CN106197788A - 力矩传感器系统、力矩信号测量方法、电动助力自行车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种力矩传感器系统、力矩信号测量方法、电动助力自行车，涉及交通工具技术领域，以解决现有的力矩传感器系统通常需要随动力输入轴转动才能准确测量骑行者提供的踩踏力的技术问题。本发明所述的力矩传感器系统中，包括：行星齿轮机构，行星齿轮机构包括动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件；力矩检测部件处设置有弹性体，该弹性体上设置有力矩传感器；外力通过行星齿轮机构的动力输入部件输入、并通过动力输出部件输出时，行星齿轮机构输出动力的反作用力能够传递至力矩检测部件处的弹性体上，并引发弹性体发生形变，同时力矩传感器通过测量弹性体的形变并获取到输入力矩的大小。本发明主要应用于电动助力自行车中。

Description

力矩传感器系统、力矩信号测量方法、电动助力自行车
技术领域
本发明涉及交通工具技术领域，尤其涉及一种力矩传感器系统、力矩信号测量方法、电动助力自行车。
背景技术
电动助力自行车是指在普通自行车的基础上，安装有电机、控制器等部件，并以电池作为辅助能源的个人交通工具。电动助力自行车以电力辅助人力来提供自行车行进所需的动能时，可通过力矩传感器系统来检测骑行时骑行者施加于自行车的力，以供控制器判断骑行者的意图，控制器根据人力的输出情况控制电机的输出，使得人力与电机输出相匹配，共同驱动自行车行进。
现有技术中的一种力矩传感器系统，是将力矩传感器设于自行车中轴随中轴旋转，并通过无线信号发射与接收装置(或其它非接触式信号传输装置)把力矩传感器的测量信号传送给控制器；其中，无线信号发射装置固定于中轴，并与力矩传感器电连接以采集力矩传感器的测量信号，再以非接触方式将该力矩传感器的测量信号传送至固定于车体的无线信号接收装置；具体地，为了保证力矩传感器的测量信号在传送过程中不发生衰减或遗失，系统中还需要设置信号放大装置、信号调制装置和信号解调装置；同时，为了保证旋转部分器件的供电，还需要使用导电滑环、电感线圈或其它无线供电方式以实现电力的供给。
现有技术中的另一种力矩传感器系统中，该力矩传感器把行星齿轮机构的太阳齿轮、行星齿轮(行星齿轮架)、外齿圈三个部件中的一个作为动力输入部件、一个作为动力输出部件、并在另一部件上设置限制其转动角度的限位机构；该限位机构包括与该部件相连接的摆杆、带动摆杆复位的复位弹簧以及限制摆杆的限位件，并能够通过复位弹簧所产生的反向力矩来检测外部输入部件传输给行星齿轮机构的力矩。具体地，外部输入的力矩能够通过动力输入部件传入行星齿轮机构，并产生一个主动转矩作用于复位弹簧，当该主动转矩大于复位弹簧产生的反向转矩时，会带动摆杆摆动一定的角度，同时由力矩信号机构即时采集摆杆的摆角信息并以此确定力矩的大小。
然而，本申请发明人发现，采用上述第一种形式的力矩传感器系统，通常结构较复杂、生产成本较高，同时采用无线传输和无线供电方式，系统的功耗也较大；采用上述第二种形式结构的力矩传感器系统，每次开始测量时均需要行星齿轮机构产生一定的位移，从而造成获取力矩信号时的灵敏度不高，并且力矩信号是通过复位弹簧带动摆杆所摆动的角度而获取，因此测量精度也有所不足。
因此，如何提供一种无需随动力输入轴转动即可准确测量骑行者提供的踩踏力的力矩传感器系统，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力矩传感器系统、力矩信号测量方法、电动助力自行车，以解决现有的力矩传感器系统通常需要随动力输入轴转动才能准确测量骑行者提供的踩踏力的技术问题。
本发明提供一种力矩传感器系统，包括：行星齿轮机构，所述行星齿轮机构包括动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件；所述力矩检测部件处设置有弹性体，所述弹性体上设置有力矩传感器；外力通过所述行星齿轮机构的所述动力输入部件输入、并通过所述动力输出部件输出时，所述行星齿轮机构输出动力的反作用力能够传递至所述力矩检测部件处的所述弹性体上，并引发所述弹性体发生形变，同时所述力矩传感器通过测量所述弹性体的形变并获取到输入力矩的大小。
