DE4227586A1 - Ergometer, e.g. for training sports cyclists, - measures deformations of pedals, handlebars and seat stem independently in orthogonal directions - Google Patents

Ergometer, e.g. for training sports cyclists, - measures deformations of pedals, handlebars and seat stem independently in orthogonal directions

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DE4227586A1
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Abstract

The ergometer separately measures all four possible elastic deformations which can occur in a pedal lever, i.e. bending in the rotation direction, bending perpendicular to this direction, extension along the lever and torsion about the lever. The direction and amplitude of the force applied by the rider to the pedal are derived using Hook's equation or elasticity theory. The force is measured at many different angular positions of the pedal. One revolution is divided into a large number of small angle intervals, between which the force is quantised and the time recorded. The forces acting on the steering mechanism and saddle are determined from the elastic deformations of the handlebar and saddle stem respectively in three orthogonal directions. USE/ADVANTAGE - For training with sports equipment, e.g. cycle. Enables optimal motions to be determined and taught to sportsman.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in ihrer Art als Ergometer zu bezeichnen, die dem Auffinden und Trainieren des optimalen Bewegungsablaufs dient, welcher durch die Konstruktion des Sportgerätes, hier durch ein Fahrrad vorgegeben ist, durch Erfassung konstruktiver und destruktiver Kraftanteile, die der Radfahrer auf dem Fahrrad freisetzt.The invention relates to a device, to be referred to as an ergometer, the finding and training of the optimal movement serves, which by the construction of the sports equipment, here by a bicycle is predetermined, by recording constructive and destructive parts of the force, that the cyclist releases on the bike.

Eine Vorrichtung der gleichen Gattung ist aus der PS 37 22 728 bekannt. In dieser Patentschrift wird eine Vorrichtung beschrieben, die in einer besonderen Ausführungsform zur Messung der an einer Fahrradkurbel angreifenden Leistung, bei der die Drehmomentübertragung von der Kurbel auf das Kettenblatt erfolgt, wobei die an der Kurbel angreifenden mechanischen Größen, Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit, in elektrische Signale, umgewandelt und durch Induktion von der bewegten Kurbel auf den Rahmen übertragen und dort einem Auswertegerät zugeführt werden.A device of the same type is known from PS 37 22 728. In this patent a device is described, which in a particular Embodiment for measuring the attack on a bicycle crank Power at which the torque transmission from the crank to the chainring takes place, the mechanical quantities acting on the crank, Torque and angular velocity, converted into electrical signals and transferred to the frame by induction from the moving crank and there are fed to an evaluation device.

Die in PS 37 22 728 beschriebene Leistungsmessung weißt jedoch folgende, unter anderem der wirtschaftlichen Nutzung entgegenwirkende Mängel auf:However, the power measurement described in PS 37 22 728 knows the following Defects that counteract economic use include:

Erstens bedingt der hohe konstruktive Aufwand, der durch die Gestaltung und Integration von gesonderten Verformungselementen, was deutlich durch die Fig. 2-4 dieser Patentschrift wiedergegeben wird, enorme Kosten, die insbesondere dadurch vergrößert werden, daß das zur Leistungsmessung herangezogene Fahrrad mit dieser Kurbelkonstruktion ausgestattet, d. h. umgebaut werden muß.First of all, the high design effort, which is due to the design and integration of separate deformation elements, which is clearly represented by FIGS. 2-4 of this patent specification, entails enormous costs, which are increased in particular by equipping the bicycle used for power measurement with this crank construction , ie must be rebuilt.

Zweitens läßt die Signalübertragung durch Induktion nur relativ niedrige Frequenzen zu. Hier ist die Beschränkung weniger in der Technik, als in den Bestimmungen des Fernmeldegesetzes zu suchen, da bei höheren Frequenzen die Übertragungsspule als Antenne wirkt und damit ein Störsignal abstrahlt. Eine niedrige Frequenz bedeutet aber, wie in der nachfolgenden Theorie noch dargestellt ist, niedrige Auflösung der Meßgröße und lange Integrationszeiten für eine Messung.Second, induction signal transmission is relatively low  Frequencies too. Here the limitation is less in technology than in To look for provisions of the Telecommunications Act, because at higher frequencies the transmission coil acts as an antenna and thus emits an interference signal. A low frequency means, as in the theory below is shown, low resolution of the measured variable and long integration times for a measurement.

Drittens wird die Winkelgeschwindigkeit der Pedalkurbel aus der Tretfrequenz ermittelt, was aber bedeutet, daß sich die Winkelgeschwindigkeit über jeweils eine ganze Umdrehung der Pedalkurbel mittelt und damit auch die errechneten Größen Arbeit und Leistung.Third, the angular velocity of the pedal crank is derived from the cadence determined, which means that the angular velocity over averages one full turn of the pedal crank and thus also the calculated quantities work and performance.

Viertens bedarf es einer Hilfsenergie, die am Tretlager mitbewegt werden muß. Wie im beschriebenen Falle einer Trockenzelle oder eines Akkus bedeutet das aber, daß durch überprüfen oder auswechseln dieser Hilfsenergie an der Pedalkurbel ständig für genügend Ressourcen zu sorgen ist, und daß aufgrund der Austauschbarkeit dieser Hilfsenergie weitere konstruktive Maßnahmen notwendig sind, die Vorrichtung gegen Wasser und Schmutz zu schützen.Fourth, an auxiliary energy is required, which is moved along with the bottom bracket got to. As in the case described here means a dry cell or a battery but that by checking or replacing this auxiliary energy at the Pedal crank is constantly to provide sufficient resources, and that because The interchangeability of this auxiliary energy requires further constructive measures are to protect the device against water and dirt.

Des weiteren beschreibt die Offenlegungsschriftt DE 38 13 681 A1 ein Ergometer, insbesondere für Fahrräder oder andere Geräte, bei denen durch eine Dreh- oder Schwenkbewegung Arbeit einleitbar ist. Hierbei sind Dehnungsmeßstreifen am Rahmen bzw. am Tretlager appliziert, die dem Ziel dienen, die auf die Kurbel ausgeübte Kraft bzw. die Kettenkraft zu bestimmen.Furthermore, laid-open specification DE 38 13 681 A1 describes an ergometer, especially for bicycles or other devices where a Rotational or pivoting movement work can be initiated. Here are strain gauges applied to the frame or the bottom bracket, which serve the purpose of to determine the force exerted on the crank or the chain force.

Die Nachteile hierbei sind den obengenannten teilweise analog. Insbesondere wird auch hier keine genaue Quantisierung der Kräfte bezüglich Richtung und Zeit vorgenommen.The disadvantages here are partially analogous to the above. Especially here, too, no exact quantization of the forces with regard to direction and time made.

Weiterhin beschreibt die Offenlegungsschrift DE 38 13 792 A1 eine Vorrichtung zum Messen und Auswerten der Leistungsdaten eines Fahrradfahrers, die ausschließlich der Ermittlung und Anzeige des runden Tritts durch Bewerten der Gleichmäßigkeit der Winkelgeschwindigkeit dient. Hier wird nur die Winkelbewegung der Kurbel betrachtet, jedoch nicht, wie der Radfahrer die Kurbelbewegung zustande bringt, d. h. wie er seine Kraftentfaltung auf das Rad gestaltet.Furthermore, the published patent application DE 38 13 792 A1 describes a device for measuring and evaluating the performance data of a cyclist, which are exclusively used to determine and display the round kick by evaluating serves the uniformity of the angular velocity. Here is just the Considered angular movement of the crank, but not like the cyclist Brings crank movement d. H. how he unfolded his power on that Wheel designed.

Weiterhin ist in der europäischen Patentschrift EP 0 422 325 A1 ein Ergometer angegeben. Dabei handelt es sich aber um eine stationäre Vorrichtung, bei der die, dem Radfahrer entgegengesetzte Kraft durch ein Bremssystem erzeugt wird. Hier wird die Kraft bei verschiedenen Winkeln des Pedalhebels erfaßt, was aber konstruktionsbedingt nur stationär und nicht für beide Pedale getrennt möglich ist. Dieses Ergometer sei hier stellvertretend für alle anderen stationären genannt.Furthermore, there is an ergometer in European patent EP 0 422 325 A1 specified. However, this is a stationary device, at which generates the force opposite to the cyclist through a braking system  becomes. Here the force is recorded at different angles of the pedal lever, which, due to the design, is only stationary and not separate for both pedals is possible. This ergometer is representative of everyone else called stationary.

Letztlich ist in der Gebrauchsmusteranmeldung G 83 30 952.7 durch Fig. 2 ein Hebel wiedergegeben, auf dem DMS appliziert sind, der sich aber durch spezielle Formgebung auszeichnet und der Messung des Drehmoments in einem beschränkten Winkelbereich dient, also mit dem hier vorgestellten Erfindungsgegenstand ebenfalls nicht im Konflikt steht.Ultimately, in utility model application G 83 30 952.7 by Fig. 2nd reproduced a lever on which strain gauges are applied, but which is distinguished by special Form design and the measurement of torque in one limited angular range is used, ie with the subject matter of the invention presented here is also not in conflict.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben aufgeführten Nachteile und Einschränkungen zu beheben und insbesondere den durch das Trainingsgerät vorgegebenen optimalen Bewegungsablauf, hier bei einem Fahrrad, zu finden und zu trainieren, was durch die getrennte Erfassung konstruktiver und destruktiver Kraftanteile, die der Radfahrer auf dem Fahrrad freisetzt, realisierbar ist. Dies soll durch die Erfindung insbesondere in Echtzeit und unter realen Trainingsbedingungen ermöglicht werden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages listed above and to fix restrictions and in particular that caused by the training device predetermined optimal sequence of movements, here with a bicycle find and train what is constructive and through the separate capture destructive parts of the force released by the cyclist on the bike can be realized is. This is intended in particular in real time and under the invention real training conditions are made possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach eingehender Analyse der am Pedalhebel relevanten elastischen Verformungen diese, durch geeignetes Anordnen von Dehnungsmeßstreifen auf dem Pedalhebel, selektiv und unabhängig voneinander erfaßt werden.This object is achieved in that after detailed Analysis of the relevant elastic deformations on the pedal lever suitable arrangement of strain gauges on the pedal lever, selective and be recorded independently of each other.

