DE9415162U1 - Electronic device for determining pedaling force - Google Patents

Electronic device for determining pedaling force

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Description

W. Petzke, Dipl.-Ing. 1W. Petzke, Dipl.-Ing. 1

BeschreibungDescription

Elektronisches Gerät zur TretkraftbestimmungElectronic device for determining pedal force

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Meßgerät zur Erfassung der vom Radfahrer auf die Pedale aufgebrachten Kräfte unter beliebigen Kurbelwinkeln nach Größe und Richtung während des periodisch stattfindenden Tretvorgangs und Anzeige auf einem im Blickfeld des Fahrzeugbenutzers angeordneten Anzeigefeid, mit dem Zweck, dem Fahrer Informationen über Größe, Art und Effizienz seines Krafteinsatzes zu liefern.The invention relates to an electronic measuring device for recording the magnitude and direction of the forces applied by the cyclist to the pedals at any crank angle during the periodic pedaling process and displaying them on a display panel arranged in the field of vision of the vehicle user, with the purpose of providing the driver with information about the magnitude, type and efficiency of his use of force.

Ein elektronisches Gerät zur Messung der auf eine kontinuierlich sich drehende Fahrradtretkurbe! bzw. ein Fahrradpedal insbesondere beim biomechanischen Prozeß des Tretens aufgebrachten und in Richtung und Größe wechselnden Kräfte besteht wie aus Literaturangaben entnommen: Kraftaufnehmern im Bereich des Pedals, der Tretkurbel oder des Tretkurbellagers, einem Signalverstärker, einer Einrichtung, um den Kurbelwinkel zu bestimmen als auch das Meßsignal vom rotierenden Meßpunkt an die ruhende Anzeigevorrichtung zu übertragen.An electronic device for measuring the forces applied to a continuously rotating bicycle crank or a bicycle pedal, particularly during the biomechanical process of pedaling, and which change in direction and magnitude, consists, as taken from the literature: force sensors in the area of the pedal, the crank or the crank bearing, a signal amplifier, a device for determining the crank angle and for transmitting the measurement signal from the rotating measuring point to the stationary display device.

Diese Geräte finden in Forschungseinrichtungen Verwendung und ermöglichen es, Tretkräfte an zumeist ortsfesten und speziell für diese Zwecke ausgerichteten Fahrradergometern zu messen.These devices are used in research facilities and make it possible to measure pedal forces on mostly stationary bicycle ergometers that are specially designed for this purpose.

Zu diesem Zwecke werden normalerweise Winkelgeber zur jeweiligen Positionsbestimmung der Kurbel eingesetzt. Die gemessenen Werte von den Sensoren am sich bewegenden Pedal oder drehenden Pedalkurbel werden entweder über Kabel, die am Bein des Probanden verlegt werden, über Schleifringe, Funk-, Infrarot- oder Ultraschallsender oder erst nach Beendigung des Tretvorgangs mit Abruf aus einer Datenspeicherung weitergeleitet. Die angezeigte Kraft entspricht nicht der aufgrund Muskelarbeit aufgebrachten Kraft, da hier die Gewichts- und Massenträgheitskraft der Beine mit eingeht. Die Kraftsensoren und die Verstärkerschaltung haben einen Strombedarf, der eine relativ große Batterie oder häufigen Austausch nötig macht. Die Meßanordnung wird nur von einem Spezialisten aufgebaut.For this purpose, angle sensors are normally used to determine the position of the crank. The measured values from the sensors on the moving pedal or rotating pedal crank are transmitted either via cables that are laid on the test subject's leg, via slip rings, radio, infrared or ultrasonic transmitters or only after the pedaling process has been completed by retrieving them from a data storage device. The force displayed does not correspond to the force exerted by muscle work, as this includes the weight and inertia of the legs. The force sensors and the amplifier circuit require a power supply that requires a relatively large battery or frequent replacement. The measuring system is only set up by a specialist.

Ein Nachrüsten eines beliebigen Fahrrades auch von einem Nichtfachmann ist damit nicht möglich ohne die Verwendung des Fahrrades oder die der Meßeinrichtung einzuschränken und hohen Wartungsaufwand zu verursachen.Retrofitting any bicycle, even by a non-professional, is therefore not possible without restricting the use of the bicycle or the measuring device and causing high maintenance costs.

