CN113753169A - 自行车智能变速系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自行车智能变速系统，本发明有效解决现有变速自行车在骑行过程中变速较为费力且具有潜在风险的问题；解决的技术方案包括：该系统由多种模式可供骑行者选择，骑行者可根据自己需求而相应的选择适合的模式进行骑行训练，在骑行过程中根据相应的参数、条件可自动实现对自行车档位的调整，从而使得自行车的状态与骑行过程环境保持相匹配，使得骑行者的骑行体验感更佳。

Description

自行车智能变速系统

技术领域

本发明属于智能变速控制技术领域，具体涉及自行车智能变速系统。

背景技术

最近几年，在环保和健身议题的带动下，大家的环保意识和健康意识逐渐提高，骑行慢慢的成为大家的一种短途出行方式以及娱乐项目和爱好，随着经济和科技的发展，人们对于健康和运动越发地看重，用户对于自行车的需求也正从传统的代步型交通工具转向集运动、健身、旅游休闲等功能于一体的多功能自行车，随着技术的发展变速自行车变得越来越高级，越来越专业，同时也变得越来越昂贵，骑行日益风靡，不同骑行者在骑行过程中的服务需求也是不同的，与此同时，自行车技术的发展也日新月异，从动力、车体材料和结构、传动变速技术等各方面都有了诸多创新；

现有的诸多变速自行车多采用人工手动通过线缆的方式实现变速，从而实现骑行者根据路况的变化而相应调整车速的效果，但是采用人工手动变速的方式，需要使用较大的力，特别是在低速或者上坡的时候用力尤为明显，当骑行者用力换挡时，导致骑行者分散注意力，也会给骑行平衡带来安全隐患；

再一个，采用缆线的控制方式，缆线存在一定的使用疲劳极限，当超过这个极限，会造成缆线崩断，对于骑行者的安全有较大影响；

鉴于以上，本方案提供一种自行车智能变速系统用于解决上述问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种自行车智能变速系统，该系统由多种模式可供骑行者选择，骑行者可根据自己需求而相应的选择适合的模式进行骑行训练，在骑行过程中根据相应的参数、条件可自动实现对自行车档位的调整，从而使得自行车的状态与骑行过程环境保持相匹配，使得骑行者的骑行体验感更佳。

自行车智能变速系统，包括车体、前齿盘、后齿盘、链条、踏板，所述前齿盘、后齿盘上设有不同直径的齿片，其特征在于，所述车体上踏板内置压力监测模块且压力监测模块电性连接有设于车体上的控制终端，所述车体上分别设有与前齿盘、后齿盘配合的前变速器、后变速器且前变速器、后变速器分别电性连接有变速模块，所述变速模块与控制终端电性连接。

一种自行车智能变速系统使用方法，其特征在于，包括两种使用模式，其中模式一包括以下步骤：

S1：设于踏板上的压力监测模块实时监测骑行者作用于踏板上的踩踏力并且将踩踏力信号实时传送至控制终端；

S2：控制终端根据设定好的程序对其所接收到的踩踏力信号进行评判并且在维持骑行者踏频不变的情况下，根据评判结果向变速模块发出变速指令。

模式二包括以下步骤：

S1：安装于把手上的心率监测模块实时监测骑行者在骑行过程中的心率变化情况并且将骑行者的心率波动实时传送至控制终端；

S2：根据骑行者不同大小的心率区间而相应的设定不同运动强度的骑行训练等级；

S3：控制终端实时接收来自心率监测模块发送的骑行者心率波动情况，在维持骑行者踏频不变的情况下，控制终端根据骑行者选择的运动强度等级向变速模块发出变速指令。

上述技术方案有益效果在于：

（1）本方案设有两种骑行模式并且根据骑行者的需求而相应的选择相适合的骑行模式，模式二相对于模式一的骑行训练方式更加系统、细化，针对不同骑行者其心率的区间范围而制定具有较强针对性的骑行训练，增加了该系统功能的多样性并且使得骑行训练效果更佳；

（2）本方案根据骑行者在骑行过程中路况的不同进行智能变档调速，避免骑行者在颠簸路段或爬坡过程中还需要费心费力进行档位调整的行为，提高骑行者在骑行过程中的平衡性和安全性（避免骑行者在骑行过程中因手动变速而导致其分散注意力），增加了骑行者的骑行体验；

