DE4435174C2 - Device for recording the applied forces and power on a crank - Google Patents
Device for recording the applied forces and power on a crankInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Kraft und Leistung an einer Tretkurbel, insbesondere der eines Fahrrades, wobei die Größen Kraft und Winkelgeschwindigkeit in elektrische Signale umgewandelt und einem Auswertegerät zugeführt werden.The invention relates to a device for measuring the force and power on a Pedal crank, especially that of a bicycle, the sizes being force and Angular velocity converted into electrical signals and an evaluation device be fed.
Eine Vorrichtung, die Tretkräfte am Tretlager mittels Dehnungsmeßstreifen erfaßt und zusammen mit der Winkelgeschwindigkeit der Kurbel in einem Microcomputer verarbeitet, um daraus die Leistung zu errechnen, ist bereits in DE 37 22 728 beschrieben.A device that detects pedal forces on the bottom bracket by means of strain gauges and processed together with the angular speed of the crank in a microcomputer, in order to calculate the power from this is already described in DE 37 22 728.
Hierbei wird auf Grund konstruktiver Maßnahmen nur der tangentiale Anteil der Kraft, also das Drehmoment an der Kurbel erfaßt. Eine Kraftkomponente in einer anderen Richtung, etwa in radialer Richtung wird mittels des die Dehnungsmeßstreifen tragenden Verformungselementes nicht erfaßt und kann damit nicht gemessen werden.Due to constructive measures, only the tangential part of the force, thus the torque on the crank is detected. A component of force in another Direction, approximately in the radial direction, is by means of the strain gauges load-bearing deformation element is not detected and can not be measured become.
Eine Erweiterung der Funktion zur Messung auch anderer Kraftrichtungen bezüglich der
Kurbel wurde aus folgendem Grund angestrebt:
Bekanntermaßen beschreibt die Fußspitze im Radsport eine einfache Kreisbewegung. Diese
wird durch die Pedalkurbeln fest vorgegeben. Komplexer hingegen ist der Kraftverlauf für die
Drehbewegung, der dabei von den Muskeln aufgebracht wird. Der Fahrer entbehrt einer
Möglichkeit diesen qualitativ zu überprüfen. Er hat hier nur sein Gefühl als Hilfsmittel.
Es wird bisher nur das Ergebnis des Tretens gemessen, die abgegebene Leistung und die
aufgewandte Leistung, der Puls.An extension of the function for measuring other directions of force with regard to the crank was aimed for for the following reason:
As is known, the tip of the foot describes a simple circular movement in cycling. This is fixed by the pedal cranks. In contrast, the force curve for the rotational movement, which is applied by the muscles, is more complex. The driver lacks an opportunity to check this qualitatively. He only has his feeling here as an aid. So far, only the result of pedaling has been measured, the output and the output, the pulse.
Aber gerade an der Schnittstelle zwischen Fahrer und Rad bietet die Anzeige der Kräfte und Kraftrichtungen zusätzliche Informationen. Arbeit wird nur bezüglich der Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung geleistet, Kräfte senkrecht zur Bewegungsrichtung sind aber geeignet den Muskel zu ermüden ohne Vortrieb zu leisten.But the display of the forces and provides precisely at the interface between the driver and the bike Forces additional information. Work is only done on the force component performed parallel to the direction of movement, but forces are perpendicular to the direction of movement suitable to tire the muscle without performing propulsion.
In Fachzeitschriften für Ärzte, Sportler und Trainer wurden bereits Versuchsanordnungen für Tretkraftmessungen an ortsfesten Fahrradergometern beschrieben. Aus den Beschreibungen geht hervor, daß dazu ein Pedal mit Piezokristalaufnehmer für Kraftmessung in drei Richtungen zwischen Schuh und Pedal des Probanten eingesetzt wurde. Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß der Wippwinkel des Fußes beim Treten zwischen Pedal und Kurbel mit einem extra Winkelaufnehmer berücksichtigt werden muß. (McLean Brian, Improving pedaling technique with "real time" biomechanical feedback, Excel, Belconnen, 5 (1988), Bd. 1, S 15-18 / / Ericson M O, Efficiency of pedal forces during ergometer cycling, international Journal of Sports Medicine, Stuttgart, 9 (1988), 2, S. 118-122).Test arrangements for have already been published in specialist magazines for doctors, athletes and trainers Pedal force measurements on stationary bicycle ergometers are described. From the Descriptions show that a pedal with a piezoelectric crystal sensor for Force measurement used in three directions between the subject's shoe and pedal has been. The disadvantage of this solution is that the rocking angle of the foot when pedaling between the pedal and crank must be taken into account with an extra angle sensor. (McLean Brian, Improving pedaling technique with "real time" biomechanical feedback, Excel, Belconnen, 5 (1988), Vol. 1, S 15-18 / / Ericson M O, Efficiency of pedal forces during ergometer cycling, international Journal of Sports Medicine, Stuttgart, 9 (1988), 2, pp. 118-122).
