ES2535582B1 - Dispositivo de medición del par y la potencia de pedaleo en una bicicleta - Google Patents

Dispositivo de medición del par y la potencia de pedaleo en una bicicleta Download PDF

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Abstract

Dispositivo medidor del par y la potencia ejercida por un ciclista con su pierna correspondiente al lado opuesto al de la transmisión de la bicicleta que comprende un eje hueco que une las dos bielas, en el que se colocan unos sensores de detección de deformación. Dichos sensores están conectados a una unidad de control electrónico alojada en el interior de dicho eje, a la cual también se encuentran conectados sensores que miden otras magnitudes de nuestro interés (cadencia, posición de las bielas,...). Esta unidad de control electrónico recoge las señales de los sensores, las almacena, realiza con ellas operaciones de cálculo previamente programadas y emite como resultado unas señales de salida de manera inalámbrica, mediante una antena ubicada en el exterior del eje y anclada a la superficie exterior de una biela solidaria a dicho eje, hacia un dispositivo receptor para su posterior análisis y/o almacenaje.

Description

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desmontable en el interior del miembro soporte (2); y una antena (81) de radiofrecuencia, conectada mediante cableado (80) a la unidad de control electrónico (3), que realiza la emisión inalámbrica de dichas señales de salida, ubicada en el exterior del eje (1), anclada a la superficie exterior de la biela solidaria (40, 40’) en su zona correspondiente al acoplamiento de dicha biela solidaria (40, 40’) con el eje (1).
Dicho eje (1) hueco, dispone de un eje geométrico longitudinal (X), respecto al cual se produce un movimiento de rotación del eje (1) y de manera solidaria, de todos los elementos alojados en él. En una realización preferente, dicho sensor de deformación (10) está dispuesto en la superficie exterior de dicho eje (1) que comprende al menos un orificio (12) a través del cual pasan los cables de conexión eléctrica entre dicho sensor de deformación (10) y la unidad de control electrónico (3). Asimismo, el eje (1) dispone de al menos un rebaje
(11)
realizado en su superficie exterior donde se aloja al menos un sensor de deformación (10). En una realización preferente, dicho rebaje (11) se configura de manera discontinua en al menos dos rebajes (11a, 11b) realizados en su superficie exterior, situados diametralmente opuestos donde se alojan de manera simétrica los sensores de deformación (10) anteriormente mencionados. Estos rebajes, una vez montados en ellos los sensores de deformación (10), se cubren con una película de material protector para evitar golpes y humedad, y así asegurar la fijación y la estanqueidad del conjunto. Además, el diámetro que marca la profundidad de dichos rebajes (11a, 11b) y por tanto el diámetro de alojamiento de los sensores (10), es menor que el diámetro interior de los rodamientos (50) que forman parte del conjunto del pedalier.
Además, el eje (1) tiene un engrosamiento en la sección de su superficie interior, para compensar la pérdida de sección del eje en la zona correspondiente al rebaje (11) mencionado anteriormente, de manera que la sección de dicho eje
(1)
mantiene sus propiedades mecánicas.
En una realización preferente del miembro soporte (2) éste se configura cilíndrico y en dos partes unidas de manera desmontable por su sección longitudinal, mediante el miembro de fijación primero (21). El miembro soporte
(2)
se aloja en el interior del eje (1) de manera que se fija su posición mediante
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- un giróscopo (203), que se utiliza para detectar variaciones de la posición angular de la biela solidaria (40, 40’), y por tanto la velocidad angular de la misma, lo que proporciona redundancia y precisión adicional en la medición y el cálculo.
5 Los elementos anteriormente citados comprendidos en el sensor de posicionamiento (20) angular, podemos utilizarlos para medir diversas magnitudes según la combinación que hagamos de ellos, de manera que podemos utilizar el acelerómetro (201) para medir la posición angular de la biela (40, 41) en función del tiempo, en condiciones de velocidad de la bicicleta cero,
