CN205769945U - 一种带智能控制的曲柄及包括该曲柄的带助力的脚踏装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带智能控制的曲柄及带助力的脚踏装置，脚踏装置包括动力系统，曲柄包括曲柄本体，曲柄本体内设有感测曲柄本体上于设定方向的力矩值的力矩感应器、感测曲柄本体的转动速度的速度感应器、感应器感测曲柄本体偏离设定方向角度的角度感应器、感测曲柄本体的转动方向的方向感应器以及与动力系统以及各感应器相连的曲柄控制器。于一个感测周期内，曲柄控制器根据各感应器感测的信息判断曲柄本体的转动速度大于一设定阈值且转动方向为向前时，再根据感测到的力矩值以及角度计算此时曲柄本体所受到的实际力矩值，并获取曲柄本体于该感测周期内的最大实际力矩值，以输出最大实际力矩值以使动力系统根据该最大实际力矩值调整其输出功率。

Description

一种带智能控制的曲柄及包括该曲柄的带助力的脚踏装置

技术领域

本实用新型涉及一种曲柄，具体地说，是涉及一种能够根据感应器的感应值准确感测实际脚踩力量，以使马达输出相匹配的功率的带智能控制的曲柄。

本实用新型还涉及一种包括上述的带智能控制的曲柄的带助力的脚踏装置。

背景技术

一般的带助力的脚踏装置，例如脚踏电动车(一轮/二轮/三轮车)，其马达电流的大小大都是由手控的扭把(转把)来决定。有些设计则加上磁感器与磁块来测量脚踏的速度，而后依脚踏速度来控制马达电流大小/输出功率。即马达功率输出大小与脚踩速度成正比，踩的越快，马达输出功率越高。速度传感器在平路时才比较有效，而在上坡时，脚踏速度因为坡度而减慢，此时马达却不能提供足够的输出功率。

正确的作法应该是由脚踩的力量来决定马达的电流与输出功率。马达输出功率大小与脚踩力量成正比，即脚踩的越用力，马达输出功率越高。虽然市面上已有些公司是用机械式的方式来感测脚踩的力量，但其成本太高。公开号为TW201410531A的中国台湾专利申请采用应变计感测器感测脚踩的力量，但是无法准确地获知实际脚踩的力量，因而无法使马达准确输出相匹配的功率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带智能控制的曲柄及包括该曲柄的带助力的脚踏装置，能够通过获取曲柄转动一个感测周期的最大实际力矩值以使马达输出相匹配的功率。

为了实现上述目的，本实用新型的带智能控制的曲柄，应用于一带助力的脚踏装置，所述脚踏装置包括动力系统，所述智能曲柄包括曲柄本体，所述曲柄本体上设置有力矩感应器、速度感应器、角度感应器、方向感应器以及曲柄 控制器。力矩感应器感测所述曲柄本体上于一设定方向的力矩值；速度感应器感测所述曲柄本体的转动速度；角度感应器感测所述曲柄本体偏离所述设定方向的角度；方向感应器感测所述曲柄本体的转动方向；曲柄控制器分别与所述动力系统以及各感应器相连，于一个感测周期内，所述曲柄控制器根据各所述感应器感测的信息判断所述曲柄本体的转动速度大于一设定阈值且转动方向为向前时，再根据感测到的力矩值以及角度计算此时曲柄本体所受到的实际力矩值，并获取曲柄本体于该感测周期内的最大实际力矩值，以输出最大实际力矩值以使所述动力系统根据该最大实际力矩值调整其输出功率。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述角度感应器和方向感应器是陀螺仪加速器。上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述力矩感应器是应变规感应器。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述曲柄本体包括应变规容置腔，所述应变规感应器贴附于所述应变规容置腔的内壁。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述设定方向为垂直方向或水平方向。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述曲柄本体包括电池容置腔，一电池设置于所述电池容置腔，所述曲柄控制器以及各感应器分别与所述电池电连接。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述脚踏装置还包括曲柄轴和动力系统用电源，所述曲柄轴包括与所述电源相连接的滑环，所述曲柄本体包括曲柄连接端，所述曲柄连接端包括与所述滑环接触连接的弹性连接柱以将电源供应至所述曲柄控制器以及各感应器。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述曲柄控制器包括与所述动力系统无线通讯连接的无线通讯模块。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述曲柄控制器还包括根据转动速度对所述曲柄本体开始转动时间和/或停止转动时间进行计时的计时器模块。