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Tretkraft-Meßanordnung derart auszubilden, daß zusätzlich zur Leistung auch der Winkel, unter dem die Kraft auf die Kurbel wirkt, meßbar ist. Dazu soll auch der jeweilige Kurbelwinkel ermittelt werden.It is an object of the invention to design a pedal force measuring arrangement such that in addition to the power, the angle at which the force acts on the crank can also be measured. For this purpose, the respective crank angle should also be determined.
Eine weitere günstige Ausgestaltung wird darin gesehen, daß die Meßanordnung nachträglich in ein beliebiges Fahrrad eingebaut werden kann, ohne an der Tretkurbel oder Tretkurbellagerung Änderungen vorzunehmen. Another favorable embodiment is seen in the fact that the measuring arrangement can be retrofitted into any bike without using the crank or Pedal crank bearing to make changes.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kraft, durch eine Messung der Schubverformung am Kurbelzapfen mit darauf angeordneten Dehnungsmeßstreifen ermittelt wird, und dazu mindestens zwei Paare einander zugeordneter Dehnungsmeßstreifen mit unterschiedlicher Kraftaufnahmerichtung in einem Winkel versetzt direkt auf dem Kurbelzapfen angeordnet sind.According to the invention, this object is achieved by that the force by measuring the shear deformation on the crank pin with on it arranged strain gauges is determined, and in addition at least two pairs of strain gauges associated with each other different direction of force absorption at an angle directly on the Crank pins are arranged.
Die Messung von Schubverformung an einem Kurbelzapfen mit darauf angeordneten Dehnungsmeßstreifen ist an sich bekannt. Beispielsweise wird in der Offenlegungsschrift P 29 48 774.9 eine Kraftmeßeinrichtung für eine Maschine mit Ausleger beschrieben, bei der ebenfalls mittels Dehnungsmeßstreifen an einem Zapfen die Schubverformung gemessen wird. Auch hier sind Dehnungsmeßstreifen am Zapfen so angeordnet, daß die Kraft nur einer besonders interessierenden Richtung gemessen wird.The measurement of shear deformation on a crank pin with it arranged Strain gauges are known per se. For example, in the Laid-open specification P 29 48 774.9 a force measuring device for a machine with Cantilever described, in which also by means of strain gauges on one The shear deformation is measured. Strain gauges are also here arranged on the pin so that the force of only one of particular interest Direction is measured.
Der Zapfen hat einerseits nicht die Funktion eines Kurbelzapfens an einer Tretkurbel und andererseits wird nicht die eine Winkelgeschwindigkeit erfaßt, um daraus etwa eine Leistung zu berechnen.On the one hand, the pin does not have the function of a crank pin on a pedal crank and on the other hand the one angular velocity is not detected, for example to calculate a performance.
Beliebige Kraftrichtungen in der Ebene senkrecht zum Zapfen können nicht ermittelt werden, da die Messung eindimensional erfolgt.Any force directions in the plane perpendicular to the tenon cannot be determined because the measurement is one-dimensional.
Bei einem Fahrrad hat die Pedalachse die Funktion des Kurbelzapfens. Die Pedalachse (. . .) dreht sich mit der Kurbel mit. Ein gemessener Winkel bezüglich der Pedalachse ist folglich auch ein Winkel bezüglich der Kurbel.On a bicycle, the pedal axle has the function of the crank pin. The pedal axis (...) turns with the crank. A measured angle with respect to the pedal axis is consequently also an angle with respect to the crank.
Der Pedalkörper und der Fuß hingegen führen in erster Linie eine kreisförmige aber translatorische Bewegung aus.The pedal body and the foot, however, lead primarily a circular but translational movement.
Wegen der Symmetrie der Pedalachse ist die Verformbarkeit der Achse unter einer aufgebrachten Kraft in alle Richtungen gleich. Daher kann hier der Kraftwinkel und die Kraft in alle Richtungen senkrecht zur Achse gleich gut bestimmt werden.Because of the symmetry of the pedal axle, the deformability of the axle is under one applied force is the same in all directions. Therefore, the force angle and the force can be here can be determined equally well in all directions perpendicular to the axis.
Ein weiterer Vorteil die Meßaufnehmer an der Pedalachse zu plazieren wird darin gesehen, daß die Pedale im Vergleich zur Kurbel und Kurbelachse relativ einfach ausgetauscht werden können und daher ein nachträgliches Ausrüsten eines Fahrrades so besonders einfach möglich ist.Another advantage of placing the sensors on the pedal axis is seen in that the pedals are relatively easy to replace compared to the crank and crank axis can be and therefore a retrofitting of a bike so special is easily possible.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß nicht die Biegung der Achse sondern die Schubverformung gemessen wird.An essential feature of the invention is that it does not bend the axis but the shear deformation is measured.
