TWI663813B - 輸出轉矩的計算裝置與其計算方法 - Google Patents
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Abstract
一種輸出轉矩的計算裝置與其計算方法，而該計算裝置包含第一感測器、第二感測器、轉子、減速機、處理器以及彈性裝置。減速機的輸入部以及輸出部分別連接於轉子以及彈性裝置的輸入部，而彈性裝置的輸出部用於連接負載。該計算方法包括：以第一感測器偵測轉子的第一角度；以第二感測器偵測彈性裝置的第二輸出部的第二角度；以及以處理器依據第一角度以及第二角度計算該裝置的最後輸出端所乘載的轉矩。
Description
本揭露內容有關於一種輸出轉矩的計算裝置與其計算方法。
隨著工業自動化的發展，需要於工廠進行加工的產品種類越來多樣化，因此工廠需要提供的服務日益複雜。為了應付這些繁雜的工作，除了要求工廠內的機器手臂具備高精度的定位控制外，還需提升安全機制。
為了使機器手臂達到精準的定位，機器手臂的驅動系統通常設有編碼器，而透過編碼器的資料來修正機器手臂形變時所造成的定位誤差。另一方面，驅動系統更安裝有轉矩感測器，透過轉矩感測器的資料避免機器手臂因為驅動系統的轉矩過大而受損或者發生碰撞，以降低意外危害。然而加裝轉矩感測器會增加驅動系統的體積、提高生產成本且使得整個系統的配線變得複雜。
有鑑於此，目前的確有需要一種改良的量測輸出轉矩的系統與方法，至少可改善上述缺點。
本揭露內容提供一種輸出轉矩的計算裝置與其計算方法，不需加裝額外的轉矩感測裝置也可準確地推測出計算裝置的最後輸出端所承載的轉矩，且藉由彈性裝置提升了計算裝置的輸出軸的角位移，所以不需使用高精密度的角度感測器，也可準確地推測最後輸出端所承載的輸出轉矩。
依據本揭露內容的一實施例，提供一種輸出轉矩的計算裝置，其包括馬達、第一感測器、第二感測器、變速裝置、彈性裝置以及處理器。第一感測器連接於馬達的轉子且量測轉子的第一角度。變速裝置的第一輸入部以及第一輸出部分別連接於轉子以及彈性裝置的第二輸入部。彈性裝置的第二輸出部用於連接負載，而彈性裝置具有旋轉中心，第二輸入部與旋轉中心之間具有第一距離，第二輸出部與旋轉中心之間具有第二距離，而第一距離異於第二距離。第二感測器連接於第二輸出部且量測第二輸出部的第二角度。處理器電性連接於第一感測器與第二感測器，且依據第一角度以及第二角度計算計算裝置的最後輸出端所承載的輸出轉矩。
依據本揭露內容的一實施例，提供一種輸出轉矩的計算方法，其藉由計算裝置來執行，而計算裝置包含第一感測器、第二感測器、轉子、減速機、處理器以及彈性裝置，減速機的第一輸入部以及第一輸出部分別連接於轉子以及彈性裝置的第二輸入部，彈性裝置的第二輸出部用於連接負載，計算方法包括：以第一感測器偵測轉子的第一角度；以第二感測器偵測彈性裝置的第二輸出部的第二角度；以及以處理器依據第一角度以及第二角度計算計算裝置的最後輸出端所承載的輸出轉矩。
本揭露內容的輸出轉矩的計算裝置與其計算方法，透過處理器所推算出的計算裝置的最後輸出多所承載的轉矩與實際使用轉矩感測裝置所量測的實際值相較，兩者的誤差百分比落於可容忍範圍，因此計算裝置不需額外安裝轉矩感測裝置來量測輸出轉矩。另一方面，減速機的輸出部的角度經由彈性裝置放大，以致於使用者不需使用高精密度的角度感測器，即可準確地偵測出角度的資料，進行依據角度資料估算出計算裝置的最後輸出端所承載的輸出轉矩。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1為依據本揭露內容的一實施例所繪示的輸出轉矩的計算裝置的功能方塊示意圖，圖2為依據本揭露內容的一實施例所繪示的輸出轉矩的計算裝置的立體圖。共同參閱圖1與圖2，在本實施例中，輸出轉矩的計算裝置1為一個馬達驅動系統，計算裝置1可包含有馬達10、第一感測器11、變速裝置12、彈性裝置13、第二感測器14以及處理器15。馬達10的種類不受限，例如直流單相馬達、直流三相馬達、交流馬達單相馬達或交流三相馬達。在本實施例中，馬達10為直流單相馬達。馬達10包含定子(圖未顯示)與轉子101， 而第一感測器11組接於馬達10的轉子101上，當馬達10的轉子101開始轉動後，第一感測器11量測轉子101的第一角度。
