本发明涉及设置在电助自行车的后车架的扭矩感测装置，尤指一种凭借两组位移检知单元分别安装在后轮后车架的上叉臂及下叉臂，以经力学分析，与适当的将两组位移检知单元取得的信号，经由一处理单元加以数学运算后，可消除所有与路面垂直方向的力量，进而取得骑乘者骑乘时两脚的踩踏扭矩；且本发明于设置时无需另行装设旋转接头，本发明制造与装置简单，并具有信号测量精确，及可测得骑乘者的踩踏扭矩的优点。
背景技术：
基于环保与乘骑轻松、舒适的需求，市场上已有多种不同的电助脚踏车，而电助脚踏车的系统可依电助马达的装置位置分为前轮、后轮与中置系统，为了要让马达能随时提供适确的辅助扭力，扭矩感测装置对电助脚踏车则是一项非常重要的装置。
现己有多种不同的扭矩感测装置(torquesensor)，它们大多是将感知单元(sensor)安装在脚踏车上的脚踏曲柄轴、脚踏板、脚踏杆、后轮轴、前齿盘、链条或后车架。但这些扭矩感测装置，多会有一些下列的缺失，如：仅能传递单脚的采踏扭力、须旋转接头或无线传送的装置(含电池)、扭力信号不稳定与易受外力干扰。因此，在实际使用时往往会不方便，扭力控制不精确。
而将感知单元(sensor)安装在脚踏车上的脚踏曲柄轴、脚踏板、脚踏杆的扭矩感测装置，仅能传递单脚的采踏扭力，也须旋转接头或无线传送的装置(含电池)。将感知单元(sensor)安装在后轮轴、前齿盘的扭矩感测装置，虽能传递双脚的采踏扭力，但也须旋转接头或无线传送的装置(含电池)，且扭力信号不稳定，易受外力与振动的干扰。将感知单元(sensor)装置经带辊轮的连杆而架设在链条上的扭矩感测装置，虽能传递双脚的采踏扭力，也无须旋转接头或无线传送的装置(含电池)，但扭力信号极易受链条的不平滑、路面、载重与振动的干扰。
而现有另提供一种概如美国专利公开第2009/0120211号的「一种测量链条带动力的方法与装置(methodanddeviceformeasuringthechainforceinabicycle)」，其是将两组设计复杂的位移感测器，分别安装在后车架两边的后叉端与后轮轴耦合处22、23。在量出两处因水平位移而产生的两个作用力fl，fr后，进而相加，如此量得链条的带动力。但如图1所示，后车架的后叉端有两只不同方向的后车架。由于任何垂直于路面的力量n(如人车的重量、载重、路面的不平整、链条带动力的垂直分力)，均可被分解成沿着后叉端两只不同后车架方向的分力fa，fb。其中，沿下叉臂方向的水平分力fa、沿下叉臂方向的水平分力fb，与任何垂直于路面的力量n，分别存在如下式1、式2的数学关系：
fa＝ntanθ(式1)
fb＝n/cosθ(式2)
此沿下叉臂方向的水平分力fa，将会在后车架后叉端与后轮轴耦合处产生水平位移。因此，该专利除了扭矩感测装置设计复杂外，该方法所拟量取的水平位移作用力，必然包含垂直于路面的力量n在水平位移方向的分力，也即量取的水平位移作用力易受路面、载重与振动的干扰而不准确。
技术实现要素：
有鉴于此，吾等发明人乃潜心进一步研究电助自行车的扭矩感测，并着手进行研发及改良，期以一较佳发明以解决上述问题，且在经过不断试验及修改后而有本发明的问世。
于是，本发明的目的是解决上述问题，为达致以上目的，吾等发明人提供一种电助自行车的后车架扭矩感测装置，其特征是包含：
一后车架，其设置有一上叉臂及一下叉臂，该上叉臂的末端及该下叉臂的末端相互连结，并令该上叉臂及该下叉臂间形成一夹角θ；
一第一位移检知单元，其安装在后车架的上叉臂；
一第二位移检知单元，其安装在后车架的下叉臂；以及，
一处理单元，其连结于该第一位移检知单元及该第二位移检知单元；
处理单元将该第一位移检知单元及该第二位移检知单元的位移换算为力量，并经力学分析及由该第一位移检知单元及该第二位移检知单元取得的信号，经由处理单元加以数学运算后，消除所有与路面垂直方向的力量，进而取得骑乘者踩踏于脚踏曲柄组的踩踏扭矩。
所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，在传动单元传递张力时，该处理单元凭借该第一位移检知单元及该第二位移检知单元的检知结果分别换算上叉臂的受力值fb及下叉臂的受力值f，并界定一踩踏扭矩τ满足下式1所示：