Schubverformungen an Achsen sind zwar im allgemeinen geringer als Verformungen aus Biegung. Sie erfordern einen präziseren Aufnehmer, haben aber den Vorteil, unabhängig vom Abstand der verursachenden Kraft zu sein.Shear deformations on axes are generally less than deformations Bend. They require a more precise transducer, but have the advantage of being independent to be from the distance of the causal force.
Beim Pedal ist der Abstand des Fußes zu den Dehnungsmeßaufnehmern je nach Aufsetzen aufs Pedal unterschiedlich, und damit auch der Hebelarm bezüglich der aufgebrachten Kraft. Auch bei Fixierung des Schuhs auf dem Pedal kann der Hebelarm unterschiedlich sein, je nachdem ob die Kraft mehr mit dem Innenbereich oder dem Außenbereich der Fußspitze eingeleitet wird.With the pedal, the distance between the foot and the strain gauges depends on the placement on the pedal differently, and thus also the lever arm with regard to the applied force. Even when the shoe is fixed on the pedal, the lever arm can be different, depending after whether the force is more with the inside or outside of the toe is initiated.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2, daß die Schubverformung am
Kurbelzapfen in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen aufgenommen wird
und daß die Dehnungsmeßstreifen bezüglich der Zapfenachse unter 45° ausgerichtet sind,
hat folgende Vorteile:
Wegen der Symmetrie des Kurbelzapfens sind Verformungen in eine bestimmte Richtung
ein Maß für die Komponente der Kraft in diese Richtung. Indem in zwei bekannte Richtungen
gemessen wird, erhält man zwei Kraftkomponenten von denen die Richtung bekannt ist.
Daraus läßt sich durch Vektoraddition die Gesamtkraft und der Winkel ermitteln. Wird in
zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen gemessen, vereinfacht sich die Rechnung
noch:
Gesamtkraft Fges = √F + F und der Winkel a = arctan(F1/F2)
bezüglich der Dehnungsaufnehmer.The embodiment of the invention according to claim 2, that the shear deformation on the crank pin is absorbed in two directions perpendicular to each other and that the strain gauges are oriented at 45 ° with respect to the pin axis has the following advantages:
Because of the symmetry of the crank pin, deformations in a certain direction are a measure of the component of the force in this direction. By measuring in two known directions, two force components are obtained, of which the direction is known. The total force and the angle can be determined from this by vector addition. If you measure in two directions perpendicular to each other, the calculation is simplified:
Total force F ges = √f + F and the angle a = arctan (F 1 / F 2) relative to the extensometer.
Die Dehnungsmeßstreifen unter 45° zur Pedalachse, also schräg, aufzubringen ist vorteilhaft, weil sich die Dehnungsmaxima der Schubverformung unter 45° zur Achsrichtung befinden und so die größte Meßempfindlichkeit erreicht wird.The strain gauges must be applied at an angle of 45 ° to the pedal axis, i.e. at an angle advantageous because the expansion maxima of the shear deformation are below 45 ° to the axial direction are located and the greatest sensitivity is achieved.
Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß Dehnungen, die aufgrund beliebiger Momente, in der Achse entstehen, nicht das Ergebnis der Schubverformungsermittlung beeinflussen. Sind die Dehnungsmeßstreifen exakt spiegelbildlich zur Achse aufgebracht, dann kompensieren sich alle Biegedehnungen innerhalb der Meßbrücke.It has a particularly advantageous effect that strains that occur due to arbitrary moments the axis, do not affect the result of the shear deformation determination. If the strain gauges are exactly mirror images of the axis, then compensate for all bending strains within the measuring bridge.
Um die besonders interessierenden Kraftkomponenten: tangential und normal zur Kurbel zu ermitteln wird nach Anspruch 3 ein Microcontroller eingesetzt. Aus der tangentialen Kraftkomponente läßt sich durch Multiplikation mit der Winkelgeschwindigkeit und dem Kurbelradius die Leistung errechnen. Die normale Kraftkomponente trägt nicht zur Leistung bei.To the particularly interesting power components: tangential and normal to the crank determine a microcontroller is used according to claim 3. From the tangential Force component can be multiplied by the angular velocity and the Crank radius calculate the power. The normal force component does not contribute to performance at.