Zwar ist in der Druckschrift PS 37 22 728 ein Anspruch aufgeführt, daß ein Bereich der Pedalkurbel selbst als Biegeelement ausgebildet ist, auf dem die Dehnmeßstreifen appliziert sind, jedoch werden keine weitergehenden Einzelheiten und Erkenntnisse mitgeteilt, wie dieses Biegeelement zu gestalten ist und wie die Applikation zu erfolgen hat, respektive auch nicht welche Ergebnisse eine derartige Anordnung zu liefern vermag.Although a claim is listed in the publication PS 37 22 728 that a Area of the pedal crank itself is designed as a bending element on which the Strain gauges are applied, however, no further details and provided information on how to design this bending element and how the application should be carried out, or not what results can deliver such an arrangement.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Gesetz der Elastizitätstheorie: "Volumenelastitzität und Gestaltelastizität sind zwei voneinander verschiedene, sich gegenseitig nicht beeinflussende Wirkungen der atomaren Bindungskräfte." Mit dieser Information und dem zugehörigen mathematischen Formalismus lassen sich nun die Elastizitätsverhältnisse für kombinierte, sich aus Volumen- und Gestaltelastizität zusammensetzende Verformungen wie Biegung, Dehnung oder Torsion herleiten.The starting point of the invention is a law of elasticity theory: "Volume elasticity and shape elasticity are two different from each other mutually non-influencing effects of the atomic binding forces. " With this information and the associated mathematical formalism the elasticity ratios for combined volume-based and shape-elastic deformations such as bending, elongation or derive torsion.

Angesichts der kleinen Kräfte, die auf den Pedalhebel wirken, sind auch nur geringe Deformationen zu erwarten. Dadurch aber erlangt das Hookesche Gesetz Gültigkeit (Verformungen sind in erster Ordnung zur Kraft), und es ist möglich, sog. Kleinwinkelnäherungen anzubringen, was z. B., wie in Fig. 2b an einem durch das Torsionsmoment T verdrillten Stab TS gezeigt, für kleine Schiebungswinkel SW bedeutet, daß cos (SW)≈1 ist und damit nahezu keinen Einfluß auf in Längsrichtung applizierte DMS hat. Auf dem daraus resultierenden und insbesondere durch die DMS-Technologie experimentell bestätigt und gesicherten Sachverhalt, daß im Rahmen der an einen einem Pedalhebel zu erwartenden Kräfte, vier elastische Verformungen relevant und zueinander unabhängig sind,In view of the small forces that act on the pedal lever, only slight deformations can be expected. As a result, Hooke's law becomes valid (deformations are first order to the force), and it is possible to apply so-called small-angle approximations. B., as shown in FIG. 2b on a rod TS twisted by the torsional moment T, for small contact angles SW means that cos (SW) ≈1 and thus has almost no influence on strain gauges applied in the longitudinal direction. Based on the resultant and, in particular, experimentally confirmed and verified facts that four elastic deformations are relevant and independent of each other within the framework of the forces to be expected from a pedal lever,

  • - Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a),- Bend in the direction of rotation ( Fig. 1a),
  • - Biegung senkrecht dazu, d. h. in Richtung Drehachse (Fig. 1b),- Bend perpendicular to it, ie in the direction of the axis of rotation ( Fig. 1b),
  • - Dehnung in Längsrichtung des Pedalhebels (Fig. 1c),- Elongation in the longitudinal direction of the pedal lever ( Fig. 1c),
  • - Torsion um Längsrichtung des Pedalhebels (Fig. 1d),Torsion about the longitudinal direction of the pedal lever ( FIG. 1d),

und getrennt und unabhängig voneinander erfaßt werden können, beruht der Gegenstand der Erfindung.and can be recorded separately and independently of one another, is based on Subject of the invention.

Da die einzelnen Verformungen am Pedalhebel als unabhängig betrachtet werden können, lassen sie sich auch getrennt analysieren. Als Ergebnis sei hier beispielhaft das einer Biegung (Fig. 1a) gezeigt: Die Kraft F verursacht am Biegestab auf der Oberseite eine positive D und auf der Unterseite eine negative Dehnung S (Stauchung). Dazwischen liegt die neutrale Faser NF, die ihre Länge L (freie Länge des Stabes) beibehält.Since the individual deformations on the pedal lever can be regarded as independent, they can also be analyzed separately. The result of a bend ( Fig. 1a) is shown here by way of example: the force F causes a positive D on the upper side of the bending rod and a negative expansion S (compression) on the lower side. In between is the neutral fiber NF, which maintains its length L (free length of the rod).

Durch Herleiten erhält man aus der KrümmungBy deriving one obtains from the curvature

wobei R der Krümmungsradius an der Stelle s und E der Elastizitätsmodul ist, für die Form des belasteten Biegestabes:where R is the Radius of curvature at point s and E is the modulus of elasticity, for the shape of the loaded bending rod:

Den Biegepfeil a erhält man ausThe bending arrow a is obtained from

In allen Formeln ist JA das durch JA=∫A dA r² definierte Flächenträgheitsmoment des Stabes bzw. des Pedalhebels an der Querschnittsfläche, über deren Rand die DMS appliziert sind.In all formulas, J A is the area moment of inertia of the rod or pedal lever defined by J A = ∫ A dA r² on the cross-sectional area, over the edge of which the strain gauges are applied.

Für die Dehnung ε, welche auf der Oberseite positives und auf der Unterseite negatives Vorzeichen hat, ergibt sich im betrachteten Applikationsbereich (für relativ kurze DMS)For the elongation ε, which is positive on the top and on the bottom has a negative sign, results in the application area under consideration  (for relatively short strain gauges)

(Fig. 3a), woraus, durch multiplizieren mit dem k-Faktor der DMS und einsetzen in die Brückengleichung, die Brückendiagonalspannung an den Aschlüssen 1 und 4 der Wheatstoneschen Brücke (Fig. 3c) folgt. Dabei ist h der Abstand der DMS-Applikationsflächen von der neutralen Faser. In umgekehrter Richtung läßt sich damit einer Brückendiagonalspannung eindeutig die für die Biegung verantwortliche Kraft zuordnen.( Fig. 3a), from which, by multiplying by the k-factor of the strain gage and inserting it into the bridge equation, the bridge diagonal voltage at the terminals 1 and 4 of the Wheatstone bridge ( Fig. 3c) follows. H is the distance between the strain gauge application surfaces and the neutral fiber. In the opposite direction, a bridge diagonal tension can be clearly assigned the force responsible for the bending.

Um die Biegung des Pedalhebels in Drehrichtung (Fig. 1a) selektiv zu erfassen, ist es am sinnvollsten, die DMS auf der Ober- und Unterseite des Pedalhebels, möglichst im hier als günstigen Applikationsbereich GAB bezeichneten Abschnitt zu applizieren (Fig. 3a, b), da in diesen Bereich durch den großen Hebelweg zwischen DMS und der Pedalachse PA die größte Verformung zu erwarten ist.In order to selectively record the bending of the pedal lever in the direction of rotation ( Fig. 1a), it is most sensible to apply the strain gauges to the top and bottom of the pedal lever, preferably in the section designated here as the favorable application area GAB ( Fig. 3a, b) , because the greatest deformation is to be expected in this area due to the large leverage between the strain gauge and the pedal axis PA.

Bei zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Pedalhebels applizierten DMS Fig. 3b bewirkt eine Biegung durch das Biegemoment Mb, daß der DMS1 und ein εoben gedehnt und der DMS2 um das betragsgleiche εunten gestaucht wird. Eine überlagerte Normaldehnung dagegen dehnt beide DMS mit gleichem Vorzeichen um ein εn. Setzt man das in die Brückengleichung der nach (Tab. 1) geschalteten Brücke ein, so werden durch Vorzeichenumkehr des Signals eines DMS die Signale der Biegung addiert, während sich die Signale der Normaldehnung gegenseitig wegheben. Der Biegung überlagerte Normaldehnungen werden also nicht mit erfaßt.With two DMS Fig. 3b applied on opposite sides of the pedal lever, a bending by the bending moment M b causes the DMS1 and an ε to be stretched at the top and the DMS2 to be compressed by the same amount ε at the bottom . A superimposed normal strain, on the other hand, stretches both strain gages with the same sign by an ε n . If you put this into the bridge equation of the bridge connected according to (Tab. 1), the signals of the bend are added by reversing the sign of the signal of a strain gauge, while the signals of the normal expansion cancel each other out. Normal strains superimposed on the bend are therefore not included.

Analoges gilt für die Applikation nach Fig. 4 und Tab. 2, die eine Biegung in Richtung der Drehachse (Fig. 1b) selektiv erfaßt.The same applies to the application according to Fig. 4 and Tab. 2, which selectively detects a bend in the direction of the axis of rotation ( Fig. 1b).

Andererseits gehen bei einer nach Tab. 3 geschalteten Brücke die Dehnungen mit gleichem Vorzeichen ein, so daß sich hier die Biegesignale kompensieren und nur die Normaldehnung erfaßt wird, was ebenfalls für gemäß Fig. 3a und Fig. 4 applizierte DMS gleichermaßen gilt. Für Normaldehnungen ist dieser Sachverhalt in Fig. 5 nochmals zusammenfassend dargestellt, mit der Besonderheit, daß hier der günstige Applikationsbereich nahezu den ganzen Hebel einnimmt, da sich die Normaldehnung gleichmäßig über die ganze Hebellänge erstreckt.On the other hand, so that the bending signals compensate, and only the normal strain is detected here go in a switched according to Tab. 3 bridge the strains of the same sign a, which applied also to FIG. 3a and FIG. 4 DMS applies. This situation is shown again in summary for normal strains in FIG. 5, with the special feature that the favorable application area takes up almost the entire lever here, since the normal stretch extends uniformly over the entire lever length.

