WO2014133245A1 - 운동기구의 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

운동기구의 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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    • G09B19/00—Teaching not covered by other main groups of this subclass
    • G09B19/003—Repetitive work cycles; Sequence of movements

Definitions

  • the present invention relates to an energy consumption measuring apparatus and a measuring method, and more particularly, by mounting an acceleration sensor on the link rotation axis of the auto weight lifting device that strengthens muscle strength by using the weight of the exerciser himself, the acceleration sensor is not translated by the joint
  • the present invention relates to an energy consumption measuring apparatus and a measuring method of an exercise apparatus that accurately measures the amount of exercise consumed by an exercise apparatus user as a structure for measuring the rotation angle of the apparatus.
  • the outdoor strength exercise equipment is designed to exercise the strength using the weight of the user, the approximate energy consumption of the strength exercise can be indirectly measured using the difference in the positional change of the center of gravity of the user.
  • the energy consumption is indirectly measured by the change of the position energy calculated using the change of the position of the center of the user's weight.
  • the change in the center of gravity of the weight can be measured using various sensors, one of which is the position sensor.
  • the amount of energy consumed by the user may be estimated by measuring the change in the position energy.
  • the position sensor has a problem that has to be attached directly to the center position of the user's weight and there is a problem that may interfere with the user's movement.
  • An object of the present invention is to install the acceleration sensor on the link rotation axis of the auto weight lifting device to strengthen the muscle strength by using the weight of the exerciser himself as a structure to measure the rotation angle of the joint without the acceleration sensor is translated by the exercise equipment user It is to provide an energy consumption measuring device and a measuring method of an exercise device for precisely measuring a momentum.
  • the object of the present invention is to measure the acceleration of gravity in the X-axis and Y-axis direction of the acceleration sensor during the user's muscle exercise, the acceleration sensor installed in the muscle exercise apparatus; (b) a signal transmission unit receiving the gravity acceleration value and transmitting the same to the management server; (c) receiving, by the management server, the gravity acceleration value and calculating strength exercise energy consumption using predetermined information of the strength exercise equipment and predetermined information of the user; And (d) is solved by providing a method for measuring the energy consumption of the exercise equipment comprising the step of providing the calculated energy consumption to the user terminal by the management server.
  • the energy consumption measuring device for measuring the exercise consumption of the user, an acceleration sensor installed in the muscle exercise equipment for measuring the acceleration of gravity in the X-axis and Y-axis direction during the user's strength exercise; A signal transmitter which receives and transmits the measured gravity acceleration value; A management server that receives the gravity acceleration value from the signal transmission unit and calculates muscle strength exercise energy consumption by using the stored predetermined information of the exercise equipment and the user's predetermined information; And it is solved by providing an energy consumption measuring device of the exercise equipment comprising a user terminal for receiving the energy consumption from the management server.
  • the self-weight exercise apparatus that uses the weight of the user to exercise strength by themselves, by installing the measuring device on the exercise equipment without directly attached to the user's body, does not interfere with the user's exercise Ease of use is improved.
  • the present invention by mounting the acceleration sensor, the core configuration of the measuring device to the joint of the rotation axis of the link, to prevent the translation of the acceleration sensor to improve the accuracy of the acceleration measured, thereby reducing the amount of motion error is calculated significantly You can.
  • the present invention uses a significantly cheaper acceleration sensor than the position sensor, the productivity of the product is improved and the manufacturing cost is reduced.
  • the present invention can be easily installed in an exercise equipment or a general household exercise equipment installed in a park or a playground.
  • FIG. 1 is a state diagram of the use of a self-powered exercise device is installed energy consumption measuring apparatus of the exercise apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of the energy consumption measuring device of the exercise apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for measuring energy consumption of an exercise device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the detailed operation of step S300 of the flowchart shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating components of acceleration measured by an acceleration sensor of an energy consumption measuring apparatus of an exercise device according to the present invention by dividing an X-axis and a Y-axis component.
  • FIG. 1 is a state diagram of the use of a self-powered exercise device is installed energy consumption measuring apparatus of the exercise apparatus according to the present invention.
  • the energy consumption measuring apparatus 100 of an exercise device is mounted on a so-called auto weight exercise machine that uses a weight of an exercise device user to exercise strength.
  • a so-called auto weight exercise machine that uses a weight of an exercise device user to exercise strength.
  • an exercise device that performs upper body exercise by pulling or pushing using its own body weight is referred to as a chest press or a whole body weight exercise machine, but will be described below as a self-weight exercise machine.
  • the energy consumption measuring apparatus 100 of the exercise device of the present invention is an acceleration sensor for measuring the acceleration of gravity in the X-axis and Y-axis direction in order to measure the change in the rotation angle of the first link 13 during the muscular exercise ( 120), the signal acceleration unit 140 for receiving the measured gravity acceleration value of each axial direction and transmitting to the management server 200, the gravity acceleration value of each axis measured from the signal transmission unit 140 and stored previously It is composed of a management server 200 for calculating strength exercise energy consumption using the information of the exercise equipment and the user information, and a user terminal 300 for receiving the energy consumption from the management server 200.
  • the X axis and the Y axis are reference axes for component decomposition of the acceleration measured by the coordinate axes orthogonal to each other.
  • the strength exercise device is preferably a self-weight exercise device that changes the position of the center of gravity of the user by using the weight exercise of the user's own weight, and is connected to the first joint 12 on one side of the strength exercise
  • the first link 13 that rotates about the first joint 12 as a central axis and the second joint 14 that is connected to the other side of the first link 13 and rotates together with the first link 13 during the muscle exercise.