Wird die Pedalachse mit Meßaufnehmern versehen und anschließend in eine beliebige Kurbel geschraubt, so ist der Verdrehwinkel der Meßaufnehmer zur Kurbel von der Ausrichtung des Gewindes abhängig und vorher nicht bekannt. Um hier nicht eine konstruktive Änderung notwendig zu machen, wird nach Anspruch 4 der Verdrehwinkel der Meßaufnehmer bezüglich der Kurbel nach der Montage, z. B. mit einem Winkelmesser, gemessen und, z. B. an der Auswerteeinheit, eingegeben.If the pedal axis is provided with sensors and then into any one Screwed crank, the angle of rotation of the sensor to the crank is from Orientation of the thread dependent and not known beforehand. To not one here To make constructive change necessary, according to claim 4, the angle of rotation Sensor related to the crank after assembly, e.g. B. with a protractor, measured and, e.g. B. entered on the evaluation unit.
Eine Ausgestaltung nach Anspruch 5 ermöglicht es den Winkel der Pedalachse im eingeschraubten Zustand bezüglich der Kurbel über eine Kalibriermessung mit bekanntem Kraftwinkel zu bestimmen. Dazu wird z. B. das Pedal am unteren Kurbeltotpunkt mit einer nach unten gerichteten Gewichtskraft belastet. Die Differenz zwischen dem Winkel, der bei der Kalibriermessung vom Microcontroller ermittelt wird, und der Lotrechten wäre dann der definierte Verdrehwinkel der Pedalachse zur Kurbel, der Kalibrierwinkel.An embodiment according to claim 5 enables the angle of the pedal axis in screwed-in state with respect to the crank via a calibration measurement with known Determine force angle. For this, z. B. the pedal at the bottom dead center with a downward weight load. The difference between the angle at the calibration measurement is determined by the microcontroller, and the perpendicular would then be the Defined angle of rotation of the pedal axis to the crank, the calibration angle.
Ein weiterer Vorteil die Kraft an der Pedalachse zu messen liegt darin, daß der Winkel des Pedals bzw. des Fußes bezüglich der Kurbel unberücksichtigt bleiben kann. Es ist nur eine Bestimmung der momentanen Kurbelstellung nötig.Another advantage of measuring the force on the pedal axis is that the angle of the Pedals or the foot can be disregarded with respect to the crank. It is only one Determination of the current crank position necessary.
Eine vorteilhafte Lösung dieser Aufgabe ist nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelwinkel zum Meßzeitpunkt, von einem Lagegeber aus, mit einer Zeitmessung bestimmt wird. Beim kontinuierlichen Tritt sind die Geschwindigkeitsänderungen innerhalb einer Periode gering. Daher kann insbesondere bei konstanter Periodendauer auch konstante Winkelgeschwindigkeit vorausgesetzt werden. Aus Zeit und Winkelgeschwindigkeit wird der aktuelle Winkel ermittelt. Tretunterbrechungen werden an der geänderten Periodendauer erkannt.An advantageous solution to this problem is characterized according to claim 6, that the crank angle at the time of measurement, from a position encoder, with a time measurement is determined. With continuous pedaling, the speed changes are within one period low. Therefore, especially when the period is constant constant angular velocity are assumed. Out of time and Angular velocity, the current angle is determined. Pedal breaks are on the changed period is recognized.
Zur Positionsbestimmung eignet sich z. B. ein Permanent-Magnet als Signalgeber am Rahmen und ein Reedschalter als Signalaufnehmer an der Kurbel, oder umgekehrt.For determining the position, z. B. a permanent magnet as a signal generator on Frame and a reed switch as a signal sensor on the crank, or vice versa.
Vorteilhaft ist die Anzeige der Meßergebnisse auf einem im Blickfeld des Fahrzeugbenutzers angeordneten Anzeigefeld zur Rückkopplung der Größe, Art und Effizienz seines Krafteinsatzes. It is advantageous to display the measurement results in a field of view of the vehicle user arranged display field for feedback of the size, type and efficiency of its Force deployment.
Bei der Ausbildung nach Anspruch 7 verfügt das Gerät über die Möglichkeit Meßwerte einer oder mehrerer Tretperioden aufzuzeichnen und z. B. in einem RAM oder EEPROM abzuspeichern und die Differenz zweier Kraftverläufe, insbesondere zwischen einem aktuell gemessenen und einem vorhergehenden anzuzeigen. Wurde ein Kraftverlauf gespeichert, bei dem nur sehr locker durchgedreht wurde, so erhält man als Differenz die Muskelkraft des aktuellen Tritts. Alle konstanten Kräfte, wie z. B. Gewicht des Beines, fallen bei der Differenzbildung weg.In the embodiment according to claim 7, the device has the possibility of a measured values record one or more pedaling periods and e.g. B. in a RAM or EEPROM save and the difference between two force profiles, especially between one currently measured and a previous one. If a force curve has been saved, where you only went very loosely, you get the muscle strength of the current kick. All constant forces, e.g. B. Weight of the leg, fall at the Difference formation away.