10 por ejemplo en pruebas en rodillo o en bancada, en los cuales la bicicleta está parada y el pedalier en movimiento. Para ello hacemos un cambio de base del sistema de referencia (X1, Y1, Z1) ligado al acelerómetro (201) al sistema de referencia ligado a las bielas (X2, Y2, Z2) y realizamos así, una correlación entre la posición angular del propio acelerómetro (201) (que varía al girar el eje (1) en
15 el cual se halla alojado), y la posición angular de la biela en cada momento. De esta manera, conocemos la posición angular de la biela (40, 41) respecto a la gravedad en todo momento, bajo estas condiciones. En una realización del dispositivo, tomamos el eje X2 coincidente con el eje geométrico (X) del eje (1) en el sentido hacia el lado de la transmisión e Y2 como el vector correspondiente
20 a la biela del lado opuesto a los platos, en el sentido de su pedal correspondiente.
En otra forma de realización, podemos utilizar dicho acelerómetro (201) para medir el tiempo que tarda la biela en dar una revolución completa, y por tanto conocer la cadencia de giro de dicha biela solidaria (40, 40’), y considerar
25 que la velocidad es constante en cada vuelta, la correspondiente a dicho valor de cadencia. Para ello, una vez realizado el cambio de base de los datos del acelerómetro (201) a los ejes del sistema de referencia de las bielas (Y2, Z2), se realiza un conteo de cada ciclo completo de pedaleo, al detectar el cambio de sentido de dichos ejes en cada cuadrante de referencia hasta repetir el cuadrante
30 inicial, es decir, contamos un ciclo completo cada vez que se repite el cambio en el sentido de dichos ejes, y por tanto de las coordenadas (Y2, Z2) correspondientes a la secuencia que exponemos a continuación: (+,+), (-, +), (
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, -), (+, -), y de nuevo (+, +) reiniciándose la secuencia de un nuevo ciclo de pedaleo.
Por otra parte, dicho sensor magnético (202) triaxial se utiliza para medir la posición angular de las bielas (40, 41) en función del tiempo para cualquier 5 valor de velocidad de la bicicleta, haciendo uso de dicho sensor magnético (202) en combinación con un imán (82) ubicado en cualquier lugar cercano fijo en el cuadro de la bicicleta. De esta manera se conoce también la velocidad angular instantánea de la biela así como el tiempo que tarda dicha biela (40, 41) en dar una revolución completa. Para ello, haciendo girar las bielas con la bicicleta en
10 estático, se hace una calibración que consiste en correlacionar las posiciones angulares dadas por el anteriormente mencionado acelerómetro (201) con los distintos valores del vector campo magnético fijo en el cuadro, medidos por dicho sensor magnético (202) en las distintas posiciones angulares de la biela.
En un uso alternativo, podemos utilizar dicho sensor magnético (202), en
15 combinación con un imán (83) ubicado, en lugar de en un punto fijo del cuadro, en la llanta de la rueda trasera de la bicicleta, de manera que mida el tiempo que tarda dicha rueda en dar una revolución completa; y así conocer tanto la velocidad instantánea de la bicicleta, como la relación del desarrollo utilizado en cada momento por el ciclista, como resultado del cociente entre el número de
20 revoluciones de dicha rueda trasera y el número de revoluciones de la biela solidaria (40, 40’).
En realizaciones alternativas del dispositivo medidor del par y la potencia
(9) de la invención, otros componentes electrónicos pueden conectarse a la unidad de control electrónico (3), comprendiendo entre otros de manera no
25 limitativa: dispositivos de medición de la cadencia (interruptores de láminas, sensores Hall), circuitos integrados, microcontroladores, hardware de comunicación de radiofrecuencia, antenas, baterías, otras fuentes de energía, puntos de conexión a tierra, filtros eléctricos y conexiones con otras placas o circuitos PCB.
30 Para dar uniformidad al conjunto de elementos situados en el interior del eje (1) y protegerlos frente a vibraciones, la unidad de control electrónica (3), el