  • the auto weight lifting machine is composed of a plurality of links (13, 15, 17) and joints (12, 14, 16) formed at each link end, in particular formed on the body of the exercise machine so as not to move up, down, left and right
  • the acceleration sensor 120 is mounted at the position of the first joint 12. That is, the acceleration sensor 120 is coupled to the first joint 12 which does not have a position change during the strength exercise, and measures the rotation angle of the first link 13 without the translational movement even in the strength exercise of the user.
  • (a) is a state before the user exercises strength training
  • (b) shows a state immediately after the user exercises strength training.
  • the first link 13 rotates with the center of rotation of the first joint 12 formed at one end thereof.
  • the acceleration sensor 120 since the acceleration sensor 120 is mounted on the first joint 12, the acceleration sensor 120 does not move up, down, left, or right even in the user's muscle movement, and measures the angle ⁇ at which the first link 13 is rotated.
  • the acceleration sensor 120 since the acceleration sensor 120 does not perform translational movement, only the acceleration of gravity is measured except for the acceleration of movement, and the acceleration values A x and A y of each axis according to the rotation of the acceleration sensor 120.
  • the rotational angle of the acceleration sensor 120 may be calculated by measuring the amount of change in.
  • the rotation angle of the acceleration sensor 120 is equal to the rotation angle ⁇ of the first link 13, from which the height change of the center of gravity of the exerciser can be calculated.
  • the conventional acceleration sensor has a problem of measuring a movement acceleration as the sensor itself moves and integrating the measured movement acceleration value twice to calculate a movement change, thereby causing a high measurement error. It is a structure that calculates the height change of the center of gravity of the exerciser by fixing the position of and measuring only the acceleration of gravity. That is, in the present invention, since the acceleration sensor 120 does not measure the movement acceleration, it is not necessary to calculate the movement change value by the integral, thereby removing noise in the result value, and the calculated momentum data also has high reliability.
  • the exercise amount measuring device of the present invention has a structure in which the acceleration sensor 120 is mounted on the exercise device, thereby increasing the convenience of the bar that does not need to be attached to the user's body. It can be installed on a barbell.
  • FIG. 2 is a block diagram of the energy consumption measuring device of the exercise apparatus according to the present invention.
  • the self-weight exercise machine includes a plurality of joints (12, 14, 16), a plurality of links (13, 15, 17), the energy consumption measuring device of the exercise device according to the present invention ( 100 includes an acceleration sensor 120 and a signal transmitter 140, and is connected to the management server 200 and the user terminal 300.
  • the strength training apparatus 10 includes a plurality of joints 12, 14, 16, and a plurality of links 13, 15, 17, in this embodiment, wherein the user has no position change during the strength training.
  • 1 joint 12 is connected to the other side of the first link 13 and the first link 13 which is connected to the first joint 12 at one side and rotates about the first joint 12 as a central axis during the muscular exercise.
  • the second joint 14 rotates together with the first link 13 during the strength exercise will be described.
  • the first link 13 is rotated by an angle while the user rotates the muscles by coinciding with the rotation center axis of the first joint 12. Therefore, in the multi-link rigid body model, the height change value and the position energy change amount of the weight center 20 may be calculated using only the angular information of the link having no length change between two or more joints.
  • the acceleration sensor 120 is positioned at one end of the first link 13 such that the central axis coincides with the rotational central axis of the first link 13 connected to the first joint 12 having no change in the position of the muscular exercise device. Is installed.
  • the height change value of the center of gravity 20 during the strength exercise by the user is an approximation value having almost no error with the height change value of the second joint 14 having the position change during the strength exercise, and may be assumed to be substantially the same value. have.
  • the multi-link model When the user enters the state immediately after the strength exercise as shown in FIG. 1 (b) from the state before the strength exercise in FIG. 1 (a), as shown in FIG. 2 (b), the multi-link model includes the second joint 14. Rises by ⁇ h height from the ground, and the first link 13 rotates by ⁇ angle in the ground.
  • the energy consumption measuring apparatus 100 measures the respective gravity acceleration values of the acceleration sensor 120 in the X-axis and Y-axis directions during the rotational movement of the first link 13 in the acceleration sensor 120, and the signal transmitter 140 transmits the measured gravity acceleration value to the management server 200 using a wireless communication network.
  • the signal transmission unit 14 is a receiving means for transmitting the measured gravity acceleration value to the management server 200, the signal transmission unit 14 may transmit and receive information using a wired or wireless communication network.
  • the management server 200 receives the gravity acceleration value from the energy consumption measuring device 100 and calculates the rotation angle of the first link 13 from the gravity accelerations A x and A y in the X-axis and Y-axis directions, Muscle strength energy consumption is calculated using the stored length of the first link 13 and the weight of the user, and the calculated energy consumption is transmitted to the user terminal 300.
  • the user terminal 300 receives the energy consumption calculated from the management server 200 using a wireless communication network and displays it on the screen.
  • Figure 3 is a flow chart of the energy consumption measurement method of the exercise equipment according to the present invention
  • Figure 5 shows the acceleration by the acceleration sensor of the energy consumption measuring device of the exercise equipment according to the present invention divided by the X-axis and Y-axis components It is a city.
  • the muscular exercise using the muscular exercise device 10 can be modeled as a multi-link rigid body motion as shown in FIG.