实际应用时，所述力矩传感器系统还包括：信号处理装置，所述信号处理装置能够用于接收所述力矩传感器的力矩信号，并将所述力矩信号传输给控制装置。
其中，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的外齿圈；所述弹性体与所述外齿圈采用同轴方式固定连接。
其中，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的外齿圈；所述弹性体与所述外齿圈采用同轴方式固定连接。
其中，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的太阳轮；所述弹性体与所述太阳轮采用同轴方式固定连接。
其中，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的太阳轮；所述弹性体与所述太阳轮采用同轴方式固定连接。
其中，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的行星架；所述弹性体与所述行星架采用同轴方式固定连接。
其中，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的行星架；所述弹性体与所述行星架采用同轴方式固定连接。
相对于现有技术，本发明所述的力矩传感器系统具有以下优势：
本发明提供的力矩传感器系统中，包括：行星齿轮机构，该行星齿轮机构包括动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件；其中，力矩检测部件处设置有弹性体，该弹性体上设置有力矩传感器；具体地，外力通过行星齿轮机构的动力输入部件输入、并通过动力输出部件输出时，行星齿轮机构输出动力的反作用力能够传递至力矩检测部件处的弹性体上，并引发弹性体发生形变，同时力矩传感器通过测量弹性体的形变并获取到输入力矩的大小。由此分析可知，本发明提供的力矩传感器系统中，由于将力矩传感器固定设于行星齿轮机构的力矩检测部件处的弹性体上，因此力矩传感器无需跟随旋转部件(动力输入部件或动力输出部件)转动，从而能够直接将力矩信号传送给控制器而无需通过非接触式信号传输的方式，进而有效减少了结构的复杂度；并且，本发明提供的力矩传感器系统能够直接测量到原始的力矩信号而无需进行信号转换，从而力矩信号的测量灵敏度和精确度也较高；同时，由于无需使用无线传输和无线供电方式，因此避免了用于无线信号传输的信号调制装置、信号放大装置、信号发射装置、信号接收装置、信号解调装置等，以及用于无线供电的导电滑环、电感线圈、无线供电发射装置、无线供电接收装置、整流滤波装置等，从而有效降低了生产成本和系统功耗。
本发明还提供一种力矩信号测量方法，包括如下步骤：外力通过行星齿轮机构的动力输入部件输入，并通过动力输出部件输出；所述行星齿轮机构输出动力的反作用力传递至力矩检测部件处的弹性体上，并引发所述弹性体发生形变；力矩传感器通过测量所述弹性体的形变以获取输入力矩的大小，并作为所述外力的力矩信号。
所述力矩信号测量方法与上述力矩传感器系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明再提供一种电动助力自行车，包括：如上述任一项所述的力矩传感器系统。
所述电动助力自行车与上述力矩传感器系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种力矩传感器系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种力矩传感器系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的再一种力矩传感器系统的结构示意图；
图4为实施例一提供的力矩传感器系统的结构示意图；
图5为实施例二提供的力矩传感器系统的结构示意图；
