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KR102496341B1 - 전기 자전거 - Google Patents

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KR102496341B1
KR102496341B1 KR1020160016225A KR20160016225A KR102496341B1 KR 102496341 B1 KR102496341 B1 KR 102496341B1 KR 1020160016225 A KR1020160016225 A KR 1020160016225A KR 20160016225 A KR20160016225 A KR 20160016225A KR 102496341 B1 KR102496341 B1 KR 102496341B1
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백인하
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에이치엘만도 주식회사
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Abstract

전기 자전거가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거는 페달의 회전에 따라 모터에 의해서만 구동하는 체인리스 바퀴와, 근전도, 산소포화도, 심박, 체온 중 적어도 하나를 포함하는 생체신호를 감지하는 생체신호감지부와, 생체신호감지부와 통신하여 생체신호를 수신하는 무선통신부와, 사용자가 페달을 밟을 때 체인이 있는 것처럼 페달감을 느끼도록 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부 및 무선통신부를 통해 수신된 생체신호를 분석하여 사용자의 피로도를 산출하고, 산출된 피로도에 따라 전기 자전거의 제어와 관련된 제어파라미터를 변경시키는 전자제어유닛을 포함하고, 페달부하조절부는 배터리와, 페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기 및 발전기에 의해 발생된 전력이 배터리에 충전되는 양을 조절하여 페달의 부하를 조절하고, 전자제어유닛은 산출된 피로도가 미리 설정된 값보다 높으면, 페달부하조절부를 통해 발전기로부터 발생된 전력이 배터리에 충전되는 양을 조절하여 페달의 부하를 감소시킨다.

Description

전기 자전거{ELECTRIC BICYCLE}
본 발명은 전기 자전거에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 자전거 페달부하를 조절할 수 있는 전기 자전거에 관한 것이다.
일반적으로, 자전거 주행 시, 간단한 생체 신호를 모니터링 하는 경우는 있으나, 단순히 신호를 보여주는 정도이며, 그에 따른 대응은 사용자가 알아서 판단하여야 한다.
또한 여러 생체신호를 감지하는 센서가 있더라도, 각각의 신호를 모니터링 할 수 있을 뿐, 종합적인 판단 역시 사용자의 몫이다.
기존에는 사용자의 신체상황을 고려하여 페달부하, 경고레벨, 감속도, 가속도 등 자전거 제어와 관련된 제어파라미터 변경하지 않는다.
따라서, 기존에는 사용자의 신체상황에 맞게 자전거 제어를 수행할 수 없어 안전하고 건강한 주행환경을 제공하기 어렵다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0013649호(2014.02.05.공개)
본 발명의 실시예는 사용자의 신체상황에 따라 자전거 제어와 관련된 제어 파라미터를 가변시키는 전기 자전거를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 페달의 회전에 따라 모터에 의해서만 구동하는 체인리스 바퀴; 근전도, 산소포화도, 심박, 체온 중 적어도 하나를 포함하는 생체신호를 감지하는 생체신호감지부; 상기 생체신호감지부와 통신하여 상기 생체신호를 수신하는 무선통신부; 사용자가 상기 페달을 밟을 때 체인이 있는 것처럼 페달감을 느끼도록 상기 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부; 및 상기 무선통신부를 통해 수신된 생체신호를 분석하여 사용자의 피로도를 산출하고, 산출된 피로도에 따라 전기 자전거의 제어와 관련된 제어파라미터를 변경시키는 전자제어유닛을 포함하고, 상기 페달부하조절부는 배터리와, 상기 페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기 및 상기 발전기에 의해 발생된 전력이 상기 배터리에 충전되는 양을 조절하여 상기 페달의 부하를 조절하고, 상기 전자제어유닛은 상기 산출된 피로도가 미리 설정된 값보다 높으면, 상기 페달부하조절부를 통해 상기 발전기로부터 발생된 전력이 상기 배터리에 충전되는 양을 조절하여 상기 페달의 부하를 감소시키는 전기 자전거가 제공될 수 있다.
또한, 상기 생체신호감지부는, 상기 사용자가 착용 가능한 생체신호측정용 슈트 내측에 마련되되, 상기 사용자의 허벅지에 대응하는 부분의 슈트 내측에 마련될 수 있다.
또한, 상기 전자제어유닛은 상기 수신된 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온을 각각 지수화하고, 상기 근전도, 산소포화도, 심박, 체온의 순서로 높게 설정된 가중치를 적용하여 상기 사용자의 피로도를 산출할 수 있다.
