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FR2724728A1 - Dispositif pour l'enregistrement et la mesure des caracteristiques de la force de pedalage fournie par un cycliste - Google Patents

Dispositif pour l'enregistrement et la mesure des caracteristiques de la force de pedalage fournie par un cycliste Download PDF

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FR2724728A1
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Abstract

Le dispositif porte sur une unité de mesure de la position angulaire de la manivelle (8) de pédalier complétée par une unité de mesure de force formée de quatre jauges de contrainte (13 à 16) disposées radialement sur le pivot-support (9) d'une pédale. Un ensemble de transmission en télémétrie envoie les signaux vers un récepteur de données pour affichage et traitement. Le procédé consiste à créer des signaux électriques représentant le couple résistant appliqué sur le pivot-support (9) d'une pédale et la déviation angulaire du pédalier. Ces signaux sont numérisés, transmis, traités et affichés. Cette invention intéresse les professionnels du sport cycliste et constructeurs d'appareils de mesure de force musculaire.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de mesure et d'analyse des caractéristiques de la force motrice de pédalage fournie par une personne à l'ensemble de pédalage d'une bicyclette, ainsi qu'à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Un appareil de mesure et d'analyse des données relatives à la performance d'un cycliste est décrit dans la publication de brevet DD-294,673. Il comprend des cellules de mesure de force logées dans le corps de la pédale, permettant de mesurer l'intensité de la pression exercée par le cycliste sur la pédale.
Complémentairement, des cellules de mesure d'angle mesurent l'écart angulaire entre la direction générale du plan d'appui de la pédale et l'axe du pivot sur lequel cette dernière est montée, d'od l'on déduit ensuite l'angle d'application de la force de pédalage sur la surface d'appui de la pédale.
L'ensemble du dispositif de mesure devant être logé dans la cavité interne de la pédale, les dimensions générales de celle-ci doivent être augmentées. Il s'en suit une moindre transmission des efforts du cycliste à l'essieu du pédalier, et donc une diminution du rendement.
Un autre système permettant de rapporter le travail fourni par le cycliste à la vitesse angulaire de la manivelle de pédalier est connu de la publication de brevet DE-3,722,728. I1 comprend des jauges de contrainte transformant en signaux électriques les efforts mécaniques auxquels est soumise la manivelle de pédalier, de même que des capteurs de déplacement, l'ensemble des données étant ensuite transmis à un micro-ordinateur pour l'évaluation des performances du cycliste. Le système ne permet toutefois pas de connaître la direction d'application de la force de pédalage sur le plan d'appui de la pédale, seul le moment angulaire, autrement dit la composante de la force dirigée dans la direction générale d'avance, étant enregistré, puis traité.
La présente invention a pour but de remédier à ces difficultés ainsi qu'à d'autres encore, en proposant un procédé de mesure et d'analyse des caractéristiques de la force motrice de pédalage fournie par un cycliste à l'ensemble de pédalage d'une bicyclette, ce procédé comprenant les étapes de mesure, sous forme de signaux électriques, du couple résistant auquel est soumis le pivot supportant la pédale à pivotement, ainsi que de la position angulaire de la manivelle de pédalier, ces signaux électriques étant ensuite amplifiés, puis numérisés, avant d'être transmis par télémétrie à un appareil de traitement, de mémorisation et d'affichage des données.
Il est alors possible, moyennant un calcul vectoriel approprié, de déterminer successivement les forces tangentielles s'exerçant sur le
pivot-support de la pédale selon deux directions
connues ; et, connaissant la position angulaire de la manivelle à
différents moments du cycle de pédalage, les
composantes de la force de pédalage relativement à un
référentiel lié à ladite manivelle.
Selon un avantage essentiel du présent procédé, le couple résistant perpendiculairement à l'axe du pivot de pédale étant le même dans toutes les directions, la force de pédalage peut être déterminée de la même manière dans toutes les directions à son point d'application sur le pivot-support.
