CN110109505B - 一种自供电多维检测及交互控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电多维检测及交互控制装置和方法，所述装置包括：X轴(2)、Y轴(3)、摇杆(1)以及角度传感器(4)；其中摇杆(1)穿过X轴(2)并利用螺栓固定在Y轴(3)上，两个角度传感器(4)分别安装在X轴(2)和Y轴(3)的顶端；当摇杆(1)转动时，摇杆可以带动角度传感器中的齿轮绕着X轴及Y轴转动。所述角度传感器(4)包括安装支座(11)、铰链(12)、摩擦片(13)和齿轮(17)，所述摩擦片(13)的一端伸入齿轮(17)的两个齿之间，摩擦片(13)的另一端通过胶带粘接在铰链(12)上，铰链(12)和安装支座(11)通过转轴连接。本发明无需额外的供电模块且不受直流电源带来的电磁干扰的影响。
Description
技术领域
本发明属于人机交互控制技术领域，具体涉及一种自供电多维检测及交互 控制装置和方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，生产和生活智能化水平的日益提升，传感器 技术成为当今的关键核心技术。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的 信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式 的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。各 式各样的传感器被广泛应用到人们生活的方方面面，如手机、遥控器、汽车、 家用电器等等。目前，传感器技术的发展前景广阔，发展渠道多，会对来社 会的发展产生巨大的影响，在未来时代的发展中会起到举足轻重的作用。现 代电子技术不断发展和提高，机械技术的紧密性越来越强，因此传感器为了 适应这种变化，种类也在不断增多，并且可以适用于多种领域，例如智能家 居、自动驾驶、环境监测、自动化生产线等，并且传感器技术还和计算机技 术进行了融合，与无线通信技术也可以结合使用，这样的发展和变化让传感 器借助信息化网络等途径更好地进入到人们生活以及生产的各个方面，在网 络化的社会生产生活体系中，能够得到全面的应用。传感器技术不仅能够提 供准确和有效的信息，并且时效性非常强，在实时操控的应用中具有极大的 优势。
双轴摇杆传感器就是一款有着很强实时性及操控性的传感器，游戏手 柄、对无人机的操控的手柄等都是采用了双轴摇杆传感器。目前的市面上大 多的摇杆传感器是采用电阻电位器作为控制元件来控制输出的电流，从而判 断操纵杆各个轴输出的位置信号。
目前常用的双轴摇杆传感器由于采用的是电位器作为驱动输出信号，而 电位器需要提供直流电源，由于直流电源会出现不稳定的现象，使得摇杆的 输出会出现不稳定的现象。这就是直流电源带来的电磁干扰，电磁干扰进而 影响操纵杆的输出精度。电磁干扰带来的独立线性公差大约在±3％，这个 偏差会给摇杆的操纵带来误差。从直观角度来看，电磁干扰会引起摇杆在未 使用时产生输出信号或者在进行摇动时无法达到精确的控制位置。采用电位 器的操纵杆的输出精度还受到温度、电阻磨损的影响。在温度变化明显时，采用电位器的操纵杆输出会受影响；在使用时间长后，由于电阻的机械磨损， 会影响操纵杆的输出。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的第一个方面，提供了一种自供电多维检测及交互控制装置， 包括：X轴(2)、Y轴(3)、摇杆(1)以及角度传感器(4)；其中摇杆(1)穿 过X轴(2)并利用螺栓固定在Y轴(3)上，两个角度传感器(4)分别安装在 X轴(2)和Y轴(3)的顶端；当摇杆(1)转动时，摇杆可以带动角度传感器 中的齿轮绕着X轴及Y轴转动。
优选的，所述角度传感器(4)包括安装支座(11)、铰链(12)、摩擦片 (13)和齿轮(17)，所述摩擦片(13)的一端伸入齿轮(17)的两个齿之间， 摩擦片(13)的另一端通过胶带粘接在铰链(12)上，铰链(12)和安装支 座(11)通过转轴连接。
优选的，所述摩擦片分为依次叠加的三层，分别是基底(16)、铜电极(15)、 聚氟乙烯丙烯薄膜(14)。
优选的，所述基底(16)为PVC塑料片。
优选的，所述齿轮(17)的每个齿上都用铜箔包裹，所述齿轮旋转时每 个齿依次与所述摩擦片接触。
优选的，所述铜电极(15)用于收集摩擦电产生的电信号，并通过导线 传送给外部的信号处理单元。
根据本发明的第二个方面，提供了一种自供电多维检测及交互控制方法， 使用根据上述的自供电多维检测及交互控制装置，包括：当摇杆位于中间位置 时，齿轮没有转动，此时第一摩擦片和第二摩擦片与齿轮没有接触，不产生 电信号；当摇杆转动时，第一摩擦片与齿轮脱离，第二摩擦片与齿轮接触， 当摇杆转动一个齿的角度时，齿轮与第二摩擦片产生电信号，从而调整控制 对象在空间中的位置；当位置调整好后，将摇杆拉回中间位置时，齿轮反向 转动，第一摩擦片不与齿轮接触，而第二摩擦片2由于铰链的作用张开一定的角度。
本发明的优点在于：本发明设计的双轴摇杆传感器利用了一种新型的角 度传感器，该传感器利用了摩擦纳米发电机的工作原理，无需额外的供电模 块且不受直流电源带来的电磁干扰的影响。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领 域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并 不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的 部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的外形示意图；
