专利名称：以相对位置控制搭载有电机的电动载具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以相对位置控制搭载有电机的电动载具，尤指一种具有完全符合人性驱动功能的电动载具，可使该电动载具的速度受主动件(例如人)与受控物件速度差所产生相对位置的改变来控制，使得该电动载具的速度可随主动件的速度改变而改变，以其电机助动使电动载具移动，而主动件与电动载具之间有弹簧，可将主动件所施加的力传递到电动载具，由于弹簧弹性系数的选择，让主动件可以适当地施力或丝毫不费力，而可达到具有广泛性的产业上利用价值。
一般来说，现今以相对位置控制搭载有电机的电动载具，其控制驱动方式大致具有开路控制与闭路控制两种；其中就开路控制来说，请配合
图1的控制方块流程图所示，其仅是依赖一控制器来驱动电机，并藉该电机来直接带动电动载具而已。虽然这种开路控制方式具有控制流程简单、成本低的优点，但其实际的实用范围并不宽。举例来说，倘若电动载具为行走在陆地上的车子，则当该车子行走在平坦的道路上时，其控制器控制电机的转速尚可以达到该车子行走的需求；但当该车子一旦行走碰到斜坡时，则其控制器虽仍继续驱动电机，但该车子因受限于斜坡地形而上坡不够力，下坡又太快，以致该电机根本无法达到转速要求。因此，这种开路控制只适合用于环境较不会变化的地方，或对结果较不讲究的地方，所以，其产业上的利用性并不高。
至于就闭路控制来说，请配合图2的控制方块流程图所示，其与前述开路控制的主要差异在于增设有一可检测电机转速的转速计，并将该转速计所检测到的电机转速数据传回给控制电机驱动的控制器，藉以来自动修正电机转速，以达到稳定性的电机转速需求。虽然这种闭路控制方式可以保证电机的输出点控制得很好，但其控制的对象为电机，并非实际的受控物件，以致，倘若该电动载具的刚性(例如齿轮间隙)或负载特性非如理论计算时，往往会导致产生更大的误差量，所以，学术上不断地提出电机控制与机构设计的理论，以求得更高的精密度。但每用一个新方法，成本便往上跳一级，实非消费型产品所能接受的，尚待改善之。
本发明的主要目的是提供一种以相对位置控制搭载有电机的电动载具，使其具有完全符合人性化的驱动功能，可使该电动载具的驱动速度与主动件同步，而可达到具有广泛性的产业上利用价值。
本发明的目的是这样实现的一种以相对位置控制搭载有电机的电动载具，其特征在于包括有一主动件，可为人；一感测器，是受该主动件所控制，其具有一受主动件驱动同动的位置参考体及一利用位置参考体位移以产生信号输出的感测体；其中，该位置参考体并连接有一弹簧，可随主动件的驱动而受力变形，使该位置参考体具有自动复位及施力于下述电动载具达到助动的功能；一控制器，是接受该感测器上感测体所输出的信号来驱动；一电机，是受该控制器上的信号来驱动，可使该电机具有加速或减速或正反转的功能；以及一电动载具，是受该电机的驱动来带动，与主动件之间具有连动功能，且该电动载具可利用主动件与电动载具之间的位移关系，使感测器可发出信号给控制器以控制电机的转速，致使主动件与该电动载具二者之间的速度可趋于同步；藉由上述装置，可使该电动载具的驱动位移让主动件适当地出力甚至于完全不费力而达到同步的功能，而可达到具有广泛性的产业上利用价值。
该位置参考体可以是碳刷、磁铁、光闸、或金属。
该感测体可设为预先规划好相关位置的印刷电路板、磁簧开关、光电开关或金属感测器，可提供位置参考体位置，以产生不同信号的开关模组本发明的主要特征在于具有一主动件，可为人；一感测器，是受该主动件所控制；一控制器，是接受该主动件控制感测器所产生的信号来驱动；一电机，是受该控制器所控制；以及一电动载具，是受该电机驱动来带动，当电动载具与主动件之间相对位置改变(也即有速度差)时，感测器立即得知而将信号传给控制器，以控制电动载具加速或减速，以便主动件与该电动载具二者的速度趋于同步；藉由这些设置，可使该电动载具的驱动随时与主动件同步，而可具有广泛性的产业上利用价值。
下面结合四个较佳的可行实施例并配合附图详细说明本发明的结构组成和控制方法。
图1是传统的开路控制流程图。