τ＝(f-fbcosθ)×r(式1)
其中，r为该前链轮的半径。
所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，该第一位移检知单元及该第二位移检知单元同时或分别为利用不同物理、化学方法所组成的位移检知装置。
所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，该第一位移检知单元及该第二位移检知单元同时或分别为应变规、压电感测器、电磁感测器、电容感测器或光学感测器。
所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，该第一位移检知单元直接安装在后车架的上叉臂；而该第二位移检知单元直接安装在后车架的下叉臂。
所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，还包含一固定架，且该固定架一端设有一上连结臂及一下连结臂，另一端连接于一后轮轴，该上连结臂与该上叉臂对接，该下连结臂与该下叉臂对接，且该第一位移检知单元设置于该上连结臂，而该第二位移检知单元设置于该下连结臂。
所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，还包含一固定架，一端设有一上连结臂及一下连结臂，另一端连接于一后轮轴，该上连结臂固设于该上叉臂的侧端，而该下连结臂固设于该下叉臂的侧端，且该第一位移检知单元设置于该上连结臂，而该第二位移检知单元设置于该下连结臂。
由于本发明由两组位移检知单元与一处理单元所组成的一种电助自行车的后车架扭矩感测装置，该两组位移检知单元分别安装在后轮后车架的上叉臂及下叉臂；且其中，该第一位移检知单元及第二位移检知单元，可分别为应变规、压电感测器、电磁感测器、电容感测器或光学感测器，或其组合。此位移检知单元所感测的位移，经现有的理论与实验分析后，可被换算成力量。
如图1所示，任何垂直于路面的力量(正向力n)，均可被分解成沿着后叉端两只不同后车架方向的分力fa、fb，其中fa代表沿后车架的下叉臂方向的水平分力，fb代表沿后车架的上叉臂方向的分力。而fa与fb间则存在如下式的数学关系：
fa＝fbcosθ
当后轮轴受到前链轮经链条传递的张力t时，沿后车架的下叉臂方向的第二位移检知单元量到的总力量f，将会是垂直于路面的力量在沿后车架的下叉臂方向的水平分力fa与此张力t的和力，即如下式所示：
f＝t+fa
但由于前链轮经链条传递的张力t方向，近乎于在后车架的下叉臂的水平分力fa同方向，此张力t在沿后车架的上叉臂方向不会有分量；因此，沿后轮后车架的上叉臂方向的分力fb将保持不变。
乘骑中，在量得此下叉臂方向的总力量f与上叉臂方向的分力fb后，只要经一处理单元加以数学运算，将沿后轮后车架的下叉臂方向的位移检知单元量到的力量f，减去从第一位移检知单元在后车架的上叉臂方向所量得的分力fb乘以cosθ的力量fbcosθ后，即可求得此与垂直于路面的力量无关的链条张力t，即如下式所示：
t＝f-fa＝f-fbcosθ
此张力t乘以前链轮的半径r后，将可求得作用在固定前链轮的曲柄轴的踩踏扭矩τ。
而前所述者，是下叉臂的轴线系平行于水平线时；因此，当后轮后车架的下叉臂的方向非水平，而有与水平线有倾角δ时，只须将fa与fb间的数学关系修正参数即可，如下式所示：
一般此倾角δ的值都不大，其造成的影响多可乎略不计。
如有组装、加工、材料、截面、测量或有其他物理因素造成误差时，也可在无链条张力t下，经由实验测量取得一校正值c：
c＝fbcosθ/fa
据上所述的电助自行车的后车架扭矩感测装置，其中，该处理单元更耦接于一控制器，该控制器进一步耦接于驱动马达，且该控制器将处理单元系依据该踩踏扭矩及其他控制条件，该驱动马达提供适当的电助力。
是由上述说明及设置，显见本发明主要具有下列数项优点及功效，兹逐一详述如下：
1.本发明凭借第一位移检知单元及第二位移检知单元分别测量上叉臂及下叉臂的变形量，进而可求得上叉臂及下叉臂分别的受力值，并且于垂直方向上，可凭借正向力n与上叉臂的受力值fb的关系以消除因路面颠簸而产生的杂讯；而于下叉臂所测量的受力值f，则可据以求得骑乘者的踩踏扭矩；如此，本发明确实可予以滤除杂讯，并可精确求得骑乘者双脚分别的踩踏扭矩。
