TW201718328A - 自行車腳踏裝置感測系統 - Google Patents

Abstract

一種自行車踏板感測裝置，係設置在自行車的腳踏裝置上，包括有感測元件以感測並記錄該使用者踩踏於該腳踏裝置上施力狀況信號，軌跡運動感測單元感測並記錄該使用者踩踏時該腳踏裝置空間位置變化的運動信號，控制電路接收及處理該感測元件與該軌跡運動感測單元所感測出之信號，以及電源供給裝置，提供該感測元件、該軌跡運動感測單元、該控制電路工作的驅動電力。藉此得到可以感測使用者的踩踏力量，並同時記錄運動時所產生的活動軌跡，然後進行計算分析，提供給使用者作為運動參考。

Description

自行車腳踏裝置感測系統

本發明係關於一種自行車腳踏感測系統，特別是關於一種裝置在自行車的腳踏上，可以感測使用者踩踏力量以及運動軌跡，提供給使用者作為運動參考的感測裝置。

隨著生活的富足，現代人多半有飲食過量、營養過剩的問題，造成肥胖等諸多文明病的發生，危害人們身體健康。因此，許多人已慢慢瞭解，藉由適當運動調整生理機能，可以滿足人們對於健康的需求。隨之而來者，是伴隨運動相關的器材大量產生。

最佳的運動方式，當然是走出戶外，最好能遠離塵囂，回歸自然環境，不僅讓身體得到活動，也能呼吸新鮮空氣，見識美麗景觀，進而對人體與心靈都能產生良好的影響。然而，現化人生活忙碌，加上環境都市化，要找一塊良好的運動場所，實屬不易。因此，各種健身運動設備相繼誕生，以滿足人們對於各種運動的需求。

另外，為求達成運動效果，記錄每次的運動狀態，乃不失為良好的參考依據。例如，常見的計步器，可以根據人們的行動狀態，記錄 其行走步數，乃至於達成每日的活動目標。伴隨著科技的迅速發展，各種記錄單元已達價廉物美的要求，可以供應一般人日常生活的運動所需，隨時監測以維持身體的健康。

然而，各種運動器材有其特殊的功能，故最好能根據該運動器材的特性，感測所需的運動信號，並分析以提供使用者運動參考。

以常見的自行車運動器材而言，習知技術如美國專利US 20120210784 A1，雖然有在踏板上設置感測元件，以提供感測運動信號功能，但習知技術無法達到偵測及進行分析使用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，因此無法讓使用者獲得整周旋轉的連續相關資料來改善自身的踩踏效率，以達到更佳的自行車的運動效果。

另一習知技術如美國專利US 8011242 B2，如圖5、圖6所示，其分別在踏板軸心51’兩側各設置有四片感測元件1a、1b，並使兩側感測元件1a、1b互相偏轉角度，對於該踏板軸心51’位置改變所得到某固定位置的腳踏施力而無法測得連續運動軌跡S’，其感測的解析度只能達到EX：45°。然而，該習知技術必須增加感測元件1a、1b的數量來增加解析度，而感測元件1a、1b為高精密度的產品，價格不低，愈多數量的感測元件1a、1b相對增加設置成本。

再者，自行車踩踏時會產生連續運動軌跡，此軌跡動作亦可進一步幫助使用者改善踩踏方式，達到安全有效的自行車運動目的。

因此，考慮使用者之需求，本案發明人乃積極構思，考量一種可以感測使用者的運動信號，並記錄運動時所產生的活動軌跡，然後統 計、分析，或換算而得到個人的運動資料，更進一步可以提供個人運動的建議，以得到最佳的運動效果。

本發明之主要目的即是提供一種自行車腳踏感測裝置，其為一種同時量測運動信號及運動軌跡的裝置，滿足使用者進行自行車運動之用，功能相當強大。

可達成前述目的之本發明自行車腳踏感測裝置，係應用在自行車運動裝置上，其主要在該腳踏上設置有兩個或兩個以上的感測元件，該感測元件用於量測使用者踩踏於該踏板上的力道強度及所施力量的狀況，並且，該感測元件係可藉由貼覆或嵌合的方式固設於該踏板的軸心或表面。

以及，該腳踏裝置的軸心或踏板上另設置有軌跡運動感測單元，當該使用者在踩動該踏板時，該軌跡運動感測單元會隨著踏板之位置的變化，感測其空間位置信號，即可用來量測該踏板的空間軌跡變化。

