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문제 정의
- 주행출력이 그리 높지 않은 초보이용자의 경우 변속장치의 동력전달 효율이 높은 것이 유리하며, 주행 중 이용자의 의지와 상관없이 변속이 일어나더라도 기구적인 문제가 없이 주행이 가능해야한다. 이러한 조건을 만족시키는 변속장치로 본 연구에서는 내장기어허브를 이용하여 자동변속장치를 개발하기로 하였다. Table 1에 대표적인 자전거용 변속장치들의 특성을 비교하여 나타내었다.
제안 방법
- 실험 참가자는 실험 주행로 1번과 2번 두 가지 주행로를 수동변속 주행과 자동변속 주행으로 총 4번에 걸쳐 주행한다. 1번 실험 주행로를 먼저 주행하였고, 수동변속 주행 후 자동변속 주행을 하였다. 참가자들은 자유롭게 주행속도를 유지하되 수동변속 주행과 자동변속 주행의 주행속도를 비슷하게 유지해야 한다는 설명을 듣고 실험에 임하였다.
- 5의 실험 주행로 1은 오르막 주행로에서 주행부하가 점차 증가하는 상황을 가정하여 이용자의 페달rpm 감소와 증가에 따른 자동변속 주행과 수동변속 주행의 차이를 알아보기 위한 것이다. 경사도 0% 에서 3%로 점진적으로 증가하는 주행로를 4분 동안 주행하는 코스로 설정하였다.
- 8V, 3700mA 리튬폴리머 충전지를 사용하였다. 모터로 자동변속을 제어하기 위해 변속제어 와이어를 모터의 회전풀리에 연결하였다. 모터는 회전풀리를 좌우로 회전하여 와이어 길이를 변화시켜서 내장기어허브의 변속을 제어한다.
- 하지만 실제 자전거 주행 환경은 외부적으로는 크고 작은 요철이 자전거 주행 시 진동을 발생 시키며, 이용자는 요철과 장애물이 있는 환경에서 페달회전을 멈추고 안장에 일어서서 주행을 하기도 한다. 실제 주행상황에서 자동으로 변속을 수행하기 위하여 페달rpm 정보를 우선적으로 사용하며 주행상황에 따라 페달의 회전이 없을 경우 주행속도에 따른 변속을 수행하는 방식으로 실제 주행상황에서 작동하도록 하였다.
- 안장높이 조정이 완료된 후 5분간 워밍업과 자전거 연습주행을 한 후 실험 주행을 시작하였다. 실험 참가자는 실험 주행로 1번과 2번 두 가지 주행로를 수동변속 주행과 자동변속 주행으로 총 4번에 걸쳐 주행한다. 1번 실험 주행로를 먼저 주행하였고, 수동변속 주행 후 자동변속 주행을 하였다.
- 실험 참가자들은 실험주행에 앞서 내측 다리 길이를 측정하여 적정 안장높이로 조정하였다. 안장높이 조정이 완료된 후 5분간 워밍업과 자전거 연습주행을 한 후 실험 주행을 시작하였다.
- 실험 참가자들은 실험 사이에 충분한 휴식을 취하고 실험을 진행하였다. 실험을 진행하는 동안 1초 간격으로 주행속도와 주행출력, 페달rpm을 측정하여 기록하였다. 실험측정을 시작하는 시점의 실내 온도는 23℃, 상대습도는 56%였다.
- 실험 참가자들은 실험주행에 앞서 내측 다리 길이를 측정하여 적정 안장높이로 조정하였다. 안장높이 조정이 완료된 후 5분간 워밍업과 자전거 연습주행을 한 후 실험 주행을 시작하였다. 실험 참가자는 실험 주행로 1번과 2번 두 가지 주행로를 수동변속 주행과 자동변속 주행으로 총 4번에 걸쳐 주행한다.
- 일반적인 자전거 이용 환경으로 서울시의 통근 목적의 이용을 가정하여 두가지 주행로를 실내주행실험을 하였다. 주행로는 선행연구(7)의 통근목적 자전거 주행을 구현하기위해 5% 이내의 경사도와 주행거리 4km 이내로 설정하였다.