Aufgrund der Massenträgheit der Beine entstehen aber auch tretgeschwindigkeit abhängige Kräfte an den Pedalen. Diese werden kompensiert wenn jeweils zwei Tretkraftverläufe mit gleicher Periodendauer von einander abgezogen werden. Dies wird in Anspruch 8 vorgeschlagen. . . . Due to the inertia of the legs, pedaling speed also occurs dependent forces on the pedals. These are compensated if there are two Pedal force curves with the same period are subtracted from each other. This is in Claim 8 proposed. , , ,
Besonders das nicht unerhebliche Gewicht des Beines (und Bekleidung/Schuh) wurde die Darstellung der tangential- und normal zum Kurbelkreis wirkenden Kräfte überlagern und den eigentlichen Informationsgehalt zudecken.Especially the not inconsiderable weight of the leg (and clothing / shoe) was the representation of the forces acting tangentially and normal to the crank circle and the actual information content cover up.
Die Tretkraftanzeige soll nicht nur der Absolutkraft- und Leistungsanzeige dienen, sondern dem Radsportler auch zusätzliche Informationen über die Art seines Tritts liefern: wird nur nach unten getreten oder auch nach hinten oder nach oben gezogen, um hier ein zusätzliches Moment aufzubringen.The pedal force display should not only serve to show the absolute force and power, but also to the cyclist also provide additional information about the type of kick: is only kicked down or also after pulled back or up to add an extra moment.
Bei Schäden am Beinapperat könnten die Maximalwerte überwacht werden; wenn im Rahmen einer Rehabilitation vom Arzt vorgegebene Kraftwerte nicht überschritten werden sollen. Die unabhängige Messung an beiden Kurbelseiten läßt Unterschiede der Beinkraft und Trettechnik beider Beine sichtbar werden. Auch ein Vergleich des eigenen Tretkraftverlaufs mit dem eines besseren Fahrers wird möglich. In the event of damage to the leg apparatus, the maximum values could be monitored; if under a Rehabilitation should not exceed the strength values specified by the doctor. The independent measurement Differences in leg strength and pedaling technique on both legs can be seen on both crank sides. It is also possible to compare your own pedal force curve with that of a better driver.
Das Neue an diesem Gerät ist, daß die Tretkraftbestimmung nicht nur nach Größe sondern auch nach Winkel erfolgt und für beide Beine getrennt. Dies wird durch die Messung an der Pedalachse möglich.The new thing about this device is that the pedaling force is determined not only by size but also by angle done and separated for both legs. This is made possible by measuring the pedal axis.
Die Anzeige soll an einem beliebigen Fahrrad während der üblichen Benutzung erfolgen. Dazu ist das Fahrrad mit den zur Meßvorrichtung gehörenden Pedalen, den damit verbundenen Meßsendern an den Kurbeln und der Anzeigeeinheit auszurüsten.The display should be on any bike during normal use. This is the bike with the pedals belonging to the measuring device, the associated measuring transmitters on the cranks and the Equip display unit.
Weitere günstige Ausgestaltungen der Vorrichtung werden im folgenden Ausführungsbeispiel angegeben.Further favorable configurations of the device are specified in the following exemplary embodiment.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in dieser zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings; in this shows:
Fig. 1 ein Flußdiagramm für die Auswertung der von den Dehnmeßstreifen und den Magnetschaltern erhaltenen elektrischen Signale (Anordnung zu Fig. 6). Fig. 1 is a flow chart for the evaluation of the electrical signals obtained from the strain gauges and the magnetic switches (arrangement of Fig. 6).
Fig. 2 zeigt eine auf das Pedal (12) bzw. die Pedalachse (11) aufgebrachte Kraft (F), die in die Komponenten (Ft) in tangential Richtung und (Fn) in normal Richtung bezüglich der Kurbel (10) aufgeteilt wird; den Kurbelwinkel (a) bezüglich des Lagegebers (Magnet) (15). Fig. 2 shows a force (F) applied to the pedal ( 12 ) or the pedal axis ( 11 ), which is divided into the components (Ft) in the tangential direction and (Fn) in the normal direction with respect to the crank ( 10 ); the crank angle (a) with respect to the position encoder (magnet) ( 15 ).
Fig. 3 zeigt die Schubverformung zweier quadratischer Elemente der Pedalachse (11), die sich unter der Kraft (F) verformt. Die Schubverformung ist stark übertrieben dargestellt. Die Dehnmeßstreifen (1,2), die unter einem Winkel von 45° zur Achse aufgebracht sind, werden gedehnt (1) und gestaucht (2). Fig. 3 shows the shear deformation of two square elements of the pedal axis ( 11 ), which deforms under the force (F). The shear deformation is exaggerated. The strain gauges ( 1 , 2 ), which are applied at an angle of 45 ° to the axis, are stretched ( 1 ) and compressed ( 2 ).