  • the acceleration sensor 120 installed on the first joint 12 of the muscular exercise device 10 is the X axis and Y of the changed acceleration sensor 120 due to the rotational movement of the first link 13 immediately after the muscular exercise.
  • the gravity acceleration (A x , A y ) component values in the axial direction are respectively measured (S100).
  • One end of the first link 13 is fixed to the body of the exercise device and rotates about the first joint 12, and the acceleration sensor 120 is mounted on the first joint 12 that does not translate. Therefore, only the gravity acceleration value of the acceleration sensor 120 can be measured, and the rotation angle calculated based on this can reduce the error.
  • the acceleration sensor 120 does not translate, but only rotates, and accordingly, the X and Y axes of the acceleration sensor 120 are also rotated.
  • the size of (A x , A y ) changes, and the rotation angle of the first link 13 may be calculated using the X and Y axis acceleration values A x and A y changed in this way.
  • the signal transmission unit 140 receives the gravity acceleration g from the acceleration sensor 120 and transmits it to the management server 200 (S200). At this time, the signal transmission unit 140 may be replaced with a general signal transmission unit, and serves to transmit the measurement value to the management server.
  • the management server 200 provides the calculated amount of energy consumed by the user to the user terminal 300 of the user.
  • the user terminal 300 is a representative embodiment of means for recognizing a user's exercise amount to a user using the exercise equipment, and may be replaced with another display device or a device such as a mobile phone or a notebook receiving a signal.
  • the user terminal 300 receives the energy consumption calculated from the management server 200 using a wireless communication network to display on the screen to check the amount of energy consumed by the user during the strength training (S400) .
  • FIG. 4 is a flowchart showing the detailed operation of step S300 of the flowchart shown in FIG. 3.
  • the management server 200 receives gravity acceleration (A x , A y ) component values of the acceleration sensor 120 measured in the signal transmitter 140 in the X-axis and Y-axis directions, and gravity Using the X-axis component and the Y-axis component of the acceleration (g) to calculate the rotated angle ( ⁇ ) of the first link 13 immediately after the muscle exercise according to the following [Equation 1] (S310) .
  • the management server may receive the measurement value in other ways than the wireless communication network.
  • the acceleration sensor 120 rotates together with the first link 13
  • the component of the gravitational acceleration g measured in each axis changes as the axial direction of the acceleration sensor 120 changes.
  • the rotated angle ⁇ of the first link 13 may be calculated.
  • ⁇ represents the rotated angle of the first link 13
  • a x represents the X-axis direction component of gravity acceleration g
  • a y represents the Y-axis direction component of gravity acceleration g.
  • the gravitational accelerations A x and A y of the axial directions of the acceleration sensor 120 are measured based on the X and Y axes, which are orthogonal coordinate axes, and the first link (Equation 1) is used.
  • the rotation angle ⁇ of 13) can be calculated.
  • the management server 200 uses the calculated angle of rotation ⁇ of the first link 13 and the length value l of the pre-stored first link 13. 2] immediately after the strength exercise, the height ( ⁇ h) of the second joint 14, that is, the position change value of the center of gravity of the user 20 is calculated (S320).
  • l represents the length of the first link 13
  • ⁇ h represents the elevated height of the second joint 14 immediately after the muscle exercise. That is, a second second end formed on the other end of the first link 13 using the preset length l of the first link 13 and the rotation angle ⁇ of the first link 13 calculated in step S310.
  • the height change amount ⁇ h of the joint 14 is calculated.
  • the height change amount ⁇ h of the second joint 14 may be estimated as the change amount of the center of gravity of the user, and in addition, the user's weight may be applied by applying the length of the first link 13 or other error coefficients.
  • the center position change amount can be calculated.
  • the management server 200 After the step (S320), the management server 200 by using the calculated height ( ⁇ h) of the second joint 14 and the weight value of the user (mg) previously stored in the following [Equation 3] Accordingly, the positional energy change amount ⁇ Ep of the second joint 14 immediately after the muscle strength exercise, that is, the positional energy change amount value of the user is calculated (S330).
  • the positional energy change amount ⁇ Ep of the second joint 14 may be estimated as the positional energy change amount of the user, and in addition to this, by using the user's weight amount value mg or the user's height as additional information, The amount of energy change can be calculated.
  • m ⁇ g represents the weight value of the user
  • ⁇ h represents the elevated height of the second joint 14 immediately after the strength exercise.
  • Management server 300 is a device for calculating the energy consumption, the X axis of the acceleration sensor measured through a dynamic mechanism rather than an integral as in [Equation 1], [Equation 2] and [Equation 3] And using the gravitational acceleration (A x , A y ) in the Y-axis direction to measure the change in the center of gravity of the user, and calculate the amount of exercise consumed by the user. Due to the calculation method of not integrating the measured acceleration twice, the noise of the calculated energy change amount can be significantly removed, and thus the present invention can obtain a more reliable momentum than the conventional momentum measuring device.
  • the energy consumption measuring method of the muscular exercise equipment is installed by the low-cost acceleration sensor 120 in the muscular exercise equipment and X-axis and Y of the acceleration sensor measured during the muscular exercise using the multi-link rigid body modeling
  • the muscle exercise energy consumption is provided to the user terminal 300.

