CN1412076A - 检测旋转驱动力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

几个电能辅助人工操作设备的实施例，其中，传感器检测人工输入力而不要求空转连接和显著移动以确定所加的力。而且，公开了小型驱动器，它允许用来缠绕诸如钓鱼卷轴的筒。另外，应用了用于传感器的简化了的温度补偿系统。这样，可以容易地以传统结构利用设备而改变最小。

Description

检测旋转驱动力的方法和设备
发明领域
本发明涉及一种改进了的电动机能量辅助系统，具体涉及一种用于检测人工输入到该系统的驱动力的改进了的方法和设备。
背景技术
已经提出了多种类型的系统，其中，用电动机辅助人力。在许多类型的系统中，在其它方面，设置电动机辅助的数量与应用人力的程度有关。因而，以该原理操作的机构通常要求某种形式的人力测量设备。
这通常通过在用人力的元件和要操作的东西之间的连接中提供某种形式的空转连接。通过确定发生空转的量来测量人力应用。这样，以该原理操作的传感器要求另外向机械传动附加空转，用于至少将加到设备的人力耦合到所驱动的负载。这就难以只用附加的电动机或辅助推力来实现传统机构中的电能辅助。
因而，本发明的一个主要目的是提供一种改善了的用于电力辅助的力传感器装置、人工操作设备，尤其提供了改进了的传感器，用于检测所应用的人力而不需空转连接。
例如，在一种类型的设备中，应用了行星齿轮变速箱，它响应空转产生相对运动，然后该行星齿轮变速箱驱动力传感器。显然，这不仅使系统复杂化和增加了成本，而且难以将该系统应用到传统的非辅助机构。
在另一类型的装置中，用一对用弹簧保持相互接触的凸轮轴测量空转，当应用人力时发生相对移动。通过测量相对移动的程度来测量人力的程度。而且，该类型设备增加了成本和系统的复杂性，难以包括到传统的非辅助机构中。另外，这些设备的精确性取决于对给定力输入保持空转的一贯性程度，这要求轴承和润滑，也可受到温度改变等的负面影响。
因而，本发明的另一目的是提供一种用于电能辅助系统的改进了的力传感器，其中，不必为测量所应用的力而空转。
如上所述，温度变化可导致响应给定输入力而提供的辅助量。即使消除了空转，也可有一些问题。因而，本发明的又一目的是提供一种电能辅助系统，其中，温度变化不会对性能有负面影响。
以前应用的该类型能量辅助机构不应用在需要该辅助的应用中。例如，在诸如钓鱼卷轴的卷筒中，希望用能量辅助，但不可能用以前应用的能量辅助结构。因而，本发明的又一目的是提供一种小型的能量辅助结构，它小到足以用于这些应用。
发明内容
本发明的第一特点是适于以电力辅助的人力部件来实现。该部件包括：人工驱动元件，从操作者接收人工输入力；电动机，用于提供辅助力；传输装置用于从人工驱动元件和电动机接收驱动力和驱动该部件。力传感器检测加到人工驱动元件的人力并传送表示人力的输出信号。控制器控制电动机的操作。控制器有从力传感器接收信号的传感器输入级和用于至少从来自力传感器的信号确定电动机操作的逻辑电路。力传感器提供力信号而不需明显移动其构件。
本发明的另一特点是适于以电力辅助的人力部件来实现。根据该特点的本发明包括：人工驱动元件，从操作者接收人工输入力。也使用用于提供辅助力的电动机。传输装置从人工驱动元件和用于驱动所述部件的电动机接收驱动力。力传感器检测加到人工驱动元件的人力并传送表示人力的输出信号。控制器控制电动机的操作。控制器有从力传感器接收信号的传感器输入级和用于至少从来自力传感器的信号确定电动机操作的逻辑电路。力传感器包括第一电力设备，提供表示所加力的信号。也应用能提供表示所加力的信号的第二电力设备。人力只用于第一电力设备。第一和第二电力设备位置接近以便温度相同。最后，电路连接第一和第二电力设备以向控制器的传感器输入级提供温度补偿信号。
