TWI828465B - 以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法 - Google Patents

Abstract

本發明依序透過準備步驟、曲柄扭矩量測步驟、左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟、淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟、該最佳化曲線產生步驟及該非對稱鏈輪產生步驟。而讓該使用者之左、右腳分別踩踏一左曲柄踏板組件及一右曲柄踏板組件，而傳動一前鏈輪轉動，踩踏過程透過一左、一右扭矩偵測組件分別測得左、右曲柄踏板組件之複數左、右曲柄扭矩數據，進而將左、右曲柄扭矩數據合併為複數淨扭矩數據，其呈曲線狀。再將該複數淨扭矩數據先後轉換為極座標資訊及最佳化曲線；接著於最佳化曲線上，產生複數齒部而形成非對稱鏈輪。本案兼具非對稱鏈輪具有較佳之效率，及可客製化非對稱鏈輪接受度高等優點。

Description

以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法

本發明係有關一種以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，尤指一種兼具非對稱鏈輪具有較佳之效率，及可客製化非對稱鏈輪接受度高之以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法。

傳統之自行車鏈輪，最廣泛使用者為圓形鏈輪，其設計為：不論左腳或右腳踩踏時，所產生之曲柄(亦即踏板)扭矩一律相同。

然而，很多高階使用者(例如自行車選手)，追求時間快一點或效率高一點，其比賽成績就會有很大的差異。

在這些高階使用者中，有許多人是左腳的踩踏力與右腳的踩踏力不同。

基於前述考量，假設某使用者是左腳踩踏力較強，而傳統圓形之鏈輪並無法將較強之左腳踩踏力轉換為較大之力矩。

目前固然已有非圓形之鏈輪，然而，其設計上非常複雜，使得業者(或使用者)不願意採用，或採用之難度很高。

有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，其兼具非對稱鏈輪具有較佳之效率，及可客製化非對稱鏈輪接受度高等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於傳統之圓形鏈輪並無法將使用者之較強之某一 腳的踩踏力轉換為較大之力矩，以及公知非圓形鏈輪設計上非常複雜，使得業者不願意採用，或採用之難度很高等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，其包括下列步驟：一、準備步驟；二、曲柄扭矩量測步驟；三、左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟；四、淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟；五、最佳化曲線產生步驟；及六、非對稱鏈輪產生步驟。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10:健身機構

11:車體

12:把手

13:座椅

14:前鏈輪

141:轉速偵測組件

15:後鏈輪

16:鏈條

17A:左曲柄踏板組件

17B:右曲柄踏板組件

18A:左扭矩偵測組件

18B:右扭矩偵測組件

20:資料處理組件

90:使用者

91:左腳

92:右腳

S1:準備步驟

S2:曲柄扭矩量測步驟

S3:左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟

S4:淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟

S5:最佳化曲線產生步驟

S6:非對稱鏈輪產生步驟

M:淨扭矩數據

M1:左曲柄扭矩數據

M2:右曲柄扭矩數據

P1:左曲柄高峰段

P2:右曲柄高峰段

P3:忽略段

P4:上連接曲線

P5:下連接曲線

L:最佳化曲線

Q:非對稱鏈輪

L11:第一例第一曲線

L12:第一例第二曲線

L21:第二例第一曲線

L22:第二例第二曲線

L31:第三例第一曲線

L32:第三例第二曲線

A、B、C、D、E、F:點

f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、f₄(x)、f₅(x)、f₆(x)、f₇(x)、f₈(x)、f₉(x)、f₁₀(x):曲線

