WO2011118867A1 - 운동 관리가 가능한 자전거 로봇 및 그 구동방법 - Google Patents

운동 관리가 가능한 자전거 로봇 및 그 구동방법 Download PDF

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WO2011118867A1
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exercise
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조영혁
고광식
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Definitions

  • the present invention relates to a bicycle robot capable of exercise management and a driving method thereof, comprising a weight sensor, a tilt sensor, and a hall sensor mounted on a bicycle used for commuting and moving, and based on information from these sensors.
  • the present invention relates to a bicycle robot and a driving method thereof, which are capable of systematic exercise using commute and movement and the management thereof by calculating the amount of exercise of the exercise and providing the same to the user.
  • the bicycle robot capable of exercise management includes a weight measuring sensor for measuring a user's weight; A tilt measuring sensor for measuring an inclination angle between the uphill or the downhill and the bicycle when the driving bicycle drives uphill or downhill; Hall sensor for measuring the rotational speed per second of the running bicycle wheel; A system controller which calculates and manages an exercise amount of a user using data measured by the sensors; And a data display unit for displaying data output by the system control unit.
  • the bicycle robot capable of exercise management further includes a motor connected to the sprocket of the bicycle and driven according to a control signal from the system controller.
  • the system control unit includes a data input unit for receiving data measured by the sensors; An exercise amount calculator configured to calculate an exercise amount of a user by using the data output by the data input unit; An exercise amount management unit is configured to manage an exercise amount of a user using data output by the exercise amount calculation unit.
  • the exercise amount calculating unit calculates the exercise amount of the user using the total weight, the gravity acceleration, the change amount of the height of the bicycle, and the speed of the bicycle, which are the sum of the weight of the user and the weight of the bicycle.
  • the system control unit includes: a user designation input unit capable of designating a user who uses the initial bicycle for driving the bicycle; An individual exercise amount storage unit storing data output by the exercise amount management unit for each individual; An individual exercise habit storage unit for organizing and storing the pattern from the individual data output by the exercise amount management unit;
  • the communication unit may further include a communication unit configured to transmit data managed by the exercise amount management unit through a communication network or input information received through the communication network to the exercise amount management unit.
  • the exercise robot that can manage the movement and the generator for generating electricity by the power of the rotation of the bicycle wheel;
  • An energy storage unit for storing the electricity generated by the generator and supplying the stored electricity;
  • a motor driving unit for driving the motor in accordance with the control signal from the system control unit is further provided.
  • a driving method of a bicycle robot capable of managing exercise comprising: setting energy consumption per predetermined time; Calculating a required exercise amount according to the set energy consumption amount; Calculating the amount of exercise of the user using the total weight, the acceleration of gravity, the change in height of the bike, and the speed of the bicycle, which are the sum of the weight of the user and the weight of the bicycle; Determining whether the calculated exercise amount of the user exceeds the required exercise amount; Driving the motor connected to the sprocket of the bicycle when the calculated exercise amount of the user exceeds the required exercise amount; If the calculated exercise amount of the user does not exceed the required exercise amount, determining whether the calculated exercise amount of the user is less than the required exercise amount; If the calculated exercise amount of the user is less than the required exercise amount, generating a generator to increase the resistance of the bicycle.
  • the energy consumption per fixed time may be set in a range, and when the energy consumption per fixed time is set in a range, the required exercise amount is calculated in a range.
  • the driving method of the bicycle robot capable of exercise management may include determining whether the calculated exercise amount of the user falls within a range of the required exercise amount; If the calculated exercise amount of the user is included in the range of the required exercise amount, the method further includes the step of returning to the step of setting the energy consumption per fixed time.
  • the bicycle robot and the driving method capable of exercise management according to an embodiment of the present invention, the weight of the user from the weight sensor, the slope from the uphill or downhill from the tilt sensor and the inclination of the bicycle, from the hall sensor Based on the speed of the bicycle, it calculates the user's exercise amount, strength exercise and endurance, and displays and manages it so that systematic exercise management is possible.
  • the motor is driven when the user's exercise amount exceeds the required exercise amount and the generator is generated when the user's exercise amount is less than the required exercise amount. This allows the user to drive the bicycle with a constant force.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a bicycle robot capable of exercise management according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a block diagram schematically showing a bicycle robot capable of exercise management according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of driving a bicycle robot capable of managing exercise according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a block diagram schematically illustrating a bicycle robot capable of managing exercise according to another embodiment of the present invention.
  • a bicycle robot capable of exercise management includes a weight measuring sensor 10 measuring a user's weight, a tilt measuring sensor 11 measuring a tilt of a driving bicycle, Hall sensor 12 for measuring the speed of the bicycle running, the data display unit 20 for displaying information related to the user's movement, and the amount of exercise of the user based on the input of the sensors (10, 11, 12) It is provided with a system control unit 100 for calculating and managing it.
  • the weight measuring sensor 10 measures a user's weight, and is mainly installed under the saddle 2 to facilitate the user's weight measurement.
  • the weight measuring sensor 10 is most preferably installed in the lower part of the saddle 2, but may be any place where the user's weight can be measured.
  • the inclination measuring sensor 11 measures the inclination between the uphill or the downhill and the bicycle when the bicycle travels uphill or downhill. If the bicycle is driving on a flat surface at 0 °, it is measured at a (+) angle when driving uphill based on 0 °, and at a minus (-) angle when driving downhill.
  • the inclination measurement sensor 11 is preferably installed under the saddle 2 together with the weight measurement sensor 10, but may be any place as long as it can measure the inclination of the bicycle on the road.