本发明的第三特点适于以电力辅助的人力卷轴来实现。该卷轴包括：人工驱动元件，从操作者接收人工输入力；电动机，用于提供辅助力；传输装置，用于从人工驱动元件和电动机接收驱动力和驱动卷轴。力传感器检测加到人工驱动元件的力并传送表示人力的输出信号。控制器控制电动机的操作。控制器有从力传感器接收信号的传感器输入级和用于至少从来自力传感器的信号确定电动机操作的逻辑电路。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例构成的电能辅助自行车的立面图。
图2是显示驱动和能量辅助系统构件的部分示意性框图。
图3是沿驱动轮的旋转轴取的放大截面图，并显示了力传感器装置和辅助电动机。
图4是显示力传感器和它的启动机构的分解透视图。
图5是力传感器的示意性电路图，并显示了温度补偿如何起作用。
图6是沿根据本发明第二实施例构成的能量辅助自行车的曲柄机构取的截面图，并显示了与其有关的力传感器。
图7是沿根据本发明第三实施例构成的人工旋转电动机辅助卷筒取的截面图。
图8是沿根据本发明第四实施例的有电动机的轮椅的轮轴取的截面图。
图9是沿根据本发明的第五实施例的电动机能量辅助转向机构的转向轴取的截面图。
图10是沿图9的线10-10取的截面图。
图11是图10中箭头11方向看的放大图，并显示了用于装配传感器的连接。
具体实施方式
现在详细地看图，先看图1到5的实施例，最先看图1，显示了交通工具形式的人工操作电能辅助部件，通常用参考数字21表示。本实施例中，交通工具是有管形桁架组件的形式，通常用参考数字22表示。
前轮23由框架组件22的头管(head pipe)24可操纵地支撑，并由操纵杆组件25以公知的方式操纵。
座位26由框架22的座位管27可调节地支撑，以公知的方式适应乘坐者。在座位管27的底部设有托架28，曲轴29以公知的方式可旋转地装(joumal)在上面。曲柄29的曲臂末端的踏板31由坐在座位26上的乘坐者操作，以驱动传动链轮32。
传动链轮32随后驱动链条33，链条33随后驱动从动链轮34(图3)。从动链轮34将驱动传送到后轮35，它经驱动装置装在框架组件22的后端，通常用参考数字36来表示，由图3详细地显示。
还参考图1，驱动组件36包括电力辅助电动机，它从电池37接收电能，用电池盒38将电池37带在后轮35前面的框架组件22的后部。
在参考图3详细描述驱动组件36之前，先参考图2的示意图描述总的关系。从图2所见，驱动组件36由单向离合器39组成，在本具体实施例中，它插在从动链轮34和后轮35之间的连接中。单向离合器随后经毂壳41将驱动传送到后轮。以上述方式用该传输关系放入踏板力检测器42。然而，应当注意，不像已有技术的结构，踏板力检测器42不要求空转来操作。因此，可以应用更简单的检测器，可以用传统的基本驱动装置和毂结构并装在传统的外壳中。
在将人力传输到后轮35之外，也从电动机提供选择能量辅助，在图2中用43示意性表示。该电动机43以下面参考图3详细描述的方式辅助毂壳41的驱动。
电动机43有从电池37经控制器44供应的电能。控制器44可以是本领域中任何已知类型的控制器，基本以下面的原理操作：电动机辅助的量与乘坐者加到踏板31的力成正比，这由踏板力检测器42来确定。也可操作控制器44为提供在较低速时更大的变化能量辅助，随交通工具加速而减小，尤其是后轮驱动35增大时。当然，本领域的技术人员可以容易地理解如何结合不同类型的控制装置来应用本发明。还要说明的是，虽然本实施例结合诸如自行车的交通工具描述了本发明，但是，从下面的描述可以知道了，本发明可以用多种类型的人工操作电源(其中要有电能辅助)。