Fig. 4 zeigt perspektivisch wie die Dehnmeßstreifen (1-8) an der Pedalachse (11) angeordnet sind. Die Dehnmeßstreifen sind im Bereich zwischen Pedalachsbefestigung an der Kurbel (10) und Pedallager angebracht. Die Kraft (F) symbolisiert die über die Pedallagerung in die Pedalachse (11) eingeleitete Kraft. Fig. 4 shows in perspective how the strain gauges ( 1-8 ) are arranged on the pedal axis ( 11 ). The strain gauges are attached to the crank ( 10 ) and pedal bearing in the area between the pedal axle mounting. The force (F) symbolizes the force introduced into the pedal axis ( 11 ) via the pedal bearing.
Fig. 5 zeigt die Auslenkung der Pedalachse (11) durch die Kraft (F) von der Stirnseite aus gesehen. Die Komponente in Richtung 1 wird von den Dehnmeßstreifen (1-4) und die Komponente in Richtung 2 von den Dehnmeßstreifen (5-8) erfaßt. Durch Vektoraddition der beiden Auslenkungen kann die gesamt Auslenkung und der Auslenkungswinkel ermittelt werden. Die Auslenkung ist näherungsweise proportional zur Kraft. Fig. 5 shows the deflection of the pedal axis ( 11 ) by the force (F) seen from the front. The component in direction 1 is detected by the strain gauges ( 1-4 ) and the component in direction 2 by the strain gauges ( 5-8 ). The total deflection and the deflection angle can be determined by vector addition of the two deflections. The deflection is approximately proportional to the force.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Tretkurbel mit den Pedalen (12), dem Gehäuse für den, Meßverstärker und -sender (14) an der Kurbel (10), dem Gehäuse für den Datenempfänger (16) am Rahmen und die Anzeigeeinheit (17) am Lenker im Blickfeld des Fahrers. Fig. 6 shows a perspective view of the pedal crank with the pedals (12), the housing for the, sense amplifier and transmitter (14) to the crank (10), the housing for the data receiver (16) on the frame and the display unit (17 ) on the handlebars in the driver's field of vision.
Fig. 7 zeigt wie sich die Gewichtskraft des Beines und die Muskelkraft bei verschiedenen Kurbelstellungen zu der gemessenen Gesamtkraft unter diesen Kurbelstellungen addieren. Fig. 7 shows how the weight of the leg and the muscle strength at different crank positions add to the measured total force under these crank positions.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben:
Fig. 1: Die beiden Meßeinrichtungen für die linke und rechte Tretkurbelseite sind identisch aufgebaut. Es wird
daher nur die eine (rechte) Seite behandelt. Die Dehnmeßstreifen (1-8) an der Pedalachse (11) werden zu zwei
Wheatstone'schen Brücken zusammengeschlossen. (Die Lage der DMS an der Pedalachse geht aus Fig. 4
und 5 hervor.) Der Microcontroller schaltet die Versorgungsspannung für die Messung über einen
elektronischen Schalter ein. Der Meßsignalverstärker und die Sensoren werden für die periodisch oder zu
bestimmten Kurbelwinkeln durchgeführte Messung jeweils nur 50 us mit Strom versorgt. In den
dazwischenliegenden wesentlich längeren Pausen wird kein Strom verbraucht. Bei 20 Messungen pro Sekunde
ergibt sich somit ein um den Faktor 1000 erniedrigter Stromverbrauch.An exemplary embodiment of the invention is described in detail below with reference to the drawings:
Fig. 1: The two measuring devices for the left and right crank side are constructed identically. Therefore, only one (right) side is dealt with. The strain gauges ( 1-8 ) on the pedal axis ( 11 ) are combined to form two Wheatstone bridges. (The position of the strain gauge on the pedal axis can be seen in FIGS. 4 and 5.) The microcontroller switches on the supply voltage for the measurement via an electronic switch. The measurement signal amplifier and the sensors are only supplied with current for the measurement carried out periodically or at certain crank angles, in each case only 50 us. No electricity is consumed during the much longer breaks in between. With 20 measurements per second, the power consumption is reduced by a factor of 1000.
Die Brückendiagonalspannung wird für jede Brücke getrennt verstärkt und von je einem Kanal des A/D-Wandlers eingelesen. Der Meßzeitpunkt wird zusammen mit den Brückenmeßwerten abgespeichert und bei der späteren Darstellung ausgewertet. The bridge diagonal voltage is amplified separately for each bridge and by one channel of each A / D converter read. The time of measurement is saved together with the bridge measured values and evaluated in the later presentation.
