KR20160085079A - 액추에이터 및 그를 이용한 운동 기구 - Google Patents

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Abstract

액추에이터 및 그를 이용한 운동 기구가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 기구는 상기 운동 기구의 본체인 포스트(post), 상기 포스트의 상면에 설치되어 좌·우 방향으로 회전하는 숄더(shoulder), 상기 숄더와 결합되어 상·하 방향으로 회전하는 암(arm), 상기 암의 일단에 결합되어 상기 암을 축으로 하여 회전하는 핸드(hand), 상기 핸드의 일단측에 위치하는 손잡이, 사용자에 의해 설정된 중량에 대응하는 힘을 출력하는 힘 제어 액추에이터 및 일단이 상기 손잡이에 연결되고 상기 핸드, 숄더 및 포스트에 포함되는 복수의 쉬브(sheave)를 경유하여 경로가 형성되며 상기 손잡이의 당김에 의해 발생하는 힘을 전달하는 와이어를 포함하되, 상기 포스트는 상기 포스트의 내부에 고정되어 상기 와이어가 1회 이상 경유하는 고정 쉬브 블록, 상기 고정 쉬브 블록의 하측에 위치하여 상기 와이어가 1회 이상 경유하는 상단 이동 쉬브 블록 및 상기 상단 이동 쉬브 블록의 하부에 연결되어 상기 힘 제어 액추에이터의 벨트가 경유하는 하단 이동 쉬브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액추에이터 및 그를 이용한 운동 기구{ACTUATOR AND HEALTH MACHINE USING THEREOF}
본 발명은 액추에이터 및 그를 이용한 운동 기구에 관한 것이다.
일반적으로 웨이트 운동 기구는 사용자가 원하는 무게추의 중량을 정한 다음, 해당 중량의 무게추에 고정핀을 관통시킨 후 와이어로 연결된 다수개의 추를 선택적으로 들어올렸다 내렸다 하는 동작을 반복 수행하여 사용자가 근육을 단련할 수 있도록 하는 운동 기구이다.
이러한 웨이트 운동 기구 중 가장 대표적인 운동 기구는 사용자의 팔을 양 방향으로 수평으로 벌린 상태에서 손잡이를 잡고 팔이 구부러지지 않게 하여 가슴쪽으로 모으고 다시 벌리는 동작에 의해 근육의 수축 및 이완 작용을 통하여 운동 효과를 얻는 가슴 웨이트 운동 기구가 대표적이다.
그러나, 상기 가슴 웨이트 운동 기구는 사용자가 운동을 위하여 힘을 전달하는 손잡이를 정해진 방향으로만 이동할 수 있을 뿐, 다 방향으로 이동할 수 없어 운동 부위가 단지 가슴 부위에 한정되는 문제가 있다.
또한, 무게추의 중량을 변화(증가 또는 감소)시키기 위해서는 무게추에 삽입된 고정핀을 제거한 후 원하는 중량의 무게추에 고정핀을 다시 삽입해야 하는 번거로움이 있으며, 단계적으로 무게추의 중량을 증가시켜 운동을 하는 경우 이는 매우 번거로운 일이 되고 운동 중 점진적인 무게의 감소 및 증가가 불가능하여 등속성, 등척성, 등장성 운동이 제한된다.
뿐만 아니라, 무게추가 위치하는 별도의 공간이 필수적이므로 운동 기구의 부피는 커질 수 밖에 없으며, 이를 설치하기 위해 필요한 면적 또한 증가될 수 밖에 없다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 힘을 전달하는 손잡이가 다 방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 하여 다양한 신체 부위의 운동에 활용할 수 있는 운동 기구를 제안하고자 한다.
또한, 무게추를 이용하여 일일이 운동 무게를 증감시켜야 하는 불편함을 해소하고, 운동 중에 무게에 변화를 주어 운동을 프로그램함으로써 운동 효과를 최대로 이끌어낼 수 있는 운동 기구를 제안하고자 한다.