现在详细参考图3，毂壳41由第一常规杯形部分45构成，它限定了以上述方式放置毂壳41的空间。该空间由完成组装的毂壳41的盖板46闭合。它们限定了凸缘47和48，在凸缘47和48上以本领域公知的方式结合后轮43的辐条。
毂壳41可旋转地装在框架组件22上。由与延伸部49(由电动机43的外壳51构成)协作的第一轴承40提供该装。延伸部49终止在以公知方式固定到自行车框架22的轴52上。在其对侧，毂壳41装在短轴53上。由包含在毂壳端盖46的圆柱形延伸部50提供装。
从动链轮34经单向离合器39连接到螺旋形花键连接的外部件55，由在部件55的内部形成的螺旋形花键中的滚珠56和毂壳端盖46的突起50的外表面提供螺旋形花键连接。由滚珠56提供的螺旋形连接稍微倾斜以便在毂壳41上产生轴向力，尤其是在驱动力的影响下在其端板46上产生轴向力。如下将会明了，测量该力和给踏板力检测器42提供信号，本实施例中它由以将要描述的方式装配的磁致伸缩传感器42构成。
来自电动机43的电能辅助被经行星齿轮变速箱传输给毂壳41，通常由参考数字57来表示。该传输装置包括附着到电动机43外轴的中心齿轮58。用环形隔开且装在行星齿轮架61上的三个行星齿轮(图3中只画了一个)的较大直径齿轮部分59罩住中心齿轮58。用与毂壳端盖46相关且装配在盖板上的环形齿轮63罩住这些行星齿轮的较小直径部分62。到此为止，环形齿轮63经单向离合器65与装配部件64连接。装配部件64经过载断开66(在过度负载时断开以防止损坏)与毂壳端盖46连接。当然，所描述的传输装置只是许多可用于从电动机43将驱动传输给后轮35的类型中的一种。
现在主要参考图3和4描述将人工驱动力程度传输给踏板力检测器42的装置。已经注意到由滚珠56提供的螺旋形花键连接响应驱动力在毂壳41上引起轴向力。在毂壳端盖46的末端和部件55之间设有防水密封67。部件55与受力环68啮合，如图4所见，尤其与其外延接头部分69啮合。这些接头部分69容纳在形成在毂壳端盖46的开口中的多个槽71中以便防止它们旋转。
受力环68反过来承受止推轴承72，止推轴承72反过来与固位器73啮合。它反过来与有一对也固位在开口71中的臂部的横梁74啮合，这样防止旋转。横梁74与磁致伸缩传感器42的检测器部分75啮合。该传感器42反过来装配在电动机43的盖的延伸部76上。应当注意，通过连接到传感器42来抵抗一个方向的驱动推力。倒置踏板旋转事件中的驱动推力，并由端盖46的延伸部50的端部77用相对于车轴53固定的推力部件78来承受。
根据本发明的温度补偿特点，在传感器组件42的一侧装配虚拟传感器42a，并设在电路(下面参考图5进行描述)中，以提供温度补偿。现在参考图5，描述随着温度补偿的踏板力检测器42的电连接。
在传感器42和虚拟传感器42a和一对电阻器R1和R2之间形成桥接电路。它们的输出连接到放大器79，它输出因传感器42和虚拟传感器42a的输出端子之间不平恒电压的温度补偿信号，不接收负载。放大器79将它的信号输出到控制器44，如图2所见，以提供踏板力信号而不需明显移动构件，这样，避免了已有技术的空转连接。
因此，从上文的描述，容易理解：应用本实施例所示的结构不需改变自行车框架的基本结构，只要求将辅助机构包括在从动轮的毂壳中。虽然踏板力检测器位于踏板力到从动链轮的连接处，也可以在邻近肋骨衬板28的传动链轮32处应用类似的装置而不对交通工具21的基本框架组件进行任何其它改变。图6显示了这样的实施例，现在参考图6进行描述。本实施例中用参考数字101表示的曲轴用一对横向间隔的滚珠轴承102支撑在肋骨衬板28中。
这里用103表示的传动链轮用紧固零件连接到与曲轴101连接的螺旋形花键连接的外部元件105。该螺旋形花键连接包括多个滚珠106。当在传动链轮103上加旋转力时，该力被传输给花键外部元件105，螺旋形花键中的滚珠106在要使它向左移动的外部元件105上加轴向力。