W. Petzke, Dipl.-lng. 2W. Petzke, Dipl.-lng. 2

(McLean Brian,Improving pedaling technique with "real time" biomechanicai feedback, Excel, Belconnen, 5(1988), Bd. 1, S15-18 // Ericson M O, Efficiency of pedal forces during ergometer cycling, Int. J. of Sports Med.,Stuttgart, 9 (1988), 2, S.118-122) Problem / Zweck der Erfindung:
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(McLean Brian,Improving pedaling technique with "real time" biomechanical feedback, Excel, Belconnen, 5(1988), Vol. 1, pp.15-18 // Ericson MO, Efficiency of pedal forces during ergometer cycling, Int. J. of Sports Med.,Stuttgart, 9 (1988), 2, pp.118-122) Problem/Purpose of the invention:
-

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Pedalkraft-Meßanordnung der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß auch die nachträgliche Ausrüstung eines Fahrrades, unter Beibehaltung aller Nutzeigenschaften von einem Nichtfachmann vorgenommen werden kann und daß der Gebrauch der Meß- und Anzeigeeinrichtung während der üblichen Verwendung des Fahrrads stattfindet.It is therefore the object of the invention to design a pedal force measuring arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that the subsequent fitting of a bicycle can be carried out by a non-specialist while retaining all useful properties and that the use of the measuring and display device takes place during the normal use of the bicycle.

Lösung:Solution:

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein microcontrollergesteuerter Meßsender an der Kurbel oder damit starr verbundenem Bauteil angebracht wird und den Meßablauf steuert, wobei von einer Marke am Kurbelkreis ausgehend der zugehörige Kurbelwinkei über Winkelgeschwindigkeit und Zeitmessung berechnet wird und zusammen mit den Kraftmeßwerten an einen feststehenden Empfänger im Bereich der Kurbel mit Hilfe einer Kopplung zwischen Bezugsleitern übermittelt wird.This object is achieved according to the invention in that a microcontroller-controlled measuring transmitter is attached to the crank or a component rigidly connected to it and controls the measuring process, whereby the associated crank angle is calculated from a mark on the crank circle using angular velocity and time measurement and is transmitted together with the force measurement values to a fixed receiver in the area of the crank with the aid of a coupling between reference conductors.

Erreichte Vorteile:Benefits achieved:

Vorteilhaft ist die Kombination eines Sendeverfahrens mittels des physikalischen Effektes der Kopplung und einer Winkelbestimmung mit Hilfe eines Steuerungsprogrammes, da beides von einem Microcontroller übernommen werden kann. Dadurch wird die gesamte Meßanordnung weitgehend unabhängig von der detaillierten Bauform des Rades im Bereich der Tretkurbel.The combination of a transmission method using the physical effect of the coupling and an angle determination using a control program is advantageous, since both can be carried out by a microcontroller. This makes the entire measuring arrangement largely independent of the detailed design of the wheel in the area of the crank.

Dadurch wird eine einfache nachträgliche Montage möglich. Das Prinzip der Kopplung (, wie sie im EMV Gesetz bzw. Kommentar beschrieben ist und normalerweise als Störung zwischen zwei benachbarten Leitern betrachtet wird) wird hier gewählt, da es sich für Übertragungen mit Entfernungen bis zu mehreren cm und sehr niedriegem Energieverbrauch eignet.This makes subsequent installation easy. The principle of coupling (as described in the EMC law and commentary and normally considered as interference between two adjacent conductors) is chosen here because it is suitable for transmissions over distances of up to several cm and very low energy consumption.

Impulse werden ausgesendet, indem z. B. kurzzeitig die elektrische Spannung auf einem Leiter geändert wird. Die von den digitalen Bausteinen erzeugten sehr steilen Signalflanken eignen sich dafür besonders gut. Ein in der Nähe befindlicher Leiter empfängt dabei diese (Störungen) Signale. Mit Verstärkerschaltung und Filter lassenPulses are sent out by, for example, briefly changing the electrical voltage on a conductor. The very steep signal edges generated by the digital components are particularly suitable for this. A conductor located nearby receives these (interference) signals. With an amplifier circuit and filter,

W. Petzke, Dipi.-lng. 3W. Petzke, Dipi.-lng. 3

sich diese soweit verstärken, daß sie als Datenstrom weiterverarbeitet werden können. Die Güte der Übertragung hängt auch von der Form der Leiter ab, an Ecken wird mehr Energie abgestrahlt.these are amplified to such an extent that they can be further processed as a data stream. The quality of the transmission also depends on the shape of the conductors; more energy is radiated at corners.

Eine besonders günstige Anordnung zur Übertragung wird nach Anspruch 2 gewählt. Die Sendeimpulse werden von einem Leiter an der Innenseite der Tretkurbel auf den Empfänger übertragen. Der Leiter kann z. B. ein dünner Blechstreifen sein, der mit Hilfe eines doppelseitigen Klebebandes auf die Innenseite der Kurbel geklebt ist und im Bereich des Empfängers aufgebogen ist. Dadurch wird der Abstand zum Empänger verkürzt und eine Bauteile und Raum sparende Anordnug gewählt.A particularly favorable arrangement for transmission is chosen according to claim 2. The transmission pulses are transmitted from a conductor on the inside of the pedal crank to the receiver. The conductor can be, for example, a thin strip of metal that is glued to the inside of the crank using double-sided adhesive tape and is bent up in the area of the receiver. This shortens the distance to the receiver and an arrangement that saves components and space is chosen.

