专利名称：传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置检测，更特别涉及在一个限定的范围内的旋转位置检测。
背景技术：
有许多扭矩传感装置，包括许多光学传感器。光学传感器的例子在US3938890、4502681、5723974、5907106、5918286和6318817中给出。
发明内容
第一和第二部件的相对的角位置可以通过检测穿过的光的第一和第二颜色之间的平衡来确定，所述光来自一个光源，并穿过一个遮光罩和一个过滤器，所述遮光罩和过滤器中的一个基本上相对于第一部件固定，另一个基本上相对于第二部件固定。所述平衡表明了过滤器和遮光罩的相对的定向，从而表明了两部件的相对定向。在两部件之间采用特定的柔顺件(compliance)时，部件的相对定向可以指示两部件之间的扭矩。
一个关键的应用是检测轮椅的手圈(handrim)与其所对应的轮之间的扭矩。传感器测量手圈相对于轮的偏转。一个柔顺连接件(compliantcoupling)具有适当的刚度，使最大的角度偏转对应于理想的最大扭矩。大多数传感器有利地设置在椅子体内，将最小的部件设置在轮/手圈上。采用这样的传感器可以使驱动和传感系统基本上独立。利用这种传感器，无需在椅子体与旋转轮之间进行电联接，就可测出很小的偏转或扭矩。通过利用一种光学方法来检测并传递数据，这种传感器可以避免包括滑环、无线电回路、感应回路和/或电容回路在内的其它非接触式方法中出现的问题。
在下面的附图和描述中提出了本发明的更多的实施例的细节。从下面的描述和附图以及权利要求书中将会清楚地看出本发明的其它特征、目的和优点。
图1是按照本发明的原理的一个传感器的一幅纵剖面简图。
图2是图1所示的传感器的一光源和测光杯的半示意性开式端部视图。
图3A和B分别是图1所示的传感器的遮光罩和色轮的平面图。
图4A-C示出遮光罩与色轮重叠的情形，这几幅图中分别示出色轮转到全左、中央和全右的情况。
在各图中，相同的编号和标记表示相同的部件。
具体实施例方式
图1示出一个轮椅驱动轮20和一个同轴的手圈22。轮和手圈具有同心的内和外轮毂管部分30和32，二管具有一个共同的轴线500。轮毂管30装在一个主驱动管34内。驱动管34安装成可借助于轴承38相对于轮椅主体(即，相对于一个传动单元的结构部件36)绕轴线500旋转。驱动管连接于一个马达(未示出)，以驱动轮绕轴线500旋转。图中未示出的轮椅的各部件，包括控制电子器件和规则系统部件，可以与在’874中公开的相似。一个迅速脱离机构可以通过从驱动管34中拔出轮毂管30使轮和手圈组件与传动机构脱离接合。轮和手圈通过一个柔顺件40(例如一个弹性体或盘簧)旋转地联接。当手圈和轮从最初的中性定向相对旋转时，柔顺件产生一个逐渐增大的阻挡扭矩，该扭矩至少大到在一个有限范围的所述角位移的各端点处产生基本上硬性的止挡作用。所述范围的一个例子是从中间定向转过+/-1度。峰值可测量的扭矩的幅值的一个例子是，在所述硬性止挡处，10-20磅-英尺。管30的内端带有一个遮光罩44(后面将要描述)。
手圈毂管32的内端带有一个色轮46，其非常接近并朝向遮光罩44，或者与该遮光罩接触。在色轮的后面(外侧)，手圈毂管32带有一个径向上对称的角反射器48，其反射面朝向内侧。在一个优选的实施例中，反射器48安装在色轮的外侧表面上。色轮与遮光罩最好尽可能接近，以使扭曲减至最小，但又不接触，以避免磨损。
在遮光罩44的内侧，传动单元带有一个光源和传感器组件50。组件50例如包括一个杯状的壳体52，其分别具有外和内壁54和56。在两壁之间，壳体52带有一个形式为若干绿色和红色发光二极管(LEDs)58和60的光源。在壁56内，壳体带有一个光传感器或光检测器，其形式为若干光敏二极管62。在图2中更详细地示出，所述若干光敏二极管62包括优先对绿色光敏感的光敏二极管62A和优先对红色光敏感的光敏二极管62B。所述优先敏感可以通过使用带有过滤器的中性光敏二极管实现，所述过滤器基本上滤去所有颜色的光，除了绿色光或红色光。起到挡板作用的壁56将发光二极管与光敏二极管隔开。发光二极管对于这种应用是一种极好的光源，因为它们是单色光源，稳定时间长，并且运行发热小(例如这些发光二极管功率大约为75毫瓦)。
