TWI755200B - 電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其係於控制單元建立代謝當量資料庫，並設定代謝當量目標追隨控制模式，讓使用者於設定模組設定輸入所需騎乘強度模式及體重值，以於代謝當量資料庫讀取對應的代謝當量基本值後乘以體重值，以得到騎乘代謝消耗值，並將騎乘代謝消耗值轉換為騎乘消耗功率目標值。控制單元將扭力訊號及踏頻訊號轉換為踏力扭力值及踏頻轉數值，再依據計算出使用者的騎乘消耗功率值；當騎乘消耗功率值未達到騎乘消耗功率目標值時，則控制電動機產生補償功率，俾能以代謝當量作為控制電動機功率輸出的追隨控制目標，並能藉由所設定代謝當量目標而實現較佳化的運動騎乘效果與體驗。

Description

電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法

本發明係有關一種電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，尤指一種可讓使用者以代謝當量作為控制電動機功率輸出之追隨控制目標而實現較佳化之運動騎乘效果與體驗的電動輔助自行車補助力控制技術。

按，經過多年的發展，在現今使用者的心中，自行車早已不是單純的交通工具，而是發展成為休閒娛樂與運動競賽中不可或缺的複合式運動休閒載具。尤其是，加裝電動馬達的電動輔助自行車確實可以有效減少騎乘者的體能負擔，所以電動輔助自行車儼然已經受到廣大消費者的青睞與喜愛。一般來說，電動輔助自行車的馬達傳動機構係安裝於自行車的前輪、後輪；或是車架之踩踏心軸等位置，用以提供驅動自行車前進的輔助動力。

依據所知，以電動機的電驅力做為適時動力補助的電動輔助自行車已逐漸普及。有些技術領域業者已然皆競相研發並分別申請諸如日本公開2004-314753號、台灣發明公開第201341260號『自行車用控制裝置』及台灣發明公開第201341261號『電動輔助自行車』等所示的專利。該等專利的感測參數幾乎相同，主要有踏力感測器用來偵測在踏板所產生之踏力(或是曲柄的扭力)，曲柄角感測器用來偵測連結著踏板之曲柄軸的角度及 曲柄旋轉數感測器用來偵測曲柄軸之旋轉數。該等專利的差別僅是在於控制模式的差異而已，該專利無法以代謝當量作為控制自行車電動機功率輸出的追隨控制目標，以致無法實現較佳化的運動騎乘效果與體驗。

另有一種如台灣發明第I593391號『運動量測定裝置，運動量測定系統以及運動量測定方法』所示的專利。該專利係提供從運動者之屬性而訂定適切運動內容等，顯示其運動是否適切，並可正確掌握每個運動種類之運動量的運動量測定裝置等。其具有對象者運動量資訊之程度資訊的目標程度資訊、實行目標時間資訊、對象者之屬性別目標運動量程度資訊，當對應於對象者的運動量資訊的運動量程度資訊符合屬性別目標運動量程度資訊時，將其達成度顯示於達成度資訊顯示部，此外，具有運動種類特定部，根據運動量計算基礎資訊和動作資訊，生成、顯示各運動種類之運動量之運動量測定裝置。該專利雖然可以由運動中測出運動者的代謝當量資訊；惟，該專利同樣無法以代謝當量作為控制自行車電動機功率輸出的追隨控制目標，以致無法實現較佳化的運動騎乘效果與體驗。

有鑑於此，上述習知專利前案與先前技藝於功能性上確實皆未臻完善，因而仍有再改善的必要性；緣是，本發明人等乃積極努力研發，終於研發出一套有別於上述習知技術與前揭專利的本發明。

本發明第一目的，在於提供一種電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，主要是以代謝當量作為控制電動機功率輸出的追隨控制目標，並能藉由所設定代謝當量目標而實現較佳化的運動騎乘效果與體驗。達成第一目的之技術手段，係於控制單元建立代謝當 量資料庫，並設定代謝當量目標追隨控制模式，讓使用者於設定模組設定輸入所需騎乘強度模式及體重值，以於代謝當量資料庫讀取對應的代謝當量基本值後乘以體重值，以得到騎乘代謝消耗值，並將騎乘代謝消耗值轉換為騎乘消耗功率目標值。控制單元將扭力訊號及踏頻訊號轉換為踏力扭力值及踏頻轉數值，再依據計算出使用者的騎乘消耗功率值；當騎乘消耗功率值未達到騎乘消耗功率目標值時，則控制電動機產生補償功率，使補償功率加上騎乘消耗功率值等於功率騎乘消耗功率目標值。