（3）该变速系统相对于传统的通过线缆的控制方式，其变速效果好且较为可靠、安全，也避免了因线缆长期使用而产生磨损后需要定期进行更换情况的发生，本方案可靠性、实用性较高，可进行广泛推广。

附图说明

图1为本发明后变速器结构示意图；

图2为本发明前变速器结构示意图；

图3为本发明前变速器、后变速器配合关系示意图；

图4为本发明变速系统模式一工作流程框图；

图5为本发明自行车整体结构示意图；

图6为本发明变速系统模式二工作流程框图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至6对实施例进行详细说明。

本实施例提供一种自行车智能变速系统，包括车体1、前齿盘7、后齿盘8、链条9、踏板6，如附图5所示，由于上述部件均为现有技术，故，在此不对其连接结构做过多说明），以下针对本方案的改进之处做出详细说明，具体过程如下：

（1）该自行车变速系统以模式一进行工作时

在车体1上踏板6内置压力监测模块且压力监测模块电性连接有设于车体1上的控制终端2，车体1上分别设有与前齿盘7、后齿盘8配合的前变速器、后变速器且前变速器、后变速器分别电性连接有变速模块5，变速模块5与控制终端2电性连接，骑行者在骑行过程中，设置于踏板6上的压力监测模块实时监测骑行者在骑行过程中对踏板6的踩踏力并且将监测到的踩踏力实时传递给控制终端2，控制终端2根据设定好的程序对其所接收到的踩踏力信号进行评判并且根据评判结果向变速模块5发出变速指令（根据骑行者踩踏力的大小变化，从而可判断此时骑行者所处位置的路况，即，上坡或者下坡或者平路），从而通过变速模块5分别实现控制前变速器、后变速器的动作，即，使得前变速器、后变速器相配合从而实现调整链条9相对于前齿盘7、后齿盘8的位置，进而实现自行车变速的效果；

具体判断过程如下：

当骑行者不进行变速情况下，踏板6受到骑行者的踩踏力会根据路况而进行相应的变化，当骑行者骑行变速自行车爬坡时，如果想要保持踏频（踏频：一分钟以内脚踏所转动的圈数）不变，爬坡的坡度越大，就需要更大的力踩踏自行车脚踏板6（压力监测模块监测到的压力信号就越大）；

如果想要保持踏频（踏频：一分钟以内脚踏所转动的圈数）不变，下坡的坡度越大，就需要更小的力踩踏自行车踏板6，自行车踏板6、承受的力就越小（压力监测模块检测到的压力信号就越小）；

当骑行者骑行变速自行车在平地行驶时，如果想要保持自行车行进速度一定，需要在保持踏频（踏频：一分钟以内脚踏所转动的圈数）的情况下，使用恒定的力踩踏自行车脚踏板6；

如果被链条9缠绕的前齿盘7上的齿片10分度圆直径越大，被链条9缠绕的后齿盘8上的齿片10分度圆直径越小，则踩踏一圈更加费力，踩踏一圈的行进距离变长，适合下坡路段的路况和剧烈的运动模式；

如果被链条9缠绕的前齿盘7上的齿片10分度圆直径越小，被链条9缠绕的后齿盘8上的齿片10分度圆直径越大，则踩踏一圈更加省力，踩踏一圈的行进距离变短，适合上坡路段的路况和轻度的运动模式，传统的变速自行车可根据链条9缠绕前后齿盘8上齿片10的分度圆直径的不同配比，实现变速效果，使骑行者在复杂路况的骑行过程中，在保持踏频一致的情况下保持踩踏力矩一致，保护骑行者的膝盖，保持运动强度的一致，使骑行者保持体力；

基于上述原理，本方案可根据骑行者对踏板6的踩踏力的大小实时对路况进行判断，首先设定骑行者（成年人）在地势较为平坦的路面进行骑行时其对踏板6的踩踏力为标准值（该标准值为一个区间范围），当压力监测模块检测到压力信号超出标准值一定范围时（说明此时骑行者所处的路况处于上坡阶段），则控制终端2向变速模块5发出信号并且变速模块5分别控制前变速器、后变速器进行动作，使得与后齿盘8配合的链条9进行移动并且与直径较大的齿片10进行配合（即，缠绕到直径较大的齿片10上），使得与前齿盘7配合的链条9进行移动并且与直径较小的齿片10进行配合（即，缠绕到直径较小的齿片10上），待压力监测模块检测到压力信号处于标准值区间范围内时，控制终端2发出信号至变速模块5并且控制前变速器、后变速器停止工作；