Am Ende jeder Tretperiode, wenn durch den Magneten (15) der Magnetschalter im Meßsender (14) ein Signal auslöst, wird im Microcontroller eine neue Zeitmessung begonnen und die letzte auf Gültigkeit überprüft: liegt die Periodendauer im Meßbereich und entspricht sie der vorangegangenen, so liegt keine Tretunterbrechung vor.At the end of each pedaling period, when the magnet ( 15 ) triggers a signal in the measuring transmitter ( 14 ), a new time measurement is started in the microcontroller and the last one is checked for validity: if the period is in the measuring range and corresponds to the previous one, then no pedal interruption before.
Das Verhältnis des Meßzeitpunktes zur Periodendauer entspricht dem Verhältnis des Kurbelwinkels zum Vollkreis. Die Meßzeitpunkte werden in Prozent der Periodendauer umgerechnet.The ratio of the measurement time to the period corresponds to the ratio of the crank angle to Full circle. The measurement times are converted as a percentage of the period.
Die DMS-Meßwerte werden über den Verdrehwinkel, der bei der Kalibriermessung ermittelt wurde, normiert. (Eine Beschreibung dazu folgt am Ende)The strain gauge measurement values are standardized using the angle of rotation that was determined during the calibration measurement. (A description of this follows at the end)
Die während der letzten Tretperiode gemessenen und zwischengespeicherten Daten werden bitweise an den Empfänger gesandt. Dazu gibt der Controller Impulse über die Sendespule an der Kurbel aus. Diese werden von der Empfängerspule am Rahmen aufgenommen, über eine Verstärkerschaltung und Frequenzteilung wieder einem Microcontroller zur Weiterverarbeitung zugeleitet; zwei Impulse mit kurzem Abstand bedeuten eine 0, zwei Impulse mit doppeltem Abstand bedeuten eine 1. So können die Meßdaten ohne Genauigkeitsverlust übertragen werden.The data measured and buffered during the last pedaling period are transferred bit by bit to the Sent to recipient. To do this, the controller outputs pulses via the transmitter coil on the crank. These will picked up by the receiver coil on the frame, via an amplifier circuit and frequency division again sent to a microcontroller for further processing; means two pulses with a short interval a 0, two pulses with double spacing mean a 1. So the measurement data can be without Loss of accuracy can be transmitted.
Da beide Meßsender durch ihren eigenen Magneten (15) am Pedalumfangskreis synchronisiert werden und die Kurbeln um 180° versetzt angeordnet sind, und die Übertragungsdauer nur einen Bruchteil der Periodendauer ausmacht, ergibt sich von selbst eine zeitliche Trennung der Übertragung beider Seiten.Since both measuring transmitters are synchronized by their own magnets ( 15 ) on the pedal circumference and the cranks are offset by 180 °, and the transmission time is only a fraction of the period, there is a time separation of the transmission of both sides.
Eine Kennung für linke bzw. rechte Kurbelseite ermöglicht, beide Datenströme über eine gemeinsame
Datenleitung zur Anzeigeeinheit zu übermitteln und dort getrennt weiter zu verarbeiten. Von einem
Microcontroller in der Auswerteeinheit wird die weitere Datenverarbeitung durchgeführt:
Speichern und Darstellen der Meßwerte, berechnen der Leistung etc . . .An identifier for the left or right crank side enables both data streams to be transmitted to the display unit via a common data line and processed further there separately. The further data processing is carried out by a microcontroller in the evaluation unit:
Storage and display of the measured values, calculation of the performance etc. , ,
Umrechnung der DMS-Meßwerte in ein normiertes Koordinatensystem.Conversion of the strain gauge measured values into a standardized coordinate system.
Die gemessenen Werte werden in ein Koordinatensystem mit tangetialer und normaler Ausrichtung zur Kurbel umgerechnet. Dazu wird nach der Montage der Pedale eine Kalibriermessung durchgeführt, um den Verdrehwinkel der DMS-Brücken bezüglich der Kurbel zu ermitteln. Das Kalibrierprogramm im Microcontroller wird nach dem Batteriewechsel automatisch aufgerufen. Unter dem definierten Kurbelwinkel unterer Totpunkt (UT) wird eine senkrecht wirkende Kraft (z. B. Gewichtkraft des Beines) aufgebracht.The measured values are in a coordinate system with tangential and normal alignment to the crank converted. For this purpose, a calibration measurement is carried out after mounting the pedals in order to determine the Determine the angle of rotation of the strain gauge bridges with respect to the crank. The calibration program in the microcontroller is called up automatically after changing the battery. Below the defined crank angle, bottom dead center (UT) a vertical force (e.g. weight of the leg) is applied.