本發明第二目的，在於提供一種具備坡度功率補償子模式輸出坡度補償功率的電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法。達成前述第二目的之技術手段，係於控制單元建立代謝當量資料庫，並設定代謝當量目標追隨控制模式，讓使用者於設定模組設定輸入所需騎乘強度模式及體重值，以於代謝當量資料庫讀取對應的代謝當量基本值後乘以體重值，以得到騎乘代謝消耗值，並將騎乘代謝消耗值轉換為騎乘消耗功率目標值。控制單元將扭力訊號及踏頻訊號轉換為踏力扭力值及踏頻轉數值，再依據計算出使用者的騎乘消耗功率值；當騎乘消耗功率值未達到騎乘消耗功率目標值時，則控制電動機產生補償功率，使補償功率加上騎乘消耗功率值等於功率騎乘消耗功率目標值。其中，該感測單元更包含一用以感測坡度狀態而產生坡度訊號的坡度計，該控制單元將該坡度訊號轉換處理為對應的坡度值；該代謝當量目標追隨控制模式包含一可供該使用者選擇設定的坡度功率補償子模式，於該坡度功率補償子模式時，該控制單元設定有按照由低而高之坡度分佈的坡度預設值，當該坡度值達到其中一個該坡度預設值時，該控制單元則控制該電動機額外輸出至少一增量的坡度補償功率，使該電動機實際輸出的該補助力等於該至少 一增量的該坡度補償功率加上該補償功率；當該坡度越高，所輸出的該坡度補償功率的該增量則愈多。

本發明第三目的，在於提供一種具備強制運動模式以增加運動鍛鍊效果的電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法。達成前述第三目的之技術手段，係於控制單元建立代謝當量資料庫，並設定代謝當量目標追隨控制模式，讓使用者於設定模組設定輸入所需騎乘強度模式及體重值，以於代謝當量資料庫讀取對應的代謝當量基本值後乘以體重值，以得到騎乘代謝消耗值，並將騎乘代謝消耗值轉換為騎乘消耗功率目標值。控制單元將扭力訊號及踏頻訊號轉換為踏力扭力值及踏頻轉數值，再依據計算出使用者的騎乘消耗功率值；當騎乘消耗功率值未達到騎乘消耗功率目標值時，則控制電動機產生補償功率，使補償功率加上騎乘消耗功率值等於功率騎乘消耗功率目標值。其中，該代謝當量目標追隨控制模式更包含一可供該使用者選擇設定的強制運動子模式，於該強制運動子模式時，該控制單元設定一功率輸出額定值，當該騎乘消耗功率值達到該騎乘消耗功率目標值時，則依據該功率輸出額定值控制該電動機產生一第二補償功率，使該第二補償功率加上該騎乘消耗功率目標值等於該功率輸出額定值；當該騎乘消耗功率值未達到該騎乘消耗功率目標值時，該電動機則無該補償功率的輸出。

10:自行車

11:踏板

12:曲柄

20:電動機

30:感測單元

31:踩踏扭力感測模組

32:踩踏頻率感測模組

33:坡度計

40:控制單元

41:設定模組

42:代謝當量資料庫

43:轉換資料庫

50:供電模組

Pm:補償功率

Pn:騎乘消耗功率值

Po:第二補償功率

圖1係本發明具體實施架構的功能方塊示意圖。

圖2係本發明於自行車上安裝的實施示意圖。

圖3係本發明於代謝當量目標追隨控制模式下的補助力輸出示意圖。

圖4係本發明於強制運動子模式下的補助力輸出實施示意圖。

圖5係本發明控制單元具體的連結控制實施示意圖。

為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明：

請配合參看圖1~3及圖5所示，為達成本發明第一目之第一實施例，係包括下列步驟：

(a)步驟，提供一自行車10、一用以對自行車10於騎乘時提供補助力的電動機20、一感測單元30、一控制單元40及一用以供應所需電源的供電模組50等技術特徵。其中，該控制單元40包含一供使用者設定操作的設定模組41。

(b)步驟，於控制單元40建立一代謝當量資料庫42，該控制單元40設定有一代謝當量目標追隨控制模式，該代謝當量資料庫42設定有複數與多種騎乘強度模式對應的代謝當量基本值。

(c)步驟，於代謝當量目標追隨控制模式時，該使用者於設定模組41設定輸入所需騎乘強度模式及體重值，使控制單元40於代謝當量資料庫42讀取出與騎乘強度模式對應的代謝當量基本值後乘以使用者自身的體重值，以得到對應的騎乘代謝消耗值，並將騎乘代謝消耗值轉換為一種騎乘消耗功率目標值。