一系列环形间隔的卷簧107按压推力板108，推力板108反过来对与磁致伸缩传感器112的接触臂111啮合的力发射器109作用。在上述实施例中，磁致伸缩传感器112在有虚拟传感器112a的电路中，在上述实施例中虚拟传感器112a装配在它附近且在桥接电路中以向控制器提供力信号。
固定在曲轴101的对侧且与主动链轮103邻近的推力板113对抗曲轴101旋转移动所加到主动链轮103的反向推力。
在这样描述的两个实施例中，上文已结合对人力自行车的电能辅助描述了本发明。图7显示了以人力卷轴或筒(如钓鱼卷轴)来实现的本发明的另一实施例，它设有电能辅助。该卷轴机构通常用参考数字151来表示。
卷轴包括由在其相对侧用端盖153和154封闭的中心部件152。用紧固零件156将卷筒155附着到卷轴157的一端。该卷轴157用一对隔开的滚珠轴承158装在外壳部件152中。曲柄臂159从筒155固定到曲轴157的对端，用于人工旋转筒155以便在上面绕线等。
通常用参考数字160表示的电力辅助电动机装配在外壳中。电动机160有用一对由端板153承载的滚针轴承162装的输出轴161和主外壳部件152。电动机输出轴161的一端形成有整体小齿轮163，它驱动减速齿轮164。减速齿轮164与另一减速齿轮165啮合，减速齿轮165用螺纹紧固件166固定到和曲轴157的螺旋形花键连接的外部件167。与曲轴157的连接包括滚珠168。
当加到手摇曲柄159上的人力摇动曲柄158时，因为外部件167的花键连接，在筒155上取一条线加轴向力。这就在推力部件168上加了力，反过来与推力板169啮合。推力板169与磁致伸缩传感器172的接头171啮合。
该传感器172设在有控制器的桥接电阻器电路中，如所描述的第一实施例那样，与虚拟传感器172a一起提供温度补偿。这样，再检测该力而不需空转连接也不需启动传感器的任何显著移动。
当手摇曲柄159反向时，在传感器172和172a的对侧附着到曲轴157上的推力垫环173取该方向的推力。
可以在电动机从动齿轮165和花键连接的部件167之间的连接插入单向离合器(未画)，以便允许反向旋转而不在该条件下驱动电动机轴161。
图8显示了本发明的另一实施例，它利用了类似图7的电能辅助机构，但是这种情况下，用于驱动仅部分显示了的轮椅的轮，通常用参考数字201来表示。轮椅的轮以202表示且与使其与乘坐者操作手轮204相关联，操作者可以用它来旋转轮椅的轮202。螺纹固紧件204将手轮203连接到轮椅的轮202。
轮椅的轮202附着到轴的一端，由于它的电动机辅助和传感器装置与图7所示相同，所以该轴用与图7实施例中曲轴相同的参考数字157表示。因此，用图7中相同的参考数字表示相似的构件，对于实践本发明，相信对本领域的技术人员来说不必再描述了。然而，包括外壳部件152的外壳组件和其端盖153和154以任何与其的方式附着到轮椅2-1的框架上，这样简化了将电动机辅助添加到传统轮椅结构。
图9到11显示了本发明的又一实施例，它适于应用在用于交通工具的电力辅助人工操作的操纵系统中，部分显示了该实施例并用参考数字251表示。该操纵机构251包括人工操作转向轴252，它用间隔滚针轴承254装在外壳组件253中。
在转向轴252的下端，设有短轴255，转向轴252用与销钉256连接的销钉连接连接到短轴255。轴255的下端有由销钉257连接到交通工具的转向轴258的销钉连接，它以任何已知的方式连接到交通工具的轮。
对于转向的能量辅助，提供了电力转向辅助电动机，通常用参考数字259表示，它有附着有蜗轮261的输出轴。该蜗轮261与固定到转向轴258的蜗轮262啮合以提供能量辅助。