  • a gyro sensor or a tilt sensor may be used as the tilt measurement sensor 11.
  • the hall sensor 12 is installed on a bicycle frame around the wheels 4 or on a wheel support in the center of the wheels 4 to measure the rotational speed of the wheels 4 per second to measure the speed of the bicycle being driven.
  • the system controller 100 may be configured based on information such as the weight of the user from the weight measuring sensor 10, the tilt of the bicycle being driven from the tilt measuring sensor 11, the speed of the bicycle being driven from the hall sensor 12, and the like. Calculate and manage your momentum.
  • the system control unit 100 is most preferably installed in the handle 6 portion, but may be installed in the lower part of the saddle 2 together with the weight measurement sensor 10 and the tilt measurement sensor 11.
  • the data display unit 20 displays information related to the exercise of the user calculated and managed by the system control unit 100.
  • the data display unit 20 is preferably provided in the handle 6 portion so that the user can easily see it.
  • the system controller 100 uses the data input unit 110 to which data measured by the weight measuring sensor 10, the tilt measuring sensor 11, and the hall sensor 12 are input, and the data output from the data input unit 110.
  • the exercise amount calculating unit 120 for calculating the exercise amount of the user, the exercise amount managing unit 130 for managing the exercise of the user using the data output by the exercise amount calculating unit 120, and the individual amount output by the exercise amount managing unit 130.
  • Personal exercise habit storage unit 140 for recording the individual exercise pattern, that is, habits through the data, and the individual exercise amount storage unit 150 for receiving the individual data output by the exercise amount management unit 130 and storing the exercise amount for each user do.
  • the apparatus further includes a communication unit 160 which transmits the exercise state of the user managed by the exercise amount management unit 130 to the outside, or receives necessary information related to the exercise of the user from the outside and transmits the necessary information to the exercise amount management unit 130. .
  • the data input unit 110 may measure the weight of the user measured by the weight measuring sensor 10, the inclination of the running bicycle measured by the tilt measuring sensor 11 with the uphill or the downhill, and the driving bicycle measured by the hall sensor 12. Receives the speed of the output to the momentum calculation unit 120.
  • the exercise amount calculating unit 120 calculates the amount of exercise of the user by using the weight of the user input from the data input unit 110, the inclination and the speed at which the bicycle is running uphill or downhill.
  • the amount of exercise (E) of the user is calculated using the inclination of the bicycle through the inclination measurement sensor 12 and the uphill or downhill and the speed through the hall sensor 11.
  • the exercise amount E of the user can be regarded as the amount of work done by the user. Accordingly, the momentum calculation unit 120 of the present invention uses the amount of work (E 1 ) the user did using the potential energy and the amount of work (E 2 ) by the user using the kinetic energy as shown in Equation 1 Calculates the amount of work (E)
  • G gravitational acceleration
  • ⁇ h height change
  • V speed
  • the change amount ⁇ h of the height of the bicycle is calculated as in Equation 2 from the inclination of the bicycle measured by the inclination measurement sensor 20 with the uphill or the downhill.
  • the exercise amount calculation unit 120 increases the weight w for the strength exercise E M as shown in Equation 4 so that the user's strength exercise Calculate
  • the weight is set to 1 when driving on a flat surface, and the weight is gradually increased as the slope of the ascent increases. For example, when the slope is 5 °, the weight is set to 1.2, and when the slope is 10 °, the weight is set to 1.4.
  • the exercise amount calculation unit 120 further increases the weight for the strength exercise when running for a long time uphill, and increases the weight for the strength exercise of the user even when running for a long time at high speed and high speed. For example, the driving time on an uphill road will gradually increase the weight by 0.2 every 10 seconds over time if it exceeds 30 seconds and 0.2 to 0.5 km / h for speeds above 10 km / h.
  • the exercise amount calculation unit 120 increases the endurance of the user when driving the bicycle for a long time.
  • the individual exercise habit storage unit 140 receives the user's exercise amount, strength exercise, and endurance from the exercise amount management unit 130 to record the individual exercise pattern, that is, the exercise habit of the user.
  • the present invention can determine a user (User) at the beginning of the driving of the bicycle, in order to store the individual exercise habits.
  • the present invention includes a user designation input section 13 for designating a user, and the user designation input section 13 is arranged in the data display section 20 or the like.
  • the individual exercise amount storage unit 150 receives and stores the individual exercise amount, strength exercise, and endurance of the user from the exercise amount management unit 130.
  • the communicator 160 transmits the exercise state of the user managed by the exercise amount management unit 130 to the outside through a wireless or wired communication network, or receives necessary information related to the exercise of the user from the outside to receive the exercise amount management unit 130. To be sent).
  • the exercise amount management unit 130 may read individual information from the individual exercise amount storage unit 150 and display the previous exercise amount through the data display unit 20. Thus, the user can compare his previous exercise amount and the current exercise amount.
  • various types of information received through the communication unit 160 may be displayed through the data display unit 20. Then, by reading the individual exercise habit information from the individual exercise habit storage unit 140, and displayed on the data display unit 20 to enable the exercise with reference to this.
  • the user sets the amount of exercise to be stored in any one of the storage units such as the individual exercise amount storage unit 150 or the individual exercise habit storage unit 140, the user's exercise amount
  • the exercise amount management unit 130 determines whether the set exercise amount is reached by the comparing unit 32, and when the exercise amount of the user reaches the set exercise amount, the motor 35 is driven to drive the bicycle by electric power. do.
