TWI677667B - 具有施力力道直接量測裝置的曲柄 - Google Patents

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Abstract

一種具有施力力道直接量測裝置的曲柄，係在該曲柄的兩端的軸孔之一配置一力道量測裝置，該力道量測裝置包括一感應座，嵌置定位在該軸孔中。複數個應力感測單元，彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座。一運算暨傳輸裝置電連接該複數個應力感測單元。當一施力方向的力道施加於該曲柄時，該力道經由該曲柄傳導至該感應座，由該複數個應力感測單元感測該力道並產生相應於該力道的複數個應力變化信號送到該運算暨傳輸裝置。

Description

具有施力力道直接量測裝置的曲柄
本發明係關於一種曲柄力道量測裝置，特別是一種具有施力力道直接量測裝置的曲柄。
自行車騎乘者藉由踩踏踏板而達到良好的運動效果。然而，傳統自行車的設計並無法提供騎乘者在施力踩踏踏板時的施力力道。故騎乘者只能藉由簡易的里程計算或轉速計算感測器推測得知其運動量。
為了使自行車騎乘者在踩踏踏板時，能讓騎乘者知道踩踏力道的大小，故有業者開發出可以感測騎乘者腳踏自行車踏板時出力功率大小(即施力力道)的裝置。在現有的設計中，主要是利用自行車曲柄量測騎乘者在騎乘自行車時的施力力道。
在傳統自行車利用曲柄量測騎乘者腳踏時出力的功率大小的技術中，已見於例如美國發明專利第9,417,144號。在此先前專利中，係在曲柄的外表面設置至少兩個應變計，藉由該應變計感測施加至該曲柄的力道大小。
又例如在美國發明專利第8,011,242號中，其分別在踏板軸心定子兩側各設置有四片感測元件，以偵測及分析騎乘者施加在自行車踏板上的施力強度，以及力量分佈在自行車踏板表面上的施力狀況，令騎乘者可獲得整周旋轉的連續相關資料來改善自身的踩踏效率。
又例如在美國發明專利第9,921,118號中，其係將功率測量組件安裝在軸內，其與自行車或其他健身設備的曲柄互連。功率測量組件包括惠斯通電橋電路和連接的應變計，該電路通過踩踏曲柄的騎車者在軸上提供力的輸出，由應變計測量曲柄上施加的扭矩引起的扭轉。
然而，在實際應用中，目前使用的習知自行車施力力道量測裝置存在缺點如下： (1) 結構複雜，成本高。 (2) 結構複雜，品質難控制。 (3) 傳統量測方法均屬於表面量側或間接量測，誤差值高。 (4) 傳統表面量測方法或間接量測方法，容易受環境影響準確性。 (5) 傳統表面量測或間接量測方法，其準確性受機構或材料限制。 (6) 傳統表面量測或間接量測方法，其準確性因易受環境、機構、材料等因素變化，所以必須常常做校準工作，否則其量測數值無參考價值。 (7) 傳統表面量測或間接量測方法，無法量測每一轉速裡的角度功率變化值。
緣此，本發明之主要目的即是提供一種具有施力力道直接量測裝置的曲柄，以期以直接量測的方式量測自行車或其它類似運動器材的使用者在運動時的施力力道大小。
本發明所採用之技術手段係在一種具有施力力道直接量測裝置的曲柄，係在該曲柄的兩端的軸孔之一配置一力道量測裝置，該力道量測裝置包括一感應座，嵌置定位在該軸孔中。複數個應力感測單元，彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座。一運算暨傳輸裝置電連接該複數個應力感測單元。當一施力方向的力道施加於該曲柄時，該力道經由該曲柄傳導至該感應座，由該複數個應力感測單元感測該力道並產生相應於該力道的複數個應力變化信號送到該運算暨傳輸裝置。
其中，該曲柄是以金屬材料、碳纖維材料製成。
其中，該第一軸孔是耦合於自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的曲柄軸或齒盤組之一;該第二軸孔是耦合於該自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的踏板軸。該第一軸孔亦可替換地耦合於踏板軸，該第二軸孔則耦合於曲柄軸或齒盤組。
其中，該感應座的外環面凸伸出複數個凸緣，而在該曲柄的該第一軸孔則開設對應於該複數個凸緣的複數個凹緣，該複數個應力感測單元係定位在該凸緣的內部空間中的平面處、側壁面、後側壁面之一。
其中，該感應座係具有多角形結構，該複數個應力感測單元係彼此相隔一間隔角度環列定位在該多角形結構的側壁面、外壁面位置之一。
其中，該應力感測單元係荷重傳感器、半導體應力感測器、電容式應力感測器、電感式應力感測器之一。
