TWI508893B - Intelligent variable speed control system - Google Patents

Description

智慧型變速控制系統

本發明係有關一種智慧型變速控制系統，尤指一種以踩踏或手搖頻率作為自動變速換檔依據的自行車自動控制變速技術。

隨著電子科技的不斷精進發展，使得機械機構操控電子化的趨勢已不可擋，因而連帶使得自行車變速裝置之操控機構亦搭上電子化的列車。如中華民國發明第243834號『電子式自行車變速控制裝置』之專利所示，係包括二組位於把手二側之按鍵組、二操縱變速之傳動組及一控制電路，其中按鍵組可經由控制電路驅動傳動組產生拉線動作，以執行手動變速。雖然該專利可藉由二按鍵組來取代傳統之左右變把組，以提供一種動作精確且操作省力方便的變速控制方式；惟，其並無速度或轉速狀態偵測以及智慧型運算處理等機能設置，故而僅能以手動方式來控制變速器的換檔作動，因而造成變速操作上的不便與困擾；不僅如此，在分秒必爭的環境下，傳統手動的變速機制實已無法滿足現階段的使用需求，因為智慧型自動變速變速機制的速度、機械限制及性能調校上等皆是手動變速機制所無法比擬的，因此，只有透過智慧型電子變速機制的發展，方能克服上述機械操控所致的種種限制，而朝向快速、精準、輕鬆換檔之目標發展。

為改善前述缺失，另有一種如中華民國發明第I248411號『腳踏車之自動換檔裝置』之專利所示，其係具有感測車輪速度狀態以及訊號 運算處理等之機能設置，故而可以依據自行車之速度狀態而自動控制變速器的換檔作動，該專利雖然具備智慧型自動變速的功能；惟，該專利仍有下列所述的缺失：

1.其設定有複數組不同速度的預設值以作為換檔的依據，速度感測器用以感測自行車的車輪轉速，而非為感測動力機構的踩踏或手搖轉動狀態，當車速愈快，變速器則自動進檔至高速檔位；反之，當車速愈慢，變速器則自動退檔至低速檔位，在高低檔位的換檔過程中，假設變速器所處檔位為低速檔且車速尚未達到或是接近下一個車速預設值時，使用者的踩踏速度會一直處於快速踩踏的狀態，以致會因變速時機掌握度不佳以及無法達到較佳之踩踏阻力匹配等因素，從而導致自動變速效能不佳及騎乘較為費力等情事產生。

2.其雖然具備自動與手動變速等二種選項供使用者選擇操控；惟，其並無強制手動變速之機能設置，所以在自動變速模式之下，無法立即變換為手動變速模式，當自行車進入坡道時，系統在自行車之車速變慢後才會進行降檔變速，以致進入坡道後會因為負載增加而導致變速不易，從而容易引發因重力踩踏或無法踩踏而摔倒的情事產生。

緣是，上述該習用結構確實未臻完善，仍有改善的必要性。有鑑於此，本發明創作人等乃積極投入研發，經不斷的研究、設計、實作與試驗之下，終而有本發明的研發成果產出。

本發明第一目的在於提供一種智慧型變速控制系統，主要是以踩踏或是手搖頻率作為自動換檔控制的依據，使自行車之動力輸出可 經常性地與踩踏或手搖阻力保持在較佳的匹配狀態，藉以提升變速時機的精準度，因而具有可直覺操作使用、自動變速效能較佳、騎乘省力以及動力輸出效能較佳等特點。達成本發明第一目的之技術手段，係包括轉速感測模組、控制模組及驅動機構。轉速感測模組感測自行車之動力機構的踩踏或手搖轉動狀態。控制模組內建有自動變速模式，及由高至低分佈之四個轉速預設值。於執行自動變速模式且轉速值高於第一轉速預設值時，則觸發驅動機構使變速裝置進檔；當轉速值低於第二轉速預設值且高於第三轉速預設值時，則觸發驅動機構使變速裝置退檔；當轉速值高於第四轉速預設值且低於第三轉速預設值時，則觸發驅動機構使該變速裝置退檔，俾能以踩踏或手搖頻率做為自動變速的依據，進而提升變速器的變速精確度與輸出效能。

