KR20220165135A - 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀 - Google Patents

자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예는 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 사용자가 운동을 시작하면 고효율 제너레이터가 배터리를 충전하고, 배터리가 리프트 모터, 모니터, 컨트롤 보드, 조작판 등에 전원을 공급하며, 우수한 운동 환경 및 운동 품질을 구현할 수 있는 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 사용자가 탑승하여 걷거나 뛰면 수평 방향으로 회전하는 무한 궤도 발판과, 무한 궤도 발판의 양단에 각각 설치되어 무한 궤도 발판의 회전에 의해 함께 회전하는 드럼을 갖는 본체; 본체의 드럼에 기어 결합된 제너레이터; 드럼의 스피드를 센싱하는 스피드 센서; 제너레이터에 의해 충전되는 배터리; 및 스피드 센서로부터 센싱한 드럼의 스피드에 기초하여 제너레이터의 부하를 제어하여 배터리를 충전하는 컨트롤 보드를 포함하는, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀을 제공한다.

Description

자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀{Active smart treadmill with self-sustaining function}
본 발명의 실시 예는 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀에 관한 것이다.
트레드밀은 런닝머신이라고도 불리워지는 운동기구로, 무한궤도식으로 회전하는 궤도벨트를 이용하여 좁은 공간에서 걷거나 뛰는 운동효과를 가져올 수 있어 가정용이나 스포츠센터 등에서 널리 사용되고 있다.
이와 같은 런닝머신은 겨울철에도 적당한 실내온도에서 달리기운동을 할 수 있으며, 달리기 속도가 임의로 조절됨으로 사용자에게 가장 안전하고 편안한 조건에서 걷거나 뛰는 운동을 할 수 있는 장점을 갖는바 나날이 그 수요가 급증하고 있는 실정이다.
그런데 종래의 트레드밀은 궤도벨트를 무한궤도 방식으로 회전시키는 동력을 외부 전원으로부터 공급받아야 하는 바 지속적으로 사용될 경우 전력소모량이 상당할 뿐만 아니라 정전 등으로 전원공급이 차단될 경우 사용이 불가한 문제점이 있었다.
그리고 걷거나 뛰는 과정에서 넘어질 경우 심각한 안전사고로 이어질 수 있는 문제가 있으며, 일반 가정이 아닌 스포츠센터에서는 사용자가 트레드밀 사용 후 그 작동을 종료시키지 않거나 타이머를 설정해 두지 않게 되면 지속적으로 트레드밀이 작동되면서 심각한 에너지 낭비가 초래되는 문제점이 있었다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 해결하고자 하는 과제는 사용자가 운동을 시작하면 고효율 제너레이터가 배터리를 충전하고, 배터리가 리프트 모터, 모니터, 컨트롤 보드, 조작판 등에 전원을 공급하며, 우수한 운동 환경 및 운동 품질을 구현할 수 있으며 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀은 사용자가 탑승하여 걷거나 뛰면 수평 방향으로 회전하는 무한 궤도 발판과, 무한 궤도 발판의 양단에 각각 설치되어 무한 궤도 발판의 회전에 의해 함께 회전하는 드럼을 갖는 본체; 본체의 드럼에 기어 결합된 제너레이터; 드럼의 스피드를 센싱하는 스피드 센서; 제너레이터에 의해 충전되는 배터리; 및 스피드 센서로부터 센싱한 드럼의 스피드에 기초하여 제너레이터의 부하를 제어하여 배터리를 충전하는 컨트롤 보드를 포함할 수 있다.
컨트롤 보드는 스피드 센서로부터 센싱한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제1게이트 드라이버와, 제1게이트 드라이버의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제1저항을 통해 배터리에 연결되고, 드레인 단자가 접지되는 제1전력 소자를 갖는 제1부하 제어부; 스피드 센서로부터 센싱한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제2게이트 드라이버와, 제2게이트 드라이버의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제2저항을 통해 배터리에 연결되고, 드레인 단자가 접지되는 제2전력 소자를 갖는 제2부하 제어부; 및 사용자가 입력한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제3게이트 드라이버와, 제3게이트 드라이버의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제3저항을 통해 배터리에 연결되고, 드레인 단자가 접지되는 제3전력 소자를 갖는 충전부를 포함할 수 있다.
