一種帶智能控制的曲柄及包括該曲柄的帶助力的腳踏裝置的製作方法

2023-10-06 10:31:39

本實用新型涉及一種曲柄，具體地說，是涉及一種能夠根據感應器的感應值準確感測實際腳踩力量，以使馬達輸出相匹配的功率的帶智能控制的曲柄。

本實用新型還涉及一種包括上述的帶智能控制的曲柄的帶助力的腳踏裝置。

背景技術：

一般的帶助力的腳踏裝置，例如腳踏電動車(一輪/二輪/三輪車)，其馬達電流的大小大都是由手控的扭把(轉把)來決定。有些設計則加上磁感器與磁塊來測量腳踏的速度，而後依腳踏速度來控制馬達電流大小/輸出功率。即馬達功率輸出大小與腳踩速度成正比，踩的越快，馬達輸出功率越高。速度傳感器在平路時才比較有效，而在上坡時，腳踏速度因為坡度而減慢，此時馬達卻不能提供足夠的輸出功率。

正確的作法應該是由腳踩的力量來決定馬達的電流與輸出功率。馬達輸出功率大小與腳踩力量成正比，即腳踩的越用力，馬達輸出功率越高。雖然市面上已有些公司是用機械式的方式來感測腳踩的力量，但其成本太高。公開號為TW201410531A的中國臺灣專利申請採用應變計感測器感測腳踩的力量，但是無法準確地獲知實際腳踩的力量，因而無法使馬達準確輸出相匹配的功率。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種帶智能控制的曲柄及包括該曲柄的帶助力的腳踏裝置，能夠通過獲取曲柄轉動一個感測周期的最大實際力矩值以使馬達輸出相匹配的功率。

為了實現上述目的，本實用新型的帶智能控制的曲柄，應用於一帶助力的腳踏裝置，所述腳踏裝置包括動力系統，所述智能曲柄包括曲柄本體，所述曲柄本體上設置有力矩感應器、速度感應器、角度感應器、方向感應器以及曲柄 控制器。力矩感應器感測所述曲柄本體上於一設定方向的力矩值；速度感應器感測所述曲柄本體的轉動速度；角度感應器感測所述曲柄本體偏離所述設定方向的角度；方向感應器感測所述曲柄本體的轉動方向；曲柄控制器分別與所述動力系統以及各感應器相連，於一個感測周期內，所述曲柄控制器根據各所述感應器感測的信息判斷所述曲柄本體的轉動速度大於一設定閾值且轉動方向為向前時，再根據感測到的力矩值以及角度計算此時曲柄本體所受到的實際力矩值，並獲取曲柄本體於該感測周期內的最大實際力矩值，以輸出最大實際力矩值以使所述動力系統根據該最大實際力矩值調整其輸出功率。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述角度感應器和方向感應器是陀螺儀加速器。上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述力矩感應器是應變規感應器。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述曲柄本體包括應變規容置腔，所述應變規感應器貼附於所述應變規容置腔的內壁。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述設定方向為垂直方向或水平方向。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述曲柄本體包括電池容置腔，一電池設置於所述電池容置腔，所述曲柄控制器以及各感應器分別與所述電池電連接。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述腳踏裝置還包括曲柄軸和動力系統用電源，所述曲柄軸包括與所述電源相連接的滑環，所述曲柄本體包括曲柄連接端，所述曲柄連接端包括與所述滑環接觸連接的彈性連接柱以將電源供應至所述曲柄控制器以及各感應器。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述曲柄控制器包括與所述動力系統無線通訊連接的無線通訊模塊。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述曲柄控制器還包括根據轉動速度對所述曲柄本體開始轉動時間和/或停止轉動時間進行計時的計時器模塊。

上述的帶智能控制的曲柄的一實施方式中，所述曲柄控制器還包括於所述感測周期結束後仍進行一次判斷所述曲柄本體的轉動速度是否大於該設定閾值且方向是否向前的判定模塊。

本實用新型的帶助力的腳踏裝置，包括車架、分別連接在所述車架上的動力系統以及行走系統，所述行走系統包括曲柄軸和分別連接在所述曲柄軸兩側的曲柄，其中，兩個所述曲柄中的至少一個為上述的帶智能控制的曲柄。

上述的帶助力的腳踏裝置的一實施例中，所述動力系統包括馬達和控制所述馬達的馬達控制器，所述馬達控制器與所述曲柄控制器無線通訊連接。

上述的帶助力的腳踏裝置的一實施例中，還包括設置於所述車架的車把處的顯示器，所述顯示器與所述馬達控制器相連接。

本實用新型的有益功效在於，採用本實用新型的帶智能控制的曲柄及帶助力的腳踏裝置，通過感測曲柄的轉動力矩值以及轉動速度、角度和方向，準確獲取反映實際最大腳踩力量的曲柄所受到的最大實際力矩值，馬達根據此最大實際力矩值智能輸出適當功率，使騎行者舒適騎行。