  • the bicycle robot capable of exercise management of the present invention includes a generator 50 for generating electricity by power of rotation of the wheel 4, an energy storage unit 40 for storing electricity generated by the generator 50, and
  • the motor drive part 30 which drives the motor 35 by the control signal from the exercise amount management part 130, and the motor 35 which drives a bicycle by chaining and rotating with the sprocket 8 of a bicycle are provided.
  • the generator 50 generates electricity by generating power by rotating the wheel 4 that rotates while the bicycle is running.
  • FIG. 1 shows an example in which power is obtained from a wheel 4 rotating in contact with the wheel 4, the generator 50 of the present invention is not limited thereto, and generates electricity by using the rotation of the wheel 4 as power. Any generator can be used.
  • the motor driver 30 receives electricity from the energy storage unit 40 and applies a driving force to the motor 35.
  • the motor 35 rotates when the driving force is applied from the motor driver 30 to rotate the sprocket 8 of the chain-connected bicycle so that the bicycle runs on electricity.
  • the bicycle robot capable of exercise management according to the present invention operates the motor 35 and the generator 50 while driving on a general road, such that the fitness bicycle applies a constant resistance to the pedals of the bicycle so that the user can exercise with a constant force. It is also possible to allow the user to drive the bicycle with a constant force.
  • the driving method of the bicycle robot capable of exercise management of the present invention determines whether the user's real-time exercise amount calculated by the exercise amount calculation unit 120 is included in the range of the required exercise amount set by the user (S30). As a result of the determination in S30, if the real-time exercise amount of the user is included in the range of the requested exercise amount, it is determined that the user is exercising with a constant force and returns to S10. However, as a result of the determination in S30, if the real-time exercise amount of the user is not included in the range of the required exercise amount, it is determined whether the real-time exercise amount of the user is larger than the range of the required exercise amount (S40).
  • the driving method of the bicycle robot capable of exercise management of the present invention drives the motor 35 so that the user can exercise at the exercise amount within the required range (S45). ).
  • the driving method of the bicycle robot capable of exercise management of the present invention drives the motor 35 so that the user can exercise at the exercise amount within the required range (S45).
  • the bicycle robot capable of exercise management of the present invention allows the bicycle to be driven with a constant force set by the user while driving on a general road.
  • a bicycle robot capable of managing exercise of the present invention may consider an individual health state and the like.
  • a bicycle robot capable of managing exercise according to another embodiment of the present invention includes an individual health state storage unit 170 and a second comparison unit 135 in which an individual health state is stored in the system controller 100.
  • the second exercise unit 135 compares the current exercise amount of the user calculated by the exercise amount calculator 120 with the health state information stored in the individual health state storage unit 170. As a result of the comparison, if the current exercise amount of the user calculated by the exercise amount calculation unit 120 can cause harm to the user, the data display unit 20 warns this.
  • the bicycle robot capable of exercise management of the present invention is capable of exercise and health management in consideration of individual health status.
  • the individual health state information stored in the individual health state storage unit 170 may be directly stored, but may be received from the outside, for example, from a hospital through the communication unit 160.
  • the bicycle robot capable of exercise management according to the present invention drives the motor 35 when the user cannot perform a sudden exercise such as driving on a path having a large inclination based on the stored health state information of the user and the bicycle is electric. It can also be driven by power.
  • the present invention relates to a bicycle robot that is applied to a bicycle to manage the movement of a bicycle user, and has industrial applicability.
  • system control unit 110 data input unit

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Abstract

본 발명은 출퇴근 및 이동에 이용되는 자전거에 체중 측정 센서, 기울기 측정 센서, 및 홀센서를 장착하고 이들 센서들로부터의 정보를 바탕으로 자전거 이용자의 운동량, 근력 운동 및 지구력을 계산하여 이를 이용자에게 제공함으로써 출퇴근 및 이동을 이용한 체계적인 운동 및 그 관리를 가능하게 한 자전거 로봇에 관한 것이다.

Description

운동 관리가 가능한 자전거 로봇 및 그 구동방법
본 발명은 운동 관리가 가능한 자전거 로봇 및 그 구동방법에 관한 것으로, 출퇴근 및 이동에 이용되는 자전거에 체중 측정 센서, 기울기 측정 센서, 및 홀센서를 장착하고 이들 센서들로부터의 정보를 바탕으로 자전거 이용자의 운동량을 계산하여 이를 이용자에게 제공함으로써 출퇴근 및 이동을 이용한 체계적인 운동 및 그 관리가 가능하게 한 운동 관리가 가능한 자전거 로봇 및 그 구동방법에 관한 것이다.
기술 발전에 힘입어 생활의 질이 향상됨에 따라 현대인들의 관심은 의식주의 해결에서 건강한 삶을 영위하는 것으로 변화되었다. 건강한 삶을 영위하는 방법에는 식생활 개선이나 운동, 또는 건강보조식품을 먹는 등의 여러 가지가 방법이 있을 수 있으나, 운동을 통한 건강의 유지가 최고로 여겨지면서 대부분의 현대인들은 운동을 통하여 건강을 유지하려고 하고 있다. 이에, 러닝 머신, 헬스 자전거 등과 같은 다양한 운동 기구들이 개발되었으며, 현대인들은 러닝 머신이나, 헬스 자전거 등과 같은 운동 기구를 직접 구매하거나 헬스 클럽 등에서 이용하는 형식으로 이를 이용, 건강을 유지하려 하고 있다.