제1저항의 저항값보다 제3저항의 저항값이 크고, 제3저항의 저항값보다 제2저항의 저항값이 클 수 있다.
제너레이터는 원통형 케이스; 원통형 케이스의 내측에 배열된 24개의 네오디뮴 자석; 24개의 네오디뮴 자석의 내측에 배열된 27개의 슬롯을 갖는 규소 강판; 규소 강판의 27개의 슬롯에 결합된 27개의 스테이터; 및 스테이터의 내측에 회전 가능하게 결합된 플라이휠 로터를 포함하고, 플라이휠 로터가 드럼에 기어 결합될 수 있다.
제너레이터는 적어도 86%의 발전 효율을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀은 사용자가 조작한 스피드를 입력 받는 조작판; 및 조작판에 의한 스피드에 기초하여 본체를 승강시키는 리프트 모터를 더 포함하고, 조작판 및 리프트 모터는 배터리로부터 전원을 공급받을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀은 무한 궤도 발판 상의 사용자 무게 및 위치를 센싱하는 로드셀을 더 포함하고, 컨트롤 보드는 스피드 센서로부터 센싱한 스피드, 로드셀로부터 센싱한 사용자의 무게 및 위치, 제너레이터로 부터 센싱한 3상의 전압 및 전류를 포함하는 데이터를 이용하여 사용자 데이터를 정의할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 사용자가 운동을 시작하면 고효율 제너레이터가 배터리를 충전하고, 배터리가 리프트 모터, 모니터, 컨트롤 보드, 조작판 등에 전원을 공급하며, 우수한 운동 환경 및 운동 품질을 구현할 수 있는 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀 중에서 주요 기구부를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀의 개략적인 배선도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀 중에서 제너레이터를 도시한 사진 및 개략도이다.
도 6a, 6b 및 6c는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀 중에서 컨트롤 보드를 도시한 사진 및 주요 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 발명에 따른 컨트롤 보드(제어부 또는 컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 컨트롤 보드(제어부 또는 컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 컨트롤 보드(제어부 또는 컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 컨트롤 보드(제어부 또는 컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 컨트롤 보드(제어부 또는 컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시 예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100) 중에서 주요 기구부를 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)은 사용자가 탑승하여 걷거나 뛰면 수평 방향으로 회전하는 무한 궤도 발판(110)과, 무한 궤도 발판(110)을 회전 가능하게 지지하는 본체(120)와, 본체(120)의 전방에서 상부 방향으로 연장된 연장부(130)와, 연장부(130)로부터 사용자를 향해 대략 수평 방향으로 절곡된 손잡이(140)와, 손잡이(140)에 설치된 모니터(150) 및 조작판(160)을 포함할 수 있다. 이러한 트레드밀(100)의 외관은 기존의 일반적인 트레드밀의 외관과 유사하므로, 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)은 무한 궤도 발판(110)의 양단(전방 및 후방)에 각각 설치되어 무한 궤도 발판(110)의 회전에 의해 함께 회전하는 제1드럼(111) 및 제2드럼(112)을 포함할 수 있다. 여기서, 무한 궤도 발판(110), 제1드럼(111) 및 제2드럼(112)의 결합 구조 역시 기존의 일반적인 구조와 유사하므로, 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀(100)은, 예를 들면, 제1드럼(111)에 기어 결합된 제너레이터(113)를 더 포함할 수 있다. 물론, 제너레이터(113)는 제2드럼(112)에 기어 결합될 수도 있다.