上述的带智能控制的曲柄的一实施方式中，所述曲柄控制器还包括于所述感测周期结束后仍进行一次判断所述曲柄本体的转动速度是否大于该设定阈值且方向是否向前的判定模块。

本实用新型的带助力的脚踏装置，包括车架、分别连接在所述车架上的动力系统以及行走系统，所述行走系统包括曲柄轴和分别连接在所述曲柄轴两侧的曲柄，其中，两个所述曲柄中的至少一个为上述的带智能控制的曲柄。

上述的带助力的脚踏装置的一实施例中，所述动力系统包括马达和控制所述马达的马达控制器，所述马达控制器与所述曲柄控制器无线通讯连接。

上述的带助力的脚踏装置的一实施例中，还包括设置于所述车架的车把处的显示器，所述显示器与所述马达控制器相连接。

本实用新型的有益功效在于，采用本实用新型的带智能控制的曲柄及带助力的脚踏装置，通过感测曲柄的转动力矩值以及转动速度、角度和方向，准确获取反映实际最大脚踩力量的曲柄所受到的最大实际力矩值，马达根据此最大实际力矩值智能输出适当功率，使骑行者舒适骑行。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为本实用新型的带助力的脚踏装置的一实施例的结构简图；

图2为本实用新型的带助力的脚踏装置的带智能控制的曲柄及动力系统的模块图；

图3为本实用新型的带智能控制的曲柄的一实施例的结构示意图；

图4为图3另一方向的结构示意图；

图5为带智能控制的曲柄所处位置感测力矩值与实际力矩值关系示意图；

图6为本实用新型的带智能控制的曲柄的一实施例的工作流程图；

图7为本实用新型的带助力的脚踏装置的曲柄轴的一实施例的结构示意图；

图8为本实用新型的带智能控制的曲柄的另一实施例与曲柄轴连接的剖视示意图。

其中，附图标记

100 带智能控制的曲柄

110 曲柄本体

111 弹性连接柱

120 力矩感应器

130 速度感应器

140 角度感应器

150 方向感应器

160 曲柄控制器

161 无线通讯模块

162 计时器模块

170 放大器

200 带助力的脚踏装置

211 马达控制器

212 马达

210 动力系统

220 显示器

230 车架

240 行走系统

241 曲柄轴

242 滑环

S1 应变规容置腔

S2 线路板容置腔

S3 电池容置腔

P 线路板

B 纽扣电池

E 曲柄连接端

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本实用新型的目的、方案及功效，但并非作为本实用新型所附权利要求保护范围的限制。

配备有本实用新型的带智能控制的曲柄的带助力的脚踏装置，其动力来源 是马达和人力，在脚踏后马达方才产生动力，所以带助力的脚踏装置的每次充完电后的行驶距离也较长。在爬坡时，本实用新型的带助力的脚踏装置可以感受到骑行者使用力气的增加而自动提高电流的供应以增加马达输出的功率。在下坡时，骑行者没有踩踏，马达也就停止输出电流。

如图1和图2所示，本实用新型的带智能控制的曲柄100应用于带助力的脚踏装置200上，带助力的脚踏装置200还包括动力系统210、显示器220、车架230以及行走系统240，动力系统210、显示器220以及行走系统240分别连接在车架230上。

行走系统240包括曲柄轴241，曲柄轴241两侧分别连接一个曲柄的一端，曲柄的另一端连接脚踏，骑行者踩动脚踏，脚踏通过曲柄带动曲柄轴241以及前后车轮转动，从而使带助力的脚踏装置200向前行进。其中，曲柄轴241两侧的曲柄中可以有一侧的曲柄设置为本实用新型的带智能控制的曲柄100。不考虑成本的话，也可以两侧均设置本实用新型的带智能控制的曲柄100。

以下实施例中，以带助力的脚踏装置200的左侧曲轴为本实用新型的智能曲轴100为例进行说明。

参阅图1和图2，动力系统210包括马达控制器211和马达212，显示器220例如设置于车架230的车把处，方便骑行者设置和查看。带智能控制的曲柄100与马达系统210的马达控制器211采用无线通讯连接，马达系统210的马达控制器211与显示器220采用有线通讯连接。

