WO2007069929A1 - Position and motion capacitive sensor and dedicated circuit for determining x, y, z coordinates of the trajectory of a characteristic point - Google Patents

Position and motion capacitive sensor and dedicated circuit for determining x, y, z coordinates of the trajectory of a characteristic point Download PDF

Info

Publication number
WO2007069929A1
WO2007069929A1 PCT/RO2006/000024 RO2006000024W WO2007069929A1 WO 2007069929 A1 WO2007069929 A1 WO 2007069929A1 RO 2006000024 W RO2006000024 W RO 2006000024W WO 2007069929 A1 WO2007069929 A1 WO 2007069929A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
capacitance
differential
characteristic point
block
coordinates
Prior art date
Application number
PCT/RO2006/000024
Other languages
French (fr)
Inventor
Marius Gheorghe Hagan
Original Assignee
Marius Gheorghe Hagan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Marius Gheorghe Hagan filed Critical Marius Gheorghe Hagan
Priority to EP06843940A priority Critical patent/EP1963778A1/en
Publication of WO2007069929A1 publication Critical patent/WO2007069929A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1101—Detecting tremor

Definitions

  • the invention relates to a capacitive, three-dimensional displacement and displacement sensor for determining the x, y and z coordinates and the rajectory of a characteristic point which belongs to an object situated inside the feeder. .
  • the invention can be applied in several fields of the art, the most important being the computer industry, robotics and medicine.
  • a human-computer interface (mouse> u joystick) can be created which can allow control in three dimensions of the workspace, this usefulness can make the CAD projection activity easier by the direct activation [ 'another dimension, respectively the depth of the workspace.
  • the invention can be adapted to the use of computer games with interface D.
  • this invention finds application in the determination of the tremor gene for Parkinson's patients.
  • the remote control of a scalpel during a surgical procedure can be done by the opening of the doctor's hand inside the sensor, this movement being transposed in coordinates that will be transmitted to the execution element, for example to the device of action of the scalpel.
  • Capacitive position and displacement sensors are known whose operating principle is to capture the modification of the distance between the reinforcements and the modification of the dielectric.
  • the displacement sensors with a variable area, constituted by two coplanar reinforcements whose distance is constant, that which is modified being the common area of the two frames, by the longitudinal displacement of one of the two .
  • the technical problem solved by this invention consists in determining the coordinates and the trajectory of a characteristic point of an object following a nodification of certain differential abilities on the three axes, caused by the presence of the object in a certain position inside the sensor.
  • An object according to the invention consists of a differential capacitive sensor of several fixed armatures disposed on the surfaces of a prismatic body and supported by a metal carcass which also acts as a screen, so that they define a first differential rectangular capacitance associated with the axis OX, ormée of three frames, between the first armature and the second armature being a miter of about 90 ° and between the second armature and the third armature being a 90 ° angle a second differential rectangular capacitance associated with the OY axis being defined by another armature group; armatures arranged in a manner that is embleable to those of the first differential capacitance and a third simple cuboid capacitance corresponding to the OZ axis being defined by two frames arranged at an always right angle.
  • the differential capacitive sensor is connected to a capacitance conversion block capacitances to digital dimensions, by the connection of the first capacitance capacitance with conductors to a first capacitance-number converter, by the second differential capacitance capacitance with conductors a second onvertisseur capacity-number which is also connected the third simple capacity; conversion block being connected, in turn, by masterful wires to a data block that computes the x, y, and z coordinates of a characteristic point (x, y, z) that belongs to an object introduced into the internal space delimited by the rmatures of the differential capacitive sensor and transmits them to a terminal block.
  • the two rectangular capacitors are each defined by a group of three frames, among which one frame is of common reference and is flanked by the other two frames.
  • the simple rectangular capacity is formed by two armatures that make an angle of 90 ° between them, one of the armatures being also common to the two differential capacitors.
  • the capacity-number converters of the composition of the conversion block take at the input the values of the rectangular differential capacitances and the value of the simple rectangular capacitance and transpose them to the output at digital dimensions.
  • the calculation kernel of the structure of the data calculation block receives at the input of the digital dimensions representing the values of the three capacities and generates at the output of the digital dimensions which represent the x, y and z coordinates of the characteristic point P (x , y, z) of the object in a static state inside the sensor.
  • the application of the present invention provides the following advantages: it provides the possibility of determining the three-dimensional coordinates of a stationary object and the 3D trajectory of an object in motion; the generated dimensions are digital in nature, being easily stored, calculated and transmitted remotely; it presents the constructive and technological simplicity, following the use of certain fixed armatures which constitute the capacities; broadening the scope of use of capacitive sensors; the reduction of the cost price;
  • FIG. 1 is a diagrammatic overall view of the capacitive capacitive sensor of position and displacement for the determination of the X, Y and Z coordinates and the jerk of a characteristic point of an object;
  • FIG. 5 the diagram of the conversion block B of FIG. 1;
  • FIG. 6 the diagram of the calculation block C of FIG. 1;
  • FIG. 7a the diagram of the terminal block D of FIG. 1, variant UART;
  • FIG. 7d diagram of the terminal block D of FIG. 1, variant control circuit) for motors
  • FIG. 5a is a schematic view of the capacitance Cx of the sensor A and of an object 28, having a characteristic point P (x, y, z) whose coordinate x m is equal to zero;
  • FIG. 5b is a schematic view of the capacitance Cx of the sensor A and of an object 28, having a characteristic point P (x, y, z), whose coordinate x m is positive;
  • the sensor for determining the coordinates and the trajectory of an object point of an object consists, according to FIG. 1, of a differential capacitive sensor A, connected to a block B of conversion of values capacities in equal dimensions, followed by a data calculation block C and a terminal block D, fed with a DC voltage source 1.
  • the differential capacitive sensor A according to fig.2 ... 4 consists of five fixed armatures 2, 3, 4,5 and 6 which form a prism - a cube or a parallelepiped - with a single frontal slot, where we introduce the object whose position or trajectory will be determined.
  • the frames 2, 3, 4, 5 and 6 constitute three rectangular differential capacitances corresponding to the three coordinate axes OX, OY and OZ.
  • the plates 2, 4 and 5 together constitute a rectangular differential capacitor, denoted by Cx, by which the position of an object on the axis OX is grasped.
  • Armatures 3, 4 and 6 constitute a second rectangular differential capacitor Cv. which captures the position of the object on the axis OY and the frames 3 and 4 form a rectangular capacity Cz, for the input of the position of the object on the axis OZ.
  • the five armatures 2, 3, 4, 5 and 6 are mounted using spacers insulators 7 in a metal shell 8 of prismatic shape, which has the role of mechanical support frames 2, 3, 4, 5 and 6 and screen against disturbances of an electrical nature, external to the differential capacitive sensor A.
  • the differential capacitive sensor A is connected to the conversion block B, in the following way: the capacitor Cx is connected by conductors 9, 10 and 11, the capacitance Cy is connected via the conductors 10, 12 and 13 and the capacitance Cz is connected by the conductors 10 and 12.
  • the block B for converting capacitive values into digital dimensions is formed, according to FIG. 5, of two capacity-number 14 and 15 differential converters which are fed from the DC voltage source 1.
  • the converter 14 takes the values of the capacitance Cx, through the conductors 9, 10 and 11, which it will then transpose into digital values and transmits them to the calculation block C, by a masterful son 16 type I2C
  • the converter 15 takes the values of the capacitances CY and CZ, by the conductors 10,12 and 13, which it will transpose in digital dimensions and transmits them to the block C by a masterful son 17, type I2C.
  • the capacity-number 14 and 15 differential converters are identical and reference can be made to those of the AD7747 type produced by an American company "Analog Devices".
  • Block C for calculating the data is formed by a computing core 18, which may be an integrated electronic structure, reconfigurable FPGA or ASIC) or a microcontroller.
  • Block C is also constituted of the following discrete auxiliary components: a coil 19, a resistor 20, ondensiers 21, 22 and 23 and a quartz 24.
  • Block C receives the input signals of block B via master wires 16 and 7 and the output signals are generated to terminal block D by conductors 5, 26 and 27.
  • the output signals can be the coordinates of the characteristic point '(x.y.z) or can represent the trajectory of this point, in the form of packets of nouns.
  • the microcontroller 18 is programmed to determine the coordinates of a characteristic point P (x, y, z) which belongs to an object 28, in a static state inside the differential capacitive sensor A according to FIG. 8a, and according to the values of the capacitances. Cx, Cy and Cz.
  • the object 28 can also determine the path traveled by the characteristic point P (x, y, z), while the object 28 is in motion, based on the successive modifications of the values of the capacitances Cx, Cy and Cz.
  • Block D is the terminal block of the sensor, as shown in Figure 7a .... 7d.
  • the following variants are represented: in the form of a communication block 29 of the ART type, where the signals Rx and Tx pass through conductors 30 and 31. as shown in Figure 7a; in the form of a communication block 32, of USB type, where the B communication signals D- and D + pass through conductors 33 and 34 according to Figure 7b; 3us the form of a digital or graphic display block, for example of OD type, known or specially designed, according to Figure 7c; and finally in the form of a control unit 36 for a group of several actuators, for example three electric motors 37, shown in FIG. 7d, which receive the control signals via conductors 38, 39 and 40.
  • the operation of the intelligent sensor according to the invention is based on the existence of a proportionality between the position of an object 28 located inside the differential capacitive sensor A and the value of this capacitance.
  • the presence of this object 28 modifies the value of the electrical permittivity of the capacitor, which leads to the modification of the value of this capacitance.
  • FIG. 8a it is considered that the characteristic point P (x, y, z) belonging to the object 28 is at the origin of the axis OX, the value of the differential capacitance being, in this case, the , equal to zero.
  • the value of the capacitance Cx is formed of the frames 2 and 4 and will be:
  • the characteristic point P (x, y, z) of the object 28, located at equal distances from the frames 2 and 5, will influence the values of the two capacitors equally, in this way:
  • FIG. 8b shows the case where, by approximation of the object 28 of the armature 5, respectively by the separation thereof from the armature 2, the equivalent relative permittivity ⁇ nl ⁇ . increases, while ⁇ rel_ st decreases, so that the value of the capacitance C x dr is greater than that of the capacitance C x _ st .
  • the difference between the two values is proportional to the value of the coordinate x m of the characteristic point P (x, y, z), where x m will have a positive value.
  • FIG. 8c shows the case where, by bringing the object 28 of the armature 2 closer together, respectively by the distance thereof from the armature 5, the permittivity ' ⁇ -equivalent equivalent ⁇ rel dr decreases and ⁇ rd sl increases, so that the value of the
  • capacitance C 1 dr is smaller than that of capacitance C x s ⁇ .
  • the difference between the two values is proportional to the value of the coordinate x m of the characteristic point P (x, y, z), situation x m or will have a negative value.
  • connection between the coordinate y m and the value of the ectangular differential capacitance Cy, the displacement of the object 28 on the direction of the axis OY is similar to the connection between the coordinate x m and the value of the rectangular differential capacitance ⁇ au, the displacement of the object 28 on the direction of the axis OX, as has been demonstrated internally.
  • FIG. 8d is presented the case where the object 28 moves on the direction of axis OZ.
  • the capacitance Cz formed of the frames 4 and 3 is rectangular simple.
  • the values of the capacitances Cx, Cy and Cz are converted into umeric dimensions by means of the capacity-number converters 14 and 15.
  • the specificity of e circuit is the fact that, by the programming of some own registers, it allows the conversion of 'a differential capacity and a simple capacity at the same time, in numerical values.
  • the generated result is on 24 bytes, using only 16 bytes, in this concrete example of realization.
  • the value of the capacitance Cx is a function of the position of the projection of the point P (x, y, z) on the axis OX.
  • the capacitor Cx is converted into a digital dimension by the converter 14, At the zero value of the coordinate x m , as shown in FIG. 8a, corresponds to the numerical value 0x8000 (in hexadecimal representation) which is found at the output of the capacitor-converter. number.
  • the result of the capacity-number conversion is transmitted through the master 16 to the microcontroller 18 which will transpose the digital value of the capacitance Cx in distance, thereby determining the value of the coordinate
  • k x is a linearization coefficient of the capacitance-distance characteristic
  • n is a specific index to the linearization memory "look-up table”.
  • the coordinate is determined by the configuration of the converter 15 in a simple conversion mode, being necessary the calibration of the capacitance Cz for the zero value, sn defining in this way, the capacitance C ZOff whose value is obtained in the absence of the object 28, the differential capacitive sensor A.
  • the value of the coordinate z m will be: z m - k z [ql - (C z [q] - C zoff );
  • FIG. 9 shows the flowchart of the algorithm implemented at the microcontroller 18 (or in the ASIC structures, FPGA), for the determination of the coordinates x m , Wn and z m of the characteristic point P (x, y, z).
  • Figs. 8a, 8b, 8c, and 8d demonstrate.
  • the succession of calculation steps is as follows:
  • the coordinates are stored as one-dimensional arrays xmt [i], ymt [i] and zmtp], as shown by the labels. 53, 54 and 55 of Figure 13.
  • the index i of the tables is incriminated for each update of the coordinates xm, ym and zm to a preset value r, as shown on the label 57 of FIG. 13.
  • the trajectory of the characteristic point P (x, y, z) is represented by the succession of coordinates xmt [i], ymt [i], zmtfj], which are stored in the form of three one-dimensional arrays and displayed later as shown in FIG. label v of FIG.
  • the trajectory performed by the characteristic point of the "master” element is copied in real time in the form of a trajectory performed by the characteristic point of the "slave” element.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