如圖1與圖2所示，變速裝置12的種類不受限制，例如蝸輪蝸杆減速機、齒輪減速機或諧波減速機。在本實施例中，變速裝置12為齒輪減速機，變速裝置12具有第一輸入部121以及第一輸出部122，第一輸入部121與轉子101相連接，由於第一輸出部121位於半徑較小的齒輪上，而第一輸出部122位於半徑較大的齒輪上，因此透過齒輪減速機可降低轉子101的轉速以及提高馬達10的輸出轉矩。也由於第一輸入部121與轉子101相連接，在其他實施例中，第一感測器11亦可組接於第一輸入部121上。
圖3為本揭露內容的一實施例所繪示的彈性裝置的立體圖。如圖3所示，在一實施例中，彈性裝置13為一體成型的彈性金屬件且金屬種類與形狀不受限制，只要當彈性金屬件承受到剪應力時，只會產生形變而不會發生斷裂即可。在另一實施例中，彈性裝置13可包含合金、塑膠、橡膠、複合材料等材料，例如扭簧。在本實施例中，彈性裝置為一體成形的法藍片，而法藍片的形狀類似一車輪，而彈性裝置13包含第二輸入部131、第二輸出部132、複數個連接件133及旋轉中心134。
彈性裝置13的第二輸入部131為寬度均等的環形體，第二輸出部132為圓形體，且第二輸入部131圍繞於第二輸出部132。該些連接件133為柱狀體且間隔地連接於第二輸入部131與第二輸出部133之間，且該些連接件133之間的間隔相等。在其他實施例中，連接件133的形狀不受限制而可具有其他形狀，例如弧形或螺旋形，且該些連接件133之間的間隔亦可不相等。
第二輸入部131設有複數個第一固定件135，第一固定件135可例如為螺孔，而該些第一固定件135圍繞旋轉中心134且分別與旋轉中心134等距離。第二輸出部132設有複數個第二固定件136，第二固定件136可例如為螺孔，且該些第二固定件136圍繞旋轉中心134且分別與旋轉中心134等距離。 第二輸入部131上的第一固定件135與旋轉中心134之間具有第一距離D1，第二輸出部133上的第二固定件136與旋轉中心134之間具有第二距離D2，而第一距離D1異於第二距離D2。 彈性金屬件13上的第一固定件135以及第二固定件135透過鎖定件分別與變速裝置12以及負載2相鎖定，其中鎖定件可例如為螺絲釘。因此透過彈性裝置13可放大齒輪減速機之角位移的弧長。
如圖1與圖2所示，第二感測器14組接於彈性裝置13的第二輸出部132，當馬達10的轉子101開始轉動後，第二感測器14量測第二輸出部132的第二角度。處理器15電性連接於第一感測器11 與第二感測器14，在一實施例，處理器15透過電線與第一感測器11以及第二感測器14連接，以便第一感測器11與第二感測器14分別將第一角度以及第二角度的資料傳送至處理器15。在另一實施例中，第一感測器11與第二感測器14透過無線通訊方式將第一角度以及第二角度的資料傳送至處理器15。在本實施例中，處理器15內儲存有輸出轉矩的演算法、減速機的減速比、減速機的背隙、減速機的第一剪力模數以及彈性金屬件13的第二剪力模數等資料，當馬達10的轉子101轉動時，處理器15依據第一角位移、第二角位移、轉子101的轉動方向、減速機的減速比、減速機的背隙、減速機的第一剪力模數以及彈性裝置13的第二剪力模數等資料計算出計算裝置1的最後輸出端上所承載的輸出轉矩，而最後輸出端所承載的輸出轉矩包含了整個馬達驅動系統所產生的輸出轉矩以及因外部施力於馬達驅動系統所產生的轉矩，而在本實施例中，馬達驅動系統的最後輸出端為彈性裝置13的第二輸出部132。在其他實施例中，處理器15還可與伺服器或行動通訊設備電性連接，以便將馬達驅動系統的最後輸出端所承載的輸出轉矩的資料傳送至伺服器或行動通訊設備作儲存或加以顯示。