第1圖係本發明之流程圖。

第2圖係本發明之健身機構與資料處理組件之對應關係之示意圖。

第3圖係本發明之複數左、右曲柄扭矩數據之對應關係之曲線化之示意圖。

第4圖係第3圖之曲柄角與扭矩之對應關係之曲線化之示意圖。

第5圖係第4圖之淨扭矩數據轉換成極座標資訊之示意圖。

第6圖係第5圖之最佳曲線化之示意圖。

第7圖係本發明之非對稱鏈輪之示意圖。

第8A係公知圓形鏈輪與本發明之非對稱鏈輪之下踏動力(W)之第一種比較應用例之曲線圖。

第8B係公知圓形鏈輪與本發明之非對稱鏈輪之下踏動力(W)之第二種比較應用例之曲線圖。

第8C係公知圓形鏈輪與本發明之非對稱鏈輪之下踏動力(W)之第三種比較應用例之曲線圖。

第9圖係本發明之曲線連接方式之示意圖。

參閱第1、第2、第3及第4圖，本發明係為一種以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，其包括下列步驟：

一、準備步驟S1：預設一健身機構(例如：室內自行車健身機構)10及一資料處理組件20。該健身機構10係包括一車體11，及設於該車體11上之一把手12、一座椅13、一前鏈輪14、一後鏈輪15、一鏈條16、一左曲柄踏板組件17A、一右曲柄踏板組件17B、一左扭矩偵測組件18A及一右扭矩偵測組件18B。該把手12及該座椅13係用以騎乘該健身機構10者；該鏈條16係繞設於該前鏈輪14及該後鏈輪15，該左曲柄踏板組件17A及該右曲柄踏板組件17B係分別同軸且固定於該前鏈輪14之左右兩側，並互呈180度，而分別供一使用者90之一左腳91及一右腳92踩踏，以傳動該前鏈輪14轉動。

二、曲柄扭矩量測步驟S2：該左扭矩偵測組件18A係固定於該左曲柄踏板組件17A，用以量測該左曲柄踏板組件17A被該左腳91踩踏後產生之複數左曲柄(也算是左踏板)扭矩數據M1，並傳送至該資料處理組件20，該複數左曲柄扭矩數據係包括該左曲柄踏板組件17A由0度至360度、每隔N度之數據(如第3 圖所示)，其中，N係為正整數，且N以不大於10為宜。該右扭矩偵測組件18B係固定於該右曲柄踏板組件17B，用以量測該右曲柄踏板組件17B被該右腳92踩踏後產生之複數右曲柄(也算是右踏板)扭矩數據M2，並傳送至該資料處理組件20，該複數右曲柄扭矩數據係包括該右曲柄踏板組件17B由0度至360度、每隔N度之數據。其中，N係為正整數，且N以不大於10為宜。

三、左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟S3：參閱第3及第4圖，該資料處理組件20將該複數左曲柄扭矩數據M1及該複數右曲柄扭矩數據M2合併為複數淨扭矩數據M，其呈曲線狀(如第4圖所示)。且，該複數左曲柄扭矩數據M1中之最大值所對應之角度，係被定義為左曲柄扭矩峰值角度。又，該複數右曲柄扭矩數據M2中之最大值所對應之角度，係被定義為右曲柄扭矩峰值角度。

四、淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟S4：參閱第5及第6圖，該資料處理組件20將前述步驟中之該複數淨扭矩數據M轉換為極座標資訊；該極座標資訊包括：

一左曲柄高峰段P1，係包括該左曲柄扭矩峰值角度前後各一角度範圍內之部份。

一右曲柄高峰段P2，係包括該右曲柄扭矩峰值角度前後各一角度範圍內之部份。

二忽略段P3，係分別介於該左曲柄高峰段P1及該右曲柄高峰段P2之間。

五、最佳化曲線產生步驟S5：參閱第6圖，將該二忽略段P3利用已知的曲線連接方式，分別於該左曲柄高峰段P1與該右曲柄高峰段P2之間，各產生一上連接曲線P4及一下連接曲線P5；進而以該左曲柄高峰段P1、該右曲柄高峰段P2、該上連接曲線P4及該下連接曲線P5連結成一最佳化曲線L。