(d)步驟，以感測單元30偵測由使用者踩踏自行車10的踏板11而驅使曲柄12旋轉的扭力而產扭力訊號及驅使曲柄12旋轉的頻率而產生踏頻訊號，該控制單元40將扭力訊號及踏頻訊號轉換為相應的踏力扭力值及踏頻轉數值。

(e)步驟，該控制單元40依據踏力扭力值及踏頻轉數值計算出使用者的騎乘消耗功率值Pn；當騎乘消耗功率值Pn未達到騎乘消耗功率目標值時，則依據騎乘消耗功率目標值控制電動機20產生一作為補助力的補償功率Pm，使補償功率Pm加上騎乘消耗功率值Pn等於騎乘消耗功率目標值；當騎乘消耗功率值Pn達到騎乘消耗功率目標值時，該電動機20則無補償功率Pm的輸出，如圖3所示。

再由圖3得知，騎乘消耗功率值Pn1已達到騎乘消耗功率目標值，所以電動機20並無補償功率Pm的輸出。騎乘消耗功率值Pn2係超過騎乘消耗功率目標值，所以電動機20同樣無補償功率Pm的輸出。騎乘消耗功率值Pn3未達到騎乘消耗功率目標值，所以電動機20則產生較低的補償功率Pm1輸出。騎乘消耗功率值Pn4低於騎乘消耗功率值Pn3，同樣未達到騎乘消耗功率目標值，所以動機20則產生次高的補償功率Pm2輸出。騎乘消耗功率值Pn5遠低於騎乘消耗功率值Pn4，因而同樣未達到騎乘消耗功率目標值，所以電動機20則產生最高的補償功率Pm3輸出。

本發明的具體實施例中，該騎乘消耗功率值Pn=踏力扭力值(T)×踏頻轉數值(ω)。

具體的，該騎乘代謝消耗值=騎乘強度模式的代謝當量基本值×體重值=卡(Kcal)/時間(hr)。

表一為騎乘強度模式對應的代謝當量基本值的對照示意。其中，由表一得知，在平路及混合路段時，速度自9km~31km所對應的代謝當量基本值分別為8.5~15.8METs。另外，在越野路段中，所對應的代謝當量基本值分別為3.5~16METs。假設使用者設定之騎乘強度模式為休閒娛樂模式，而速度為9km/h，若使用者的體重為70kg，該騎乘代謝消耗值(即代謝當 量)=騎乘強度模式的代謝當量基本值×體重值=卡(Kcal)/時間(hr)，3.5METs×70kg=245卡/時；亦即，每小時消耗的代謝當量約為245卡。

本發明的一種具體實施例中，該控制單元40建立一轉換資料庫43，該轉換資料庫43設定有一對照表(如於實驗中持續記錄及修正功率與代謝當量的對照數據，以得到更為符合二者之間實際的對應關係)，該對照表定義有各騎乘代謝消耗值(即各代謝當量)與各騎乘消耗功率值Pn的對應關係，以將即時得到的騎乘代謝消耗值轉換為對應符合的騎乘消耗功率目標值，以作為騎乘消耗功率值Pn是否達到騎乘消耗功率目標值的判斷比對依據。

本發明的一種具體實施例中，該感測單元30包含一用產生扭力訊號的踩踏扭力感測模組31及一用以產生踏頻訊號的踩踏頻率感測模組32。

請配合參看圖1~3所示，為達成本發明第二目之第二實施 例，本實施例除了包括上述第一實施例的整體技術特徵之外，該感測單元30更包含一用以感測坡度狀態而產生坡度訊號的坡度計33，該控制單元40將坡度訊號轉換處理為對應的坡度值。該代謝當量目標追隨控制模式係包含一可供使用者選擇設定的坡度功率補償子模式，於坡度功率補償子模式時，該控制單元40設定有複數按照由低而高之坡度分佈的坡度預設值，當坡度值達到其中一個坡度預設值時，該控制單元40則控制電動機20額外輸出至少一增量的坡度補償功率，使電動機20實際輸出的補助力等於至少一增量的坡度補償功率加上補償功率Pm，當坡度越高，所輸出的坡度補償功率的增量則愈多。