本發明第二目的在於提供一種可於自動模式下強制***人工指令的智慧型變速控制系統，主要是可於自動變速模式之下可以立即變換為手動變速模式，於此，更能符合實際的騎乘需求，在自行車進入坡道前，讓使用者可以預先行強制降檔，使進入坡道後之踩踏或手搖力道可以維持在較輕的阻力狀態，以避免進入坡道時，因變速不及所致的踩踏費力及摔倒情事產生。達成本發明第二目的之技術手段，係包括轉速感測模組、控制模組及驅動機構。轉速感測模組感測自行車之動力機構的踩踏或手搖轉動狀態。控制模組內建有自動變速模式，及由高至低分佈之四個轉速預設值。於執行自動變速模式且轉速值高於第一轉速預設值時，則觸發驅動機構使變速裝置進檔；當轉速值低於第二轉速預設值且高於 第三轉速預設值時，則觸發驅動機構使變速裝置退檔；當轉速值高於第四轉速預設值且低於第三轉速預設值時，則觸發驅動機構使該變速裝置退檔，俾能以踩踏或手搖頻率做為自動變速的依據，進而提升變速器的變速精確度與輸出效能。其中，該控制模組電性連接一用以產生強制變速指令的強制變速鍵，於該自動變速模式且該強制變速指令產生時，該控制模組則透過該驅動機構控制該變速裝置降至低速檔位，於一段時間後，該控制模組則自動恢復為該自動變速模式。