또한, 운동 기구의 부피와 하중을 최소화할 수 있는 운동 기구를 제안하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 기구는 상기 운동 기구의 본체인 포스트(post), 상기 포스트의 상면에 설치되어 좌·우 방향으로 회전하는 숄더(shoulder), 상기 숄더와 결합되어 상·하 방향으로 회전하는 암(arm), 상기 암의 일단에 결합되어 상기 암을 축으로 하여 회전하는 핸드(hand), 상기 핸드의 일단측에 위치하는 손잡이, 사용자에 의해 설정된 중량에 대응하는 힘을 출력하는 힘 제어 액추에이터 및 일단이 상기 손잡이에 연결되고 상기 핸드, 숄더 및 포스트에 포함되는 복수의 쉬브(sheave)를 경유하여 경로가 형성되며 상기 손잡이의 당김에 의해 발생하는 힘을 전달하는 와이어를 포함하되, 상기 포스트는 상기 포스트의 내부에 고정되어 상기 와이어가 1회 이상 경유하는 고정 쉬브 블록, 상기 고정 쉬브 블록의 하측에 위치하여 상기 와이어가 1회 이상 경유하는 상단 이동 쉬브 블록 및 상기 상단 이동 쉬브 블록의 하부에 연결되어 상기 힘 제어 액추에이터의 벨트가 경유하는 하단 이동 쉬브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 기구에 사용되는 힘 제어 액추에이터는 사용자가 당기는 힘이 전달되는 벨트의 경로상에 위치하여 벨트의 장력을 측정하는 로드셀, 사용자에 의해 설정된 중량에 대응하는 장력과 상기 로드셀에서 측정된 장력을 이용하여 출력될 장력을 산출하는 제어부, 상기 산출된 장력에 기반하여 토크를 발생시키는 모터, 상기 모터의 구동축과 연결되어 상기 모터에서 발생된 속도를 감속시켜 토크를 증가시키는 감속기, 상기 감속기와 연결되어 상기 제어부에서 산출된 장력이 출력되도록 하는 드럼을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 힘을 전달하는 손잡이가 다방향으로 자유롭게 이동할 수 있어, 다양한 신체 부위의 운동에 활용할 수 있다.
또한, 무게추를 이용하여 일일이 운동 무게를 증감시켜야 하는 불편함을 해소할 수 있다.
또한, 무게와 속도의 증감을 프로그램화 할 수 있어 다양한 운동 효과를 낼 수 있다.
또한, 손잡이를 갑자기 당기거나 정지 시 무게추의 충격이 없어 근육 및 관절에 무리를 주지 않는다.
또한, 운동 기구의 부피와 하중을 최소화함으로써 설치 공간의 축소 및 이동이 용이하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 기구를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드의 회전과 와이어의 방향 전환을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 암의 타단과 숄더를 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 암과 숄더의 회전을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 제어 엑추에이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀의 장력 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 제어 엑추에이터의 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스트 내부를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어의 경로와 쉬브의 배치를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 기구를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운동 기구(100)는 손잡이(110), 핸드(hand)(120), 암(arm)(130), 숄더(shoulder)(140), 포스트(post)(150), 힘 제어 액추에이터(160), 터치 패널(170) 및 베이스 프레임(base frame)(180)을 포함할 수 있다.
사용자는 터치 패널(170)을 통해 원하는 중량과 운동 속도 등을 포함하는 운동 프로그램을 입력하고, 신체 운동 부위에 따라서 암(130)의 상·하 각도와 숄더(140)의 좌·우 각도를 조절하여 고정시킨 후, 손잡이(110)를 당겼다가 일정 거리만큼 원위치 시키는 동작을 반복함으로써 운동 부위의 근육을 수축 또는 이완시키게 된다.
여기서, 암(130)과 숄더(140)의 각도는 수동으로 조절될 수도 있고, 힘 제어 액추에이터(160)를 설치하여 터치 패널(170)을 통해 입력된 각도로 자동 조절될 수도 있다.
참고로, 사용자는 하나의 손잡이(110)를 사용하여 운동할 수도 있고, 두 손잡이(110) 모두를 사용하여 운동할 수도 있다.
이때, 손잡이(110)와 연결된 와이어가 사용자의 동작에 따라서 손잡이(110)를 당기는 방향으로 당겨지게 되는데, 힘 제어 액추에이터(160)는 사용자가 터치 패널(170)을 통해 입력한 중량과 운동 속도에 대응하는 힘을 사용자가 손잡이(110)를 당기는 방향의 반대 방향으로 작용시킬 수 있다.
따라서, 종래의 무게추를 이용하지 않고도 무게추를 이용하여 운동하는 것과 동일한 효과를 낼 수 있을 뿐만 아니라, 힘 제어 액추에이터(160)가 자체적으로 댐퍼(damper)의 역할을 하여 사용자에게 가해지는 충격을 완화할 수 있다.