請配合參看圖1~3所示，為達成本發明第二目之第三實施例，本實施例除了包括上述第一實施例的整體技術特徵之外，該控制單元40係依據踏力扭力值及踏頻轉數值之相對關係而計算出對應的坡度值，當坡度愈高時，該踏力扭力值則愈高，該踏頻轉數值則相對較低，甚至為零；當坡度愈低時，該踏力扭力值則愈低，該踏頻轉數值則相對較高。該代謝當量目標追隨控制模式係包含一可供使用者選擇設定的坡度功率補償子模式，於坡度功率補償子模式時，該控制單元40設定有按照由低而高之坡度分佈的坡度預設值，當坡度值達到其中一個坡度預設值時，該控制單元40則控制電動機20額外輸出至少一增量的坡度補償功率，使電動機20實際輸出的補助力等於至少一增量的坡度補償功率加上補償功率Pm，當坡度越高，所輸出的坡度補償功率的增量則愈多。

請配合參看圖1、2、4及圖5所示，為達成本發明第三目之第四實施例，本實施例除了包括上述第一實施例的整體技術特徵之外，該代謝當量目標追隨控制模式更包含一可供使用者選擇設定的強制運動子模 式，於強制運動子模式時，該控制單元40設定一功率輸出額定值，當騎乘消耗功率值Pn達到騎乘消耗功率目標值時，則依據功率輸出額定值控制電動機20產生一第二補償功率Po，使第二補償功率Po加上騎乘消耗功率值等於功率輸出額定值，當騎乘消耗功率值Pn未達到騎乘消耗功率目標值時，該電動機20則無第二補償功率Po的輸出，於此即可強制騎乘者持續做自行車10的踩踏運動，直到符合騎乘消耗功率目標值為止。

再由圖4得知，騎乘消耗功率值Pn1達到騎乘消耗功率目標值，電動機20產生第二補償功率Po1輸出。騎乘消耗功率值Pn2超過騎乘消耗功率目標值，電動機20產生較少的第二補償功率Po2輸出。騎乘消耗功率值Pn3遠超過騎乘消耗功率目標值，電動機20產生最低的第二補償功率Po3輸出。騎乘消耗功率值Pn4、Pn5皆未達到騎乘消耗功率目標值，所以電動機20未產生第二補償功率Po輸出。

因此，經由上述具體實施例的詳細說明后，本發明確實具有下列所述的特點：

1.本發明確實是以代謝當量作為控制電動機功率輸出的追隨控制目標，並能藉由所設定代謝當量目標而實現較佳化的運動騎乘效果與體驗。

2.本發明確實是一種具備坡度功率補償子模式輸出坡度補償功率的電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法。

3.本發明確實是一種具備強制運動模式以增加運動鍛鍊效果的電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法。

以上所述，僅為本發明一種較為可行的實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神 而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

20:電動機

30:感測單元

31:踩踏扭力感測模組

32:踩踏頻率感測模組

33:坡度計

40:控制單元

41:設定模組

42:代謝當量資料庫

43:轉換資料庫

50:供電模組

Claims (8)