일부 예들에서, 제너레이터(113)의 로터는 제1드럼(111)의 회전축에 감속기를 통해 결합되거나 벨트나 체인으로 결합되거나, 또는 직접 결합될 수도 있다. 또한, 일부 예들에서, 트레드밀(100)은 무한 궤도 발판(110)의 하부에 설치된 다수의 로드셀을 더 포함할 수 있다. 다수의 로드셀은 무한 궤도 발판(110) 상에 올라간 사용자의 무게 및 위치를 센싱하여, 컨트롤 보드에 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)의 개략적인 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)은 제너레이터(113), 스피드 센서(114), 배터리(115), 컨트롤 보드(116), 리프트 모터(117), 모니터(150) 및 조작판(160)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀(100)은 멀티 저항 박스(118), 브레이크(119), 시작/정지 스위치(171)를 더 포함할 수 있다.
제너레이터(113)는 상술한 바와 같이 본체(120)에 내장된 제1드럼(111)에 결합됨으로써, 사용자가 무한 궤도 발판(110) 위에 올라가 걷거나 뛰면 전기를 발전한다. 이와 같이 발전된 전원은 배터리(115), 컨트롤 보드(116) 및 시작/정지 스위치(171) 등에 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 제너레이터(113)는 트레드밀(100)이 자가 유지 기능을 구현할 수 있도록, 대략 86% 이상의 발전 효율을 갖는 200W-500W급일 수 있다.
스피드 센서(114)는 드럼의 스피드를 센싱하고, 센싱된 스피드 신호를 컨트롤 보드(116)에 전송한다. 일부 예들에서, 스피드 센서(114)는 광 근접 센서를 포함할 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 스피드 센서(114)는 드럼에 설치되거나 또는 제너레이터(113)에 설치될 수 있다. 일부 예들에서, 스피드 센서(114)는 제너레이터(113)의 반대편 드럼 샤프트에 설치될 수도 있다.
배터리(115)는 제너레이터(113)로부터 발전된 전력에 의해 충전되며, 배터리(115)는 리프트 모터(117), 모니터(150) 및 조작판(160) 등에 전원을 공급한다. 일부 예들에서, 한정하는 것은 아니지만, 배터리(115)는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 또는 전고체 배터리 등을 포함할 수 있다. 배터리(115)는 배터리 모니터링 시스템을 포함할 수 있으며, 이는 배터리(115)의 전압, 전류 및 온도를 센싱하여 컨트롤 보드(116)에 전송하거나, 또는 자체적으로 배터리(115)의 과충전, 과방전 및 과전류 등을 보호하는 동작을 수행할 수 있다.
컨트롤 보드(116)는 스피드 센서(114)로부터 센싱한 제1드럼(111)의 스피드에 기초하여 제너레이터(113)의 부하를 적절히 제어하면서 배터리(115)를 충전하도록 한다. 또한, 컨트롤 보드(116)는 스피드 센서(114)에 의한 스피드 신호, 배터리(115)에 장착된 배터리 모니터링 시스템으로부터의 배터리 전압 신호, 배터리 전류 신호 및 배터리 온도 신호를 체크할 수 있다. 더욱이, 컨트롤 보드(116)는 리프트 모터(117)의 모터 스테이트 신호, 모니터(150)의 전류 신호 및 조작판(160)의 전류 신호 등을 체크할 수 있다. 일례로, 컨트롤 보드(116)는 사용자에 의해 조작판(160)에서 원하는 스피드가 입력되면, 이에 대응하도록 리프트 모터(117)를 제어하여 트레드밀(100) 예를 들면, 본체(120)의 기울기 각도가 조절되도록 한다.
더불어, 컨트롤 보드(116)는 사용자의 힘과 평균 운동 시간을 분석하고 배터리(115)의 용량 및 특성을 분석하며, 저전력 구조의 컨트롤 보드(116)(인쇄회로기판) 및 모니터(150), 리프트 모터(117) 등을 고려하여 자기 유지 기능이 구현되도록 한다. 더불어, 컨트롤 보드(116)는 사용자 스마트 감지 기술을 더 포함할 수 있는데, 이는 스피드 센서(114), 로드셀(176L,176R) 및 제너레이터(113)의 전압 및 전류의 3상 펄스를 활용하여 데이터로 활용하는 기술로, 이들 데이터를 빅데이터화해 사용자의 운동 능력 감지 및 솔루션 제공 역할을 수행할 수 있다. 이러한 사용자의 운동 능력 및 솔루션은 모니터(150)를 통해 사용자에게 표시될 수 있다.