The invention concerns a three-dimensional intelligent position and motion capacitive sensor, for determining x, y, z coordinates and the trajectory of a characteristic point pertaining to an object located inside the sensor. The technical problem solved by the present invention consists in determining the coordinates and the trajectory of a characteristic point of an object following modification of certain differential capacitances over the three axes, caused by the presence of the object in a certain position inside the sensor. The inventive intelligent sensor consists of a differential capacitive sensor (A) consisting of several fixed armatures (2, 3, 4, 5 and 6) arranged on the surface of a prismatic body, so as to define a first rectangular differential capacitance Cx formed by the armatures (2, 4 and 5) between the first armature (2) and the second armature (4) being a right angle, and between the second armature (4) and the third armature (5) being also a right angle, a second rectangular capacitance Cy being defined by the armatures (3, 4 and 6) in the same way as the capacitance Cx, a third simple rectangular capacitance Cz being defined by two armatures (3 and 4) likewise arranged at an angle of about 90°. The differential capacitive sensor (A) is connected to a block (B) for converting the values of the capacitances into digital dimensions, the block (B) being in turn connected to a block (C) for computing data which computes the coordinates x, y, and z of the characteristic point P(x,y,z) pertaining to an object introduced in the inner space of the differential capacitive sensor (A) and transmits same to a terminal block (D).