圖4為依據本揭露內容的一實施例所繪示的輸出轉矩的計算方法的流程圖。共同參閱圖1、圖2與圖4，在步驟S401中，當馬達10開始轉動後，以第一感測器11偵測轉子101的第一角度。在步驟S402中，在本實施例中，變速裝置12為減速機，當馬達10經過減速機提高轉矩以驅使彈性裝置13轉動後，以第二感測器14偵測彈性金屬件13的第二輸出部132的第二角度。在步驟S403中，處理器15已儲存有減速機的背隙及第一剪力模數、彈性裝置13的第二剪力模數以及轉矩演算法，當第一感測器11與第二感測器13將第一角度以及第二角度的資料傳送至處理器15後，以處理器15依據第一角度、第二角度、減速機的背隙、減速機的第一剪力模數、彈性裝置13的第二剪力模數以及轉子101當下的轉動方向來計算計算裝置1的最後輸出端當下所承載的輸出轉矩。
關於計算裝置1的最後輸出端所承載的輸出轉矩的演算公式，最後輸出端所承載的輸出轉矩以T表示，轉子101的第一角度以
表示，彈性13的第二角度以
表示，減速機的背隙以
表示，轉子101當下的轉動方向以
表示，減速機的減速比以
表示，減速機的第一剪力模數以G1表示，彈性金屬件13的第二剪力模數以G2表示，最後輸出端所承載的輸出轉矩T與
、
、
、
、
、G1以及G2的關係式為式1：
T=
(式1)
因此，處理器15依據式1以及
、
、
、
、
、
與
等參數，即使計算裝置1未安裝額外的轉矩感測裝置，依然能準確地估算出計算裝置1的最後輸出端所承載的輸出轉矩，即彈性裝置13的第二輸出部132施予負載2的輸出轉矩。
圖5為本揭露內容的一實施例的減速機的機械形變量以及輸出轉矩的關係圖。減速機的輸出轉矩為
、減速機的剪應變
以及減速機的第一剪力模數G1的關係式為式2：
＝
*G1 (式2)
剪應變
即為減速機產生的機械形變量，處理器15依據式2、第一剪力模數G1以及減速機的機械形變量可估算出減速機的輸出轉矩
。如圖5所示，減速機的輸出轉矩越大，機械形變量也越大，而處理器15所估算出的減速機的輸出轉矩與實際使用轉矩感測裝置量測出的實際值很近似。
圖6為依據本揭露內容的一實施例的彈性裝置的機械形變量與輸出轉矩的關係圖。如圖6所示，彈性金屬件13的輸出轉矩越大時，彈性裝置13的機械形變量也越大。透過本揭露內容所提供的輸出轉矩量測方法所估算出的彈性裝置13的輸出轉矩與使用轉矩感測裝置量測出的實際值之間的平均誤差以及誤差百分比分別為0.444Nm與2.429%。由此可知，本發明所提供的輸出轉矩量測方法所估算出的輸出轉矩與實際量測值之誤差落於可容忍範圍。
本揭露內容的輸出轉矩的計算裝置及其計算方法，透過處理器所推算出的計算裝置的最後輸出端所承載的輸出轉矩與實際使用轉矩感測裝置所量測的實際值相較，兩者的誤差百分比落於可容忍範圍，因此不需額外安裝轉矩感測裝置來量測輸出轉矩。另一方面，減速機的輸出部的角度經由彈性裝置放大，以致於使用者不需使用高精密度的角度感測器，即可準確地偵測出角度的資料，進行依據角度資料估算出計算裝置的最後輸出端所承載的輸出轉矩。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1‧‧‧計算裝置
10‧‧‧馬達
101‧‧‧轉子
11‧‧‧第一感測器
12‧‧‧變速裝置
121‧‧‧第一輸入部
122‧‧‧第一輸出部
13‧‧‧彈性裝置
131‧‧‧第二輸入部
132‧‧‧第二輸出部
133‧‧‧連接件
134‧‧‧旋轉中心