리프트 모터(117)는 사용자의 조작에 따라 본체(120)가 소정 각도로 기울어지도록 한다. 일례로, 본체(120)의 기본적인 기울기 각도는 대략 7° 내외이나, 리프트 모터(117)의 동작에 따라 본체(120)의 기울기 각도가 더 커지거나 작아질 수 있다. 이에 따라, 사용자의 걷기 또는 뛰기 스피드가 결정될 수 있다. 일부 예들에서, 본체(120)의 전방에 수직 이송 부재가 설치될 수 있으며, 리프트 모터(117)는 이러한 수직 이송 부재에 결합되어 본체(120)의 기울기를 조정할 수 있다.
모니터(150)는 사용자의 운동량, 운동시간, 걷기 또는 뛰기 속도 등과 같은 다양한 운동 상태를 사용자에게 표시한다. 또한, 상술한 바와 같은 사용자의 운동 능력 및 운동 솔루션을 표시할 수 있다.
조작판(160)은 사용자의 조작에 따라 무한 궤도 발판(110)의 스피드가 입력되도록 하거나 각종 상태가 입력되도록 한다. 일부 예들에서, 모니터(150)와 조작판(160)은 터치 스크린에 의해 일체화될 수도 있다.
멀티 저항 박스(118)는 다수의 저항(예를 들면, 제1,2,3저항)을 포함하며, 이는 제너레이터(113)의 부하 제어에 이용된다. 이러한 다수의 저항은 아래에서 다시 설명한다.
브레이크(119)는 시작/정지 스위치(171)의 조작에 따라 드럼(예를 들면, 제1드럼(111) 또는 제2드럼(112))에 밀착되어 드럼의 회전이 정지되도록 하거나 드럼으로부터 이격되어 드럼이 회전 가능하도록 한다.
시작/정지 스위치(171)는 사용자에 의해 트레드밀(100)의 시작/정지가 결정되도록 한다. 일부 예들에서, 시작/정지 스위치(171)를 한번 누르면 브레이크(119)가 드럼으로부터 분리되어 무한 궤도 발판(110)이 수평 이동(회전) 가능한 상태가 되고, 시작/정지 스위치(171)를 다시 누르면 브레이크(119)가 드럼에 밀착되어 무한 궤도 발판(110)이 수평 이동(회전)할 수 없는 상태가 된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)의 개략적인 배선도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)은, 추가적으로, 메인 파워 스위치(172), 퓨즈(173), 심박 센서(174L,174R), 심박 센서 보드(175), 로드셀(176L,176R) 및 엘이디(177)를 더 포함할 수 있다.
메인 파워 스위치(172)는 토글되는 기계적 스위치로서 배터리(115)의 전원이 다양한 컴포넌트에 인가되도록 하고, 퓨즈(173)는 과전류시 차단되어 트레드밀(100)을 보호하는 동작을 수행한다. 심박 센서(174L,174R)는 사용자의 심박수를 센싱하여 심박수 보드(175)에 전송하고, 심박수 보드(175)는 센싱된 심박수를 처리하여 모니터(150)를 통해 표시하도록 한다. 로드셀(176L,176R)은 무한 궤도 발판(110) 상에 올라간 사용자의 무게 및 위치를 센싱하여 컨트롤 보드(116)에 전송할 수 있다. 일부 예들에서, 로드셀(176L,176R)은 좌측에 3개가 배열되고 우측에 3개가 배열되어, 사용자의 위치를 정확하게 센싱하도록 한다. 엘이디(177)는 본체(120)의 후방에 설치됨으로써, 트레드밀(100)의 동작 여부를 사용자/타기구 사용자 등이 신속하게 인식하도록 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100) 중에서 제너레이터(113)를 도시한 사진 및 개략도이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제너레이터(113)는 원통형 케이스(1131), 네오디뮴 자석(1132), 규소 강판(1133), 스테이터(1134) 및 플라이휠 로터(1135)를 포함할 수 있다. 네오디뮴 자석(1132)은 대략 24개가 구비될 수 있으며, 이는 원통형 케이스(1131)의 내측에 배열될 수 있다. 규소 강판(1133)은 네오디뮴 자석(1132)의 내측에 배열될 수 있으며, 이는 27개의 슬롯을 구비할 수 있다. 스테이터(1134)는 규소 강판(1133)에 구비된 27개의 슬롯에 결합될 수 있다. 플라이휠 로터(1135)는 스테이터(1134)의 내측에 회전 가능하게 결합될 수 있고, 특히, 플라이휠 로터(1135)가 제1드럼(111)에 기어, 벨트 또는 체인 등으로 결합될 수 있다.