Description

SENSEUR CAPACITIF DE POSITION ET DÉPLACEMENT ET CIRCUIT CAPACITIVE POSITION AND DISPLACEMENT SENSOR AND CIRCUIT
SPÉCIALISÉ DANS LA DÉTERMINATION DES COORDONNÉES X, Y, ZSPECIALIZED IN DETERMINING COORDINATES X, Y, Z
ETDE LA TRAJECTOIRE D'UN POINT CARACTÉRISTIQUEAND THE TRACK OF A CHARACTERISTIC POINT
Domaine TechniqueTechnical area
L'invention se réfère à un senseur intelligeant capacitif, tridimensionnel de josition et de déplacement destiné à la détermination des coordonnées x, y et z et de la rajectoire d'un point caractéristique qui appartient à un objet situé à l'intérieur du ;enseur.The invention relates to a capacitive, three-dimensional displacement and displacement sensor for determining the x, y and z coordinates and the rajectory of a characteristic point which belongs to an object situated inside the feeder. .
L'invention peut être appliquée dans plusieurs domaines de la technique, les plus mportants étant l'industrie des ordinateurs, la robotique et la médicine.The invention can be applied in several fields of the art, the most important being the computer industry, robotics and medicine.
A l'aide de cette invention, on peut créer une interface homme-ordinateur (mouse >u joystick) qui puisse permettre le contrôle dans trois dimensions de l'espace de travail, ïette utilité peut rendre plus facile l'activité de projection CAD par l'activation directe ['encore une dimension, respectivement la profondeur de l'espace de travail. En même smps, l'invention peut être adaptée à l'utilisation des jeux sur ordinateur avec interface D.With the aid of this invention, a human-computer interface (mouse> u joystick) can be created which can allow control in three dimensions of the workspace, this usefulness can make the CAD projection activity easier by the direct activation [ 'another dimension, respectively the depth of the workspace. In same smps, the invention can be adapted to the use of computer games with interface D.
La réalisation d'un . système robotique « master-slave » est possible par utilisation de cette invention, en prenant les coordonnées d'un point caractéristique du ispositif « master », qui peut être, par exemple, une main humaine et la transposition e celles-ci vers le dispositif « slave » qui est un bras de robot.The realization of a. robotic system "master-slave" is possible by use of this invention, by taking the coordinates of a characteristic point of the ispositif "master", which can be, for example, a human hand and the transposition e these to the device "Slave" which is a robot arm.
Également, dans le cas des robots mobiles ou des manipulateurs, on peut réétablir la trajectoire de déplacement de ceux-ci, par le mouvement de la main à ntérieur du senseur, qui va enregistrer ce mouvement sous la forme de successions de Dordonnées (trajectoires) qui va être ultérieurement suivie dans l'espace de travail par îlément effectuant du robot.Also, in the case of mobile robots or manipulators, one can reestablish the trajectory of movement of these, by the movement of the hand inside the sensor, which will record this movement in the form of successions of Dordonnées (trajectories) which will later be followed in the workspace by the element making the robot.
En médicine, cette invention trouve son application dans la détermination du gnal de tremblement pour les malades de Parkinson. De le même manière, le contrôle distance d'un bistouri durant une intervention chirurgicale peut être fait par le ouvement de la main du médecin à l'intérieur du senseur, ce mouvement étant transposé dans des coordonnées qui seront transmises à l'élément d'exécution, comme par exemple au dispositif d'agissement du bistouri.In medicine, this invention finds application in the determination of the tremor gene for Parkinson's patients. In the same way, the remote control of a scalpel during a surgical procedure can be done by the opening of the doctor's hand inside the sensor, this movement being transposed in coordinates that will be transmitted to the execution element, for example to the device of action of the scalpel.
Technique antérieurePrior art
On connaît des senseurs de position et de déplacement capacitifs qui ont comme principe de fonctionnement la saisie de la modification de la distance entre les armatures et la modification du diélectrique.Capacitive position and displacement sensors are known whose operating principle is to capture the modification of the distance between the reinforcements and the modification of the dielectric.
De l'ouvrage The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, IEEE Press, 1999", maison d'édition Webster, J. G., on connaît des senseurs de déplacement à distance variable, constitués par deux armatures coplanaires, une des deux armatures étant mobile, il se crée, de cette manière, une distance variable qui influence la valeur de la capacité.From the book The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, IEEE Press, 1999 "Webster publishing house, JG, there are known displacement sensors at varying distances, constituted by two coplanar frames, one of the two frames being mobile, it In this way, a variable distance is created which influences the value of the capacity.
On connaît, du même ouvrage également, les senseurs de déplacement avec une aire variable, constitués par deux armatures coplanaires dont la distance est constante, celle qui se modifie étant l'aire commune des deux armatures, par le déplacement longitudinal d'une des deux.Also known from the same work are the displacement sensors with a variable area, constituted by two coplanar reinforcements whose distance is constant, that which is modified being the common area of the two frames, by the longitudinal displacement of one of the two .
De l'ouvrage « Aparate electronice médicale, Maison d'édition Dacia, Cluj Napoca, 1988 » auteur Gligor, T.D, on connaît un senseur capacitif de détermination du tremblement de la main, qui est constitué par quatre armatures, deux pour la saisie du mouvement de la main sur l'axe x et deux pour la saisie du mouvement de la main sur l'axe y. Les deux capacités sont excitées par une source de courent à une fréquence de quelque centaines de kHz. Le désavantage de ce type de senseur consiste dans son instabilité le long du temps, dans un circuit de commande compliqué, dans sa grande sensibilité aux perturbations, alors que le mouvement de la main est surveillé par un moniteur sur deux axes seulement.From the book "Aparate medical electronice, Dacia Publishing House, Cluj Napoca, 1988" author Gligor, TD, we know a capacitive sensor for determining the hand tremor, which is constituted by four armatures, two for the seizure of the movement of the hand on the x-axis and two for grasping the movement of the hand on the y-axis. Both capacities are excited by a source of current at a frequency of some hundreds of kHz. The disadvantage of this type of sensor is its instability along time, in a complicated control circuit, in its high sensitivity to disturbances, while the movement of the hand is monitored by a monitor on two axes only.
Du brevet US 5,986,549, on connaît seulement un senseur de position et de déplacement résonant, qui comprend dans sa structure des éléments capacitifs et des éléments inductifs aussi. Le désavantage de ce type de senseur consiste dans sa complexité constructive et dans la complexité du circuit électronique auxiliaire.From US Pat. No. 5,986,549, only a resonant position and displacement sensor is known which comprises in its structure capacitive elements and inductive elements as well. The disadvantage of this type of sensor is its constructive complexity and the complexity of the auxiliary electronic circuit.
Le problème technique résolu par cette invention consiste dans la détermination des coordonnées et de la trajectoire d'un point caractéristique d'un objet suite à une nodification de certaines capacités différentielles sur les trois axes, causée par la présence de l'objet dans une certaine position à l'intérieur du senseur.The technical problem solved by this invention consists in determining the coordinates and the trajectory of a characteristic point of an object following a nodification of certain differential abilities on the three axes, caused by the presence of the object in a certain position inside the sensor.
Exposé de l'inventionPresentation of the invention