附图2示出了根据本发明实施方式的自供电双轴摇杆传感器结构示意图；
附图3示出了根据本发明实施方式的角度传感器结构示意图；
附图4示出了根据本发明实施方式的角度传感器原理图；
附图5示出了根据本发明实施方式的双轴摇杆传感器工作原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示 了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不 应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻 地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明设计的双轴摇杆传感器利用了一种新型的角度传感器，该传感器 利用了摩擦纳米发电机的工作原理，无需额外的供电模块且不受直流电源带 来的电磁干扰的影响。
如图1所示为自供电双轴摇杆传感器的外观示意图，传感器外部安装有保 护罩，在使用时，只需要转动摇杆就可以输出控制信号或反馈信号。
图2为摇杆传感器的内部结构图，包括：X轴2、Y轴3、摇杆1以及角度 传感器4。摇杆1穿过X轴2并利用螺栓固定在Y轴3上，两个角度传感器4 分别安装在X轴2和Y轴3的顶端。当摇杆转动时，摇杆可以带动角度传感器 中的齿轮绕着X轴及Y轴转动。
图3为角度传感器，由安装支座11、铰链12、摩擦片13和齿轮17组成。 摩擦片13伸入齿轮17的两个齿之间。摩擦片13通过胶带粘接在铰链12上， 铰链12和安装支座11通过转轴连接，这样摩擦片利用铰链可以实现相对安 装支座的转动。
摩擦片分为三层，基底16是PVC的塑料片，该塑料片弹性较好且多次弯 曲后不容易发生塑性变形。中间一层为铜电极15，用于收集摩擦电产生的电 信号，并通过导线传送给信号处理单元。最上面一层为聚氟乙烯丙烯FEP薄 膜14，它是易得电子的材料。
图4为角度传感器的原理图，齿轮表面贴有铜箔，铜箔是易于失电子的 材料，因此，摩擦片中易得电子的FEP和易失电子的铜箔组成了基本的纳米摩 擦发电机。当摩擦片与齿轮的位置如图4中的(a)所示时，此时两种摩擦材料 的表面都不带电。当转轴带动齿轮旋转时，此时FEP与铜箔之间相互接触， 如图4中的(b)所示，由于FEP和铜箔的得失电子能力不同，得电子能力强的 FEP将从得电子能力弱的铜箔表面吸引电子，由于摩擦起电效应，将产生摩 擦电荷，使得FEP和铜箔带上数量相等极性相反的电荷。当齿轮继续旋转使 得FEP与铜箔脱离时，如图4中的(a)所示，此时将会在两种薄膜的接触面之 间形成电势差，因为FEP表面电荷无法屏蔽，存在的电势差使得电子从FEP 流向铜电极，从而在铜电极表面产生负电荷，形成了电信号。当FEP重新靠 近铜箔时，FEP表面的摩擦电荷将对铜箔表面摩擦电荷产生屏蔽作用，电子 将从FEP流动到铜电极，从而减少了铜电极上的电荷量。FEP薄膜与铝箔不 断的接触和分离，在外电路回路中将不断地产生交变的电信号。当齿轮旋转 时，齿轮每旋转一个齿的角度，就会使齿轮齿上贴的铜箔与FEP接触和分离 一次，从而产生一个电信号，这样就可以知道齿轮旋转的角度。
如图5中的(a)所示，当摇杆位于中间位置时，齿轮没有转动，此时摩擦 片1和2与齿轮没有接触，不会产生电信号。当摇杆转动时，如图5中的(b) 所示，摩擦片1与齿轮脱离，避免齿轮转动影响摩擦片1产生干扰信号。此 时，摩擦片2与齿轮接触，当摇杆转动一个齿的角度时，齿轮与摩擦片就会 产生一个电信号，从而调整控制对象在空间中的位置。当位置调整好后，将 摇杆拉回中间位置时，齿轮会反向转动，摩擦片1不会与齿轮接触，这时摩擦片2由于铰链的作用，会张开一定的角度，如图5中的(c)所示，从而避免 了摩擦片2因弯曲变形而引起的干扰信号。从而当需要调整操控对象的空间 位置或者其他参数时，只需要操控摇杆前后左右的位置，就可以发出电信号 来控制调整对象。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种自供电多维检测及交互控制装置，其特征在于，包括：
X轴（2）、Y轴（3）、摇杆（1）以及角度传感器（4）；其中摇杆（1）穿过X轴（2）并利用螺栓固定在Y轴（3）上，两个角度传感器（4）分别安装在X轴（2）和Y轴（3）的顶端；当摇杆（1）转动时，摇杆可以带动角度传感器中的齿轮绕着X轴及Y轴转动；
所述角度传感器（4）包括安装支座（11）、铰链（12）、摩擦片（13）和齿轮（17），所述摩擦片（13）的一端伸入齿轮（17）的两个齿之间，摩擦片（13）的另一端通过胶带粘接在铰链（12）上，铰链（12）和安装支座（11）通过转轴连接；
所述摩擦片分为依次叠加的三层，分别是基底（16）、铜电极（15）、聚氟乙烯丙烯薄膜（14）；
所述基底（16）为PVC塑料片；
所述齿轮（17）的每个齿上都用铜箔包裹，所述齿轮旋转时每个齿依次与所述摩擦片接触；
所述铜电极（15）用于收集摩擦电产生的电信号，并通过导线传送给外部的信号处理单元。
2.一种自供电多维检测及交互控制方法，使用根据权利要求1所述的自供电多维检测及交互控制装置，其特征在于，
当摇杆位于中间位置时，齿轮没有转动，此时第一摩擦片和第二摩擦片与齿轮没有接触，不产生电信号；
当摇杆转动时，第一摩擦片与齿轮脱离，第二摩擦片与齿轮接触，当摇杆转动一个齿的角度时，齿轮与第二摩擦片产生电信号，从而调整控制对象在空间中的位置；
当位置调整好后，将摇杆拉回中间位置时，齿轮反向转动，第一摩擦片不与齿轮接触，而第二摩擦片由于铰链的作用张开一定的角度。
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