 수 있으며, 이는 사용자가 확인할 수 있도록 표시부(400)에서 출력될 수 있다. 이때, 상기 속도 검출부(320)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 바퀴의 회전 속도 또는 모터의 구동 속도 등을 이용하여 주행 속도를 검출할 수 있다.

답력 검출부(330)는 사용자가 페달을 밟았을 때의 힘인 답력의 크기를 검출할 수 있다. 상기 답력 검출부(330)의 검출 값은 이후, 제어부(200)로 제공되어 목표 심박수 및 현재 사용자 심박수의 비교 결과와 함께 보조 토크를 산출하는데 사용될 수 있다.

모터 구동부(340)는 일 실시예로 모터(310)에 3상 교류 전류를 인가하는 펄스-폭-변조(PWM) 인버터(inverter)를 포함할 수 있으며, 상기 펄스-폭-변조 인버터는 모터(310)에 인가되는 3상 전류의 제어를 위해 펄스-폭-변조 신호를 이용할 수 있다.

즉, 모터 구동부(340)는 제어부(200)로부터 제공받은 모터제어신호에 따라 펄스-폭-변조 스위칭을 통해 모터(310)를 구동시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 제어방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거의 구동에 대해여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 먼저 사용자는 사용자 정보를 정보 입력부(500)를 통해 입력할 수 있다(S100). 입력된 사용자 정보는 제어부(200)의 구성 중 메모리부(220)에 제공되어 저장될 수 있다. 연산부(210)는 상기 입력된 사용자 정보를 이용하여 사용자의 목표 심박수를 산출할 수 있다(S200).

이후, 사용자에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거가 구동(S300)되면 심박수 센서부(100)는 사전에 설정된 주기에 따라 사용자의 심박수를 측정(S400)하여 제어부(200)로 제공할 수 있다. 제어부(200)의 구성 중 연산부(210)는 주기적으로 측정된 사용자의 심박수와 목표 심박수를 비교할 수 있다(S500).

한편, 이와 동시에 답력 검출부(330)에서는 사용자에 의한 페달 답력을 측정(S400)하여 제어부(200)로 제공할 수 있다.

상기 연산부(210)에서는 상기 비교 결과와 페달 답력을 이용하여 보조 토크를 산출할 수 있다(S600). 이후 주제어부(230)는 보조 토크를 이용하여 모터제어신호를 생성하고 이를 모터 구동부(340)에 제공할 수 있으며, 상기 모터 구동부(340)는 상기 모터제어신호에 따라 모터(310)의 구동을 제어할 수 있다(S700).

이에 대해 구체적으로 설명하면, 연산부(210)는 측정된 사용자의 심박수가 목표 심박수에 미달되는 경우라면, 목표 심박수를 달성하기 위해 모터(310)의 토크를 감소시키기 위한 보조 토크를 산출할 수 있다. 이때, 보조 토크는 부 토크가 될 수 있다. 이때, 주제어부(230)는 상기 산출된 보조 토크에 따라 모터제어신호를 생성하고, 이를 모터 구동부(340)에 제공하여 모터(310)의 토크를 감소시킬 수 있다.

한편, 연산부(210)는 측정된 사용자의 심박수가 목표 심박수를 초과하는 경우라면, 모터(310)의 토크를 증가시키기 위한 보조 토크를 산출할 수 있다. 주제어부(230)는 상기 산출된 보조 토크에 따라 모터제어신호를 생성하고, 이를 모터 구동부(340)에 제공하여 모터(310)의 토크를 증가시킬 수 있다.

이를 심박수 효과 측면에서 검토하면, 사용자의 심박수가 목표 심박수 미만이라면, 사용자는 모터(310)의 토크를 감소시키기 위해 산출된 보조 토크로 인해 스스로 페달링을 수행해야 하므로, 사용자의 심박수는 점차 증가할 수 있다.

또한, 사용자의 심박수가 목표 심박수를 초과하는 경우라면, 사용자는 모터(310)의 토크를 증가시키기 위해 산출된 보조 토크에 의해 페달링이 어시스트(assist)되어 편안하게 페달링을 수행할 수 있다. 이로 인하여 사용자의 심박수가 내려가게 됨으로써 심박수 조절이 가능하다.

도 4는 도 3의 순서도에서 주행 노면의 경사도를 더 고려하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는, 경사도 측정부(600)를 더 포함할 수 있다.

상기 경사도 측정부(600)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거에 장착되어 주행 노면의 경사도를 측정할 수 있다(S410). 상기 경사도 측정부(600)에 의해 측정된 경사도는 제어부(200)로 제공되어, 이후 연산부(210)에 의해 보조 토크를 산출하는데 사용될 수 있다. 상기 경사도 측정부(600)에 의해 측정되는 경사도는 주행 노면의 경사도 및 주행 노면의 경사도에 따른 전기 자전거 자체의 기울기가 될 수 있다.