Für Biegungen quer zur Drehrichtung (Fig. 1b) läßt sich bei einer Applikation nach Fig. 3a und Fig. 3b links die weiter oben angegebene Kleinwinkelnäherung übertragen, d. h. Querbiegungen werden nicht erfaßt. Für eine Vollbrückenapplikation etwa nach Fig. 3b rechts sind die Verhältnisse komplizierter. Hier werden durch Querbiegung z. B. die beiden DMS1 und 2 gestaucht (negatives ε) und die beiden DMS1′ und 2′ gedehnt (positives ε). Durch entsprechendes Anordnen der Brückenglieder läßt sich neben dem Normaldehnungs- auch das Querdehnungssignal kompensieren, so daß auch eine Vollbrückenanordnung für nur eine Biegerichtung selektiv bleibt.For bends transversely to the direction of rotation (Fig. 1b) may be in an application according to Fig. 3a and Fig. 3b, left transmit the above mentioned small angle approximation, that is cross-bends are not detected. For a full bridge application, for example, according to FIG. 3b on the right, the situation is more complicated. Here are z. B. the two DMS1 and 2 upset (negative ε) and the two DMS1 'and 2' stretched (positive ε). By arranging the bridge members accordingly, the transverse strain signal can be compensated in addition to the normal strain signal, so that even a full bridge arrangement remains selective for only one bending direction.

Prinzipiell wäre es auch möglich einfache Viertelbrückenschaltungen zu verwenden und die damit erhaltenen Werte rechnerisch zu differenzieren, was aber wegen der potentiellen Fehlerträchtigkeit dieser Methode nicht weiter von Interesse ist. Auch ist anzumerken, daß bei Pedalhebeln, die auf der Ober- und Unterseite spitz zulaufen, wohl nur die Applikation nach Fig. 3b links Sinn macht.In principle, it would also be possible to use simple quarter-bridge circuits and to differentiate the values obtained with them arithmetically, but this is of no further interest because of the potential error rate of this method. It should also be noted that with pedal levers that taper to the top and bottom, only the application according to FIG. 3b on the left makes sense.

Die Torsion wird üblicherweise mit sog. 90°-Rosetten oder durch allseitig applizierte, 45° gedrehte Linear-DMS bestimmt (Fig. 6).The torsion is usually determined using so-called 90 ° rosettes or by means of linear strain gauges applied on all sides, rotated 45 ° ( Fig. 6).

Des weiteren lassen sich anstatt vieler Einzel-DMS sog. Mehrfach-DMS verwenden, die die für die verschiedenen Verformungen zu applizierenden DMS in sich vereinigen. Zum einfacheren Handhaben und Applizieren können die DMS auch auf Trägern, sog. Applikationshilfen AH, aufgebracht sein. So läßt sich z. B. ein Pedalhebel aus Stahl schnell und einfach durch Punktschweißen mit einem Blechstreifen als DMS-tragende Applikationshilfe ausrüsten. Andere Materialien lassen sich z. B. durch Kleben als Applikationshilfe AH heranziehen (Fig. 7).Furthermore, instead of many single strain gauges, so-called multiple strain gauges can be used, which combine the strain gauges to be applied for the various deformations. For easier handling and application, the strain gauges can also be applied to supports, so-called application aids AH. So z. B. equip a pedal lever made of steel quickly and easily by spot welding with a metal strip as a strain gauge-bearing application aid. Other materials can e.g. B. by gluing as application aid AH ( Fig. 7).

Daß die Befestigung auch mittels Klemmelemente KE erfolgen kann (Fig. 8) ist insbesondere hochgradig von Interesse, daß jedes beliebige Fahrrad evtl. auch durch Laienhand mit derartig applizierten DMS-Trägern, die möglicherweise bereits kontaktiert und mit einer Umhüllung gekapselt sind, nachgerüstet werden kann, weshalb besondere Kettenblätter oder Pedalkurbelkonstruktionen hinfällig werden. Die Anwendung würde also nicht auf einen nur kleinen Fachkreis beschränkt bleiben. Bei geklemmten DMS-Applikationen ist zwar die oben angegebene Formel für die Dehnung nicht mehr ohne weiteres anwendbar, da die Biegung im Bereich zwischen den Klemmen in eine Normaldehnung des DMS-Trägers transformiert wird, was jedoch auf die erreichbare Genauigkeit keinen nennenswerten Einfluß hat. The fact that the attachment can also be carried out by means of clamping elements KE ( FIG. 8) is particularly of great interest that any bicycle can also be retrofitted by laymen with such applied strain gage carriers, which may already have been contacted and encapsulated with a covering , which is why special chainrings or pedal crank constructions become obsolete. The application would not be restricted to a small group of experts. In the case of clamped strain gauge applications, the above-mentioned formula for the stretch is no longer applicable, since the bending in the area between the clamps is transformed into a normal strain of the strain gauge carrier, but this has no significant effect on the accuracy that can be achieved.

Die von der Wheatstoneschen Brücke gelieferte, der Kraft proportionalen Spannung wird direkt von einer auf der Pedalkurbel mitbewegten Elektronik weiter aufbereitet. Die Versorgung dieser Elektronik, einschließlich der Speisung für die DMS-Brücken (Fig. 3c Anschlüsse 2 und 3) erfolgt auf induktivem Weg. Sie wird durch eine drehbare Transformatoranordnung realisiert, welche aus einem sich stirnseitig gegenüberstehenden Spulenpaar besteht, wovon eine T1 starr am Rahmen TL ruhend, von einem durch eine zentrale Versorgung bereitgestellten Wechselstrom (f<1 kHz) durchflossen wird und dadurch in der anderen T2, an der Pedalkurbel PK mitbewegten eine Spannung induziert (Fig. 10). Diese Spannung wird gleichgerichtet und von einem Kondensator gesiebt.The voltage, which is supplied by the Wheatstone bridge and is proportional to the force, is further processed directly by electronics which are moved on the pedal crank. These electronics, including the supply for the strain gauge bridges ( Fig. 3c connections 2 and 3 ) are supplied by inductive means. It is implemented by a rotatable transformer arrangement, which consists of a pair of opposing coils on the front side, of which a T1, resting rigidly on the frame TL, flows through an alternating current (f <1 kHz) provided by a central supply, and thus in the other T2 the pedal crank PK also induced a voltage ( FIG. 10). This voltage is rectified and screened by a capacitor.

Die Elektronik besteht z. B. aus einer extrem leistungsarmen, durch die Brückendiagonalspannung direkt gesteuerten Quarz-Oszillatorschaltung, die vorwiegend aus Feldeffekttransistoren besteht und auch bei sehr niedrigen Betriebsspannungen sicher arbeitet, aber hier nicht weiter vorgestellt zu werden braucht. Wird sie in SMD-Technik realisiert, so nimmt sie pro Kanal nur etwa die Fläche einer 1-DM-Münze in Anspruch. Durch einen Custom-Chip ließe sie sich sogar in einem einzigen IC, also ohne Probleme an der Pedalkurbel unterbringen.The electronics are e.g. B. from an extremely low power, through Bridge diagonal voltage directly controlled quartz oscillator circuit that consists mainly of field effect transistors and also at very low operating voltages works safely, but will not be presented here needs. If it is implemented in SMD technology, it only takes approximately per channel the area of a 1 DM coin. With a custom chip even in a single IC, so without problems with the pedal crank accommodate.

Die Übertragung der Daten von der sich drehenden Pedalkurbel auf den Rahmen wird in besonders vorteilhafter Weise durch einen drehbaren Optokoppler gelöst. Er besteht aus zwei Komponenten, die sich stirnseitig gegenüberstehen, wovon eine an der Pedalkurbel PK mitbewegt wird, während die andere starr am Rahmen TL befestigt ist (Fig. 10). Die an der Pedalkurbel mitbewegte Komponente, das Sendeteil ST, besteht aus einem Leuchtring LR, der z. B. als Diffusor- und Reflektorring RE ausgebildet sein kann und das von einem oder mehreren Lichtsendern, in den Ring LR eingetrahlte Signal über den ganzen Ring verteilt, stirnseitig ausstrahlt. Fig. 11a zeigt z. B. stirnseitig ein Sendeteil, dessen Leuchtring durch eine Leuchtdiode LED, mit einer, dem zu übertragenden Signal proportionalen Leuchtintensität ausgeleuchtet wird.The transmission of the data from the rotating pedal crank to the frame is solved in a particularly advantageous manner by a rotatable optocoupler. It consists of two components that face each other, one of which is also moved on the pedal crank PK, while the other is rigidly attached to the frame TL ( FIG. 10). The component moving on the pedal crank, the transmitting part ST, consists of a light ring LR, which, for. B. can be designed as a diffuser and reflector ring RE and the front of one or more light transmitters, injected into the ring LR distributed signal over the entire ring. FIG. 11a shows z. B. the front side of a transmitting part, the light ring is illuminated by a light-emitting diode LED, with a light intensity proportional to the signal to be transmitted.