하지만, 현대인들은 생활 여건상 또는 바쁜 일과 등으로 운동 기구들이 비치된 헬스 클럽을 찾아갈 시간적 여유를 가지지 못하여 운동을 등한시하는 것이 현실이다. 그리고, 운동 기구들을 직접 구매하여 이용하는 경우에도 운동 기구를 비치하는 것을 비롯한 운동 기구 사용을 위한 사전 준비 등의 번거로움이 있어 운동을 등한시하게 되는 것이 현실이다.
현재 개발된 운동기구들은 이용자의 운동 효과를 높이기 위하여 이용자의 운동 시간을 체크하는 등의 운동 관리를 하여 줌과 아울러, 러닝 머신의 경우는 운동 속도 및 경사 조정을 통하여 운동 효과를 향상시켜 주고, 헬스 자전거의 경우는 페달의 장력의 조정을 통하여 운동 효과를 향상시켜 주는 등의 기능을 포함한다. 하지만, 이러한 기능들은 단순히 이용자의 운동량에만 국한되는 기능들로 이용자의 건강 또는 체력 상태를 고려하지 않는 경우가 대부분이다.
한편, 바쁜 현대인들은 운동을 위하여 따로 시간을 내기가 힘들어 자전거를 이용한 출퇴근 및 이동으로 운동을 하는 사람이 급격히 늘고 있다. 특히, 최근 유가 급등에 따라 자동차를 통한 이동에 비용이 급격히 증가함에 따라 건강과 비용을 함께 고려하여 전세계적으로 자전거의 이용이 늘고 있는 실정이다. 하지만, 현재의 자전거에는 운동량의 측정은 물론, 측정한 운동량과 이용자의 체력 및 건강 상태를 통한 운동 관리를 위한 기능이 갖추어져 있지 않은 현실이다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 이용자의 체중을 측정하는 체중 측정 센서와; 주행 중인 자전거가 오르막 또는 내리막을 주행할 때, 오르막 또는 내리막과 자전거가 이루는 기울기 각도를 측정하는 기울기 측정 센서와; 주행 중인 자전거 바퀴의 초당 회전 속도를 측정하는 홀센서와; 상기 센서들에 의해 측정되는 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하고 관리하는 시스템 제어부와; 상기 시스템 제어부가 출력하는 데이터를 표시하는 데이터 표시부를 구비한다.
상기 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 상기 자전거의 스프로켓과 체인 연결되며, 상기 시스템 제어부로부터의 제어 신호에 따라 구동되는 모터를 더 구비한다.
상기 시스템 제어부는, 상기 센서들에 의해 측정되는 데이터를 수신하는 데이터 입력부와; 상기 데이터 입력부가 출력하는 상기 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하는 운동량 계산부와; 상기 운동량 계산부가 출력하는 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 관리하는 운동량 관리부를 구비한다.
상기 운동량 계산부는, 상기 이용자의 체중과 자전거의 무게를 합한 값인 전체 무게, 중력가속도, 자전거가 주행한 높이의 변화량, 자전거의 속도를 이용하여 이용자의 운동량을 계산한다.
상기 시스템 제어부는, 자전거의 주행 초기 자전거를 이용하는 이용자를 지정할 수 있는 이용자 지정 입력부와; 상기 운동량 관리부가 출력하는 데이터를 개인별로 저장하는 개인별 운동량 저장부와; 상기 운동량 관리부가 출력하는 개인별 데이터로부터 그 패턴을 정리 저장하는 개인별 운동 습관 저장부와; 상기 운동량 관리부에서 관리하는 데이터를 통신망을 통하여 송신하거나, 통신망을 통하여 수신되는 정보들을 상기 운동량 관리부에 입력하는 통신부를 더 구비한다.
상기 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 자전거 바퀴의 회전을 동력으로 전기를 발생시키는 발전기와; 상기 발전기가 발전한 전기를 저장하고 저장한 전기를 공급하는 에너지 저장부와; 상기 시스템 제어부로부터의 제어신호에 따라 상기 모터를 구동시키는 모터 구동부를 더 구비한다.
본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 일정시간당 에너지 소비량을 설정하는 단계와; 상기 설정된 에너지 소비량에 따른 요구 운동량을 계산하는 단계와; 이용자의 체중과 자전거의 무게를 합한 값인 전체 무게, 중력가속도, 자전거가 주행한 높이의 변화량, 자전거의 속도를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하는 단계와; 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량을 초과하는가를 판단하는 단계와; 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량을 초과하면, 상기 자전거의 스프로켓과 체인 연결된 모터를 구동시키는 단계와; 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량을 초과하지 않으면, 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량 미만인가를 판단하는 단계와; 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량 미만이면, 발전기를 발전하여 상기 자전거의 저항력을 증가시키는 단계를 포함한다.
상기 일정시간당 에너지 소비량은 범위로 설정 가능하며, 상기 일정시간당 에너지 소비량은 범위로 설정하면, 상기 요구 운동량은 범위로 계산된다.
상기 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량의 범위에 포함되는가를 판단하는 단계와; 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량의 범위에 포함되면, 상기 일정시간당 에너지 소비량을 설정하는 단계로 리턴하는 단계를 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇 및 그 구동방법은 체중 측정 센서로부터의 이용자의 체중, 기울기 측정 센서로부터의 오르막 또는 내리막과 자전거가 이루는 기울기, 홀센서로부터의 주행 중인 자전거의 속도를 바탕으로 이용자의 운동량, 근력 운동 및 지구력을 계산하여 이를 표시 및 관리함으로써 체계적인 운동 관리를 가능하게 한다.
