输出转矩的计算装置与其计算方法与流程

本发明公开一种输出转矩的计算装置与其计算方法。

背景技术：

随着工业自动化的发展，需要于工厂进行加工的产品种类越来多样化，因此工厂需要提供的服务日益复杂。为了应付这些繁杂的工作，除了要求工厂内的机器手臂具备高精度的定位控制外，还需提升安全机制。

为了使机器手臂达到精准的定位，机器手臂的驱动系统通常设有编码器，而通过编码器的数据来修正机器手臂形变时所造成的定位误差。另一方面，驱动系统还安装有转矩传感器，通过转矩传感器的数据避免机器手臂因为驱动系统的转矩过大而受损或者发生碰撞，以降低意外危害。然而加装转矩传感器会增加驱动系统的体积、提高生产成本且使得整个系统的配线变得复杂。

有鉴于此，目前的确有需要一种改良的测量输出转矩的系统与方法，至少可改善上述缺点。

技术实现要素：

本发明提供一种输出转矩的计算装置与其计算方法，不需加装额外的转矩感测装置也可准确地推测出计算装置的最后输出端所承载的转矩，且通过弹性装置提升了计算装置的输出轴的角位移，所以不需使用高精密度的角度传感器，也可准确地推测最后输出端所承载的输出转矩。

依据本发明的一实施例，提供一种输出转矩的计算装置，其包括马达、第一传感器、第二传感器、变速装置、弹性装置以及处理器。第一传感器连接于马达的转子且测量转子的第一角度。变速装置的第一输入部以及第一输出部分别连接于转子以及弹性装置的第二输入部。弹性装置的第二输出部用于连接负载，而弹性装置具有旋转中心，第二输入部与旋转中心之间具有第一距离，第二输出部与旋转中心之间具有第二距离，而第一距离异于第二距离。第二传感器连接于第二输出部且测量第二输出部的第二角度。处理器电连接于第一传感器与第二传感器，且依据第一角度以及第二角度计算计算装置的最后输出端所承载的输出转矩。

依据本发明的一实施例，提供一种输出转矩的计算方法，其通过计算装置来执行，而计算装置包含第一传感器、第二传感器、转子、减速机、处理器以及弹性装置，减速机的第一输入部以及第一输出部分别连接于转子以及弹性装置的第二输入部，弹性装置的第二输出部用于连接负载，计算方法包括：以第一传感器检测转子的第一角度；以第二传感器检测弹性装置的第二输出部的第二角度；以及以处理器依据第一角度以及第二角度计算计算装置的最后输出端所承载的输出转矩。

本发明的输出转矩的计算装置与其计算方法，通过处理器所推算出的计算装置的最后输出多所承载的转矩与实际使用转矩感测装置所测量的实际值相较，两者的误差百分比落于可容忍范围，因此计算装置不需额外安装转矩感测装置来测量输出转矩。另一方面，减速机的输出部的角度经由弹性装置放大，以至于使用者不需使用高精密度的角度传感器，即可准确地检测出角度的数据，进行依据角度数据估算出计算装置的最后输出端所承载的输出转矩。

以上的关于本发明的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的一实施例所绘示的输出转矩的计算装置的功能方块图；

