TWI634312B - 用於輪組的光學感測裝置及其使用之光學感測方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於輪組的光學感測裝置，包括一第一光柵、一第二光柵、一負載元件以及二光學感測器。第一光柵設置於輪組的一第一輪體。第二光柵設置於輪組的一第二輪體。負載元件連接於第一輪體與第二輪體之間，負載元件用以接收第二輪體相對於第一輪體旋轉一相差角度時的一作用力。此二光學感測器安裝於輪組之一動力模組上，此二光學感測器分別對應第一光柵與第二光柵設置，此二光學感測器分別接收經由第一光柵及第二光柵反射之二光訊號，且動力模組根據相差角度輸出一扭力至第一輪體。

Description

用於輪組的光學感測裝置及其使用之光學感測 方法
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種用於輪組的光學感測裝置及其使用之光學感測方法。
在動力輔助輪組市場中，為了偵測使用者的意圖，往往在動力模組中安裝感測器偵測手輪與路輪間的力變異或角度變異，以接觸式的感測器進行量測會遇到量測端與訊號處理端有相對移動的問題，因此往往需要碳刷及滑環等元件進行轉動元件(輪與其上之感測器)與不轉動的元件(動力模組)間之訊號傳輸，此類產品在使用一段時間後易出現磨耗以及傳輸不佳的問題。
另一方面，若動力模組具有可拆裝特性，接觸式感測器多有對位性、耐用性之問題，另一類解決方式則是使用非接觸的方法來克服對位性及耐用性之問題，然此類方法多為使用磁性元件，缺點在於欲求高精度則有組裝困難及重量過重之問題，欲求輕量化則造成感測精度不佳之問題。
本發明係有關於一種用於輪組的光學感測裝置及其使用之光學感測方法，採用非接觸式感測，並安裝在動力模組上。
根據本發明之一方面，提出一種用於輪組的光學感測裝置，包括一第一光柵、一第二光柵、一負載元件以及二光學感測器。第一光柵設置於輪組的一第一輪體。第二光柵設置於輪組的一第二輪體。負載元件連接於第一輪體與第二輪體之間，負載元件用以接收第二輪體相對於第一輪體旋轉一相差角度時的一作用力。此二光學感測器安裝於輪組之一動力模組上，此二光學感測器分別對應第一光柵與第二光柵設置，此二光學感測器分別接收經由第一光柵及第二光柵反射之二光訊號，且該二光訊號用以計算該相差角度。
根據本發明之一方面，提出一種用於輪組的光學感測方法，其中輪組包括一第一輪體、一第二輪體以及一動力模組，第一輪體上設有一第一光柵，第二輪體上設有一第二光柵，且動力模組上設有二光學感測器。光學感測方法包括下列步驟。由此二光學感測器分別接收經由第一光柵及第二光柵反射之二光訊號。根據第一光柵及第二光柵反射之二光訊號，計算第二輪體相對於第一輪體旋轉的一相差角度。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100‧‧‧輪組
110‧‧‧第一輪體
111‧‧‧輪轂
112、122‧‧‧輪輻
120‧‧‧第二輪體
121‧‧‧圓盤
123‧‧‧容置凹槽
130‧‧‧動力模組
133、134‧‧‧突出部
140‧‧‧光學感測裝置
141、142‧‧‧光學感測器
144‧‧‧判斷單元
151、151’‧‧‧第一光柵
152、152’‧‧‧第二光柵
153‧‧‧負載元件
161‧‧‧第一徑向表面
162‧‧‧第二徑向表面
171‧‧‧第一環狀表面
172‧‧‧第二環狀表面
R1‧‧‧第一半徑
R2‧‧‧第二半徑
L1、L2‧‧‧光訊號
△θ‧‧‧相差角度
θth1‧‧‧正閥值
θth2‧‧‧負閥值
P‧‧‧脈衝寬度
T‧‧‧脈衝周期
S1‧‧‧第一相位時間
S2‧‧‧第二相位時間
S3‧‧‧第三相位時間
S4‧‧‧第四相位時間
CH.A、CH.B‧‧‧脈衝訊號
第1圖繪示依照本發明一實施例之具有動力模組的輪組的分解示意圖。
第2A圖繪示依照本發明一實施例之用於光學感測的第一光柵及第二光柵的示意圖。
第2B及2C圖分別繪示第2A圖中的第一光柵及第二光柵之間存在正相差角度(△θ>0)與負相差角度(△θ<0)時的示意圖。
