本發(fā)明涉及一種包括觸覺反饋發(fā)生器的曲柄組，該觸覺反饋發(fā)生器允許通過調(diào)節(jié)特定的觸覺反饋來控制運動學。這種曲柄組可以安裝到固定的踏板鍛煉裝置或電動車輛上，例如自行車或腳踏車，特別是具有封閉或半封閉車架的自行車。因此，本發(fā)明涉及陸地運輸?shù)?，并且可以用于休閑、運動或多用途車輛，例如用于運貨車輛。根據(jù)本發(fā)明的曲柄組也可以用于體育鍛煉領域的踏板鍛煉裝置中，諸如健身自行車或橢圓自行車。

背景技術：

1、腳踏車動力汽車(velomobiles)是混合動力汽車，結合了小型汽車和臥式自行車的特點。這些車輛有望取代城市地區(qū)的個人汽車。腳踏車動力汽車代表了一種比電動汽車更經(jīng)濟、更環(huán)保的替代品。

2、事實上，腳踏車動力汽車類型的自行車是小型車輛，因此相對較輕。一方面，我們可以明顯區(qū)分重量輕、體積小的腳踏車動力汽車，它們本質(zhì)上類似于配備有車身的臥式自行車；另一方面，我們可以區(qū)分重量大、體積大的腳踏車動力汽車，它們更接近小型汽車。

3、低重量和小體積的腳踏車動力汽車的重量可小于50千克，通常在30至50千克之間。這些腳踏車動力汽車可以是僅肌肉驅(qū)動的，也可以包括電動助力，尤其是上坡助力。電動輔助裝置的功率為幾百瓦，通常為200至300瓦。它們的速度相對較低，小于或接近25千米/小時。這些腳踏車動力汽車被設計成使用自行車道和線路。

4、重量和體積都很大的腳踏車動力汽車通常重達幾百千克。這些腳踏車動力汽車的推進裝置優(yōu)選地是電動的，它們的曲柄組僅用于控制加速度，并且可能用于給為腳踏車動力汽車的電動機供電的電池充電。電力推進裝置是通過一臺或多臺總功率為幾千瓦的電機來實現(xiàn)的。它們的速度相對較高，大多數(shù)車型的設計速度為80-120千米/小時。這些腳踏車動力汽車在公路上行駛，就像一輛經(jīng)典的汽車。

5、例如，文獻ep3154815描述了這樣一種車輛。

6、與電動汽車相比，這些腳踏車動力汽車重量輕，在電池重量相同的情況下，行駛里程更長。

7、速度控制可以由駕駛員使用曲柄組來完成。應用于推進電機的設定點例如是曲柄組轉(zhuǎn)速的函數(shù)，并且其被確定為使得電機通過其產(chǎn)生的電機扭矩來加速車輪的轉(zhuǎn)動。

8、曲柄組的內(nèi)部機構通常施加阻力矩，該阻力矩與用戶施加的力矩基本相反。

9、從文獻ep3408168和ep1165188中，我們了解到基于慣性建模的電動機控制方法，例如，考慮預定飛輪或普通機械自行車曲柄組的行為來建模加速度。

10、這些裝置特別不適合于控制高速行駛的車輛，例如腳踏車動力汽車，因為它們要么需要高速地踩踏板，這是令人不愉快的；要么需要大量的齒輪，這意味著復雜的傳動和使用。

11、這些裝置產(chǎn)生車輛的加速度和與用戶在踏板上施加的加速度成比例的阻力矩，并且提出了對應于已知踏板和循環(huán)動作的參考慣性模型，具有允許實現(xiàn)高速的駕駛車輛速度值的范圍。

12、通過雙時間求導來計算曲柄組上的加速度，這涉及復雜計算，會消耗計算時間，尤其是基于以高頻率和/或在大時間范圍內(nèi)測量的速率。

13、因此，控制單元的計算能力必須過大，否則用戶會注意到并感覺到踩踏板速率的變化和阻力矩的變化之間的差異。

14、現(xiàn)有的替代方案需要使用直接速度或加速度傳感器。如果我們希望這些傳感器具有與所尋求的低慣性相適應的響應時間，那么這些傳感器就會更復雜，因此也更昂貴。