图6为实施例三提供的力矩传感器系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的力矩信号测量方法的方法流程示意图。
附图标记：
1－行星齿轮机构； 2－弹性体；
3－力矩传感器； 101－行星架；
102－太阳轮； 103－外齿圈；
4－连接器； 51－中置电机中轴；
52－单向器； 53－输出盘；
54－自行车中轴； 55－自行车链盘；
56－轮毂链盘； 57－轮毂电机外转子；
58－轮毂电机中轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例提供的一种力矩传感器系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的另一种力矩传感器系统的结构示意图；图3为本发明实施例提供的再一种力矩传感器系统的结构示意图。
如图1－图3所示，本发明实施例提供的一种力矩传感器系统，包括：行星齿轮机构1，行星齿轮机构1包括动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件；力矩检测部件处设置有弹性体2，弹性体2上设置有力矩传感器3；外力通过行星齿轮机构1的动力输入部件输入、并通过动力输出部件输出时，行星齿轮机构输出动力的反作用力能够传递至力矩检测部件处的弹性体2上，并引发弹性体2发生形变，同时力矩传感器3通过测量弹性体2的形变并获取到输入力矩的大小。
相对于现有技术，本发明实施例所述的力矩传感器系统具有以下优势：
本发明实施例提供的力矩传感器系统中，如图1－图3所示，包括：行星齿轮机构1，该行星齿轮机构1包括动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件；其中，力矩检测部件处设置有弹性体2，该弹性体2上设置有力矩传感器3；具体地，外力通过行星齿轮机构1的动力输入部件输入、并通过动力输出部件输出时，行星齿轮机构输出动力的反作用力能够传递至力矩检测部件处的弹性体2上，并引发弹性体2发生形变，同时力矩传感器3通过测量弹性体2的形变并获取到输入力矩的大小。由此分析可知，本发明实施例提供的力矩传感器系统中，由于将力矩传感器3固定设于行星齿轮机构1的力矩检测部件处的弹性体2上，因此力矩传感器3无需跟随旋转部件(动力输入部件或动力输出部件)转动，从而能够直接将力矩信号传送给控制器而无需通过非接触式信号传输的方式，进而有效减少了结构的复杂度；并且，本发明实施例提供的力矩传感器系统能够直接测量到原始的力矩信号而无需进行信号转换，从而力矩信号的测量灵敏度和精确度也较高；同时，由于无需使用无线传输和无线供电方式，因此避免了用于无线信号传输的信号调制装置、信号放大装置、信号发射装置、信号接收装置、信号解调装置等，以及用于无线供电的导电滑环、电感线圈、无线供电发射装置、无线供电接收装置、整流滤波装置等，从而有效降低了生产成本和系统功耗。
此处需要补充说明的是，如图1－图3所示，上述动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件可以分别为太阳轮、行星架和外齿圈，且三者之间均可以相互转换。例如：如图1所示，力矩检测部件可以为外齿圈103，外齿圈103处设置有弹性体2，该弹性体2上设置有力矩传感器3；如图2所示，力矩检测部件可以为太阳轮102，太阳轮102处设置有弹性体2，该弹性体2上设置有力矩传感器3；如图3所示，力矩检测部件可以为行星架101，行星架101处设置有弹性体2，该弹性体2上设置有力矩传感器3。
实际应用时，本发明实施例提供的力矩传感器系统还包括：信号处理装置，该信号处理装置能够用于接收上述力矩传感器3的力矩信号，并将所述力矩信号传输给控制装置，从而便于控制器能够根据骑行者的骑行情况合理地对电机的助力大小进行调整。
其中，如图1所示，上述动力输入部件可以为行星齿轮机构1的行星架101，上述动力输出部件可以为行星齿轮机构1的太阳轮102，上述力矩检测部件可以为行星齿轮机构1的外齿圈103；具体装配时，弹性体2可以通过连接器4与外齿圈103采用同轴方式固定连接。或(图中未示出)，动力输入部件可以为太阳轮102，动力输出部件可以为行星架101，力矩检测部件可以为外齿圈103；相应地，弹性体2可以通过连接器4与外齿圈103采用同轴方式固定连接。