Eine weitere besonders günstige Ausgestaltung wird mit Anspruch 3 erreicht. Die Information wird digital gesendet, dadurch geht bei der Datenübertragung keine Genauigkeit verloren. Das Signal wird nicht durch äußere Einflüße oder Veränderung und Alterung der elektrischen Bauteile verfälscht. Z. B. ist ein Datenformat geeignet, wie es bei Infrarotfernsteuerungen benutzt wird (Pulse Code Modulation - PCM).Another particularly advantageous embodiment is achieved with claim 3. The information is sent digitally, so no accuracy is lost during data transmission. The signal is not distorted by external influences or changes and aging of the electrical components. For example, a data format such as that used in infrared remote controls (Pulse Code Modulation - PCM) is suitable.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung wird in Schutzanspruch 4 angegeben.
Die zu sendenden Daten werden vom Controller zwischengespeichert und paketweise versandt. Somit wird ermöglicht, die Kopplung nur über einen Teil des Kurbelkreises auszuprägen, z. B. den Bereich zwischen Hintergabel und Unterrohr und damit die Bauform der Kopplungsleiter noch einfacher und kleiner gestalten zu können.
A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 4.
The data to be sent is temporarily stored by the controller and sent in packets. This makes it possible to only define the coupling over part of the crank circle, e.g. the area between the rear fork and the down tube, and thus to make the design of the coupling conductor even simpler and smaller.

Die Übertragungsgeschwindigkeit ist so hoch gewählt, daß bei höchster Tretfrequenz (150 Umdrehungen/min) ein Kurbelwinkel von 120° durchschritten wird, um alle Daten einer Umdrehung zu übertragen.The transmission speed is set so high that at the highest pedaling frequency (150 revolutions/min) a crank angle of 120° is passed through in order to transmit all the data of one revolution.

Eine besonders günstige Ausgestaltung wird mit Anspruch 5 erreicht.A particularly favourable design is achieved with claim 5.

Der Meßsignalverstärker und die Sensoren werden für die periodisch oder zu bestimmten Kurbelwinkeln durchgeführte Messung jeweils nur 50 us mit Strom versorgt.The measuring signal amplifier and the sensors are each supplied with power for only 50 us for the measurement carried out periodically or at specific crank angles.

In den dazwischenliegenden wesentlich längeren Pausen wird kein Strom verbraucht.During the much longer breaks in between, no electricity is consumed.

Bei 20 Messungen pro Sekunde ergibt sich somit ein um den Faktor 1000 erniedrigter Stromverbrauch.With 20 measurements per second, power consumption is reduced by a factor of 1000.

Die Batterie für die Stromversorgung des Meßsenders kann dadurch klein gehalten werden und damit auch das Gerät. Zusätzlich wird die Batterielebensdauer erhöht und damit der Wartungsaufwand verringert.This means that the battery for the power supply of the measuring transmitter can be kept small, and so can the device. In addition, the battery life is increased, thus reducing maintenance effort.

W. Petzke, Dipl.-lng. 4W. Petzke, Dipl.-lng. 4

Eine weitere vorteilhafte Lösung der Aufgabe ist nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daßA further advantageous solution to the problem is characterized according to claim 6 in that

zur Positionsbestimmung ein Permanent-Magnet als Signalgeber am Umfang des Kurbelkreises angebracht ist. Als Signalaufnehmer wird ein Reedschalter verwendet, der im Meßsendergehäuse untergebracht ist. Der Reedschalter in Kombination mit einem Permanent-Magneten erlaubt einen Aufbau mit minimalem Stromverbrauch. Die zulässigen Toleranzen für die Anordnung Magnet-Reedschaiter erleichtern die Montage.To determine the position, a permanent magnet is attached to the circumference of the crank circle as a signal transmitter. A reed switch is used as a signal receiver, which is housed in the measuring transmitter housing. The reed switch in combination with a permanent magnet allows a structure with minimal power consumption. The permissible tolerances for the magnet-reed switch arrangement make installation easier.

Bei der Ausbildung nach Anspruch 7 werden die Kräfte über Dehnungen in den Pedalachsen, die aus Querkraft herrühren, gemessen. Dabei werden die Dehnungsmeßstreifen zwischen Lagerung und Einschraubgewinde appüziert und über den Achsumfang um 90° versetzt symmetrisch angeordnet. Damit wird eine vollständige Kompensation aller Störgrößen erreicht, insbesondere Dehnungen aus Temperatur und aus eingeleiten Biegemomenten an der Achse, sowie Änderung des Abstandes zwischen Kraftangriffspunkt und Meßpunkt.In the design according to claim 7, the forces are measured via strains in the pedal axles that result from transverse forces. The strain gauges are applied between the bearing and the screw thread and are arranged symmetrically around the circumference of the axle, offset by 90°. This achieves complete compensation of all disturbances, in particular strains from temperature and from bending moments introduced into the axle, as well as changes in the distance between the force application point and the measuring point.