- 자전거 자동변속장치의 작동성능을 파악하기 위해 수동변속 주행이 익숙하지 않은 초보이용자와 수동변속 주행이 익숙한 전문이용자의 주행을 비교하기로 하였다. 정기적인 운동을 수행하지 않는 30대 일반인들 중 남성 3인과 여성 1인 등 4명의 초보이용자와 전문이용자 1인 총 5명이 실험에 참가하였다.
대상 데이터
- 또한 실험목적의 자전거이므로 다양한 체격의 이용자가 주행가능 하도록 적당한 차체크기를 갖추고 있어야하며, 탐승자세 조절을 위해 핸들과 안장의 높이가 변경 가능해야 한다. 고 려 사 항 을 만 족 시 키 는 자 전 거 로 신 장 160~180cm의 이용자가 이용 가능한 차체 크기를 가진 SCOTT사의 SUB35 모델을 선정하였다. SUB35 모델은 28inch 규격의 바퀴를 사용하고 안장과 핸들의 높낮이와 앞뒤 간격의 조절이 가능하다.
- 배터리는 14.8V, 3700mA 리튬폴리머 충전지를 사용하였다. 모터로 자동변속을 제어하기 위해 변속제어 와이어를 모터의 회전풀리에 연결하였다.
- 자전거 자동변속장치의 작동성능을 파악하기 위해 수동변속 주행이 익숙하지 않은 초보이용자와 수동변속 주행이 익숙한 전문이용자의 주행을 비교하기로 하였다. 정기적인 운동을 수행하지 않는 30대 일반인들 중 남성 3인과 여성 1인 등 4명의 초보이용자와 전문이용자 1인 총 5명이 실험에 참가하였다. 이들은 실험진행과정에 영향을 줄 수 있는 근골격계적 또는 정형학적 문제를 가지고 있지 않았으며 초보이용자 4인은 연간 5회 이하로 자전거를 이용하고 있었다.
- 컨트롤 보드는 임베디드 장치에 사용되는 TI사의 Cortex-m3계열 LM3S8962칩을 CPU로 사용하는 MI-LM3S8962 보드를 사용하였다.
데이터처리
- 자전거 자동변속장치의 실내 주행실험을 위해 주행출력 측정이 가능하며 경사도에 따른 주행부하의 재현이 가능한 자전거 주행 시뮬레이터인 TACX사의 Fortius multiplayer T1930 (Fig. 5)을 사용하였고, 자전거의 주행출력, 주행속도, 페달rpm 등을 측정하고 실시간으로 저장 가능한 소프트웨어로 TACX Trainer software 3.0을 이용하였다.
이론/모형
- 모터는 회전풀리를 좌우로 회전하여 와이어 길이를 변화시켜서 내장기어허브의 변속을 제어한다. 회전풀리를 작동시키는 모터로는 ROBOTIS 사의 DYNAMIXEL EX-106+모델을 사용하였다.
성능/효과
- 각각의 기어단에서 페달rpm범위를 가지고 페달 rpm의 증가와 감소에 따른 자동변속방식은 기존의 속도에 따라 변속하는 방식보다 더 넓은 범위의 이용자가 사용할 수 있었으며, 오르막과 내리막이 반복되는 주행상황에서도 주행 중 페달rpm 의 변화와 페달rpm이 측정되지 않는 상황에서는 주행속도에 따라 변속하는 방식으로 목표 페달 rpm 가까이 유지하며 주행 할 수 있었다.
- 자전거 자동변속장치를 사용하여 초보이용자들이 자전거 이용을 쉽게 할 수 있는 가능성을 확인 할 수 있었다. 개발된 자동변속장치는 초보이용자가 이용할 때 목표 페달rpm을 유지하는데 수동변속 주행보다 효과가 있었다.
- 다만 전문이용자의 경우 자동변속 주행보다 자신에게 최적화된 수동변속을 수행하며 주행하는 것이 가능하기 때문에 자동변속장치의 사용보다 수동변속 주행이 더 유리한 것으로 나타났다.