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Abstract

본 발명은 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동자 스스로의 몸무게를 이용하여 근력을 강화시키는 자가역기 근력장치의 링크 회전축에 가속도센서를 장착하여 가속도센서가 병진운동되지 않고 조인트의 회전각을 측정하는 구조로써 운동기구 사용자가 소모한 운동량을 정밀하게 측정하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

Description

운동기구의 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법
본 발명은 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동자 스스로의 몸무게를 이용하여 근력을 강화시키는 자가역기 근력장치의 링크 회전축에 가속도센서를 장착하여 가속도센서가 병진운동되지 않고 조인트의 회전각을 측정하는 구조로써 운동기구 사용자가 소모한 운동량을 정밀하게 측정하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
최근에 사회 고령화와 더불어 노년층의 복지 및 건강관리에 대한 다양한 사회시설의 확충이 필요한 가운데 공원을 포함한 공공장소에 대한 야외 근력 운동기구의 설치가 일반화 되고 있는 추세이다.
이러한 야외 근력 운동기구를 사용할 경우 사용자가 보다 효율적인 건강관리를 위해 사용시 본인의 칼로리 소모량을 측정할 필요가 있다.
야외 근력 운동기구는 사용자의 몸무게를 이용한 근력운동을 하도록 설계되어 있기 때문에 근력 운동시에 대략적인 사용자의 에너지 소모량은 사용자 몸무게 중심의 위치변화의 차이를 이용하여 간접적으로 측정할 수 밖에 없다.
실제로 근력 운동시에 사용자가 소모하는 에너지의 양은 정확한 측정이 어렵기 때문에 사용자 몸무게의 중심의 위치 변화를 이용하여 산출되는 위치 에너지의 변화로 에너지 소모량을 간접적으로 측정하게 된다.
이 때, 몸무게 무게 중심의 변화는 다양한 센서를 이용하여 측정할 수 있는데, 그 중에 한 방법으로서 위치 센서를 이용하는 경우가 있다.
즉, 위치 센서를 사용자의 몸무게 위치에 부착시키고 몸무게 위치의 변화를 측정하면 위치 에너지의 변화를 측정하여 사용자의 소모되는 에너지의 양을 추정할 수 있다.
하지만, 대부분의 위치 센서는 가격이 일반 야외 운동기구 가격을 초과하기 때문에 위치 센서를 이용하여 사용자의 소모 에너지의 양을 측정하는 것은 현실성이 없다.
또한, 위치 센서는 사용자의 몸무게 중심 위치에 직접 부착해야 하는 번거로움이 있고 사용자의 운동에 방해가 될 수 있는 문제점도 있다.
본 발명의 목적은 운동자 스스로의 몸무게를 이용하여 근력을 강화시키는 자가역기 근력장치의 링크 회전축에 가속도센서를 장착하여 가속도센서가 병진운동되지 않고 조인트의 회전각을 측정하는 구조로써 운동기구 사용자가 소모한 운동량을 정밀하게 측정하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 (a) 근력 운동기구에 설치된 가속도 센서가 사용자의 근력 운동시 가속도 센서의 X축 및 Y축 방향의 중력가속도값을 측정하는 단계; (b) 신호전송부가 상기 중력 가속도값을 인가받아 관리 서버에 전송하는 단계; (c) 상기 관리 서버가 상기 중력 가속도값을 전송받아 기 저장된 상기 근력 운동기구의 소정의 정보 및 사용자의 소정의 정보를 이용하여 근력 운동 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 관리 서버가 상기 산출된 에너지 소모량을 사용자 단말기에 제공하는 단계를 포함하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법을 제공함으로써 해결되는 것이다.
또한, 사용자의 운동 소모량을 측정하는 에너지 소모량 측정 장치에 있어서, 근력 운동기구에 설치되어 사용자의 근력 운동시 X축 및 Y축 방향의 중력가속도값을 측정하는 가속도 센서; 측정된 상기 중력 가속도값을 수신하고 전송하는 신호전송부; 상기 신호전송부로부터 상기 중력 가속도값을 수신하고, 저장된 상기 근력 운동기구의 소정의 정보 및 사용자의 소정의 정보를 이용하여 근력 운동 에너지 소모량을 산출하는 관리 서버; 및 상기 관리 서버로부터 상기 에너지 소모량을 수신하는 사용자 단말기를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치를 제공함으로써 해결되는 것이다.
본 발명에 의할 경우, 사용자의 몸무게를 스스로 이용하여 근력운동하는 자가역기 방식의 운동기구에 있어서 사용자의 신체에 직접 부착하지 않고 운동기구에 측정장치를 설치함으로써, 사용자의 운동에 방해가 되지 않아 사용의 편의성이 향상된다.
또한, 본 발명은 측정장치의 핵심구성인 가속도 센서를 링크의 회전축인 조인트에 장착함으로써, 가속도 센서의 병진이동을 방지하여 측정되는 가속도의 정확도를 향상시켰으며, 그에 따라 산출되는 운동량 오차를 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 위치 센서에 비해 현저히 저렴한 가속도 센서를 사용하므로 제품의 생산성이 향상되고 제조단가를 감소시켰으며, 특히 공원이나 놀이터 등에 설치된 운동기구 또는 일반 가정용 운동기구에도 부담없이 설치될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치가 설치된 자가 역기에 관한 사용상태도이다.
도 2는 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정방법의 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시한 순서도 중 단계(S300)의 세부적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치의 가속도센서가측정하는 가속도를 X축 및 Y축 성분을 나누어 성분표시한 도시도이다.