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본 발명의 실시예는 사용자의 근전도, 산소포화도, 심박수, 체온 등의 생체신호들을 이용하여 사용자의 피로도에 맞게 페달부하를 가변시킴으로써 보다 효과적이고 안전하고 건강한 주행환경을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 사용자의 근전도, 산소포화도, 심박수, 체온 등의 생체신호들을 이용하여 사용자의 피로도를 판단하여 직관적으로 알림으로써 사용자에게 지도, 격려, 동기부여 등을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 제어블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 생체신호감지부와 전자제어유닛의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거에서 생체신호감지부의 제어블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 제어방법에 대한 제어흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달할 수 있도록 하기 위해 예로서 제공하는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정하지 않고 다른 형태로 구체화할 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장하여 표현할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전기 자전거는 체인이 없는 체인리스(chainless) 전기 자전거로서, 프런트 프레임(10), 미들 프레임(20) 및 리어 프레임(30)을 포함할 수 있다.
프런트 프레임(10)은 전륜(12)과, 핸들부(13)가 연결되는 핸들스테이(14)를 포함할 수 있다.
핸들부(13)는 핸들스테이(14)의 하단에 결합되는 핸들 스템(15)과, 이 핸들스테이(14)에 결합되는 핸들바(16)와, 이 핸들바(16)에 설치되는 핸들 그립(17)을 포함할 수 있다.
핸들스테이(14)의 하단 일측에는 전륜(12)이 회전 가능하게 결합된다. 핸들 스템(15)은 핸들부(13)의 높이 조절을 위해 마련된다. 핸들바(16)는 자전거의 조향을 결정하기 위해 마련된다. 핸들 그립(17)에는 전기 자전거의 상태를 사용자에게 표시해주고 사용자의 요구사항을 버튼 또는 디스플레이를 통하여 전자제어유닛(40)으로 전달하는 인터페이스(18)가 마련된다. 이러한 인터페이스(18)는 전자제어유닛(40)과 유선 또는 무선을 통해 전기적으로 연결된다.
미들 프레임(20)의 일단에는 발전기(21)가 마련되고, 이 발전기(21)의 양측에는 크랭크 암(22)에 의해 페달(23)이 회전 가능하게 장착된다. 크랭크 암(22)은 일단은 미들 프레임(20)의 페달샤프트에 회전 가능하게 결합되고, 타단은 페달(23)이 회전 가능하게 결합된다. 탑승자가 페달(23)을 회전시키면 이 페달(23)의 회전력을 발전기(21)에서 전기적 에너지로 변환하고, 발전기(21)의 전기적 에너지는 미들 프레임(20)에 마련되는 배터리(26)에 축전될 수 있다.
미들 프레임(20)은 안장(24)을 설치하기 위한 새들 튜브(25)를 더 포함할 수 있다. 새들 튜브(25)는 미들 프레임(20)의 후방에 돌출 마련되는 시트튜브(26)에 높이 조절 가능하게 결합된다.
리어 프레임(30)의 단부 일측에는 후륜(32)이 회전 가능하게 장착된다. 후륜(32)의 중심에는 이 후륜(32)을 회전시켜 전기 자전거를 전진시키기 위한 모터(34)가 장착된다. 모터(34)는 탑승자가 인터페이스(18) 또는 스로틀을 이용하여 후륜(32)의 회전속도를 변화시킬 수 있도록 변속기를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 제어블록도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 생체신호감지부와 전자제어유닛의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거에서 생체신호감지부의 제어블록도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 전기 자전거는 자전거 본체에 마련되는 전자제어유닛(40), 무선통신부(50), 페달부하조절부(60), 모터구동부(70) 및 경고부(80)를 포함할 수 있고, 사용자에 마련된 생체신호감지부(90)를 포함할 수 있다.
생체신호감지부(90)는 사용자의 신체에 마련되어 사용자의 생체신호를 측정한다. 예를 들면, 생체신호감지부(90)는 사용자가 착용 가능한 생체신호측정용 슈트(S)의 내측에 마련될 수 있다. 생체신호감지부(90)는 사용자의 허벅지에 대응하는 부분의 슈트 내측에 마련될 수 있다. 이외에도 생체신호감지부(90)는 사용자의 허벅지에 부착 가능한 밴드 타입으로 마련되어 허벅지에서 감지 가능한 생체신호를 측정할 수 있다.
생체신호감지부(90)는 사용자의 생체신호를 감지하고 감지된 생체신호를 무선 송신할 수 있다.
생체신호감지부(90)는 근전도센서(91), 산소포화도센서(92), 심박센서(93), 체온센서(94), 무선센서(95) 및 마이크로컨트롤러(MCU)(96)를 포함할 수 있다.
근전도센서(91)는 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호인 근전도신호를 감지한다.
근전도센서(91)는 허벅지 근육 주위에 부착된 전극을 통해 검출된 근육의 활동에 동반된 전기신호를 감지하여 허벅지 근육의 근전도를 감지한다.