Für beliebige Kraftwinkel und Kurbelstellungen bezeichnet
F1: Kraftkomponente von DMS-Brücke (1-4) gemessen, in Richtung 1 (laut Fig. 5)
F2: Kraftkomponente von DMS-Brücke (5-8) gemessen, in Richtung 2
α: Verdrehwinkel der DMS-Brücken bezüglich Kurbel in der Kalibriermessung ermitteltDesignated for any force angle and crank positions
F 1 : force component measured by strain gauge bridge ( 1-4 ), in direction 1 (according to FIG. 5)
F 2 : Force component measured from strain gauge bridge ( 5-8 ), in direction 2
α: The angle of rotation of the strain gauge bridges with respect to the crank was determined in the calibration measurement
Während der Kalibriermessung mit senkrecht wirkender Kraft in der Kurbelstellung UT ermittelte
Kraftkomponenten (Absolutwert der Kraft beliebig, könnte aber für Eichung der Anzeige benützt werden)
F01 Kraftkomponente von DMS-Brücke (1-4) gemessen, im UT bei senkrechter Kraft
F02 Kraftkomponente von DMS-Brücke (5-8) gemessen, im UT bei senkrechter KraftForce components determined during the calibration measurement with vertical force in the crank position UT (absolute value of the force is arbitrary, but could be used for calibration of the display)
F 01 Force component measured by the strain gauge bridge ( 1-4 ), in the UT with vertical force
F 02 Force component measured by the strain gauge bridge ( 5-8 ), in the UT with vertical force
Umrechnungsformel in das gegenüber der DMS gedrehte t-n-Koordinatensystem
Conversion formula into the tn coordinate system rotated relative to the strain gauge
Fn = F1.cosα + F2.sinα;
F n = F 1 .cosα + F 2 .sinα;
Ft = -F1.sinα + F2.cosα;
F t = -F 1 .sinα + F 2 .cosα;
mit
With
Alternativ zur induktiven Übertragung der Meßdaten über Spulen am Tretlager, könnten diese auch mit einer hochfrequenten Trägerfrequenz direkt zum Empfänger am Lenker oder am Begleitfahrzeug übertragen werden.As an alternative to the inductive transmission of the measurement data via coils on the bottom bracket, this could also be done with a transmit high-frequency carrier frequency directly to the receiver on the handlebars or on the support vehicle become.
Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die Anwendung gemäß den Ausführungsbeispielen beschränkt, sondern läßt sich bei jeder Art von Kurbelantrieb anwenden.The present invention is in no way applicable to the application according to the exemplary embodiments limited, but can be used with any type of crank drive.
Claims (8)
- a) die Größen Kraft und Winkelgeschwindigkeit in elektrische Signale umgewandelt und einem Auswertegerät zugeführt werden,
- b) die der Kraft zugehörige Winkelgeschwindigkeit und/oder der Kurbelwinkel aus einer Zeitmessung eines mit der Kurbeldrehung periodisch wirkenden Signals von einem Lagegeber (15) ermittelt wird,
- c) die Kraft durch eine Messung der Schubverformung am Kurbelzapfen mit darauf angeordneten Dehnungsmeßstreifen ermittelt wird und dazu
- d) mindestens zwei Paare einander zugeordneter Dehnungsmeßstreifen (1, 2, 5, 6) mit unterschiedlicher Kraftaufnahmerichtung in einem Winkel versetzt direkt auf dem Kurbelzapfen (11) angeordnet sind.
- a) the quantities force and angular velocity are converted into electrical signals and fed to an evaluation device,
- b) the angular velocity associated with the force and / or the crank angle is determined from a time measurement of a signal from a position sensor ( 15 ) which acts periodically with the crank rotation,
- c) the force is determined by measuring the shear deformation on the crank pin with strain gauges arranged thereon and in addition
- d) at least two pairs of mutually associated strain gauges ( 1 , 2 , 5 , 6 ) with different force absorption directions are offset at an angle directly on the crank pin ( 11 ).
daß aus zwei aufgenommenen Schubverformungskomponenten die Absolutkraft und der Winkel der Kraft bezüglich des Kurbelzapfens von einem Microcontroller berechnet wird und/oder
daß aus den zwei aufgenommenen Schubverformungskomponenten die Kraftkomponente in Umfangsrichtung und in Normalrichtung bezüglich des Kurbelzapfens von einem Microcontroller berechnet wird.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in
that from two recorded shear deformation components, the absolute force and the angle of the force with respect to the crank pin are calculated by a microcontroller and / or
that the force component in the circumferential direction and in the normal direction with respect to the crank pin is calculated by a microcontroller from the two shear deformation components recorded.
daß der Winkel der Pedalachse im eingeschraubten Zustand bezüglich der Kurbel über eine Winkelmessung nach der Montage gemessen wird und
daß der Winkel über eine Eingabemöglichkeit eingegeben wird. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in
that the angle of the pedal axis in the screwed state with respect to the crank is measured via an angle measurement after assembly and
that the angle is entered using an input option.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
D2 | Grant after examination | ||
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