其中，該運算暨傳輸裝置包括:一處理單元，電連接於該複數個應力感測單元;一無線傳輸器，電連接於該處理單元;一接收器，以無線方式連接於該無線傳輸器，該接收器配置一顯示器; 一電能供應單元，用以供應一工作電能給該處理單元和該複數個應力感測單元。其中，該處理單元接收到該複數個應力感測單元在該曲柄受到該力道時所產生的該複數個應力變化信號後，經過運算後，將運算後的信號通過該無線傳輸器無線傳送至該接收器，並顯示於接收器上的顯示器。
其中，該運算暨傳輸裝置更包括一加速規或磁感應感測器，電連接於處理單元，用以感測該曲柄受力運動時的角速度、RPM轉速之一。
其中，該運算暨傳輸裝置更包括一GPS衛星接收電路，電連接於處理單元，用以感測地理位置。
其中，該曲柄的該第二軸孔中亦配置另一力道量測裝置。
其中，該接收器係一車錶、智慧型手機、個人隨身穿戴裝置、網路閘道器(Gate way)、雲端或無線網路之一。
其中，運算暨傳輸裝置中包括一電能供應單元，用以供應一工作電能給該處理單元和該複數個應力感測單元。
在效果方面，本發明針對習知技術的缺點提供一種直接量測的方式量測自行車或復健器材、醫療器材或其它類似運動器材的使用者在運動、復健或使用醫療器材時的施力力道大小。本發明的結構設計簡易，故克服了傳統技術成本高、品質難控制的問題。本發明採用直接量測力道大小的方式，故所感測出的力道數值誤差值小、不受環境影響準確性、不受機構或材料變化而影響準確性、不需經常性的數值校準工作。採用本發明的技術，可量測每一轉速裡的角度功率變化值。
本發明所採用的具體技術，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
請同時參閱圖1~3所示，其中圖1顯示本發明第一實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的立體圖，圖2、3顯示第一實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的部分組件分離時的立體分解圖。如圖所示，本發明係在一曲柄1的兩自由端各別形成一與該曲柄1實質垂直的第一軸孔11和第二軸孔12。
本發明係在曲柄1的兩自由端任何一端(亦即第一軸孔11及/或第二軸孔12)配置一力道量測裝置2，且該力道量測裝置2係以該第一軸孔11或第二軸孔12形成同心圓關係，用以量測施加於該曲柄1的應力。在本實施例中，力道量測裝置2是結合在曲柄1的第一軸孔11。
力道量測裝置2包括一感應座21，以一垂直於曲柄1的水平方向H嵌置定位在該軸孔11中。力道量測裝置2還包括複數個應力感測單元22a、22b、22c、22d彼此相隔一間隔角度環列定位(例如以貼合方式)在該感應座21的側壁面位置。該應力感測單元係可為荷重傳感器(Load cell)、半導體應力感測器、電容式應力感測器、電感式應力感測器之一。
在實際應用時，曲柄1的第一軸孔11可耦合於例如自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材的曲柄軸3或齒盤組，並與該曲柄軸3構成同心圓，而第二軸孔12可耦合於可供使用者踩踏的踏板4的踏板軸41。曲柄1可以金屬材料、碳纖維材料製成。
較佳實施例中，感應座21的外環面可凸伸出數個相隔一間隔角度環列的凸緣211，而在曲柄1的第一軸孔11則開設相對應的凹緣111，如此可使感應座21穩定結合於曲柄1的第一軸孔11中。另一較佳實施例中，感應座21亦可設計成例如多邊形的外壁面結構，同樣可以使感應座21穩定結合於曲柄1的第一軸孔11中。
感應座21在一端面可凸出一螺紋區段23，並配合一習知的螺帽24將該感應座21定位於曲柄1的軸孔11中。感應座21中設有一中央通孔25，可供例如自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材的曲柄軸3通過，以將曲柄1結合定位於曲柄軸3。
當感應座21定位在曲柄1的第一軸孔11後，可再以一外蓋14予以封閉作為保護作用。
力道量測裝置2還包括一運算暨傳輸裝置26。運算暨傳輸裝置26可設置在曲柄1所開設的一容置凹部13中，並經由導線電連接該複數個應力感測單元22a、22b、22c、22d。一電路板27可配置對應於感應座21，以便於將各個應力感測單元22a、22b、22c、22d以導線連接至運算暨傳輸裝置26。
參閱圖4A所示，其顯示本發明力道量測裝置2的各個應力感測單元22a、22b、22c、22d除了設置在如圖3所示的側壁面位置之外，亦可以彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座21的外環面位置，同樣可以感測施加於曲柄1的力道。
