专利名称：用于进行有氧运动的电动助力自行车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动助力自行车，其能够在电动力辅助下，使用踏板力进行运转，更为具体地，涉及一种电动助力自行车，其能够使得骑行者进行特定的运动，尤其是有氧运动。
现有技术近年来，通过轻量运动来改进健康状况和热量消耗很受推崇。特别地，通过使用器材而适合于每一个人的理想训练运动为骑自行车。即使在平坦的平面上，骑自行车也能够提供有氧运动，从而可以使用较少的力量燃烧脂肪。此处，有氧运动指的是通过采用使用较少的力量持续20分钟以上，从而将氧气分配到身体各个部分以燃烧脂肪的运动，这与健身运动不同。在配备了调档系统的自行车中，自行车在平坦表面上也可以进行高速调档，从而提高前进速度，因此，可以增加风和/或者滚动阻力，以根据骑行者的要求，提供较重的负载或者合适的条件。
然而，当在包括许多上坡和下坡在内的典型路面上骑自行车时，上坡路不可避免地会引起登踏板增多(简而言之，需要更多的力)，并且此运动引起了肌肉锻炼，从而锻炼了大腿和小腿处的肌肉。另一方面，当下降的时候，与踏板力动作相反的负载会下降到零，导致没有热量消耗。
为了解决此问题，使用了多种自行车类型的室内健身器材以根据计划提供稳定的训练，但是由于其是在室内安装，此类健身器材也有问题，即运动可用的空间有限，从而极大降低了运动的乐趣。还有一个问题，即室内安装会占用很多空间。
为此，根据在日本专利公开出版物No.Hei 10-203467中所公布的技术，推荐了电动助力自行车，其另外添加了电动力，用于辅助踏板力，其特征在于，可以得到充分的训练，而不会受到运动环境的影响。根据本技术的电动助力自行车的一个方面，电动助力自行车包括一个人工驱动系统和一个包括用于辅助踏板力的电动马达的电动驱动系统，两个系统平行排列；并且还包括一个负载部分，用于将转动阻力施加到车轮；和一个控制部分，用于根据骑行者的实际人工功率(所检测的踏板力×曲柄转速)和预先设定的默认功率之间的差值，由负载部分对电动马达的输出和所施加的负载进行控制。根据本技术，由于在上坡或者较高速度时，人的功率较大，所以控制部分可以对电动马达进行控制，从而将人的功率控制在默认功率强度，并且防止将过高的负载施加到人体。相反地，当人力驱动系统的输入轴转速不高于预定值，并且踏板力也不高于预定值时，控制部分认为自行车在进行下坡运动，并且对负载部分的输出值进行控制，以将自行车速度调整到零。当自行车进行下坡运动时，在现有技术中，自行车自己进行驱动，而无需踏板力，但是与此相对，在根据该现有技术的电动助力自行车中，需要施加与负载部分的负载相反的踏板力，从而根据功率，允许进行一定数量的热量消耗。
因此，对于长时间甚至在包括很多上坡和下坡的典型地面上进行轻微和长期运动，和通过有氧运动方便地进行减肥和提高新陈代谢功能而言，上述需要说明的是，上述地出版物还公布了一个实例，在该实例中，至少将一个制动系统用作负载部分。
然而，在上述出版物中所公布的现有技术中，将包含电动马达的电动助力装置放置在曲轴的附近，将负载装置放置在后轮附近，该负载装置用作向后轮施加力作用的液压盘制动系统。使用此配置，除了电动助力装置，将大型的液压盘制动系统分开布置，电动助力自行车的整个机构非常复杂，并且增加了自行车的重量。更为不利的是，需要制作用于安装复杂机构的专用框架，这会由于不能使用普通的框架制作工艺而导致增加成本。
更进一步，上述的出版物包括多种运动程序控制模式实例的描述，并且要求骑行者提前选择控制模式。由于此原因，各骑行者难以在骑行时根据体力和/或者健康状况的变化而进行调整，并且难以在更换骑行者时改变物理状态。
还有，由于该配置采用由刹车将负载施加到后轮，所以在后轮没有与地面接触的运转时(即，当自行车速度为零时)，不允许骑行者执行运动程序。例如，当等待交通灯改变时，必须暂时取消运动，而上述的出版物没有公布任何针对性的解决方法。
根据上述的事实，得出了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种电动助力自行车，其具有简单的机构，能够解决上述现有技术中的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种电动助力自行车，其能够通过电动力辅助的踏板力进行运转，所述的自行车包括用于检测踏板力的踏板力检测装置，还包括辅助电动装置，其能够至少根据所述的踏板力检测装置所检测的踏板力选择电动力或者负载力中的一种，并且将所选择的力施加到踏板力，从而将踏板力控制在可以进行正常有氧运动的强度。
本发明的电动助力自行车在正常的助力模式下，根据由踏板力检测装置所检测的踏板力，使用从辅助电动装置输出的电动力，来对踏板力进行助力，以运转自行车。
根据本发明的一个特征，在能够进行有氧运动的有氧运动模式中，辅助电动装置能够至少基于所述的踏板力检测装置所检测的踏板力，选择电动力或者负载力，并且将所述选择的力施加到踏板力，从而将踏板力的强度控制在能够进行有氧运动的强度范围。例如，在骑行上坡路时，由于能够使得所检测的踏板力比进行有氧锻炼的所述踏板力强度高，则辅助电动装置对电动力输出进行控制，从而踏板力能够落在制定的踏板力强度范围之内。由于此原因，能够实现热量消耗，同时防止由于骑行上坡路所生成的负载所导致的肌肉运动。更进一步，在骑行下坡路时，由于所检测的踏板强度比所述的进行有氧运动的踏板力强度低，则所述的辅助电动装置控制所述的负载力增大，直到所检测的踏板力达到踏板力强度，则辅助电动装置控制负载力进行增加，直到所检测的踏板强度达到指定的踏板强度标准。这可以使得骑行者使用踏板力来克服相反方向的负载力，从而进行热量消耗。需要说明的是，踏板强度标准可以扩展到一定的范围。
因此，在本发明中，能够输出辅助电动力的辅助电动装置，其本身不仅能够输出电动力，而且可以输出负载力。在优选实施例中，将辅助电动装置配置为单一装置。因此，和将与电动装置分离的大型制动系统做为负载系统的现有技术相比，本发明能够简化整个电动助力自行车的机构，并且降低其重量。更进一步，本发明使得制作特定车底架的需求最小，并且可以使用现有的底架制作工艺。
在本发明的另外一个优选实施例中，电动助力自行车还包括用于检测骑行者心率的心率检测装置，其中，所述的辅助电动装置根据由所述的心率检测装置检测到的至少一种心率，设定所述的踏板力强度。例如，如果心率为高，则将降低设定的踏板强度标准，但是如果相反，如果心率为低，则将提高设定的踏板强度标准。从而可以在各个骑行者在骑行时，根据体力和/或者健康状况的变化而进行调整，并且在更换骑行者时，可以改变物理状态，从而使得可可以进行充足的有氧运动。