Selon un autre de ses avantages, le présent procédé permet, en proposant de mesurer non pas le fléchissement de la manivelle de pédalier, mais les contraintes tangentielles auxquelles il est soumis, de s'affranchir du bras de levier de la force de pédalage.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé cidessus.
Selon une variante d'exécution préférée mais non limitative, ce dispositif comprendra au moins quatre jauges de contrainte disposées en couronne sur le pivot-support de la pédale, selon deux directions perpendiculaires à l'axe de celui-ci, en pratique à angle droit l'une par rapport à l'autre.
Le dispositif sera complété par une unité de mesure de la position angulaire de la manivelle de pédalier, par exemple du type mesureur d'angle ou de temps par rapport à un émetteur de positionnement.
Le présent dispositif de mesure ne nécessite par conséquent, pour son installation, aucune modification du corps de la pédale.
Par ailleurs, les moyens de mesure étant avantageusement portés par le pivot de pédale, cette dernière peut être facilement remplacée, sans risque de détérioration pour lesdits moyens de mesure.
Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de la présente invention sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple seulement sur un mode d'exécution en référence au dessin accompagnant sur lequel la figure 1 est une vue en perspective partielle de
l'ensemble de pédalage équipé du dispositif de mesure
des caractéristiques de la force de pédalage conforme
à l'invention la figure 2 est une vue en perspective partielle et
en éclaté de l'ensemble formé par la manivelle de
pédalier, le pivot support de pédale et la pédale ; la figure 3 est une vue partielle de profil du pivot
support de pédale et de la manivelle de pédalier ; la figure 4 est une représentation schématique des
circuits de mesure, de traitement et d'affichage des
données ;; la figure 5 est une vue partielle de la manivelle de
pédalier articulée au cadre de la bicyclette, avec
les diodes émettrices et réceptrices, respectivement
de l'unité de réception des données et de l'émetteur
de position la figure 6 représente les deux directions de mesure
des jauges de contrainte fixées sur le pivot de pédale la figure 7 représente la force de pédalage produite
par le cycliste décomposée dans un référentiel lié à
la manivelle de pédalier.
Une bicyclette étant symétrique selon sa plus grande longueur, l'invention sera décrite en référence à un seul côté de celle-ci, étant entendu que les moyens de l'invention sont répétés à l'identique de l'autre côté.
La bicyclette représentée en partie seulement sur la figure 1, et désignée dans son ensemble par la référence générale 1, comprend principalement un cadre 2 et un ensemble de pédalage ou pédalier 3 pour la transmission, par exemple au moyen d'une chaîne 4, de la force de pédalage produite par l'utilisateur à la roue arrière 5 de ladite bicyclette 1.
L'ensemble de pédalage 3 comprend classiquement une pédale 6 reliée à pivotement au disque d'entraînement 7 de la chaîne 4 par une manivelle 8 et un pivot-support 9.
La pédale 6 est montée sur le pivot-support 9 au moyen d'un roulement 10. Le pivot-support 9 se trouve monté par son extrémité libre par un tourillon 11 à la manivelle 8.
Selon sa caractéristique essentielle, et comme il ressort plus particulièrement des figures 2 et 3, le dispositif de mise en oeuvre du présent procédé comprend tout d'abord une cellule 12 de mesure du couple résistant s'exerçant sur le pivot-support 9 de la pédale 6.
Selon une forme d'exécution préférée mais non-limitative, cette cellule 12 est constituée de quatre demi-ponts ou jauges 13, 14, 15 et 16 de mesure des contraintes.
Ces jauges, aptes à convertir en un signal électrique proportionnel les contraintes mécaniques auxquelles elles sont soumises, sont disposées radialement sur le pivot-support 9 de la pédale 6, selon deux directions perpendiculaires à l'axe dudit pivot 9. Les contraintes tangentielles s'exerçant sur le pivot sont ainsi mesurées selon deux directions indépendantes, en pratique à 90 l'une par rapport à l'autre.