그리고, 저장부에 이용자가 해야 할 운동량을 설정 저장하고, 이용자의 운동량이 설정한 운동량에 도달하면, 모터를 구동시킴으로써 자전거가 전기를 동력으로 주행하도록 함으로써 이용자의 과도한 운동을 방지할 수 있다.
또한, 저장부에 일정시간당 에너지 소비량을 설정 저장하고 설정한 에너지 소비량에 따른 요구 운동량을 계산하여, 이용자의 운동량이 요구 운동량을 초과할 때는 모터를 구동시키고 이용자의 운동량이 요구 운동량 미만일 때는 발전기를 발전시킴으로써 이용자가 일정한 힘으로 자전거를 주행하도록 할 수도 있다.
뿐만 아니라, 실제 주행 가능한 자전거 로봇에 적용됨으로써 바쁜 현대인들의 운동 및 건강 관리, 개인별 운동 습관 및 이전 운동량까지 고려함으로써 이용자 자신의 운동 습관을 파악할 수 있음은 물론, 운동 습관을 파악하고 이용자의 이전 운동량과 현재의 운동량을 비교하여 이를 제공함으로써 보다 체계적인 운동이 가능하게 하며, 개인별 건강 상태까지 고려할 경우에는 건강 관리 또한 가능하게 한다.
더욱이, 실제 주행 가능한 자전거 로봇에 적용됨으로써 바쁜 현대인들의 운동 및 건강 관리 시간의 이용에도 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇을 개략적으로 나타내는 블럭도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법을 나타내는 순서도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 이용자의 체중을 측정하는 체중 측정 센서(10)와, 주행 중인 자전거의 기울기를 측정하는 기울기 측정 센서(11)와, 주행 중인 자전거의 속도를 측정하는 홀센서(12)와, 이용자의 운동과 관련된 정보를 표시하는 데이터 표시부(20)와, 상기 센서들(10, 11, 12)의 입력을 바탕으로 이용자의 운동량을 계산하고 이를 관리하는 시스템 제어부(100)를 구비한다.
체중 측정 센서(10)는 이용자의 체중을 측정하는데, 이용자의 체중 측정에 용이하도록 주로 안장(2) 하부에 설치된다. 체중 측정 센서(10)는 안장(2) 하부에 설치되는 것이 가장 바람직하나, 이용자의 체중을 측정할 수 있는 장소라면 어디여도 무관하다.
기울기 측정 센서(11)는 자전거가 오르막 또는 내리막을 주행할 때, 오르막 또는 내리막과 자전거가 이루는 기울기를 측정한다. 자전거가 평지를 주행 중일 경우를 0°라고 한다면, 0°를 기준으로 오르막을 주행 중일 때는 (+) 각도로 측정되며, 내리막을 주행 중일 때는 (-) 각도로 측정된다. 기울기 측정 센서(11)는 체중 측정 센서(10)와 함께 안장(2) 하부에 설치되는 것이 바람직하나, 주행 중인 자전거의 기울기를 측정할 수 있는 장소라면 어디여도 무관하다. 기울기 측정 센서(11)로는 자이로센서 또는 기울기 센서 등이 사용될 수 있다.
홀센서(12)는 바퀴(4)의 주위의 자전거 프레임이나, 바퀴(4) 중앙의 바퀴지지대에 설치되어 바퀴(4)의 초당 회전 속도를 측정하여 주행 중인 자전거의 속도를 측정한다.
시스템 제어부(100)는 체중 측정 센서(10)로부터의 이용자의 체중, 기울기 측정 센서(11)로부터의 주행 중인 자전거의 기울기, 홀센서(12)로부터의 주행 중인 자전거의 속도 등의 정보를 바탕으로 이용자의 운동량을 계산하고 이를 관리한다. 시스템 제어부(100)는 핸들(6) 부분에 설치되는 것이 가장 바람직하나, 체중 측정 센서(10) 및 기울기 측정 센서(11)와 함께 안장(2) 하부에 설치되어도 무방하다.
데이터 표시부(20)는 시스템 제어부(100)가 계산 및 관리한 이용자의 운동과 관련된 정보를 표시한다. 데이터 표시부(20)는 이용자가 보기 용이하도록 핸들(6) 부분에 설치되는 것이 바람직하다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 시스템 제어부(100)에 대하여 설명하기로 한다.
시스템 제어부(100)는 체중 측정 센서(10), 기울기 측정 센서(11), 홀센서(12)가 측정한 데이터가 입력되는 데이터 입력부(110)와, 데이터 입력부(110)가 출력하는 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하는 운동량 계산부(120)와, 운동량 계산부(120)가 출력하는 데이터를 이용하여 이용자의 운동을 관리하는 운동량 관리부(130)와, 운동량 관리부(130)가 출력하는 개인별 데이터를 통하여 개인별 운동 패턴 즉, 습관을 기록하는 개인별 운동 습관 저장부(140)와, 운동량 관리부(130)가 출력하는 개인별 데이터를 입력받아 이용자별 운동량을 저장하는 개인별 운동량 저장부(150)를 구비한다. 그리고, 운동량 관리부(130)에서 관리하고 있는 이용자의 운동 상태를 외부로 송신하거나, 외부로부터 이용자의 운동과 관련하여 필요한 정보를 수신하여 운동량 관리부(130)에 전송하는 통신부(160)를 더 구비한다.