Durch Impulsbetrieb der Senderdiode LED, z. B. mit Hilfe eines Treiberkondensators, der in den Impulspausen langsam und gleichmäßig aufgeladen wird, und seine gespeicherte Energie bei einem Impuls schlagartig an die LED abgibt, ist es möglich, die induktive Spannungsversorgung an der Pedalkurbel gering und gleichmäßig zu belasten, und dennoch extrem hohe Leuchtdichten zu erzielen, weshalb im Versuchsaufbau bereits eine LED ausreichte, um den Leuchtring vollständig auszuleuchten.By pulse operation of the transmitter diode LED, e.g. B. with the help of a driver capacitor, the charged slowly and evenly in the pause and its stored energy abruptly to the LED when there is an impulse outputs, it is possible to use the inductive power supply on the pedal crank low and even load, and yet extremely high luminance to achieve, which is why an LED was sufficient in the experimental setup to  Illuminate the illuminated ring completely.

Die starr am Rahmen befestigte Komponente, das Empfängerteil ET, wird aus einem oder einer Anordnung von Lichtempfängern LE, z. B. Fotodioden, gebildet. Er muß dabei so angeordnet sein, daß während einer vollständigen Umdrehung des Sendeteils immer ein Teil, der vom Lichtsender emittierten Lichtintensität auf einen Empfänger trifft, also die Übertragung nie abreißt (Fig. 11b).The component rigidly attached to the frame, the receiver part ET, consists of one or an arrangement of light receivers LE, e.g. B. photodiodes formed. It must be arranged in such a way that during a complete revolution of the transmitting part a part that strikes the light intensity emitted by the light transmitter hits a receiver, that is, the transmission never stops ( FIG. 11b).

Wird zur Übertragung Infrarotlicht IR verwendet, so kann durch einen einfachen IR-Filter vor dem Empfänger störendes Fremdlicht abgeblockt werden, so daß es nicht zwingend notwendig ist, den Spalt zwischen Sende- und Empfangsteil lichtdicht abzuschotten. Für die praktische Anwendung ist dies deshalb von Vorteil, weil die beiden Teile des Optokopplers, aber auch Versorgungsspule und Elektronik hermetisch vergossen werden können, womit in Verbindung mit gekapselten DMS-Trägern ein gegen Wasser und Schmutz völlig unempfindlicher Aufbau gegeben ist. Da die Übertragung durch Licht bewerkstelligt wird ist auch bei höchsten Frequenzen des Oszillators (z. B. mehrere 10 MHz) das Problem eines Störsenders gebannt.If infrared light IR is used for transmission, a simple IR filters are blocked in front of the receiver, disturbing extraneous light, so that it is not absolutely necessary for the gap between the transmitting and receiving parts isolate from light. This is therefore of practical application Advantage because the two parts of the optocoupler, but also supply coil and electronics can be potted hermetically, in connection with which with encapsulated strain gage carriers a completely insensitive to water and dirt Structure is given. Because the transmission is accomplished by light is even at the highest frequencies of the oscillator (e.g. several 10 MHz) the problem of a jammer eliminated.

Werden mehrere dieser Sender- und Empfangskomponenten zentrisch umeinander angeordnet, so lassen sich damit eine entsprechende Anzahl von Kanälen vom sich drehenden Teil auf ein Ruhendes übertragen.Several of these transmitter and receiver components are centered around each other arranged so that a corresponding number of channels transferred from the rotating part to a resting one.

Durch teilweises Abdecken des Senderinges und entsprechendes Anordnen von Empfangsfenstern mit getrennten Empfängern, kann dieser Optokoppler gleichzeitig als Winkelgeber dienen, was in Fig. 12 für einen impulsgebenden und in Fig. 13 für einen codegebenden Optokoppler beispielhaft dargestellt ist. Dabei sind die Sende- und Empfangsfenster so angeordnet, das immer mindestens ein Empfänger das Sendersignal sieht, also die Übertragung nie abreißt. Nachdem die Information der Winkelstellung gewonnen wurde, werden die Signale der Empfänger in eineme Punkt gesammelt und das somit erhaltene Empfangssignal weitergeleitet.By partially covering the transmitter ring and correspondingly arranging reception windows with separate receivers, this optocoupler can simultaneously serve as an angle encoder, which is shown in FIG. 12 for an impulse-giving and in FIG. 13 for a code-giving optocoupler. The transmission and reception windows are arranged so that at least one receiver always sees the transmitter signal, i.e. the transmission never stops. After the information of the angular position has been obtained, the signals of the receivers are collected at one point and the received signal thus obtained is passed on.

Das nun am Rahmen elektrisch verfügbare, mit der auf das Pedal wirkenden Kraft modulierte Frequenzsignal des VCOs fvco=f₀+Δf kann nun am einfachsten mit einer zweiten, der Mittelfrequenz f₀ des VCOs entsprechenden Frequenz korelliert werden. Das kann nach entsprechender Vorbereitung entweder additiv oder multiplikativ geschehen. Mit Hilfe der Additionstheoreme für Winkelfunktionen zeigt sich:The frequency signal of the VCO f vco = f₀ + Δf, which is now electrically available on the frame and modulated with the force acting on the pedal, can now be most easily correlated with a second frequency corresponding to the center frequency f₀ of the VCO. After appropriate preparation, this can be done either additively or multiplicatively. With the help of the addition theorems for angular functions it is shown:

für die Addition undfor addition and

für die Multiplikation, wobei A jeweils die Amplitude und ω=2πf die Kreisfrequenz eines Signals ist. Nimmt man den hochfrequenten Schwingungsterm z. B. durch ein Tiefpaß-Filter heraus, so bekommt man ein Signal, daß nur von Δω bzw. nur von ΔF, also direkt von der Pedalbelastung abhängt und im folgenden als Lastsignal bezeichnet werden soll. Hier zeigt sich, der Vorteil einer multiplikativen Korellation. Zum einen hat der langsamperiodische Term, der Signalterm, die doppelte Frequenz, was bedeutet, daß mit einer Addition die halbe Auflösung verschenkt wird, und zum anderen brauchen die beiden Amplituden A₀ und Avco der Signale nicht asolut übereinstimmen, wie es bei der Addition der Fall sein muß. Eine Multiplikation ist sehr einfach mit einem integrierten Analogmultiplizierer-Baustein realisierbar.for multiplication, where A is the amplitude and ω = 2πf the angular frequency of a signal. If you take the high frequency vibration term z. B. through a low-pass filter, you get a signal that depends only on Δω or only on ΔF, that is, directly on the pedal load and is to be referred to below as a load signal. This shows the advantage of multiplicative correlation. On the one hand, the slow-period term, the signal term, has twice the frequency, which means that half the resolution is wasted with an addition, and on the other hand, the two amplitudes A₀ and A vco of the signals do not have to match as absolutely as it does when adding the Case must be. Multiplication is very easy to implement with an integrated analog multiplier module.

Durch den einfachen Trick, das Lastsignal vor dem Triggern gleichzurichten, also die negativen Halbwellen nach oben zu klappen, bringt nochmals eine Auflösungsverbesserung um den Faktor 2.With the simple trick of rectifying the load signal before triggering, So flipping up the negative half waves brings another one Resolution improvement by a factor of 2.

Das dadurch gegebene Auflösungsvermögen soll hier am Beispiel des zum Funktionsnachweis aufgebauten Testmodell erläutert werden. Die Mittelfrequenz des VCOs war 10 MHz und die maximale Frequenzshift auf 10% bei einer Pedalhebelbelastung von 100 kg (Fmax=1000 N) in Drehrichtung (Fig. 1a) ausgelegt. Geht man davon aus, daß die Winkelgeschwindigkeit der Pedalkurbel wohl kaum über 5 Umdrehungen pro Sekunde liegen wird, und daß die Kraft an 100 Winkelpositionen der Pedalkurbel erfaßt (abgetastet) werden soll, so ergibt sich daraus eine Tastfrequenz von fT=500 Hz. Die max. Frequenzshift Δf des VCOs und damit des Lastsignals beträgt 1 MHz. Durch gleichrichten und einbringen des Faktors 2 ergibt das 2 MHz, und damit eine mögliche Auflösung der Kraft am Pedalhebel zu ΔF=(500/2 · 10⁶) · Fmax=0,25 N, was einem Gewicht von 25 g entspricht. Dieses Signal ergibt an einem Zähler mit der Torzeit TTor=1/fT=2 ms die Kraft am Pedal direkt in 0,25-N-Einheiten.The resulting resolving power will be explained here using the example of the test model set up to demonstrate functionality. The center frequency of the VCO was 10 MHz and the maximum frequency shift was designed for 10% with a pedal lever load of 100 kg (F max = 1000 N) in the direction of rotation ( FIG. 1a). If one assumes that the angular velocity of the pedal crank will hardly be above 5 revolutions per second, and that the force at 100 angular positions of the pedal crank is to be recorded (scanned), this results in a pulse frequency of f T = 500 Hz Max. Frequency shift Δf of the VCO and thus the load signal is 1 MHz. By rectifying and introducing factor 2 this results in 2 MHz, and thus a possible resolution of the force on the pedal lever to ΔF = (500/2 · 10⁶) · F max = 0.25 N, which corresponds to a weight of 25 g. On a counter with the gate time T Tor = 1 / f T = 2 ms, this signal gives the force on the pedal directly in 0.25 N units.

Mit zwei engbandigen Hochpaßfiltern und einem nachgeschalteten Komperator oder einer einfachen PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop) läßt sich noch das Vorzeichen der Frequenzshift dedektieren und somit die genannte Auflösung für beide Richtungen, d. h. für Druck- und Zugkräfte gleichermaßen erreichen.With two narrow-band high-pass filters and a downstream comparator or a simple PLL (phase locked loop) circuit  still detect the sign of the frequency shift and thus the above Resolution for both directions, i.e. H. for compressive and tensile forces alike to reach.