Außerdem ist auf Grund der Symmetrie eine gleichmäßige Aufnahme der Kräfte über den gesamten Pedalkreisumfang, bzw. in beliebiger Winkellage um die Pedalachse möglich, insbesondere unabhängig vom Winkel, mit dem das Pedal ausgerichtet ist. (Bei einer Aufnahme der Kräfte am Pedalkörper wäre es zwar möglich, die Meßdaten über ein Kabel an die Anzeigeeinheit zu leiten, da der Pedalkörper nur kleine Wippbewegungen vollführt und ansonsten nur translatorisch bewegt wird, aber dann wäre der Wippwinkel zusätzlich zu bestimmen).In addition, due to the symmetry, it is possible to record the forces evenly over the entire circumference of the pedal or at any angle around the pedal axis, in particular regardless of the angle at which the pedal is aligned. (If the forces are recorded on the pedal body, it would be possible to send the measurement data to the display unit via a cable, since the pedal body only performs small rocking movements and is otherwise only moved in a translational manner, but then the rocking angle would also have to be determined).

Bei der Ausbildung nach Anspruch 8 verfügt das Gerät über die Möglichkeit, Meßwerte z.B. einer oder mehrerer Perioden aufzuzeichnen und in einem RAM oder EEPROM für mindestens mehrere Wochen abspeichern zu können. Damit wird die Voraussetzung geschaffen, die Differenz zwischen einem aktuellen Kraftveriauf und einem vorher aufgezeichneten darzustellen.In the embodiment according to claim 8, the device has the option of recording measured values, e.g. from one or more periods, and storing them in a RAM or EEPROM for at least several weeks. This creates the prerequisite for displaying the difference between a current force curve and a previously recorded one.

Dies ist sehr günstig, um für den Fahrer nicht wesentliche und über die Tretperioden gleichbleibende Informationen herauszufiltern. Da bei der Differenzbildung alle konstanten Werte herausfallen und nur die Unterschiede erhalten bleiben, fallen insbesondere von der momentanen Muskelarbeit unabhängige Meßgrößen heraus: die Gewichtskraft und die Kräfte aus den dynamischen Vorgängen wie Verzögerung und Beschleunigung der Beine, sowie Fliehkräfte.
Besonders das nicht unerhebliche Gewicht des Beines (und Bekleidung/Schuhe) würde die Darstellung der tangential- und normal zum Kurbelkreis wirkenden Kräfte überlagern und den eigentlichen Informationsgehalt zudecken.
This is very useful for filtering out information that is not essential for the rider and that remains constant over the pedaling periods. Since all constant values are eliminated when the difference is formed and only the differences are retained, measurement variables that are independent of the current muscle work are eliminated: the weight force and the forces from dynamic processes such as deceleration and acceleration of the legs, as well as centrifugal forces.
In particular, the considerable weight of the leg (and clothing/shoes) would overlay the representation of the forces acting tangentially and normally to the crank circle and obscure the actual information content.

W. Petzke, Dipl.-lng.W. Petzke, Dipl.-lng.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels:Description of an example:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 1 bis 2 erläutert.An embodiment of the invention is explained with reference to Figures 1 to 2.

Figur 1 und 2 zusammen zeigen die Anordnung des Gerätes im eingebauten Zustand an einem Fahrad
Es zeigen:
Figures 1 and 2 together show the arrangement of the device when installed on a bicycle
Show it:

Fig. 1 die Ansicht der Meßsender an der linken und rechten Pedalkurbel für linkes und rechtes Pedal, die Pedale mit Pedalachsen, die Sendeantenne für die linke Seite am Innenbereich der linken Tretkurbel, der Empfänger über dem Tretlager zwischen Sattelrohr und Unterrohr, die Verbindungsleitung zur Anzeigeeinheit. Fig. 2 die Anzeigeeinheit am Lenker im Blickfeld des Fahrers in der Nähe des Vorbaus.Fig. 1 the view of the measuring transmitters on the left and right pedal cranks for the left and right pedals, the pedals with pedal axles, the transmitting antenna for the left side on the inside of the left pedal crank, the receiver above the bottom bracket between the seat tube and down tube, the connecting cable to the display unit. Fig. 2 the display unit on the handlebars in the driver's field of vision near the stem.

In den Figuren istIn the figures

1 Meßsender, 2 Antenne linke Seite,1 measuring transmitter, 2 antenna left side,

3 Empfänger,3 recipients,

4 Befestigungslaschen des Meßsenders an der linken Kurbel4 fastening tabs of the measuring transmitter on the left crank

5 Verbindungsleitung zur Anzeigeeinheit (Masse, Stromversorgung, Datenleitung) 6 Permanentmagnet linke Seite an der Hintergabel5 Connection cable to the display unit (ground, power supply, data line) 6 Permanent magnet on the left side of the rear fork

7 Anzeigeeinheit am Lenker7 Display unit on the handlebar

8 Pedalkörper, 9 Pedalachse, 10 Tretkurbel linke Seite8 Pedal body, 9 Pedal axle, 10 Crank left side

Beispiel für eine Ausgestaltung des Gerätes und seiner Komponenten.Example of a design of the device and its components.