实施例一：
图4为实施例一提供的力矩传感器系统的结构示意图。
实施例一提供一种用于电动助力自行车的中置电机力矩传感器系统。具体地，如图4结合图1所示，在中置电机中轴51上设置有行星齿轮机构1，且该行星齿轮机构1采用行星架101输入、太阳轮102输出的形式。实际装配和运行过程中，行星齿轮机构1的行星架101与中置电机中轴51之间可以设有单向器52，动力通过中置电机中轴51输入、并通过单向器52传递至行星架101；行星齿轮机构1的太阳轮102可以与输出盘53传动连接，并通过太阳轮102将动力输出；行星齿轮机构1的外齿圈103可以与弹性体2通过连接器4连接，且弹性体2固定在中置电机内，从而弹性体2上设置的力矩传感器3能够检测骑行者提供给自行车的踩踏力，并通过信号处理装置传输给控制装置以进行处理。
实施例二：
图5为实施例二提供的力矩传感器系统的结构示意图。
实施例二提供一种用于电动助力自行车的中轴力矩传感器系统。具体地，如图5结合图1所示，在自行车中轴54上设置有行星齿轮机构1，且该行星齿轮机构1采用行星架101输入、太阳轮102输出的形式。实际装配和运行过程中，行星齿轮机构1的行星架101可以与自行车中轴54固定连接，动力通过自行车中轴54输入并传递至行星架101；行星齿轮机构1的太阳轮102可以与自行车链盘55固定连接，并通过太阳轮102将动力输出；行星齿轮机构1的外齿圈103可以与弹性体2通过连接器4连接，且弹性体2固定在自行车车架上，从而通过弹性体2上设置的力矩传感器3能够检测骑行者提供给自行车的踩踏力，并通过信号处理装置传输给控制装置以进行处理。
其中，如图2所示，上述动力输入部件可以为行星齿轮机构1的行星架101，上述动力输出部件可以为行星齿轮机构1的外齿圈103，上述力矩检测部件可以为行星齿轮机构1的太阳轮102；具体装配时，弹性体2可以通过连接器4与太阳轮102采用同轴方式固定连接。或(图中未示出)，动力输入部件可以为外齿圈103，动力输出部件可以为行星架101，力矩检测部件可以为太阳轮102；相应地，弹性体2可以通过连接器4与太阳轮102采用同轴方式固定连接。
实施例三：
图6为实施例三提供的力矩传感器系统的结构示意图。
实施例三提供一种用于电动助力自行车的轮毂电机力矩传感器系统。具体地，如图6结合图2所示，在轮毂电机中设置有行星齿轮机构1，且该行星齿轮机构1采用行星架101输入、外齿圈103输出的形式。实际装配和运行过程中，行星齿轮机构1的行星架101可以与轮毂链盘56固定连接，动力由行星架101输入；行星齿轮机构1的外齿圈103可以与轮毂电机外转子57之间设置有单向器52，并通过该单向器52将动力输出；行星齿轮机构1的太阳轮102(可以)即为弹性体2并与轮毂电机中轴58固定连接，从而通过行星齿轮机构1的太阳轮102上设置的力矩传感器3能够检测骑行者提供给自行车的踩踏力，并通过信号处理装置传输给控制装置以进行处理。
其中，如图3所示，上述动力输入部件可以为行星齿轮机构1的外齿圈103，上述动力输出部件可以为行星齿轮机构1的太阳轮102，上述力矩检测部件可以为行星齿轮机构1的行星架101；具体装配时，弹性体2可以通过连接器4与行星架101采用同轴方式固定连接。或(图中未示出)，动力输入部件可以为太阳轮102，动力输出部件可以为外齿圈103，力矩检测部件可以为行星架101；相应地，弹性体2可以通过连接器4与行星架101采用同轴方式固定连接。
图7为本发明实施例提供的力矩信号测量方法的方法流程示意图。
本发明实施例还提供一种力矩信号测量方法，如图7所示，可以包括如下步骤：S1、外力通过行星齿轮机构的动力输入部件输入，并通过动力输出部件输出；S2、行星齿轮机构输出动力的反作用力传递至力矩检测部件处的弹性体上，并引发弹性体发生形变；S3、力矩传感器通过测量弹性体的形变以获取输入力矩的大小，并作为外力的力矩信号。
本发明实施例再提供一种电动助力自行车，包括：如上述任一项所述的力矩传感器系统。