本实施例中，电力辅助电动机259是可逆电动机，当转向轴252以两个方向中任何一个旋转且加有适当的力时给予能量辅助。转向力传感器装置(通常用参考数字263表示)包括外花键连接部件264，它有用包括多个滚珠265的装置与转向轴252下端的花键连接。
如图10和11所见，销钉256通过转向轴252下端的开口，拉长转向轴252以便为承载在销钉256的末端的辊部件清除转向轴252旋转轴方向上的东西。卷压簧268载在部件264中，分别对抗上、下推力部件269和271。这些部件269和271反过来作用于垫板272和273，它们与上和下磁致伸缩传感器275和276的接触元件274相啮合。
由于在两个方向上都要求能量辅助，根据旋转方向响应输入到转向轴252的转向力启动传感器275和276。这些传感器275和276放在电路中，电路包括用于如上述实施例的温度补偿的虚拟传感器277。这样，补偿后的输出就被输出到控制器，用于根据任何已知的方案提供预期程度的能量辅助。
这样，从上文描述可以明了，公开的实施例都提供了很有效的力传感器，用于检测多种设备中电能辅助控制的人工输入力。由于传感器不要求显著移动，在系统中不存在空转，简化了预期部件中设备的组合而不改变要能量辅助的设备的基本结构。虽然所有说明的实施例都应用磁致伸缩传感器来检测力，但是可以应用其它类型的力而非移动检测传感器(如应变计)来检测经螺旋形花键连接产生的力。当然，上文描述了本发明的优选实施例，可以进行多种改变和修改而不背离本发明的精神和范围，如所附权利要求限定的那样。

Claims (31)

1.一种电力辅助的人力部件，人工驱动元件从操作者接收人工输入力，电动机用于提供辅助力，传输装置用于从所述人工驱动元件和所述电动机接收驱动力和驱动所述部件，力传感器用于检测加到所述人工驱动元件的人力和传送表示所述人力的输出信号，控制器用于控制所述电动机的操作，所述控制器有用于从所述力传感器接收信号的传感器输入级和用于至少从来自所述力传感器的所述信号确定所述电动机操作的逻辑电路。
2.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，力传感器是磁致伸缩传感器。
3.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，力传感器是应力检测传感器。
4.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，部件包括用于按地形推进交通工具的推进元件。
5.根据权利要求4的电力辅助人力部件，其中，推进元件包括陆地交通工具的轮子。
6.根据权利要求5的电力辅助人力部件，其中，交通工具包括自行车。
7.根据权利要求5的电力辅助人力部件，其中，交通工具包括轮椅。
8.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，部件包括筒，人工驱动元件包括手摇曲柄。
9.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，部件包括可操纵轮，人工驱动元件包括转向轴。
10.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，人工驱动元件可在两个相反方向上移动。
11.根据权利要求10的电力辅助人力部件，其中，力传感器只在一个方向上检测人力，电动机只用于在一个方向上提供辅助力。
12.根据权利要求10的电力辅助人力部件，其中，力传感器在两个方向上检测人力，电动机用于两个方向上提供辅助力。
13.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，加到力传感器的力是传输装置中螺旋形花键连接衍生的力。