Die komplette Einheit besteht beispielsweise aus den Pedalen mit den an den Pedalachsen applizierten DMS, den über kurze Verbindungsleitungen daran angeschlossenen Meßsendern, den isolierten und mit Klebefolie versehenen Blechstreifen fürs Senden, dem Empfänger am Rahmen, der über eine Verbindungsleitung mit der Anzeigeeinheit verbunden ist, den Magneten an der Hintergabel als Marke auf dem Tretkreis.The complete unit consists, for example, of the pedals with the strain gauges applied to the pedal axles, the measuring transmitters connected to them via short connecting cables, the insulated metal strips covered with adhesive film for transmission, the receiver on the frame, which is connected to the display unit via a connecting cable, the magnets on the rear fork as a mark on the pedal circle.

Als Kraftaufnehmer werden zur Schubspannungsanalyse übliche DMS verwendet. Diese sind um 90° versetzt rotationssymmetrisch zwischen Pedaliagerung und Einschraubgewinde appliziert und werden zu zwei um 90° versetzte Brücken zusammengeschaltet. Aus dieser Anordung ergibt sich die Möglichkeit, den Winkel und den Betrag für beliebige Kraftangriffswinkel quer zur Achsrichtung zu erfassen.Standard strain gauges are used as force transducers for shear stress analysis. These are applied rotationally symmetrically at 90° between the pedal bearing and screw thread and are connected together to form two bridges offset by 90°. This arrangement makes it possible to record the angle and the amount for any force application angle transverse to the axis direction.

W. Petzke, Dipl.-lng. 6W. Petzke, Dipl.-lng. 6

Die Verbindungsleitungen bis zur Verstärkerschaltung im Meßsender sind verdrillt, um Störeinflüße von außen zu unterdrücken und können aufgrund der Erfindung kurz ausfallen.The connecting cables to the amplifier circuit in the measuring transmitter are twisted to suppress external interference and can be short due to the invention.

Die Verstärkung der beiden DMS-Brücken Signale erfolgt auf zwei getrennten Kanälen mit Operationsverstärkern in Brückenschaltung. Dabei können für einen höheren Verstärkungsgrad auch mehrere Verstärkungsstufen hintereinander geschaltet werden. Eine übliche Verstärkung beträgt etwa 5000. Die Spannungsversorgung der DMS-Brücken, des Verstärkers und des A/D-Wandlers wird von einem Microcontroller zum Meßzeitpunkt über einen zwischengeschalteten Transistor eingeschaltet.The two DMS bridge signals are amplified on two separate channels with operational amplifiers in a bridge circuit. For a higher degree of amplification, several amplification stages can be connected in series. A typical amplification is around 5000. The voltage supply for the DMS bridges, the amplifier and the A/D converter is switched on by a microcontroller at the time of measurement via an intermediate transistor.

Nach kurzer Einschwingzeit (z.B. 5 us) werden die beiden Verstärkerausgangssignale über je einen Kanal eines A/D-Wand!ers eingelesen. Der Meßzeitpunkt wird zusammen mit den beiden Meßwerten vom Microcontoller auf einem RAM zwischengespeichert. Nach der Wandelzeit (z.B. ca. 45 us) wird die Spannungsversorgung der Brücken und der Verstärker wieder unterbrochen. Um die Batterie, z. B. eine Lithiumzelle, vor dem Widerstandsabfall während der Einschaltzeit zu schützen, wird ein Widerstand von 1000 Ohm in Reihe und ein Kondensator von 50 uF parallel geschaltet, der während der Einschaltzeit hauptsächlich den Strom liefert und sich über den Widerstand in den Pausezeiten dazwischen wieder auflädt. Der Widerstand begrenzt den Strom aus der Batterie.After a short settling time (e.g. 5 us), the two amplifier output signals are read in via one channel of an A/D converter. The measurement time is buffered by the microcontroller in a RAM together with the two measured values. After the conversion time (e.g. approx. 45 us), the voltage supply to the bridges and amplifiers is interrupted again. In order to protect the battery, e.g. a lithium cell, from the drop in resistance during the switch-on time, a 1000 ohm resistor is connected in series and a 50 uF capacitor is connected in parallel, which mainly supplies the current during the switch-on time and is recharged via the resistor in the pause times in between. The resistor limits the current from the battery.

Bei 20 Messungen pro Sekunde ergibt sich somit eine Einschaltzeit von 20*50us = 1 ms, und ein um den Faktor 1000 erniedrigter Stromverbrauch.With 20 measurements per second, this results in a switch-on time of 20*50us = 1 ms, and a power consumption reduced by a factor of 1000.