图2为本发明的一实施例所绘示的计算装置的立体图；

图3为本发明的一实施例所绘示的弹性装置的立体图；

图4为本发明的一实施例所绘示的输出转矩的计算方法的流程图；

图5为本发明的一实施例的减速机的输出转矩与机械形变量的关系图；

图6为本发明的一实施例的弹性装置的输出转矩与机构形变量的关系图。

符号说明

1计算装置

10马达

101转子

11第一传感器

12变速装置

121第一输入部

122第一输出部

13弹性装置

131第二输入部

132第二输出部

133连接件

134旋转中心

135第一固定件

136第二固定件

14第二传感器

15处理器

θ1第一角度

θ2第二角度

θbacklaah减速机的背隙

dir转子当下的转动方向

gr减速机的减速比

g1第一剪力模数

g2第二剪力模数

t输出转矩

d1第一距离

d2第二距离

τ输出转矩

δθ剪应变

2负载

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

图1为依据本发明的一实施例所绘示的输出转矩的计算装置的功能方块示意图，图2为依据本发明的一实施例所绘示的输出转矩的计算装置的立体图。共同参阅图1与图2，在本实施例中，输出转矩的计算装置1为一个马达驱动系统，计算装置1可包含有马达10、第一传感器11、变速装置12、弹性装置13、第二传感器14以及处理器15。马达10的种类不受限，例如直流单相马达、直流三相马达、交流马达单相马达或交流三相马达。在本实施例中，马达10为直流单相马达。马达10包含定子(图未显示)与转子101，而第一传感器11组接于马达10的转子101上，当马达10的转子101开始转动后，第一传感器11测量转子101的第一角度。

如图1与图2所示，变速装置12的种类不受限制，例如蜗轮蜗杆减速机、齿轮减速机或谐波减速机。在本实施例中，变速装置12为齿轮减速机，变速装置12具有第一输入部121以及第一输出部122，第一输入部121与转子101相连接，由于第一输出部121位于半径较小的齿轮上，而第一输出部122位于半径较大的齿轮上，因此通过齿轮减速机可降低转子101的转速以及提高马达10的输出转矩。也由于第一输入部121与转子101相连接，在其他实施例中，第一传感器11也可组接于第一输入部121上。

图3为本发明的一实施例所绘示的弹性装置的立体图。如图3所示，在一实施例中，弹性装置13为一体成型的弹性金属件且金属种类与形状不受限制，只要当弹性金属件承受到剪应力时，只会产生形变而不会发生断裂即可。在另一实施例中，弹性装置13可包含合金、塑胶、橡胶、复合材料等材料，例如扭簧。在本实施例中，弹性装置为一体成形的法兰片，而法兰片的形状类似一车轮，而弹性装置13包含第二输入部131、第二输出部132、多个连接件133及旋转中心134。

弹性装置13的第二输入部131为宽度均等的环形体，第二输出部132为圆形体，且第二输入部131围绕于第二输出部132。该些连接件133为柱状体且间隔地连接于第二输入部131与第二输出部133之间，且该些连接件133之间的间隔相等。在其他实施例中，连接件133的形状不受限制而可具有其他形状，例如弧形或螺旋形，且该些连接件133之间的间隔也可不相等。

第二输入部131设有多个第一固定件135，第一固定件135可例如为螺孔，而该些第一固定件135围绕旋转中心134且分别与旋转中心134等距离。第二输出部132设有多个第二固定件136，第二固定件136可例如为螺孔，且该些第二固定件136围绕旋转中心134且分别与旋转中心134等距离。第二输入部131上的第一固定件135与旋转中心134之间具有第一距离d1，第二输出部133上的第二固定件136与旋转中心134之间具有第二距离d2，而第一距离d1异于第二距离d2。弹性金属件13上的第一固定件135以及第二固定件135通过锁定件分别与变速装置12以及负载2相锁定，其中锁定件可例如为螺丝钉。因此通过弹性装置13可放大齿轮减速机的角位移的弧长。

如图1与图2所示，第二传感器14组接于弹性装置13的第二输出部132，当马达10的转子101开始转动后，第二传感器14测量第二输出部132的第二角度。处理器15电连接于第一传感器11与第二传感器14，在一实施例，处理器15通过电线与第一传感器11以及第二传感器14连接，以便第一传感器11与第二传感器14分别将第一角度以及第二角度的数据传送至处理器15。在另一实施例中，第一传感器11与第二传感器14通过无线通讯方式将第一角度以及第二角度的数据传送至处理器15。在本实施例中，处理器15内存储有输出转矩的演算法、减速机的减速比、减速机的背隙、减速机的第一剪力模数以及弹性金属件13的第二剪力模数等数据，当马达10的转子101转动时，处理器15依据第一角位移、第二角位移、转子101的转动方向、减速机的减速比、减速机的背隙、减速机的第一剪力模数以及弹性装置13的第二剪力模数等数据计算出计算装置1的最后输出端上所承载的输出转矩，而最后输出端所承载的输出转矩包含了整个马达驱动系统所产生的输出转矩以及因外部施力于马达驱动系统所产生的转矩，而在本实施例中，马达驱动系统的最后输出端为弹性装置13的第二输出部132。在其他实施例中，处理器15还可与服务器或移动通讯设备电连接，以便将马达驱动系统的最后输出端所承载的输出转矩的数据传送至服务器或移动通讯设备作存储或加以显示。