근전도센서(91)는 기준 전극과 측정 전극의 두 개의 전극을 신체에 부착하여 근육 주변에 흐르는 전압과 전류의 양 그리고 주파수를 측정한다. 이때, 두 전극 사이에 형성되는 전위차를 이용하여 근전도를 감지한다.
산소포화도센서(92)는 사용자의 혈중 산소 포화도(Sp02)를 감지한다.
산소포화도센서(92)는 허벅지에 흐르는 혈액의 산소 포화도를 감지한다.
산소포화도센서(92)는 광원으로서 적외선과 적색광을 사용하고 적외선과 적색광의 흡수도 차이를 이용하여 산소포화도를 측정한다. 인간의 혈액이 산소의 포화도에 따라 색상이 달리지며 이는 산소의 포화도에 따라 흡수하는 빛의 파장대가 달라짐을 의미한다. 산소의 포화도를 측정하는 원리는 이에 기인하며, 이러한 현상을 이용하기 위하여 파장이 서로 다른 두 가지 광선을 조사한다. 하나는 적색이며 다른 하나는 적외선이다. 이 두 가지 광선을 이용하여 혈액의 미묘한 색 변화를 감지해 산소포화도를 측정한다.
심박센서(93)는 광학식 심박 센서로서 사용자의 심박을 측정한다.
심박센서(93)는 광원으로부터 피부로 들어갔다 되돌아 오는 빛이 피부 조직 및 혈액 중 헤모글로빈과 같은 혈액의 색소체에 의한 광흡수 정도가 시간에 따라 심박동에 의해 변화하는 원리를 이용한다.
심박센서(93)는 광원을 조사하고 되돌아 오는 빛을 수광하여 전기적 신호로 변환하여 심박을 검출한다.
체온센서(94)는 온도센서로서 사용자의 체온을 감지한다.
무선센서(95)는 마이크로컨트롤러(MCU)의 제어신호에 따라 생체신호를 무선으로 송신한다.
마이크로컨트롤러(MCU)(96)는 근전도센서(91), 산소포화도센서(92), 심박센서(93) 및 체온센서(94)를 통해 감지된 각각의 생체신호를 무선센서(95)를 이용하여 외부로 무선 송신한다.
무선통신부(50)는 생체신호감지부(90)와 통신하여 데이터를 무선으로 송수신한다. 무선통신부(50)는 생체신호감지부(90)와의 통신을 통해 WIFI 모듈, 블루투스 모듈, NFC 모듈, RF 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
페달부하조절부(60)는 페달(23)의 부하를 조절한다. 페달부하조절부(60)에 의해 페달(23)의 부하를 조절함에 따라, 사용자는 페달(23)을 밟을 때 마치 체인이 있는 것처럼 페달감을 느낄 수 있다. 또한 필요한 경우, 이러한 페달감을 느끼지 않게 할 수 있다.
페달부하조절부(60)는 예를 들면, 페달(23)의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기(21)로부터 발생된 전력이 배터리(26)에 충전되는 양을 조절하여 페달(23)의 페달부하를 조절할 수 있다.
모터구동부(70)는 모터(34)를 구동시킨다.
모터구동부(70)는 전자제어유닛(40)의 제어신호에 따라 모터(34)의 회전속도를 조절한다.
모터구동부(70)는 모터(34)의 극수를 변환하거나 모터(34)에 공급되는 전원의 주파수를 가변시켜 모터(34)의 회전속도를 조절할 수 있다.
경고부(80)는 사용자에게 위험을 경고한다.
경고부(80)는 전기 자전거의 내부 적소에 설치되는 경보램프와 같은 시각적인 구성 또는 부저와 같은 청각적인 구성으로 구현되어 전자제어유닛(40)의 제어신호에 따라 경보램프 또는 부저를 작동하여 사용자에게 위험을 경고한다.
경고부(80)는 청각적인 구성으로 스피커가 이용될 수도 있다. 경고부는 핸들 그립(17)에 마련된 인터페이스(18)를 포함할 수 있다.
전자제어유닛(40)은 생체신호감지부(90)를 통해 감지된 각 생체신호를 이용하여 사용자의 피로도를 판단하고, 판단된 피로도에 따라 자전거 제어와 관련된 제어파라미터를 변경시킨다. 자전거 제어와 관련된 제어파라미터는 페달답력, 자전거 한계속도, 경고레벨 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 전자제어유닛(40)은 사용자로부터 감지된 근전도, 산소포화도, 심박, 체온 등의 생체신호를 이용하여 사용자의 피로도를 산출하고, 산출된 피로도에 따라 페달부하조절부(60)를 통해 페달 부하를 조절하여 페달 답력을 조절하거나 모터구동부(70)를 통해 모터(34)의 속도를 조절하여 자전거 한계 속도를 변경하거나 경고부(80)를 통해 사용자에게 위험을 경고하는 경고레벨을 달리하는 등 자전거 세팅을 변경함으로써 사고를 미연에 방지한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자전거의 제어방법에 대한 제어흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 생체신호감지부(90)의 근전도센서(91)를 통해 근전도를, 산소포화도센서(92)를 통해 산소포화도를, 심박센서(93)를 통해 심박을, 체온센서(94)를 통해 체온을 감지한다(100).