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述，但不作為對本實用新型的限定。

附圖說明

圖1為本實用新型的帶助力的腳踏裝置的一實施例的結構簡圖；

圖2為本實用新型的帶助力的腳踏裝置的帶智能控制的曲柄及動力系統的模塊圖；

圖3為本實用新型的帶智能控制的曲柄的一實施例的結構示意圖；

圖4為圖3另一方向的結構示意圖；

圖5為帶智能控制的曲柄所處位置感測力矩值與實際力矩值關係示意圖；

圖6為本實用新型的帶智能控制的曲柄的一實施例的工作流程圖；

圖7為本實用新型的帶助力的腳踏裝置的曲柄軸的一實施例的結構示意圖；

圖8為本實用新型的帶智能控制的曲柄的另一實施例與曲柄軸連接的剖視示意圖。

其中，附圖標記

100 帶智能控制的曲柄

110 曲柄本體

111 彈性連接柱

120 力矩感應器

130 速度感應器

140 角度感應器

150 方向感應器

160 曲柄控制器

161 無線通訊模塊

162 計時器模塊

170 放大器

200 帶助力的腳踏裝置

211 馬達控制器

212 馬達

210 動力系統

220 顯示器

230 車架

240 行走系統

241 曲柄軸

242 滑環

S1 應變規容置腔

S2 線路板容置腔

S3 電池容置腔

P 線路板

B 紐扣電池

E 曲柄連接端

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型技術方案進行詳細的描述，以更進一步了解本實用新型的目的、方案及功效，但並非作為本實用新型所附權利要求保護範圍的限制。

配備有本實用新型的帶智能控制的曲柄的帶助力的腳踏裝置，其動力來源 是馬達和人力，在腳踏後馬達方才產生動力，所以帶助力的腳踏裝置的每次充完電後的行駛距離也較長。在爬坡時，本實用新型的帶助力的腳踏裝置可以感受到騎行者使用力氣的增加而自動提高電流的供應以增加馬達輸出的功率。在下坡時，騎行者沒有踩踏，馬達也就停止輸出電流。

如圖1和圖2所示，本實用新型的帶智能控制的曲柄100應用於帶助力的腳踏裝置200上，帶助力的腳踏裝置200還包括動力系統210、顯示器220、車架230以及行走系統240，動力系統210、顯示器220以及行走系統240分別連接在車架230上。

行走系統240包括曲柄軸241，曲柄軸241兩側分別連接一個曲柄的一端，曲柄的另一端連接腳踏，騎行者踩動腳踏，腳踏通過曲柄帶動曲柄軸241以及前後車輪轉動，從而使帶助力的腳踏裝置200向前行進。其中，曲柄軸241兩側的曲柄中可以有一側的曲柄設置為本實用新型的帶智能控制的曲柄100。不考慮成本的話，也可以兩側均設置本實用新型的帶智能控制的曲柄100。

以下實施例中，以帶助力的腳踏裝置200的左側曲軸為本實用新型的智能曲軸100為例進行說明。

參閱圖1和圖2，動力系統210包括馬達控制器211和馬達212，顯示器220例如設置於車架230的車把處，方便騎行者設置和查看。帶智能控制的曲柄100與馬達系統210的馬達控制器211採用無線通訊連接，馬達系統210的馬達控制器211與顯示器220採用有線通訊連接。

其中，騎行者可在顯示器220上選擇馬達出力與騎行者出力的比例，例如：如果是低段選擇，則馬達提供的輸出功率較騎行者出力低；如果是中段選擇，馬達提供的輸出功率與騎行者出力相當；如果是高段選擇，則馬達提供的輸出功率高於騎行者出力。騎行者可根據需要進行各種選擇，如在上坡時進行高段選擇，以最大限度地滿足騎行者的舒適騎行的需求。當然，顯示器220還可以顯示騎行距離、騎行速度、剩餘電量等各種信息。

本實用新型的帶智能控制的曲柄100具有多個感應器元件，以感測騎行者所施加在曲柄上的力以及曲柄轉動的速度、角度和方向，依據所感測的信息計算實際施加於腳踏的最大力，並發送到動力系統210的馬達控制器211，馬達控制器211依據帶智能控制的曲柄100所發送的信息以及騎行者在顯示器210上的選擇來控制馬達212輸出適合的功率。