일부 예들에서, 스테이터(1134)의 조건으로서 27개의 슬롯, 규소 강판(1133)의 적정 개수 및 두께, 코일의 두께 및 턴수와 감는 방법, 절연체 소재 및 모양을 포함할 수 있다. 또한, 네오디뮴 자석(1132)은 적정 크기로서 24개를 사용하고, 간격 및 두께를 최적화한다. 또한, 원통형 케이스(1131)는 OD 180mm, 무게(플라이휠 효과), 구조(가장자리에 무게 집중), 모양(재료 절감 및 플라이휠 효과를 위한 최적의 타공)을 최적화한다. 더불어, 허브나 샤프트는 정밀 가공 허브(정밀 공차)를 사용하고, 탈착식 샤프트를 적용하며, 길이, 두께, 기어(적정 기어 비율 적용), 아웃 로터(1135) 방식(플라이휠 효과: 운동 품질 향상 및 에너지 효율 증대)을 최적화한다. 또한, 스테이터(1134)의 표면과 네오디뮴 자석(1132) 사이의 간극도 최적화함으로써, 대략 86%의 발전 효율과 대략 200W-500W급, 걸었을 때 대략 40V 전압 발생이 가능한 트레드밀(100) 전용 제너레이터(113)를 완성할 수 있다. 이와 같이 제너레이터(113)가 적어도 대략 86%의 발전 효율을 가짐으로써, 트레드밀(100)이 자가 유지 기능을 갖도록 한다.
계속해서, 본 발명의 실시예에서와 같이 코드리스 트레드밀(100)의 특성인 자가 유지 기능을 위해서는 반드시 제너레이터(113)의 발전 효율이 대략 86% 정도가 나와야 하고 또한 사용자가 만들 수 있는 거의 최고치인 대략 500W급 파워를 코깅 느낌이 없이 구현하여야 한다. 그 이유는 자체 발전된 전기로 충전하여 리프트 모터(117), 모니터(150), 컨트롤 보드(116), 조작판(160) 등을 동작시키고도 배터리(115)를 충전하여야 하고 또한 이용자에게 불편한 느낌을 주지 않기 위해서이다. 또한 무전원 트레드밀(100)의 특성상 속도를 내기 위해서는 적정 각도와 낮은 마찰력이 상품성을 좌우하는데, 고속을 위한 트레드밀(100)의 고각도에서는 반드시 적정 힘의 제너레이터(113)가 필요하다. 특히, 대략 60% 대의 효율을 가진 기존 제너레이터는 운동 품질이 부드러우나 힘이 부족해서 트레드밀의 환경에서는 자가 유지가 되지 않고 사용자의 힘을 제어해야 할 높은 각도에서는 제어가 되지 않는다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 적정 자석(1132)과 배열, 두께, 적정 자기장 발생을 위한 스테이터(1134)와의 배열 및 간극의 선택, 그리고 코일의 두께와 감는 횟수 및 감는 방법을 장기간 테스트를 통해 최적의 결과값을 획득하였다. 적정 크기의 케이스(1131)와 케이스(1131)의 무게, 케이스(1131)의 가장자리의 모양 및 두께, 무게 조절을 통한 플라이휠 효과의 최적점을 취득하였다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 사용자의 힘과 평균 운동 시간의 분석 및 배터리(115)의 용량 및 특성 분석, 저전력 구조의 컨트롤 보드(116) 및 모니터(150), 리프트 모터(117) 등을 고려한 적정 제너레이터(113)의 개발과 적용으로 자가 유지 기능을 완성하였다.