第3A圖繪示依照本發明一實施例之用於分析由第二光柵反射的光訊號之相位變化的示意圖。
第3B圖繪示第3A圖之相位變化區間S1至S4對應的訊號值。
第4圖繪示依照本發明一實施例之用於輪組的光學感測方法的流程圖。
第5A圖繪示依照本發明一實施例之用於輪組的光學感測裝置的示意圖。
第5B圖繪示依照本發明另一實施例之用於輪組的光學感測裝置的分解示意圖。
第5C圖繪示依照本發明另一實施例之用於輪組的光學感測裝置的分解示意圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
請參照第1圖，輪組100包括一第一輪體110、一第二輪體120、一動力模組130以及一光學感測裝置140。第一輪體110係指可以輔助動力驅動的路輪，而第二輪體120係指使用者以手轉動的手輪，當第二輪體120被使用者轉動時，光學感測裝置140感測使用者意圖(包含使用者施力大小及使用者對第二輪體120的轉動方向)，進而可驅使動力模組130驅動第一輪體110進行相對應之轉動。
請參照第1圖，第一輪體110具有一輪轂111以及多個輪輻112。第二輪體120具有一圓盤121以及多個連接至圓盤121的輪輻122，且圓盤121可相對於輪轂111旋轉。
在一實施例中，輪組100可應用在電動輪椅或電動腳踏車等交通工具上。此外，輪組100拆除了動力模組130之後，仍能保有一般車輪的功能，不需將固定在電動輪椅或電動腳踏車上的路輪也拆除。
請參照第1圖及第2A至2C圖，依照本發明一實施例之用於輪組100的光學感測裝置140包括一第一光柵151、一第二光柵152、一負載元件153以及二光學感測器141、142。第一光柵151可設置於如第1圖所示輪組100的第一輪體110上，第二光柵152可設置於如第1圖所示輪組100的第二輪體120上。
第一光柵151例如具有多條寬度相等且等距排列的柵線，排列在輪轂111之徑向表面上，而第二光柵152例如具有多條寬度相等且等距排列的柵線，排列在圓盤121之徑向表面上。 在一實施例中，第一光柵151與第二光柵152例如以同心圓配置，也就是說，第一光柵151與第二光柵152的圓心在同一點上，且第一光柵151相對於圓心具有一第一半徑R1，第二光柵152相對於即圓心具有一第二半徑R2，如第2A圖所示。第一半徑R1例如小於第二半徑R2，即第一光柵151在內，第二光柵152在外。在另一實施例(圖未繪示)中，當第一光柵151在外，第二光柵152在內時，第一光柵151之半徑可大於第二光柵152之半徑，本發明對此不加以限定。
此外，請參照第1圖，負載元件153設置於第一輪體110與第二輪體120之間，負載元件153用以接收第二輪體120相對於第一輪體110旋轉一相差角度時的一作用力。也就是說，當使用者推動第二輪體120旋轉一角度時，負載元件153被壓縮或被拉伸而產生一彈性回復力。當使用者放開第二輪體120時，第二輪體120藉由彈性回復力回復至初始位置。負載元件153例如為彈簧或扭簧，且負載元件153具有一彈性係數。在本實施例中，可藉由負載元件153被拉伸或被壓縮的位移變化量與彈性係數相乘之積，以計算使用者施加於第二輪體120的扭力。負載元件153的數量不限定，可為一個或多個。在本實施例中，負載元件153的數量例如為三個。
請參照第1圖，在一實施例中，負載元件153例如位於輪轂111與圓盤121之間的一容置凹槽123中，當第二輪體120相對於第一輪體110旋轉時，負載元件153可於容置凹槽123 中被壓縮而進入操作狀態(如第2B及2C圖所示)或被釋放而回復到初始未壓縮的狀態(如第2A圖所示)。
另外，請參照第1圖，二光學感測器141、142安裝於輪組100之動力模組130上，此二光學感測器141、142分別對應第一光柵151與第二光柵152設置，各光學感測器141、142發出一光訊號並接收分別經由第一光柵151及第二光柵152反射之光訊號L1、L2，反射後的光訊號L1、L2為脈衝訊號，脈衝頻率表示單位時間內通過光訊號的柵線數量，因此可藉由計算反射後的光訊號L1、L2的脈衝頻率，即可得知柵線數量。由於光學感測器141、142採用非接觸感測，可避免元件接觸磨耗，耐用性較高，且光學感測器141、142與用以接收感測訊號的模組(例如判斷單元144)均可設置在動力模組130上，若上述動力模組130含可拆裝特性，則可達成方便拆裝，以解決傳統接觸式感測器的元件容易磨耗及無法拆裝分離的問題。