藉此，當使用者騎乘時，可以將該自行車鞋扣在該踏板上，二者間不置於產生脫落的情形，並有助於使用者所施加的踩踏力量可以完全傳輸至該踏板上，然後，該感測元件即開始記錄使用者的施力狀況，提供記錄分析。

同時，該軌跡運動感測單元21係為二軸或二軸以上重力/加速度感測器，當該使用者運動時，可以直接感測空間中的X、Y二維位置變化，然後記錄以供後續使用。

該踏板上配合該感測元件、該軌跡運動感測單元而設置有控制電路及電源供給裝置，該電源供給裝置提供該感測元件、該軌跡運動感測單元、該控制電路工作的驅動電力。

該控制電路具有放大電路、濾波電路、處理單元，該放大電路用以將該感測元件、該軌跡運動感測單元所量測的信號運算放大，並經由該濾波電路濾除雜波而輸入該處理單元進行處理。

另外，該控制電路具有顯示單元，該顯示單元連接並輸出由該處理單元計算後的資料。

如此，該感測元件、該軌跡運動感測單元所量測的量測信號，可分別經由放大電路、濾波電路而與處理單元電連接，經由處理單元的處理及計算後透過有線、無線方式將相關量測信號傳輸至顯示單元以提供使用者的即時的參考，使得使用者可以依據相關的資訊控制自身的踩踏力量及在該踏板上的施力狀況，以及結合該踏板的運動軌跡提供更佳更準確的運動管理資訊，使得該使用者可以達到有效的運動力量的輸出。

前述控制電路透過USB、IEEE1394等有線傳輸方式連接到該顯示單元，或者控制電路透過RF、WIFI、藍芽等無線傳輸方式連接到該顯示單元。

1、1a、1b‧‧‧感測元件

2‧‧‧軌跡運動感測單元

3‧‧‧控制電路

31‧‧‧放大電路

32‧‧‧濾波電路

33‧‧‧處理單元

34‧‧‧顯示單元

35‧‧‧電線

36‧‧‧無線傳輸模組

37‧‧‧接收器

4‧‧‧電源供給裝置

5‧‧‧踏板

51、51’‧‧‧軸心

6‧‧‧自行車鞋

S、S‧‧‧連續運動軌跡

A、B‧‧‧啟始點

θ‧‧‧角度

圖1為本發明自行車踏板感測裝置使用狀態結構參考圖；圖2A為該自行車踏板連續運動的感測元件軌跡示意圖； 圖2B為該自行車踏板連續運動的軌跡運動感測單元軌跡示意圖；圖3為該自行車踏板感測裝置的有線傳輸電路方塊圖；圖4為該自行車踏板感測裝置的無線傳輸電路方塊圖；圖5為習知技術在踏板軸心設置感測元件的結構參考圖；圖6為該習知技術連續運動的感測元件軌跡示意圖；圖7A為本發明踏板在不同踩踏角度所得到的角度變化示意圖；以及圖7B為本發明對於不同身高與踩踏角度所得到的踩踏應力關係圖。

以下將配合附圖，對本發明作進一步之實施例說明。

請參閱圖1所示係提供一種自行車腳踏感測裝置，其係應用在自行車運動裝置(圖未示出)上。進一步而言，該自行車的踏板5是配合自行車鞋6的造型，以增加該自行車鞋6與踏板5的穩定性，強化踩踏的功能，達成最佳的運動目的。惟該自行車鞋6並非本案的目的，在此不予贅述。

本發明主要在該腳踏板5的軸51上設置有兩個或兩個以上的感測元件1，該感測元件1用於量測使用者踩踏於該踏板5上的力道強度及所施力量的狀況，並且，該感測元件1係可藉由貼覆或嵌合的方式固設於該踏板5的軸心51兩側的表面或該踏板5。

藉此，當使用者騎乘時，可以將該自行車鞋6扣在該踏板5上，二者間不置於產生脫落的情形，並有助於使用者所施加的踩踏力量可以完全傳輸至該踏板5上，然後，該感測元件1即開始記錄使用者的施力狀況，提供記錄分析。

同時，本發明在該踏板軸心51或踏板5上另設置有軌跡運動感測單元2，當該使用者在踩動該踏板5時，該軌跡運動感測單元2會隨著踏板5之位置的變化，感測其空間角度位置信號，即可用來量測該踏板5的空間軌跡變化。