当压力监测模块检测到压力信号低于标准值一定范围时（说明此时骑行者所处的路况处于下坡阶段），则控制终端2向变速模块5发出信号并且变速模块5分别控制前变速器、后变速器进行动作，使得与后齿盘8配合的链条9进行移动并且与直径较小的齿片10进行配合（即，缠绕到直径较小的齿片10上），使得与前齿盘7配合的链条9进行移动并且与直径较大的齿片10进行配合（即，缠绕到直径较大的齿片10上）；

通过压力监测模块、控制终端2、变速模块5、前变速器、后变速器的配合可实现骑行者在骑行过程中根据路况的不同而自动实现变速效果，使得骑行者免去手动变速的繁琐，从而确保骑行者有更多的精力去应对骑行过程中的各种情况，使得骑行过程较为安全、可靠，也使得骑行者获得较好的骑行体验。

（2）该自行车变速系统以模式二进行工作时

在车体1的把手24上安装有心率监测模块23，骑行者骑行时手握住把手24可实现对骑行者心率的实时监测，心率监测模块23与控制终端电性连接并且骑行者可通过控制终端选择与其相适配的运动强度，本方案中运动强度分为三个阶段：1轻度训练阶段、2有氧耐力阶段、3无氧适能阶段，不同人群其心率大小区间各不相同，故，不同人群根据其体质情况选择与之适配的训练阶段，并且在该训练阶段内，在维持骑行踏频不变的情况下，使得骑行者的心率维持在该训练阶段所对应的心率区间范围内（即，骑行者正常的心率区间范围），若骑行者在骑行过程中的心率超出其正常心率区间范围，表明此时已经处于超负荷训练状态（会对骑行者造成不必要的损伤）；

本方案中根据心率区间范围的不同相应的划分不同的训练阶段：当心率区间为100-135，此运动强度为轻度训练阶段；当心率区间为135-161，此运动强度为有氧耐力阶段；当心率区间为161以上区间，此运动强度为有氧耐力阶段；

下面以骑行者选择轻度训练阶段（心率区间100-135）为例详细的描述其变速控制过程：

当骑行者骑行时，控制终端2通过设于把手24上的心率监测模块23开始实时对骑行者在骑行过程中的心率变化进行监测（针对骑行者心率的测量可采用现有技术实现，在此提供一种测量心率的方法，如光电透射测量法：它是一种通过光反射测量的光电心率传感器，它与人体皮肤接触时会发出光并且打在皮肤表面，通过测量反射/透射的光，血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时，该波长都会被大量吸收，以此可确定心率），在维持骑行者踏频不变的情况下，若骑行者心率始终处于100-135区间范围内时，则控制终端2不会向变速模块5发出变速指令（前、后变速器不会动作，即不会执行变档操作）；

当骑行者的心率区间超过100-135，说明此时应该降低运动强度，控制终端2向变速模块5发出变速指令并且变速模块5控制前、后变速器进行动作，使得与后齿盘8配合的链条进行移动并且与直径较大的齿片进行配合（即，缠绕到直径较大的齿片上），使得与前齿盘7配合的链条进行移动并且与直径较小的齿片进行配合（即，缠绕到直径较小的齿片上），待心率监测模块23检测到骑行者的心率处于其选择训练阶段对应的区间范围内时，控制终端2发出信号至变速模块5并且控制前变速器、后变速器停止动作；

当骑行者的心率区间低于100-135时，说明此时应该增加运动强度，控制终端2向变速模块5发出变速指令并且变速模块5控制前、后变速器进行动作，使得与后齿盘8配合的链条进行移动并且与直径较小的齿片进行配合（即，缠绕到直径较小的齿片上），使得与前齿盘7配合的链条进行移动并且与直径较大的齿片进行配合（即，缠绕到直径较大的齿片上），待心率监测模块23检测到骑行者的心率处于其选择训练阶段对应的区间范围内时，控制终端2发出信号至变速模块5并且控制前变速器、后变速器停止动作；