Dadurch kann die Batterie der Schaltung klein gehalten werden. Dies wirkt sich positiv auf den Nutzen des Gerätes aus, da besonders im rauhen Rennbetrieb ein großes Gerät hinderlich wäre und aufgrund des geringen Raumangebots im Bereich der Kurbeln eher kaputt gehen würde.This means that the battery of the circuit can be kept small. This has a positive effect on the usefulness of the device, as a large device would be a hindrance, especially in rough racing conditions, and would be more likely to break due to the limited space in the crank area.

Bei jeder Tretkurbelumdrehung wird der Meßsender an dem in 1-5 mm entfernten, am Rahmen z. B. der Hintergabel befestigten Permanent-Magneten vorbeigeführt. Dabei wird der im Meßsender eingebaute Reedschalter eingeschaltet und gibt einen Impuls auf den Microcontroller. Dieser startet eine neue Zeitmessung und wertet die der letzten Umdrehung aus.With each revolution of the pedal crank, the measuring transmitter is moved past the permanent magnet, which is attached to the frame (e.g. the rear fork) at a distance of 1-5 mm. The reed switch built into the measuring transmitter is switched on and sends a pulse to the microcontroller. This starts a new time measurement and evaluates the last revolution.

Weicht die Penodendauer nicht vom Wert der vorhergehenden Umdrehungen ab oder nur wenig, heißt das: der Tretvorgang war gleichmäßig und von konstanter Winkelgeschwindigkeit.If the period duration does not deviate from the value of the previous revolutions or only slightly, this means that the pedaling process was uniform and of constant angular velocity.

Aus der Penodendauer läßt sich mit hinreichender Genauigkeit die Winkelgeschwindigkeit der Kurbel ermitteln, da aufgrund der Massenträgheit Geschwindigkeitsänderungen im Bereich einer einzelnen Tretperiode beiThe angular speed of the crank can be determined with sufficient accuracy from the period duration, since due to the mass inertia speed changes in the range of a single pedaling period at

W. Petzke, Dipl.-!ng. 7W. Petzke, Dipl.-!ng. 7

kontinuierlichem Betrieb gering sind. Der Fall einer Tretunterbrechung, Verlangsamung oder Beschleunigung kann an der sich geänderten Periodendauer erkannt werden. Daher kann eine Winkelberechnung bzw. Zuordnung der Meßpunkte über die Zeitmessung erfolgen. Es werden dann die Zeitwerte zu den Messungen der letzten Kurbelumdrehung in die entsprechenden Winkelwerte umgerechnet. Die gesammelten und zwischengepeicherten Daten der letzten Tretperiode werden anschließend an den Empfänger gesandt.continuous operation are low. The case of an interruption in pedaling, slowing down or acceleration can be recognized by the changed period duration. An angle calculation or assignment of the measuring points can therefore be carried out via the time measurement. The time values for the measurements of the last crank revolution are then converted into the corresponding angle values. The collected and temporarily stored data of the last pedaling period are then sent to the receiver.

Dazu gibt der Controller über einen, als Gleichstromschutz dienenden, Kondensator kurze Impulse auf den Sendeleiter aus. Dabei zieht er den sonst auf Versorgungsspannung liegenden Signalpegel kurz nach Masse. Die steilen Flanken des Impulses werden als Störung auf entfernte Leiter übertragen. Da der Sendeleiter über die Kurbelinnenfläche bis in die Nähe des Empfängers geführt ist, und Ecken die Abstrahlung noch erhöhen, wird im Empfänger ein Signal auf einen ebenfalls in die Nähe der Kurbel gelegten Leiter erzeugt. Für den Empfang ist ein massiger Leiter günstiger als ein kleiner dünner. Die Übertragungsstrecke beträgt ca 2 cm. Der als Sendeleiter fungierende Metallstreifen ist in Höhe des Empfängerleiters etwas verbreitert, so daß sich über einen Kurbelwinkel von 120° ein Empfang mit ausreichender Störfestigkeit ergibt.To do this, the controller sends short pulses to the transmitting conductor via a capacitor that serves as DC protection. In doing so, it briefly pulls the signal level, which would otherwise be at the supply voltage, to ground. The steep edges of the pulse are transmitted as interference to distant conductors. Since the transmitting conductor is routed over the inner surface of the crank to the vicinity of the receiver, and corners increase the radiation, a signal is generated in the receiver on a conductor that is also placed near the crank. A solid conductor is better for reception than a small, thin one. The transmission distance is about 2 cm. The metal strip that acts as the transmitting conductor is slightly wider at the level of the receiver conductor, so that reception with sufficient interference immunity is achieved over a crank angle of 120°.