Das über diesen Pedalhebel an der Kurbel aufgebrachte Drehmoment M folgt dann aus der einfachen Multiplikation der gemessenen Kraft mit der Pedalhebellänge L. Durch das Vorzeichen der Kraft ist auch das Vorzeichen des Drehmomentes gegeben. Das Drehmoment M wiederum mit dem Winkelintervall zwischen zwei Messungen multipliziert liefert die in diesen Intervall abgegebene Arbeit. Summiert man diese Intervalle z. B. über eine volle Kurbelumdrehung oder einen Zeitraum, so gibt das die während einer Kurbelumdrehung oder während dem Zeitraum an das Fahrrad abgegebene Arbeit.The torque M applied to the crank via this pedal lever then follows from the simple multiplication of the measured force by the pedal lever length L. By the sign of the force is also the sign of the Given torque. The torque M in turn with the angular interval multiplied between two measurements gives the delivered in this interval Job. If you sum these intervals z. B. over a full crank revolution or a period of time, that gives that during a crank revolution or work given to the bike during the period.

Mit der zusätzlich erfaßten Zeit sind weitere, sehr vielfältige Analysen und Auswertungen wie z. B. Leistung, verschiedene Durchschnitts-, Maxi- und Minimalwerte usw. errechen- und darstellbar.With the additional time recorded, further, very diverse analyzes and Evaluations such as B. Performance, various average, maximum and minimum values etc. can be calculated and displayed.

Ein großer Vorteil ist, daß sich beide Pedalhebel getrennt mit den oben angegebenen Meß- und Übertragungsvorrichtungen ausstatten lassen, wodurch es möglich wird, die Kraftentfaltung für das rechte und das linke Bein getrennt zu erfassen. Dadurch werden Leistungs-, Bewegungs- oder andere Symmetrieunterschiede offenbar, auf deren Beseitigung dann gezielt hintrainiert werden kann (Fig. 17). Die Gesamtarbeit, Leistung usw. folgt jeweils durch Addieren von rechter und linker Seite.A great advantage is that both pedal levers can be equipped separately with the above-mentioned measuring and transmission devices, which makes it possible to record the power development for the right and left leg separately. This reveals differences in performance, movement or other symmetry, the elimination of which can then be specifically trained ( FIG. 17). The total work, performance, etc. follows by adding the right and left side.

Die gemessenen Größen wie Kraft, Drehmoment, Leistung usw. lassen sich besonders günstig in einem Polardiagramm darstellen. Ein guter Radsportler wird immer versuchen, möglichst viel Leistung auf die Pedale zu übertragen, was er unter anderem dadurch erreicht, daß er nicht nur den Winkelbereich zwischen 0° und 180° durch Treten nutzt, sondern auch im Bereich zwischen 180° und 360° "zieht". Führ ihn wird das Polardiagramm in etwa die in Fig. 15 wiedergegebene Gestalt annehmen, während ein Freizeitfahrer wohl auf das "Ziehen" verzichtet und den Fuß im hinteren Bereich einfach auf dem Pedal "stehen läßt" (Fig. 16). Das dadurch erzeugte negative Drehmoment, respektive auch die negative Arbeit darf natürlich nicht von der Energiebilanz abgezogen werden, weil der Radler dadurch keine Energie zurückgewinnt. Aber durch separates Aufsummieren läßt sich zeigen, wieviel Energie dadurch zusätzlich aufgezehrt wird. The measured variables such as force, torque, power etc. can be represented particularly favorably in a polar diagram. A good cyclist will always try to transfer as much power as possible to the pedals, which he does by using not only the angle range between 0 ° and 180 ° by pedaling, but also in the range between 180 ° and 360 ° " pulls ". For him, the polar diagram will assume approximately the form shown in FIG. 15, while a recreational driver probably does not "pull" and simply "stands" on the pedal in the rear area ( FIG. 16). The negative torque generated, or the negative work, of course, must not be deducted from the energy balance, because the cyclist does not recover any energy. But adding up separately shows how much additional energy is consumed.

An der Form des Polardiagramms wird für den Radsportler insbesondere ersichtlich, wie gut er den "runden Tritt" realisiert und kann sofort darauf reagieren und seinen Bewegungsablauf ändern (Fig. 17).The shape of the polar diagram shows the cyclist in particular how well he realizes the "round kick" and can react to it immediately and change his movement sequence ( Fig. 17).

Dazu ist es notwendig, diese Daten in Echtzeit auf dem Fahrrad, z. B. in einem LCD-Rasterdisplay, bereitzustellen, was aber mit der heutigen hochintegrierten Computertechnologie bequem aufgebaut und programmiert werden kann. In einem derartigen Echtzeit-Diagramm (Fig. 15) ist z. B. die Pedalhebelstellung durch einen Strahl ST, ähnlich dem Sichtstrahl eines alten Radargerätes, symbolisiert, an dessen Position SP die Kurve jeweils durch die neuen Werte überschrieben wird.For this it is necessary to use this data in real time on the bike, e.g. B. in an LCD raster display, but what can be easily built and programmed with today's highly integrated computer technology. In such a real-time diagram ( FIG. 15), e.g. B. symbolizes the pedal lever position by a beam ST, similar to the line of sight of an old radar device, at whose position SP the curve is overwritten by the new values.

Natürlich lassen sich auch zeitliche Mittel als Polardiagramm darstellen, wie in Fig. 16 geschehen. Der Winkel EW, der dem längsten, auf der Kurve liegenden Radiusvektor zugeordnet wird, ist dabei der effektivste Wirkungswinkel, bei dem im Mittel die größte Leistung erbracht wurde.Of course, time averages can also be represented as a polar diagram, as happened in FIG. 16. The angle EW, which is assigned to the longest radius vector lying on the curve, is the most effective angle of action at which the greatest performance was achieved on average.

Es kann auch, z. B. vor dem Training eine zu erbringende Solleistung vorgegeben werden. Die momentane, z. B. über die letzten drei Kurbelumdrehungen gemittelte Leistung läßt sich mit der vorgegebenen vergleichen und die Abweichung davon als Anzeige ausgeben (Fig. 17). Derartige Sollvorgaben werden bisher fast ausschließlich über die Fahrgeschwindigkeit realisiert, wodurch aber Fehlerquellen wie etwa Wind und Fahrbahnbelag systematisch vernachlässigt werden mußten.It can also, e.g. B. a target performance to be provided before the training. The current, e.g. B. power averaged over the last three crank revolutions can be compared with the predetermined one and the deviation thereof can be output as a display ( FIG. 17). Such target specifications have hitherto been achieved almost exclusively via the driving speed, but as a result, sources of error such as wind and road surface had to be systematically neglected.

Die bis hierher beschriebenen Analysen und Auswertungen sind bereits mit einer Geräteausführung möglich, die nur die Biegung des Pedalhebels in Drehrichtung (Fig. 1a) erfaßt. Zur Ermittlung des optimalen Bewegungsablaufs bedarf es mindestens noch der Biegung in Richtung Drehachse (Fig. 1b), denn bereits durch diese beiden Biegungen kann die Kraft am Pedalhebel sehr gut charakterisiert werden, weil jeweils zwei der vier relevanten Verformungen (Fig. 1a-d) durch die Geometrie des seitlich angeordneten Pedals am Pedalhebel zusammen auftreten, was sich folgendermaßen erklären läßt. Steht der Pedalhebel z. B. im oberen Totpunkt (Fig. 14:0°-Stellung), so bewirkt eine senkrecht nach unten gerichtete Kraft am seitlichen Pedal sowohl eine Stauchung (negative Dehnung) in Hebellängsrichtung (Fig. 1c) als auch eine Biegung in Richtung der Kurbeldrehachse (Fig. 1b). Andererseits bewirkt bei einer 90°-Stellung eine senkrechte Kraft, daß der Pedalhebel in Drehrichtung gebogen (Fig. 1a) und um die Hebellängsachse tortiert (Fig. 1d) wird. Deshalb seien zur Vereinfachung zunächst nur die beiden Biegungen beachtet.The analyzes and evaluations described so far are already possible with a device version that only detects the bending of the pedal lever in the direction of rotation ( FIG. 1a). In order to determine the optimal movement sequence, at least the bend in the direction of the axis of rotation is required ( Fig. 1b), because even these two bends can be used to characterize the force on the pedal lever very well, because two of the four relevant deformations ( Fig. 1a-d) occur together due to the geometry of the laterally arranged pedal on the pedal lever, which can be explained as follows. Is the pedal lever z. B. at top dead center ( Fig. 14: 0 ° position), a vertically downward force on the side pedal causes both a compression (negative expansion) in the longitudinal direction of the lever ( Fig. 1c) and a bend in the direction of the crank axis of rotation ( Fig. 1b). On the other hand, with a 90 ° position, a vertical force causes the pedal lever to be bent in the direction of rotation ( FIG. 1a) and tortured about the longitudinal axis of the lever ( FIG. 1d). Therefore, for the sake of simplicity, only the two bends should be considered first.

Der Begriff der konstruktiven und destruktiven Kraft leitet sich nun folgendermaßen ab. Konstruktiv ist einzig und allein die Kraftkomponente, die die Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a) hervorruft, da nur sie über das Drehmoment in Vorwärtsbewegung umgesetzt wird. Die Kraftkomponente, die für die Biegung in Richtung der Drehachse verantwortlich ist, kann mechanisch nicht in Vorwärtsbewegung umgesetzt werden, sondern erzeugt im Pedalhebel nur eine statische Gegenkraft. Eine statische Belastung verbraucht zwar im physikalischen Sinne keine Arbeit, sehr wohl aber im physiologischen, was sich leicht vergegenwärtigen läßt, wenn man z. B. versucht, ein Gewicht längere Zeit mit ausgestrecktem Arm zu halten. Deshalb ist die letztere Kraft destruktiv. Durch das getrennte Erfassen kann die Information, wie diese beiden Komponenten beim Bewegungsablauf im Verhältnis zueinander stehen, in Echtzeit und z. B. sehr elegant in einem Polardiagramm bereitgestellt werden.The concept of constructive and destructive power is now derived as follows. The only component that is constructive is the force component that causes the bend in the direction of rotation ( FIG. 1a), since only it is converted into forward movement by the torque. The force component, which is responsible for the bend in the direction of the axis of rotation, cannot be mechanically converted into forward movement, but only generates a static counterforce in the pedal lever. A static load does not consume any work in the physical sense, but it does in the physiological one, which can be easily visualized if one z. B. tries to hold a weight with an extended arm for a long time. That is why the latter force is destructive. Due to the separate detection, the information as to how these two components are related to each other during the movement sequence can be displayed in real time and, for example, in real time. B. can be provided very elegantly in a polar diagram.