其中，骑行者可在显示器220上选择马达出力与骑行者出力的比例，例如：如果是低段选择，则马达提供的输出功率较骑行者出力低；如果是中段选择，马达提供的输出功率与骑行者出力相当；如果是高段选择，则马达提供的输出功率高于骑行者出力。骑行者可根据需要进行各种选择，如在上坡时进行高段选择，以最大限度地满足骑行者的舒适骑行的需求。当然，显示器220还可以显示骑行距离、骑行速度、剩余电量等各种信息。

本实用新型的带智能控制的曲柄100具有多个感应器元件，以感测骑行者所施加在曲柄上的力以及曲柄转动的速度、角度和方向，依据所感测的信息计算实际施加于脚踏的最大力，并发送到动力系统210的马达控制器211，马达控制器211依据带智能控制的曲柄100所发送的信息以及骑行者在显示器210上的选择来控制马达212输出适合的功率。

具体地如图2至图4所示，带智能控制的曲柄100包括曲柄本体110，曲柄本体110上设置有力矩感应器120、速度感应器130、角度感应器140、方向感应器150以及曲柄控制器160。

力矩感应器120例如采用应变规感应器，由于脚踩的时候，曲柄本体110是直接受力的元件，故直接把力矩感应器120贴覆于曲柄本体110上，以感测骑行者施加于曲柄本体110上的转动力矩。

曲柄本体110上设置有应变规容置腔S1，力矩感应器120贴附于应变规容置腔S1的内壁，例如侧壁和/或底壁，力矩感应器120可为一个，也可为多个。力矩感应器120感测的是一设定方向上的分力，设定方向例如为水平方向或与水平方向垂直的垂直方向，本实施例中，设定方向可设置为水平方向。

角度感应器140和方向感应器150例如采用陀螺仪加速器实现角度和方向的感测，陀螺仪能够感测曲柄本体110所处空间位置的变化，可以测出曲柄本体110的X+/X-，Y+/Y-，Z+/Z-的空间位置。根据X+/X-，Y+/Y-，Z+/Z-变换的数据就可很容易知晓曲柄本体110的转动方向以及曲柄本体110与设定的水平方向之间的角度。

曲柄控制器160分别与动力系统210以及各感应器120至150相连接，于一个感测周期内，曲柄控制器160根据速度感应器130所感应的曲柄本体110的转动速度大于一设定阈值，且根据方向感应器150所感应的曲柄本体110的转动方向为向前时，再根据力矩传感器120所感应的曲柄本体110于设定方向的力矩值T以及角度感应器140所感应的曲柄本体110与设定方向的角度A来计算此时曲柄本体110所受到的实际力矩值Ta。如此反复，直至得到曲柄本体110于该感测周期内的最大实际力矩值Tmax，动力系统210根据该最大实际力矩值Tmax调整其输出功率。

上述的一个感测周期，指的是调整马达控制器电流的一个周期，例如为左曲柄受力的半圈为一个感测周期，需说明的是，本实用新型并不以此为限，例如设置左曲柄受力的两个或两个以上的半圈为一个感测周期。

上述的设定阈值，指的是设定的曲柄本体110转动的速度最小值。因，在某些情形下，例如，当两脚站立在踏板时，力矩值虽然是最大，但这不是正常的行驶状况，其重力加速度是零，马达不应启动。所以感测到曲柄本体110的速度低于设定阈值时，马达212不启动。

曲柄控制器160需要提取力矩感应器120所感测的最大的脚踏力量，以使马达212输出合适的功率。如何准确取得曲柄本体110转动一圈的最大转动力矩成为是否能够正确提供输出功率的关键。

如图5所示，曲柄本体110所处的空间位置会影响到真正造成力矩感应器120改变的力量。由于力矩感应器120感应的是水平轴X方向的应变(上述已说明设定方向设置为水平方向)，当曲柄本体110与水平轴X平行时，其输出力量是最大的，而造成力矩感应器120的变形量也是最大的，此时的力矩感应器120的变形量与实际脚踩力量F相一致。但是，当曲柄本体110的当前位置与水平轴X有角度θ时，实际脚踩力量F能造成作为力矩感应器120的应变规变化的力量是F1＝F cosθ。此时力矩感应器120所感测力矩值并不能反映实际脚踩力量F。