135‧‧‧第一固定件
136‧‧‧第二固定件
14‧‧‧第二感測器
15‧‧‧處理器
‧‧‧第一角度
‧‧‧第二角度
‧‧‧減速機的背隙
‧‧‧轉子當下的轉動方向
‧‧‧減速機的減速比
G1‧‧‧第一剪力模數
G2‧‧‧第二剪力模數
T‧‧‧輸出轉矩
D1‧‧‧第一距離
D2‧‧‧第二距離
‧‧‧輸出轉矩
‧‧‧剪應變
2‧‧‧負載
圖1為依據本揭露內容的一實施例所繪示的輸出轉矩的計算裝置的功能方塊圖。 圖2為依據本揭露內容的一實施例所繪示的計算裝置的立體圖。 圖3為依據本揭露內容的一實施例所繪示的彈性裝置的立體圖。 圖4為依據本揭露內容的一實施例所繪示的輸出轉矩的計算方法的流程圖。 圖5為依據本揭露內容的一實施例的減速機的輸出轉矩與機械形變量的關係圖。 圖6為依據本揭露內容的一實施例的彈性裝置的輸出轉矩與機構形變量的關係圖。
Claims (13)
- 一種輸出轉矩的計算裝置，包括： 一馬達，該馬達具有一轉子； 一第一感測器，連接於該轉子且量測該轉子的一第一角度； 一變速裝置，該變速裝置包含一第一輸入部以及一第一輸出部，該第一輸入部連接於該轉子； 一彈性裝置，包含一第二輸入部、一第二輸出部及一旋轉中心，該第二輸入部連接於該第一輸出部，該第二輸出部用於連接一負載，該第二輸入部與該旋轉中心之間具有一第一距離，該第二輸出部與該旋轉中心之間具有一第二距離，該第一距離異於該第二距離； 一第二感測器，連接於該第二輸出部且量測該第二輸出部的一第二角度；以及 一處理器，電性連接於該第一感測器與該第二感測器，且依據該第一角度以及該第二角度計算該計算裝置的一最後輸出端所承載的輸出轉矩。
- 如請求項1所述的計算裝置，其中該彈性裝置為一體成形的結構體。
- 如請求項2所述的計算裝置，該彈性裝置為一體成形的彈性金屬件。
- 如請求項1所述的計算裝置，其中該彈性裝置更包含複數個連接件，該些連接件間隔地連接於該第二輸入部與該第二輸出部之間，且該第二輸入部圍繞該第二輸出部。
- 如請求項4所述的計算裝置，其中該些連接件之間的間隔相等。
- 如請求項4所述的計算裝置，其中該第二輸入部為寬度均等的環形體，該第二輸出部為圓形體。
- 如請求項4所述的計算裝置，其中該第二輸入部設有複數個第一固定件，且該些第一固定件圍繞該旋轉中心。
- 如請求項7所述的計算裝置，其中該些第一固定件分別與該旋轉中心等距離。
- 如請求項4所述的計算裝置，其中該第二輸出部設有複數個第二固定件，且該些第二固定件圍繞該旋轉中心。
- 如請求項9所述的計算裝置，其中該些第二固定件分別與該旋轉中心等距離。
- 一種輸出轉矩的計算方法，藉由一計算裝置來執行，該計算裝置包含一第一感測器、一第二感測器、一轉子、一變速裝置、一處理器以及一彈性裝置，該變速裝置的一第一輸入部以及一第一輸出部分別連接於該轉子以及該彈性裝置的一第二輸入部，該彈性裝置的一第二輸出部用於連接一負載，該方法包括： 以該第一感測器偵測該轉子的一第一角度； 以該第二感測器偵測該彈性裝置的該第二輸出部的一第二角度；以及 以該處理器依據該第一角度以及該第二角度計算該計算裝置的一最後輸出端所承載的輸出轉矩。
- 如請求項11所述的計算方法，其中該變速裝置為一減速機，而該處理器更依據該減速機的一背隙、該轉子當前的一轉動方向，該減速機的一減速比，該減速機的一第一剪力模數、以及該彈性金屬件的一第二剪力模數以計算該最後輸出端所承載的輸出轉矩。
- 如請求項12所述的計算方法，其中該第一角度以表示，該第二角度以
表示，該背隙以
表示，該轉動方向以
表示，該減速比以
表示，該第一剪力模數以
表示，該第二剪力模數以
表示，該最後輸出端所承載的輸出轉矩以T表示，而T=
。
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