Den optimalen Bewegungsablauf zu finden und zu trainieren bedeutet nun, die Bewegung so zu gestalten, daß der konstruktive Kraftanteil maxi- und der destruktive Kraftanteil minimiert wird. Wenn auch die damit eingesparten, sonst nutzlos vergeudeten Energien im Vergleich zur insgesamt aufgewendeten Arbeit klein sein mögen, so sind es vielleicht gerade diese Reserven, die auf den letzten Metern vor dem Ziel für einen Sieg entscheidend sind.Finding and training the optimal movement now means to design the movement so that the constructive force share maxi- and destructive force share is minimized. Even if the saved with it, otherwise useless wasted energy compared to the total wasted Work may be small, it may be precisely these reserves that are on the last few meters before the goal are decisive for a victory.

Werden neben den Biegungen zusätzlich die beiden anderen Verformungen zur Krafterfassung herangezogen, so ist eine noch genauere Analyse des Bewegungsablaufs möglich, z. B. ob mit dem Fuß eine Dreh- oder Rollbewegung ausgeführt wird, was ebenfalls unnötig Kräfte zehrt oder ob und wie der Radfahrer auf den Pedalen steht.In addition to the bends, the other two deformations are also used for force detection is an even more precise analysis of the movement possible, e.g. B. whether the foot rotates or rolls is carried out, which also consumes unnecessary strength or whether and how the cyclist on the pedals.

Um nicht nur die Bewegung der Beine optimieren zu können, sondern die des ganzen Körpers, werden auch die Kräfte auf die Lenkstange und den Sattel als weitere Berührungspunkte des Radfahrers mit dem Fahrrad aufgenommen. Dies kann auch durch DMS, die an der Lenk- und Sattelstange appliziert sind (Fig. 18 und 19), für verschiedene Kraftrichtungen geschehen. Arbeitet der Radfahrer sehr viel mit dem Oberkörper wie etwa Wippen im Tret-Takt, so läßt sich das, da er sich an der Lenkstange abstützt oder festhält, durch die elastischen Verformungen derselben unter der wechselnden Last nachweisen und erfassen. Gleiches gilt für den Sattel. Auf diese Weise läßt sich der komplette Bewegungsablauf des ganzen Körpers in allen Einzelheiten erfassen, analysieren und optimieren, was eine fundamentale Grundlage für die Trainingsplanung schafft.In order to optimize not only the movement of the legs, but that of the whole body, the forces on the handlebar and saddle are also taken up as further points of contact for the cyclist with the bicycle. This can also be done by strain gauges, which are applied to the handlebar and seat post ( Fig. 18 and 19), for different directions of force. If the cyclist works a lot with the upper body, such as seesaws in pedal cycle, this can be demonstrated and recorded by the elastic deformations of the same under the changing load, since he is supported or holding on to the handlebar. The same applies to the saddle. In this way, the complete movement of the whole body can be recorded, analyzed and optimized in all details, which creates a fundamental basis for training planning.

Da es fast unmöglich und auch nicht sinnvoll ist, die ganze Fülle der möglichen Analysen und Auswertungen auf dem Fahrraddisplay wiederzugeben, ließe sich der Datenstrom während dem Training z. B. auf ein Magnetband aufzeichnen. Die Möglichkeit dazu ist durch die sehr kompakte Walkman-Technik berreits unter Beweis gestellt. Mit der fortschreitenden Chipentwicklung rücken z. B. auch Halbleiterspeicher in Kartenform, in anwendbare Dimensionen, mit denen die gesammelten Daten dann ebenfalls zur weiteren Analyse auf einen stationären Computer übertragen werden können. Insbesondere können mit den gesammelten Daten über einen längeren Zeitraum der Trainingsstand und auch die gemachten Fortschritte aufs genaueste verfolgt und für die Trainingsplanung herangezogen werden.Since it is almost impossible and also does not make sense, the full range of possible Reproduce analyzes and evaluations on the bicycle display, could the data stream during the training z. B. record on a magnetic tape. This is possible thanks to the very compact Walkman technology already proven. With the advancing chip development moving forward e.g. B. also semiconductor memory in card form, in applicable dimensions, with which the collected data then also for further analysis on one stationary computers can be transferred. In particular, with the collected data over a longer period of training and also the progress made is closely monitored and for training planning be used.

Um eine hohe Genauigkeit und Güte der gemessenen Daten zu gewährleisten, ist es unumgänglich, Vorrichtung zu kalibrieren. Im besonderen ist es bei geklemmten DMS-Trägern an unterschiedlichen Pedalhebeln sehr schwierig, alle möglichen freien Parameter zu erfassen und in einer Abgleichschaltung zu kompensieren. Eine derartige Schaltung ist aber unter folgenden, technisch leicht umsetzbaren Voraussetzungen gar nicht notwendig.To ensure high accuracy and quality of the measured data, it is essential to calibrate the device. In particular it is very difficult with clamped strain gauge carriers on different pedal levers, to record all possible free parameters and in an adjustment circuit to compensate. Such a circuit is, however, technical under the following easily implementable requirements not necessary at all.

Die DMS müssen für ihr Trägermaterial und den Pedalhebel selbstkompensierend sein, d. h., Wärmedehnung im Träger und Pedal und Widerstandsänderung des DMS mit der Temperatur heben sich gegenseitig auf. Die Mittelfrequenz des VCOs darf keine nennenswerte Temperaturdrift haben. Die Frequenzshift braucht nicht notwendigerweise linear mit dem Signal zu sein, aber darf sich mit der Temperatur ebenfalls nicht verändern. Die letzten beiden Bedingungen lassen sich durch Quarzoszillatoren und geschicktes Einfügen von temperaturempfindlichen Widerständen wie NTC- oder PTC-Widerständen oder zusätzlichen Halbleitern in die Oszillatorschaltungen einfach erfüllen.The strain gauges must be self-compensating for their carrier material and the pedal lever be d. i.e., thermal expansion in the carrier and pedal and change in resistance of the strain gauge with the temperature cancel each other out. The center frequency of the VCO must not have any significant temperature drift. The frequency shift need not necessarily be linear with the signal, but must not change with the temperature either. The last two conditions can be by quartz oscillators and clever insertion of temperature sensitive resistors such as NTC or PTC resistors or additional semiconductors in the oscillator circuits.

Das Kalibrieren selbst geschieht per Software nach dem Anbau der Vorrichtung an das Fahrrad und dessen Pedalkurbel. Dazu ist im Programm des am Fahrrad mitgeführten Computers ein ausgleichspolynom, am elegantesten eine Tschebyscheff-Polynom oder eine Zuordnungstabelle vorgesehen, die einem Signal genau die richtige Größe der Kraft zuordnet. Diese Polynom kann im Prinzip als die Umkehrfunktion aller, durch die Messung und Übertragung entstandenen Verzerrungen und Fehler aufgefaßt werden. Die Vorteile für diese Art der Kalibrierung am Fahrrad sind, daß unterschiedliche E-Module und Flächenträgheitsmomente der Pedalhebel erfaßt und in die Messung mit einbezogen werden, was heißt, daß jeder individuell geeicht wird und Fertigungstoleranzen, Materialinhomogenität und sonstige Unterschiede nicht ins Gewicht fallen.The calibration itself is done by software after the device is attached to the bike and its pedal crank. The program of the a balancing polynomial, the most elegant a Chebyshev polynomial or an assignment table provided that one Signal assigns exactly the right size to the force. This polynomial can in principle as the inverse function of everyone, through measurement and transmission  resulting distortions and errors can be understood. The benefits for this Type of calibration on the bike are that different E-modules and Area moments of inertia of the pedal lever recorded and included in the measurement which means that everyone is individually calibrated and manufacturing tolerances, Material inhomogeneity and other differences are not significant fall.

Das Kalibrieren selbst kann auf folgende Weise realisiert werden. Die Pedalkurbel wird nacheinander in die verschiedenen Richtungen sukzessive mit definierten Kräften, z. B. durch Anhängen von Gewichten, belastet. Die Gewichte können dabei entweder durch den Computer vorgegeben sein oder müssen eingegeben werden. Dadurch werden Stützpunkte vorgegeben und das jeweilige Signal dazu direkt gemessen. Die errechneten Polynomkoeffizienten oder Tabellendaten können dann in einem EE-PROM gesichert werden, worin sie auch bei Spannungsverlust nicht verloren gehen.The calibration itself can be implemented in the following way. The pedal crank is successively defined in the different directions Forces, e.g. B. by attaching weights. The weights can either be specified by the computer or must be entered become. This specifies base points and the respective one Signal measured directly. The calculated polynomial coefficients or table data can then be saved in an EE-PROM, in which they too do not get lost if voltage is lost.

Die Vorrichtung ließe sich auch automatisch durch ein Hilfsgerät kalibrieren, das eine definierte Belastung am Pedalhebel erzeugt und den Wert, Art und Richtung der Belastung als Daten über eine Schnittstelle an den Computer weitergibt. The device could also be calibrated automatically by an auxiliary device, which generates a defined load on the pedal lever and the value, type and Direction of the load as data via an interface to the computer passes on.  