데이터 입력부(110)는 체중 측정 센서(10)가 측정한 이용자의 체중, 기울기 측정 센서(11)가 측정한 주행 중인 자전거가 오르막 또는 내리막과 이루는 기울기, 홀센서(12)가 측정한 주행 중인 자전거의 속도를 수신하여 이를 운동량 계산부(120)로 출력한다.
운동량 계산부(120)는 데이터 입력부(110)로부터 입력되는 이용자의 체중, 주행 중인 자전거가 오르막 또는 내리막과 이루는 기울기 및 속도를 이용하여 이용자의 운동량을 계산한다.
운동량 계산부(120)는 체중 측정 센서(10)를 통한 이용자의 체중(m1)과 자전거 무게(m2)의 합인 전체 무게(M=m1+m2)를 계산한다. 기울기 측정 센서(12)를 통한 자전거가 오르막 또는 내리막과 이루는 기울기와 홀센서(11)를 통한 속도를 이용하여 이용자의 운동량(E)을 계산한다. 이용자의 운동량(E)은 이용자가 한 일의 양이라고 볼 수 있다. 이에, 본 발명의 운동량 계산부(120)는 위치에너지를 이용한 이용자가 한 일의 양(E1)과 운동에너지를 이용한 이용자가 한 일의 양(E2)을 이용하여 수학식 1과 같이 이용자가 한 일의 양(E)을 계산한다.
수학식 1
Figure PCTKR2010001890-appb-M000001
E1 = M × G × △h
E2 = 1/2 × M × V2
G = 중력가속도, △h = 높이 변화량, V = 속도
이때, 자전거가 주행한 높이의 변화량(△h)은 기울기 측정 센서(20)가 측정한 자전거가 오르막 또는 내리막과 이루는 기울기로부터 수학식 2와 같이 계산한다.
수학식 2
Figure PCTKR2010001890-appb-M000002
△h = hi - hi -1
x = 기울기 측정 센서가 측정한 자전거가 오르막 또는 내리막과 이루는 기울기
이때, 기울기 측정 센서(20)가 측정한 기울기가 (-) 값으로 측정되거나, (+) 값에서 (-) 값으로 변화되면, 내리막을 주행하는 경우로 판단하고, 내리막을 주행하는 경우의 속도 증가는 이용자의 운동에 의한 것이 아니라, 위치에너지가 운동에너지로 변화되어서 속도가 증가하는 것이므로, 수학식 3과 같이 운동에너지(E2)에서 위치에너지(E1)를 감산하여 이용자의 운동량(E)을 계산한다.
수학식 3
Figure PCTKR2010001890-appb-M000003
기울기 측정 센서(20)가 측정한 기울기 값으로 판단하여 오르막을 주행 중인 경우 운동량 계산부(120)는 수학식 4와 같이 근력 운동(EM)에 대한 가중치(w)를 증가시켜 이용자의 근력 운동을 계산한다.
수학식 4
Figure PCTKR2010001890-appb-M000004
A는 비례상수
가중치는 평지를 주행할 경우를 1로 두고, 오르막의 기울기가 커짐에 따라 점차적으로 커지는 가중치를 부여한다. 예를 들어, 5°의 경사면을 주행 중이면 가중치를 1.2로 설정하고, 10°의 경사면을 주행 중이면 가중치를 1.4로 설정하는 등, 경사도가 5°상승할 때, 가중치를 0.2씩 증가시킨다. 또한, 운동량 계산부(120)는 오르막에서 오랜 시간 주행하는 경우에 근력 운동에 대한 가중치를 더 증가시키고, 빠른 속도 및 빠른 속도로 오래 주행할 경우에도 이용자의 근력 운동에 대한 가중치를 증가시킨다. 예를 들어, 오르막에서의 주행 시간은 30초를 초과하는 경우에 시간에 따라 10초에 0.2씩 점차적으로 가중치를 증가시키고, 속도의 경우에는 10km/h를 초과하는 경우에 0.5km/h에 0.2씩 점차적으로 가중치를 증가시키고, 10km/h 이상으로 5분을 초과하는 경우에 30초에 0.2씩 점차적으로 가중치를 더욱 증가시킨다. 여기서, 가중치에 대한 예는 개인차를 가질 수 있으므로, 상기한 바에 한정되지 않는다. 또한, 운동량 계산부(120)는 오랜 시간 자전거를 주행할 경우 이용자의 지구력을 증가시킨다.
개인별 운동 습관 저장부(140)는 운동량 관리부(130)로부터 이용자의 운동량, 근력 운동, 지구력을 입력받아 개인별 운동 패턴 즉, 이용자의 운동 습관을 기록한다. 이때, 본 발명은 개인별 운동 습관을 저장하기 위하여, 자전거의 주행 초기에 유저(User)를 정할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명은 이용자를 지정하기 위한 이용자 지정 입력부(13)를 구비하며, 이용자 지정 입력부(13)는 데이터 표시부(20) 등에 배치된다.
개인별 운동량 저장부(150)는 운동량 관리부(130)로부터 이용자의 개인별 운동량, 근력 운동, 지구력을 입력받아 저장한다.
통신부(160)는 무선 또는 유선 통신망을 통하여 운동량 관리부(130)에서 관리하고 있는 이용자의 운동 상태를 요청이 있는 외부로 송신하거나, 외부로부터 이용자의 운동과 관련하여 필요한 정보를 수신하여 운동량 관리부(130)에 전송한다.