六、非對稱鏈輪產生步驟S6：該資料處理組件20於該最佳化曲線L上產生複數齒部而形成一非對稱鏈輪Q(如第7圖所示)。

實務上，該左扭矩偵測組件18A可為公知曲軸計。

該右扭矩偵測組件18B可為公知曲軸計。

該左扭矩偵測組件18A及該右扭矩偵測組件18B可組成左右無線曲柄計系統(Crank-Meter V.1.0,Chief SI,Hsinchu，Taiwan)。

進一步，該前鏈輪14可再包括一轉速偵測組件141，係用以偵測該前鏈輪14之轉速。

關於前述之步驟「五、最佳化曲線產生步驟S5」中所提及之已知的曲線連接方式，在此詳細說明如下：參閱第9圖，其中，左方有5個點(包含點A、點B、點C及另外兩個未命名的點)，右方有另外5個點(包含點D、點E及另外三個未命名的點)。其中：點A及點E之間的曲線，被定義為f₁(x)；點A及點B之間的曲線，被定義為f₂(x)；依此類推，可定義出其他各兩點(包括未命名之點)間之曲線(分別為：f₃(x)、f₄(x)、f₅(x)、f₆(x)、f₇(x)、f₈(x)、f₉(x)及f₁₀(x))。

進一步，即可利用該商用電腦軟體(例如：Wolfram Mathematica 11.3 software，中譯為沃爾夫勒姆數學應用軟體11.3版)，將已知的兩個座標值(x,y)以及這兩點之斜率(slope)值輸入，即可透過此商用電腦軟體或同級之其他軟體計算出該曲線之方程式，亦即，曲線f₁(x)至曲線f₁₀(x)均可以上述之現有商用軟體(技術)產生。

又，上述的曲線f₁(x)及曲線f₆(x)，即分別對應本案之上連接曲線P4及下連接曲線P5。

例如，f₁(x)至f₁₀(x)之曲線分別為：

為了要簡單驗證是否可行，以f₁(x)為例，若將X=0帶入後，即可計算出y值，及f₁(x)=16.3410，相當於座標在(0,16.3410)處，即點F之標示處，驗算結果符合f₁(x)的曲線。

換言之，利用已知的曲線連接方式，即可產生本案之上連接曲線P4及下連接曲線P5。

此外，參閱第9圖，點A至點C之部分等於本案之該左曲柄高峰段P1；而點D至點E之部分等於本案之該右曲柄高峰段P2。

再者，於該最佳化曲線產生步驟S5中，該最佳化曲線L係可再予等比例放大/縮小直到獲得一整數化之齒數為止，而可使該非對稱鏈輪Q之該複數齒部中之該每一齒部，均為完整之齒部，進而完成該非對稱鏈輪Q之設計者。例如原本依該最佳化曲線L是對應到35.7齒，則可以略為等比例放大至36齒、37齒或其他齒數；或等比例縮小至35齒、34齒或其他齒數。

另外要說明的部分是，相關領域者知悉，每個人在騎乘自行車的過程中，可能都有左、右腳踩踏不對稱的現象，而對於踩踏曲柄扭矩的顯著不對稱範圍為0.5%至17%。本案針對這個部分，依該準備步驟S1、該曲柄扭矩量測步驟 S2、該左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟S3、該淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟S4、該最佳化曲線產生步驟S5及該非對稱鏈輪產生步驟S6，而讓該使用者90之該左腳91及該右腳92分別透過該左曲柄踏板組件17A與該右曲柄踏板組件17B，踩踏而傳動該前鏈輪14至少轉動一圈(0度至360度)，於踩踏過程中，透過該左扭矩偵測組件18A測得該左曲柄踏板組件17A被該左腳91踩踏後產生之複數左曲柄扭矩數據M1，並透過該右扭矩偵測組件18B測得該右曲柄踏板組件17B被該右腳92踩踏後產生之複數右曲柄扭矩數據M2，進而依序將該複數左曲柄扭矩數據M1及該複數右曲柄扭矩數據M2合併為複數淨扭矩數據M，其呈曲線狀(如第4圖所示)。再將該複數淨扭矩數據M先後轉換為極座標資訊及最佳化曲線L。接著即可由該資料處理組件20於該最佳化曲線L上，產生複數齒部而形成該非對稱鏈輪Q。