즉, 종래의 경우 무게추를 빠른 속도로 들었다가 놓으면 무게추가 낙하하면서 갑작스럽게 와이어가 팽팽해지므로 사용자의 관절에 충격이 가해질 수 있고, 손잡이를 당겨 무게추를 들었다가 무게를 견디지 못하고 손잡이를 놓치거나 손잡이가 미끄러져 사용자의 손을 벗어나는 경우, 무게추가 낙하하면서 기존에 적층되어 있던 무게추와 충돌하거나 바닥에 충격을 주는 등 여러가지 불편하면서도 위험한 문제들이 있으나, 본 발명은 이러한 문제를 해소할 수 있다.
또한, 운동 무게 변화 시 무게추를 이용하여 일일이 운동 무게를 증감시켜야 하는 불편함을 해소하고, 입력한 프로그램으로 무게, 속도를 운동 프로그램에 맞추어 자동으로 설정할 수 있며, 운동 기구의 부피와 하중을 최소화할 수 있다.
각 구성 요소를 설명하면, 손잡이(110)는 와이어와 연결되어 사용자가 파지(grip)한 상태로 당길 수 있도록, 도 1에 도시된 바와 같이 삼각형의 고리 형태를 가질 수 있다.
물론, 삼각형의 고리 형태뿐만 아니라 원형의 고리, 소정 길이의 막대, 고리 모양으로 묶은 끈 등 사용자가 파지할 수 있는 다양한 형태를 가질 수 있다.
한편, 핸드(hand)(120)는 복수 개의 고정 쉬브(sheave)를 포함할 수 있으며, 타단이 암(arm)(130)의 일단과 결합될 수 있다.
이때, 핸드(120)의 타단과 암(130)의 일단은 베어링(bearing)을 이용하여 결합될 수 있으며, 이로써 핸드(120)는 암(130)과 결합된 상태에서 360° 회전할 수 있다.
그리고, 암(130)을 관통한 와이어가 핸드(120)의 고정 쉬브 중 하나 이상을 경유하여 핸드(120)의 일단 측에 위치한 손잡이(110)와 연결될 수 있다.
와이어는 사용자가 손잡이(110)를 당기는 방향에 따라서 최대 180°로 방향이 전환되어 당겨질 수 있으며, 이때 고정 쉬브 중 하나를 경유하거나 복수의 고정 쉬브를 경유할 수 있다.
결국, 베어링을 이용한 핸드(120)의 360° 회전과 핸드(120) 내 고정 쉬브를 경유하는 와이어의 180° 방향 전환의 조합을 통해서, 모든 방향으로 와이어의 방향 전환이 가능할 수 있다.
또한, 핸드(120)는 작은 무게추를 포함할 수 있는데, 이 무게추는 핸드(120)의 무게 중심을 회전축과 가깝게 하여 핸드(120)의 회전 시 관성을 줄이는 역할을 할 수 있다.
핸드(120)에 대한 더 상세한 설명은 도 2 및 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 암(arm)(130)은 와이어가 관통하는 중공(中空)의 원통 형상을 포함할 수 있으며, 일단은 핸드(120)의 타단과 결합하고 타단은 중공축을 가지는 핀으로 숄더(shoulder)(140)와 결합되어 상·하 방향으로 회전할 수 있다.
또한 암(130)의 일단 내측에는 핸드(120)와 결합 시 사용되는 베어링이 설치될 수 있다.
그리고 암(130)의 타단에는 숄더(140)와 결합하기 위한 복수의 고정용 홀이 일정 각도 간격으로 형성될 수 있으며, 암(130)의 상·하 방향 각도 조정 후 클램프(clamp)를 이용하여 숄더(140)에 고정시킬 수 있다.
암(130)과 숄더(140)의 결합에 대한 더 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 숄더(shoulder)(140)는 도 1에 도시된 바와 같은 ‘L’자 형태를 가질 수 있으며, 일단이 암(130)의 타단과 결합되어 암(130)을 지지하고 타단은 포스트(post)(150)의 상면에 중공축을 가지는 핀으로 결합되어 좌·우 방향으로 회전할 수 있다.
이를 위해 숄더(140)의 일단에는 암(130)과 결합하기 위한 복수의 고정용 홀(hole)이 일정 각도 간격으로 형성될 수 있으며, 암(130)의 타단에 일정 각도 간격으로 형성된 고정용 홀과 클램프에 의해 결합되어 고정될 수 있다.
그리고 숄더(140)의 타단에는 포스트(150)와 결합하기 위한 복수의 고정용 홀이 일정 각도 간격으로 형성될 수 있으며, 포스트(150)의 상면에 일정 각도 간격으로 형성된 고정용 홀과 클램프에 의해 결합되어 고정될 수 있다.