2.本发明于上叉臂及下叉臂的后度或截面积不同时，也可凭借处理单元产生的校正值进行校正程序，以于传动单元未传递张力时，令该下叉臂的受力值f均等于该上叉臂的受力值fb与该夹角的余弦值的乘积；故显见本发明确实可适用于各式后车架的电助自行车。
3.本发明可适用于各式现有的电助自行车，仅需于后车架的上叉臂及下叉臂分别装设第一位移检知单元及第二位移检知单元，或凭借一设有所述位移检知单元的固定架以将现有的后车架同轴组接于该固定架，也可通过将设有位移检知单元的固定架直接贴设于原后车架，凭借可令处理单元凭借数学方法测量踩踏扭矩，故显见本发明的构造精简，且无须对电助自行车进行大规模改装，凭借可节省诸多人力及时间成本。
附图说明
图1是本发明第一实施例的下叉臂与水平线平行时的结构暨力学示意图。
图2是本发明第一实施例的下叉臂与水平线平行具有一倾角时的结构暨力学示意图。
图3是本发明第二实施例的结构示意图。
图3a是图3中圆圈内后轮轴与固定架的配合示意图。
图4是本发明第三实施例的结构示意图。
图4a是图4中圆圈内后轮轴与固定架的配合示意图。
附图标记说明：1-后车架；11-上叉臂；12-下叉臂；13-多通管；14、14’-固定架；141、141’-上连结臂；142、142’-下连结臂；143-锁掣孔；2-后轮轴；21-后链轮；3-第一位移检知单元；4-第二位移检知单元；5-脚踏曲柄组；6-前链轮；61-传动单元；7-处理单元；8-驱动马达。
具体实施方式
关于吾等发明人的技术手段，兹举数种较佳实施例配合图式于下文进行详细说明，使深入了解并认同本发明。
请先参阅图1所示，其系本发明的第一实施例，本发明系一种电助自行车的后车架扭矩感测装置，其包含：
一后车架1，其设置有一上叉臂11及一下叉臂12，该上叉臂11的末端及该下叉臂12的末端相互连结，并令该上叉臂11及该下叉臂12间形成一夹角θ，该上叉臂11及该下叉臂12的连结处组设有一后轮轴2，该后轮轴2设有一后链轮21；该上叉臂11设有一第一位移检知单元3，而该下叉臂12设有一第二位移检知单元4，且该下叉臂12于相对该后链轮21一端设有一脚踏曲柄组5及一前链轮6，该前链轮6凭借一传动单元61以连结并传动于该后链轮21，其中，该传动单元61为链条；以及
一处理单元7，其连结于该第一位移检知单元3及该第二位移检知单元4；而该处理单元7可更进一步耦接一控制器(图未绘示)，该控制器进一步耦接于一驱动马达8，该下叉臂12于相对该后链轮21一端更设有一多通管13，该多通管13系组设有该脚踏曲柄组5、该前链轮6及该驱动马达8；
其中，第一位移检知单元3及第二位移检知单元4系用以分别检测上叉臂11及下叉臂12的变形量，故在一实施例中，第一位移检知单元3及第二位移检知单元4可分别或可同时为利用不同物理、化学方法所组成的位移检知装置，如：应变规、压电感测器、电磁感测器、电容感测器或光学感测器。
对于变形量的测量而言，第一位移检知单元3及第二位移检知单元4，可侦测变形所产生的位移；在一实施例中，欲将第一位移检知单元3及第二位移检知单元4所侦测的位移量换算为上叉臂11的受力值fb及下叉臂12的受力值f，所属技术领域具通常知识者，可知悉凭借截面惯性矩与变形量位移的关系求得其受力，是以，本发明可凭借于该处理单元7储存有该上叉臂11及该下叉臂12分别的截面惯性矩，以令该处理单元7系依据该第一位移检知单元3及该第二位移检知单元4的感测结果，以凭借所述截面惯性矩求得该上叉臂11的受力值fb及下叉臂12的受力值f。
据此，如图1所示，因任何垂直于路面的正向力n，即可被分解成于上叉臂11的分力fb及沿着下叉臂12的分力fa，其于力学必然满足下数学式1所示：
[数学式1]fa＝fbcosθ；
而当骑乘者凭借踩踏脚踏曲柄组5，以驱动前链轮6，并凭借传动单元61传动于后链轮21，后轮轴2将受前链轮6经传动单元61所传递的张力t，第二位移检知单元4所测得的受力值f，是前述正向力n于下叉臂12的分力fa与前述张力t的合力，如下数学式2所示：
[数学式2]f＝fa+t；