在实现从辅助电动装置输出负载力的实施例中，电动助力自行车还包括合力装置，用于将由所述的辅助电动装置所选择输出的电动力或者负载力与踏板力进行合成，其中，所述的辅助电动装置包括马达；并且在电动马达和合力装置之间提供电磁离合器。此时，将负载力提供为所述电动马达的转动阻力，在所述的电动马达没有供电时，由所述的电磁离合器通过将所述的电动马达与所述的合力装置连接起来，而生成该负载力。因此，由于将提供辅助力和负载力的装置集成为一个装置，能够极大地实现车体的简化。需要说明的是，在正常的运转操作中，即，当不在助力模式也不在有氧运动模式时，可以松开电磁离合器，以避免施加马达负载。
优选地，辅助电动装置包括减速装置，将该减速装置放置在所述的电动马达的输出轴和所述的合力装置之间，以降低所述电动马达的转速。更为优选地，减速装置具有用于改变减速比的系统。在此情况下，辅助电动装置通过改变所述的减速装置的减速比，而对所述的负载力进行调整。如果提供了使用电能为所述的电动马达供电的电池，则可以对所述电池的电路进行设计，以在电池没有对马达供电的情况下，当马达由与负载力相反的踏板力进行旋转时，使得电池由电动马达中产生的电动力进行充电。以此方式，负载力会较大，而与此同时，可以忽略充电的效果，从而便于使用电动助力自行车。
可选地，在将电动马达的转动阻力作为负载力的实施例中，电动助力自行车还包括离合器机构，其能够实现踏板的反向旋转或者实现踏板力向车轮传输的开-合转换，从而即使在后轮没有与地面接触的运转时(即，自行车速度为零)，也允许骑行者进行有氧运动。
在装备了能够通过旋转而将踏板力传送到主动轮的主动链轮的电动助力自行车中，合力装置的优选实施例包括能够与所述的主动链轮进行同轴旋转的从动链轮，由所述的辅助电动装置进行旋转的电动链轮，在所述的从动链轮和所述的电动链轮之间延展的辅助链。
根据本实施例，当辅助电动装置输出电动力时，由所述的电动力旋转电动链轮。通过与所述的电动链轮连接的辅助链，将电动链轮的转动力矩传输到从动链轮。以此方式旋转的从动链轮与主动链轮进行同轴旋转，从而可以将电动力立即传输到主动链轮。主动链轮将最终由踏板力和电动力合成的合力传送到驱动轮。
相反地，当电动马达没有供电时，将施加到主动链轮的踏板力通过从动链轮和电动链轮以旋转电动马达，从而提供与踏板力相反的负载。在使用双链系统的配置作用下，可以显著提高用于安装辅助电动装置的自由度。例如，可以将电动链轮放置在沿着从动链轮的圆周方向的任何预定位置(同样适用于主动链轮)。更进一步，如果改变了辅助链的长度，可以按照预定的值对从动链轮(同样适用于主动链轮)到电动链轮的距离进行改变。
在一个实施例中，对于辅助电动装置，可以将踏板力强度设定为几乎不变的踏板力值。当然，可以将踏板模式进行设定，从而只要其在进行有氧运动所允许的范围之内，就可以按照预定目标以时间的函数进行变化。例如，在可选的优选实施例中，电动助力自行车还包括转速检测装置，用于检测驱动轴的转速，其中，根据所检测的踏板力的产品所限定的功率和由所检测的驱动轴的转速，由辅助电动装置对所述的踏板力强度进行调整。在下一个实施例中，由于不仅基于踏板力，而且基于能够更为准确地反映热量消耗数量的实际功率来进行体调整，所以可以使用更为合适的方式进行有氧运动。
更为优选地，电动助力自行车还包括用于对预定时间间隔进行测量的装置，其中，如果与由测量时间的装置所测量的时间有关的所述功率的整数值已经达到预定的时间，则辅助电动装置停止能够进行有氧运动的操作模式，并且转换到正常的辅助操作模式。以此方式，可以适当地产生预定量的有氧运动。
根据本发明的可选优选实施例，电动助力自行车还包括一个单向离合器装置，用于可操作地将驱动轴与主动链轮连接起来，从而将驱动轴的转动充分地单向传送到主动链轮，其中，优选的踏板力检测装置对物理量进行检测，该物理量根据由踏板力所造成的单向离合器的变形不同而变化。
在本实施例中，由于根据由踏板力所造成的单向离合器装置的变形而变化的物理量来对辅助力进行控制，所以该单向离合器装置对自行车是必需的，可以忽略掉其它用于检测转矩的单独部件，诸如大盘簧、圆盘等。这些部件用于现有技术中的电动助力自行车，而没有用于普通的自行车。因此，即使在踏板力检测装置中，也可以将机架的改进压缩到最小程度，从而本发明和各个实施例的所述效果一起，能够便于对本发明整个电动助力自行车进行简化。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种电动助力自行车，能够由电动力辅助的踏板力进行驱动，所述的助力自行车包括用于检测踏板力的踏板力检测装置；用于检测骑行者心率的心率检测装置；踏板力设定装置，用于根据由所述的心率检测装置所检测的至少一种心率，对能够进行有氧运动的踏板力强度进行设定；以及辅助电动装置，能够将电动力添加到踏板力，从而由所述的踏板力检测装置所检测的踏板力可以降低到由所述的踏板力设定装置所设定的所述踏板力强度范围内。
通过参考附图，对下面描述的本发明优选实施例的说明进行阅读，可以更为清楚地理解本发明地其它目的和优点。
图1显示的是根据本发明的电动助力自行车的示意图；图2显示的是根据本发明的电动助力自行车的控制系统和检测系统示意图；图3显示的是根据本发明的电动助力自行车的主控制流程图；图4显示的在有氧运动操作模式下的操作过程中的控制流程图；图5显示的是根据可选实施例，用于设定踏板力强度的流程图；图6显示的是从主链轮的背面所看到的放大的正视图，用于说明根据本发明的一个实施例的电动助力自行车的双链系统的合力装置；图7显示的是本发明电动助力自行车的合力装置图，其中(a)为从主链路的前面所观察到的放大的正视图，而(b)为其横截面图；图8显示的是从主链轮的背面所看到的放大的正视图，用于说明根据本发明的另外一个实施例的电动助力自行车的双链系统的合力装置；图9显示的是NS极化环形磁铁的顶部平面视图和侧视图，该NS极化环形磁铁用作转速传感器的一部分，嵌入到本发明的电动助力自行车中；图10显示的是转速传感器的正视图，通过将图9中的NS极化环形磁铁安装到齿轮的表面而形成该转速传感器，以及沿着所述转速传感器的法线方向的侧视图；图11显示的是图10的转速传感器的透视图；图12显示的是由靠近NS极化环形磁铁的霍尔IC所检测的磁场信号的时域波形变化(temporal variation)；图13显示的是驱动轴周围的截面图，该驱动轴包括单向离合器，而单向离合器包括本发明的电动助力自行车的踏板力检测机构；图14显示的是图13中的单向离合器的分解透视图；图15显示的是单向离合器(棘齿齿轮)的轮齿和棘爪的使用状态，用于说明对本发明电动助力自行车的踏板力进行检测的原理；图16显示的是抗旋转装置的实例图，用于抑制棘爪相对于驱动轴的相对旋转，其中(a)为滚珠花键通常配置的顶部平面视图，(b)为花键的顶部平面视图，(c)为键槽的顶部平面视图；以及图17显示的是特定的控制程序及其在图4的流程中所显示的路面上进行运转的结果，其中(a)与没有考虑心率的控制有关，而(b)与考虑了心率的控制有关。
具体实施例方式
下面参考附图，对本发明优选实施例进行描述。