*도면 중 주요 부호에 대한 설명*
10: 근력 운동기구 20: 몸무게 중심
12, 14, 16: 조인트 13, 15, 17: 링크
100: 에너지 소모량 측정장치 120: 가속도 센서
140: 신호전송부 200: 관리 서버
300: 단말기
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 근력 운동기구의 에너지 소모량 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치가 설치된 자가 역기에 관한 사용상태도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치(100)는 운동기구 사용자 자신의 몸무게를 이용하여 근력운동을 하는 일명 자가역기 근력운동기구에 장착된다. 상기와 같이 자신의 신체 중량을 이용하여 당기거나 미는 동작으로 상체운동을 하는 운동기구는 체스트프레스 또는 온몸역기 등으로 명칭되나, 이하에서는 자가역기 근력운동기구로 통칭하여 설명한다.
다시 말해, 본 발명의 운동기구의 에너지 소모량 측정장치(100)는 근력운동 시 제1 링크(13)의 회전각 변화를 측정하기 위하여 X축 및 Y축방향의 중력 가속도값을 측정하는 가속도 센서(120), 측정된 각 축방향의 중력 가속도값을 수신하고 관리 서버(200)로 전송하는 신호전송부(140), 신호전송부(140)로부터 측정된 각 축의 중력 가속도값을 수신하고 기저장된 근력 운동기구의 정보 및 사용자의 정보를 이용하여 근력 운동에너지 소모량을 산출하는 관리 서버(200), 관리서버(200)로부터 에너지 소모량을 수신하는 사용자 단말기(300)로 구성된다.
이 때, X축 및 Y축은 서로 직교하는 좌표축으로 측정된 가속도를 성분분해하는 기준축이다.
이 때, 근력 운동기구는 사용자 자신의 몸무게를 이용하여 근력운동을 하여 사용자의 무게중심의 위치가 변화하는 자가역기 근력운동기구일 경우 바람직하며, 일측에 제1 조인트(12)와 연결되어 근력 운동시 제1 조인트(12)를 중심축으로 하여 회전하는 제1 링크(13) 및 제1 링크(13)의 타측에 연결되어 근력 운동시 제1 링크(13)와 함께 회전하는 제2 조인트(14)를 포함한다.
구체적으로, 자가역기 근력운동기구는 복수개의 링크(13, 15, 17)와 각각의 링크 끝단에 형성된 조인트(12, 14, 16)로 구성되고, 특히 상하좌우로 이동되지 않도록 운동기구 몸체에 형성된 제1 조인트(12) 위치에 가속도 센서(120)가 장착되어 있다. 즉, 가속도 센서(120)는 근력운동시 위치 변화가 없는 제1조인트(12)에 결합되어, 사용자의 근력운동에도 병진운동없이 제1 링크(13)의 회전각을 측정하는 구조이다.
도 1을 참조하면, (a)는 사용자가 근력 운동하기 전의 상태이고, (b)는 사용자가 근력 운동을 한 직후의 상태를 나타낸다. 사용자가 근력운동을 함으로써 제1 링크(13)는 일단에 형성된 제1 조인트(12)를 회전중심으로하여 회전한다. 이 때, 가속도 센서(120)는 제1 조인트(12)에 장착되어 있기 때문에 사용자의 근력운동에도 상하좌우로 이동되지 않고, 제1 링크(13)가 회전된 각도(θ)를 측정한다.
상기와 같은 구조로 인하여, 가속도 센서(120)는 병진운동을 하지 않으므로운동가속도를 제외하고 중력 가속도만 측정할 수 있으며, 가속도 센서(120)의 회전에 따른 각 축의 가속도 값(Ax, Ay)의 변화량을 측정하여 가속도 센서(120)의 회전각을 산출할 수 있다. 가속도 센서(120)의 회전각은 제1 링크(13)의 회전각(θ)과 같으며, 이로부터 운동자의 무게중심 높이변화를 산출할 수 있다.
이와 같이 기존의 가속도 센서는 센서 자체가 이동되면서 운동가속도를 측정하고 측정된 운동가속도값을 2번 적분하여 이동변화량을 산출하므로 높은 측정오차가 발생되는 문제점이 있으나, 본 발명은 가속도 센서(120)의 위치를 고정시키고 중력가속도만을 측정하여 운동자의 무게중심 높이변화를 산출하는 구조로 측정오차가 거의 발생되지 않는다. 즉, 본 발명은 가속도 센서(120)가 운동가속도를 측정하지 않는 구조로써 적분으로 이동변화값을 산출할 필요가 없어 결과값의 노이즈 발생을 제거하였고, 산출된 운동량 데이터 역시 높은 신뢰성을 가진다.
게다가, 본 발명의 운동량 측정장치는 가속도 센서(120)가 운동기구에 장착되는 구조이므로, 사용자의 신체에 부착할 필요가 없는 바 편의성을 증대시켰고, 특히 근력운동으로 사용자의 무게중심이 이동되는 자가역기 운동기구에 설치될 수 있다.
게다가, 기존의 운동장치에 사용되던 고가의 위치센서가 아닌 저가의 가속도 센서를 사용하여 사용자의 무게중심 위치변화를 정확하게 측정할 수 있으므로, 측정장치의 제조단가를 현저히 감소시킬 수 있어 일반적인 운동장치에 대중적으로 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 자가 역기 운동기구는 복수개의 조인트들(12, 14, 16), 복수개의 링크들(13, 15, 17)를 포함하고, 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정 장치(100)는 가속도 센서(120) 및 신호전송부(140)를 구비하며, 관리 서버(200) 및 사용자 단말기(300)와 접속되어 있다.