具體地如圖2至圖4所示，帶智能控制的曲柄100包括曲柄本體110，曲柄本體110上設置有力矩感應器120、速度感應器130、角度感應器140、方向感應器150以及曲柄控制器160。

力矩感應器120例如採用應變規感應器，由於腳踩的時候，曲柄本體110是直接受力的元件，故直接把力矩感應器120貼覆於曲柄本體110上，以感測騎行者施加於曲柄本體110上的轉動力矩。

曲柄本體110上設置有應變規容置腔S1，力矩感應器120貼附於應變規容置腔S1的內壁，例如側壁和/或底壁，力矩感應器120可為一個，也可為多個。力矩感應器120感測的是一設定方向上的分力，設定方向例如為水平方向或與水平方向垂直的垂直方向，本實施例中，設定方向可設置為水平方向。

角度感應器140和方向感應器150例如採用陀螺儀加速器實現角度和方向的感測，陀螺儀能夠感測曲柄本體110所處空間位置的變化，可以測出曲柄本體110的X+/X-，Y+/Y-，Z+/Z-的空間位置。根據X+/X-，Y+/Y-，Z+/Z-變換的數據就可很容易知曉曲柄本體110的轉動方向以及曲柄本體110與設定的水平方向之間的角度。

曲柄控制器160分別與動力系統210以及各感應器120至150相連接，於一個感測周期內，曲柄控制器160根據速度感應器130所感應的曲柄本體110的轉動速度大於一設定閾值，且根據方向感應器150所感應的曲柄本體110的轉動方向為向前時，再根據力矩傳感器120所感應的曲柄本體110於設定方向的力矩值T以及角度感應器140所感應的曲柄本體110與設定方向的角度A來計算此時曲柄本體110所受到的實際力矩值Ta。如此反覆，直至得到曲柄本體110於該感測周期內的最大實際力矩值Tmax，動力系統210根據該最大實際力矩值Tmax調整其輸出功率。

上述的一個感測周期，指的是調整馬達控制器電流的一個周期，例如為左曲柄受力的半圈為一個感測周期，需說明的是，本實用新型並不以此為限，例如設置左曲柄受力的兩個或兩個以上的半圈為一個感測周期。

上述的設定閾值，指的是設定的曲柄本體110轉動的速度最小值。因，在某些情形下，例如，當兩腳站立在踏板時，力矩值雖然是最大，但這不是正常的行駛狀況，其重力加速度是零，馬達不應啟動。所以感測到曲柄本體110的速度低於設定閾值時，馬達212不啟動。

曲柄控制器160需要提取力矩感應器120所感測的最大的腳踏力量，以使馬達212輸出合適的功率。如何準確取得曲柄本體110轉動一圈的最大轉動力矩成為是否能夠正確提供輸出功率的關鍵。

如圖5所示，曲柄本體110所處的空間位置會影響到真正造成力矩感應器120改變的力量。由於力矩感應器120感應的是水平軸X方向的應變(上述已說明設定方向設置為水平方向)，當曲柄本體110與水平軸X平行時，其輸出力量是最大的，而造成力矩感應器120的變形量也是最大的，此時的力矩感應器120的變形量與實際腳踩力量F相一致。但是，當曲柄本體110的當前位置與水平軸X有角度θ時，實際腳踩力量F能造成作為力矩感應器120的應變規變化的力量是F1＝F cosθ。此時力矩感應器120所感測力矩值並不能反映實際腳踩力量F。

由於取樣時間是每隔若干ms取一個樣本，在一個感測周期中可取得數個樣本。而樣本的取點常常不會是在θ＝0度時。也就是說取樣點不是力矩感應器120變形最大的時候。

本實用新型通過設置速度感應器130、角度感應器140以及方向感應器150來測出測力矩瞬間曲柄本體110的速度、角度以及方向，進而計算得出反映正常向前行進過程中的實際腳踩力量F的力矩值。

如圖6所示的為帶智能控制的曲柄100的曲柄控制器160的一實施例的工作過程，本實施例中，帶智能控制的曲柄100為左曲柄，力矩感應器120設置為感應曲柄本體110水平軸X方向應變，角度感應器140感應曲柄本體110與水平軸X方向角度，感測周期設置為左曲柄受力的半圈。

曲柄控制器160的電信號連接及流通過程如下：

S100，初始化以將最大實際力矩值Tmax歸零，即設定最大實際力矩值Tmax為零值。

S200，讀取力矩感應器120、速度感應器130、角度感應器140以及方向感應器150所感應的力矩值、速度、角度以及轉動方向。

S300，根據所感應的速度以及方向進行判斷，速度是否超過設定閾值，方向是否向前，如果判斷速度沒有超過設定閾值或轉動方向向後，則重新回到S200，如果判斷得到速度超過設定閾值且轉動方向向前，進入S400。