參閱圖4B所示，其顯示本發明力道量測裝置2的各個應力感測單元22a、22b、22c、22d亦可以分別設置在感應座21的凸緣211的內部空間中的平面處，同樣可以感測施加於曲柄1的力道。
參閱圖4C所示，其顯示本發明力道量測裝置2的各個應力感測單元22a、22b、22c、22d亦可以分別設置在感應座21的凸緣211的內部空間中的其中一側壁面，同樣可以感測施加於曲柄1的力道。
參閱圖4D所示，其顯示本發明力道量測裝置2的各個應力感測單元22a、22b、22c、22d亦可以分別設置在感應座21的凸緣211的內部空間中的後側壁面，同樣可以感測施加於曲柄1的力道。
前述的感應座21亦可設計成多角形結構。例如，參閱圖5A所示，其顯示本發明力道量測裝置2亦可設計成具有六角形感應座21a的結構，而各個應力感測單元22a、22b、22c、22d係彼此相隔一間隔角度定位在該六角形感應座21a的外壁面位置。當採用此實施例結構時，曲柄1的第一軸孔11亦需設計成對應的嵌合結構。
參閱圖5B所示，其顯示本發明力道量測裝置2中的各個應力感測單元22a、22b、22c、22d係彼此相隔一間隔角度環列定位在六角形感應座21a的側壁面位置。
參閱圖6A所示，其顯示本發明力道量測裝置2亦可設計成具有八角形感應座21b的結構，而各個應力感測單元22a、22b、22c、22d係彼此相隔一間隔角度定位在該八角形感應座21b的外壁面位置。
參閱圖6B所示，其顯示本發明力道量測裝置2中的各個應力感測單元22a、22b、22c、22d係彼此相隔一間隔角度環列定位在八角形感應座21b的側壁面位置。
參閱圖7所示，運算暨傳輸裝置26包括一處理單元261、一無線傳輸器262、一電能供應單元263。其中處理單元261係電連接於應力感測單元22a、22b、22c、22d，電能供應單元263(例如電池)可供應工作電能給處理單元261和各個應力感測單元22a、22b、22c、22d。無線傳輸器262可透過無線方式(例如RF、藍芽)傳送信號至一接收器264。
當一力道以如圖3所示的施力方向R施加於該曲柄1時(例如使用者踩踏踏板4時)，該力道經由該曲柄1傳導至該感應座21，由該複數個應力感測單元22a、22b、22c、22d依據懸臂(cantilevel)理論直接感測該力道的應力變化，能獲得高準確性的感測值，避免受外環境影響準確性。
應力感測單元22a、22b、22c、22d依據感測到的應力變化，可產生複數個應力變化信號S1、S2、S3、S4送到該運算暨傳輸裝置26中的處理單元261。處理單元261接收到各個應力感測單元22a、22b、22c、22d所傳來的應力變化信號S1、S2、S3、S4後，可經過信號處理與運算(例如雜訊過濾、信號轉換、數值計算)後，通過無線傳輸器262將運算後的信號以無線方式傳送信號至一接收器264，並顯示於接收器264上的顯示器265。接收器264可為車錶、智慧型手機、個人隨身穿戴裝置、網路閘道器(Gate way)、雲端或無線網路等接收器。
運算暨傳輸裝置26也可以包括一加速規266(Acceleration sensor)，電連接於處理單元261，可用以感測及計算該曲柄1受力運動時的角速度ωθ或RPM轉速，並據以計算出使用者施加至踏板的力道。該加速規266亦可以磁感應感測器予以取代。
由於應力感測單元22a、22b、22c、22d係設計每隔固定角度(例如90度角或45度角)設計形成一圓弧型式，故當曲柄轉動時，配合該加速規266可以更精準依據角度變化量測使用者在乘騎時RPM(Round per minute)的每一轉裡的角度之腳踏力道。
運算暨傳輸裝置26也可以包括一GPS衛星接收電路267，經由無線傳輸器262傳輸 使用者乘騎時的地理位置。
圖8顯示本發明第二實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的立體圖。圖9顯示圖8中應力感測單元以彼此相隔一間隔角度定位在感應座的一側壁面。本實施例的組成構件與第一實施例大致相同，故相同元件乃標示相同的元件編號，以資對應。
在本發明第二實施例中,感應座21的外環面可凸伸出數個相隔一間隔角度環列的凸緣211，而在曲柄1的第一軸孔11則開設相對應的凹緣111，如此可藉由定位元件28將感應座21嵌置定位在曲柄1的軸孔11中。
複數個應力感測單元22a、22b、22c、22d一一地定位在感應座21的側壁面所預設的凹部位置。藉由各個應力感測單元22a、22b、22c、22d可以感測施加於曲柄1的力道。感應座21基本上可為一實體結構,亦可在各個感應座21各別開設一溝槽212,可藉由溝槽212的寬度而增加或減少感應座21在受力時的變形量。