Le senseur intelligent capacitif de position et de déplacement pour la détermination des coordonnées x, y et z et de la trajectoire d'un point caractéristique J'un objet, conformément à l'invention, est constitué d'un senseur capacitif différentiel orme de plusieurs armatures fixes disposées sur les surfaces d'un corps prismatique et soutenues par une carcasse métallique qui a également rôle d'écran, de façon qu'elles léfinissent une première capacité rectangulaire différentielle associée à l'axe OX, ormée de trois armatures, entre la première armature et la deuxième armature étant un mgle de quelque 90° et entre la deuxième armature et la troisième armature étant ^gaiement un angle de 90° ' une deuxième capacité rectangulaire différentielle associée i l'axe OY, étant définie par un autre groupe d'armatures disposée de manière emblable à celles de la première capacité différentielle et une troisième capacité 3ctangulaire simple afférente à l'axe OZ étant définie par deux armatures disposées ans un angle toujours droit.The capacitive intelligent position and displacement sensor for determining the x, y and z coordinates and the trajectory of a characteristic point. An object according to the invention consists of a differential capacitive sensor of several fixed armatures disposed on the surfaces of a prismatic body and supported by a metal carcass which also acts as a screen, so that they define a first differential rectangular capacitance associated with the axis OX, ormée of three frames, between the first armature and the second armature being a miter of about 90 ° and between the second armature and the third armature being a 90 ° angle a second differential rectangular capacitance associated with the OY axis being defined by another armature group; armatures arranged in a manner that is embleable to those of the first differential capacitance and a third simple cuboid capacitance corresponding to the OZ axis being defined by two frames arranged at an always right angle.
Le senseur capacitif différentiel est connecté à un bloc de conversion des valeurs es capacités à des dimensions digitales, par la liaison de la première capacité ifférentielle avec des conducteurs à un premier convertisseur capacité-numéro, par la aison de la deuxième capacité différentielle avec des conducteurs à un deuxième onvertisseur capacité-numéro auquel est connectée aussi la troisième capacité simple, ; bloc de conversion étant connecté, à son tour, par des magistrales de fils à un bloc de alcul des données qui calcule les coordonnées x, y et z d'un point caractéristique (x,y,z) qui appartient à un objet introduit dans l'espace intérieur délimité par les rmatures du senseur capacitif différentiel et les transmet à un bloc terminal.The differential capacitive sensor is connected to a capacitance conversion block capacitances to digital dimensions, by the connection of the first capacitance capacitance with conductors to a first capacitance-number converter, by the second differential capacitance capacitance with conductors a second onvertisseur capacity-number which is also connected the third simple capacity; conversion block being connected, in turn, by masterful wires to a data block that computes the x, y, and z coordinates of a characteristic point (x, y, z) that belongs to an object introduced into the internal space delimited by the rmatures of the differential capacitive sensor and transmits them to a terminal block.
Les deux capacités rectangulaires sont définies chacune par un groupe de trois rmatures, parmi lesquelles une armature est de référence commune et est flanquée ar les deux autres armatures. La capacité rectangulaire simple est formée par deux armatures qui font entre elles un angle de 90°, une des armatures étant aussi commune aux deux capacités différentielles.The two rectangular capacitors are each defined by a group of three frames, among which one frame is of common reference and is flanked by the other two frames. The simple rectangular capacity is formed by two armatures that make an angle of 90 ° between them, one of the armatures being also common to the two differential capacitors.
Les convertisseurs capacité-numéro de la composition du bloc de conversion prennent à l'entrée les valeurs des capacités rectangulaires différentielles et la valeur de la capacité rectangulaire simple et les transposent à la sortie à des dimensions digitales. Le noyau de calcul de la structure du bloc de calcul des données reçoit à l'entrée des dimensions digitales représentant les valeurs des trois capacités et génèrent à la sortie des dimensions digitales qui représentent les coordonnées x, y et z du point caractéristique P(x,y,z) de l'objet en état statique à l'intérieur du senseur.The capacity-number converters of the composition of the conversion block take at the input the values of the rectangular differential capacitances and the value of the simple rectangular capacitance and transpose them to the output at digital dimensions. The calculation kernel of the structure of the data calculation block receives at the input of the digital dimensions representing the values of the three capacities and generates at the output of the digital dimensions which represent the x, y and z coordinates of the characteristic point P (x , y, z) of the object in a static state inside the sensor.
Par comparaison aux senseurs capacitifs connus, par l'application de la présente invention on obtient les avantages suivants : elle assure la possibilité de détermination des coordonnées tridimensionnelles d'un objet stationnaire et la trajectoire 3D d'un objet en mouvement ; les dimensions générées sont de nature digitale, étant facilement à stocker, à calculer et à transmettre à distance ; elle présente la simplicité constructive et technologique, suite à l'utilisation de certaines armatures fixes qui constituent les capacités ; l'élargissement du domaine d'utilisation des senseurs capacitifs ; la réduction du prix de coût ;Compared with known capacitive sensors, the application of the present invention provides the following advantages: it provides the possibility of determining the three-dimensional coordinates of a stationary object and the 3D trajectory of an object in motion; the generated dimensions are digital in nature, being easily stored, calculated and transmitted remotely; it presents the constructive and technological simplicity, following the use of certain fixed armatures which constitute the capacities; broadening the scope of use of capacitive sensors; the reduction of the cost price;
D'autres avantages de la présente invention sont facilement décelables par les personnes de spécialité dans le domaine, des dessins explicatifs, de la description de l'exemple de réalisation préféré et des revendications qui suivent.Other advantages of the present invention are easily detectable by those skilled in the art, explanatory drawings, the description of the preferred embodiment and the claims that follow.
Description sommaire des DessinsBrief description of Drawings
Voila, pour ce qui suit, un exemple de réalisation de l'invention, par rapport aussi aux figures 1....10, qui représentent : - fig.1 , une vue schématique, d'ensemble, du senseur intelligeant capacitif de Dosition et de déplacement pour la détermination des coordonnées X, Y et Z et de la rajectoire d'un point caractéristique d'un objet ;Herein, for the following, an embodiment of the invention, also with respect to FIGS. 1 .... 10, which represent: FIG. 1 is a diagrammatic overall view of the capacitive capacitive sensor of position and displacement for the determination of the X, Y and Z coordinates and the jerk of a characteristic point of an object;
- fig.2, une vue frontale du senseur capacitif différentiel A de fig.1 ;- Fig.2, a front view of the differential capacitive sensor A of fig.1;
- fig.3, une section selon un plan I - 1 de fig.2;- fig.3, a section along a plane I - 1 of fig.2;
- fig.4, une section selon un plan II - II de fig.2;- fig.4, a section along a plane II - II of fig.2;
- fig.5, le schéma du bloc de conversion B de figure 1 ;FIG. 5, the diagram of the conversion block B of FIG. 1;
- fig.6 le schéma du bloc de calcul C de figure 1 ;FIG. 6 the diagram of the calculation block C of FIG. 1;
- fig.7a, le schéma du bloc terminal D de figure 1, variante UART ;FIG. 7a, the diagram of the terminal block D of FIG. 1, variant UART;
- fig.7b, le schéma du bloc terminal D de figure 1 , variante USB ;- Fig.7b, the diagram of the terminal block D of Figure 1, USB variant;
- fig.7c, schéma du bloc terminal D de figure 1 , variante afficheur ;- Fig.7c, diagram of the terminal block D of Figure 1, display variant;
- fig.7d, schéma du bloc terminal D de figure 1, variante circuit de commande )our moteurs ;FIG. 7d, diagram of the terminal block D of FIG. 1, variant control circuit) for motors;
- fig.δa, une vue schématique sur la capacité Cx du senseur A et d'un objet 28, iyant un point caractéristique P(x, y, z), dont la coordonnée xm est égale à zéro;FIG. 5a is a schematic view of the capacitance Cx of the sensor A and of an object 28, having a characteristic point P (x, y, z) whose coordinate x m is equal to zero;
- fig.δb, une vue schématique sur la capacité Cx du senseur A et d'un objet 28, iyant un point caractéristique P(x, y, z), dont la coordonnée xm est positive;FIG. 5b is a schematic view of the capacitance Cx of the sensor A and of an object 28, having a characteristic point P (x, y, z), whose coordinate x m is positive;
- fig.δc, une vue schématique sur la capacité Cx du senseur A et d'un objet 28, yant un point caractéristique P(x, y, z), dont la coordonnée xm est négative;- Fig.δc, a schematic view on the capacitance Cx of the sensor A and an object 28, having a characteristic point P (x, y, z), whose coordinate x m is negative;