本发明实施例提供的力矩传感器系统、力矩信号测量方法、电动助力自行车主要具有以下四点优势：
1、将力矩传感器设于行星齿轮机构的力矩检测部件处的弹性体上，无需转动即可获取力矩信号，且该力矩信号为直接采集的原始力矩信号而不是经过换算得到的信号，因此有效减少了结构的复杂度；
2、采用力矩传感器直接将测量的力矩信号传递给控制器，无需通过非接触式信号方式进行传输，减少了中间的信号转换及处理环节，从而有效提高了力矩传感器测量信号的灵敏度和精确度；
3、力矩传感器无需采用无线方式进行供电，可避免使用导电滑环、电感线圈、无线供电发射装置、无线供电接收装置、整流滤波装置等，从而不仅有效减少了干扰源，而且降低了生产成本和系统功耗；
4、力矩传感器无需采用无线方式进行信号传输，可避免使用信号调制装置、信号放大装置、信号发射装置、信号接收装置、信号解调装置等，即减少了干扰源又使得信号免于被干扰而增强了信号的完整性，同时还降低了生产成本，减小了系统的功耗。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种力矩传感器系统，其特征在于，包括：行星齿轮机构，所述行星齿轮机构包括动力输入部件、动力输出部件和力矩检测部件；所述力矩检测部件处设置有弹性体，所述弹性体上设置有力矩传感器；
外力通过所述行星齿轮机构的所述动力输入部件输入、并通过所述动力输出部件输出时，所述行星齿轮机构输出动力的反作用力能够传递至所述力矩检测部件处的所述弹性体上，并引发所述弹性体发生形变，同时所述力矩传感器通过测量所述弹性体的形变并获取到输入力矩的大小。
2.根据权利要求1所述的力矩传感器系统，其特征在于，还包括：信号处理装置，所述信号处理装置能够用于接收所述力矩传感器的力矩信号，并将所述力矩信号传输给控制装置。
3.根据权利要求1或2所述的力矩传感器系统，其特征在于，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的外齿圈；
所述弹性体与所述外齿圈采用同轴方式固定连接。
4.根据权利要求1或2所述的力矩传感器系统，其特征在于，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的外齿圈；
所述弹性体与所述外齿圈采用同轴方式固定连接。
5.根据权利要求1或2所述的力矩传感器系统，其特征在于，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的太阳轮；
所述弹性体与所述太阳轮采用同轴方式固定连接。
6.根据权利要求1或2所述的力矩传感器系统，其特征在于，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的行星架，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的太阳轮；
所述弹性体与所述太阳轮采用同轴方式固定连接。
7.根据权利要求1或2所述的力矩传感器系统，其特征在于，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的行星架；
所述弹性体与所述行星架采用同轴方式固定连接。
8.根据权利要求1或2所述的力矩传感器系统，其特征在于，所述动力输入部件为所述行星齿轮机构的太阳轮，所述动力输出部件为所述行星齿轮机构的外齿圈，所述力矩检测部件为所述行星齿轮机构的行星架；
所述弹性体与所述行星架采用同轴方式固定连接。
9.一种力矩信号测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
外力通过行星齿轮机构的动力输入部件输入，并通过动力输出部件输出；
所述行星齿轮机构输出动力的反作用力传递至力矩检测部件处的弹性体上，并引发所述弹性体发生形变；
力矩传感器通过测量所述弹性体的形变以获取输入力矩的大小，并作为所述外力的力矩信号。
10.一种电动助力自行车，其特征在于，包括：如上述权利要求1－8任一项所述的力矩传感器系统。
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