由于取样时间是每隔若干ms取一个样本，在一个感测周期中可取得数个样本。而样本的取点常常不会是在θ＝0度时。也就是说取样点不是力矩感应器120变形最大的时候。

本实用新型通过设置速度感应器130、角度感应器140以及方向感应器150来测出测力矩瞬间曲柄本体110的速度、角度以及方向，进而计算得出反映正常向前行进过程中的实际脚踩力量F的力矩值。

如图6所示的为带智能控制的曲柄100的曲柄控制器160的一实施例的工作过程，本实施例中，带智能控制的曲柄100为左曲柄，力矩感应器120设置为感应曲柄本体110水平轴X方向应变，角度感应器140感应曲柄本体110与水平轴X方向角度，感测周期设置为左曲柄受力的半圈。

曲柄控制器160的电信号连接及流通过程如下：

S100，初始化以将最大实际力矩值Tmax归零，即设定最大实际力矩值Tmax为零值。

S200，读取力矩感应器120、速度感应器130、角度感应器140以及方向感应器150所感应的力矩值、速度、角度以及转动方向。

S300，根据所感应的速度以及方向进行判断，速度是否超过设定阈值，方向是否向前，如果判断速度没有超过设定阈值或转动方向向后，则重新回到S200，如果判断得到速度超过设定阈值且转动方向向前，进入S400。

S400，感测此左曲柄是否在其受力的半圈内(例如，X轴正方向为前方，根据感测的角度判断曲柄本体110是否处于图5所示的α角度内)，如果是，则进入S500；如果不是在其受力的半圈内，则进入S600。

S500，根据感测的力矩值T以及角度A计算得到反映实际脚踩力量的实际力矩值Ta，并将实际力矩值Ta与现存储的最大实际力矩值Tmax进行比较，若Ta<＝Tmax，则最大实际力矩值Tmax不变；T>Tmax，Tmax＝Ta，存储替换后的最大实际力矩值Tmax，然后重新回到S200提取感应值，直至得到此受力半圈的最大实际力矩值Tmax。

S600，在脱离左曲柄的受力的半圈时，需再次读取速度以及转动方向的感应值，以判断此时转动速度是否超过设定阈值且转动方向是否向前，如果是，说明脚踏装置此时正常向前行进，此时存储的Tmax即为左曲柄此受力半圈的最大实际力矩值，进入S700；如果此时转动速度没有超过设定阈值或转动方向不是向前，则说明此时脚踏装置停止脚蹬或方向向后，不再需要对马达控制器电流进行调整，重新回到S100。

S700，马达控制器211依此最大实际力矩值Tmax控制电流以及马达输出功率，并返回S100，开始新一轮判断计算过程，以取得下一感测周期的最大实际力矩值。

其中，如图2所示，力矩感应器120与曲柄控制器140之间可通过放大器170相连接。

速度感应器130、角度感应器140以及方向感应器150可集成于同一线路板P上。另，线路板P上还集成曲柄控制器160、放大器170即其他相关电路。如图3和图4所示，曲柄本体110上还设置有线路板容置腔S2，线路板P容置于线路板容置腔S2中。

如图2所示，曲柄控制器160包括无线通讯模块161以及计时器模块162。

无线通讯模块161用于实现曲柄控制器160与动力系统210的马达控制器211无线通讯连接。

为了安全起见，马达必须在踏动若干时间方能启动，而且马达必须在脚踏动停止马上停止转动。本实用新型通过计时器模块162以根据速度感应器130所感应的曲柄本体110的速度对曲柄本体110开始转动时间或停止转动时间进行计时，以确保马达212在踏动若干时间方能启动，而且马达212在脚踏动停止马上停止转动，保证马达安全使用。

曲柄控制器160还包括判定模块，于上述第四步中，判定模块用于判断曲柄本体110已脱离感测周期时，仍读取一次速度即方向感应器，并进行一次判断曲柄本体110的转动速度是否大于该设定阈值且方向是否向前的判定，如果此时转动速度大于设定阈值且方向向前，仍通过获取的最大实际力矩值Tmax 调整马达控制器电流，如果不是，则不调整。本模块用于防止在脱离感测周期后，骑行者即不进行骑行的情形，仍进行马达控制。