图2是传统的闭路控制流程图。
图3是本发明的控制流程图。
图4是本发明第一实施例两台车子保持等速前进的示意图。
图5是本发明第二实施例应用于高尔夫球电动车的把手对车速控制的把手部分扭动时的立体图。
图6是图5反方向推动后的示意图。
图7是本发明实施例感测器第一例的静态示意图。
图8是图7中的动态变化及其I/O点对应状况图。
图9是本发明实施例感测器第二例的静态示意图。
图10是图9中的动态变化及其I/O点对应状况图。
图11是本发明实施例感测器第三例的静态示意图。
图12是图11中的动态变化及其I/O点对应状况图。
图13是本发明实施例感测器第四例的静态示意图。
图14是图13中的动态变化及其I/O点对应状况图。
图15是本发明实施例感测器第五例的静态示意图。
图16是图15中的动态变化及其I/O点对应状况图。
图17是以图7为感测器时第一组参数设定下速度对感测器位置的关系图。
图18是以图7为感测器时第二组参数设定下速度对感测器位置的关系图。
图19是以图9为感测器时速度对感测器位置的关系图。
图20是以图11为感测器时速度对感测器位置的关系图。
图21是本发明第三实施例应用于助动脚踏车上的速度控制结构示意图。
图22是以图13为感测器装于助动脚踏车上的放大侧视图。
图23是本发明第四实施例应用于助动轮椅上的速度控制结构示意图。
图24是图23以磁簧开关为感测器时的正视图。
图25是图23以磁簧开关为感测器时的侧视图。
图26是图24中的动态变化图。
图27是本发明实施例作直线运动时感测器外加弹簧的立体示意图。
图28是本发明实施例作圆周运动时感测器外加弹簧的正视示意图。
图29是本发明实施例作圆周运动时感测器外加弹簧的侧视示意图。
首先，请参阅图4所示，本发明第一实施例是可将主动件10设置为一台车子，而电动载具20也设置为一台车子，二者之间并设有一可受该主动件10控制的位置参考体40，一附在电动载具20上的感测体41，一接受该感测体41信号的控制器，以及受该控制器控制的电机，电机并搭载有电动载具20，感测器利用该电动载具20与主动件10之间的相对位移关系，将适当的命令传给控制器控制电机加减速；藉此，当主动件10前进位移时，可驱动感测器→控制器→电机，使该电动载具20被驱动而位移。换言之，该电动载具20可视为一从动件，当从动件与主动件10之间相对位置改变时，感测器立即得知而将信号传给控制器，以控制从动件加速或减速，以使主动件10与从动件二者的速度趋于同步，从动件虽对主动件10而言是负载，但此负载并不会造成主动件10的负担，由此设计理念可推衍出以下多种具有实用价值的物品，例如上述文中所提及的感测器、控制器、电机等构件，并在以下诸实际应用实施例中会再加强予以说明。
请再参阅图5所示的本发明第二实施例应用于高尔夫球电动车30的把手31对车速控制的把手部分立体图，其控制方式请配合图7至图8所示其中，具有一可随把手31拉动位移的位置参考体40(可为碳刷，磁铁，光闸，金属等)，一可提供该位置参考体40位移时，感测位置参考体40位置而输出信号的感测体41(如印刷电路板，磁簧开关，光电开关或金属感测器等)，以及一受该感测体41输出信号控制的控制器42，该控制器42为可驱动高尔夫球电动车30上的电机，故该控制器42可视为一电机驱动器；藉由这些设置，图7即可视为一整体的感测器。为利于说明，人们可将位置参考体40视为碳刷，而感测体41视为铜箔，碳刷并为一接地点(即图示GND)，当控制器42有三个I/O点(BIT2，BIT1，BIT0)用来感测碳刷位置时，倘若人们设计碳刷有碰到铜箔处，此I/O点电位为低LOW(0)，否则为高High(1)时，则以图8为例，碳刷在不同位置，此三个I/O点便会有(011)、(001)、(101)、(100)及(110)等五种状况，因此控制器42便会有五种加减速模式，当然，该五种加减速模式是因感测体41与位置参考体40彼此间的相互配合方才能完成，所以，感测体41的形状则可以有多种不同的设计变化，并非局限于单一种型态，而且，可设计出具有更多段超过五种加减速的控制模式，如图9、图11、图15所示，也可如图13那样将感测体41的形状改为弧状，而仍具有五种加减速模式。也即在不同的模式之间，只要利用不同的参数设定，便会有不同的加减速模式，以达到操作的舒适感。假设以图18来说，其横轴为时间(T)，纵轴为速度(V)，当使用者以手拉高尔夫球电动车30上的把手31时，若其五种加减速模式曲线如图17所示，则驱动该高尔夫球电动车30的电机是慢慢地启动状态；反之，倘若其加速曲线中的时间(T)相对于速度(V)改变成如图18那样时，则驱动该高尔夫球电动车30的电机是快速启动。