10‧‧‧自行車

11‧‧‧變速裝置

12‧‧‧動力機構

120‧‧‧動力輸入機構

121‧‧‧動力傳遞機構

13‧‧‧車把手

20‧‧‧轉速感測模組

20a‧‧‧霍爾感測器

21‧‧‧速度感測模組

20b‧‧‧磁性元件

30‧‧‧控制模組

31‧‧‧變速按鍵組

310‧‧‧進檔鍵

311‧‧‧退檔鍵

36‧‧‧強制變速鍵

32‧‧‧訊號處理單元

33‧‧‧驅動電路

34‧‧‧電池組

35‧‧‧殼體

40‧‧‧驅動機構

41‧‧‧馬達

42‧‧‧拉線機構

50‧‧‧顯示裝置

60‧‧‧電腦

70‧‧‧通訊介面

圖1係本發明安裝於自行車的實施示意圖。

圖2係本發明電路結架構的實施示意圖。

圖3係本發明部件安裝於車把手的實施示意圖。

圖4係本發明電路功能方塊的控制示意圖。

圖5係本發明控制流程的實施示意圖。

圖6係本發明動力輸出與轉速值的對照示意圖。

圖7係本發明檔位與速比之顯示畫面示意圖。

圖8係本發明功率曲線與踩踏扭矩之對照示意圖。

圖9係本發明驅動機構之位移行程之控制示意圖。

請配合參看圖1、2所示，為達成本發明第一目的之第一具體實施例，本發明係安裝於供身障者騎乘的手搖式自行車10，或是一般的踩踏式自行車10上，用以控制自行車10之變速裝置11的換擋運作。 本發明系統的具體架構係包括有一轉速感測模組20、一控制模組30及一驅動機構40等技術特徵。轉速感測模組20用以感測踩踏及手搖頻率而產生踏踩頻率資訊，亦即用以感測該自行車10五通管曲柄轉軸被踩踏之踩踏頻率及輪子之轉速所產生之轉速訊號。控制模組30用以將轉速訊號轉換處理為相應之踏踩頻率值及轉速值而為踏踩頻率資訊及車速資訊，再依據踏踩頻率資訊，並配合比較經過實驗所預先建立之騎乘功率曲線資訊，而輸出一與踏踩頻率資訊、車速資訊及騎乘功率曲線資訊相應匹配的控制訊號。驅動機構40可受控制訊號的觸發而控制變速裝置11的換擋運作。其中，本發明具體實施例中，其轉速感測模組20係感測自行車10之手搖式或踩踏式動力機構12的踩踏或手搖轉動狀態而產生上述轉速訊號。該控制模組30內建有一自動變速模式及至少一轉速預設值，於執行自動變速模式且轉速值高於轉速預設值時，則觸發驅動機構40使變速裝置11往高速檔位進檔。當轉速值低於轉速預設值時，則觸發驅動機構40使變速裝置11往低速檔位退檔。此外，如圖1所示，以踩踏式動力機構12為例，係包括一動力輸入機構120(如曲柄組、一對踏桿組及踏板組之連結而與自行車10的組合機構)及一動力傳遞機構121(大齒盤組、飛輪組及一套連於大齒盤組與飛輪組的鍊條)，由於上述動力機構12已為非常習知的技術，故不對動力機構12之連結關係與運作方式做詳細的贅述。

本發明於一種較為具體的實施例中，請配合參看圖5、6所示，上述轉速預設值由高至低分佈包括一第一轉速預設值P2、一第二轉速預設值P1、一第三轉速預設值P02及一第四轉速預設值P01。於一段 時間內，當轉速值高於第一轉速預設值P2時，則觸發驅動機構40使變速裝置11進檔；當轉速值低於第二轉速預設值P1且高於第三轉速預設值P02時，則觸發驅動機構40使變速裝置11退檔；當轉速值高於第四轉速預設值P01且低於第三轉速預設值P02時，則觸發驅動機構40使變速裝置11退檔。再者，本發明更包括一自動變速模式調變模組，藉由自動變速模式調變模組使得前述的轉速預設值可依不同變速、不同車種及不同路況之需求進行調整，而且前變速的檔位及行程，以及後變速檔位及行程，也都可以被調整以符合不同變速及車種的需求，其自動變速模式調變模組的調整方式，可藉由手持電子裝置(如行動電話、筆記電腦、平板電腦或個人行動助理器)，或電腦，透過通訊介面與主控制顯示面板做雙向溝通，使得控制模組30可讀取及寫入設定該自動變速模式之前變速及後變速的檔位及行程等參數。該控制模組30可直接下載包括有自動變速模式的應用軟體(APP)，依據應用軟體執行自動變速模式。此外，本發明更包含一用以感測自行車10之速度狀態而產生速度訊號的速度感測模組22，控制模組30將速度訊號轉換處理為一速度值，以作為修正微調控制訊號的依據。又，當轉速值為零時，控制模組30則使變速裝置11維持原本的檔位。

另一方面，本發明控制模組30除了內建有自動變速模式之外，並內建有半自動變速模式及手動變速模式。如圖2~5所示之控制模組30包含一安裝於自行車10之車把手13上之變速按鍵組31。並於自行車10之車把手13上設置一顯示裝置50。變速按鍵組31的數量為二組，其一變速按鍵組31設於車把手13左側，以控制變速裝置11之前變 速器11a的換檔運作；其二變速按鍵組31設於車把手13右側，以控制變速裝置11之後變速器11b的換檔運作，且每一變速按鍵組31包含一進檔鍵310及一退檔鍵311。如圖7所示，於執行半自動變速模式時，控制模組30則將變速裝置11之段數檔位依大小排列顯示於顯示裝置50，且於各段數檔位之一側顯示有對應的速比資訊；此外，本發明更包含至少一組用以感測變速裝置11之檔位的位置感測器(圖式未示)，以將位置訊號傳輸至控制模組30，進行解讀、後續處理及顯示之作動。

再者，於手動變速模式時，控制模組30則將目前變速裝置11之段數檔位顯示於顯示裝置50，使用者可透過變速按鍵組31之進檔鍵310與退檔鍵311來進行手動之進檔或退檔的操控。其次，於執行自動變速模式的任何時段中，按壓變速按鍵組31的動作，皆可中斷自動變速模式，而以手動方式進行進檔或退檔之動作；當欲回復到自動變速模式時，僅需踩踏動力機構12，使轉速值連續大於第一轉速預設值P2，且經過N(至少1次)次後，則可回復為自動變速模式。