Les jauges de contrainte 13, 14, 15 et 16 reposent avantageusement sur un film conducteur 17 rendu solidaire du pivot-support 9, et de longueur égale exactement au périmètre dudit pivot, à savoir r.D, oû D est le diamètre du pivot. Ce film peut également recevoir les connexions électriques d'autres composants du système.
La cellule 12 de mesure du couple résistant est complétée par un convertisseur 18 courant alternatif/courant continu pour l'amplification et la numérisation des signaux électriques produits par les jauges de contrainte, comme il sera décrit plus en détail ultérieurement.
Les mesures de contrainte réalisées par la cellule 12 sont transmises à un récepteur de données 19 fixé sur le cadre 2 de la bicyclette 1 au moyen d'un couple de diodes, formé d'une diode d'émission 20 fixée à la manivelle 8, et d'une diode de réception 21, fixée au cadre 2.
Une fois transmises au récepteur 19, ces mesures sont ensuite transférées par liaison filaire 22 vers une unité de stockage et de traitement des données 23, avant d'être finalement affichées sur un écran de visualisation 24 placé dans le champ de vision du cycliste.
Le présent dispositif est complété par un émetteur de position 25 à deux diodes, d'une part d'émission 26 fixée au cadre 2, et d'autre part de réception 27 fixée à la manivelle 8.
Comme représenté sur la figure 5, les deux paires de diodes 21,26 et 20,27 peuvent être avantageusement enfermées chacune dans un boîtier, respectivement 28 et 29, pour leur protection mécanique et aux intempéries, ainsi qu'à la lumière ambiante, de façon à éviter tout risque de perturbation des transmission des données.
La diode 26 de l'émetteur de position 25 émet un signal infra-rouge modulé qui parvient à la diode réceptrice 27 au moment où la manivelle 8 de pédalier 3 dépasse la diode émettrice 26.
Un premier tour complet de la manivelle 8 est alors utilisé pour déterminer la période T de son mouvement de rotation.
Lorsque la manivelle 8 dépasse la diode émettrice 26 pour la seconde fois, le signal reçu par la diode réceptrice 27 est amplifié par un amplificateur 30, puis adressé à un micro-contrleur 31 assurant l'activation de la cellule 12 de mesure des contraintes par commande d'un commutateur électronique 32.
Les mesures de contrainte sont opérées à une fréquence proportionnelle à la période du mouvement de rotation de la manivelle 8, par exemple T/16, chaque mesure pouvant ainsi être associée de façon fiable à une position angulaire a donnée de la manivelle 8 de pédalier 3.
Elles sont ensuite amplifiées, puis numérisées au niveau du convertisseur avant d'être temporairement stockées dans une mémoire tampon (non représentée sur les figures).
Au passage suivant de la manivelle 8 devant la diode émettrice 26 de l'émetteur de position 25, les mesures de contrainte effectuées dans l'intervalle de temps T sont déchargées via les diodes émettrice 20 et réceptrice 21 vers le récepteur de données 19.
Les mesures sont ensuite transférées vers les unités de traitement 23 et d'affichage 24 au moyen d'un amplificateur 33 et de la liaison filaire 22 décrite précédemment.
Comme représenté sur la figure 6, les composantes F1 et F2 du couple résistant s'exerçant sur le pivot 9 de pédale 6 sont mesurées selon deux directions tangentes au pivot-support 9 et perpendiculaires entre elles, déterminées par le positionnement des jauges, respectivement 13,14 et 15,16 sur ledit pivot.
Le pivot de pédale 6 étant fixé par vissage sur la manivelle 8 de pédalier 3, il résulte généralement de ce montage (voir figure 3), un écart angulaire noté ss entre les directions d'un diamètre entre deux jauges opposées réparties sur une couronne et l'axe de la manivelle 8.
Cet écart, fonction du pas de filetage du tourillon 11 du pivot-support 9, est constant et peut être mesuré directement au moyen d'un mesureur d'angle.
I1 peut aussi être déterminé par étalonnage préalable de la cellule 12 de mesure du couple résistant comme décrit ci-dessous.