1. 一種電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其包括：提供一自行車、一用以對該自行車於騎乘時提供補助力的電動機、一感測單元、一控制單元及一用以供應所需電源的供電模組；其中，該控制單元包含一供使用者設定操作的設定模組；於該控制單元建立一代謝當量資料庫，並於該控制單元設定一代謝當量目標追隨控制模式，該代謝當量資料庫設定有複數與多種騎乘強度模式對應的代謝當量基本值；於該代謝當量目標追隨控制模式時，該使用者於該設定模組設定輸入所需騎乘強度模式及體重值，使該控制單元於該代謝當量資料庫讀取出與該騎乘強度模式對應的該代謝當量基本值後乘以該體重值，以得到對應的騎乘代謝消耗值，並將該騎乘代謝消耗值轉換為相應的一騎乘消耗功率目標值；以該感測單元偵測由該使用者踩踏該自行車的踏板而驅使曲柄旋轉的扭力而產扭力訊號及驅使該曲柄旋轉的頻率而產生踏頻訊號，該控制單元將該扭力訊號及該踏頻訊號轉換為相應的踏力扭力值及踏頻轉數值；及該控制單元依據該踏力扭力值及該踏頻轉數值計算出該使用者的騎乘消耗功率值；當該騎乘消耗功率值未達到該騎乘消耗功率目標值時，則依據該騎乘消耗功率目標值控制該電動機產生-作為該補助力的補償功率，使該補償功率加上該騎乘消耗功率值等於該騎乘消耗功率目標值；當該騎乘消耗功率值達到該騎乘消耗功率目標值時，該電動機則無該補償功率的輸出；其中，該代謝當量目標追隨控制模式更包含一可供該使用者選擇設 定的強制運動子模式，於該強制運動子模式時，該控制單元設定一功率輸出額定值，當該騎乘消耗功率值達到該騎乘消耗功率目標值時，則依據該功率輸出額定值控制該電動機產生一第二補償功率，使該第二補償功率加上該騎乘消耗功率值等於該功率輸出額定值；當該騎乘消耗功率值未達到該騎乘消耗功率目標值時，該電動機則無該補償功率的輸出。
2. 如請求項1所述之電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其中，該騎乘消耗功率值=踏力扭力值(T)×踏頻轉數值(ω)。
3. 如請求項1所述之電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其中，該騎乘代謝消耗值=騎乘強度模式的代謝當量基本值×體重值=卡(Kcal)/時間(hr)。
4. 如請求項1所述之電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其中，該控制單元建立一轉換資料庫，該轉換資料庫設定有一對照表，該對照表定義有各該騎乘代謝消耗值與各該騎乘消耗功率值的對應關係，以將即時得到的該騎乘代謝消耗值轉換為對應符合的該騎乘消耗功率目標值，以作為該騎乘消耗功率值是否達到該騎乘消耗功率目標值的判斷依據。
5. 如請求項1所述之電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其中，該感測單元包含一用產生該扭力訊號的踩踏扭力感測模組及一用以產生該踏頻訊號的踩踏頻率感測模組。
6. 如請求項1所述之電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其中，該感測單元更包含一用以感測坡度狀態而產生坡度訊號的坡度計，該控制單元將該坡度訊號轉換處理為對應的坡度值；該代謝當量目標追隨控制模式包含一可供該使用者選擇設定的坡度功率補償 子模式，於該坡度功率補償子模式時，該控制單元設定有按照由低而高之坡度分佈的坡度預設值，當該坡度值達到其中一個該坡度預設值時，該控制單元則控制該電動機額外輸出至少一增量的坡度補償功率，使該電動機實際輸出的該補助力等於該至少一增量的該坡度補償功率加上該補償功率；當該坡度越高，所輸出的該坡度補償功率的該增量則愈多。
7. 如請求項1所述之電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制方法，其中，該控制單元係依據該踏力扭力值及該踏頻轉數值之相對關係而計算出對應的坡度值，當坡度愈高時，該踏力扭力值則愈高，該踏頻轉數值則相對較低，甚至為零；當坡度愈低時，該踏力扭力值則愈低，該踏頻轉數值則相對較高；該代謝當量目標追隨控制模式包含一可供該使用者選擇設定的坡度功率補償子模式，於該坡度功率補償子模式時，該控制單元設定有按照由低而高之坡度分佈的坡度預設值，當該坡度值達到其中一個該坡度預設值時，該控制單元則控制該電動機額外輸出至少一增量的坡度補償功率，使該電動機實際輸出的該補助力等於該至少一增量的該坡度補償功率加上該補償功率；當該坡度越高，所輸出的該坡度補償功率的該增量則愈多。
8. 一種電動自行車以代謝當量為控制目標追隨的補助力控制系統，其包括：一自行車；一電動機，其設於該自行車，用以對該自行車於騎乘時提供補助力；一感測單元，其用以偵測由該使用者踩踏該自行車的踏板而驅使曲柄旋轉的扭力而產扭力訊號及驅使該曲柄旋轉的頻率而產生踏頻訊號；一控制單元，其包含一供使用者設定操作的設定模組，並將該扭力訊號 及該踏頻訊號轉換處理為相應的踏力扭力值及踏頻轉數值；該控制單元建立有一代謝當量資料庫，該控制單元設定有一代謝當量目標追隨控制模式，該代謝當量資料庫設定有複數與多種騎乘強度模式對應的代謝當量基本值；於該代謝當量目標追隨控制模式時，該使用者於該設定模組設定所需騎乘強度模式及體重值，使該控制單元於該代謝當量資料庫讀取出與該騎乘強度模式對應的該代謝當量基本值後乘以該體重值，以得到對應的騎乘代謝消耗值，並將該騎乘代謝消耗值轉換為一騎乘消耗功率目標值，當該騎乘消耗功率值未達到該騎乘消耗功率目標值時，則依據該騎乘消耗功率目標值控制該電動機產生一補償功率，使該補償功率加上該騎乘消耗功率值等於該騎乘消耗功率目標值，以驅使該電動機依該補償功率值輸出該補助力；當該騎乘消耗功率值達到該騎乘消耗功率目標值時，該電動機則無該補助力的輸出；及一供電模組，其用以供應所需的電源。

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