接著，以該左扭矩偵測組件18A及該右扭矩偵測組件18B，分別對該左曲柄踏板組件17A與該右曲柄踏板組件17B進行曲柄功率與曲柄角度之比較(包括公知圓形鏈輪與本案之非對稱鏈輪Q)：參閱第8A圖，其顯示的一第一例第一曲線L11(本案之非對稱鏈輪)與一第一例第二曲線L12(公知圓形鏈輪)分別具有下列兩數據：[a1]第一例第一曲線L11：左曲柄扭矩峰值之下衝程功率為211.2±20.6；右曲柄扭矩峰值之下衝程功率則為223.4±22.5(本案所須功率較低，踩踏較省力)；[a2]第一例第二曲線L12：左曲柄扭矩峰值之下衝程功率高達262.1±21.7；右曲柄扭矩峰值之下衝程功率亦高達246.2±17.8(公知圓形鏈輪所須功率較高，踩踏較費力)。

參閱第8B圖，其顯示的一第二例第一曲線L21(本案之非對稱鏈輪)與一第二例第二曲線L22(公知圓形鏈輪)分別具有下列兩數據：[b1]第二例第一曲線L21：左曲柄扭矩峰值之下衝程功率為185.9±14.9；右曲柄扭矩峰值之下衝程功率則為183.2±16.7(同樣的，本案所須功率較低，踩踏較省力)；[b2]第二例第二曲線L22：左曲柄扭矩峰值之下衝程功率高達246.1±16.8；而右曲柄扭矩峰值之下衝程功率亦高達229.0±16.5(公知圓形鏈輪所須功率仍較高，踩踏較費力)。

參閱第8C圖，其顯示的一第三例第一曲線L31(本案之非對稱鏈輪)與一第三例第二曲線L32(公知圓形鏈輪)分別具有下列兩數據：[c1]第三例第一曲線L31：左曲柄扭矩峰值之下衝程功率僅為172.0±12.9；右曲柄扭矩峰值之下衝程功率亦僅為177.6±14.3(本案所須功率仍較低，踩踏較省力)；[c2]第三例第二曲線L32：左曲柄扭矩峰值之下衝程功率仍高達207.8±11.9；右曲柄扭矩峰值之下衝程功率也高達199.0±11.9(公知圓形鏈輪所須功率仍較高，踩踏亦較費力)。

進一步，再以該轉速偵測組件141對該前鏈輪14(包括公知圓形鏈輪與本案之非對稱鏈輪Q)進行下踩動力(W)之比較(如下表一所示)：

上(表一)顯示公知之圓形鏈輪與本案之非對稱鏈輪在不同速度下踩踏時的總平均下衝程功率比較。在相同的後輪轉速下，所有使用本案之非對稱鏈輪踩踏產生的下衝程功率都低於使用公知之圓形鏈輪(這些結果與前述第8A、第8B及第8C圖之峰值功率比較曲線結果一致)。在低速下，使用非對稱鏈輪產生的下衝程功率比使用公知之圓形鏈輪踏板低10.5%(預定速度-10%)，即使在高速下，使用非對稱鏈輪產生的下衝程功率，亦比使用公知之圓形鏈輪踏板要低18.2%(預定速度+10%)。至於最小的下衝程功率結果，則是非對稱鏈輪產生的下衝程功率，比圓形鏈輪踏板要低23.3%(預定速度)。這些結果表明，使用非對稱鏈輪踩踏比公知圓形鏈輪更有效率。

本案之優點及功效可以歸納為：

[1]非對稱鏈輪具有較佳之效率。在高端之自行車選手中，任何比賽是差一點點就是輸贏的差別。特別是，當每踩踏一圈之效率差23.3%時，中距離比賽就可明顯感受到差異，而長距離比賽若相差23.3%之騎乘效率，則結果差異更明顯。故，非對稱鏈輪具有較佳之效率。

