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。

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(compliant coupling)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。
在本发明的一个实施例中，所述位置或定向的改变强制地止挡在一 个一维的两端范围内。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。
在另一个实施例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。
本发明还提出了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相对于手圈固定，另一个相对于与 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。
在一个方法实施例中，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，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。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。

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 的实施例也是在本发明的保护范围内的。
相关申请的交叉参考
本专利申请涉及一种传感器技术，其可以应用于动力辅助的轮椅， 例如，在美国专利申请No.09/886874(后面称为’874申请)中描述的， 该专利申请的名称为“动力辅助车辆”，其于2001年6月21日申请， 在这里，该申请引为参考。