Die empfangenen Impulse werden über eine aus Transistoren aufgebaute Verstärkerschaltung wieder einem Microcontroller oder einem anderen, zur Weiterverarbeitung geeigneten Baustein zugeleitet. Aufgrund der geringen Reichweite stören sich die Impulse von linkem und rechtem Pedal bzw. Meßsender nicht und können getrennt, beide für sich, auch gleichzeitig empfangen werden.The received pulses are fed back to a microcontroller or another component suitable for further processing via an amplifier circuit made up of transistors. Due to the short range, the pulses from the left and right pedals or measuring transmitters do not interfere with each other and can be received separately, both individually or simultaneously.

Das Empfängergehäuse wird zwischen Sattel- und Unterrohr über dem Tretlager montiert.The receiver housing is mounted between the seat tube and down tube above the bottom bracket.

Da die Meßsender jeweils nur während einem maximalen Kurbelumfangswinkel von 120° senden, lassen sich diese zeitlich versetzt anordnen. Da beide Meßsender von ihrer eigenen Marke am Pedaiumfangskreis synchronisiert werden und die Kurbeln um 180° versetzt angeordnet sind, ergibt sich ganz von selbst eine zeitliche Trennung, wenn beide gleich aufgebaut sind. Dieses wird ja gerade wegen der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit angestrebt.
Wird auch die Information darüber, von welchem Meßsender die Daten stammen, mitübertragen, lassen sich beide Datenströme über eine Datenleitung zur Anzeigeeinheit übermitteln, ohne Informationen zu vertieren.
Since the measuring transmitters only transmit during a maximum crank circumference angle of 120°, they can be arranged at different times. Since both measuring transmitters are synchronized by their own brand on the pedal circumference and the cranks are arranged at a different time by 180°, a temporal separation is automatic if both are constructed in the same way. This is precisely what is sought for because of its simplicity and cost-effectiveness.
If the information about which measuring transmitter the data originates from is also transmitted, both data streams can be transmitted to the display unit via a data line without losing any information.

W. Petzke, Dipl.-lng. 8W. Petzke, Dipl.-lng. 8

Als Datenformat für das Senden mittels Kopplung von den Meßsendern zum Empfänger eignet sich z. B. das bei Infrarotfernsteuerungen benutzte Pulse Code Modulations Verfahren(PCM). Die beiden Zustände 0 und 1 werden durch unterschiedliche Abstände z. B. 100 und 200us zwischen den Impulsen charakterisiert. Mit Hilfe eines Zeitgliedes lassen sich die Bitwerte wieder zurückgewinnen. Ein zusätzlich gesendetes Protokoll hilft Übertragungsfehler zu erkennen.The Pulse Code Modulation (PCM) method used in infrared remote controls is suitable as a data format for sending by coupling from the measuring transmitter to the receiver. The two states 0 and 1 are characterized by different distances, e.g. 100 and 200us, between the pulses. The bit values can be recovered using a timer. An additionally sent protocol helps to detect transmission errors.

Die Darstellung der Kräfte auf der Anzeigeeinheit kann z.B. nach Umrechnen in Normal- und Tangentialkomponente erfolgen.The forces can be displayed on the display unit, for example, after conversion into normal and tangential components.

Der Winkel der Kraft bezüglich der Pedalachse und der Betrag der Kraft lassen sich aus den jeweils zusammen aufgenommenen Signalen der um 90° versetzten DMS nach den Regeln der Vektorrechnung ermittein (Berechnung der Hauptachsen).The angle of the force with respect to the pedal axis and the magnitude of the force can be determined from the signals recorded together by the strain gauges offset by 90° according to the rules of vector calculus (calculation of the main axes).

Um die aus aktiver Muskelkraft aufgebrachten Werte anzeigen zu können, also von denen durch das Gewicht der Beine verursachten zu trennen, wird ein Kraftverlauf, bei dem mit möglichst wenig Kraft mit niedriger Übersetzung durchgetreten wird, in einem EEPROM abgespeichert.
Dies wird von einem Microcontroller in der Anzeigeeinheit ausgeführt, der hierfür über ein geeignetes Steuerungsprogramm verfügt.
In order to be able to display the values generated by active muscle power, i.e. to separate them from those caused by the weight of the legs, a force curve in which the pedal is pedaled with as little force as possible and with a low gear ratio is stored in an EEPROM.
This is done by a microcontroller in the display unit, which has a suitable control program for this purpose.

Aktuelle Meßwerte werden vom Steuerungsprogramm im Microcontroller mit Hilfe der gespeicherten Werte korrigiert, dh sie werden voneinander abgezogen. Der Microcontroller dient sowohl dazu die Signale seriell einzulesen, umzurechnen, als auch die Anzeige für das Display zu steuern.Current measured values are corrected by the control program in the microcontroller using the stored values, i.e. they are subtracted from each other. The microcontroller is used both to read the signals serially, to convert them, and to control the display.