도 6a, 6b 및 6c는 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100) 중에서 컨트롤 보드(116)를 도시한 사진 및 주요 회로도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 컨트롤 보드(116)는 통상의 인쇄회로기판에 다수의 전자 컴포넌트를 실장하여 구현될 수 있으며, 도 6b에 도시된 바와 같이 컨트롤 보드(116)는 정류 회로 및 임펄스 서지 보호 회로를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 6c에 도시된 바와 같이, 컨트롤 보드(116)는 부하 제어부(180) 및 충전부(183)를 포함할 수 있다.
부하 제어부(180)는 제1부하 제어부(181) 및 제2부하 제어부(180)를 포함할 수 있다.
제1부하 제어부(181)는 스피드 센서(114)로부터 센싱한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제1게이트 드라이버(1811)와, 제1게이트 드라이버(1811)의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제1저항(1813)을 통해 배터리(115)에 연결되며, 드레인 단자가 접지되는 제1전력 소자(1812)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1저항(1813)은 파워 저항을 포함할 수 있으며, 이는 대략 10Ω(500W)의 저항값을 가질 수 있다.
제2부하 제어부(180)는 스피드 센서(114)로부터 센싱한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제2게이트 드라이버(1821)와, 제2게이트 드라이버(1821)의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제2저항(1823)을 통해 배터리(115)에 연결되며, 드레인 단자가 접지되는 제2전력 소자(1822)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제2저항(1823)은 파워 저항을 포함할 수 있으며, 이는 대략 100Ω(500W)의 저항값을 가질 수 있다.
충전부(183)는 사용자가 입력한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제3게이트 드라이버(1831)와, 제3게이트 드라이버(1831)의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제3저항(1833)을 통해 배터리(115)에 연결되며, 드레인 단자가 접지되는 제3전력 소자(1832)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제3저항(1833)은 파워 저항을 포함할 수 있으며, 이는 대략 50Ω(500W)의 저항값을 가질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀(100)의 동작을 설명한다.
사용자가 트레드밀(100)에 올라가서 시작/정지 스위치(171)를 누른다. 이때, 리프트 모터(117)에 의한 트레드밀(100)의 기본 각도는 대략 7% 정도이다. 즉, 대략 50~150Kg의 사용자 몸무게 전역을 커버하고, 가벼운 몸무게의 효율적 컨트롤을 위해 접점을 대략 7%정도의 각도로 설정하였다.
그러면, 브레이크(119)가 풀리면서 무한 궤도 발판(110)이 움직이고 그에 따라 제1드럼(111) 및 제2드럼(112)이 회전한다.
제1,2드럼(111,112)의 회전에 따라 기어로 연결된 제너레이터(113)가 동작한다.
제너레이터(113)가 동작하는 순간 전력이 발생되어 제어가 시작된다.
사용자가 조작판(160)의 스피드 버튼을 조작하면 트레드밀(100)의 기울어진 각도와 제너레이터(113)의 부하량을 조절하여 운동 조건을 만들어 준다.
이때, 운동 환경(지정 속도 구현 및 유지)을 제공하면서도 충전 동작을 유지해야하고 운동 품질을 구현해야한다. 운동 품질이란 걷고 달리고 오르기를 할 때 끊김 없이 자연스럽고 부드러워야 한다. 이 조건은 컨트롤 보드(116)에 장착된 프로그램 소프트웨어에 의해 구현되며, 상품성을 좌우하는 사안이다. 운동 환경 제공 및 품질 제공의 핵심 사항은 최저 마찰력 구현의 발판 데크 시스템 및 기구 상태, 무게와, 적정 파워의 리프트 모터(117) 및 안정된 리프트 플랫폼과, 이탈 방지 기능이 장착된 특수 형태의 발판 벨트 시스템과, 안정된 스피드 센서(114) 및 부착 위치와, 사용자의 무게 및 위치를 알려주는 로드셀(176L,176R)(일부 예들에서, 로드셀은 4개 내지 6개를 사용할 수 있음)과, 50Kg~150Kg대의 무게 영역을 모두 만족시킬 수 있는 전용 제너레이터(113) 및 제1드럼(111)과의 동력 연결 시스템 등이다.