圖10顯示本發明第三實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的立體圖，圖11顯示第三實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的部分組件分離時的立體分解圖。本實施例的組成構件與圖8、10所的第二實施例大致相同，故相同元件乃標示相同的元件編號，以資對應。在本實施例中，力道量測裝置2是結合在曲柄1的第二軸孔12，而第二軸孔12又可耦合於自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的踏板4的踏板軸41。第一軸孔11則可耦合於例如自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的曲柄軸3或齒盤組。
如圖所示，當感應座21定位在曲柄1的第二軸孔12後，踏板4的踏板軸41可通過感應座21的中央通孔25。
力道量測裝置2中的複數個應力感測單元22a、22b、22c、22d係彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座21的側壁面位置。該應力感測單元22a、22b、22c、22d亦可以彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座21的外環面位置或感應座21的凸緣211的內部空間中。
當使用者踩踏踏板4時，踏板4的踏板軸41與曲柄1呈相對的旋轉運動，同時該使用者所施加至踏板4的力道會經由踏板軸41傳導至感應座21，由各個應力感測單元22a、22b、22c、22d感測該力道，再由應力感測單元22a、22b、22c、22d產生個應力變化信號送到該運算暨傳輸裝置26。
以上所舉實施例僅係用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下而完成的等效修飾或置換，均應包含於後述申請專利範圍內。
1‧‧‧曲柄
11‧‧‧第一軸孔
111‧‧‧凹緣
12‧‧‧第二軸孔
13‧‧‧容置凹部
14‧‧‧外蓋
2‧‧‧力道量測裝置
21‧‧‧感應座
211‧‧‧凸緣
22a、22b、22c、22d‧‧‧應力感測單元
212‧‧‧溝槽
23‧‧‧螺紋區段
24‧‧‧螺帽
25‧‧‧中央通孔
26‧‧‧運算暨傳輸裝置
261‧‧‧處理單元
262‧‧‧無線傳輸器
263‧‧‧電能供應單元
264‧‧‧接收器
265‧‧‧顯示器
266‧‧‧加速規
267‧‧‧GPS衛星接收電路
27‧‧‧電路板
28‧‧‧定位元件
3‧‧‧曲柄軸
4‧‧‧踏板
41‧‧‧踏板軸
S1、S2、S3、S4‧‧‧應力變化信號
H‧‧‧水平方向
R‧‧‧施力方向
［圖1］顯示本發明第一實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的立體圖。 ［圖2］顯示本發明第一實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的部分組件分離時的立體分解圖。 ［圖3］顯示本發明第一實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的部分組件分離時的另一立體分解圖。 ［圖4A］顯示圖3中應力感測單元亦可以彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座的外環面位置。 ［圖4B］顯示圖3中應力感測單元亦可以彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座的凸緣的內部空間中的平面處。 ［圖4C］顯示圖3中應力感測單元亦可以彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座的凸緣的內部空間中的側壁面。 ［圖4D］顯示圖3中應力感測單元亦可以彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座的凸緣的內部空間中的後側壁面。 ［圖5A］顯示數個應力感測單元彼此相隔一間隔角度環列定位在六角形感應座的外壁面位置。 ［圖5B］顯示數個應力感測單元彼此相隔一間隔角度環列定位在六角形感應座的側壁面位置。 ［圖6A］顯示數個應力感測單元彼此相隔一間隔角度環列定位在八角形感應座的外壁面位置。 ［圖6B］顯示數個應力感測單元彼此相隔一間隔角度環列定位在八角形感應座的側壁面位置。 ［圖7］顯示本發明的電路功能方塊圖。 ［圖8］顯示本發明第二實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的立體圖。 ［圖9］顯示圖8中應力感測單元以彼此相隔一間隔角度定位在感應座的一側壁面。 ［圖10］顯示本發明第三實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的立體圖。 ［圖11］顯示本發明第三實施例具有施力力道直接量測裝置的曲柄的部分組件分離時的立體分解圖。