- fig.δd, une vue schématique sur la capacité Cz du senseur A et d'un objet 28, yant un point caractéristique P(x, y, z), dont la coordonnée xm est différente de zéro;- fig.δd, a schematic view on the capacitance Cz of the sensor A and an object 28, having a characteristic point P (x, y, z), whose coordinate x m is different from zero;
-fig. 9, une organigramme de calcul des coordonnées du point caractéristique '(X1V1Z) de l'objet 28 ;-Fig. 9, a flowchart for calculating the coordinates of the characteristic point (X 1 V 1 Z) of the object 28;
-fig.10, une organigramme de calcul de la trajectoire du point caractéristique (x,y,z) de l'objet 28 en mouvement ;-fig.10, a flowchart for calculating the trajectory of the characteristic point (x, y, z) of the object 28 in motion;
a meilleure manière de réaliser l'inventionbetter way to realize the invention
Le senseur pour la détermination des coordonnées et de la trajectoire d'un point aractéristique d'un objet, conformément à l'invention, est constitué, selon la figure 1 , 'un senseur capacitif différentiel A, connecté à un bloc B de conversion des valeurs des capacités dans des dimensions égales, suivi par un bloc C de calcul des données et un bloc terminal D , alimentés avec une source 1, de tension continue.The sensor for determining the coordinates and the trajectory of an object point of an object, according to the invention, consists, according to FIG. 1, of a differential capacitive sensor A, connected to a block B of conversion of values capacities in equal dimensions, followed by a data calculation block C and a terminal block D, fed with a DC voltage source 1.
Le senseur capacitif différentiel A, conformément à la fig.2...4 est constitué de cinq armatures fixes 2, 3, 4,5 et 6 qui forment un prisme - un cube ou un parallélépipède - avec une seule fente frontale, par où on introduit l'objet dont la position ou la trajectoire vont être déterminées.The differential capacitive sensor A, according to fig.2 ... 4 consists of five fixed armatures 2, 3, 4,5 and 6 which form a prism - a cube or a parallelepiped - with a single frontal slot, where we introduce the object whose position or trajectory will be determined.
Les armatures 2, 3, 4, 5 et 6 constituent trois capacités différentielles rectangulaires, correspondant aux trois axes de coordonnées OX, OY et OZ. De cette manière, les armatures 2, 4 et 5 constituent ensemble une capacité différentielle rectangulaire, notée Cx, par laquelle on saisie la position d'un objet sur l'axe OX. Les armatures 3, 4 et 6 constituent une deuxième capacité différentielle rectangulaire Cv. qui saisie la position de l'objet sur l'axe OY et les armatures 3 et 4 forment une capacité rectangulaire Cz, pour la saisie de la position de l'objet sur l'axe OZ.The frames 2, 3, 4, 5 and 6 constitute three rectangular differential capacitances corresponding to the three coordinate axes OX, OY and OZ. In this way, the plates 2, 4 and 5 together constitute a rectangular differential capacitor, denoted by Cx, by which the position of an object on the axis OX is grasped. Armatures 3, 4 and 6 constitute a second rectangular differential capacitor Cv. which captures the position of the object on the axis OY and the frames 3 and 4 form a rectangular capacity Cz, for the input of the position of the object on the axis OZ.
Les cinq armatures 2, 3, 4, 5 et 6 sont montées à l'aide des distanciées isolateurs 7 dans une carcasse métallique 8 de forme prismatique, qui a le rôle de soutien mécanique des armatures 2, 3, 4, 5 et 6 et d'écran face aux perturbations de nature électrique, extérieures au senseur capacitif différentiel A.The five armatures 2, 3, 4, 5 and 6 are mounted using spacers insulators 7 in a metal shell 8 of prismatic shape, which has the role of mechanical support frames 2, 3, 4, 5 and 6 and screen against disturbances of an electrical nature, external to the differential capacitive sensor A.
Le senseur capacitif différentiel A est connecté au bloc B de conversion, dans la manière suivante : la capacité Cx est connecté par des conducteurs 9, 10 et 11 , la capacité Cy est connecté par le biais des conducteurs 10, 12 et 13 et la capacité Cz est connecté par les conducteurs 10 et 12.The differential capacitive sensor A is connected to the conversion block B, in the following way: the capacitor Cx is connected by conductors 9, 10 and 11, the capacitance Cy is connected via the conductors 10, 12 and 13 and the capacitance Cz is connected by the conductors 10 and 12.
Le bloc B de conversion des valeurs capacitives dans des dimensions digitales est formé, selon la figure 5, de deux convertisseurs différentiels capacité-numéro 14 et 15 qui sont alimentés de la source de tension continue 1.The block B for converting capacitive values into digital dimensions is formed, according to FIG. 5, of two capacity-number 14 and 15 differential converters which are fed from the DC voltage source 1.
Dans cet exemple de réalisation de l'invention, le convertisseur 14 prend les valeurs de la capacité Cx, par les conducteurs 9, 10 et 11 , qu'il va ensuite transposer dans des valeurs digitales et les transmet vers le bloc de calcul C, par une magistrale de fils 16 de type I2C, et le convertisseur 15 prend les valeurs des capacités CY et CZ, par les conducteurs 10,12 et 13, qu'il va transposer dans des dimensions digitales et les transmet vers le bloc C par une magistrale de fils 17, de type I2C. Les convertisseurs différentiels capacité-numéro 14 et 15 sont identiques et de ^référence on peut utiliser ceux du type AD7747, produits par une compagnie américaine « Analog Devices ».In this embodiment of the invention, the converter 14 takes the values of the capacitance Cx, through the conductors 9, 10 and 11, which it will then transpose into digital values and transmits them to the calculation block C, by a masterful son 16 type I2C, and the converter 15 takes the values of the capacitances CY and CZ, by the conductors 10,12 and 13, which it will transpose in digital dimensions and transmits them to the block C by a masterful son 17, type I2C. The capacity-number 14 and 15 differential converters are identical and reference can be made to those of the AD7747 type produced by an American company "Analog Devices".
Le bloc C de calcul des données, conformément à la figure 6, est formé par un ioyau de calcul 18, qui peut être une structure électronique intégrée, reconfigurable FPGA ou ASIC) ou un microcontrôleur.Block C for calculating the data, in accordance with FIG. 6, is formed by a computing core 18, which may be an integrated electronic structure, reconfigurable FPGA or ASIC) or a microcontroller.
Dans cet exemple de réalisation on utilise un microcontrôleur AduC-7026, fabriqué >ar la compagnie américaine « Analog Devices ». Le bloc C est constitué aussi des suivants composants auxiliaires discrets : une bobine 19, une résistance 20, des :ondensateurs 21, 22 et 23 et un quartz 24.In this embodiment, an AduC-7026 microcontroller manufactured by the American company Analog Devices is used. Block C is also constituted of the following discrete auxiliary components: a coil 19, a resistor 20, ondensateurs 21, 22 and 23 and a quartz 24.
Le bloc C reçoit les signaux d'entrée du bloc B par des magistrales de fils 16 et 7 et les signaux de sorties sont générés vers le bloc terminal D par des conducteurs !5, 26 et 27.Block C receives the input signals of block B via master wires 16 and 7 and the output signals are generated to terminal block D by conductors 5, 26 and 27.
Les signaux de sortie peuvent être les coordonnées du point caractéristique '(x.y.z) ou peuvent représenter la trajectoire de ce point, sous la forme de paquets de onnées.The output signals can be the coordinates of the characteristic point '(x.y.z) or can represent the trajectory of this point, in the form of packets of nouns.
Le microcontrôleur 18 est programmé pour la détermination des coordonnées 'un point caractéristique P(x,y,z) qui appartient à un objet 28, en état statique à ntérieur du senseur capacitif différentiel A selon la figure 8a, et selon les valeurs des apacités Cx, Cy et Cz.The microcontroller 18 is programmed to determine the coordinates of a characteristic point P (x, y, z) which belongs to an object 28, in a static state inside the differential capacitive sensor A according to FIG. 8a, and according to the values of the capacitances. Cx, Cy and Cz.
En même temps, il peut déterminer aussi la trajectoire parcourue par le point aractéristique P(x,y,z), alors que l'objet 28 se trouve en mouvement, à base des îodifications successives des valeurs des capacités Cx, Cy et Cz.At the same time, it can also determine the path traveled by the characteristic point P (x, y, z), while the object 28 is in motion, based on the successive modifications of the values of the capacitances Cx, Cy and Cz.