图1显示的是根据本发明第一个实施例的电动助力自行车的通常配置。如图1所示，与普通自行车类似，本电动助力自行车1的主车架结构包括由金属管制成的车底架3，以已知方式安装在所述车底架3上的前轮20，后轮22，把手16，鞍座18等等。
更进一步，将驱动轴4可转动地安装在车底架3的下中部，通过曲柄6L、6R而使用踏板8L、8R将驱动轴4进行固定。使用单向离合器(参见图7(b)，99，将在后面进行描述)将驱动轴4与主链轮2进行同轴固定，以仅在与车体的前进驱动方向对应的R方向对转动进行传送。将无接头链12安装在本主动链轮2和后轮电动装置10之间，而将该后轮电动装置10安放在后轮22的中央位置。
本实施例的电动助力自行车1能够在三种模式之一下进行运行第一为有氧运动模式，该模式能够使得骑行者在运行过程主进行有氧运动；第二为电动助力模式，该模式用于由踏板力在电动力的辅助下进行运行，根据自行车运行速度和踏板力所确定的最小的辅助比(辅助电动力/踏板力)，确定电动力的大小；第三，正常操作模式，表示在无电动力或者负载力时的普通自行车运行模式。
下面参考图2，对在根据本发明的电动助力自行车1中，进行有氧运动模式和电动助力模式的主要部分进行描述。由一个16位单芯片微型计算机14对该主要部分进行控制。在单芯片微型计算机14中，一条数据或者命令包括16位。根据存储在非挥发性存储器(未显示)中的预定程序，该微型计算机14执行程序。单芯片微型计算机14还包括时钟功能，并且能够在预定过程中，使用时钟数来对时间间隔进行测量。
16位单芯片微型计算机14的控制系统包括PWM控制电动马达37和放大电路15，该放大电路15将从单芯片微型计算机14输出的控制信号的电功率进行放大，然后将其输出到所述的电动马达37。需要指出，将电池17连接到放大电路15，从而将电功率供应到电动马达37。单芯片微型计算机14执行数学运算，以根据将在下面进行描述的预定算法来确定辅助力，然后输出经过调制的脉冲信号，使得脉冲宽度对应于所述的辅助力，以使得电动马达37根据所述的辅助力而输出转矩。需要指出，放大电路15不仅具有用于脉冲信号的电功率放大功能，而且具有用于脉冲信号的缓冲器功能。
将电动马达37的输出轴37a连接到减速装置35，以使用变化的减速比，降低电动马达的转速，更进一步，将减速装置35的输出轴35a连接到电动链轮33，从而将输出的电动力与踏板力进行合成。将在后面对合力装置的细节进行描述。
例如，可以将行星齿轮机构作为减速装置35，该行星齿轮机构包括中心齿轮、行星齿轮、环形齿轮、离合器等等。在本配置的实例中，可以通过由单芯片微型计算机14的控制信号对多个离合器的啮合和脱离进行电磁控制，而对减速装置35的减速比进行控制。更进一步，在从电动马达37的输出轴37a到减速装置35的输出轴35a进行转矩传输时，减速装置35设置有电磁离合器250。该电磁离合器250根据单芯片微型计算机14的控制信号，移动到啮合位置或者脱离位置，从而闭合或者打开到电动链轮33的转矩的传输。
另一方面，如果在没有对电动马达35供电时，电磁离合器250移动到啮合状态，则电动马达35由电动链轮33的转矩或者踏板力进行旋转，其中，在电动马达35中所产生的反作用转矩的作用是与踏板力相反的负载力。同时，在电动马达35中生成电动力。使用放大电路15，从而使得马达的该电动力可以用于为电池17充电。应当认识到，可以使用与马达的旋转方向极性反转的方法对电池进行充电，从而无论马达的旋转方向如何，为电池供电的电压极性总是相同。
如图2所示的检测系统的主要部分包括转速传感器220，用于检测反映自行车速度的元件的转速进行检测，例如驱动轴4；至少两个应变仪126，用于输出代表踏板力的信号；数学运算部分252，用于将从所述应变仪输出的信号求平均值(或者求和并且输出)，并且进行输出；心率检测传感器254，用于检测骑行者的心率；以及模式转换开关256，用于从所述的三种操作模式之间进行转换。将转速信号、应变仪信号、心率信号和操作模式信号的输出信号输入到单芯片微型计算机14，并且存储在存储器(未显示)中。
需要指出，单芯片微型计算机14存储了一种代码，用于将模式转换开关256所指定的操作模式标志“Fd”标识为操作模式，另外，在留有不足的电池容量或者在电动马达的温度超出可用范围内的情况下，即使模式转换开关256指向有氧运动模式或者电动助力模式，单芯片微型计算机14具有将操作模式标志Fd重新写入表示正常操作模式的代码。
下面，对使用转速传感器220和应变仪126的转矩检测机构进行详细描述。
心率检测传感器254可以使用周知的可以佩戴在身体任何预定位置上的传感器，例如，包括骑行者的耳朵、指尖或者手臂。更进一步，除了心率检测或者其它功能，可以使用该传感器检测诸如血压的人体多种参数。
参考图6到图8，对用于在电动助力自行车1中合成辅助力和踏板力的合力机构和用于提供所述辅助力的机构进行描述。
图6显示的是当从主动链轮2的反面(图1的反面)观察到的合力机构的实例。该合力机构包括与主动链轮2同心支撑的从动链轮30；能够在预定条件下，由输出的辅助力进行转动的电动链轮33；进行连续转动的辅助链32，其在电动链轮33和从动链轮30之间连接，以将所述电动链轮33的辅助力传输到所述的从动链轮30。电动链轮33和从动链轮30具有位于同一节距内的轮齿，其中，优选地，电动链轮33的轮齿数目小于从动链轮30的轮齿数目。
由于图6的合力机构相对于主链轮2位于车体的内侧，而主动链轮2、从动链轮30和电动链轮33不会从车体中突出，从而使得车体很紧凑。更进一步，如图所示，由于主动链轮2和电动链轮33之间的距离可以比主动链轮2的半径小，所以整个合力机构可以形成为外形小巧的单元。由于此原因，如图7(a)所示，如果从自行车的外部(即，从前面)看来，合力机构的大部分隐藏于主动链轮2的轴向内侧，因此不必担心会影响外观。在主动链轮2上安装链盒38，以覆盖链12，从而为链提供了保护，同时使得外表更加美观。
图7(b)显示的是沿着通过主动链轮2的中心的垂直线的、图7(a)的横截面图。如图7(b)所示，由销子123将主动链轮和从动链轮32进行固定，从而使得两者不会单独移动(即，作为整体旋转)，并且使用单向离合器99将两者连接到驱动轴4。可以使用与驱动轴4平行方向进行延伸的电动轴35a将电动链轮33连接到驱动装置13。通过早电动链轮33的中心孔34中形成锯齿状突起(参考图6和8)，可以防止电动轴35a和中心孔34之间的滑动旋转。
与普通自行车类似，将驱动装置13安装到车体，并且其支架包括上述的电动马达37和减速装置35。
现在对本实施例的合力机构的操作进行描述。
当在预定条件下控制电动马达37进行旋转并且通过减速装置35将从电动马达37输出的辅助力传送到电动链轮33时，通过辅助链32将电动链轮的转矩传送到从动链轮30，然后马上将该转矩传送到固定在所示从动链轮30的主动链轮2，并且由踏板力转动主动链轮2。从而，能够实现辅助力和踏板力的合成。