참고로, 와이어는 숄더(140)의 회전축인 중공축을 가지는 핀을 관통하여 암(130)과 핸드(120)를 거쳐 손잡이(110)와 연결될 수 있다.
여기서, 숄더(140)는 와이어가 경유하는 복수의 고정 쉬브를 포함할 수 있는데, 각 고정 쉬브에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 포스트(post)(150)는 상면에 숄더(140)의 타단과 결합하기 위한 일정 각도 간격의 고정용 홀이 형성될 수 있으며 또한 터치 패널(170)이 설치될 수 있다.
그리고 포스트(150)는 도 1에 도시된 바와 같이 ‘L’자 형태를 가질 수 있으며 내부에는 이동 쉬브와 상기 이동 쉬브에 연결된 고정 쉬브, 와이어 및 힘 제어 액추에이터(160)를 외부의 충격과 오염으로부터 보호할 수 있는 빈 공간이 형성될 수 있다.
참고로, 포스트(150)는 베이스 프레임(base frame)(180)과 결합하여 도 1에 도시된 바와 같이 설치될 수도 있고, 베이스 프레임(180)을 사용하지 않고 바닥에 앵커를 설치 후 고정될 수도 있다.
한편, 힘 제어 액추에이터(160)는 손잡이(110)와 연결된 와이어가 사용자의 동작에 따라서 손잡이(110)를 당기는 방향으로 당겨질 때, 터치 패널(170)을 통해 입력된 중량에 대응하는 힘을 사용자가 손잡이(110)를 당기는 방향의 반대 방향으로 작용시킬 수 있다.
힘 제어 액추에이터(160)에 대한 상세한 설명은 도 6 내지 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 터치 패널(170)은 포스트(150)의 상면에 설치될 수 있으며, 사용자로부터 원하는 중량과 속도 등을 포함하는 운동 프로그램을 입력 받을 수 있다.
또한, 터치 패널(170)은 암(130)과 숄더(140)의 각도를 입력 받을 수도 있다.
또한, 터치 패널(170)은 힘 제어 액추에이터(160)에 의해 측정된 사용자가 손잡이(110)를 당기고 놓는 힘과 속도, 그리고 사용자가 설정한 암(130)과 숄더(140)의 각도 등을 화면에 표시할 수 있으며, 이와 함께 칼로리 소모량 등을 표시할 수 있다.
한편, 베이스 프레임(base frame)(180)은 포스트(150)와 결합하여 포스트(150)를 지지할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드를 도시한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 핸드(120)의 타단과 암(130)의 일단은 베어링(bearing)을 이용하여 결합될 수 있으며, 내부에 복수의 고정 쉬브(121, 122)와 무게추(123)를 포함할 수 있다.
여기서 제 1 고정 쉬브(121)의 직경은 제 2 고정 쉬브(122)의 직경보다 크며, 제 2 고정 쉬브(122)의 직경은 핸드(120)의 회전축을 중심으로 특정 간격의 오프셋(off-set)을 가지도록 형성될 수 있다.
그리고 무게추(123)는 핸드(120)의 무게 중심을 회전축과 가깝게 하여 핸드(120)의 회전 시 관성을 줄이는 역할을 할 수 있다.
도 2b는 핸드(120)의 회전축과 제 2 고정 쉬브(122)의 직경으로 형성되는 오프셋을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 와이어를 당긴 상태에서 방향을 전환하는 경우, 제 2 고정 쉬브(122)가 존재하지 않거나 핸드(120)의 회전축과 제 2 고정 쉬브(122)의 직경간 오프셋이 없다면 핸드(120)가 회전하지 못하고 와이어만 꺾일 수 있다.
이 경우, 사용자가 손잡이(110)를 당기고 방향을 전환하여 특정 동작의 운동을 하려고 할 때 손목과 팔에 매우 큰 부담으로 작용할 수 있으며 와이어를 손상 시킬 수 있다.
그러나, 도 2b에 도시된 바와 같이 핸드(120)의 회전축과 제 2 고정 쉬브(122)의 직경간 오프셋이 존재하는 경우, 손잡이(110)를 당기고 방향을 전환하더라도 오프셋의 영향으로 핸드(120)가 회전함으로써 자유로운 방향 전환(회전)이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드의 회전과 와이어의 방향 전환을 도시한 도면이다.