当骑行者选择有氧耐力阶段、无氧适能阶段时，其工作调节过程同上，在此不做过多描述。

如附图3所示，前变速器包括滑动安装于车体1上的前导链装置15且前导链装置15螺纹配合有转动安装于车体1的前丝杠13，前丝杠13由前步进电机11驱动，车体1上间隔固定有与前导链装置15滑动配合的前导轨19，所述前步进电机11与变速模块5电性连接，后变速器包括滑动安装于车体1上的后导链装置16且后导链装置16螺纹配合有转动安装于车体1的后丝杠14，后丝杠14由后步进电机12驱动，车体1上间隔固定有与后导链装置16滑动配合的后导轨20，所述后步进电机12与变速模块5电性连接；

当压力监测模块检测到踏板6压力超出标准值所处的范围时（或者心率监测模块23检测到骑行者心率超出其选择的心率区间范围时），则变速模块5相应的控制前步进电机11正转且实现带动前导链装置15朝着靠近车体1的方向移动，即，使得链条9缠绕在分度圆直径较小的齿片10上（前齿盘7上的齿片10），变速模块5相应的同步控制后步进电机12正转且实现带动后导链正转朝着靠近车体1的方向移动，即，使得链条9缠绕在分度圆直径较大的齿片10上（后齿盘8上的齿片10）；

当压力监测模块检测到踏板6压力低于标准值所处的范围时（或者心率监测模块23检测到骑行者心率低于其选择的心率区间范围时），变速模块5控制前步进电机11反转且实现带动前导链装置15朝着远离车体1的方向移动，即，使得链条9缠绕在分度圆直径较大的齿片10上，变速模块同步控制后步进电机反转且实现带动后导链装置朝着远离车体的方向移动，即，使得链条9缠绕在分度圆直径较小的齿片10上（后齿盘8上的齿片10）；

前步进电机11正转或者反转可实现带动前丝杠13沿不同方向转动，由于前导链装置15与前丝杠13螺纹配合加之前导链装置15滑动安装有两前导轨19，故，当前丝杠13转动时，可实现带动前导链装置15沿垂直于车体1方向进行移动；

如附图3所示，在本方案中需要将前导链装置15设置在前齿盘7上方，即，如附图3中所示位置，因为该位置为前齿盘7切入至链条9位置（骑行过程中前齿盘7沿如附图3所示的顺时针方向转动，在此位置能够更好的实现将链条9在不同直径大小齿片10之间调节），故，将前导链装置15设置在该位置，当前导链装置15沿垂直于车体1方向移动时，可实现带动链条9在不同直径大小的齿片10之间进行调节，关于前导链装置15是如何带动链条9在大小齿片10之间移动的，可参照附图3所示，由于其调节过程以及原理为现有技术，本领域技术人员可轻易得知，故，在此不做过多描述。

如附图3所示，后步进电机12正转或者反转可实现带动后丝杠14沿不同方向转动，由于后导链装置16与后丝杠14螺纹配合，加之后导链装置16滑动安装有两后导轨20，故，当后丝杠14转动时，可实现带动后导链装置16沿垂直于车体1方向进行移动；

如附图3所示，在本方案中需要将后导链装置16设置在后齿盘8下方，即，如附图3中所示位置，因为该位置为后齿盘8切入至链条9位置（骑行过程中后齿盘8沿如附图3所示的顺时针方向转动，在此位置能够更好的实现将链条9在不同直径大小齿片10之间调节），故，将后导链装置16设置在该位置，当后导链装置16沿垂直于车体1方向移动时，可实现带动链条9在不同直径大小的齿片10之间进行调节，关于后导链装置16是如何带动链条9在大小齿片10之间移动的，可参照附图3所示，由于其调节过程以及原理为现有技术，本领域技术人员可轻易得知，故，在此不做过多描述（后导链装置上设有与链条9相配合的导向轮、张紧轮，均为现有技术，在此不对其做出过多描述）。