当没有驱动电动马达37进行旋转时，则所述单向离合器(未显示，安装在减速装置35中)阻止将转动马达37所必需的负载传送到电动链轮33，从而允许进行自行车的低强度骑行。
因此，本实施例使用了双链系统，其中，与现有技术系统不同，没有将辅助力直接传送到链12，用以传送踏板力，而是通过单独的链32将电动链轮33的辅助转矩传送到与主动链轮2连接的从动链轮30。使用这种配置，与现有技术相比，可以极大地增加安装驱动装置13的灵活程度。例如，如图6和7(a)所示，由于可以将驱动装置放置在自行车的前进方向，因此，也可以将驱动装置13安装在普通的自行车车架上，而不同于专用于电动助力自行车的所述车架。
当然，可以将电动链轮33放置在沿圆周方向的任何位置。图8显示的是将电动链轮33的位置在圆周方向顺时针旋转偏转90度的实例。在该实例中，可以将驱动装置13安装在鞍座18的支承架上(图1)。更进一步，通过选择辅助链32的长度，可以将电动链轮33径向方向的位置(即，从主动链轮2的中心到电动链轮33的中心的距离)按照预定的值修改为更靠外或者更靠内。因此，可以将驱动装置13的最小离地净高调整为较大或者较小。
以此方式，由于双链系统具有用于安装的较大自由度，所以可以将电源系统安装在任何自行车上，而不受该类自行车施加的限制。换言之，可以极大地提高设计的灵活度。
另外，如果电动链轮33的轮齿数目小于所示从动链轮30的轮齿数目，那么合力装置可以独力地提供减速系统。由此，可以将减速装置35的减速比设定为很小，从而可以将减速装置做得很小巧。因此，在本实施例中，可以扩展减速比的灵活程度。
图3的流程图通过实例显示了图2中的单芯片微型计算机14主要处理流程。以预定的周期对主要流出进行重复。
如图3所示，首先，判断存储在寄存器中的操作模式标志Fd(步骤300)。根据本操作模式标志Fd的代码信息，分支进行后面的处理。
如果在步骤300中选择的是电动助力模式，则单芯片微型计算机14根据输入的转速信号，计算相关的自行车速度“V”或者物理量(步骤302)。因此，单芯片微型计算机14根据数学计算器252的应变仪信号而计算相关的踏板力或者物理量“Pq”(步骤304)。然后，根据计算的自行车速度和踏板力Pq，单芯片微型计算机14确定相关的辅助比率(电动力/踏板力)或者控制量(步骤306)。例如，可以使用查询表而确定辅助比率，该查询表定义了自行车速度和踏板强度各个值与用于辅助的控制量之间的关系。然后，在使用了电磁离合器250的情况下，单芯片微型计算机14将PWM(脉宽调制)控制用于电动马达37，以输出与所确定的辅助比率相对应的辅助力(步骤308)。具体而言，顺序输出与所述的辅助力对应的调制脉宽的脉冲信号。只要没有重新写入操作模式标志Fd“电动辅助模式”，则连续重复步骤302到308。
如果在步骤300中选择了正常操作模式，则单芯片微型计算机14使得电磁离合器250脱离，同时停止电动马达37(步骤310)。只要没有重新写入操作模式标志Fd“正常操作模式”，则连续重复步骤310。
如果在步骤300中选择了有氧运动模式，则执行使得骑行者进行有氧运动的操作(步骤312)。只要没有重新写入操作模式标志Fd“有氧运动模式”，则连续重复步骤312。
现在参考图4的流程图，对有氧运动模式操作的概念处理流程进行描述。
首先，单芯片微型计算机14根据数学计算器252的应变仪信号，对相关的踏板力或者物理量Pq进行计算(步骤330)。然后，根据心率检测传感器254的信号，对心率“h”进行检测(步骤332)。然后，将能够使得骑行者进行有氧运动的踏板力“Pr”设定为控制目标(步骤334)。例如，如果心率h相对较高，则可以将踏板力Pr设定为低，而如果心率h相对较低，则可以将踏板力Pr设定为高。可以通过查询表实现此步骤。在该表中，针对各种心率存储了相应的标准踏板力值。
下一步，将Pq与Pr进行比较，以确定哪个为较高的值(步骤336)。
如果所检测的踏板力Pq大于所设定的踏板力Pr(即，Pq＞Pr)，则计算用于将踏板力Pq降低到代表目标值Pr的电动力Te(步骤338)。该电动力Te为(Pq-Pr)的函数(最简单的情况，为比例关系)。然后，在使得电磁离合器250啮合的情况下，将PWM控制用于电动马达37，从而产生在步骤338中所计算的电动力Te(步骤340)。
与此对比，如果所检测的踏板力Pq小于在步骤336中所确定的设定踏板力Pr(即，Pq＜Pr)，则计算用于将踏板力Pq增加到代表目标值Pr的负载力“L”(步骤342)。该负载力L为(Pr-Pq)的函数(最简单的情况，为比例关系)。然后，将减速装置35的齿轮转换到用于实现所计算负载力必需的减速比(步骤344)。然后，在使得电磁离合器250啮合的情况下，关闭电动马达37，从而产生与踏板力相反的负载力(步骤346)。需要指出，如果在经过一定周期后，踏板力Pq仍然没有达到Pr，则可以继续增加负载力，从而降低自行车速度，以使得骑行者增加踏板力。
如果所检测的踏板力Pq等于在步骤336中所确定的所检测的设定踏板力Pr(即，Pq＝Pr)，则脱开电磁离合器250，并且关闭电动马达37。以此方式，没有施加电动力或者负载力，仅仅继续当前踏板力基本等于设定踏板力的操作。
如果结束了上述子处理过程的任何一个，则处理过程退出图4中所示的子程序，并且返回图3所示的主程序的步骤300，以重复相同的处理过程。
如上所述，在本发明中，配置成单一装置的驱动装置13本身不仅能够提供电动力，也可以提供负载力。因此，与现有技术中将负载装置从电动装置嵌入为大型制动系统相比，本发明能够简化电动助力自行车1的整个机构，并且减轻其重量。更进一步，结合将所述双链系统作为合力机构的优点，本发明使得制作专用车底架的需要最小，并且可以使用现有的车架制作工艺。
更进一步，当自行车在交通灯等处停下时，在使用了由后轮的旋转所生成的负载的现有技术中，在使用双脚架支架等使得后轮离开地面后，必须踩踏板，这缺乏运动的快速性。然而，由于本实施例使用电动马达的转动阻力作为负载力，并且使用了双链系统等的合力机构，当后轮与地面接触时，即使在没有运动期间(即，当自行车速度为零时)，如果使用单足角架快速撑住自行车使其不倒下，并且在相反方向踩踏板，则在正常施加负载时，在静止时间内，可以继续进行有氧运动(在静止期间的有氧运动)。
下面参考图17(a)和(b)，对图4子程序中的过程概述进行更为具体的描述。如图17(a)所示，假设根据本实例的电动助力自行车1在路上行驶，路面包括平路“r1”，上坡“r2”，坡顶平路“r3”，下坡“r4”和平路“r5”。此时，对于在各种路面上行驶所需的推进力，显示了适于在平路r1、r3和r5上进行有氧运动的常数值(设定踏板力值)。另一方面，在上坡r2上的推进力显示为最大值，比在平路上的推进力大很多，而在下坡r4，推进力显示为最小值，零。因此，由于踏板力Pq几乎等于在平路r1、r3和r5上进行有氧运动的设定踏板力值，所以在本实例中不会使用电动力和负载力。与此相比，当在上坡r2上行驶时，由于踏板力比设定踏板力值高，因此将由电动力对多出的部分进行补偿，从而，将所述的踏板力降低到接近设定踏板力。相反地，即使在没有施加任何踏板力时，自行车也能够下降，从而应当施加负载力，以降低自行车速度，并且使得骑行者施加踏板力，如图所示。