(a)는 사용자가 근력 운동하기 전의 상태이고, (b)는 사용자가 근력 운동을 한 직후의 상태를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 근력 운동기구의 에너지 소모량 측정 시스템의 각 구성요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.
근력 운동기구(10)는 복수개의 조인트들(12, 14, 16, ) 및 복수개의 링크들(13, 15, 17,)을 구비하는데, 본 실시예에서는 사용자가 근력 운동 중에 위치 변화가 없는 제1 조인트(12)와 일측에 제1 조인트(12)와 연결되어 근력 운동시 제1 조인트(12)를 중심축으로 하여 회전하는 제1 링크(13) 및 제1 링크(13)의 타측에 연결되어 근력 운동시 제1 링크(13)와 함께 회전하는 제2 조인트(14)를 위주로 설명한다.
제1 링크(13)는 제1 조인트(12)와 회전 중심축이 일치되어 사용자가 근력 운동을 하는 동안 일정 각도만큼 회전한다. 따라서, 다절 링크 강체 모델에서 두 개 이상의 조인트들 간의 길이 변화가 없는 링크(link)의 각도 정보만을 이용하여 몸무게 중심(20)의 높이 변화값 및 위치 에너지 변화량을 산출할 수 있다.
이를 위하여 가속도 센서(120)는 중심축이 근력 운동 기구의 위치 변화가 없는 제1 조인트(12)에 연결된 제1 링크(13)의 회전 중심축과 일치하도록 하여 제1 링크(13)의 일단에 설치된다. 또한, 사용자가 근력 운동시 몸무게 중심(20)의 높이 변화값은 근력 운동시 위치 변화가 있는 제2 조인트(14)의 높이 변화값과 오차가 거의 없는 근사값으로써, 실질적으로 동일한 값으로 가정할 수 있다.
사용자가 도 1(a)의 근력 운동하기 전의 상태에서 도 1(b)와 같이 근력 운동을 한 직후의 상태가 되면, 도 2(b)에서 보는 바와 같이 다절 링크 모델은 제2 조인트(14)가 지면에서 △h 높이만큼 상승하고, 제1 링크(13)는 지면에서 θ각도 만큼 회전한다.
에너지 소모량 측정 장치(100)는 가속도 센서(120)에서 제1 링크(13)의 회전운동시 가속도 센서(120)의 X축 및 Y축방향에 대한 각각의 중력 가속도값을 측정하고, 신호전송부(140)가 측정된 중력 가속도값을 무선 통신망을 이용하여 관리 서버(200)에 전송한다. 이 때, 신호전송부(14)는 측정된 중력 가속도값을 관리서버(200)로 전송하는 수신수단으로써, 신호전송부(14)는 유선 또는 무선 통신망을 이용하여 정보를 송수신할 수 있다.
관리 서버(200)는 에너지 소모량 측정 장치(100)로부터 중력 가속도값을 전송받아 X축 및 Y축 방향의 중력가속도(Ax, Ay)로부터 제1 링크(13)의 회전각을 산출하고, 기 저장된 제1 링크(13)의 길이 및 사용자의 체중량을 이용하여 근력 운동 에너지 소모량을 산출하고, 산출된 에너지 소모량을 사용자 단말기(300)에 전송한다.
관리 서버(200)가 사용자의 근력 운동 에너지 소모량을 산출하는 상세한 과정에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
사용자 단말기(300)는 무선 통신망을 이용하여 관리 서버(200)로부터 산출된 에너지 소모량을 전송받아 화면에 디스플레이한다.
도 3은 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정방법의 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정장치의 가속도센서가측정하는 가속도를 X축 및 Y축 성분을 나누어 성분표시한 도시도이다.
도 1 내지 도 3 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 운동기구의 에너지 소모량 측정방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 사용자의 몸이 일종의 강체라고 가정하면, 근력 운동기구(10)를 이용한 근력운동은 도 2에서 보는 바와 같이 다절 링크(multi-link) 강체 운동(Rigid body motion)으로 모델링할 수 있다.
근력 운동기구(10)의 제1 조인트(12) 상에 설치된 가속도 센서(120)는 근력 운동을 한 직후에 제1 링크(13)의 회전운동으로 인한 변화된 가속도 센서(120)의 X축 및 Y축 방향의 중력 가속도(Ax, Ay) 성분값을 각각 측정한다(S100).
제1 링크(13)는 운동기구의 몸체에 일단이 고정되고, 제1 조인트(12)를 중심으로 회전하는 구조로, 병진운동하지 않는 제1 조인트(12)에 가속도 센서(120)가 장착되기 때문에 가속도 센서(120)의 중력 가속도값만 측정할 수 있고, 이를 기초로 산출되는 회전각을 오차를 감소시킬 수 있다. 다시 말해, 사용자의 운동기구 조작 시 가속도 센서(120)가 병진운동되지 않고 회전운동만 하고, 그에 따라 가속도 센서(120)의 X축 및 Y축도 회전되므로 각각의 X축 및 Y축성분의 중력 가속도(Ax, Ay)크기가 변하게 되고, 이와 같이 변화된 X축 및 Y축 중력 가속도 값(Ax, Ay)을 이용하여 제1 링크(13)의 회전각을 산출해낼 수 있다.
신호전송부(140)가 가속도 센서(120)로부터 중력 가속도(g)를 인가받아 관리 서버(200)에 전송한다(S200). 이 때, 신호전송부(140)는 일반적인 신호전송부로 대체될 수 있으며, 관리서버로 측정값을 전송하는 역할을 한다.