베어링을 이용한 핸드(120)의 360° 회전과 핸드(120) 내 고정 쉬브를 경유하는 와이어의 180° 방향 전환의 조합을 통해서, 모든 방향으로 와이어의 방향 전환이 가능하다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 상태에서 손잡이(110)가 당겨지면 와이어의 경로는 제 1 고정 쉬브(121)에 감긴 후 제 2 고정 쉬브(122)를 경유하는 ‘S’자 형상을 가질 수 있으며, 제 2 상태와 제 3 상태에서 손잡이(110)가 당겨지면 와이어의 경로는 제 1 고정 쉬브(121)에만 감기는 ‘반전 ㄱ’자 형상 또는 ‘U’자 형상을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 암의 타단과 숄더를 도시한 도면이다.
암(130)의 타단에는 암(130)의 상·하 각도를 고정시키기 위한 복수의 고정용 홀이 일정 각도 간격으로 형성될 수 있으며, 숄더(140)의 일단에는 이에 대응하는 복수의 고정용 홀이 일정 각도 간격으로 형성될 수 있다.
사용자는 암(130)을 원하는 각도로 조절한 상태에서 암(130)의 고정용 홀과 숄더(140)의 고정용 홀을 일치시키고 클램프를 이용하여 고정시킴으로써 간편하게 암(130)의 각도를 조절할 수 있다
참고로, 암(130)의 각도는 힘 제어 엑추에이터(160)에 의해 사용자가 설정한 각도로 자동 고정될 수도 있다.
또한, 숄더(140)는 복수 개의 고정 쉬브를 포함할 수 있으며, 도 4의 실시예에서는 3개의 고정 쉬브(141, 142, 143)가 도시되어 있다.
여기서, 숄더(140)는 중공축을 가지는 핀을 이용하여 암(130)과 결합됨으로써 핀을 회전축으로 암(130)이 상·하 방향으로 회전할 수 있으며, 핀의 중공축 부분에 제 1 고정 쉬브(141)가 설치될 수 있다.
이때, 제 1 고정 쉬브(141)의 반지름은 암(130)의 회전축(핀)과 숄더(140)에서 제 2 고정 쉬브(142)를 거쳐 수직으로 올라오는 와이어의 오프셋과 일치될 수 있다.
따라서, 암(130)의 상·하 방향 회전 시 암(130)이 수직으로 올라가거나 수직으로 내려가는 경우에도 최소의 와이어 길이 변화만으로 와이어의 경로 이탈을 방지할 수 있다
또한, 숄더(140)와 포스트(150)의 상면은 중공축을 가지는 핀으로 결합되어 숄더(140)가 좌·우 방향으로 회전할 수 있다.
이때 와이어의 경로를 도 4에 도시된 바와 같이 핀의 중공축을 관통하여 숄더(140)의 회전축과 일치시키고 제 3 고정 쉬브(143)의 상부를 거쳐 제 2 고정 쉬브(142)의 하부를 거치도록 함으로써(즉, 와이어가 고정 쉬브를 통해 꼬이도록 함으로써), 와이어의 길이 변화 없이 숄더(140)의 회전이 가능하도록 할 수 있다.
참고로, 숄더(140)의 각도는 힘 제어 엑추에이터(160)에 의해 사용자가 설정한 각도로 자동 고정될 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 암과 숄더의 회전을 도시한 도면이다.
도 5a는 암(130)이 상·하로 180° 회전하는 실시예를 도시하고 있으며, 도 5b는 숄더(140)가 좌·우 90° 회전하는 실시예를 도시하고 있다.
사용자는 클램프를 이용하여 암(130)의 상·하 회전 각도와 숄더(140)의 좌·우 회전 각도를 원하는 각도로 간편하게 조절하고 고정시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 제어 엑추에이터의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 힘 제어 엑추에이터(160)는 벨트(161), 로드셀(162), 제어부(163), 모터(164), 감속기(165) 및 드럼(166)를 포함할 수 있다.
각 구성 요소를 설명하면, 벨트(161)는 포스트(150) 내에 위치하는 이동 쉬브에 연결된 고정 쉬브를 경유할 수 있으며, 사용자가 손잡이(110)를 당김으로써 와이어에 가해지는 힘을 힘 제어 엑추에이터(160)에 전달할 수 있다.
참고로 벨트(161)는 철심 코팅 로프 또는 섬유 로프가 사용될 수 있다.
한편, 로드셀(162)은 도 6에 도시된 바와 같이 벨트(161)의 경로 상에 위치하여 벨트의 장력을 측정할 수 있다.