详言之，利用参数的改变(这里所指的参数是加减速对时间关系的斜率)，则可使电机的驱动模式快慢、时间产生变化，以达到操作上的舒适感。
基本上，上述的I/O点输出信号的控制可以藉由微处理机来完成，因此准确性极高，同时，也可以执行多种不同加速参数下的变化，例如从图17、图18两图比较可知，在不同加速参数下会有不同斜率的加速曲线产生，如电动载具需要慢慢启动(SOFT START)，则可以用图17的参数；如电动载具需较大的启动力矩时，便适用图18的参数。而且，也可利用I/O来控制电机的正反转，以图9为例，此四个I/O点是共有(0111)、(0011)、(1011)、(1001)、(1101)、(1100)、(1000)、(1010)、(0010)、(0110)等十种状态，若以最低位元(BIT0)电位为LOW(0)，以用来控制电机的双向运动，则其加速曲线可如图19所示(图中纵轴的“十”与“一”表示电机正方向与反方向拖力)；同理，在不同模式之间，利用不同的参数设定，便可达到具有不同的加减模式。
所以，当控制器有五个I/O点用来感测碳刷位置如图11或15时，则五个I/O点便会有(01111〕、(00111)、(10111)、(10011)、(11011)、(11001)、(11101)、(11100)、及(11110)等九种变化，藉由参数的设定，其也可搭配如图20的加速曲线，而可达到控制电机正反转的功能。
所以，由上述说明可知，倘若将主动件看成是人(请配合图3所示)，而将电动载具的把手以本发明感测器表示，则便可藉手控电动载具的把手行进，而该电动载具也将随着人行走的速度而自动改变其电机的转速，以达到电动载具与人同步的功能。
另外，请再参阅图21、图22所示，本发明实施例的速度控制方式也可采用圆周运动控制，其搭配的感测器可如图13或图15所示，因此，只要对其参数改变，则可达到驱动功能。举例来说，可将其圆周运动控制的设计应用到助动脚踏车60上，利用脚踏圆盘61与电机同动圆盘62之间的关系设计，使脚踏圆周运动输出信号，即可由图14或图16等多段加减速模式状态以驱动电机，因脚踏车在骑乘时仅是需要前进，故实际设计时并不需考虑电机反转，在此因电机的辅助，而达到助动的功能，实用性甚佳；而且，本发明也可利用在一助动轮椅7上，如图23所示，助动轮椅7上具有助推轮70、滚动轮71、不动圆盘72、及差动圆盘73构件，而其不动圆盘72与差动圆盘73之间的相关位置如图24所示，倘若将图11的五个I/O点的观念改成五个开关(例如非接触性的磁簧开关)，因磁簧开关为一接近磁性元件(如磁铁)便会导通的元件，所以可在该磁簧开关的特定位置设有磁性元件74(如图24所示)，当该磁簧开关共有五个I/O点时，则当图24中的差动圆盘73与其对应的轮盘有偏差时，不同的磁性元件74便可使不同对应的磁簧开关导通，因各开关角度配置的关系，使得有一、二个磁簧开关因接近磁性元件而动作，这时其动态变化及I/O输出可如图26所示，如此也可利用其参数的设定，以达到不同的速度控制功能。