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En la etapa 5, con los datos instantáneos de Par y velocidad angular, obtenemos mediante su producto el dato de potencia instantánea.
-
En la etapa 6, se promedian los datos instantáneos obtenidos según una de las distintas realizaciones del dispositivo anteriormente mencionadas, para obtener los siguientes datos de salida:
 el dato de la potencia del último ciclo de pedaleo completado, es decir, el cociente entre el trabajo realizado en cada pedalada y el tiempo empleado en recorrer dicho ciclo;
 la cadencia;
 y el Ángulo del Baricentro del trabajo, o posición angular de la media ponderada del Vector Torque que nos da valiosa información sobre la biomecánica del pedaleo y para optimizar el uso de los platos ovales. Esto es conocer la orientación angular del trabajo realizado por una pierna del ciclista en un ciclo completo de pedaleo. Si representamos en coordenadas polares el par, o la fuerza efectiva aplicada en un pedal, en función del ángulo de giro del eje (1) a lo largo de un ciclo completo, el área encerrada por la curva correspondiente, representa el trabajo total de ese ciclo, y el valor que se busca es la posición angular del baricentro de dicha área.
- Y finalmente en la etapa 7, la unidad de control electrónico (3) transmite de manera inalámbrica estos datos de salida, mediante la antena (81) a una CPU para que el ciclista pueda visualizar, almacenar y analizar dichos datos.
FORMAS ALTERNATIVAS DE REALIZACIÓN
El dispositivo medidor de par y la potencia (9) anteriormente descrito toma medidas sólo del par ejercido por el ciclista con una de sus piernas, concretamente con la pierna izquierda correspondiente al lado opuesto al de la transmisión de la bicicleta, y multiplica generalmente por dos para estimar la potencia aplicada por las dos piernas, considerándolas por tanto iguales, siendo
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ésta una estimación suficiente para los cálculos de potencia de la mayoría de los usuarios. En esta realización preferente, el eje (1) se encuentra ensamblado con una biela solidaria (40) que corresponde a la biela del lado izquierdo u opuesto al de la transmisión y los platos de la bicicleta.
5 Para situaciones en las que necesitamos medir la potencia aplicada por ambas piernas, podemos disponer el anteriormente mencionado dispositivo medidor de par y la potencia (9) de la invención en una realización alternativa ensamblando el eje (1) junto con una biela solidaria (40’) pero en este caso la biela correspondiente al lado de la transmisión de la bicicleta (derecho). En esta
10 realización alternativa, además, dicha biela solidaria (40’) comprende al menos un sensor de medición de deformación (10’) ubicado en dicha biela solidaria (40’), que mide la deformación debida al momento flector de dicha biela (40’) en el plano de pedaleo, estando conectado a la misma unidad de control electrónico (3), de manera que mide también de manera independiente el par y la potencia
15 ejercida por el ciclista con su pierna (derecha) correspondiente al lado de la transmisión de la bicicleta. Además, la anteriormente nombrada unidad de control electrónico (3) alojada en el eje (1) comprende un módulo receptor (301’) de la señal producida por dichos sensores de deformación (10’) ubicados en dicha biela solidaria (40’).
20 Otra realización alternativa sería disponer el anteriormente mencionado dispositivo medidor de par y la potencia (9) ensamblando el eje (1) junto con una biela solidaria (40’) que corresponde a la biela del lado de la transmisión de la bicicleta (derecho) unida a su correspondiente araña (4) En esta realización, dicha araña (4) dispone de unos sensores de medición de deformación (10’’)
25 ubicados en ella y conectados a la unidad de control electrónico (3), de manera que mide el par y la potencia ejercida por el ciclista con ambas piernas a la vez, obteniendo los datos correspondientes a la pierna derecha como diferencia entre los datos totales medidos en la araña (4) y los datos de la pierna izquierda medidos por los sensores ubicados en el eje (1).
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