한편, 제어부(163)는 입력 장력, 즉, 사용자가 터치 패널(170)을 통해서 입력한 중량에 대응하는 힘과, 로드셀(162)에서 측정된 장력, 즉, 사용자가 손잡이(110)를 당김으로써 와이어에 가해지는 힘을 이용하여 모터(164)가 출력할 힘을 산출하고 모터(164)를 제어할 수 있다.
한편, 모터(164)는 제어부(163)에서 산출된 값에 기반하여 토크를 발생시킬 수 있으며, 감속기(165)는 모터(164)의 구동축과 연결되어 모터(164)의 속도를 감속시켜 토크를 증가시킬 수 있다.
참고로, 도 6에서는 2단 감속기가 사용되었다.
한편, 드럼(166)은 감속기(165)와 연결되어 모터(164)가 출력한 힘을 벨트(161)에 전달할 수 있다. 즉, 사용자가 손잡이(110)를 당기는 방향의 반대 방향으로 힘을 작용시킬 수 있다.
참고로, 드럼(166)은 중공 형태를 가질 수 있으며, 모터(164)는 드럼(166)의 중공 부위에 삽입되도록 배치됨으로써 운동 기기(100)의 부피와 하중이 최소화될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀의 장력 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 로드셀(162)은 벨트의 끝부분이 아닌 벨트의 경로 상에서 장력을 측정함으로써, 벨트(161)에 전달되는 장력을 간편하게 측정할 수 있을 뿐 아니라 측정의 정확도를 높일 수 있다.
참고로, 회전하는 드럼과 연결된 벨트에서 장력을 측정하는 경우, 로드셀 신호의 배선이 복잡하고 드럼이 회전할 때 원심력의 영향을 받게되어 측정 정확도가 다소 낮아질 수 있다.
또한, 벨트의 반대쪽 일단에 로드셀을 설치하여 장력을 측정하는 경우 벨트의 이동에 따라 신호선의 배선이 같이 이동하므로 이동 시 관성에 의해 로드셀의 측정값이 영향을 받을 수도 있다.
그리고, 벨트의 이동에 따라 신호선의 배선이 같이 이동해야 하므로 이를 해소하기 위해서는 무선 방식을 적용해야 하는데 이때 신호의 딜레이를 예측해야 하는 문제도 있다.
도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 장력 측정 구조는 벨트(161)의 경로상에 고정 쉬브(710)를 설치하고, 고정 쉬브(710)의 하부에 로드셀(162)을 설치함으로써, 고정 쉬브(710)를 경유하는 벨트(161)에 가해지는 장력을 간편하게 측정할 수 있으며, 로드셀의 측정 값에 영향을 주는 상기 요인들의 간섭을 최소화함으로써 측정 값의 정확도를 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 제어 엑추에이터(160)의 동작 흐름을 도시한 도면이다.
참고로, 종래에는 도 8에 도시된 바와 같이 인장 로드셀을 통해 장력이 바로 측정되도록 하고 있으나, 힘 제어 엑추에이터(160)는 벨트(161)의 경로상에서 로드셀(162)을 이용하여 장력을 측정하고 제어부(163)에서 해당 값을 피드백하여 모터(164)의 토크를 제어할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스트 내부를 도시한 도면이다.
참고로, 설명의 편의 상 포스트(150)는 도면에서 제거하였으며, 도 9a에서 포스트(150) 내부에 위치하는 고정 쉬브 블록(151), 고정 쉬브 블록(151)의 하측에 위치하는 상단 이동 쉬브 블록 (152) 및 상단 이동 쉬브 블록(152)의 하부에 연결되는 하단 이동 쉬브(153)가 도시되어 있다.
참고로, 9a 및 도 9b 에서 고정 쉬브 블록(151)은 고정 쉬브 2개를 포함하며, 상단 이동 쉬브 블록(152)은 이동 쉬브 3개를 포함할 수 있다.
도 9a와 도 9b를 참조하면 와이어의 경로는
제 1 손잡이(110a) → 제 1 핸드(120a) → 제 1 암(130a) → 제 1 숄더(140a) → 제 1 숄더(140a)와 포스트(150)를 연결하는 중공축을 가지는 제 1 핀(910)을 관통 → 상단 이동 쉬브 블록(152)을 1회 경유 → 고정 쉬브 블록(151)을 1회 경유 → 다시 상단 이동 쉬브 블록(152)을 1회 경유 → 고정 쉬브 블록(151)을 1회 경유 → 다시 상단 이동 쉬브 블록(152)을 1회 경유 → 제 2 숄더(140b)와 포스트(150)를 연결하는 중공축을 가지는 제 2 핀(920)을 관통 → 제 2 숄더(140b) → 제 2 암(130b) → 제 2 핸드(120b) → 제 2 손잡이(110b) 이다.