具體而言，如圖1、4所示，控制模組30的具體架構更包含一訊號處理單元32(如微處理器或微控制器)、一驅動電路33、一供應控制模組30所需電源的電池組34，及一容裝訊號處理單元32、驅動電路33、電池組34及顯示裝置50的殼體35，且殼體35係安裝於車架10上。訊號處理單元32用以將轉速訊號轉換處理為轉速值，並輸出控制訊號。驅動電路33可受控制訊號的觸發而控制驅動機構40的動作。如圖2所示，本發明轉速感測模組20為二組設置位置具有90度相位差的霍爾感測器20a，以達到二位元數位編碼及感測轉動方向之目的。進一步而言，轉 速感測模組20更包含一設於可隨動力機構12轉動的位置(如曲柄頂部朝向車五通管之外緣的位置)上的磁性元件20b，二組霍爾感測器20a則以相位差90度的方式設於可供磁性元件20b對應環繞感應的位置(如車架五通管外緣的位置)。此外，如圖4所示，本發明驅動機構40的數量為二組，每一驅動機構40包含一馬達41及一與馬達41連動的拉線機構42，拉線機構42可供變速裝置11之至少一鋼索110套繞連結，當馬達41帶動拉線機構42旋轉時，則可驅使鋼索110做預定行程的往復位移，藉以控制變速裝置11的換檔運作。此外，當本發明採用一般馬達41時，則可增設一組用來降低馬達41輸出轉速的減速機構；當採用步進馬達41時，則無須設置上述的減速機構。

請配合參看圖1及圖3~5所示，為達成本發明第二目之第二具體實施例，本發明係安裝於供身障者騎乘的手搖式自行車10，或是一般踩踏式自行車10上，用以控制自行車10之前、後變速裝置11的換擋運作。本發明具體架構係包括一轉速感測模組20、一控制模組30及一驅動機構40等技術特徵。轉速感測模組20用以感測該自行車10之轉速狀態而產生轉速訊號。控制模組30用以將轉速訊號轉換處理為相應之轉速值，並輸出一與轉速值相應的控制訊號。驅動機構40可受控制訊號的觸發而控制變速裝置11的換擋運作。其中，本發明主要部分在於：上述轉速感測模組20係用以感測自行車10之手搖式或踩踏式動力機構12的踩踏或手搖轉動狀態而產生上述轉速訊號；該控制模組30內建有一自動變速模式及至少一轉速預設值，於執行該自動變速模式且該轉速值高於該轉速預設值時，則觸發驅動機構40，使變速裝置11往高速檔位進檔； 當轉速值低於轉速預設值時，則觸發驅動機構40使變速裝置11往低速檔位退檔。此外，控制模組30電性連接一用以產生強制變速指令的強制變速鍵36，於自動變速模式且強制變速指令產生時，控制模組30則透過該驅動機構40控制該變速裝置11降至低速檔位，於一段時間後，控制模組30則自動恢復為自動變速模式。