15、如文獻ep3408168和ep1165188中所建議的，在使用作為加速度函數(shù)控制的阻力矩的訓練裝置(例如健身自行車或橢圓自行車)上也會觀察到相同的問題，在曲柄組上的動作和與所述動作相對應的阻力矩變化之間會感覺到相同的滯后問題。

16、因此，本發(fā)明的技術問題是，可以根據(jù)所述動作，動態(tài)和連續(xù)地調(diào)節(jié)踩踏板速率，并且特別是使高功率踩踏板可持續(xù)。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決這一技術問題，本發(fā)明提出不采用已知機械曲柄的復雜模型，而是使用基于用戶發(fā)出的功率的設定速率來產(chǎn)生阻力矩。

2、為此，本發(fā)明提出一種曲柄組，包括：

3、用于估算曲柄組的旋轉(zhuǎn)速率的裝置；

4、觸覺反饋發(fā)生器，其連接到曲柄組，并且被配置為向曲柄組傳遞阻力矩；和

5、控制單元，連接到觸覺反饋生成器和用于估算曲柄組的旋轉(zhuǎn)速率的裝置，并被配置為通過修改阻力矩將曲柄組的旋轉(zhuǎn)速率控制到設定速率。

6、這種曲柄組包括通過扭矩來調(diào)節(jié)踩踏板速率，這對應于相對接近于肌肉動力自行車或腳踏車動力汽車類型自行車的行為。

7、控制單元通過估算通過旋轉(zhuǎn)曲柄組施加到曲柄組的功率并通過減小或增大目標速率來調(diào)節(jié)目標速率，使得所述目標速率隨著施加到曲柄組的功率而增加。

8、然后，通過與設定值的簡單比較和對踩踏板功率的估算來控制踩踏板速率，而不考慮任何加速度，因此也不考慮雙時間導數(shù)。

9、可以減少用于測量曲柄組的位置或旋轉(zhuǎn)速率的計算能力和窗口，并且觸覺反饋幾乎是即時的，并且提供了更愉快的感覺，在某種意義上，這類似于在傳統(tǒng)的機械自行車上觀察到的情況。特別是，設定速率隨著提供給曲柄組的功率而增加，確保在高功率下踩踏板仍然令人愉快。

10、此外，申請人基于自己的大量研究發(fā)現(xiàn)，對于人體來說，踩踏板僅在降低的踩踏板速率范圍內(nèi)是令人愉快和自然的，大約每分鐘60轉(zhuǎn)左右的踩踏板速率，并且當用戶的踩踏板力量變大時，踩踏板速率略微增加。

11、此外，本發(fā)明提出設定速率線性依賴于功率。

12、更具體地，設定速率線性地取決于功率，斜率在0.05至0.25rpm/瓦之間，更具體地從0.08至0.15rpm/瓦，更具體地大約0.10rpm/瓦。

13、這些值可以使用戶在曲柄組水平上發(fā)出的寬功率范圍內(nèi)保持感覺舒適的速率。

14、根據(jù)特定實施例，曲柄組包括用于在原點調(diào)節(jié)速率的裝置。

15、然后，用戶可以不斷地調(diào)整觸覺反饋參數(shù)，例如，在踩踏板功率范圍內(nèi)，如果曲柄組施加的速率太低或太高。

16、根據(jù)另一實施例，控制單元被配置為在校準期間確定目標速率的參數(shù)，例如在原點處的目標速率的斜率和縱坐標。

17、然后，通過調(diào)節(jié)阻力矩的觸覺反饋可以特別適合于每個用戶，特別是通過在電子或計算機存儲器中存儲幾個配置文件，每個配置文件具有適合于用戶的設置。