請參照第2A至2C圖，光學感測裝置140更包括一判斷單元144(例如控制器)，可接收二光學感測器141、142所輸出的感測訊號，用以計算第一光柵151與第二光柵152之柵線數量以及對應各柵線數量的第一角度與第二角度，其中第一角度為第一光柵151旋轉的角度，第二角度為第二光柵152旋轉的角度，第一角度與第二角度的差值為第二輪體120相對於第一輪體110旋轉時之一相差角度△θ。也就是說，利用二光訊號L1、L2感測到的柵線數量來偵測第二輪體120及第一輪體110旋轉的角度，柵 線數量愈多，旋轉的角度愈大。舉例來說，柵線數量每增加一個，旋轉角度例如增加0.25度，因此只要計算柵線數量，就可得知第一輪體110的第一光柵151的旋轉角度與第二輪體120的第二光柵152的旋轉角度。
請參照第1及2A圖，在一實施例中，當第二輪體120與第一輪體110同時轉動時，負載元件153也同步轉動，故不會被拉伸或被壓縮，此時，二光學感測器141、142感測到的第一光柵151與第二光柵152的柵線數量相同，表示第一光柵151與第二光柵152同步旋轉，故第一光柵151與第二光柵152旋轉的角度相等，第二輪體120及第一輪體110之間不存在相差角度(△θ=0)。
在第1、2B及2C圖中，當第二輪體120受到使用者轉動且未與第一輪體110同步轉動時，負載元件153受外力作用，使負載元件153被拉伸或被壓縮，此時，二光學感測器141、142感測到的第一光柵151與第二光柵152的柵線數量不相同，表示第一光柵151與第二光柵152非同步旋轉，故第一光柵151與第二光柵152旋轉的角度不相等，第二輪體120及第一輪體110之間將存在一相差角度(△θ>0或△θ<0)。
請參照第1及2B圖，當第二角度與第一角度的差值(即相差角度△θ)大於一正閥值θth1時，動力模組130可根據相差角度△θ輸出一正向扭力至第一輪體110，以使第一輪體110正向旋轉。動力模組130輸出的扭力與相差角度△θ呈正比，以具體呈現出使用者之意圖。請參照第1及2C圖，當使用者反向推動第二 輪體120，使得第二角度與第一角度的差值(即相差角度△θ)小於一負閥值θth2時，動力模組130可根據相差角度△θ輸出一反向扭力至第一輪體110，以使第一輪體110反向旋轉。上述的正閥值θth1可為大於或等於零的數值，負閥值θth2可為小於或等於零的數值，當相差角度△θ介於正閥值θth1與負閥值θth2之間時，可將動力模組130設定為不輸出扭力至第一輪體110。上述的正閥值θth1可設為+4度左右或更大，上述的負閥值θth2可設為-4度左右或更小，也就是說，當相差角度△θ介於+4度及-4度之間時不輸出扭力，以避免誤觸動，但本發明對此不加以限制。
請參照第2A至2C圖，判斷單元144還可用以分析由第二光柵152反射之光訊號之相位變化，以判斷第二輪體120的旋轉方向。詳言之，請參照第3A及3B圖，其中P表示脈衝寬度，T表示脈衝周期，S1表示第一相位時間，S2表示第二相位時間，S3表示第三相位時間，S4表示第四相位時間，CH.A表示光學感測器142的第一通道接收到的脈衝訊號，CH.B表示光學感測器142的第二通道接收到的脈衝訊號，脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B之間相差四分之一相位角度。請參照第3B圖，在第一相位時間S1內，脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B的振幅以(1,0)表示，在第二相位時間S2內，脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B的振幅以(1,1)表示，在第三相位時間S3內，脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B的振幅以(0,1)表示，在第四相位時間S4內，脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B的振幅以(0,0)表示。