- 실내 주행실험을 통해 목표 페달rpm에 근접하게 유지하며 자동변속 주행 하는 것을 확인했으며, 신체조건이 다른 초보이용자들에게도 효과가 있었다. 자전거 자동변속장치를 사용하여 초보이용자들이 자전거 이용을 쉽게 할 수 있는 가능성을 확인 할 수 있었다.
- 실험 결과 개발된 자동변속장치를 이용한 주행은 수동변속 주행보다 목표 페달rpm에 근접하게 유지 되었으며 측정된 페달rpm의 표준편차도 자동변속 주행의 경우에 더 작은 것으로 나타났다.
- 5로 자동변속 주행이 더 작은 표준편차를 보인다. 오르막 주행로를 가정한 실험주행로 1의 실험 결과 초보이용자들에게는 수동변속 주행보다 자동변속 주행의 경우에 목표 페달rpm에 가깝게 유지하는 것으로 나타났다.
- 7로 자동 변속 주행의 경우에 더 작은 표준편차를 보였다. 오르막과 내리막이 반복되는 주행상황을 가정한 실험 주행로 2의 실험 결과 초보이용자에게는 자동변속 주행이 수동변속 주행보다 출력에 알맞은 목표 페달rpm을 유지하는데 효과가 있었다.
- 실내 주행실험을 통해 목표 페달rpm에 근접하게 유지하며 자동변속 주행 하는 것을 확인했으며, 신체조건이 다른 초보이용자들에게도 효과가 있었다. 자전거 자동변속장치를 사용하여 초보이용자들이 자전거 이용을 쉽게 할 수 있는 가능성을 확인 할 수 있었다. 개발된 자동변속장치는 초보이용자가 이용할 때 목표 페달rpm을 유지하는데 수동변속 주행보다 효과가 있었다.
- 전문이용자로 분류되는 참가자 1을 제외한 초보이용자들(참가자2, 3, 4, 5)의 평균 페달rpm 범위는 수동변속 주행 49.9~69.9rpm, 자동변속 주행 66.2~70.8rpm으로 나타났으며, 4명 모두 자동변속 주행의 결과가 목표 페달rpm에 더 가까운 것으로 나타났다. 페달rpm의 표준편차도 수동변속 주행 8.
- 주행출력에 따라 페달rpm을 50~100정도로 유지하며 주행하는 것이 적절한 것으로 선행연구들(3~6)에서 나타내고 있는데, 주행출력이 200W 이상 경우 페달rpm 90~100 rpm으로 주행하는 것이 효율적인 것으로 나타났고,(3) 100W 이하의 비교적 낮은 출력으로 주행하는 경우에는 50~70rpm의 낮은 회전수를 유지하는 것이 효율적인 결과를 나타냈다.
- 참가자 1을 제외한 초보이용자들의 평균 페달 rpm 범위는 수동변속 주행 71.8~85.3rpm, 자동변속 주행 71.8~75.8rpm으로 나타났고, 4명 모두 자동변속 주행 결과가 목표 페달rpm에 더 가까운 것으로 나타났다. 페달rpm의 표준편차는 수동변속 주행 9.
- 초보이용자로 분류되는 2, 3, 4, 5,번 참가자들은 1번과 2번 주행로의 수동변속 주행 평균 페달 rpm은 개인의 습관과 자율선택에 따라 다르게 나타났지만 자동변속 주행에서는 4명의 참가자 모두 출력에 따른 목표 페달rpm에 더 가깝게 유지되었고, 자동변속 주행에서 측정된 페달rpm의 표준편차가 수동변속 주행보다 작게 나타났다.
- 하지만 실험 결과 참가자 1은 실험 주행로 1번과 2번에서 수동변속과 자동변속 주행 모두 초보 이용자들 보다 목표 페달rpm에 가깝게 유지하였고, 4번의 주행실험에서 측정된 페달rpm의 표준편차도 모두 가장 작게 나타났다.
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