請配合參看圖2、3所示，本發明於運作實施之前，如圖2所示，控制模組30可以透過一種USB或RS232等通訊介面70與一電腦60做訊號連結，使用者便可透過電腦60來設定控制模組30之調變參數、檔位編排顯示、檔位數量、驅動機構40之行程以及檢查校正等進行相關之設定步驟；進一步而言，上述電腦60可以是一般的個人電腦、筆記型電腦或是智慧型手持裝置(如平板電腦或智慧型手機)，當使用者欲操作設定步驟時，可於電腦或是智慧型手持裝置下載應用程式(APP)，並由該應用程式來執行調變參數、檔位編排顯示、檔位數量、驅動機構40之行程以及檢查校正等設定步驟。接著，本發明控制模組30內建有手動變速、半自動變速及自動變速等三種模式。當使用者選擇手動變速模式時，則可手動操作位於車把手13左側之變速按鍵組31，以控制變速裝置11之前變速器11a的換檔運作，當使用者按下進檔鍵310時，則可使前變速器11a做進檔的變速；當使用者按下退檔鍵311時，則可使前變速裝置11做退檔的變速。其二變速按鍵組31係設於車把手13右側，以控制變速裝置11之後變速器11b的換檔運作。另，如圖7所示，於執行半自動變速模式時，控制模組30則將變速裝置11之段數檔位依大小排列顯示於顯示裝置50，且於各段數檔位之一側顯示有對應 的速比資訊，至於操作換檔方式則與手動變速模式相同。

再者，如圖5、6所示，於自動變速模式時，當使用者手搖或踩踏動力機構12的轉速高於預設之第一轉速預設值P2時，控制模組30則觸發驅動機構40使前或後變速裝置11進檔。當使用者手搖或踩踏動力機構12的轉速低於第二轉速預設值P1且高於第三轉速預設值P02時，控制模組30則觸發驅動機構40使前或後變速裝置11退檔。當使用者手搖或踩踏動力機構12的轉速高於第四轉速預設值P01且低於第三轉速預設值P02時，控制模組30則觸發驅動機構40使前或後變速裝置11退檔。此外，當轉速值為零時，控制模組30則使變速裝置11維持原本的檔位。

具體而言，請參看圖8所示，為本發明騎乘功率曲線與踩踏扭矩之對照示意，騎乘功率曲線之公式如下式所示：，其中N為轉速值，To為扭力值。縱軸為扭矩與踩踏動力，橫軸為踩踏速度，騎乘功率曲線為具上半周之波形，扭矩曲線為自縱軸逐漸延伸至與橫軸上功率曲線相接。由圖8得知，最佳阻力匹配區域為功率曲線頂部所圈選的範圍，此外，於功率曲線內有二條縱向並置的虛線。超出右側虛線的區域代表踩踏速度過快而需進檔，以期使踩踏之扭矩增加，進而降低踩踏頻率；至於超出左側虛線的區域代表踩踏速度過慢而需退檔，以期使踩踏之扭矩降低，進而增加踩踏頻率。請參看圖9所示，為本發明驅動機構40之位移行程之對照關係示意，其中S1~S10為變速機構12之鋼索120的位移量，該位移量與轉速值有線性對比的關係。

藉由上述之具體實施例說明，本發明確實具有下列的特點：1.本發明可藉由踩踏或是手搖頻率作為自動換檔控制的依據，使自行車之動力輸出可經常性地與踩踏或手搖阻力保持在較佳的匹配狀態，藉以提升變速時機的掌握精準度，因而具有可直覺操作使用、自動變速效能較佳、騎乘省力以及動力輸出效能佳等特點。2.本發明確實可於自動模式下強制***人工指令，而可於自動變速模式之下立即變換為強制手動變速模式，於此，更能符合實際的騎乘需求，在自行車進入坡道前，讓使用者可以預先行強制降檔，使進入坡道後之踩踏或手搖力道可以維持在較輕的阻力狀態，以避免進入坡道時，因變速不及所致的踩踏費力及摔倒情事產生。

以上所述，僅為本發明之可行實施例，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。線上的訊號檢測效能。

10‧‧‧自行車

11‧‧‧變速裝置

11a‧‧‧前變速器

11b‧‧‧後變速器

12‧‧‧動力機構

120‧‧‧動力輸入機構

121‧‧‧動力傳遞機構

13‧‧‧車把手

30‧‧‧控制模組

31‧‧‧變速按鍵組

35‧‧‧殼體

40‧‧‧驅動機構

50‧‧‧顯示裝置

Claims (10)