한편, 주지된 바와 같이 유산소 운동 기구의 대표격인 트레드밀(100)은 거의 대부분이 전동 모터를 사용하고 있으며, 그 외의 유산소 기구 중에 힘에 저항용으로 제너레이터(113)를 사용하는 경우가 있다.
특히, 트레드밀(100)은 운동 품질(걷기ㆍ뛰기)이 부드럽고 자연스러워야 한다. 또한 사용자가 지정한 속도가 나와야 하며 지정한 속도가 유지 되어야 한다. 이러한 조건은 트레드밀 시장의 99%를 차지하고 있는 전동 모터 방식의 트레드밀의 기본적 기능으로써 사업 확장성이 좌우되는 요소이다.
이 조건에 맞춰서 전동 모터 대신 제너레이터(113)를 사용하기 위해서는 매우 까다로운 조건들이 필요하다.
본 발명의 실시 예에서와 같이 제너레이터 스피드 콘트롤 기능을 갖는 제너레이터(113)를 사용하게 되면 자기 발전으로 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 사용자의 운동 능력 및 조건에 맞춰주는 능동적인 운동 환경이 가능하여 자연에서 운동하는 것처럼 코어 근육이 발달하고, 후면 근육이 발달하여 근력을 향상 시킨다. 또한, 세밀한 부하 단계의 조절이 가능하여 운동 조건의 어떠한 경우의 수에도 대응할 수 있다. 재활기구ㆍ등산 운동ㆍ걷기, 뛰기, 오르기, 밀기 등의 복합 운동이 가능하게 된다. 또한 모든 유산소 운동기구에 적용하여 활용할 수 있다. 이를 위해서는 적합한 용량의 운동 기구 전용 제너레이터(113)가 필요하고, 적절한 운동 품질을 위해 제너레이터(113)의 컨트롤 보드(116) 및 전용 스피드 콘트롤 시스템 소프트웨어가 반드시 필요하다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에서는 500W급ㆍ노코깅ㆍ고효율(86% 이상)ㆍOD 180mmㆍ27 슬롯ㆍ24개 네오디뮴 자석(1132)ㆍ적정 간격 및 간극 등의 조건을 충족하는 '제너레이터(113)'를 제공한다. 또한, 500V급 10A급 순간 고전압 및 전류를 견딜 수 있는 회로가 장착된 컨트롤 보드(116)를 제공한다. 위의 조건값을 충족하는 제너레이터(113)를 멀티 저항(3개 이상의 저항 사용) 시스템으로 제어하여 운동 품질(강하고ㆍ부드럽고 자연스러움 등)을 가능케 하는 '멀티 저항 제너레이터 제어 시스템 및 프로그램'을 제공한다. 또한, 제너레이터(113)의 출력 3상 펄스ㆍ전류ㆍ전압을 센싱하여 빅데이터화하고, 이를 활용하여 사용자에게 맞는 운동 프로그램 및 운동 조건을 제공하는 '제너레이터 활용형 AI 스마트 사용자 운동 능력 감지기술'도 제공한다. 모든 유산소 및 저항 운동 기구에 사용된 제너레이터(113)를 통해 출력된 전기를 모아 활용하는 '운동기구 ESS 시스템'도 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀
110; 무한 궤도 발판 111; 제1드럼
112; 제2드럼 113; 제너레이터
1131; 원통형 케이스 1132; 네오디뮴 자석
1133; 규소 강판 1134; 스테이터
1135; 플라이휠 로터 114; 스피드 센서
115; 배터리 116; 컨트롤 보드
117; 리프트 모터 118; 멀티 저항 박스
119; 브레이크 120; 본체
130; 연장부 140; 손잡이
150; 모니터 160; 조작판
171; 시작/정지 스위치 172; 메인 파워 스위치
173; 퓨즈 174L,174R 심박 센서
175; 심박 센서 보드 176L,176R; 로드셀
177; 엘이디 180; 부하 제어부
181; 제1부하 제어부 1811; 제1게이트 드라이버
1812; 제1전력 소자 1813; 제1저항
182; 제2부하 제어부 1821; 제2게이트 드라이버
1822; 제2전력 소자 1823; 제2저항
183; 충전부 1831; 제3게이트 드라이버
1832; 제3전력 소자 1833; 제3저항

Claims (7)

  1. 사용자가 탑승하여 걷거나 뛰면 수평 방향으로 회전하는 무한 궤도 발판과, 무한 궤도 발판의 양단에 각각 설치되어 무한 궤도 발판의 회전에 의해 함께 회전하는 드럼을 갖는 본체;
    본체의 드럼에 기어 결합된 제너레이터;
    드럼의 스피드를 센싱하는 스피드 센서;