단계(S300) 이후, 관리 서버(200)는 산출된 사용자의 소모 에너지량을 사용자의 사용자 단말기(300)에 제공한다. 여기서 사용자 단말기(300)는 운동기구를 이용하는 자에게 자신의 운동량을 인식시킬 수 있는 수단 중 대표적인 실시예이며, 다른 디스플레이 장치나 신호를 전송받는 핸드폰, 노트북 등의 장치로 대체될 수 있다.
단계(S300) 이후, 사용자 단말기(300)는 무선 통신망을 이용하여 관리 서버(200)로부터 산출된 에너지 소모량을 전송받아 화면에 디스플레이하여 사용자로 하여금 근력운동시 소모한 에너지량을 확인시킨다(S400).
도 4는 도 3에 도시한 순서도 중 단계(S300)의 세부적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 관리 서버(200)는 신호전송부(140)로부터 측정된 가속도 센서(120)의 X축 및 Y축 방향의 중력 가속도(Ax, Ay) 성분값을 전송받고, 중력 가속도(g)의 X축 방향 성분과 Y축 방향 성분을 이용하여 다음의 [수학식 1]에 따라 근력 운동을 한 직후 제1 링크(13)의 회전된 각도(θ)를 산출한다(S310). 이 때, 관리서버는 무선 통신망이 아닌 기타 다른 방식으로 측정값을 수신받을 수 있다.
다시 말해, 가속도 센서(120)가 제1 링크(13)와 함께 회전하면 가속도 센서(120)의 축 방향이 변함에 따라 각 축에서 측정되는 중력 가속도(g)의 성분이 변하기 때문에 도 5에서 보는 바와 같이 중력 가속도(g)의 X축 방향 성분(Ax)과 Y축 방향 성분(Ay)의 변화량을 측정할 경우 제1 링크(13)의 회전된 각도(θ)를 산출할 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2013010482-appb-M000001
여기에서, θ는 제1 링크(13)의 회전된 각도, Ax는 중력 가속도(g)의 X축 방향 성분, Ay는 중력 가속도(g)의 Y축 방향 성분을 나타낸다. 다시 말해, 서로 직교하는 좌표축인 X축 및 Y축을 기준으로 가속도 센서(120)의 각 축방향의 중력 가속도(Ax, Ay)를 측정하고, [수학식 1]을 이용하여 제1 링크(13)의 회전각(θ)을 산출할 수 있다.
단계(S310) 이후, 관리 서버(200)는 산출된 제1 링크(13)의 회전된 각도(θ) 및 기 저장된 제1 링크(13)의 길이 값(l)을 이용하여 다음의 [수학식 2]에 따라 근력 운동을 한 직후 제2 조인트(14)의 상승된 높이(△h), 즉 사용자의 몸무게 중심(20) 위치 변화값을 산출한다(S320).
수학식 2
Figure PCTKR2013010482-appb-M000002
여기에서, l은 제1 링크(13)의 길이, △h는 근력 운동을 한 직후 제2 조인트(14)의 상승된 높이를 나타낸다. 즉, 기설정된 제1 링크(13)의 길이(l)와 단계(S310)에서 산출된 제1 링크(13)의 회전각(θ)을 이용하여 제1 링크(13)의 타단에 형성된 제2 조인트(14)의 높이 변화량(△h)을 산출한다. 이 때, 제2 조인트(14)의 높이 변화량(△h)을 사용자의 무게중심 위치 변화량으로 추정할 수 있고, 이에 추가하여 제1 링크(13)의 길이나 기타 오차계수를 적용하여 사용자의 무게중심 위치 변화량을 산출할 수 있다.
단계(S320) 이후, 관리 서버(200)는 산출된 제2 조인트(14)의 상승된 높이(△h) 및 기 저장된 사용자의 체중량 값(mg)을 이용하여 다음의 [수학식 3]에 따라 근력 운동을 한 직후 제2 조인트(14)의 위치 에너지 변화량(△Ep), 즉 사용자의 위치 에너지 변화량 값을 산출한다(S330). 이 때, 제2 조인트(14)의 위치 에너지 변화량(△Ep)을 사용자의 위치 에너지 변화량으로 추정할 수 있고, 이에 추가하여 사용자의 체중량 값(mg) 또는 사용자의 키를 추가적인 정보로 이용하여 에너지 변화량을 산출할 수 있다.
이는 곧 에너지 보존 법칙에 의해 사용자가 근력 운동 시 소모된 에너지량에 대응되므로 사용자의 근력 운동시 에너지 소모량으로 추정된다(S340).
수학식 3
Figure PCTKR2013010482-appb-M000003
여기에서, m×g는 사용자의 체중량 값, △h는 근력 운동을 한 직후 제2 조인트(14)의 상승된 높이를 나타낸다.
관리서버(300)는 에너지 소모량을 산출해 내는 장치로써, [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 와 같이 적분이 아닌 동역학적 메커니즘을 통해 측정된 가속도 센서의 X축 및 Y축 방향의 중력가속도(Ax, Ay)를 이용하여 사용자의 무게중심 위치 변화를 측정하고, 이로부터 사용자가 소모한 운동량을 산출한다. 측정된 가속도를 두 번 적분하지 않는 산출방식으로 인하여 산출된 에너지 변화량의 노이즈를 상당히 제거할 수 있어, 본 발명은 기존의 운동량 측정장치보다 신뢰성 있는 운동량을 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 근력 운동기구의 에너지 소모량 측정 방법은 근력 운동기구에 저가의 가속도 센서(120)를 설치하고 다절 링크 강체 운동 모델링을 이용하여 근력 운동시 측정되는 가속도 센서의 X축 및 Y축 방향의 중력가속도값(Ax, Ay)을 통하여 사용자의 위치 에너지 변화량을 산출함으로써 근력 운동 에너지 소모량을 사용자 단말기(300)에 제공한다.