图3A和B分别示出遮光罩和色轮。遮光罩具有若干基本上对于大多数光(至少对于上述两种选择的颜色(在上述例子中为红光或绿光))不透明的部分70和若干对其基本上透明的部分72。这些举例中的部分是一个盘上的交替的径向延伸的扇形，各扇形有基本上相同的周向跨度。与此相似，色轮46包括分别可透过绿光和红光的半透明的或透明的部分74和76，这些部分将其它颜色的光滤去。为了说明方便，图中示出的罩和轮带有5度的扇形。一种优选的轮椅编码器具有提供2度范围(从一中心或中性点至+/-1度)的2度扇形。这将在后面描述。
图4B示出遮光罩和色轮处于中性定向时重合的情况。在这样定向的情况下，二者的各扇形彼此错开半个扇形角。在这种定向的情况下，各不透光的扇形部分70遮住相邻的一对绿色和红色扇形74和76的各一半，同时各透光的扇形72透过相邻的一对扇形74和76的各一半的光线。如果基本上等量的绿色和红色光透过这种重叠的组合体，并且以一种足够散焦的方式观察色轮，则最后的结果看起来是黄色的。如果轮和罩从其中性位置相对转过扇形的一半，则不透光的扇形70将只挡住一组绿色或红色扇形74和76，而透明扇形72将只透过另一组。因此在图4A中示出的情况下，相对旋转使得只有红光可以透过所述组合体，而在图4C中，在相反的方向上旋转相等的量，以便只有绿色的光可以透过。
使用时，色轮与手圈一同旋转，遮光罩与驱动轮一同旋转。从红色和绿色发光二极管发出的光最初向外传播，并遇到遮光罩。所述两种颜色穿过部分72，并被部分70挡住，所以，这两种颜色的光透过的总量减少了最初的50％。而后透过的光线遇到了部分74和76，相应颜色的光只穿过相应的部分74和76中没有被挡住的部分。随着红/绿色轮相对于遮光罩的角位移，红/绿过滤的平衡得到改变。这样，穿过色轮的两种颜色的净比例或平衡取决于相对的位移。在穿过色轮之后，反射器的外部将光线径向向内反射，然后一个中央部分将光线反射回内侧。然后，反射的光线再次穿过色轮和遮光罩。由于遮挡的程度相同，这第二次穿过并不影响颜色的平衡，虽然使强度减小了。这些光被光敏二极管62检测到，绿色光敏二极管62A和红色光敏二极管62B的输出平衡表示穿过的光的平衡，从而表示旋转方向和程度的平衡。对于眼睛，随着手圈从-1度移动到+1度，颜色会从红色到红黄，到黄色，再到黄绿，再到绿色改变。对于公知的柔顺件(无论是线性的还是其它的)，光敏二极管的输出可以用于确定手圈与轮之间的扭矩。
返回的光的量非常小。光敏二极管的输出非常小，因此，放大器(未示出)也需要非常大的倍数。传感器杯上安装电子器件以减少噪音是有利的。一些种类的光学放大器件(便宜的透镜)可以减少所需的电器放大器件。
传感器应该对电噪音的抗干扰性非常好，而且应该不辐射电磁干扰。
这种系统可以采用模拟的方式输出，与一个用于应变仪的仪器放大器的输出相同，也可以采用一种数字式输出。
遮光罩与色轮可以作为一个单元相对于轮椅旋转，而不改变所传递的红色和绿色光的相对比例。当光源的强度(但不是其光谱)改变时，红/绿的比例并不改变。这种系统会对光传导的变化不太敏感，这样，如果驱动单元与轮之间的边界有一点脏，不会改变反射的测量。
整个传感组件可以从驱动单元(例如装在一起的马达/传动单元)上卸下，而不用打开该驱动单元。
上面描述了本发明的一个或多个实施例。然而，应该理解，在不背离本发明的精神和不偏离本发明的范围的前提下，可以对本发明作出各种改进。例如，可以对色轮和遮光罩作出改进。例如，可以取消二者中穿过部分70、72、74和76的一个，比如通过在遮光罩上或者色轮上提供孔或辅助的透明区域。这有助于增加传感性。也可以使用其它的互补颜色，接收器可以在外侧，而光源在内侧，还可以使用白光源。可以从齿轮箱中伸出一个轴，在该轴上安装驱动轮，或者也可以从轮上伸出一根轴，该轴插入齿轮箱。如果交替地使红色和绿色发光二极管发光并高速(例如几千赫兹)地同步测量光敏二极管的输出，就可以采用一个或多个非过滤光敏二极管(对于两个颜色成分都敏感的)。相应地，其它的实施例也是在下面的权利要求书的保护范围内的。
权利要求