S400，感測此左曲柄是否在其受力的半圈內(例如，X軸正方向為前方，根據感測的角度判斷曲柄本體110是否處於圖5所示的α角度內)，如果是，則進入S500；如果不是在其受力的半圈內，則進入S600。

S500，根據感測的力矩值T以及角度A計算得到反映實際腳踩力量的實際力矩值Ta，並將實際力矩值Ta與現存儲的最大實際力矩值Tmax進行比較，若TaTmax，Tmax＝Ta，存儲替換後的最大實際力矩值Tmax，然後重新回到S200提取感應值，直至得到此受力半圈的最大實際力矩值Tmax。

S600，在脫離左曲柄的受力的半圈時，需再次讀取速度以及轉動方向的感應值，以判斷此時轉動速度是否超過設定閾值且轉動方向是否向前，如果是，說明腳踏裝置此時正常向前行進，此時存儲的Tmax即為左曲柄此受力半圈的最大實際力矩值，進入S700；如果此時轉動速度沒有超過設定閾值或轉動方向不是向前，則說明此時腳踏裝置停止腳蹬或方向向後，不再需要對馬達控制器電流進行調整，重新回到S100。

S700，馬達控制器211依此最大實際力矩值Tmax控制電流以及馬達輸出功率，並返回S100，開始新一輪判斷計算過程，以取得下一感測周期的最大實際力矩值。

其中，如圖2所示，力矩感應器120與曲柄控制器140之間可通過放大器170相連接。

速度感應器130、角度感應器140以及方向感應器150可集成於同一線路板P上。另，線路板P上還集成曲柄控制器160、放大器170即其他相關電路。如圖3和圖4所示，曲柄本體110上還設置有線路板容置腔S2，線路板P容置於線路板容置腔S2中。

如圖2所示，曲柄控制器160包括無線通訊模塊161以及計時器模塊162。

無線通訊模塊161用於實現曲柄控制器160與動力系統210的馬達控制器211無線通訊連接。

為了安全起見，馬達必須在踏動若干時間方能啟動，而且馬達必須在腳踏動停止馬上停止轉動。本實用新型通過計時器模塊162以根據速度感應器130所感應的曲柄本體110的速度對曲柄本體110開始轉動時間或停止轉動時間進行計時，以確保馬達212在踏動若干時間方能啟動，而且馬達212在腳踏動停止馬上停止轉動，保證馬達安全使用。

曲柄控制器160還包括判定模塊，於上述第四步中，判定模塊用於判斷曲柄本體110已脫離感測周期時，仍讀取一次速度即方向感應器，並進行一次判斷曲柄本體110的轉動速度是否大於該設定閾值且方向是否向前的判定，如果此時轉動速度大於設定閾值且方向向前，仍通過獲取的最大實際力矩值Tmax 調整馬達控制器電流，如果不是，則不調整。本模塊用於防止在脫離感測周期後，騎行者即不進行騎行的情形，仍進行馬達控制。

本實用新型的帶智能控制的曲柄100可通過紐扣電池予以供電。如圖3以及圖4所示，曲柄本體110包括電池容置腔S3，紐扣電池B設置於電池容置腔S3，且圖2所示的力矩感應器120、速度和角度感應器130以及曲柄控制器140分別與紐扣電池B相連接。

電源也可取自帶助力的腳踏裝置200的電源。因曲柄一直在轉動中，靠單純的接線，線會很容易纏繞住，這是不可行的。本實用新型通過採用特殊的滑環設計。

如圖7和圖8所示，帶助力的腳踏裝置200的曲柄軸241包括與供動力系統210用的電源相連接的滑環242，曲柄本體110包括與曲柄軸241相連接的曲柄連接端E，曲柄連接端E設置有與滑環242接觸連接的彈性連接柱111，彈性連接柱111與滑環電性連接以為力矩感應器120、速度感應器130、角度感應器140、方向感應器150以及曲柄控制器160提供電力來源。

本實用新型中，帶助力的腳踏裝置200的電源接到滑環231上面，帶智能控制的曲柄100則要有具彈簧伸縮的導電的彈性連接柱111與滑環231接觸，接觸可靠，且可以避免線路纏繞。

本實用新型的帶智能控制的曲柄，為防止液體進入容置槽，在相關部件放置妥當後，需灌入膠水，待完工後，從外觀來看，與一般的曲柄相同，但是卻具有智能控制馬達輸出的功能。

當然，本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本實用新型作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。