1. 一種智慧型變速控制系統，其係安裝於一自行車上，用以控制該自行車之至少一變速裝置的換擋運作，其包括一轉速感測模組、一控制模組及一驅動機構；該轉速感測模組用以感測該自行車之轉速狀態而產生轉速訊號；該控制模組用以將該轉速訊號轉換處理為相應之轉速值，並輸出一與該轉速值相應的控制訊號；該驅動機構可受該控制訊號的觸發而控制該變速裝置的換擋運作；其特徵在於：該轉速感測模組用以感測該自行車之一動力機構的踩踏或手搖轉動狀態而產生該轉速訊號；該控制模組內建有一自動變速模式，及由高至低分佈之一第一轉速預設值、一第二轉速預設值、一第三轉速預設值及一第四轉速預設值，於執行該自動變速模式且該轉速值高於該第一轉速預設值時，則觸發該驅動機構使該變速裝置進檔；當該轉速值低於該第二轉速預設值且高於該第三轉速預設值時，則觸發該驅動機構使該變速裝置退檔；當該轉速值高於該第四轉速預設值且低於該第三轉速預設值時，則觸發該驅動機構使該變速裝置退檔。
2. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，該轉速感測模組用以感測踩踏頻率及車速而產生踏踩頻率資訊及車速資訊，該控制模組依據該踏踩頻率資訊及該車速資訊，並配合預先建立之騎乘功率曲線資訊，而輸出一與踏踩頻率資訊、車速資訊及騎乘功率曲線資訊相應匹配的控制訊號。
3. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，其更包含一用以感測該自行車之速度狀態而產生速度訊號的速度感測模組，該控制模組將該速度訊號轉換處理為一速度值，以作為修正該控制訊號的依據。
4. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，其中，當該轉速值為零時，該控制模組則使該變速裝置維持原本的檔位。
5. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，其中，該控制模組電性連接一用以產生強制變速指令的強制變速鍵，於該自動變速模式且該強制變速指令產生時，該控制模組則透過該驅動機構控制該變速裝置降至低速檔位，於一段時間後，該控制模組則自動恢復為該自動變速模式。
6. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，其中，該控制模組內建有一半自動變速模式及一手動變速模式，該控制模組包含至少一安裝於該自行車之一車把手上之變速按鍵組，該自行車之一車把手安裝有一顯示裝置，於該半自動變速模式時，該控制模組則將該變速裝置之段數檔位依大小排列顯示於該顯示裝置，該變速按鍵組可供一使用者進行手動之進檔或退檔的操控；於該手動變速模式時，該控制模組則將目前該變速裝置之段數檔位顯示於該顯示裝置，該變速按鍵組可供該使用者進行手動之進檔或退檔的操控。
7. 如請求項6所述之智慧型變速控制系統，其中，該變速按鍵組的數量為二組，其一該變速按鍵組設於該車把手左側，以控制該變速器的前變速器的換檔運作；其二該變速按鍵組設於該車把手左側，以控制該變速器的後變速器的換檔運作，每一該變速按鍵組包含一進檔鍵及一退檔鍵。
8. 如請求項7所述之智慧型變速控制系統，其中，該控制模組更包含一訊號處理單元、一驅動電路、一供應該控制模組所需電源的電池組及一容裝該訊號處理單元、該驅動電路、該電池組及該顯示裝置的殼體， 該訊號處理單元用以將該轉速訊號轉換處理為該轉速值，並輸出該控制訊號，該驅動電路可受該控制訊號的觸發而控制該驅動機構的動作。
9. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，其中，該自行車之該動力機構係選自的踩踏式動力機構以及手搖式動力機構的其中一種。
10. 如請求項1所述之智慧型變速控制系統，其中，該轉速模組為二組霍爾感測器，該二霍爾感測器之設置位置相互具有90度的相位差；該驅動機構的數量為二組，每一該驅動機構包含一馬達及一與該馬達連動的拉線機構，該拉線機構可供該變速裝置之至少一鋼索套繞連結，當該馬達帶動該拉線機構旋轉時，則可驅使該鋼索做預定行程的往復位移，藉以控制該變速裝置的換檔運作。