14.根据权利要求13的电力辅助人力部件，其中，螺旋形花键连接在将人工驱动元件连接到部件的传输装置部分中。
15.根据权利要求14的电力辅助人力部件，其中，人工驱动元件可在两个相反方向上移动。
16.根据权利要求15的电力辅助人力部件，其中，力传感器只在一个方向上检测力，电动机只用于在这一个方向上提供辅助力。
17.根据权利要求16的电力辅助人力部件，其中，当驱动元件的人力在这一个方向相反的方向上时，推力承受部件对抗螺旋形花键连接的轴向相对移动。
18.根据权利要求14的电力辅助人力部件，其中，部件包括用于按地形推进交通工具的推进元件。
19.根据权利要求15的电力辅助人力部件，其中，交通工具是自行车，人工驱动元件包括踏板驱动曲轴。
20.根据权利要求19的电力辅助人力部件，其中，传输装置包括由踏板驱动曲轴驱动的主动链轮、由主动链轮驱动的链和与包括部件的从动轮有关的从动链轮。
21.根据权利要求17的电力辅助人力部件，其中，螺旋形花键连接在主动链轮和踏板驱动曲轴之间的连接中。
22.根据权利要求21的电力辅助人力部件，其中，螺旋形花键连接在从动链轮和从动轮之间的连接中。
23.根据权利要求15的电力辅助人力部件，其中，交通工具是轮椅，人工驱动元件包括转向轮。
24.根据权利要求15的电力辅助人力部件，其中，部件包括可操纵的轮，人工驱动元件包括转向轴。
25.根据权利要求15的电力辅助人力部件，其中，部件包括筒，人工驱动元件包括手摇曲柄。
26.根据权利要求1的电力辅助人力部件，其中，力传感器与有补偿传感器的电路中的负载连接，所述补偿传感器不经历(experience)负载但在所述力传感器附近，以提供温度补偿。
27.根据权利要求26的电力辅助人力部件，其中，力传感器包括第一电力设备，提供表示所加的力的信号，补偿传感器包括提供表示所加的力的第二电力设备，人力只加到所述第一电力设备，所述第一和所述第二电力设备位置邻近以便温度相同，电路连接所述第一和所述第二电力设备以向所述控制器的所述传感器输入级提供温度补偿信号。
28.根据权利要求27的电力辅助人力部件，其中，连接第一和第二电力设备的电路是桥接电路，包含分别与所述第一和所述第二电力设备串联的第一和第二电阻器。
29.一种电力辅助人力部件，人工驱动元件从操作者接收人工输入力，电动机用于提供辅助力，传输装置用于从所述人工驱动元件和所述电动机接收驱动力和驱动所述部件，力传感器用于检测加到所述人工驱动元件的人力和传送表示所述人力的输出信号，控制器用于控制所述电动机的操作，所述控制器有用于从所述力传感器接收信号的传感器输入级和用于至少从来自所述力传感器的所述信号确定所述电动机操作的逻辑电路，所述力传感器包括提供表示所加力的信号的第一电力设备、提供表示所加力的信号的第二电力设备，人力只加到所述第一电力设备，所述第一和所述第二电力设备位置邻近以便温度相同，电路连接所述第一和所述第二电力设备以向所述控制器的所述传感器输入级提供温度补偿信号。
30.根据权利要求29的电力辅助人力部件，其中，连接第一和第二电力设备的电路是桥接电路，包含分别与所述第一和所述第二电力设备串联的第一和第二电阻器。
31.一种用于线的电力辅助的人力卷轴，人工驱动元件从操作者接收人工输入力，电动机用于提供辅助力，传输装置用于从所述人工驱动元件和所述电动机接收驱动力和驱动所述卷轴，力传感器用于检测加到所述人工驱动元件的人力和传送表示所述人力的输出信号，控制器用于控制所述电动机的操作，所述控制器有用于从所述力传感器接收信号的传感器输入级和用于至少从来自所述力传感器的所述信号确定所述电动机操作的逻辑电路。
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