因此，即使在包括上坡和下坡的路面上行驶时，骑行者也能够使用接近恒定的踏板力，从而适当地进行有氧运动。
在实际中，在行驶过程中，心率是变化的，图17(b)显示的是考虑了心率的控制实例。如图所示，假设心率的变化使得当在上坡r2上行驶时心率增加到相对较高的值，在平路r1、r3和r5和下坡r4上行驶时，心率几乎相等。
在图17(b)的实例中，在行驶到上坡r2的中间时的时间“t1”处，心率超出了阈值“H”，并且此时，进行控制使得可以将根据心率确定的附加转矩260加到图17(a)的电动力和负载力上。结果，骑行者的踏板力在时刻“t”之后下降到小于先前的踏板力，以防止心率再增长。因此，在考虑了心率的模式中，可以进行足够的有氧运动，这与骑行者的健康状况，或者在行驶过程中每个骑行者的体力差异和在运动中体力状况的变化密切相关。
现在参考图5的流程图，对图4中步骤334的可选模式进行详细描述。这用于使用功率的观点对踏板力进行设定，以及用于管理有氧运动的工作负荷。
首先，对时间间隔“Δt”进行计数(步骤360)。将时间间隔Δt定义为在处理过程跳出图5的子程序的时刻到该处理过程再次调用该子程序之间的时间间隔，在将踏板力、转速等考虑为常数时，该时间间隔代表一分钟的时间间隔。
第二，对驱动轴4的圆周数度“R”进行检测(步骤362)，并且读取踏板力“Pq”和心率“h”，这些已经在图4的步骤330和332中进行检测，并且存储在存储器中(步骤364)。然后，将骑行者的踏板力的功率“S”确定为踏板力Pq和驱动轴4的转速R的积(或者作为其函数)(步骤366)。
下一步，基于心率h和功率S，将踏板力Pr设定为控制目标(步骤368)。例如，如果功率S相对较高，则将踏板力值Pr设定为较小，而如果功率S相对较低，则将踏板力值Pr设定为较大。按照类似的方式对与心率h有关的Pr进行设定。通过查询表，可以实现上述步骤。在该表中存储了对于各种心率和功率S的期望踏板力值。
下一步，对在有氧运动中到此时所完成的总工作负载“W”进行计算(步骤370)。
W＝W+S·Δt式中，在进行有氧运动的开始时刻，将W初始化为0，在重复本程序时，每次均将上述方程的第二项顺序地叠加。在上述方程中，在步骤360中累计的时间间隔Δt之内，将功率S假设为近似恒定，而可以认为第二项S·Δt是由骑行者通过踏板力而完成的。
下一步，确定工作负荷W是否达到了预定的阈值W0或者更高(步骤372)。其中，将阈值W0设定为进行一定量有氧运动的可接受值，可以由骑行者根据预定的运动量对该值进行合理设定，可选地，由单芯片微型计算机根据骑行者的平均心率进行自动设定。如果工作负载W小于预定的阈值W0(在步骤372中设定为负值)，则流程跳出本程序，并且继续如图3所示的有氧运动模式操作。
当工作负载W达到阈值W0或者更大(在步骤372中设定为正值)，则清除变量(W，Δt，S)(步骤374)，将操作模式标志Fd重新写入“电动助力模式”(步骤376)，并且流程进入图3的步骤300(步骤378)。即，当有氧运动的总负载W达到预定值时，将操作转换到电动助力模式。
与仅仅使用踏板力相比，在步骤366中计算的功率S能够更为精确的反映出热量消耗(即，如果踏板力较高，而转速R较低，则热量消耗不高，相反，如果踏板力较低，而转速R较高，则热量消耗不低)。因此，图5所示，通过根据功率设定踏板力，可以在合适的模式下进行有氧运动。
更进一步，由于可以控制有氧运动的负载，故可以通过在指定的路面上行驶，将上述流程用于进行有氧运动。例如，在诸如校园小路或者远郊小路的指定路线上，即使工作负荷很小，在上述的暂停期间，通过预先进行上述的有氧运动，也可以对工作负荷的不足进行补偿。
优选地，单芯片微型计算机14可以有规律地对电池的剩余容量进行检查。如果电池的剩余容量过小，在使用踏板力旋转马达37时生成马达电动力，则单芯片微型计算机14指示使用马达电动力对电池17进行充电(例如，步骤346)。更进一步，当在暂停时进行有氧运动时，如果使用马达电动力对电池17进行充电，则可以不使用踏板力进行充电。此时，单芯片微型计算机14根据转速传感器220的信号确定踏板的旋转方向，并且根据由于马达电动力的旋转方向不同而得到的马达电动力不同极性，通过继电器(未显示)转换电池17和马达37之间的连接模式。
需要指出，由于在本实施例所使用的单芯片微型计算机14中，一个数据单元或者一个命令单元包括16位，所以与通常在现有技术中使用的电动助力自行车的8位计算机相比，单芯片微型计算机14由于其数据量较大，所以能够以较高的速度执行具有高级处理函数的程序。因此，在本实施例，忽略了专用的PWM控制IC，但是由单芯片微型计算机14使用批处理的方式执行上述各个步骤的电动处理，同时，将诸如步骤308、340中的PWM控制直接用于电动马达37。可以通过存储在单芯片微型计算机14存储器(未显示)中的软件(包括固件)进行PWM控制。
因此，本实施例允许单计算机通过使用具有高处理能力的16位计算机执行所有的控制任务，并且没有对基础设计进行很大程度的修改，所述控制任务例如包括在现有技术中由专用IC执行的PWM控制。因此，可以降低总体上的零件数目和衬底范围，这在使得系统最小化的同时，促进了总成本的降低。例如，通常，16位计算机比8位计算机价格要高，但是如果将PWM控制专用IC、用于执行诸如对电动单元及其外围设备的剩余容量进行监视等的其他电动流程的IC与8位计算机结合为附加功能装置，8位计算机系统将使得成本比16位计算机要高。
另外，由于16位计算机能够毫无问题地使用其软件执行多种处理，所以可以对电路进行简化。更进一步，由于可以使用类似的灵活方式对其功能进行灵活增加，以此来看，可以降低成本。更进一步，由于可以使用软件经常对电动力助力条件进行监视，所以可以在任何情况下立即中止电动马达37。
现在对用于输出转速信号的转速传感器进行描述，将该信号输入到单芯片微型计算机14。
图9显示的是作为转速传感器部件之一的NS极化环形磁铁200。该环形磁铁200通常形成为在中心具有开孔205的扁平环。环形磁铁200包括以等角度进行划分的多个磁铁部分，并且在这些磁铁部分中，当从前面看去时，将N极侧朝外的N极部分202和S极侧朝外的S极部分204交替放置。在此情况下，优选地，将磁铁部分的N-S极按照侧视图所示地进行放置，从而磁通量的方向可以与磁铁的环形表面正交，其中N极部分202的对边为S极，S极部分204的对边为N极。尽管在所示的实例中使用了12块磁铁部分，但是磁铁部分的数目可以更多或者更少，这可以根据所检测的转速和所需要的检测精度进行合适和有利地修改。