本实用新型的带智能控制的曲柄100可通过纽扣电池予以供电。如图3以及图4所示，曲柄本体110包括电池容置腔S3，纽扣电池B设置于电池容置腔S3，且图2所示的力矩感应器120、速度和角度感应器130以及曲柄控制器140分别与纽扣电池B相连接。

电源也可取自带助力的脚踏装置200的电源。因曲柄一直在转动中，靠单纯的接线，线会很容易缠绕住，这是不可行的。本实用新型通过采用特殊的滑环设计。

如图7和图8所示，带助力的脚踏装置200的曲柄轴241包括与供动力系统210用的电源相连接的滑环242，曲柄本体110包括与曲柄轴241相连接的曲柄连接端E，曲柄连接端E设置有与滑环242接触连接的弹性连接柱111，弹性连接柱111与滑环电性连接以为力矩感应器120、速度感应器130、角度感应器140、方向感应器150以及曲柄控制器160提供电力来源。

本实用新型中，带助力的脚踏装置200的电源接到滑环231上面，带智能控制的曲柄100则要有具弹簧伸缩的导电的弹性连接柱111与滑环231接触，接触可靠，且可以避免线路缠绕。

本实用新型的带智能控制的曲柄，为防止液体进入容置槽，在相关部件放置妥当后，需灌入胶水，待完工后，从外观来看，与一般的曲柄相同，但是却具有智能控制马达输出的功能。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种带智能控制的曲柄，应用于一带助力的脚踏装置，所述脚踏装置包括动力系统，所述曲柄包括曲柄本体，其特征在于，所述曲柄本体内设有：

力矩感应器，感测所述曲柄本体上于一设定方向的力矩值；

速度感应器，感测所述曲柄本体的转动速度；

角度感应器，感测所述曲柄本体偏离所述设定方向的角度；

方向感应器，感测所述曲柄本体的转动方向；以及

曲柄控制器，分别与所述动力系统以及各感应器相连，于一个感测周期内，所述曲柄控制器根据各所述感应器感测的信息判断所述曲柄本体的转动速度大于一设定阈值且转动方向为向前时，再根据感测到的力矩值以及角度计算此时曲柄本体所受到的实际力矩值，并获取曲柄本体于该感测周期内的最大实际力矩值，以输出最大实际力矩值以使所述动力系统根据该最大实际力矩值调整其输出功率。

2.根据权利要求1所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述角度感应器和方向感应器是陀螺仪加速器。

3.根据权利要求1所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述力矩感应器是应变规感应器。

4.根据权利要求3所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述曲柄本体包括应变规容置腔，所述应变规感应器贴附于所述应变规容置腔的内壁。

5.根据权利要求1所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述设定方向为垂直方向或水平方向。

6.根据权利要求1至5任一项所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述曲柄本体包括电池容置腔，一电池设置于所述电池容置腔，所述曲柄控制器以及各感应器分别与所述电池电连接。

7.根据权利要求1至5任一项所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述脚踏装置还包括曲柄轴和动力系统用电源，所述曲柄轴包括与所述电源相连接的滑环，所述曲柄本体包括曲柄连接端，所述曲柄连接端包括与所述滑环接触连接的弹性连接柱以将电源供应至所述曲柄控制器以及各感应器。

8.根据权利要求1所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述曲柄控制器包括与所述动力系统无线通讯连接的无线通讯模块。

9.根据权利要求1所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述曲柄控制器还包括根据转动速度对所述曲柄本体开始转动时间和/或停止转动时间进行计时的计时器模块。

10.根据权利要求1所述的带智能控制的曲柄，其特征在于，所述曲柄控制器还包括于所述感测周期结束后仍进行一次判断所述曲柄本体的转动速度是否大于该设定阈值且方向是否向前的判定模块。

11.一种带助力的脚踏装置，包括车架、分别连接在所述车架上的动力系统以及行走系统，所述行走系统包括曲柄轴和分别连接在所述曲柄轴两侧的曲柄，其特征在于，两个所述曲柄中的至少一个为权利要求1至10任一项所述的带智能控制的曲柄。

12.根据权利要求11所述的带助力的脚踏装置，其特征在于，所述动力系统包括马达和控制所述马达的马达控制器，所述马达控制器与所述曲柄控制器无线通讯连接。

13.根据权利要求12所述的带助力的脚踏装置，其特征在于，还包括设置于所述车架的车把处的显示器，所述显示器与所述马达控制器相连接。