La pédale 6 étant placée à son point d'équilibre stable inférieur, on la soumet à une force d'intensité connue dirigée vers le bas.
L'écart entre la force d'étalonnage connue et la résultante des composantes tangentielles F01 et F02 mesurées par les jauges selon les directions F1 et F2 est représentatif du décalage angulaire ss entre ces jauges et l'axe de la manivelle 8, dont la valeur est fournie par les relations suivantes
Figure img00070001
Figure img00080001
F1 et F2 étant les modules des contraintes tangentielles mesurées par les couples de jauges, respectivement 14,15 et 16,17 à un instant donné du cycle de pédalage, la force résultante F produite par le cycliste est donnée par la relation
Figure img00080002

avec
F1
arctg z =
F2 où z est l'angle d'application de la force F sur le pivot-support 9 de pédale 6.
Connaissant l'écartement angulaire a, et donc la position de la manivelle 8 de pédalier 3 par rapport à l'émetteur de position 25 fixe pour chaque couple de mesure F1,F2, il est donc possible de déterminer simultanément le module, de même que l'angle d'application de la force de pédalage F pour chaque position de mesure de la manivelle 8 de pédalier 3.
Conformément à l'invention, et comme représenté sur la figure 7, la force efficace de pédalage F n normale à l'axe de la manivelle 8 de pédalier 3 résulte de la décomposition de la force F perpendiculairement à l'axe de la manivelle 8 de pédalier 3, la deuxième composante Ft étant tangentielle à ce même levier suivant la relation
Figure img00080003

avec Fn = -F1sin ss + F2cos ss
Ft = -F1cos fi + F2sin fi
Etant donné que, dans l'hypothèse d'un pédalage continu, la durée de la période du mouvement de rotation de la manivelle 8 de pédalier 3 ne varie que faiblement, et que sa vitesse angulaire est sensiblement constante compte tenu de l'inertie du système, l'erreur de positionnement des points de mesure est donc faible.
Des variations dans l'effort de pédalage fourni par le cycliste, qui se traduisent par des variations plus ou moins importantes de la période du mouvement de rotation de la manivelle 8, sont donc détectées de façon rapide et fiable par l'unité de traitement 23.
On peut également enregistrer et garder en mémoire un cycle de fonctionnement, c'est-à-dire un tour de pédale, et le comparer au cycle en cours, de façon à rendre la représentation indépendante du poids du cycliste, en particulier de celui de ses jambes.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure et d'enregistrement des caractéristiques de la force de pédalage fournie par un cycliste à un ensemble de pédalage (3) d'une bicyclette (1), constitué d'une pédale (6) montée & BR< pivotement sur le disque d'entraînement (7) du pédalier (3) par un pivot-support (9) et une manivelle (8), caractérisé en ce qu'il comprend une cellule (12) de mesure du couple résistant s'exerçant sur le pivotsupport (9) de la pédale (6), et un émetteur de position (25) pour la mesure de la manivelle (8), les résultats des mesures effectuées étant transmises sous forme de signaux électriques vers une unité de stockage, de traitement et de visualisation de la force de pédalage F.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule (12) de mesure comprend au moins quatre jauges de contrainte (13,14,15,16) fixées en couronne sur le pivot-support (9) de pédale (6).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jauges de contrainte sont montées au niveau du tourillon (11) de montage du pivot-support (9) à la manivelle (8).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'émetteur de position est constitué d'une diode d'émission (26) montée sur le cadre (2) de la bicyclette (1), et d'une diode de réception montée sur la manivelle (8) de pédalier.
5. Procédé de mesure et d'analyse des caractéristiques de force motrice de pédalage caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de mesure sous forme de signaux électriques, du couple résistant auquel est soumis le pivot supportant la pédale à pivotement, ainsi que de la position angulaire de la manivelle de pédalier, ces signaux électriques étant ensuite amplifiés, puis numérisés, avant d'être transmis par télémétrie à un appareil de traitement et d'affichage des données.
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