운동량 관리부(130)는 자전거의 주행 초기 유저가 정해지면, 개인별 운동량 저장부(150)로부터의 개인별 정보를 읽어, 이전의 운동량을 데이터 표시부(20)를 통하여 표시할 수 있다. 따라서, 이용자는 자신의 이전 운동량과 현재의 운동량을 비교할 수 있다. 그리고, 통신부(160)를 통하여 수신되는 각종 정보들을 데이터 표시부(20)를 통하여 표시할 수도 있다. 그리고, 개인별 운동 습관 저장부(140)로부터의 개인별 운동 습관 정보를 읽어, 데이터 표시부(20)에 표시함으로써 이를 참고한 운동이 가능하도록 한다.
본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 개인별 운동량 저장부(150) 또는 개인별 운동 습관 저장부(140) 등의 저장부 중 어느 하나의 저장부에 이용자가 해야 할 운동량을 설정 저장하면, 이용자의 운동량이 설정한 운동량에 도달하는가를 운동량 관리부(130)가 비교부(32)를 통하여 판단하고, 이용자의 운동량이 설정한 운동량에 도달하면, 모터(35)를 구동시켜 자전거가 전기를 동력으로 주행되도록 한다.
이를 위하여, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 바퀴(4)의 회전을 동력으로 전기를 발생시키는 발전기(50)와, 발전기(50)가 발전한 전기를 저장하는 에너지 저장부(40)와, 운동량 관리부(130)로부터의 제어신호에 의해 모터(35)를 구동시키는 모터 구동부(30)와, 자전거의 스프로켓(8)과 체인 연결되어 회전함으로써 자전거를 주행시키는 모터(35)를 구비한다.
발전기(50)는 자전거가 주행 중일 때 회전하는 바퀴(4)의 회전을 동력으로 발전하여 전기를 발생시킨다. 도 1에는 바퀴(4)에 접촉되어 회전하는 바퀴(4)로부터 동력을 얻는 예를 도시하였지만, 본 발명의 발전기(50)는 이에 한정되지 않고, 바퀴(4)의 회전을 동력으로 전기를 발생시키는 발전기라면 어느 것이라도 가능하다.
모터 구동부(30)는 운동량 관리부(130)로부터의 제어신호가 인가되면, 에너지 저장부(40)로부터 전기를 공급받아 모터(35)에 구동력을 인가한다.
모터(35)는 모터 구동부(30)로부터 구동력이 인가되면 회전함으로써 체인 연결된 자전거의 스프로켓(8)을 회전시켜 자전거가 전기를 동력으로 주행하도록 한다.
또한, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 헬스 자전거가 일정한 저항력을 자전거의 페달에 인가하여 이용자가 일정한 힘으로 운동하게 하는 것과 같이, 일반 도로를 주행하면서도 모터(35)와 발전기(50)를 이용하여 이용자가 일정한 힘으로 자전거를 주행하도록 할 수도 있다.
이를 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 먼저 이용자가 일정시간당 에너지 소비량을 설정한다(S10). 이때, 일정시간당 에너지 소비량은 범위로 설정한다. 예를 들어, 초당 0.5cal 내지 1cal의 에너지를 소비하도록 에너지 소비량을 설정한다. 그러면, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 이용자가 설정한 에너지 소비량의 범위에 따라 이용자가 소비하여야 하는 에너지 즉, 일정시간당 예를 들어 초당 요구 운동량의 범위를 계산한다(S20). 이때, 요구 운동량은 칼로리와 에너지(J)의 관계식 1cal=4.185J부터 구할 수 있다.
그런 다음, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 운동량 계산부(120)가 계산하는 이용자의 실시간 운동량이 이용자의 설정에 의한 요구 운동량의 범위에 포함되는가를 판단한다(S30). S30에서의 판단 결과, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위에 포함되면, 이용자가 일정한 힘으로 운동하고 있다라고 판단하여 S10으로 리턴한다. 하지만, S30에서의 판단 결과, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위에 포함되지 않으면, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위보다 큰가를 판단한다(S40). S40의 판단 결과, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위보다 크면, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 이용자가 요구 범위 내의 운동량으로 운동할 수 있도록 모터(35)를 구동시킨다(S45). 다시 말해, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법은 이용자가 요구 범위를 초과하는 운동량으로 운동하고 있을 때는 에너지 소비량이 큰 오르막 등의 구간이라고 판단하고, 모터(35)를 구동시켜 이용자가 설정 범위를 초과하는 힘을 내지 않아도 되도록 한다. 그리고, S40의 판단 결과, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위보다 크지 않으면, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위보다 작은가를 판단한다(S50). S50의 판단 결과, 이용자의 실시간 운동량이 요구 운동량의 범위보다 작으면, 이용자가 요구 범위의 운동량으로 운동할 수 있도록 발전기(50)를 발전하여(S55) 주행 중인 자전거에 저항력을 인가한다. 다시 말해, 이용자가 요구 범위 미만의 운동량으로 운동하고 있을 때는 에너지 소비량이 작은 내리막 등의 구간이라고 판단하고, 발전기(50)를 발전하여 이용자가 요구 범위 미만의 힘을 내지 않도록 한다. 따라서, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 일반 도로를 주행하면서도 이용자가 설정한 일정한 힘으로 자전거를 주행할 수 있도록 한다.