그리고, 상단 이동 쉬브 블록(152)의 하부에 연결되는 하단 이동 쉬브(153)에는 힘 제어 액추에이터(160)의 벨트(161)가 경유하게 된다.
따라서, 사용자가 제 1 손잡이(110a) 및 제 2 손잡이(110b) 중 하나 이상을 당김으로써 와이어에 가해지는 힘이 벨트(161)에 전달될 수 있고, 사용자가 터치 패널(170)을 통해서 입력한 중량과 속도에 대응하는 힘 또한 벨트(161)를 통해서 와이어에 전달될 수 있다. 즉, 사용자가 손잡이(110)를 당기는 방향의 반대 방향으로 힘을 작용시킬 수 있다.
참고로 도 9a에서, 2:6의 비율로 속도와 스트로크는 증가시키고, 하중을 감소시킬 수 있다.
즉, 손잡이와 연결된 와이어가 3개의 이동 쉬브와 2개의 고정 쉬브를 경유함으로써 6배의 힘을 증폭시킬 수 있으며, 힘 제어 액추에이터(160)의 벨트(161)가 3개의 이동 쉬브, 즉 상단 이동 쉬브 블록(152)을 직접 경유하여 힘을 작용시키지 않고 하단 이동 쉬브(153)를 경유하여 힘을 작용시킴으로써 힘 제어 액추에이터(160)에서 발생하는 힘보다 2배의 힘으로 당기는 효과가 있다.
고정 쉬브 블록과 상단 이동 쉬브 블록을 구성하는 고정 쉬브의 개수와 이동 쉬브의 개수는 전술한 실시예로 한정되지 않으며, 실시예에 따라 얼마든지 다양하게 적용할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어의 경로와 쉬브의 배치를 도시한 도면이다.
도 10a는 특정 각도로 암(130)과 숄더(140)가 회전한 상태에서 와이어의 경로와 쉬브의 배치를 보여주고 있다.
그리고, 사용자가 손잡이(110)를 당기기 전 상단 이동 쉬브 블록(152) 및 하단 이동 쉬브(153)의 위치와 힘 제어 액추에이터(160)의 벨트(161) 모양을 확인할 수 있다.
도 10b는 도 10a의 손잡이를 당긴 상태에서 와이어의 경로와 쉬브의 배치를 보여주고 있다.
사용자가 손잡이(110)를 당김으로써 상단 이동 쉬브 블록(152) 및 하단 이동 쉬브(153)의 위치와 힘 제어 액추에이터(160)의 벨트(161) 모양이 변경되었음을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 운동 기구
110 : 손잡이
120 : 핸드(hand)
130 : 암(arm)
140 : 숄더(shoulder)
150 : 포스트(post)
151 : 고정 쉬브 블록
152 : 상단 이동 쉬브 블록
153 : 하단 이동 쉬브
160 : 힘 제어 액추에이터
170 : 터치 패널
180 : 베이스 프레임(base frame)

Claims (9)

  1. 운동 기구에 있어서,
    상기 운동 기구의 본체인 포스트(post);
    상기 포스트의 상면에 설치되어 좌·우 방향으로 회전하는 숄더(shoulder);
    상기 숄더와 결합되어 상·하 방향으로 회전하는 암(arm);
    상기 암의 일단에 결합되어 상기 암을 축으로 하여 회전하는 핸드(hand);
    상기 핸드의 일단측에 위치하는 손잡이;
    사용자에 의해 설정된 중량에 대응하는 힘을 출력하는 힘 제어 액추에이터; 및
    일단이 상기 손잡이에 연결되고 상기 핸드, 숄더 및 포스트에 포함되는 복수의 쉬브(sheave)를 경유하여 경로가 형성되며 상기 손잡이의 당김에 의해 발생하는 힘을 전달하는 와이어
    를 포함하되,
    상기 포스트는 상기 포스트의 내부에 고정되어 상기 와이어가 1회 이상 경유하는 고정 쉬브 블록, 상기 고정 쉬브 블록의 하측에 위치하여 상기 와이어가 1회 이상 경유하는 상단 이동 쉬브 블록 및 상기 상단 이동 쉬브 블록의 하부에 연결되어 상기 힘 제어 액추에이터의 벨트가 경유하는 하단 이동 쉬브를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핸드는 복수의 고정 쉬브를 포함하고, 상기 암을 관통한 와이어가 상기 고정 쉬브를 경유하여 상기 손잡이와 연결되되,
    상기 와이어는 상기 손잡이가 당겨지는 방향에 따라서 하나 이상의 고정 쉬브를 경유하여 통과하고,
    상기 복수의 고정 쉬브는 상기 암을 관통하는 와이어가 먼저 경유하는 제 1 고정 쉬브 및 상기 제 1 고정 쉬브에 인접하며 상기 제 1 고정 쉬브의 직경보다 작은 직경을 가지는 제 2 고정 쉬브를 포함하되,