Le bloc D est le bloc terminal du senseur, comme le montre la figure 7a....7d. 3lui-ci est représenté, en fonction des applications concrètes où on utilise l'invention, ans les variantes suivantes : sous la forme d'un bloc de communication 29 de type ART, ou les signaux Rx et Tx passent par des conducteurs 30 et 31 , comme le montre figure 7a ; sous la forme d'un bloc de communication 32, de type USB, où les signaux B communication D- et D+ passent par des conducteurs 33 et 34 selon la figure 7b ; 3us la forme d'un bloc 35 d'affichage numérique ou graphique, par exemple de type OD, connu ou spécialement conçu, selon la figure 7c ; et finalement sous la forme d'un bloc 36 de commande pour un groupe de plusieurs agissants, par exemple trois moteurs électriques 37, représentés dans la figure 7d, qui reçoivent les signaux de commande par des conducteurs 38, 39 et 40.Block D is the terminal block of the sensor, as shown in Figure 7a .... 7d. According to the concrete applications in which the invention is used, the following variants are represented: in the form of a communication block 29 of the ART type, where the signals Rx and Tx pass through conductors 30 and 31. as shown in Figure 7a; in the form of a communication block 32, of USB type, where the B communication signals D- and D + pass through conductors 33 and 34 according to Figure 7b; 3us the form of a digital or graphic display block, for example of OD type, known or specially designed, according to Figure 7c; and finally in the form of a control unit 36 for a group of several actuators, for example three electric motors 37, shown in FIG. 7d, which receive the control signals via conductors 38, 39 and 40.
Le fonctionnement du senseur intelligeant, conformément à l'invention, est basé sur l'existence d'une proportionnalité entre la position d'un objet 28 situe à l'intérieur du senseur capacitif différentiel A et la valeur de cette capacité. La présence de cet objet 28 modifie la valeur de la permittivité électrique de la capacité, ce qui conduit à la modification de la valeur de cette capacité. Dans la figure 8a on considère que le point caractéristique P(x,y,z) qui appartient à l'objet 28 se trouve à l'origine de l'axe OX, la valeur de la capacité différentielle étant, dans ce cas-la, égale à zéro.The operation of the intelligent sensor according to the invention is based on the existence of a proportionality between the position of an object 28 located inside the differential capacitive sensor A and the value of this capacitance. The presence of this object 28 modifies the value of the electrical permittivity of the capacitor, which leads to the modification of the value of this capacitance. In FIG. 8a, it is considered that the characteristic point P (x, y, z) belonging to the object 28 is at the origin of the axis OX, the value of the differential capacitance being, in this case, the , equal to zero.
La valeur de la capacité Cx st formée des armatures 2 et 4 et va être :The value of the capacitance Cx is formed of the frames 2 and 4 and will be:
C ^ x_st = ε c 0 Fύrel st d.C ^ x_st = ε c 0 F ύ rel st d.
Et la valeur de la capacité Cx_dr, formée des armatures 4 et 5 va êtreAnd the value of the capacitance Cx_dr, formed of the frames 4 and 5 is going to be
C - ε ε A - d.C - ε ε A - d.
OÙ: ε0 - la permittivité du vide; εre - la permittivité relative équivalente du milieu entre les armatures;Where: ε 0 - the permittivity of the void; ε re - the equivalent relative permittivity of the medium between the reinforcements;
S - les surfaces des armatures; de - la distance équivalente entre les armaturesS - the surfaces of the frames; d e - the equivalent distance between reinforcement
Le point caractéristique P(x,y,z) de l'objet 28, se situant à des distances égales face aux armatures 2 et 5, va influencer de manière égale les valeurs des deux capacités, de cette façon :The characteristic point P (x, y, z) of the object 28, located at equal distances from the frames 2 and 5, will influence the values of the two capacitors equally, in this way:
Srel _êι ~ £ ' rel _sl ~~> ^x ~ ^x_dr ~ ^x_ st = " Dans la figure 8b on présente le cas ou, par rapprochement de l'objet 28 de l'armature 5, respectivement par Péloignement de celui-ci de l'armature 2, la permittivité relative équivalente εnl ώ. augmente, alors que εrel_st diminue, ce qui fait que la valeur de la capacité Cx dr soit plus grande que celle de la capacité Cx_st . S rel _êι ~ £ rel _sl ~~> ^ x ~ ^ ~ ^ x_ x_dr st = " FIG. 8b shows the case where, by approximation of the object 28 of the armature 5, respectively by the separation thereof from the armature 2, the equivalent relative permittivity ε nl ώ . increases, while ε rel_ st decreases, so that the value of the capacitance C x dr is greater than that of the capacitance C x _ st .
La différence entre les deux valeurs est proportionnelle à la valeur de Ia coordonnée xm du point caractéristique P(x,y,z), situation ou xm aura une valeur positive.The difference between the two values is proportional to the value of the coordinate x m of the characteristic point P (x, y, z), where x m will have a positive value.
Dans la figure 8c, on présente le cas ou, par rapprochement de l'objet 28 de 'armature 2, respectivement par l'éloignement de celui-ci de l'armature 5, la permittivité 'βlative équivalente εrel dr diminue et εrd sl augmente, ce qui fait que la valeur de laFIG. 8c shows the case where, by bringing the object 28 of the armature 2 closer together, respectively by the distance thereof from the armature 5, the permittivity 'β-equivalent equivalent ε rel dr decreases and ε rd sl increases, so that the value of the
;apacité C1 dr soit plus petite que celle de la capacité Cx sι .capacitance C 1 dr is smaller than that of capacitance C x sι .
La différence entre les deux valeurs est proportionnelle a la valeur de la coordonnée xm du point caractéristique P(x,y,z), situation xm ou va avoir une valeur îégative.The difference between the two values is proportional to the value of the coordinate x m of the characteristic point P (x, y, z), situation x m or will have a negative value.
La liaison entre la coordonnée ym et la valeur de la capacité différentielle ectangulaire Cy, au déplacement de l'objet 28 sur la direction de l'axe OY est similaire i la liaison entre la coordonnée xm et la valeur de la capacité différentielle rectangulaire }χ, au déplacement de l'objet 28 sur la direction de l'axe OX, comme on a démontré intérieurement.The connection between the coordinate y m and the value of the ectangular differential capacitance Cy, the displacement of the object 28 on the direction of the axis OY is similar to the connection between the coordinate x m and the value of the rectangular differential capacitance } au, the displacement of the object 28 on the direction of the axis OX, as has been demonstrated internally.
Dans la figure 8d on présente le cas ou l'objet 28 se déplace sur la direction de axe OZ. A la différence des capacités Cx et Cy qui sont différentielles rectangulaires, la apacité Cz, formée des armatures 4 et 3, est rectangulaire simple.In FIG. 8d is presented the case where the object 28 moves on the direction of axis OZ. Unlike the capacitances Cx and Cy which are rectangular differential, the capacitance Cz, formed of the frames 4 and 3, is rectangular simple.
Dans l'absence de l'objet 28, la valeur de la capacité Cz va être établie, par alibration, comme valeur spécifique pour la coordonnée zm=0. Par rapprochement de objet 28 de l'armature 4, la valeur de la capacité Cz va augmenter proportionnellement la valeur de la coordonnée zm.In the absence of the object 28, the value of the capacitance Cz will be established, by alibration, as a specific value for the coordinate z m = 0. By bringing object 28 closer to armature 4, the value of capacitance Cz will proportionally increase the value of the coordinate z m .
Les valeurs des capacités Cx, Cy et Cz sont converties dans des dimensions umériques par le biais des convertisseurs capacité-numéro 14 et 15. Le spécifique de e circuit est le fait que, par la programmation de quelques registres propres, il permet la onversion d'une capacité différentielle et d'une capacité simple en même temps, dans des valeurs numériques. Le résultat généré est sur 24 bytes, utilisant seulement 16 bytes, dans cet exemple concret de réalisation.The values of the capacitances Cx, Cy and Cz are converted into umeric dimensions by means of the capacity-number converters 14 and 15. The specificity of e circuit is the fact that, by the programming of some own registers, it allows the conversion of 'a differential capacity and a simple capacity at the same time, in numerical values. The generated result is on 24 bytes, using only 16 bytes, in this concrete example of realization.
Pour ce qui suit, on va présenter le processus de détermination de la coordonnée Xm du point caractéristique P(x,y,z) qui appartient à l'objet 28 situé à l'intérieur du senseur capacitif différentiel A.For the following, we will present the process of determining the Xm coordinate of the characteristic point P (x, y, z) which belongs to the object 28 located inside the differential capacitive sensor A.