전자제어유닛(40)는 생체신호감지부(90)를 통해 감지된 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온을 수신한다(110).
전자제어유닛(40)는 수신된 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온을 이용하여 사용자의 피로도를 산출한다(120). 전자제어유닛(40)은 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온을 각각 지수화하고, 각 생체신호에 가중치를 서로 다르게 적용하여 사용자의 피로도를 산출한다. 근전도, 산소포화도, 심박, 체온의 순서로 가중치가 높게 설정될 수 있다.
전자제어유닛(40)은 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온이 높을수록 사용자의 피로도가 높은 것으로 판단하고, 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온이 낮을수록 사용자의 피도로가 낮은 것으로 판단할 수 있다. 이는 사용자가 피로할 경우 허벅지 근육이 굳어져 근전도가 증가하고, 혈액 중에 산소포화도가 증가하며, 심박수가 증가하고 체온이 올라가기 때문이다.
사용자의 피로도를 산출한 후 전자제어유닛(40)은 산출된 피로도가 미리 설정된 값 이상인지를 판단한다(130).
만약, 작동모드 130의 판단결과 산출된 피로도가 미리 설정된 값 이상이면, 전자제어유닛(40)은 자전거 제어와 관련된 제어파라미터를 변경한다(140). 전자제어유닛(40)은 페달부하조절부(60)를 통해 페달 부하를 감소시켜 페달 답력을 약하게 하거나 모터구동부(70)를 통해 모터(34)의 속도를 감소시켜 자전거 한계 속도를 낮추거나 경고부(80)를 통해 경고레벨을 높여 경고함으로써 보다 효과적이고 안전하고 건강한 주행환경을 제공할 수 있다.
한편, 작동모드 130의 판단결과 산출된 피로도가 미리 설정된 값 미만이면, 전자제어유닛(40)은 현재의 제어파라미터를 유지한다(150).
이상과 같이, 사용자의 근전도, 산소포화도, 심박수, 체온 등의 생체신호들을 이용하여 사용자의 피로도에 맞게 페달부하나 자전거 한계속도를 가변시킴으로써 보다 효과적이고 안전하고 건강한 주행환경을 제공할 수 있고, 사용자의 근전도, 산소포화도, 심박수, 체온 등의 생체신호들을 이용하여 사용자의 피로도를 판단하여 직관적으로 알림으로써 사용자에게 지도, 격려, 동기부여 등을 제공할 수 있다.
40 : 전자제어유닛 50 : 무선통신부
60 : 페달부하조절부 70 : 모터구동부
80 : 경고부 90 : 생체신호감지부

Claims (5)

  1. 페달의 회전에 따라 모터에 의해서만 구동하는 체인리스 바퀴;
    근전도, 산소포화도, 심박, 체온 중 적어도 하나를 포함하는 생체신호를 감지하는 생체신호감지부;
    상기 생체신호감지부와 통신하여 상기 생체신호를 수신하는 무선통신부;
    사용자가 상기 페달을 밟을 때 체인이 있는 것처럼 페달감을 느끼도록 상기 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부; 및
    상기 무선통신부를 통해 수신된 생체신호를 분석하여 사용자의 피로도를 산출하고, 산출된 피로도에 따라 전기 자전거의 제어와 관련된 제어파라미터를 변경시키는 전자제어유닛을 포함하고,
    상기 페달부하조절부는 배터리와, 상기 페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기 및 상기 발전기에 의해 발생된 전력이 상기 배터리에 충전되는 양을 조절하여 상기 페달의 부하를 조절하고,
    상기 전자제어유닛은 상기 산출된 피로도가 미리 설정된 값보다 높으면, 상기 페달부하조절부를 통해 상기 발전기로부터 발생된 전력이 상기 배터리에 충전되는 양을 조절하여 상기 페달의 부하를 감소시키는 전기 자전거.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생체신호감지부는, 상기 사용자가 착용 가능한 생체신호측정용 슈트 내측에 마련되되, 상기 사용자의 허벅지에 대응하는 부분의 슈트 내측에 마련된 전기 자전거.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자제어유닛은 상기 수신된 근전도, 산소포화도, 심박 및 체온을 각각 지수화하고, 상기 근전도, 산소포화도, 심박, 체온의 순서로 높게 설정된 가중치를 적용하여 상기 사용자의 피로도를 산출하는 전기 자전거.
  4. 삭제
  5. 삭제
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