그리고, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 개인별 건강 상태 등을 고려할 수도 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 시스템 제어부(100)에 개인별 건강 상태가 저장되는 개인별 건강 상태 저장부(170)와, 제2 비교부(135)를 더 포함하여, 운동량 계산부(120)에서 계산한 이용자의 현재 운동량과 개인별 건강 상태 저장부(170)에 저장된 건강 상태 정보를 제2 비교부(135)에서 비교한다. 비교 결과, 운동량 계산부(120)에서 계산한 이용자의 현재 운동량이 이용자에게 위해를 가할 수 있으면, 데이터 표시부(20)를 통하여 이를 경고한다. 예를 들어, 이용자의 심폐 상태가 10분 이상 10km/h 이상으로 자전거를 주행해서는 안되는 상태이면 이를 표시부(20)를 통하여 경고한다. 즉, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 개인별 건강 상태까지 고려하여 운동 및 건강 관리가 가능하다. 이때, 개인별 건강 상태 저장부(170)에 저장되는 개인별 건강 상태 정보는 직접 저장할 수도 있으나, 통신부(160)를 통하여 외부 예를 들어, 병원으로부터 수신도 가능하다. 또한, 본 발명의 운동 관리가 가능한 자전거 로봇은 저장된 이용자의 건강 상태 정보들을 바탕으로 이용자가 경사도가 큰 경로를 주행하는 등의 급격한 운동을 할 수 없는 경우에 모터(35)를 구동시켜 자전거가 전기를 동력으로 주행하도록 할 수도 있다.
본 발명은 자전거에 적용되어 자전거 이용자의 운동을 관리하는 자전거 로봇에 관한 것으로, 산업상 이용 가능성이 있다.
2 : 안장 4 : 바퀴
6 : 핸들 8 : 스트로켓
10 : 체중 측정 센서 11 : 기울기 측정 센서
12 : 홀센서 13 : 이용자 지정 입력부
20 : 데이터 표시부 30 : 모터 구동부
32 : 비교부, 제1 비교부 35 : 모터
40 : 에너지 저장부 50 : 발전기
100 : 시스템 제어부 110 : 데이터 입력부
120 : 운동량 계산 130 : 운동량 관리부
135 : 제2 비교부 140 : 개인별 운동 습관 저장부
150 : 개인별 운동량 저장부 160 : 통신부
170 : 개인별 건강 상태 저장부

Claims (9)

  1. 이용자의 체중을 측정하는 체중 측정 센서와;
    주행 중인 자전거가 오르막 또는 내리막을 주행할 때, 오르막 또는 내리막과 자전거가 이루는 기울기 각도를 측정하는 기울기 측정 센서와;
    주행 중인 자전거 바퀴의 초당 회전 속도를 측정하는 홀센서와;
    상기 센서들에 의해 측정되는 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하고 관리하는 시스템 제어부와;
    상기 시스템 제어부가 출력하는 데이터를 표시하는 데이터 표시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자전거의 스프로켓과 체인 연결되며, 상기 시스템 제어부로부터의 제어 신호에 따라 구동되는 모터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇.
  3. 청구항 1 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 센서들에 의해 측정되는 데이터를 수신하는 데이터 입력부와;
    상기 데이터 입력부가 출력하는 상기 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하는 운동량 계산부와;
    상기 운동량 계산부가 출력하는 데이터를 이용하여 이용자의 운동량을 관리하는 운동량 관리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 운동량 계산부는,
    상기 이용자의 체중과 자전거의 무게를 합한 값인 전체 무게, 중력가속도, 자전거가 주행한 높이의 변화량, 자전거의 속도를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    자전거의 주행 초기 자전거를 이용하는 이용자를 지정할 수 있는 이용자 지정 입력부와;
    상기 운동량 관리부가 출력하는 데이터를 개인별로 저장하는 개인별 운동량 저장부와;
    상기 운동량 관리부가 출력하는 개인별 데이터로부터 그 패턴을 정리 저장하는 개인별 운동 습관 저장부와;
    상기 운동량 관리부에서 관리하는 데이터를 통신망을 통하여 송신하거나, 통신망을 통하여 수신되는 정보들을 상기 운동량 관리부에 입력하는 통신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇.
  6. 청구항 2에 있어서,
    자전거 바퀴의 회전을 동력으로 전기를 발생시키는 발전기와;
    상기 발전기가 발전한 전기를 저장하고 저장한 전기를 공급하는 에너지 저장부와;
    상기 시스템 제어부로부터의 제어신호에 따라 상기 모터를 구동시키는 모터 구동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇.
  7. 일정시간당 에너지 소비량을 설정하는 단계와;
    상기 설정된 에너지 소비량에 따른 요구 운동량을 계산하는 단계와;
    이용자의 체중과 자전거의 무게를 합한 값인 전체 무게, 중력가속도, 자전거가 주행한 높이의 변화량, 자전거의 속도를 이용하여 이용자의 운동량을 계산하는 단계와;
    상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량을 초과하는가를 판단하는 단계와;
    상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량을 초과하면, 상기 자전거의 스프로켓과 체인 연결된 모터를 구동시키는 단계와;
    상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량을 초과하지 않으면, 상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량 미만인가를 판단하는 단계와;
    상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량 미만이면, 발전기를 발전하여 상기 자전거의 저항력을 증가시키는 단계를 포함하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 일정시간당 에너지 소비량은 범위로 설정 가능하며, 상기 일정시간당 에너지 소비량은 범위로 설정하면, 상기 요구 운동량은 범위로 계산되는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량의 범위에 포함되는가를 판단하는 단계와;
    상기 계산한 이용자의 운동량이 상기 요구 운동량의 범위에 포함되면, 상기 일정시간당 에너지 소비량을 설정하는 단계로 리턴하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운동 관리가 가능한 자전거 로봇의 구동방법.
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