需要说明的是，如果磁场相对于磁铁的环形表面具有法向分量，则可以对各个磁铁部分的N-S极方向进行合适和有利的修改。例如，可以在圆周方向放置一个磁铁，从而由所述的一个磁铁的各个磁极形成连续的N极部分和S极部分。在此情况下，N极部分的对边为N极，而S极部分204的对边为S极，并且从磁场强度的角度看，优选地采用图9中的实例。
图10显示的是对其转速进行检测的齿轮210。由轴214所传输的力矩转动齿轮210，并且在齿轮210的一个表面上加工环槽208，从而提供用于安装环形磁铁200的尺寸和形状。将环形磁铁200安装在该环槽208中，并且使用粘合剂等进行粘固。此时，优选地，环形磁铁200和齿轮210的表面彼此齐平。这防止环形磁铁突出到齿轮表面之外，从而使得由于安装转速传感器所导致的空间损失最小。
将用于检测磁场的霍耳IC 212放置到安装在邻近齿轮210中的环形磁铁200附近。该霍耳IC是公知的检测磁场的IC，具有能够生成磁阻的内置单元。该磁阻与如下因子成正比电流和该电流法向上的磁场；以及，当在与半导体中的电流方向垂直的方向上出现磁场时，由霍尔效应产生的磁场。霍尔IC 212还将所述磁阻的值以数字信号的形式输出。将霍尔IC 212的输出终端连接到单芯片微型计算机14。图11显示的是图10中转速传感器220的透视图。
单芯片微型计算机14可以使用任何期望和优选的方法，对霍尔IC 212输出的磁场检测信号(转速信号)进行分析，以对齿轮210的转速进行检测。此处，图12(a)显示的是在霍尔IC 212的一个检测点处，环形磁铁200的磁场波形的实例。霍尔IC 212对如图12(a)所示的磁场变化进行检测，并且输出如图12(b)所示的脉冲信号。图12(b)的脉冲信号在时间上与图12(a)的磁场波形的N极侧的局部最大部分对应。在本实例中，仅提取出了正值(N极侧)，而删除了负值(S极侧)，但是也可以仅使用负值，或者同时使用正值和负值。该脉冲信号序列的周期(脉冲之间的时间段)与环形磁铁200的转速成正比。因此，单芯片微型计算机14能够对霍尔IC 212的脉冲信号时间间隔进行检测，并且马上确定环形磁铁200及齿轮210的转速。
当然，除了霍尔IC，只要能够检测磁场，也可以使用诸如线圈等的其它磁场传感器。在此情况下，磁场传感器的输出将会是如图12(a)所示的模拟波形，并且为16位单芯片微型计算机14增加进行检测的功能，例如，对磁场信号的零交点(零磁场强度处的时间)、N极侧的峰值或者S极侧的峰值进行检测，并且确定这些时间。由于图12(a)中所示的N极侧222的峰值和S极侧224的峰值显示的是当N极部分和S极部分的最大磁场强度的磁极通过磁场传感器的检测区域时的位置，所以可以利用各个峰值及其时间出现的次数检测出齿轮210旋转一周所需的时间周期“T”。从而，可以马上检测出齿轮210的转速(2π/T)。当然，当齿轮以一定时间旋转预定角度时，可以对齿轮的转速进行检测，所述预定角度是整个旋转跨度的一部分。
由于本实施例的转速传感器包括位于扁平形状的NS极化环形磁铁200，所以可以安装外形较小、节省空间和轻重量的转速传感器。更进一步，由于本实施例的转速传感器的结构简单，易于制作，从而降低了成本。
更进一步，由于将多个磁铁部分集成在一个扁平环中，所以承载部分的安装操作很方便。例如，如图10所示，在齿轮210的表面上切割一个环形槽，将环形磁铁方便地嵌入到环形槽中，并且使用粘合剂等进行固定。与将具有各个磁极的多个分散磁铁进行嵌入的工艺相比，上述的操作能够明显提高工作效率。更进一步，如果槽的深度与环形磁铁的高度匹配，则在外表面上不会存在突起，从而有助于节省空间。
更进一步，通过降低各个磁铁部分所占用的角度范围，可以提高转速的时间分辨率(time resolution)。
可以将转速传感器220安装在所要检测的预定部分，将其旋转以体现电动助力自行车1的行驶速度。对于所要检测的部分，可以将减速装置35中的齿轮(未显示)直接连接到电动链轮33，或者优选地通过另外一个齿轮间接地进行连接，因为这可以将转速传感器220安装到驱动装置13的外壳中。需要说明的是，在图5所示的流程中，由于无论电动离合器是否啮合，都要经常对曲柄轴4的转速进行检测，所以优选地，将曲柄轴4、链轮2或者从动链轮30作为进行检测的一部分。
例如，其它的位置可以包括位于后轮功率传输机构10中的齿轮(未显示)、电动链轮33和前轮的旋转部分。单芯片微型计算机14可以具有查询表，用于将在上面确定为所检测部分的转速转换为电动助力自行车1的行驶速度。
现在，参考图13到16，对踏板力检测机构进行描述。踏板力检测机构输出应变仪信号1、2，而该信号输入到单芯片微型计算机14。根据本实施例的踏板力检测机构对应变进行检测，该应变随着由踏板力所引起的单向离合器99的变形而变化。
如图13所示，驱动轴4通过单向离合器99对主动链轮2进行支撑。如图14所示，该单向离合器99包括爪部分100和齿部分112。
在爪部分100中，沿着圆周方向在从动啮合表面100上设置三个使用等角度排列的棘轮爪(ratchet pawl)102。棘轮爪102由刚性材料制成，能够围绕在第二啮合表面110的径向方向延伸的轴进行旋转。由棘轮竖起弹簧104对各个棘轮爪102施加偏压，从而在没有对棘轮爪102施加任何力时，棘轮爪的轴向可以与啮合表面110之间形成预定的角度(图15中的平衡方向160)。如图15所示，当棘轮爪102从平衡方向160偏离到上升方向“a”或者下降方向“b”时，竖起弹簧104向棘轮爪102施加轻微的弹力，从而抵消偏离，使其回复到平衡方向160。
更进一步，在爪部分100的中心区域，形成爪部分孔106，用于容纳驱动轴4，并且该爪部分孔106穿过从爪部分100的背面101突出的圆柱形部分103。在背面101中，在圆柱形部分103的外表面上形成圆形槽155(图13)，并且将多个钢珠152装配到圆形槽155中，从而进行自由旋转。这构成了像滑动轴承一样承受轴向载荷的轴承。
使用穿过爪部分100的中心孔127的圆筒部分103，使得锥形盘簧124与爪部分100的背面101接触。此时，通过钢珠152或者承载轴承，在允许锥形盘簧124的弹力抵抗爪部分100的压力的方向，锥形盘簧124与背面101进行滑动接触。在180度彼此相反的两个位置，将应变仪126连接到锥形盘簧124的表面。通过导线128将应变仪126电连接到单芯片微型计算机14。更优选地，可以将三个或者更多的应变仪连接到锥形盘簧124。此时，优选地，在锥形盘簧124的表面，将多个应变仪以圆周对称位置进行布置。
将锥形盘簧124安装在碗状支架130的内底侧132中。在支架130中形成支撑孔133和支撑圆柱部分134，该支撑孔133用于容纳驱动轴4，该支撑圆柱部分134从支架130的背面突出来。在支撑圆柱部分134的外表面加工螺纹，从而通过将所述的螺纹部分与支撑部分145的螺纹内表面进行螺纹啮合，将支架130固定到机架。将支撑圆柱部分134的内表面与能够在轴向和径向承载的轴承138进行啮合(参考图13)，同时，由在驱动轴4上形成的制动斜面144对轴承138进行支撑。类似地，在驱动轴4的另外一侧上安装另外一个轴承139(参考图7(b))，从而使得可以相对于机架对驱动轴4进行旋转支撑。