1.一种用于检测第一和第二部件的相对位置或定向的装置，其包括一个具有第一和第二颜色成分的光源；一个过滤器，其具有第一和第二部分，该两部分分别优先穿过所述第一和第二颜色成分，该过滤器基本上相对于第一部件固定；一个遮光罩，具有分别对于所述第一和第二颜色成分都透明或不透明的第一和第二部分，并基本上相对于所述第二部件固定；和一个用于检测第一和第二颜色成分的传感器；其中遮光罩和过滤器沿着光源和传感器之间的一个或几个光路安装；所述位置或定向的一个变化引起所述第二遮光罩部分对所述第一和第二过滤器部分的相对遮挡的变化，从而改变由所述传感器检测到的所述第一和第二颜色成分的相对的比例。
2.如权利要求1的装置，在一个柔顺件阻挡所述位置或定向的改变的情况下，用于测量第一与第二部件之间的力或扭矩。
3.如权利要求1的装置，其中第一和第二部件的组合体装在一个第三部件上，光源和传感器安装在第三部件上，使得所述组合体可以相对于光源和传感器移动；所述装置还包括一个反射器，其由第一和第二部件中的一个支撑并定位，使得光路从光源经反射器延伸到传感器，并使光路至少一次穿过遮光罩和过滤器。
4.如权利要求3的装置，其中所述光路两次穿过遮光罩和过滤器。
5.如权利要求1的装置，其中第一和第二部件限制成使得所述位置或定向的改变基本上限于绕以轴线的相对旋转，该轴线相对于第一和第二部件固定。
6.如权利要求5的装置，其中遮光罩和过滤器的第一和第二部分各为一个环或盘的交替的扇形。
7.如权利要求1的装置，其中光源包括第一成分的一个或多个基本上离散的第一光源和第二成分的一个或多个基本上离散的第二光源。
8.如权利要求7的装置，其中第一和第二光源为第一和第二发光二极管。
9.如权利要求8的装置，其中第一和第二发光二极管分别为红色和绿色的。
10.如权利要求1的装置，其中所述传感器对于所述第一和第二颜色成分敏感，操作所述光源来交替地产生所述第一和第二颜色成分。
11.如权利要求10的装置，其中有一个单独的光敏二极管，同步地传感第一和第二颜色成分。
12.如权利要求1的装置，其中所述位置或定向的改变基本上强制地止挡在一个一维的两端范围内。
13.如权利要求12的装置，其中所述一维的两端范围是一个在0.5度至10.0度范围内的旋转的范围。
14.如权利要求12的装置，其中所述一维的两端范围是一个1.0度至3.0度的旋转范围，一个柔顺件倾向于对中在所述范围内相对的旋转。
15.一个轮椅，包括一个座位；一个轮椅架；左和右马达；左和右驱动轮，分别传动连接于左和右马达；左和右手圈，分别与左和右驱动轮同心，并连接于所述左和右驱动轮；如权利要求1的左和右装置，分别与左和右驱动轮联接，其中第一和第二部件分别为相应的驱动轮和手圈的轮毂部分；一个控制系统，其将左装置与马达以及右装置与马达联接起来，从而响应于至少一个由左装置检测到的扭矩使左马达驱动，相应于由右装置检测到的至少一个扭矩使右马达驱动。
16.一种用于检测使用者施加到轮椅的手圈上的扭矩的方法，包括检测穿过遮光罩和过滤器的光源的光的第一与第二颜色之间的平衡，遮光罩和过滤器中的一个基本上相对于手圈固定，另一个基本上相对于与上述手圈相连的驱动轮固定，在采用一个特定的柔顺件的情况下，驱动轮和手圈的相对定向指示了所述扭矩，所述平衡指示过滤器与遮光罩的相对定向。
17.如权利要求16的方法，其中第一和第二颜色为红色和绿色；所述平衡是相对于中性条件的，在该中性条件中，基本上等量的红色和绿色光穿过；和检测的范围为从中性条件至±2度的范围。
全文摘要
两部件的相对位置的检测基于检测光的第一和第二成分的相对的强度进行。这种强度的平衡与第一和第二颜色过滤器部分被另一部件上的遮光罩的相对遮挡相关。一个使用的例子是在一个有限的旋转范围内的旋转位置的检测。在两部件之间带有柔顺件的情况下，可以用位置传感来代替扭矩传感。
文档编号A61G5/10GK1495412SQ0312265
公开日2004年5月12日 申请日期2003年3月4日 优先权日2002年3月4日
发明者D·R·约尔格, D·K·尼尔加尔德, A·M·布拉德利, D R 约尔格, 尼尔加尔德, 布拉德利 申请人:独立技术有限责任公司