在第2B圖中，當第二輪體 120正轉時，判斷單元144計算第二光柵152的柵線數量，且判斷單元144判斷在第3B圖中相對應的脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B的相位變化由S1至S4，進而判斷第二輪體120的轉動方向為正轉。此外，在第2C圖中，當第二輪體120反轉時，判斷單元144計算第二光柵152的柵線數量，且判斷單元144判斷在第3B圖中相對應的脈衝訊號CH.A與脈衝訊號CH.B的相位變化由S4至S1，進而判斷第二輪體120的轉動方向為反轉。此外，判斷單元144尚可用以分析由第一光柵151反射之光訊號之相位變化，以判斷第一輪體110的旋轉方向，判斷方式與前述雷同，在此不再贅述。因此，判斷單元144可藉由上述的相位變化得知第一輪體110與第二輪體120的旋轉方向。
請參照第1及4圖，依照本發明一實施例之用於輪組100的光學感測方法包括下列步驟S11~S18。在步驟S11中，由二光學感測器141及142分別接收經由第一光柵151及第二光柵152反射之二光訊號L1及L2，並可根據第二光柵152反射之光訊號L2判斷第二輪體120的旋轉方向，有關步驟S11之第二輪體120的旋轉方向判斷步驟請參照第3A及3B圖之說明，在此不再贅述。在步驟S12中，計算第一光柵151與第二光柵152之柵線數量以及對應各柵線數量的角度；接著，在步驟S13中，根據第一光柵151及第二光柵152的柵線數量的差值，計算第二輪體120相對於第一輪體110旋轉的一相差角度△θ。例如：柵線數量的差值每增加一個，相差角度△θ例如增加0.25度，同理，柵線數量的差值每減少一 個，相差角度△θ例如減少0.25度。有關步驟S12及S13之計算步驟請參照第2A至2C圖之說明，在此不再贅述。接著，在步驟S14中，當相差角度△θ介於正閥值θth1與負閥值θth2之間時，進行步驟S15，動力模組130不輸出扭力至第一輪體110。接著，在步驟S16-S17中，當相差角度△θ大於或等於正閥值θth1時，表示第二輪體120被向前推動，動力模組130對應輸出一正向扭力至第一輪體110，以使第一輪體110向前轉動。反之，在步驟S18-S19中，當相差角度△θ小於或等於一負閥值θth2時，表示第二輪體120被向後推動，動力模組130對應輸出一反向扭力至第一輪體110，以使第一輪體110向後轉動。
請參照第1及5A圖，在一實施例中，第一輪體110與第二輪體120分別具有位於徑向(Y軸方向)上的一第一徑向表面161以及一第二徑向表面162，第一光柵151排列在第一徑向表面161上，第二光柵152排列在第二徑向表面162上，且二光學感測器141、142分別在第一徑向表面161及第二徑向表面162的一法線方向(X軸方向)上相對第一光柵151及第二光柵152，用以接收分別經由第一光柵151及第二光柵152反射之光訊號。
接著，請參照第1及5B圖，在另一實施例中，第一輪體110與第二輪體120分別具有環繞軸向(X軸方向)的一第一環狀表面171以及一第二環狀表面172，第一光柵151’位於第一環狀表面171上，第二光柵152’位於第二環狀表面172之上，動力模組130具有一突出部133，對應延伸至第一環狀表面171與第二環狀 表面172所圍成的一空間中，且二光學感測器141、142設置於突出部133並在徑向(Y軸方向)上相對第一光柵151’及第二光柵152’，用以接收分別經由第一光柵151’及第二光柵152’反射之光訊號。