Claims (12)

  1. 一種具有施力力道直接量測裝置的曲柄，係在該曲柄的兩自由端各別形成一與該曲柄垂直的水平方向形成一第一軸孔和一第二軸孔，其特徵在於該第一軸孔中配置一力道量測裝置，該力道量測裝置包括：一感應座，具有一沿著該水平方向形成的中央通孔，該感應座以該水平方向嵌置定位在該第一軸孔中；複數個應力感測單元，彼此相隔一間隔角度環列定位在該感應座；一運算暨傳輸裝置，電連接該複數個應力感測單元；當一施力方向的力道施加於該曲柄時，該力道傳導至該感應座的該複數個應力感測單元，由該複數個應力感測單元感測該力道並產生相應於該力道的複數個應力變化信號送到該運算暨傳輸裝置。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該曲柄是以金屬材料、碳纖維材料製成。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該第一軸孔是耦合於自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的曲柄軸或齒盤組之一；該第二軸孔是耦合於該自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的踏板的一踏板軸。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該第一軸孔是耦合於該自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的踏板的一踏板軸；該第二軸孔是耦合於自行車、電動自行車、健身車、划船器、復健或醫療器材之一的曲柄軸或齒盤組之一。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該感應座的外環面凸伸出複數個相隔一間隔角度的凸緣，而在該曲柄的該第一軸孔則開設對應於該複數個凸緣的複數個凹緣，該複數個應力感測單元係定位在該凸緣的內部空間中的平面處、側壁面、後側壁面之一。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該感應座係具有多角形結構，該複數個應力感測單元係彼此相隔一間隔角度環列定位在該多角形結構的側壁面、外環面位置之一。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該應力感測單元係荷重傳感器、半導體應力感測器、電容式應力感測器、電感式應力感測器之一。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該運算暨傳輸裝置包括：一處理單元，電連接於該複數個應力感測單元；一無線傳輸器，電連接於該處理單元；一接收器，以無線方式連接於該無線傳輸器，該接收器配置一顯示器；一電能供應單元，用以供應一工作電能給該處理單元和該複數個應力感測單元；其中，該處理單元接收到該複數個應力感測單元在該曲柄受到該力道時所產生的該複數個應力變化信號後，經過運算後，將運算後的信號通過該無線傳輸器無線傳送至該接收器，並顯示於該接收器上的該顯示器。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該運算暨傳輸裝置更包括一加速規或磁感應感測器，電連接於處理單元，用以感測該曲柄受力運動時的角速度、RPM轉速之一。
  10. 依據申請專利範圍第8項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該運算暨傳輸裝置更包括一GPS衛星接收電路，電連接於處理單元，用以感測地理位置。
  11. 依據申請專利範圍第1項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該曲柄的該第二軸孔中亦配置另一力道量測裝置。
  12. 依據申請專利範圍第8項所述之具有施力力道直接量測裝置的曲柄，其中該接收器係一車錶、智慧型手機、個人隨身穿戴裝置、網路閘道器(Gate way)、雲端或無線網路之一。
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