Comme on a montre antérieurement, la valeur de la capacité Cx est en fonction de la position de la projection du point P(x,y,z) sur l'axe OX. La capacité Cx est convertie dans une dimension numérique par le convertisseur 14, A la valeur zéro de la coordonnée xm, comme montre la figure 8a, correspond la valeur numérique 0x8000 (en représentation hexadécimale) qui se retrouve à la sortie du convertisseur capacité- numéro.As we have previously shown, the value of the capacitance Cx is a function of the position of the projection of the point P (x, y, z) on the axis OX. The capacitor Cx is converted into a digital dimension by the converter 14, At the zero value of the coordinate x m , as shown in FIG. 8a, corresponds to the numerical value 0x8000 (in hexadecimal representation) which is found at the output of the capacitor-converter. number.
Toutes les valeurs digitales plus grandes de 0x8000 (de 0x8000 à OxFFFF) sont considérées positives, à celles-ci correspondant un déplacement positif, xm>0, tout comme la figure 8b démontre, et toutes les valeurs digitales plus petites de 0x8000 (de 0x0000 à 0x8000) sont considérées comme négatives, à celles-ci corresponάent un déplacement négatif sur l'axe OX du point caractéristique , xm <0, comme démontre la figure 8c.All the larger digital values of 0x8000 (from 0x8000 to 0xFFFF) are considered positive, to these corresponding a positive displacement, xm> 0, just as Figure 8b demonstrates, and all the smaller digital values of 0x8000 (from 0x0000 at 0x8000) are considered negative, to these correspond a negative displacement on the axis OX of the characteristic point, x m <0, as shown in FIG. 8c.
Le résultat de la conversion capacité-numéro est transmis par le biais de la magistrale 16 vers le microcontrôleur 18 qui va transposer la valeur digitale de la capacité Cx en distance, en déterminant de cette manière la valeur de la coordonnéeThe result of the capacity-number conversion is transmitted through the master 16 to the microcontroller 18 which will transpose the digital value of the capacitance Cx in distance, thereby determining the value of the coordinate
Xm ' Xm '
** = KW - CxM* * = KW - C x M
Où kx est un coefficient de linéarisation de la caractéristique capacité-distance, et n est un indice spécifique à la mémoire de linéarisation "look-up table". La détermination de la coordonnée ym se fait de la même façon comme pour le cas de la coordonnée xm par le convertisseur 15 qui va être configuré à fonctionner de manière différentielle.Where k x is a linearization coefficient of the capacitance-distance characteristic, and n is a specific index to the linearization memory "look-up table". The determination of the coordinate y m is done in the same way as for the case of the coordinate x m by the converter 15 which will be configured to operate differentially.
Le résultat sera : yn = ky[p] - Cy[p] ]The result will be: y n = k y [p] - C y [p]
La coordonnée se détermine par la configuration du convertisseur 15 dans un mode simple de conversion, étant nécessaire la calibration de la capacité Cz pour la valeur zéro, sn définissant de cette manière, la capacité CZOff dont la valeur s'obtient dans l'absence de l'objet 28, du senseur capacitif différentiel A.The coordinate is determined by the configuration of the converter 15 in a simple conversion mode, being necessary the calibration of the capacitance Cz for the zero value, sn defining in this way, the capacitance C ZOff whose value is obtained in the absence of the object 28, the differential capacitive sensor A.
La valeur de la coordonnée zm sera : zm - kz[ql - (Cz[q] - Czoff ) ;The value of the coordinate z m will be: z m - k z [ql - (C z [q] - C zoff );
Dans la figure 9 on présente l'organigramme de l'algorithme implémenté au microcontrôleur 18 (ou dans les structures ASIC, FPGA), pour la détermination des coordonnées xm, Wn et zm du point caractéristique P(x,y,z), comme les figures 8a, 8b, 8c 3t 8d démontrent. La succession des pas de calcul est la suivante :FIG. 9 shows the flowchart of the algorithm implemented at the microcontroller 18 (or in the ASIC structures, FPGA), for the determination of the coordinates x m , Wn and z m of the characteristic point P (x, y, z). as Figs. 8a, 8b, 8c, and 8d demonstrate. The succession of calculation steps is as follows:
- lancement de l'algorithme (étiquette a) ;- launch of the algorithm (label a);
- configuration des registres du convertisseur 14 pour la détermination des valeurs de la capacité Cx (étiquette b) ;configuration of the registers of the converter 14 for determining the values of the capacitance Cx (label b);
- la lecture' de la valeur de la capacité Cx (étiquette c) ;- reading 'the value of the capacitance Cx (label c);
- la configuration des registres du convertisseur 15 pour la détermination des valeurs de la capacité Cy (étiquette d) ;the configuration of the registers of the converter 15 for the determination of the values of the capacitance Cy (label d);
- la lecture de la valeur de la capacité Cy (étiquette e) ;reading the value of the capacitance Cy (label e);
- la configuration des registres du convertisseur 15 pour la détermination des valeurs de la capacité Cz (étiquette f) ;the configuration of the registers of the converter 15 for the determination of the values of the capacitance Cz (label f);
- la lecture de la valeur de la capacité Cz (étiquette g) ;the reading of the value of the capacitance Cz (label g);
- le calcul de la coordonnée xm (étiquette h) ;the calculation of the coordinate xm (label h);
- le calcul de la coordonnée ym (étiquette i) ;- the computation of the coordinate ym (label i);
- le calcul de la coordonnée zm (étiquette j) ;the calculation of the coordinate zm (label j);
- l'affichage de la coordonnée xm (étiquette k) ;the display of the coordinate xm (label k);
- l'affichage de la coordonnée ym (étiquette I) ;the display of the coordinate ym (label I);
- l'affichage de la coordonnée zm (étiquette m) ; - reprise conditionnée de l'algorithme (étiquette n) ;- the display of the coordinate zm (label m); - conditioned recovery of the algorithm (label n);
- l'arrêt de l'exécution de l'algorithme (étiquette o) ;stopping the execution of the algorithm (label o);
Pour ce qui suit on présente l'organigramme spécifique à la détermination de la trajectoire du point caractéristique P(x,y,z), durant le mouvement de l'objet 28 à l'intérieur du senseur capacitif différentiel tridimensionnel A, comme la figure 13 le montre.For the following we present the specific flow chart for the determination of the trajectory of the characteristic point P (x, y, z), during the movement of the object 28 inside the three-dimensional differential capacitive sensor A, as shown in FIG. 13 shows it.
A la différence de l'organigramme de détermination des coordonnées xm, ym et zm, dans ce cas de figure, les coordonnées sont stockées sous la forme de tableaux unidimensionnels xmt[i], ymt[i] et zmtp], comme démontrent les étiquettes 53, 54 et 55 de la figure 13.In contrast to the xm, ym, and zm coordinate determination flowchart, in this case the coordinates are stored as one-dimensional arrays xmt [i], ymt [i] and zmtp], as shown by the labels. 53, 54 and 55 of Figure 13.
L'indice i des tableaux est incriminé pour chaque réactualisation des coordonnées xm, ym et zm jusqu'à une valeur r préétablie, comme on montre sur l'étiquette 57 de la figure 13.The index i of the tables is incriminated for each update of the coordinates xm, ym and zm to a preset value r, as shown on the label 57 of FIG. 13.
La trajectoire du point caractéristique P(x, y, z) est représentée par la succession de coordonnées xmt[i], ymt[i], zmtfj], qui sont stockées sous la forme de trois tableaux unidimensionnels et affichés ultérieurement comme le montre l'étiquette v de la figure 10.The trajectory of the characteristic point P (x, y, z) is represented by the succession of coordinates xmt [i], ymt [i], zmtfj], which are stored in the form of three one-dimensional arrays and displayed later as shown in FIG. label v of FIG.
Dans le cas d'un système « master-slave », la trajectoire effectuée par le point caractéristique de l'élément « master » est copiée en temps réel sous la forme de trajectoire effectuée par le point caractéristique de l'élément « slave ».In the case of a "master-slave" system, the trajectory performed by the characteristic point of the "master" element is copied in real time in the form of a trajectory performed by the characteristic point of the "slave" element.
Bien que la présente invention ait été décrite avec un certain degré de particularisation, c'est évident le fait qu'on peut réaliser différentes modifications sans qu'on dépasse, par celle-ci, l'étendue de l'invention, comme elle est revendiquée pour ce qui suit. Although the present invention has been described with a certain degree of particularization, it is obvious that various modifications can be made without going beyond the scope of the invention, as it is claimed for the following.