在爪部分孔106的内侧，加工了在轴向进行延伸的四个第一抗旋转槽108。同样，在驱动轴4的外侧形成四个第二抗旋转槽140，使得驱动轴4的外侧与爪部分孔106的内侧处于滑动接触状态。第二抗旋转槽140在轴向方向进行延伸，从而朝向第一抗旋转槽108。如图16(a)所示，第一抗旋转槽108和与朝向第一抗旋转槽108的第二抗旋转槽140构成了在轴向进行延伸的圆柱槽，并且在各个槽中填充多个钢珠以充满槽。由于此原因，爪部分100能够沿着轴向5进行移动，而摩擦阻力最小，同时防止相对于驱动轴4的相对运动。这构成了一种滚珠花键，并且可以将包括环接旋转类型滚珠花键在内的其它类型滚珠花键用作能够进行滑动的抗旋转装置。
更进一步，对于将爪部分100连接到驱动轴4的方法，也可以使用除了图16(a)的滚珠花键之外的装置。例如，如图16(b)所示的系统，或者可以将称为键-花键的系统用作抗旋转装置，其中，在驱动轴4上形成在轴向延伸的突起140a，并且在爪部分100中形成用于安装突起140a的第三抗旋转槽108a。可选地，在图16(b)中，可以在爪部分100侧形成突起140a，可以在驱动轴4侧形成第三抗旋转槽108a。更进一步，可以将图16(c)中的系统，或者称为键-槽的系统用作抗旋转装置，其中，分别在爪部分100和驱动轴4中形成在轴向延伸的第四抗旋转槽108b，和与其面对的第五抗旋转槽140b，并且将键板以由这些槽形成的矩形平行六面体的形式安装到槽中。
在齿部分112的第一啮合表面上形成多个与棘轮爪102啮合的棘轮齿114。棘轮齿114包括相对尖锐的斜面118和相对第一啮合表面121适度倾斜的斜面116，这些斜面沿着齿部分的圆周方向以循环的方式交替放置。
驱动轴4通过轴环111对齿部分112进行支撑，从而使得齿部分112的第一啮合表面121可以朝向爪部分100的第二啮合表面110地进行滑动接触。此时，棘轮爪102和棘轮齿112彼此啮合(图15)。尤其是，通过棘轮爪102和棘轮齿112之间的啮合部分，可以仅将驱动轴4连接到齿部分112。驱动轴4的端部142通过轴环111穿过齿部分孔120，端部142与垫圈122进行配合，以防止齿部分112在轴向向外脱离(图13)。由销子123将齿部分112紧固到主动链轮2上(图13)，以防止两者之间的相对运动，更进一步，将驱动轴4的顶端组成踏板轴146。这样，完全做成了棘轮，并且将棘轮与驱动轴4和主动链轮2进行连接，从而通过踏板上的力在身体的前进方向上将力仅传输到主动链轮2。
优选地，在驱动轴4的制动斜面144和爪部分100的背面101之间插入偏压弹簧136。该偏压弹簧136在轴向对爪部分100施加偏压，从而在踏板力不大于预定值时(例如，近似为零)，在安装在背面101中的钢球152和锥盘弹簧124之间产生间隙。
现在，对踏板力检测机构的操作进行描述。
当骑行者将踏板力施加到踏板8R、8L，以使得驱动轴4在身体的前进方向旋转，将该旋转驱动力传输到由驱动轴支撑的爪部分100，从而使得爪部分100不仅能够旋转，还能够相对驱动轴4进行滑动。此时，如图15所示，对应于爪部分100的踏板力，将力“Fd”施加到棘轮爪102，所以棘轮爪102的顶端与齿部分112棘轮齿的相对尖锐斜面118接触，从而用于将这个力传输到棘轮齿。由于将棘轮齿部分112连接到主动链轮2，所以棘轮爪102承受相对尖锐的斜面118中用于驱动的负载所产生的力Fp。棘轮爪102在其两端部分承受了作用方向彼此相反的力Fp和Fd，从而在所选择的a方向进行旋转。此时，通过竖起棘轮爪102，使得棘爪100在轴向向内移动，从而压下爪部分100和支架130之间的锥盘弹簧124。锥盘弹簧124产生与此作用相反的反作用力弹力“Fr”，并且施加到爪部分100。该力Fr与踏板力用于在轴向驱动爪部分100的力在短时间内得到平衡。从而，这些参数中的每一个参数，包括锥盘弹簧124的应力应变、爪部分100和齿部分112之间的间隙、棘轮爪102和第二啮合表面110之间的角度、爪部分100相对于机架的位置和用于压下锥盘弹簧124的力，都代表了反映踏板力的物理量。因此，通过检测这些参数中的至少一个，可以对踏板力T进行估算。
在本实施例中，通过实例，对锥盘弹簧124的应力所引起的应变(下文中简称为“应变”)进行检测。单芯片微型计算机14至少通过对来自连接到锥盘弹簧124的两个应变仪126的信号进行加法(包括平均)运算，而进行算术操作。通过这种方式，对多个位置处的应变进行测量并且求取总数的平均值，可以使得输出变化在相同的踏板力范围内，并且可以对噪声部分进行平滑，从而可以提高SN比，更进一步，可以提高踏板力的预测精度。当应变仪的数目增加时，这种效应会更加显著。
对于踏板力不大于预定值的情况，由于偏压弹簧136在爪部分100的背面101和锥盘弹簧124之间产生了间隙，钢球152撞击锥盘弹簧124的频率较小。由此，降低了应变仪信号中的噪声部分，从而提高了踏板力检测的稳定性和电动助力控制的稳定性。
随后，单芯片微型计算机14执行算术运算，以至少根据所计算的操作力T确定用于助力的辅助力“Te”，并且在算术上确定和输出控制信号，以指示电动马达37提高用于所述助力的旋转驱动力。优选地，单芯片微型计算机14将由转速传感器220所检测的转速信号转换为自行车的速度，根据踏板力T和自行车速度确定合适的辅助力Te，并且控制电动马达37以产生所述的辅助力Te。
本实施例的踏板力检测机构具有如下的更多优点(1)由于棘轮和踏板力检测机构采用了单机构，实现了机构的零件数目减少、布局紧凑、重量轻和成本低。
(2)由于在用于检测踏板力的部分中，使用了将承载装置和负载检测传感器一体化的锥盘弹簧，从而由一个装置实现了两项功能，因此，除了上述的优点，还实现了该装置的结构紧凑、重量轻和成本低。
(3)如上述第(1)条和第(2)条所述，在较高程度上实现了结构紧凑、重量轻和结构简单，从而扩展了所安装的踏板力检测机构的应用范围。
(4)由于上述第(1)条和第(2)条所述的原因，与传统的机构相比，可以降低负载的传输损耗，从而在控制中实现良好的助力感受。
(5)由于上述第(1)条和第(2)条所述的原因，与传统的机构(使用盘簧)相比，能够成功地消除踏板的空转(直到由传感器检测到之前的时间滞后)，并且与使用传统机构时软绵绵的踏板感受相比，在施加本实施例中的踏板力时，踏板的感受与使用普通自行车的感受类似。
如上所述，对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于这些实施例，并且可以在本发明的概念范畴内进行期望和优选的改进。