한편, 상기 경사도 측정부(600)는 경사도를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있으며, 상기 센서의 일 실시예는 자이로 센서일 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거는 측정된 심박수와 목표 심박수 간의 비교 결과 및 페달 답력 외에도 경사도 측정부(600)에 의해 측정되는 경사도를 더 이용하여 보조 토크를 산출할 수 있다(S610).

주제어부(230)는 상기 산출된 보조 토크에 따라 모터제어신호를 생성하고, 이를 모터 구동부(340)에 제공함으로써, 모터(310)의 구동을 제어할 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 전기 자전거 및 그 제어방법은 사용자의 수동 입력 없이도, 심박수, 사용자의 페달 답력 및 경사도를 이용하여 자동으로 전기 자전거의 구동을 제어할 수 있다. 이에 따라, 사용자의 주행 편의성이 증대될 수 있으며, 경사로 등에서의 안전도가 증가할 수 있다.

본 발명의 실시 가능 예를 하기와 같이 제안할 수 있다.

1) 실시 가능 예 1

1. 심박수 센서부(100), 제어부(200) 및 구동부(300)를 포함하고,

2. 상기 제어부(200)는 측정된 심박수 및 목표 심박수를 비교한 결과, 사용자의 페달 답력을 이용하여 보조 토크를 산출하고, 이에 따른 모터제어신호를 생성하여 구동부(300)의 구동을 제어하는 전기 자전거.

2) 실시 가능 예 2

1. 심박수 센서부(100), 제어부(200) 및 구동부(300) 를 포함하고,

2. 경사도를 측정하여 상기 제어부(200)로 제공하는 경사도 측정부(600)를 더 포함하고,

3. 상기 제어부(200)는 측정된 심박수 및 목표 심박수를 비교한 결과, 사용자의 페달 답력 및 경사도를 이용하여 보조 토크를 산출하고, 이에 따른 모터제어신호를 생성하여 구동부(300)의 구동을 제어하는 전기 자전거.

3) 실시 가능 예 3

1. 상기 실시 가능 예 1의 제어방법.

2. 상기 실시 가능 예 2의 제어방법.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다. 또한, 전술한 본 발명의 실시예들 각각의 구성요소들 전부 또는 일부가 선택적으로 서로 조합되어 이루어질 수 있다.

100: 심박수 센서부
200: 제어부
300: 구동부
400: 표시부
500: 정보 입력부
600: 경사도 측정부
700: 배터리

Claims (5)

1. 사용자의 신체의 일부와 접촉되는 위치에 설치되어 기 설정된 주기마다 사용자의 심박수를 측정하는 심박수 센서부;
   사용자의 답력 및 상기 심박수 센서부에 의해 측정된 사용자의 심박수를 기초로 모터제어신호를 생성하여 출력하는 제어부; 및
   사용자의 답력의 크기를 검출하여 상기 제어부로 제공하며, 상기 모터제어신호에 따라 모터를 구동하는 구동부를 포함하는 전기 자전거.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   사용자로부터 사용자 정보 또는 모드 정보를 입력받아 상기 제어부로 제공하는 정보 입력부를 더 포함하는 전기 자전거.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 정보 입력부를 통해 입력받은 상기 사용자 정보 또는 목표 심박수 정보를 기초로 목표 심박수를 설정하고, 상기 심박수 센서부에 의해 측정된 사용자의 심박수를 상기 목표 심박수와 비교하며, 비교 결과 및 상기 구동부로부터 전달받은 사용자의 답력을 기초로 보조 토크를 산출하는 연산부;
   상기 연산부에 의해 설정된 목표 심박수를 저장하는 메모리부; 및
   상기 연산부에 의해 산출된 보조 토크를 이용하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 모터제어신호를 생성하는 주제어부를 포함하는 전기 자전거.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   주행 노면의 경사도를 측정하여 상기 제어부로 제공하는 경사도 측정부를 더 포함하며,
   상기 연산부는 상기 비교 결과, 상기 구동부로부터 전달받은 사용자의 답력 및 상기 경사도 측정부로부터 전달받은 경사도를 기초로 상기 보조 토크를 산출하는 전기 자전거.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 구동부는,
   모터;
   상기 전기 자전거의 주행 속도를 검출하여 상기 제어부로 제공하는 속도 검출부;
   사용자의 답력의 크기를 검출하여 상기 제어부로 제공하는 답력 검출부; 및
   상기 제어부로부터 전달받은 모터제어신호에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하는 전기 자전거.

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