이를 통하여 위치 센서에 비해 현저히 저렴한 가속도 센서(120)를 사용하므로 제품의 생산성이 향상되고, 사용자의 몸무게 중심 위치에 직접 부착할 필요가 없어 사용자의 운동에 방해가 되지 않아 사용의 편의성이 향상된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. (a) 근력 운동기구에 설치된 가속도 센서가 사용자의 근력 운동시 가속도 센서의 X축 및 Y축 방향의 중력가속도값을 측정하는 단계;
    (b) 신호전송부가 상기 중력 가속도값을 인가받아 관리 서버에 전송하는 단계;
    (c) 상기 관리 서버가 상기 중력 가속도값을 전송받아 기 저장된 상기 근력 운동기구의 소정의 정보 및 사용자의 소정의 정보를 이용하여 근력 운동 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 관리 서버가 상기 산출된 에너지 소모량을 사용자 단말기에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 근력 운동기구는,
    근력 운동시 위치 변화가 없는 제1 조인트;
    일측에 상기 제1 조인트와 연결되어 근력 운동시 상기 제1 조인트를 중심축으로 하여 회전하는 제1 링크; 및
    상기 제1 링크의 타측에 연결되어 근력 운동시 상기 제1 링크와 함께 회전하는 제2 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    상기 근력 운동기구의 소정의 정보 및 상기 사용자의 소정의 정보가 입력되는 단계가 이루어지고,
    상기 (c) 단계는
    상기 중력 가속도값을 이용하여 상기 제1 링크의 회전된 각도(θ)를 산출하는 단계;
    상기 산출된 제1 링크의 회전된 각도(θ) 및 기 저장된 상기 근력 운동기구의 소정의 정보를 이용하여 상기 제2 조인트의 상승된 높이(Δh)를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 제2 조인트의 상승된 높이(Δh) 및 기 저장된 상기 사용자의 소정의 정보를 이용하여 상기 제2 조인트의 위치 에너지 변화량(ΔEp)를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 근력 운동기구의 소정의 정보는 상기 제1 링크의 길이(l)이고, 상기 사용자의 소정의 정보는 상기 사용자의 체중량인 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 사용자의 소정의 정보는 상기 사용자의 키를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 가속도 센서는 상기 제1 조인트에 장착되는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 조인트의 상승된 높이(Δh)를 이용하여 사용자의 무게 중심 위치 변화값을 산출하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 조인트의 위치 에너지 변화량(ΔEp)을 이용하여 상기 근력 운동 에너지 소모량을 산출하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 소모량 측정 방법은 다절 링크 강체 운동 모델링을 이용하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  10. 사용자의 운동 소모량을 측정하는 에너지 소모량 측정 장치에 있어서,
    근력 운동기구에 설치되어 사용자의 근력 운동시 X축 및 Y축 방향의 중력가속도값을 측정하는 가속도 센서;
    측정된 상기 중력 가속도값을 수신하고 전송하는 신호전송부;
    상기 신호전송부로부터 상기 중력 가속도값을 수신하고, 저장된 상기 근력 운동기구의 소정의 정보 및 사용자의 소정의 정보를 이용하여 근력 운동 에너지 소모량을 산출하는 관리 서버; 및
    상기 관리 서버로부터 상기 에너지 소모량을 수신하는 사용자 단말기를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 근력 운동기구는,
    일측에 제1 조인트와 연결되어 근력 운동시 상기 제1 조인트를 중심축으로 회전하는 제1 링크; 및
    상기 제1 링크의 타측에 연결되어 근력 운동시 상기 제1 링크와 함께 회전하는 제2 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 가속도 센서는 근력운동 시 위치 변화가 없는 상기 제1 조인트에 설치되는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 근력 운동기구의 소정의 정보 및 상기 사용자의 소정의 정보를 저장하는 메모리 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 근력 운동기구의 소정의 정보는 상기 제1 링크의 길이(l)이고,
    상기 사용자의 소정의 정보는 상기 사용자의 체중량인 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 사용자의 소정의 정보는 상기 사용자의 키를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
  16. 청구항 10에 있어서
    상기 근력 운동기구는 사용자 자신의 몸무게를 이용하여 근력운동을 하여 사용자의 무게중심의 위치가 변화하는 자가역기 근력운동기구인 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 관리서버는 하기의 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]을 이용하여 상기 근력 운동에너지 소모량을 산출하는 것을 특징으로 하는 운동기구의 에너지 소모량 측정장치.
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2013010482-appb-I000001
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2013010482-appb-I000002
    [수학식 3]
    Figure PCTKR2013010482-appb-I000003
    (여기서, θ는 제1 링크의 회전된 각도이고, Ax는 측정된 중력가속도의 X축 성분, Ay는 측정된 중력가속도의 Y축 성분이고, l은 제1 링크의 길이이고, △h는 제2 조인트의 높이 변화량이고, m×g는 사용자의 체중값(N)이고, △Ep는 사용자의 위치에너지 변화량이다.)
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