例如，尽管上述实例用于有氧运动，但是本发明的电动助力自行车可以具有增加的锻炼肌肉模式，其中，可以降低或者取消电动力，而增加负载力。更进一步，可以将本发明的电动助力自行车用于支持骑行者的体力恢复或者理疗等，包括诸如下面的实例将心率预存在存储器中，然后在医生的指导下设定踏板力值，使用无线信号将心率传送到医院的管理中心等，并且在医生的管理下进行使用。
尽管在图4的实例中，根据心率设定了踏板力值，但是可选地或者附加地，可以根据诸如血压等人体的其它参数来设定踏板力值。
更进一步，尽管在有氧运动模式中的负载力使用了电动马达37的转动阻力，但是负载力并不局限于此，还可以在驱动装置13中单独安装诸如刹车装置的负载力生成装置。更进一步，尽管通过齿轮齿数比调节而提供了负载力的调节，也可以通过电动离合器的啮合到脱离的负荷比调节而实现此目的。
更进一步，尽管将双链系统用作合力机构，但是本发明不限于此。例如，除了主动链轮2，还可以将电动链轮33直接啮合到链12。
更进一步，可以对主流程图(图3)和用于有氧运动模式的流程图(图4和5)中的处理流程进行合适地修改。例如，为了控制踏板力值处于与目标踏板力值Pr相匹配的范围内，可以使用称为PID的控制。
尽管没有显示，但是可以提供功率和工作负荷的显示功能。
在转矩检测机构中，应当将单向离合器99的爪或者齿部分之一连接到链轮，而将另外一个连接到驱动轴，对此也可以进行期望和优选的修改。在一个实施例中，可以将爪部分100安装在链轮侧，而将齿部分112安装在驱动轴中，使得相对于轴进行滑动而非转动，从而由齿部分112压缩锥盘弹簧124。
更进一步，在上述实例中，将锥盘弹簧的应变作为与踏板力有关的物理量进行检测，但是本发明不限于此。对于根据所施加踏板力的变形而发生变化的单向离合器99的任何物理量，均可以进行检测。例如，棘轮爪的倾斜角度，爪部分和齿部分之间的相对距离，爪部分和齿部分中任何一个相对于身体的位置，用于压缩锥盘弹簧的压力等，均可以用作反映踏板力的物理量。
更进一步，对于用于抵抗单向离合器99变形的弹性零件，也可以根据期望和优选地对其类型和形状进行修改。例如，除了锥盘弹簧或者盘簧，可以使用橡胶弹性零件。更进一步，尽管将应变仪作为检测应变的装置，但是该装置不限于此，而是可以使用能够检测与应变有关的物理量的任何装置。
权利要求
1.一种电动助力自行车，能够使用由电力辅助的踏板力而运转，所述的助力自行车包括用于检测踏板力的踏板力检测装置；以及辅助电动装置，能够基于所述踏板力检测装置检测的踏板力选择电动力或者负载力，并且能够将所述选择的力加到踏板力上，从而产生能够进行有氧运动的踏板力强度。
2.根据权利要求1的电动助力自行车，还包括用于检测骑行者心率的心率检测装置，其中，所述辅助电动装置根据由所述心率检测装置检测到的至少一种心率设定所述的踏板力强度。
3.根据权利要求1的电动助力自行车，其中，所述辅助电动装置形成为单个单元。
4.根据权利要求1-3中任一项的电动助力自行车，其中，如果检测到的踏板力比所述踏板力强度高，则所述辅助电动装置对所述电动力进行控制，从而使所述踏板力在踏板力强度之内。
5.根据权利要求1-3中任一项的电动助力自行车，其中，如果检测到的踏板力减小到比所述踏板力强度低，则所述辅助电动装置控制所述负载力而使其增大，直到检测到的踏板力达到踏板力强度。
6.根据权利要求1-3中任一项的电动助力自行车，还包括合力装置，用于将由所述辅助电动装置选择输出的所述电动力或者所述负载力与所述踏板力进行合成，其中，所述辅助电动装置包括马达；并且在所述电动马达和所述合力装置之间提供电磁离合器，其中将所述负载力作为所述电动马达的转动阻力，在所述电动马达没有供电的情况下，通过利用所述电磁离合器将所述电动马达与所述合力装置连接起来而生成该负载力。
7.根据权利要求6的电动助力自行车，其中，所述辅助电动装置包括减速装置，将该减速装置放置在所述电动马达的输出轴和所述合力装置之间，以降低所述电动马达的转速。
8.根据权利要求7的电动助力自行车，其中，所述减速装置设置有用于改变减速比的系统，其中所述辅助电动装置通过改变所述减速装置的减速比对所述的负载力进行调整。
9.根据权利要求6的电动助力自行车，还包括用于使用电能为所述电动马达供电的电池，其中在没有供电的所述电动马达被与所述负载力相反的踏板力转动的情况下，所生成的电动力对所述电池进行充电。
10.根据权利要求6的电动助力自行车，还包括能够转动的主动链轮，其用以将踏板力传送到主动轮，其中所述合力装置还包括能够与所述主动链轮进行同轴旋转的从动链轮；被所述辅助电动装置旋转的电动链轮；以及在所述从动链轮和所述电动链轮之间延展的辅助链。
11.根据权利要求1的电动助力自行车，其中，将所述踏板力强度设定为几乎不变的踏板力值。
12.根据权利要求1-3中任一项的电动助力自行车，还包括转速检测装置，用于检测驱动轴的转速，其中根据由检测到的踏板力和检测到的驱动轴转速的乘积限定的功率，所述辅助电动装置对所述踏板力强度进行调整。
13.根据权利要求12的电动助力自行车，还包括测量时间的装置，用于对设定的时间间隔进行测量，其中如果与所述测量时间的装置测量到的时间有关的所述功率的整数值已经达到预定值，则所述辅助电动装置停止能够进行有氧运动的操作模式，并且转换到正常的辅助操作模式。
14.根据权利要求1-3中任一项的电动助力自行车，还包括单向离合器装置，用于可操作地将所述驱动轴与所述主动链轮连接起来，从而专门地将驱动轴的转动充分地单向传送到主动链轮，其中所述踏板力检测装置对所述单向离合器装置的物理量进行检测，该物理量根据由踏板力造成的变形而变化。
15.一种电动助力自行车，其能够由电动力辅助的踏板力进行驱动，所述助力自行车包括用于检测踏板力的踏板力检测装置；用于检测骑行者心率的心率检测装置；踏板力设定装置，用于根据由所述心率检测装置检测到的至少一种心率对能够进行有氧运动的踏板力强度进行设定；以及辅助电动装置，能够将电动力加到踏板力上，从而使由所述踏板力检测装置检测到的踏板力落入由所述踏板力设定装置设定的所述踏板力强度中。
全文摘要
提供了一种进行有氧运动的电动助力自行车，具有重量轻、机构简单的特点。电动助力自行车1包括用于检测踏板力(99，126)的踏板力检测装置，驱动装置13，用于将减速装置的转矩传送到驱动装置的合力机构，以及心律检测传感器254。驱动装置13包括电动马达37和具有电磁离合器250的减速装置35。在一种能够进行有氧运动的方式中，如果检测的踏板力比能够进行有氧运动的踏板力强度高，则在使用电磁离合器250的条件下，驱动装置13驱动电动马达37，从而，使用电动力辅助踏板力。如果检测的踏板力比所述的踏板力强度低，则在使用电磁离合器250的条件下，关闭电动马达，从而通过马达的转动阻力，将负载力施加到踏板力。根据检测到的骑行者心率，可以对踏板力进行调整。
文档编号A61H1/02GK1646361SQ0380777
公开日2005年7月27日 申请日期2003年2月3日 优先权日2002年2月8日
发明者小胜京介, 吉家彰人, 二唐史 申请人:新时代技研株式会社, 盛势达瑞士有限公司