18、曲柄組尤其可以以可逆電機的形式生產(chǎn)，包括發(fā)電機操作模式，其中由控制單元控制的電氣負載形成觸覺反饋發(fā)生器。

19、于是，曲柄組不需要專用于阻力矩的機械系統(tǒng)。

20、在發(fā)電機操作模式下產(chǎn)生的電流尤其可以用于給電池充電，或者給任何電氣設備供電，例如移動電話。

21、然后，在制動過程中由阻力矩消耗在曲柄組上的能量可以被回收并返回，例如用于由曲柄組控制的電動機，或者返回到設備充電器，例如電話。

22、可逆電機可包括電機操作模式，其中來自電池的電流用于在曲柄組上產(chǎn)生電機扭矩。

23、阻力矩然后可以成為驅(qū)動力，并因此為踏板產(chǎn)生驅(qū)動效果，例如模擬下坡，其中車輪將被驅(qū)動并反過來驅(qū)動踏板。

24、本發(fā)明還涉及一種包括如上所述的曲柄組的電力推進車輛，所述曲柄組用于控制車輛的電力推進。

25、然后，控制單元可以被配置為：

26、在車輛速度閾值下，計算隨著發(fā)出功率線性增加的設定速率；

27、在原點和設定速率設定點之間內(nèi)插一個設定速率，該設定速率設定點隨著在閾值處的發(fā)出功率而線性增加；

28、如果車輛速度低于閾值，則應用內(nèi)插的設定點速率，如果車輛速度高于閾值，則設定點速率隨著發(fā)出功率線性增加。

29、如果車輛還包括車輛縱向位置傳感器，則控制單元可以包括第二操作模式，在第二操作模式中，曲柄組的角度位置由車輛的縱向位置控制。

30、于是，曲柄組的特征在于，控制單元包括第二操作模式，在該第二操作模式中，曲柄組的角度位置由車輛的縱向位置控制。

31、這種操作模式通過給人一種使用固定齒輪自行車，即“fixie”(固定齒輪自行車)的感覺，特別是在低速時，使得更好地控制和感覺車輛縱向位置的變化成為可能。

32、為此，控制單元被配置為：

33、計算操作模式下的目標速率，其中控制單元將曲柄組的踏板的角度位置控制到車輛的縱向位置；

34、計算隨著發(fā)出功率的增加而線性增加的目標速率；

35、將兩個目標速率中最小的一個應用于車輛速度。

36、然后，操作會自動地、平滑地在兩種模式之間切換，對用戶來說是透明的。

37、控制單元還可以被配置為：

38、將車輛速度與兩個不同的閾值進行比較，其中一個為下閾值，另一個為上閾值；

39、如果車輛速度小于或等于下閾值，則應用第二操作模式；

40、如果車輛速度大于或等于上閾值，則應用第一操作模式；和

41、當車輛速度嚴格大于下閾值且嚴格小于上閾值時，應用第三操作模式，第三操作模式可確保速率在第一操作模式和第二操作模式之間作為車輛速度的函數(shù)的連續(xù)性。

42、然后，該第三過渡操作模式使得從一種操作模式到另一種操作模式的切換對于用戶來說是連續(xù)且舒適的。

43、在第三操作模式中，根據(jù)特定實施例，控制單元被配置為：

44、計算閾值大于當前功率時的預計目標速率；

45、通過內(nèi)插法將目標速率定義為車輛速度的函數(shù)，目標速率在一方面對應于第二模式的下閾值的速率和另一方面在第一模式的上閾值的速率之間。

46、內(nèi)插法使得以簡單的方式獲得兩種模式之間的設定速度之間的聯(lián)系成為可能。

47、控制單元可被配置為檢測反向踏板操作，并在檢測到后退時觸發(fā)制動機構。

48、因此，不需要專門的制動控制，制動是通過用戶在踏板的相反方向上致動來實現(xiàn)的。

49、最后，本發(fā)明還可以應用于配備有曲柄組的任何類型的裝置，特別是具有曲柄組的固定鍛煉裝置，例如鍛煉自行車或橢圓自行車。