压力监测模块包括内置于踏板6内的压力传感器且压力传感器电性连接有设于踏板6内的电池组，电池组设于踏板6内部空间内并且在踏板6上设有可拆卸的电池盖（图中未示出），电池组用于实现为压力传感器进行供电并且同步向控制终端2、变速模块5、心率监测模块23进行供电，如附图5所示，压力监测模块、心率监测模块23、变速模块5、控制终端2经电源数据传输线3电性连接。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.自行车智能变速系统，包括车体（1）、前齿盘（7）、后齿盘（8）、链条（9）、踏板（6），所述前齿盘（7）、后齿盘（8）上设有不同直径的齿片（10），其特征在于，所述车体（1）上分别设有与前齿盘（7）、后齿盘（8）配合的前变速器、后变速器且前变速器、后变速器分别电性连接有变速模块（5），所述变速模块（5）与控制终端（2）电性连接；

所述车体（1）上踏板（6）内置压力监测模块且车体（1）上把手（24）安装有心率监测模块（23），所述压力监测模块、心率监测模块（23）均电性连接有设于车体（1）上的控制终端（2）。

2.根据权利要求1所述的自行车智能变速系统，其特征在于，所述前变速器包括滑动安装于车体（1）上的前导链装置（15）且前导链装置（15）螺纹配合有转动安装于车体（1）的前丝杠（13），所述前丝杠（13）由固定于车体（1）上的前步进电机（11）驱动，所述车体（1）上间隔固定有与前导链装置（15）滑动配合的前导轨（19），所述前步进电机（11）与变速模块（5）电性连接。

3.根据权利要求1所述的自行车智能变速系统，其特征在于，所述后变速器包括滑动安装于车体（1）上的后导链装置（16）且后导链装置（16）螺纹配合有转动安装于车体（1）的后丝杠（14），所述后丝杠（14）由固定于车体（1）上的后步进电机（12）驱动，所述车体（1）上间隔固定有与后导链装置（16）滑动配合的后导轨（20），所述后步进电机（12）与变速模块（5）电性连接。

4.根据权利要求1所述的自行车智能变速系统，其特征在于，所述压力监测模块包括内置于踏板（6）内的压力传感器且压力传感器电性连接有设于踏板（6）内的电池组。

5.根据权利要求1所述的自行车智能变速系统，其特征在于，所述压力监测模块、心率监测模块（23）、变速模块（5）、控制终端（2）经电源数据传输线（3）电性连接。

6.一种基于权利要求1所述的自行车智能变速系统使用方法，其特征在于，包括两种使用模式，其中模式一包括以下步骤：

S1：设于踏板上的压力监测模块实时监测骑行者作用于踏板上的踩踏力并且将踩踏力信号实时传送至控制终端；

S2：控制终端根据设定好的程序对其所接收到的踩踏力信号进行评判并且在维持骑行者踏频不变的情况下，根据评判结果向变速模块发出变速指令；

模式二包括以下步骤：

S1：安装于把手上的心率监测模块实时监测骑行者在骑行过程中的心率变化情况并且将骑行者的心率波动实时传送至控制终端；

S2：根据骑行者不同大小的心率区间而相应的设定不同运动强度的骑行训练等级；

S3：控制终端实时接收来自心率监测模块发送的骑行者心率波动情况，在维持骑行者踏频不变的情况下，控制终端根据骑行者选择的运动强度等级向变速模块发出变速指令。

7.根据权利要求6所示的一种自行车智能变速系统使用方法，其特征在于，所述模式一的S2中，当压力监测模块检测到踩踏力大于设定值一定范围时，变速模块根据控制终端发出的指令控制前、后导链装置左移；

当压力监测模块检测到踩踏力小于设定值一定范围时，变速模块根据控制终端发出的指令控制前、后导链装置右移；

当压力监测模块检测到踩踏力处于设定值范围内时，前、后导链装置不动作。

8.根据权利要求6所示的一种自行车智能变速系统使用方法，其特征在于，所述模式二S2中的运动强度等级根据心率所在区间范围划分为：轻度训练阶段、有氧耐力阶段、无氧适能阶段，不同阶段对应不同大小的心率区间。

9.根据权利要求8所示的一种自行车智能变速系统使用方法，其特征在于，根据骑行者选择的相应训练阶段，在维持踏频不变的情况下：

当心率监测模块检测到骑行者心率超出相应训练阶段的心率区间时，变速模块根据控制终端发出的指令控制前、后导链装置左移；

当心率监测模块检测到骑行者心率低于相应训练阶段的心率区间时，变速模块根据控制终端发出的指令控制前、后导链装置右移；

当心率监测模块检测到骑行者心率处于相应训练阶段的心率区间时，前、后导链装置不动作。

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