[2]可客製化非對稱鏈輪接受度高。由於每個人之左腳及右腳之踩踏力(下踏動力(W))可能不同，而本案確實量測每人之左、右腳之曲柄(踏板)扭矩，進而產生客製化之非對稱鏈輪，可使每個自行車使用者之騎乘效率發揮到最高。故，可客製化非對稱鏈輪接受度高。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

S1:準備步驟

S2:曲柄扭矩量測步驟

S3:左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟

S4:淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟

S5:最佳化曲線產生步驟

S6:非對稱鏈輪產生步驟

Claims (4)

1. 一種以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，係包括下列步驟：一、準備步驟：預設一健身機構及一資料處理組件；該健身機構係包括一車體，及設於該車體上之一把手、一座椅、一前鏈輪、一後鏈輪、一鏈條、一左曲柄踏板組件、一右曲柄踏板組件、一左扭矩偵測組件及一右扭矩偵測組件，該把手及該座椅係用以騎乘該健身機構者；該鏈條係繞設於該前鏈輪及該後鏈輪，該左曲柄踏板組件及該右曲柄踏板組件係分別同軸且固定於該前鏈輪之左右兩側，並互呈180度，而分別供一使用者之一左腳及一右腳踩踏，以傳動該前鏈輪轉動；二、曲柄扭矩量測步驟：該左扭矩偵測組件係固定於該左曲柄踏板組件，用以量測該左曲柄踏板組件被該左腳踩踏後產生之複數左曲柄扭矩數據，並傳送至該資料處理組件，該複數左曲柄扭矩數據係包括該左曲柄踏板組件由0度至360度、每隔N度之數據，其中，N係為正整數；該右扭矩偵測組件係固定於該右曲柄踏板組件，用以量測該右曲柄踏板組件被該右腳踩踏後產生之複數右曲柄扭矩數據，並傳送至該資料處理組件，該複數右曲柄扭矩數據係包括該右曲柄踏板組件由0度至360度、每隔N度之數據；其中，N係為正整數；三、左右曲柄數據合併成淨扭矩數據步驟：該資料處理組件將該複數左曲柄扭矩數據及該複數右曲柄扭矩數據合併為複數淨扭矩數據，其呈曲線狀；且，該複數左曲柄扭矩數據中之最大值所對應之角度，係被定義為左曲柄扭矩峰值角度；又，該複數右曲柄扭矩數據中之最大值所對應之角度，係被定義為右曲柄扭矩峰值角度； 四、淨扭矩數據轉換極座標資訊步驟：該資料處理組件將前述步驟中之該複數淨扭矩數據轉換為極座標資訊；該極座標資訊包括：一左曲柄高峰段，係包括該左曲柄扭矩峰值角度前後各一角度範圍內之部份；一右曲柄高峰段，係包括該右曲柄扭矩峰值角度前後各一角度範圍內之部份；及二忽略段，係分別介於該左曲柄高峰段及該右曲柄高峰段之間；五、最佳化曲線產生步驟：將該二忽略段利用已知的曲線連接方式，分別於該左曲柄高峰段與該右曲柄高峰段之間，各產生一上連接曲線及一下連接曲線；進而以該左曲柄高峰段、該右曲柄高峰段、該上連接曲線及該下連接曲線連結成一最佳化曲線；及六、非對稱鏈輪產生步驟：該資料處理組件於該最佳化曲線上產生複數齒部而形成一非對稱鏈輪。
2. 如請求項1所述之以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，其中：該左扭矩偵測組件係為曲軸計；及該右扭矩偵測組件係為曲軸計。
3. 如請求項1所述之以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，其中，該前鏈輪係包括一轉速偵測組件，該轉速偵測組件係用以偵測該前鏈輪之轉速。
4. 如請求項1所述之以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法，其中，於該最佳化曲線產生步驟中，該最佳化曲線係可再予等比例放大/縮小直到獲得一整數化之齒數為止，而可使該非對稱鏈輪之該複數齒部中之該每一齒部，均為完整之齒部。