经由上述说明可知，图5、图21及图23都是以主动件(即人)来实际下达速度命令，其控制流程如图3所示，所以，操控性能的好坏可完全由人来感觉，然后再以实际状况作参数设定。若将上述图5、图21、图23等三例定位在“助动”的型式上，那么人(即主动件10)本身是应该要出力，使从动件(即电动载具20，如高尔夫球电动车、轮椅的助推轮70等)运动，要做到这一点，就是要在感测器上位置参考体40(例如碳刷)与主动件10同动，如图27所示，而其感测体41(例如分段电路板)与从动件同动，即与电动载具20同动，且二者之间安装有弹簧80，无论直线或圆周运动都需安装，如图27、图28、图29所示，其用意一方面是使位置参考体40能自动归位，不因受主动件10的拉力力量大小而有停滞不回的现象发生，以确保控制的稳定性，另一方面是将人的拉力或推力经由弹簧80传到电动载具20上(即从动件上)，我们可藉此以数学上极限的观念来解释当弹簧80的弹性系数无限大时，即位置参考体40停在归零位置，也即位置参考体40不会动作，这时电机不会出力，电动载具20的前进完全由主动件10来出力，形成传统无动力车子；反之，当该弹簧80的弹性系数无限小时，位置参考体40完全由主动件10来调整控制，而主动件10的力量无法传到电动载具20上，故该电动载具20的位移完全由电机来出力，这就成了真正的电动车，因此适当选择弹簧80(改变弹簧弹性系数k值)，便可得到不同运动程度的助动车。同理，图29的轮椅，我们可将其助推轮70视为主动件10，而其滚动轮71视为从动件(即电动载具20)，也可达到相同的驱动效果，若在机构设计上，将弹簧设计成方便调整预压量(如同调整弹性系数)，如图27所示，则可利用一前、后端分别具有右旋螺纹81A与左旋螺纹81B的螺杆81，且以其螺杆81的左、右旋螺纹81B、81A分别搭载一受弹簧80顶推的前、后挡片90、91，当驱动螺杆81旋转时，可使其挡片90、91分别向中间位移，以压迫顶推其挡片90、91的弹簧80，以此设计，则使用者可视当时的体力状况自行调整电机的助动力，如此在实用上甚佳。
本发明的创作中心思想是以人为设计出发点，并以人的操控舒适性为设计目的，并非是传统技术以非生命元件的电机为主；尤其，本发明欲驱动电动载具时，只需要主动件对抗当时所搭配的弹簧弹力即可，如此也就是本发明前言所提及“助动”的功能，如此本发明的市场利用价值则极为广泛(例如可搭载设于电动轮椅、高夫尔球电动车上等等)，极为实用，虽然本发明也依赖电机作为动力源，这一点是不可避免，但受控物件的位移驱动是完全由人来感受，完全符合人性化控制要求。而传统技术欠缺人性化的设计，且传统技术易产生控制误差，整体相比较之下本发明具有显著性功效上的增进。
权利要求
1.一种以相对位置控制搭载有电机的电动载具，其特征在于包括有一主动件，可为人；一感测器，是受该主动件所控制，其具有一受主动件驱动同动的位置参考体及一利用位置参考体位移以产生信号输出的感测体；其中，该位置参考体并连接有一弹簧，可随主动件的驱动而受力变形使该位置参考体具有自动复位及施力于下述电动载具达到助动的功能；一控制器，是接受该感测器上感测体所输出的信号来驱动；一电机，是受该控制器上的信号来驱动，可使该电机具有加速或减速或正反转的功能；以及一电动载具，是受该电机的驱动来带动，与主动件之间具有连动功能，且该电动载具可利用主动件与电动载具之间的位移关系，使感测器可发出信号给控制器以控制电机的转速，致使主动件与该电动载具二者之间的速度可趋于同步。
2.如权利要求1所述的以相对位置控制搭载有电机的电动载具，其特征在于该位置参考体可以是碳刷、磁铁、光闸、或金属。
3.如权利要求1所述的以相对位置控制搭载有电机的电动载具，其特征在于该感测体可设为预先规划好相关位置的印刷电路板、磁簧开关、光电开关或金属感测器，可提供位置参考体位置以产生不同信号的开关模组。
全文摘要
一种以相对位置控制搭载有电机的电动载具,有一主动件,可为人;一受主动件控制的感测器,一受主动件驱动而同动的位置参考体,和一当位置参考体位移而产生信号输出的感测体;位置参考体连接一弹簧,可随主动件的驱动而受力变形,使位置参考体自动复位,且能将力传到电动载具;一受感测器上感测体输出信号驱动的控制器;一受控制器上信号驱动的电机,及一受电机带动的电动载具,当主动件与电动载具相对位置改变,感测器将信号传给控制器,改变电动载具速度,而与主动件同步。
文档编号B60L15/18GK1342570SQ00124760
公开日2002年4月3日 申请日期2000年9月13日 优先权日2000年9月13日
发明者廖聪镛 申请人:稳正企业股份有限公司