    제너레이터에 의해 충전되는 배터리; 및
    스피드 센서로부터 센싱한 드럼의 스피드에 기초하여 제너레이터의 부하를 제어하여 배터리를 충전하는 컨트롤 보드를 포함하는, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    컨트롤 보드는
    스피드 센서로부터 센싱한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제1게이트 드라이버와, 제1게이트 드라이버의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제1저항을 통해 배터리에 연결되고, 드레인 단자가 접지되는 제1전력 소자를 갖는 제1부하 제어부;
    스피드 센서로부터 센싱한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제2게이트 드라이버와, 제2게이트 드라이버의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제2저항을 통해 배터리에 연결되고, 드레인 단자가 접지되는 제2전력 소자를 갖는 제2부하 제어부; 및
    사용자가 입력한 스피드에 비례하는 게이트 신호를 출력하는 제3게이트 드라이버와, 제3게이트 드라이버의 출력 단자에 게이트 단자가 연결되고, 소스 단자가 제3저항을 통해 배터리에 연결되고, 드레인 단자가 접지되는 제3전력 소자를 갖는 충전부를 포함하는, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제1저항의 저항값보다 제3저항의 저항값이 크고, 제3저항의 저항값보다 제2저항의 저항값이 큰, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제너레이터는
    원통형 케이스; 원통형 케이스의 내측에 배열된 24개의 네오디뮴 자석; 24개의 네오디뮴 자석의 내측에 배열된 27개의 슬롯을 갖는 규소 강판; 규소 강판의 27개의 슬롯에 결합된 27개의 스테이터; 및 스테이터의 내측에 회전 가능하게 결합된 플라이휠 로터를 포함하고, 플라이휠 로터가 드럼에 기어 결합된, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제너레이터는 적어도 86%의 발전 효율을 갖는, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    사용자가 조작한 스피드를 입력 받는 조작판; 및
    조작판에 의한 스피드에 기초하여 본체를 승강시키는 리프트 모터를 더 포함하고,
    조작판 및 리프트 모터는 배터리로부터 전원을 공급받는, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    무한 궤도 발판 상의 사용자 무게 및 위치를 센싱하는 로드셀을 더 포함하고,
    컨트롤 보드는 스피드 센서로부터 센싱한 스피드, 로드셀로부터 센싱한 사용자의 무게 및 위치, 제너레이터로부터 센싱한 3상의 전압 및 전류를 포함하는 데이터를 이용하여 사용자 데이터를 정의하는, 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀.


KR1020210073751A 2021-06-07 2021-06-07 자가 유지 기능을 갖는 능동형 스마트 트레드밀 KR102656914B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001112226A (ja) * 1999-10-08 2001-04-20 Moriyama Manufacturing Co Ltd ３相磁石発電機
KR20110120042A (ko) * 2010-04-28 2011-11-03 인하대학교 산학협력단 로드셀을 이용한 자동 속도조절 러닝머신 및 로드셀을 이용한 긴급정지장치
KR20140036567A (ko) * 2012-09-17 2014-03-26 (주)오픈테크놀러지 무동력 자가 발전 트레드밀

Patent Citations (3)

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