該軌跡運動感測單元2係為三軸重力/加速度感測器，當該使用者運動時，可以直接感測空間中的X、Y、Z三維位置變化，以計算出其使用者之踩踏力道強度F。

該感測元件1與該軌跡運動感測單元2各設置一個在該踏板5的位置，但其設置數量不限，實際應用時，可採取兩個該感測元件1與一個該軌跡運動感測單元2的設置方式，如此，兩個該感測元件1會分別設置在該踏板5的軸心51兩側，該軌跡運動感測單元2則設置在該該踏板5的該軸心51位置上。

請詳閱圖2A、圖2B所示，其顯示該使用者在踩踏該踏板5時，該踏板5位置改變所得到的連續運動軌跡S變化圖。該連續運動軌跡S大致呈現圓周運動，可設定記錄繞行圈數，或每一圈所繞行的時間等運動信號，同時計算出其角速度及時間變化量△t，提供該使用者作為運動量的參考，進一步可以計算卡路里消耗，或調整運動時間、速度等。

由以上取得之力道強度F及時間變化量△t，即可算出作功P=F/△t，得知該使用者之作功力量大小。

藉由本發明的配置而求得之施力狀況，可以進一步提供該使用者施力補償功能，以得到最佳的運動狀況。所稱補償原理，當該使用者的身高不同時，因其踩踏該踏板5的啟始點不同，故所產生的應力自然也有 不同，而需進行補償。如圖所示，基本上，當該感測元件1在啟始點A的位置時，該使用者的踩踏方向為垂直，其感測到的應力為最大100%；而對於身高較高的該使用者而言，其開始可能會在啟始點B位置，會與啟始點A有角度θ的偏差，換言之，其踩踏方向有所傾斜，而使應力非為最大力量100%。

請參閱圖7A、圖7B所示，分別針對身高由最矮到最高的使用者進行應力分析，在圖7A中，身高相對較矮的使用者A會在踩踏角度0°~45°之間達到最大踩踏應力；身高中等的使用者B會在45°~90°之間達到最大踩踏應力；而高最高的使用者C會在90°左右達到最大踩踏應力。

圖7B則顯示因為身高與踩踏角度所得到的踩踏應力關係圖，其首先由處理器建立一個查表資料圖，當身高中等的使用者踩踏時，根據軌跡運動感測單元2的所取得的角度，再根據B曲線由處理器得知他的踏力百分比，以此百分比進行應力補償到100%。

舉例來說，當使用者B踩踏在約60°時達到100%，其踩踏力為100watt，當他踩踏角度為180°時，踩踏力為50%，也就是50watt，補償為50watt * 100%/50%=100watt，這是使用者B真正的踏力，也就是當裝置8個感測單元在180°時感測到的踩踏應力就是100watt。

而當身高最高的使用者C踩踏在約90°時達到100%為120watt，其踩踏力就是120watt，當他踩踏角度為180°時，踩踏力為50%，也就是120watt * 100%/50%=120watt。

另外，在計算使用者踩踏的真正扭力值方面，其方式是該踏板軸心51不動，而由踏板5轉動，當踏板5繞行軸心51一圈時，求取出一個扭力最大值或中間值、最小值，並由G-sensor預測扭力的角度或θ值，進行多 圈踩踏取得更多最大值，如下表分佈：

因此，將右腳取得10個最大值、中間值及最小值去平均即可得到右腳的正確踩踏扭力值及扭力分佈角度或θ值，而當平均次數愈多，平均後的踩踏值就愈精確，左腳亦然。

請參閱圖3、圖4，圖3係本發明之一較佳實施例以有線方式傳輸資訊的電路方塊圖，而圖4係本發明之一較佳實施例以無線方式傳輸資訊的電路方塊圖。

在本發明中的該踏板軸心51或踏板5上配合該感測元件1、該軌跡運動感測單元2而設置有控制電路3及電源供給裝置4，該電源供給裝置4提供該感測元件1、該軌跡運動感測單元2、該控制電路3工作的驅動電力。

該控制電路3具有電路偵測器31，該放大電路31用以將該感測元件1、該軌跡運動感測單元2所量測的信號運算放大，並經由該濾波電路32濾除雜波而輸入該處理單元33進行處理。