    상기 제 2 고정 쉬브의 직경은 상기 핸드의 회전축을 중심으로 특정 간격의 오프셋(off-set)을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 운동 기구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 암과 숄더는 중공축을 가지는 제 1 핀으로 결합되어 상기 암이 상·하로 회전하되,
    상기 암의 상·하 각도는
    상기 암 및 숄더에 특정 각도 간격으로 각각 형성된 고정용 홀에 클램프가 삽입되어 고정되고,
    상기 숄더는 상기 포스트와 중공축을 가지는 제 2 핀으로 결합되어 상기 숄더가 좌·우로 회전하되,
    상기 숄더의 좌·우 각도는
    상기 숄더 및 포스트의 상면에 특정 각도 간격으로 각각 형성된 고정용 홀에 클램프가 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 운동 기구.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 숄더는 제 1 고정 쉬브, 제 2 고정 쉬브 및 제 3 고정 쉬브를 포함하되,
    상기 제 1 고정 쉬브는 상기 제 1 핀에 삽입되며,
    상기 제 1 고정 쉬브의 반지름은 상기 암의 회전축과 상기 숄더에서 수직으로 올라오는 와이어의 오프셋과 일치하고,
    상기 와이어의 경로는,
    상기 포스트에서 수직으로 올라오는 와이어가 상기 제 2 핀의 중공축을 관통하여 상기 제 3 고정 쉬브의 상부를 경유한 후, 제 2 고정 쉬브의 하부를 경유하여 수직으로 올라가 상기 제 1 고정 쉬브를 경유하되,
    상기 제 2 핀의 중공축을 관통하여 상기 제 3 고정 쉬브의 상부에 감기는 와이어의 경로는 상기 숄더의 회전축과 일치하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 운동 기구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단 이동 쉬브 블록은
    상기 와이어를 복수의 숄더 측으로 분기시키며,
    상기 힘 제어 액추에이터는,
    상기 벨트의 경로 상에서 상기 손잡이의 당김에 의해 발생하는 힘을 측정하여 상기 사용자에 의해 설정된 중량에 대응하는 힘에 반영하는 것을 특징으로 하는 운동 기구.
  6. 운동 기구에 사용되는 힘 제어 액추에이터에 있어서,
    사용자가 당기는 힘이 전달되는 벨트의 경로상에 위치하여 벨트의 장력을 측정하는 로드셀;
    사용자에 의해 설정된 중량에 대응하는 장력과 상기 로드셀에서 측정된 장력을 이용하여 출력될 장력을 산출하는 제어부;
    상기 산출된 장력에 기반하여 토크를 발생시키는 모터;
    상기 모터의 구동축과 연결되어 상기 모터에서 발생된 속도를 감속시켜 토크를 증가시키는 감속기;
    상기 감속기와 연결되어 상기 제어부에서 산출된 장력이 출력되도록 하는 드럼
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 제어 액추에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 벨트의 경로상에 위치하는 복수의 아이들러(idler); 및
    상기 아이들러 사이에 위치하는 고정 쉬브
    를 더 포함하되,
    상기 벨트의 경로는
    상기 드럼, 상기 복수의 아이들러 중 제 1 아이들러의 하부, 상기 고정 쉬브의 상부 및 상기 복수의 아이들러 중 제 2 아이들러의 하부를 경유하고,
    상기 로드셀은
    상기 고정 쉬브의 하측에 위치하여 상기 벨트의 장력이 상기 고정 쉬브에 가해지는 힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 힘 제어 액추에이터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 드럼은 중공 형태를 가지며, 상기 모터는 상기 드럼의 중공 부위에 삽입되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 힘 제어 액추에이터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 벨트는
    철심 코팅 로프 또는 섬유 로프가 사용되는 것을 특징으로 하는 힘 제어 액추에이터.
KR1020150002003A 2015-01-07 2015-01-07 액추에이터 및 그를 이용한 운동 기구 KR101668551B1 (ko)

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