接著，請參照第1及5C圖，在另一實施例中，第一輪體110與第二輪體120分別具有還繞軸向(X軸方向)上的一第一環狀表面171以及一第二環狀表面172，第一光柵151’位於第一環狀表面171上，第二光柵152’位於第二環狀表面172上，動力模組130具有一突出部134，對應延伸至第一環狀表面171與第二環狀表面172之外，且二光學感測器141、142設置於突出部134並在徑向(Y軸方向)上相對第一光柵151’及第二光柵152’，用以接收分別經由第一光柵151’及第二光柵152’反射之光訊號。
上述三個實施例中，皆採用非接觸式感測，且光學感測器141、142與用以接收感測訊號的模組(例如判斷單元144)均設置在動力模組130上，若動力模組含可拆裝特性，則可達成方便拆裝，以解決傳統接觸式感測器的元件容易磨耗及無法拆裝分離的問題。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

  1. 一種用於輪組的光學感測裝置，包括：一第一光柵，設置於一輪組的一第一輪體；一第二光柵，設置於該輪組的一第二輪體；一負載元件，連接於該第一輪體與該第二輪體之間，該負載元件用以接收該第二輪體相對於該第一輪體旋轉一相差角度時的一作用力；以及二光學感測器，安裝於該輪組之一動力模組上，該二光學感測器分別對應該第一光柵與該第二光柵設置，該二光學感測器分別接收經由該第一光柵及該第二光柵反射之二光訊號，且該二光訊號用以計算該相差角度，其中當該相差角度大於或等於一正閥值時，該動力模組輸出一正向扭力至該第一輪體，當該相差角度小於或等於一負閥值時，該動力模組輸出一反向扭力至該第一輪體，當該相差角度介於該正閥值與該負閥值之間時，該動力模組不輸出扭力至該第一輪體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一光柵排列在該第一輪體之一第一徑向表面上，該第二光柵排列在該第二輪體之一第二徑向表面上，且該二光學感測器在該第一及第二徑向表面的一法線方向上相對該第一光柵及該第二光柵。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一輪體與該第二輪體分別具有一第一環狀表面以及一第二環狀表面，該第一光柵位於該第一環狀表面上，該第二光柵位於該第二環狀表面上，其中該動力模組具有一突出部，對應延伸至該第一環狀表面與該第二環狀表面所圍成的一空間中，且該二光學感測器設置於該突出部並相對該第一光柵及該第二光柵。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一輪體與該第二輪體分別具有一第一環狀表面以及一第二環狀表面，該第一光柵位於該第一環狀表面上，該第二光柵位於該第二環狀表面上，其中該動力模組具有一突出部，對應延伸至該第一環狀表面與該第二環狀表面之外，且該二光學感測器設置於該突出部並相對該第一光柵及該第二光柵。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，更包括一判斷單元，接收該二光學感測器對應接收之該二光訊號，其中該判斷單元分析由該第一光柵及該第二光柵反射之該二光訊號的相位變化，以分別判斷該第一輪體及該第二輪體的旋轉方向。
  6. 一種用於輪組的光學感測方法，該輪組包括一第一輪體、一第二輪體以及一動力模組，該第一輪體上設有一第一光柵，該第二輪體上設有一第二光柵，該動力模組上設有二光學感測器，該光學感測方法包括：由該二光學感測器分別接收經由該第一光柵及該第二光柵反射之二光訊號；以及根據該第一光柵及該第二光柵反射之該二光訊號，計算該第二輪體相對於該第一輪體旋轉的一相差角度，其中當該相差角度大於或等於一正閥值時，該動力模組輸出一正向扭力至該第一輪體，當該相差角度小於或等於一負閥值時，該動力模組輸出一反向扭力至該第一輪體，當該相差角度介於該正閥值與該負閥值之間時，該動力模組不輸出扭力至該第一輪體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光學感測方法，更包括分別根據該第一光柵及該第二光柵反射之該二光訊號的相位變化，判斷該第一輪體及該第二輪體的旋轉方向。
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