另外，該控制電路3具有顯示單元34，該顯示單元連接並輸出由該處理單元33計算後的資料。

因此，如圖3所示，該感測元件1、該軌跡運動感測單元2所 量測的量測信號，可分別經由放大電路31、濾波電路32而與處理單元33電連接，經由處理單元33的處理及計算後透過電線35以有線方式將相關量測信號傳輸至顯示單元34以提供使用者的即時的參考，使得使用者可以依據相關的資訊控制自身的踩踏力量及在該踏板5上的施力狀況，以及結合該踏板5的連續運動軌跡S提供更佳的運動管理資訊，使得該使用者可以達到有效的運動力量的輸出。

前述控制電路3是採取USB、IEEE1394等有線傳輸協定方式連接到該顯示單元34。

而如圖4所示，該控制電路3包括有無線傳輸模組36以及接收器37。讓該處理單元33亦可連接該無線傳輸模組36向外傳輸，以便於可以經由外界的該接收器37接收相關量測信號並傳輸至該顯示單元34以提供使用者的即時的參考，使得使用者可以依據相關的資訊控制自身的踩踏力量及在該踏板5上的施力是否平衡，以及結合該踏板5的連續運動軌跡S提供更佳的運動管理資訊，使得該使用者可以達到有效的運動力量的輸出。

前述控制電路3的無線傳輸模組36以及接收器37，是透過RF、WIFI、藍芽等無線傳輸協定方式連接到該顯示單元34。

藉由前述裝置，本發明可以直接量測使用者騎乘時，其腳底施加於自行車踏板5上的力道強度，以及施加於自行車踏板5上的力量是否平衡，除了可以避免使用者產生無效的施力或造成運動的傷害外，並可有效地增加使用者的踩踏效率。

同時，結合該軌跡運動感測單元2所取得的連續運動軌跡S，可以進一步分析使用者運動狀態，以提供使用者最有效的運動參考。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。

1‧‧‧感測元件

2‧‧‧軌跡運動感測單元

3‧‧‧控制電路

31‧‧‧放大電路

32‧‧‧濾波電路

33‧‧‧處理單元

34‧‧‧顯示單元

4‧‧‧電源供給裝置

Claims (10)

1. 一種自行車腳踏裝置感測系統，其特徵在於：踏板，提供使用者踩踏以騎乘自行車，該踏板包括有：感測元件，設置在該踏板的軸心兩側位置，以感測並記錄該使用者踩踏於該踏板上施力狀況信號；軌跡運動感測單元，設置在該該踏板的軸心上，以感測並記錄該使用者踩踏時該踏板空間位置變化的運動信號；控制電路，接收及處理該感測元件與該軌跡運動感測單元所感測出之信號；資料輸出單元，傳送出該感測元件經過處理器處理過的資料；電源供給裝置，提供該感測元件、該軌跡運動感測單元、該控制電路工作的驅動電力。
2. 一種自行車腳踏裝置感測系統，其特徵在於：踏板，提供使用者踩踏以騎乘自行車，該踏板包括有：感測元件，設置在該踏板上，以感測並記錄該使用者踩踏於該踏板上施力狀況信號；軌跡運動感測單元，設置在該踏板上，以感測並記錄該使用者踩踏時該踏板空間位置變化的運動信號；控制電路，接收及處理該感測元件與該軌跡運動感測單元所感測出之信號；電源供給裝置，提供該感測元件、該軌跡運動感測單元、該控制電路工作的驅動電力。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該感測元件為兩個或兩個以上，以平均分佈在軸心兩側位置。
4. 如申請專利範圍第2項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該感測元件為兩個或兩個以上，以平均分佈在腳踏板平面上。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該軌跡運動感測單元係為二軸或二軸以上重力/加速度感測器，可以感測空間中的X、Y二維或以上位置。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該控制電路具有放大電路、濾波電路與處理單元，該放大電路用以將該感測元件、該軌跡運動感測單元所量測的信號運算放大，並經由該濾波電路濾除雜波而輸入該處理單元進行處理。
7. 如申請專利範圍第5項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該控制電路具有感測元件電路偵測器。
8. 如申請專利範圍第5項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該控制電路具有顯示輸出單元，該顯示輸出單元連接並輸出由該處理單元計算後的資料。
9. 如申請專利範圍第6項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該控制電路透過USB、IEEE1394等有線傳輸方式連接到該接收顯示單元。
10. 如申請專利範圍第6項所述之自行車腳踏裝置感測系統，其中，該控制電路透過RF、WIFI、藍芽等無線傳輸方式連接到該無線接收顯示單元。