Claims (8)

SchutzansprücheProtection claims 1. Elektronisches Gerät, zur Messung der auf eine kontinuierlich sich drehende Fahrradtretkurbel bzw. ein Fahrradpedal beim biomechanischen Prozeß des Tretens aufgebrachten und in Richtung und Größe wechselnden Kräfte.1. Electronic device for measuring the forces applied to a continuously rotating bicycle crank or a bicycle pedal during the biomechanical process of pedaling and which vary in direction and magnitude. dadurch gekennzeichnet,characterized, daß ein microcontrollergesteuerter Meßsender an der Kurbel oder damit starr verbundenen Bauteil angebracht ist und den Meßablauf steuert, wobei von einer Marke am Kurbelkreis ausgehend der zugehörige Kurbelwinkel über Winkelgeschwindigkeit und Zeitmessung berechnet wird und zusammen mit den Kraftmeßwerten an einen feststehenden Empfänger im Bereich der Kurbel mit Hilfe einer Kopplung zwischen Bezugsleitern übermittelt wird.that a microcontroller-controlled measuring transmitter is attached to the crank or a component rigidly connected to it and controls the measuring process, whereby the corresponding crank angle is calculated from a mark on the crank circle using angular velocity and time measurement and is transmitted together with the force measurement values to a fixed receiver in the area of the crank using a coupling between reference conductors. 2. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1.2. Electronic device according to claim 1. dadurch gekennzeichnet,
20
characterized,
20
daß die Kopplung mittels eines Leiters an der Innenseite der Tretkurbel auf einen feststehenden Leiter im Bereich des Kurbelkreise erfolgt.that the coupling is made by means of a conductor on the inside of the crank to a fixed conductor in the area of the crank circle.
3. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1. 253. Electronic device according to claim 1. 25 dadurch gekennzeichnet,characterized, daß das Meßsignal digital gesendet wird, d.h. zur Kopplung Impulse auf den Sendeleiter ausgegeben werden, deren zeitlicher Abstand zueinander die Information bitweise überträgt (Pulse Code Modulation PCM).that the measurement signal is sent digitally, i.e. pulses are sent to the transmission line for coupling, the time interval between which transmits the information bit by bit (Pulse Code Modulation PCM). 4. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1.4. Electronic device according to claim 1. dadurch gekennzeichnet,characterized, daß ein Zwischenspeichern der zu sendenden Daten es ermöglicht nur innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs der Kurbel die Meßwerte zu übermitteln, so daß die Kopplung nicht über den gesamten Kurbelkreis gleich gut ausgeprägt zu sein braucht.that intermediate storage of the data to be sent makes it possible to transmit the measured values only within a certain angle range of the crank, so that the coupling does not have to be equally pronounced over the entire crank circle. W. Petzke, Dipl.-lng. 2W. Petzke, Dipl.-lng. 2 5. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1.5. Electronic device according to claim 1. dadurch gekennzeichnet,
. ·
characterized,
. ·
daß der Meßsignalverstärker und die Sensoren für die periodisch oder zu bestimmten Kurbelwinkeln durchgeführte Messung jeweils nur für ca 50 us mit Strom versorgt werden und dazwischen wesentlich längere Pausen liegen, in denen kein Strom verbraucht wird.
10
that the measuring signal amplifier and the sensors for the measurement carried out periodically or at specific crank angles are each only supplied with power for about 50 us and that there are much longer pauses in between during which no power is consumed.
10
6. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1.6. Electronic device according to claim 1. dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Ermittlung des Kurbelwinkels zu einer gemessenen Kraft dadurch erfolgt, indem an einem Ort des zyklisch durchlaufenen Umfangskreises ein Signalgeber sitzt, z. B. ein Magnet, dessen Signal zur Bestimmung der Periodendauer dient, und als Bezugspunkt zur Berechnung des Winkels, indem von einem Steuerungsprogramm die Periodendauer vorausberechnet wird und zur aktuellen Zeitdauer in Beziehung gesetzt wird.that the determination of the crank angle in relation to a measured force is carried out by placing a signal generator at a location on the cyclically traversed circumference, e.g. a magnet, whose signal is used to determine the period length, and as a reference point for calculating the angle, by a control program calculating the period length in advance and relating it to the current time period. 7. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1.7. Electronic device according to claim 1. dadurch gekennzeichnet,
25
characterized,
25
daß die Messung der Kraft zweiachsig mit DMS an der Pedalachse in Querkraftrichtung erfolgt.that the force is measured biaxially using strain gauges on the pedal axis in the direction of the transverse force.
8. Elektronisches Gerät nach Schutzanspruch 1.
30
8. Electronic device according to claim 1.
30
dadurch gekennzeichnet,characterized, daß Meßwerte einiger Tretperioden über einen Zeitraum von mehreren Wochen in einem RAM oder EEPROM oder dgl. gespeichert werden, und zu aktuell gemessenen Werten die Differenz gebildet und angezeigt wird.that measured values of several pedaling periods are stored over a period of several weeks in a RAM or EEPROM or similar, and the difference to currently measured values is calculated and displayed.
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