此外，因前链轮6经传动单元61传递的张力t方向，近乎于正向力n于下叉臂12的分力fa的方向，故张力t于上叉臂11方向不具有分量，因此，上叉臂方向的分力fb将维持不变。
故当骑乘者骑乘时，可凭借第二位移检知单元4所测量下叉臂12的受力值f，以及由第一位移检知单元3所测量的上叉臂11受力值fb，处理单元7即可凭借于下叉臂12的受力值f中，扣除上叉臂方向的分力fb乘以cosθ的值，即均等于扣除正向力n于下叉臂12的分力fa，而后即可求得前链轮6经传动单元61所传递的与垂直于路面的力量无关的链条张力t，如下数学式3所示：
[数学式3]t＝f-fa＝f-fbcosθ；
因此，处理单元即可据以运算踩踏扭矩τ，其即为张力t与前链轮6的半径长度r的乘积，如下数学式4所示：
[数学式4]τ＝t×r；
以上所述者，系下叉臂12的轴线系平行于水平线l的情形；然若如图2所示，当下叉臂12的轴线与水平线l呈一倾角δ，则须将fa及fb间的关系进行修正，如下数学式5所示：
[数学式5]
故依据数学式3至数学式5，此时的踩踏扭矩τ将须修正为下数学式6所示：
[数学式6]
值得注意的是，如上所述者，系假设当上叉臂11及下叉臂12的截面惯性矩为相同时的情形，当上叉臂11及下叉臂12的截面惯性矩不相同时，如：形状或截面积不同，则须令该处理单元7进行一校正程序，该校正程序系传动单元未传递张力5时，使张力t为0而不作用于前链轮6，使下叉臂12此时的受力值f仅具有正向力于下叉臂12的分力fa，且不等于该上叉臂11的受力值fb与该夹角θ的余弦值的乘积，因此，该处理单元7系界定一校正值c，以于该分力fa，或该上叉臂11的受力值fb与该夹角的余弦值的乘积，乘以该校正值c，令该下叉臂12的分力fa均等于该上叉臂11的受力值fb与该夹角的余弦值的乘积，如下数学式7所示：
[数学式7]fa＝c×fbcosθ或c×fa＝fbcosθ；
经校正后，即可同如前述，通过考量校正值c的情形下，予以计算张力t及踩踏扭矩τ，故于在此不予赘述。
另就于垂直方向的力学平衡而言，地面将给予电助自行车后轮的正向力n，其可与上叉臂11的受力值fb于垂直方向上的力而相互抵销以消除因路面颠簸而产生的杂讯，如下数学式8所示：
[数学式8]n＝fbsinθ；
凭借以上所述，显见本发明确实可消除杂讯，并精确求得骑乘者的踏力f及踩踏扭矩τ，使本发明的感测结果不受外界环境的影响，故该控制器将处理单元7系依据该踩踏扭矩τ及其他控制条件，使该驱动马达8提供适当的电助力；以维持本发明运行时的平稳性；且本发明的构造精简，于装设时，仅需将第一位移检知单元3及第二位移检知单元4分别固设于上叉臂11及下叉臂12即可完成，而无须对后车架1进行大规模改装，显见本发明确实具有测量时的精确性，及于装设时的便利性。
且须特别说明的是，本实施例中的第一位移检知单元3可直接贴设于后车架1的上叉臂11处，而第二位移检知单元4也直接贴于下叉臂12；而如图3所示者，其系本发明的第二实施例，其与第一实施例的差别在于，第二实施例中，更包含一独立制作的固定架14，且该固定架14一端设有一上连结臂141及一下连结臂142，另一端系装设在后轮轴2上，而该上连结臂141与后车架1的上叉臂11对接，该下连结臂142与后车架1的下叉臂12对接，且该第一位移检知单元3设置于该上连结臂141，而该第二位移检知单元4设置于该下连结臂142，如此，同样可如前述计算求得踩踏扭矩，本实施例的具体实施方式与第一实施例近似，故在此不予赘述。
续请参阅图4所示，其系本发明的第三实施例，其与第二实施例的差别在于，第三实施例的独立制作的固定架14’，一端设有一上连结臂141’及一下连结臂142’，另一端连接于一后轮轴2，该上连结臂141’固设于该上叉臂11的侧端，而该下连结臂142’固设于该下叉臂12的侧端，且该第一位移检知单元3设置于该上连结臂141’，而该第二位移检知单元4设置于该下连结臂142’；在一具体的实施例中，该固定架14’可穿设有复数锁掣孔143，以分别通过螺丝凭借锁掣孔143，以将该固定架14’锁固于后车架1的侧端，是知，本实施例同样可予求得踩踏扭矩，本实施例的具体实施方式与第二实施例近似，故在此不予赘述。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。