图4为依据本发明的一实施例所绘示的输出转矩的计算方法的流程图。共同参阅图1、图2与图4，在步骤s401中，当马达10开始转动后，以第一传感器11检测转子101的第一角度。在步骤s402中，在本实施例中，变速装置12为减速机，当马达10经过减速机提高转矩以驱使弹性装置13转动后，以第二传感器14检测弹性金属件13的第二输出部132的第二角度。在步骤s403中，处理器15已存储有减速机的背隙及第一剪力模数、弹性装置13的第二剪力模数以及转矩演算法，当第一传感器11与第二传感器13将第一角度以及第二角度的数据传送至处理器15后，以处理器15依据第一角度、第二角度、减速机的背隙、减速机的第一剪力模数、弹性装置13的第二剪力模数以及转子101当下的转动方向来计算计算装置1的最后输出端当下所承载的输出转矩。

关于计算装置1的最后输出端所承载的输出转矩的演算公式，最后输出端所承载的输出转矩以t表示，转子101的第一角度以θ1表示，弹性13的第二角度以θ2表示，减速机的背隙以θbacklaah表示，转子101当下的转动方向以dir表示，减速机的减速比以gr表示，减速机的第一剪力模数以g1表示，弹性金属件13的第二剪力模数以g2表示，最后输出端所承载的输出转矩t与θ1、θ2、θbacklaah、dir、gr、g1以及g2的关系式为式1：

因此，处理器15依据式1以及θ1、θ2、θbacklaah、dir、gr、g1与g2等参数，即使计算装置1未安装额外的转矩感测装置，依然能准确地估算出计算装置1的最后输出端所承载的输出转矩，即弹性装置13的第二输出部132施予负载2的输出转矩。

图5为本发明的一实施例的减速机的机械形变量以及输出转矩的关系图。减速机的输出转矩为τ、减速机的剪应变δθ以及减速机的第一剪力模数g1的关系式为式2：

τ＝δθ*g1(式2)

剪应变δθ即为减速机产生的机械形变量，处理器15依据式2、第一剪力模数g1以及减速机的机械形变量可估算出减速机的输出转矩τ。如图5所示，减速机的输出转矩越大，机械形变量也越大，而处理器15所估算出的减速机的输出转矩与实际使用转矩感测装置测量出的实际值很近似。

图6为依据本发明的一实施例的弹性装置的机械形变量与输出转矩的关系图。如图6所示，弹性金属件13的输出转矩越大时，弹性装置13的机械形变量也越大。通过本发明所提供的输出转矩测量方法所估算出的弹性装置13的输出转矩与使用转矩感测装置测量出的实际值之间的平均误差以及误差百分比分别为0.444nm与2.429％。由此可知，本发明所提供的输出转矩测量方法所估算出的输出转矩与实际测量值的误差落于可容忍范围。

本发明的输出转矩的计算装置及其计算方法，通过处理器所推算出的计算装置的最后输出端所承载的输出转矩与实际使用转矩感测装置所测量的实际值相较，两者的误差百分比落于可容忍范围，因此不需额外安装转矩感测装置来测量输出转矩。另一方面，减速机的输出部的角度经由弹性装置放大，以至于使用者不需使用高精密度的角度传感器，即可准确地检测出角度的数据，进行依据角度数据估算出计算装置的最后输出端所承载的输出转矩。