Tabelle 1: Brückenbeschaltung für Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a) Table 1: Bridge circuit for bending in the direction of rotation ( Fig. 1a)

Tabelle 2: Brückenbeschaltung für Biegung in Richtung Drehachse (Fig. 1b) Table 2: Bridge circuit for bending in the direction of the axis of rotation ( Fig. 1b)

Tabelle 3: Brückenbeschaltung für Normaldehnung in Hebellängsachse (Fig. 1c), die gestrichelten DMS sind 90° gedreht zu den ungestrichenen angeordnet Table 3: Bridge circuit for normal expansion in the longitudinal axis of the lever ( Fig. 1c), the dashed strain gauges are rotated 90 ° to the uncoated

Allgemeines zu den Tabellen:General information about the tables:

RE sind jeweils die Ergänzungswiderstände in der Wheatstoneschen Brücke.
ν ist die sog. Querdehnungszahl.
Brückenschaltungen, die sich durch Permutation der Anschlüsse 1 ↔ 4 und 2 ↔ 3 ergeben würden, sind nicht gesondert angeführt, da eine Permutation nur das Vorzeichen der Spannungen ändert, die Funktion der Brücke jedoch unverändert läßt.
R E are the supplementary resistors in the Wheatstone bridge.
ν is the so-called transverse expansion number.
Bridge circuits that would result from permutation of connections 1 ↔ 4 and 2 ↔ 3 are not listed separately, since permutation only changes the sign of the voltages, but leaves the function of the bridge unchanged.

Claims (14)

1. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in ihrer Art als Ergometer zu bezeichnen, die dem Auffinden und Trainieren des optimalen Bewegungsablaufs dient, welcher durch die Konstruktion des Sportgerätes, hier durch ein Fahrrad vorgegeben ist, durch Erfassung konstruktiver und destruktiver Kraftanteile, die der Radfahrer auf dem Fahrrad freisetzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine bis alle vier möglichen elastischen Verformungen, die am Pedalhebel relevant sind,
  • - Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a),
  • - Biegung senkrecht dazu, d. h. in richtung Drehachse (Fig. 1b),
  • - Dehnung in Längsrichtung des Pedalhebels (Fig. 1c),
  • - Torsion um Längsrichtung des Pedalhebels (Fig. 1d),
1. The invention relates to a device to be referred to in its type as an ergometer, which serves to find and train the optimal movement, which is determined by the construction of the sports equipment, here by a bicycle, by detecting constructive and destructive proportions of force that the cyclist releases on the bike, characterized in that one to all four possible elastic deformations that are relevant to the pedal lever,
  • - Bend in the direction of rotation ( Fig. 1a),
  • - Bend perpendicular to it, ie in the direction of the axis of rotation ( Fig. 1b),
  • - Elongation in the longitudinal direction of the pedal lever ( Fig. 1c),
  • Torsion about the longitudinal direction of the pedal lever ( FIG. 1d),
getrennt und unabhängig voneinander erfaßt werden, und aufgrund des Hookeschen Gesetzes bzw. der Elastizitätstheorie einen exakten Rückschluß auf die Richtung und den Betrag der vom Radfahrer auf das Pedal ausgeübten Kraft ermöglichen,
daß die Bestimmung dieser Kraft bei sehr vielen unterschiedlichen Winkelstellungen der Pedalkurbel erfolgt, was insbesondere bedeutet, daß eine Umdrehung der Pedalkurbel in eine große Anzahl kleiner Winkelintervalle unterteilt wird, zwischen denen jeweils eine Quantisierung der Kraft erfolgt,
daß die auf den Lenker einwirkende Kraft durch die elastische Verformung der Lenkstange oder der Lenkachse in den drei möglichen, zueinander linear unabhängigen Raumdichtungen erfaßt wird,
daß die auf den Sattel einwirkende Kraft durch die elastische Verformung der Sattelstange in den drei möglichen, zueinander linear unabhängigen Raumrichtungen erfaßt wird und
daß zu jeder Quantisierung der Kräfte auch der Zeitpunkt erfaßt wird.
are recorded separately and independently of one another and, based on Hooke's law or elasticity theory, enable an exact conclusion to be drawn about the direction and the amount of force exerted by the cyclist on the pedal,
that the determination of this force takes place at a large number of different angular positions of the pedal crank, which means in particular that one revolution of the pedal crank is divided into a large number of small angular intervals, between each of which the force is quantized,
that the force acting on the handlebar is detected by the elastic deformation of the handlebar or the steering axle in the three possible, mutually linearly independent room seals,
that the force acting on the saddle is detected by the elastic deformation of the saddle rod in the three possible, linearly independent spatial directions and
that the time is also recorded for each quantization of the forces.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nahezu alle handelsüblichen Pedalhebel ohne jegliche konstruktive Veränderung zur Signalerzeugung herangezogen werden können,
daß die Erfassung der Biegung des Pedalhebels in Drehrichtung (Fig. 1a) durch Dehnungsmeßstreifen (DMS) erfolgt, deren Mittelpunkte (Schwerpunkte) in der Ebene oder bei Vollbrückenapplikation in gleichem Abstand zur Ebene liegen, die durch die neutrale Faser der Querbiegung (Fig. 1b) im unbelasteten Zustand aufgespannt wird und die in einer Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die Signale der anderen Verformungen (Fig. 1b-d) kompensieren (Fig. 3 und Tab. 1),
daß die Erfassung der Biegung des Pedalhebels in Richtung der Drehachse (Fig. 1b) durch DMS erfolgt, deren Mittelpunkte (Schwerpunkte) in der Ebene oder bei Vollbrückenapplikation in gleichem Abstand zur Ebene liegen, die durch die neutrale Faser der Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a) im unbelasteten Zustand aufgespannt wird und die in einer Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die Signale der anderen Verformungen (Fig. 1a, c, d) kompensieren (Fig. 4, 3b, 3c und Tab. 2),
daß die Erfassung der Normaldehnung des Pedalhebels in Richtung der Hebellängsachse (Fig. 1c) durch DMS erfolgt, die allseitig, jedoch immer paarweise gegenüberliegend appliziert sein können und die in der Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die Signale der anderen Verformungen (Fig. 1a, b, d) kompensieren (Fig. 5, 4 oder 3 ohne 3b rechts und Tab. 3),
daß die Erfassung der Torsion des Pedalhebels um die Richtung der Pedalhebellängsachse (Fig. 1d) durch spezielle Torsionsrosetten (90°- Rosetten) oder durch allseitig applizierte 45° geneigte Linear-DMS erfolgt (Fig. 6) und die in der Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die anderen Verformungen (Fig. 1a-c) kompensieren,
daß die DMS nicht notwendigerweise direkt auf dem Pedalhebel appliziert zu sein brauchen, sondern auf leichter handhabbaren bzw. robusteren sog. Applikationshilfen und Trägern aufgebracht sein können,
daß diese Applikationshilfen mittels geeigneter, evtl. an den jeweiligen Pedalhebel angepaßter Klemmelemente (Fig. 9a, b) am Pedalhebel befestigt werden (Fig. 8) oder
daß diese Applikationshilfen einfach auf den Pedalhebel aufgeklebt werden (Fig. 7).
2. Device according to claim 1, characterized in that
that almost all commercially available pedal levers can be used for signal generation without any design changes,
that the detection of the bending of the pedal lever in the direction of rotation ( Fig. 1a) by strain gauges (DMS), whose centers (focal points) lie in the plane or in full bridge application at the same distance from the plane, which is due to the neutral fiber of the transverse bend ( Fig. 1b ) is clamped in the unloaded state and which are connected in a Wheatstone bridge so that the signals of the other deformations ( Fig. 1b-d) compensate ( Fig. 3 and Tab. 1),
that the detection of the bending of the pedal lever in the direction of the axis of rotation ( Fig. 1b) is carried out by strain gauges, the centers (centers of gravity) of which are in the plane or in the case of full bridge application at the same distance from the plane which are caused by the neutral fiber of the bend in the direction of rotation ( Fig. 1a) is clamped in the unloaded state and which are connected in a Wheatstone bridge in such a way that the signals of the other deformations ( FIGS. 1a, c, d) compensate (FIGS . 4, 3b, 3c and Tab. 2),
that the detection of the normal extension of the pedal lever in the direction of the longitudinal axis of the lever ( Fig. 1c) is carried out by strain gauges, which can be applied on all sides, but always in pairs opposite each other and which are connected in the Wheatstone bridge so that the signals of the other deformations ( Fig. 1a, b, d) compensate ( Fig. 5, 4 or 3 without 3b right and Tab. 3),
that the detection of the torsion of the pedal lever about the direction of the longitudinal axis of the pedal lever ( Fig. 1d) is carried out by special torsion rosettes (90 ° rosettes) or by 45 ° inclined linear strain gauges ( Fig. 6) and interconnected in the Wheatstone bridge are that the other deformations ( Fig. 1a-c) compensate each other,
that the strain gauges do not necessarily have to be applied directly to the pedal lever, but can be applied to so-called application aids and carriers that are easier to handle or more robust,
that these application aids are attached to the pedal lever by means of suitable clamping elements (FIGS . 9a, b) which may be adapted to the respective pedal lever ( FIG. 8) or
that these application aids are simply glued to the pedal lever ( Fig. 7).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die durch Belastung des Pedalhebels hervorgerufene Brückendiagonalspannung der durch die DMS aufgebauten bzw. ergänzten Wheatstoneschen Brückenschaltung direkt einen auf der Pedalkurbel mitbewegten, spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) verstimmt bzw. steuert und somit eine dem Meßsignal proportionale Frequenzshift erzeugt,
daß die DMS selbst Teil der Oszillatorschaltung sein können und
daß die vom VCO erzeugte, modulierte Frequenz optisch durch einen drehbaren Optokoppler von der bewegten Pedalkurbel auf den Rahmen übertragen wird.
3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that
that the bridge diagonal voltage caused by the load on the pedal lever of the Wheatstone bridge circuit built up or supplemented by the strain gauges directly detunes or controls a voltage-controlled oscillator (VCO) which is moved on the pedal crank and thus generates a frequency shift proportional to the measurement signal,
that the strain gauges themselves can be part of the oscillator circuit and
that the modulated frequency generated by the VCO is optically transmitted from the moving pedal crank to the frame by a rotatable optocoupler.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der auf der Pedalkurbel befindlichen elektronischen Komponenten, induktiv durch eine drehbare Transformamtoranordnung (Fig. 10) vom Rahmen TL auf die bewegte Pedalkurbel PK erfolgt. 4. The device according to claim 1, characterized in that the supply of the electronic components located on the pedal crank, takes place inductively by a rotatable transform gate arrangement ( Fig. 10) from the frame TL to the moving pedal crank PK. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Optokoppler aus zwei Komponenten besteht, die sich stirnseitig gegenüberstehen, wovon eine an der Pedalkurbel PK mitbewegt wird, während die andere starr am Rahmen TL befestigt ist (Fig. 10),
daß die an der Pedalkurbel mitbewegte Komponente, das Sendeteil ST, aus einem Leuchtring LR, z. B. Diffusor- oder Reflektorring, besteht, der von einem oder mehreren Lichtsendern LS, z. B. Leuchtdioden LED, mit einer, dem zu übertragenden Signal proportionalen Leuchtintensität ausgeleuchtet wird (Fig. 11a),
daß die am Rahmen starr befestigte Komponente, das Empfängerteil ET, aus einem oder einer Anordnung von Lichtempfängern LE, z. B. Fotodioden, derart besteht, daß auch bei einer vollständigen Umdrehung des Sendeteils immer ein Teil, der von den Lichtsendern emittierten Lichtintensität auf einen Empfänger trifft (Fig. 11b),
daß der drehbare Optokoppler mehrere getrennte Kanäle aufweisen kann und
daß der drehbare Optokoppler gleichzeitig als Winkelgeber konstruiert sein kann.
5. The device according to claim 1 and 3, characterized in that
that the rotatable optocoupler consists of two components that face each other, one of which is also moved on the pedal crank PK, while the other is rigidly attached to the frame TL ( FIG. 10),
that the moving component on the pedal crank, the transmitting part ST, from a light ring LR, z. B. diffuser or reflector ring, which consists of one or more light transmitters LS, z. B. LEDs, with a proportional to the signal to be transmitted luminous intensity is illuminated ( Fig. 11a),
that the rigidly attached to the frame component, the receiver part ET, from one or an arrangement of light receivers LE, z. B. photodiodes, such that even with a complete revolution of the transmitter part always a part that strikes the light intensity emitted by the light transmitter on a receiver ( Fig. 11b),
that the rotatable optocoupler can have several separate channels and
that the rotatable optocoupler can also be constructed as an angle encoder.
6. Vorichtung nach Anspruch 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Optokoppler durch geeignetes Segmentieren bzw. stellenweises Abdecken des Leuchtringes im Sendeteil und durch geeignetes Anordnen von Empfangsfenstern mit den Leuchtempfängern im Empfangsteil für jeden Winkelschritt einen Impuls erzeugt (Fig. 12) oder
daß der drehbare Optokoppler durch geeignetes Segmentieren bzw. stellenweises Abdecken des Leuchtringes im Sendeteil und durch geeignetes Anordnen von Empfangsfenstern mit den Leuchtempfängern im Empfangsteil ein der Winkelstellung eindeutig zugeordnetes, z. B. binär codiertes, Signal erzeugt (Fig. 13).
6. Device according to claim 1, 3 and 5, characterized in
that the rotatable optocoupler generates a pulse for each angular step for each angular step by suitable segmentation or, in some cases, covering the light ring in the transmission part and by suitably arranging reception windows with the light receivers in the reception part ( FIG. 12) or
that the rotatable optocoupler by suitable segmentation or covering the light ring in places in the transmitting part and by suitably arranging receiving windows with the light receivers in the receiving part a clearly assigned to the angular position, for. B. binary coded signal generated ( Fig. 13).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwendung des Optokopplers nicht nur auf das Fahrrad beschränkt, sondern allgemein da anwendbar ist, wo Signale von einem rotierenden Teil auf ein Ruhendes übertragen werden müssen.7. The device according to claim 5 and 6, characterized, that the use of the optocoupler is not limited to the bicycle, but is generally applicable where signals from a rotating Part must be transferred to a dormant. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalerfassung und Weiterleitung für den rechten und den linken Pedalhebel getrennt ausgeführt werden kann, also zwei unabhängige Signalsätze erhalten werden.8. Device according to one of the preceding claims, characterized, that the measurement signal acquisition and forwarding for the right and the left Pedal levers can be executed separately, i.e. two independent ones Signal sets are obtained. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die absolute Winkelstellung der Pedalkurbel durch einen winkelgebenden Optokoppler erfaßt wird oder
daß die absolute Winkelstellung der Pedalkurbel z. B. mit Hilfe einer Schlitz- oder Reflexscheiben-Lichtschranken-Anordnung erfaßt wird.
9. The device according to claim 1, 5 and 6, characterized in that
that the absolute angular position of the pedal crank is detected by an angle-giving optocoupler or
that the absolute angular position of the pedal crank z. B. is detected with the aid of a slit or reflex disk light barrier arrangement.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, daß die an Lenkstange, Lenkachse und Sattelstange auftretenden, durch die einwirkenden Kräfte verursachten Verformungen durch DMS erfaßt werden, die z. B. allseitig um die Lenk- und Sattelstange (Fig. 18 und 19) applliziert sind.10. The device according to claim 1, characterized in that the occurring on the steering rod, steering axle and seat post, caused by the forces acting deformations are detected by strain gauges, the z. B. all around the handlebar and seat post ( Fig. 18 and 19) are applied. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die vom VCO erzeugte und vom Optokoppler auf den Rahmen übertragene Frequenz mit einer zweiten, konstanten und der Mittelfrequenz des VCO entsprechenden Frequenz korreliert, d. h. addiert oder multipliziert, wird und
daß nach Ausfiltern der Mittelfrequenz des Oszillators die dabei erhaltene Einhüllende durch nachfolgendes triggern direkt als Eingangssignal für einen Zähler mit definierter Technik genutzt wird.
11. The device according to claim 1 to 5, characterized in
that the frequency generated by the VCO and transmitted to the frame by the optocoupler is correlated with a second, constant and the center frequency of the VCO corresponding frequency, ie added or multiplied, and
that after filtering out the center frequency of the oscillator, the envelope thus obtained is used by subsequent triggering directly as an input signal for a counter with defined technology.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die im Rahmen der Erfindung dargestellte Vorrichtung erst nach der jeweiligen Montage am Fahrrad bzw. an der Pedalkurbel kalibriert zu werden braucht,
daß dieses Kalibrieren entweder per Hand durch sukzessives Belasten des Pedalhebels mit definierten Kräften, z. B. durch Anhägen von Gewichten, erfolgt oder
daß dieses Kalibrieren das Meßsystem durch ein automatisch arbeitendes Kalibriergerät erfolgt, das eine definierte Belastung am Pedalhebel erzeugt und den Wert, Art und Richtung der Belastung als Daten weitergibt und
daß das Kalbrieren dieses Meßsystems per Software erfolgt, z. B. durch Errechnen der Koeffizienten eines Ausgleichspolynoms oder durch Erstellen einer Zuordnungstabelle, die dem anliegenden Meßsignal die jeweils richtige Kraft zuordnet.
12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that
that the device shown in the context of the invention only needs to be calibrated after the respective assembly on the bicycle or on the pedal crank,
that this calibration either by hand by successively loading the pedal lever with defined forces, e.g. B. by attaching weights, or
that this calibration of the measuring system is carried out by an automatically operating calibration device that generates a defined load on the pedal lever and transmits the value, type and direction of the load as data and
that the calibration of this measuring system is done by software, e.g. B. by calculating the coefficients of a compensating polynomial or by creating an assignment table that assigns the correct force to the measuring signal present.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß aus den erhaltenen Daten in einem Computer der vollständige Bewegungsablauf des Radfahrers ebenso wie seine ergometrisichen Leistungsdaten rekonstruierbar und ermittelbar sind,
daß anhand dieser Daten analysierbar ist, welcher Teil der Fahrer auf das Fahrrad, im besonderen auf die Pedale ausgeübte Kraft, konstruktiv, d. h. zum optimalen Bewegungsablauf zu rechnen ist, und welcher Teil destruktiv, d. h. für die Fortbewegung nicht umsetzbar ist, weil dadurch nur statische Gegenkräfte erzeugt werden,
daß anhand dieser Daten analysierbar ist, ob der Fahrer unnötige energieverschwendende Bewegungen ausführt,
daß diese Auswertungen in Echtzeit in einem auf dem Fahrrad mitgeführten Computer erfolgen und damit sofort die Abweichungen vom optimalen Bewegungsablauf darstellbar sind,
daß diese Daten in Form von Polardiagrammen präsentiert werden (Fig. 15-17) und
daß eine Solleistung vorgebbar und die Abweichung von dieser Solleistung darstellbar ist (Fig. 17).
13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that
that the complete movement sequence of the cyclist as well as his ergometric performance data can be reconstructed and ascertained from the data obtained,
that it can be analyzed on the basis of this data which part of the rider on the bicycle, in particular the force exerted on the pedals, is to be expected constructively, that is to say for the optimal movement sequence, and which part is destructive, that is to say cannot be implemented for locomotion, because this only results in static Opposing forces are generated
that this data can be used to analyze whether the driver is carrying out unnecessary energy-wasting movements,
that these evaluations take place in real time in a computer carried on the bike and thus the deviations from the optimal movement sequence can be displayed immediately,
that these data are presented in the form of polar diagrams ( Fig. 15-17) and
that a target performance can be specified and the deviation from this target performance can be represented ( FIG. 17).
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