Claims

Revendications claims
1) Senseur intelligeant capacitif de position et de déplacement pour la détermination des coordonnées x, y et z et de la trajectoire d'un point caractéristique d'un objet, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un senseur capacitif différentiel (A) formé de plusieurs armatures fixes (2, 3, 4, 5 et 6) disposées sur la surface d'un corps prismatique et soutenues par une carcasse métallique (8) qui a aussi un rôle d'écran, de manière qu'elles définissent une première capacité rectangulaire différentielle Cx, formée par les armatures (2, 4 et 5), entre la première armature (2) et a deuxième (4 ) étant un angle droit, et entre la deuxième armature (4 ) et la troisième armature (5) étant toujours un angle droit, une deuxième capacité rectangulaire différentielle Cy étant définie par les armatures (3, 4 et 6) semblablement à la capacité Zx, une troisième capacité rectangulaire simple Cz étant définie par deux armatures (3 3t 4) disposées également en angle de quelque 90°, le senseur capacitif différentiel (A) îtant connecté à un bloc (B) de conversion des valeurs des capacités dans des dimensions digitales par la liaison de la capacité Cx avec des conducteurs (9, 10 et 11 ) i un premier convertisseur capacité-numéro (14), par la liaison de la capacité Cy avec ies conducteurs(10, 12, 13) à un deuxième convertisseur capacité-numéro (15), auquel îst connectée aussi la capacité C2 par des conducteurs (10 et 12), le bloc (B) de :onversion étant connecté, à son tour de rôle, par des magistrales de fils (16 et 17), à in bloc (C) de calcul des données qui calcule les coordonnées x, y et z du point aractéristique P(x,y,z) qui appartient à un objet (28) introduit dans l'espace intérieur lélimfté par les armatures (2, 3, 4, 5 si 6) du senseur capacitif différentiel (A) et les -ansmet à un bloc terminal (D).1) Capacitive capacitive position and displacement sensor for determining the x, y and z coordinates and the trajectory of a characteristic point of an object, characterized in that it is constituted by a differential capacitive sensor (A ) formed of a plurality of fixed armatures (2, 3, 4, 5 and 6) disposed on the surface of a prismatic body and supported by a metal casing (8) which also has a screen role, so as to define a first differential rectangular capacitance C x , formed by the armatures (2, 4 and 5), between the first armature (2) and a second (4) being a right angle, and between the second armature (4) and the third armature (5) always being a right angle, a second differential rectangular capacitance C y being defined by the armatures (3, 4 and 6) similarly to the capacitance Z x , a third simple rectangular capacitance C z being defined by two armatures (3 3t 4) arranged for an angle of about 90 °, the differential capacitive sensor (A) being connected to a capacitance conversion block (B) in digital dimensions by connecting capacitance C x with conductors (9, 10 and 11). a first capacitance-number converter (14), by connecting the capacitor C y with the leads (10, 12, 13) to a second capacitance-number converter (15), to which capacitance C 2 is also connected by conductors (10 and 12), the block (B) of: onversion being connected, in turn, by masterful son (16 and 17), in block (C) data calculation which calculates the coordinates x, y and z of the characteristic point P (x, y, z) which belongs to an object (28) introduced into the interior space lélimfté by the plates (2, 3, 4, 5 si 6) of the differential capacitive sensor ( A) and transmits them to a terminal block (D).
2) Senseur intelligeant, conformément à la revendication 1 , caractérisé par le fait ue les capacités rectangulaires différentielles Cx si Cy sont définies par un groupe de ois armatures (2, 4 et 5) et (3, 4 et 6), ou une des armatures (4) est une armature de §férence et est flanquée par les deux autres (2 et 5) et (3 et 6).2) intelligent sensor, according to claim 1, characterized by the fact that the differential rectangular capacitances C x if C y are defined by a group of reinforcement frames (2, 4 and 5) and (3, 4 and 6), or one of the frames (4) is a frame of reference and is flanked by the other two (2 and 5) and (3 and 6).
3) Senseur intelligeant, conformément à la revendication 1 , caractérisé par le fait ue la capacité rectangulaire simple C2 est formée par deux armatures (3 et 4) qui )rment entre elles un angle droit. 4) Senseur intelligeant, conformément à la revendication 1 , caractérisé par le fait que les convertisseurs capacité-numéro (14 et 15) de la composition du bloc (B) prennent à l'entrée les valeurs des capacités rectangulaires différentielles Cx et Cy et la valeur de la capacité rectangulaire simple C2 et les transposent, à la sortie, dans des dimensions digitales.3) intelligent sensor according to claim 1, characterized in that ue simple rectangular capacitance C 2 is formed by two armatures (3 and 4) which) r between them a right angle. 4) intelligent sensor according to claim 1, characterized in that the capacity-number converters (14 and 15) of the composition of the block (B) take at the input the values of the differential rectangular capacitances C x and C y and the value of the simple rectangular capacitance C 2 and transpose them, at the output, into digital dimensions.
5) Senseur intelligeant, conformément à la revendication 1 , caractérisé par le fait que, le noyau de calcul (18) de la structure du bloc (C) de calcul des données, reçoit à l'entrée des dimensions digitales représentant les valeurs des capacités Cx, Cy, C2 et génèrent à la sortie des dimensions digitales qui représentent les coordonnées x, y et z du point caractéristique P(x,y,z) de l'objet ( 28) et la trajectoire du point caractéristique P(x,y,z), appartenant à l'objet 28 en mouvement. 5) intelligent sensor according to claim 1, characterized in that, the calculation core (18) of the structure of the block (C) for computing the data, receives at the input of the digital dimensions representing the values of the capacities C x , C y , C 2 and generate at the output of the digital dimensions which represent the x, y and z coordinates of the characteristic point P (x, y, z) of the object (28) and the trajectory of the characteristic point P (x, y, z), belonging to the object 28 in motion.
PCT/RO2006/000024 2005-12-16 2006-12-18 Position and motion capacitive sensor and dedicated circuit for determining x, y, z coordinates of the trajectory of a characteristic point WO2007069929A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP06843940A EP1963778A1 (en) 2005-12-16 2006-12-18 Position and motion capacitive sensor and dedicated circuit for determining x, y, z coordinates of the trajectory of a characteristic point

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA200501051 2005-12-16
RO200501051 2005-12-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007069929A1 true WO2007069929A1 (en) 2007-06-21

Family

ID=37898785

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RO2006/000024 WO2007069929A1 (en) 2005-12-16 2006-12-18 Position and motion capacitive sensor and dedicated circuit for determining x, y, z coordinates of the trajectory of a characteristic point

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP1963778A1 (en)
WO (1) WO2007069929A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015051103A3 (en) * 2013-10-04 2015-06-04 Microchip Technology Incorporated Continuous circle gesture detection for a sensor system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992009063A1 (en) * 1990-11-09 1992-05-29 Triax Controls, Incorporated Controller
JPH09109070A (en) * 1995-10-19 1997-04-28 Shoichi Hasegawa Contactless follow-up type position measuring and inner force sense presenting device
US5990865A (en) * 1997-01-06 1999-11-23 Gard; Matthew Davis Computer interface device
US6025726A (en) * 1994-02-03 2000-02-15 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for determining three-dimensional position, orientation and mass distribution
US6373235B1 (en) * 1999-05-04 2002-04-16 Clifford A. Barker Apparatus and method for determining the position and motion of an object and for precise measurement of phase-related values

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992009063A1 (en) * 1990-11-09 1992-05-29 Triax Controls, Incorporated Controller
US6025726A (en) * 1994-02-03 2000-02-15 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for determining three-dimensional position, orientation and mass distribution
JPH09109070A (en) * 1995-10-19 1997-04-28 Shoichi Hasegawa Contactless follow-up type position measuring and inner force sense presenting device
US5990865A (en) * 1997-01-06 1999-11-23 Gard; Matthew Davis Computer interface device
US6373235B1 (en) * 1999-05-04 2002-04-16 Clifford A. Barker Apparatus and method for determining the position and motion of an object and for precise measurement of phase-related values

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SMITH J R: "Field mice: Extracting hand geometry from electric field measurements", IBM SYSTEMS JOURNAL, IBM CORP. ARMONK, NEW YORK, US, vol. 35, no. 34, 1996, pages 587 - 608, XP001149275, ISSN: 0018-8670 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015051103A3 (en) * 2013-10-04 2015-06-04 Microchip Technology Incorporated Continuous circle gesture detection for a sensor system
US9665204B2 (en) 2013-10-04 2017-05-30 Microchip Technology Incorporated Continuous circle gesture detection for a sensor system
US10552026B2 (en) 2013-10-04 2020-02-04 Microchip Technology Incorporated Continuous circle gesture detection for a sensor system

Also Published As

Publication number Publication date
EP1963778A1 (en) 2008-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103368577B (en) Based on the noise-reduction method and electronic circuit to combination type MEMS accelerometer sensor copped wave
CN102374876B (en) Integrated vibration survey and analytic system
CN100392352C (en) Electronic apparatus, signal compensation device, and signal compensation method
EP3379271B1 (en) Capacitance detection apparatus, electronic device and force detection apparatus
CN101598981A (en) Input media, control system, hand-held device and calibration steps
TW201443438A (en) A method to reduce data rates and power consumption using device based attitude generation
US10061400B2 (en) Input device and control system
US12018940B2 (en) Digit movement detection based on capacitive imaging
Brückner et al. Reliable orientation estimation for mobile motion capturing in medical rehabilitation sessions based on inertial measurement units
Alandry et al. A fully integrated inertial measurement unit: Application to attitude and heading determination
Kwon et al. System modeling of a MEMS vibratory gyroscope and integration to circuit simulation
Stanley et al. Sensor analysis for the internet of things
CN110370290A (en) Robot and its control method
WO2007069929A1 (en) Position and motion capacitive sensor and dedicated circuit for determining x, y, z coordinates of the trajectory of a characteristic point
JP6311871B2 (en) Physical quantity detection circuit, physical quantity detection device, physical quantity measurement system, electronic device, moving object, and physical quantity measurement data generation method
US10302672B2 (en) Angular velocity detection circuit, angular velocity detection device, electronic apparatus, and moving object
US9910411B2 (en) Method and device for real-time differentiation of analog and digital signals
Brückner et al. Mobile and wireless inertial sensor platform for motion capturing in stroke rehabilitation sessions
CN105698847A (en) Sensor device, electronic apparatus, and moving object
Nisar et al. Performance optimization of a flex sensor based glove for hand gestures recognition and translation
CN108536325B (en) Decimation filtering in a system with parallel analog-to-digital converter channels
KR101187420B1 (en) Server system, portable terminal and recording medium having control programs of a mobile robot
CN101251382B (en) Electronic apparatus, signal compensation device, and signal compensation method
US20060017690A1 (en) Apparatus and method for motion detection in three dimensions
Xia et al. Digital tri-axis accelerometer with X/Y-axial resonators and Z-axial capacitive seesaw

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006843940

Country of ref document: EP