EP1963778A1 - Senseur capacitif de position et deplacement et circuit specialise dans la determination des coordonnees x, y, z et de la trajectoire d'un point caracteristique - Google Patents

Senseur capacitif de position et deplacement et circuit specialise dans la determination des coordonnees x, y, z et de la trajectoire d'un point caracteristique

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EP1963778A1
EP1963778A1 EP06843940A EP06843940A EP1963778A1 EP 1963778 A1 EP1963778 A1 EP 1963778A1 EP 06843940 A EP06843940 A EP 06843940A EP 06843940 A EP06843940 A EP 06843940A EP 1963778 A1 EP1963778 A1 EP 1963778A1
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EP
European Patent Office
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capacitance
differential
characteristic point
block
coordinates
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Withdrawn
Application number
EP06843940A
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German (de)
English (en)
Inventor
Marius Gheorghe Hagan
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    • 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

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Abstract

L'invention se réfère à un senseur intelligeant capacitif tridimensionnel de position et déplacement, destiné à la détermination des coordonnes x, y et z et de la trajectoire d'un point caractéristique qui appartient à un objet situe à l'intérieur du senseur. Le problème technique que cette invention va résoudre consiste dans la détermination des coordonnées et de la trajectoire d'un point caractéristique d'un objet suite à la modification de certaines capacités différentielles sur les trois axes, causée par la présence de l'objet dans une certaine position à l'intérieur du senseur. Senseur intelligeant, conformément à l'invention, 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, de manière qu'elles définissent une première capacité rectangulaire différentielle Cx, formée des armatures (2, 4 et 5), entre la première armature (2) et la 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 Cx, une troisième capacité rectangulaire simple Cz étant définie par deux armatures (3 et 4) disposées également en angle de quelque 90° Le senseur capacitif différentiel (A) étant connecté à un bloc (B) de conversion des valeurs des capacités dans des dimensions digitales, le bloc (B) étant connecté, à son tour de rôle, à un bloc (C) de calcul des données qui calcule les coordonnées x, y et z du point caractéristique P(x,y,z) qui appartient à un objet introduit dans l'espace intérieur du senseur capacitif différentiel (A) et les transmet à un bloc terminal (D).

Description

SENSEUR CAPACITIF DE POSITION ET DÉPLACEMENT ET CIRCUIT
SPÉCIALISÉ DANS LA DÉTERMINATION DES COORDONNÉES X, Y, Z
ETDE LA TRAJECTOIRE D'UN POINT CARACTÉRISTIQUE
Domaine Technique
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.
L'invention peut être appliquée dans plusieurs domaines de la technique, les plus mportants étant l'industrie des ordinateurs, la robotique et la médicine.
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.
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.
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.
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.
Technique antérieure
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Exposé de l'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.
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.
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.
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.
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 ;
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.
Description sommaire des Dessins
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 ;
- fig.2, une vue frontale du senseur capacitif différentiel A de fig.1 ;
- fig.3, une section selon un plan I - 1 de fig.2;
- fig.4, une section selon un plan II - II de fig.2;
- fig.5, le schéma du bloc de conversion B de figure 1 ;
- fig.6 le schéma du bloc de calcul C de figure 1 ;
- fig.7a, le schéma du bloc terminal D de figure 1, variante UART ;
- fig.7b, le schéma du bloc terminal D de figure 1 , variante USB ;
- fig.7c, schéma du bloc terminal D de figure 1 , variante afficheur ;
- fig.7d, schéma du bloc terminal D de figure 1, variante circuit de commande )our moteurs ;
- 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.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.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.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. 9, une organigramme de calcul des coordonnées du point caractéristique '(X1V1Z) de l'objet 28 ;
-fig.10, une organigramme de calcul de la trajectoire du point caractéristique (x,y,z) de l'objet 28 en mouvement ;
a meilleure manière de réaliser l'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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 ».
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
La valeur de la capacité Cx st formée des armatures 2 et 4 et va être :
C ^ x_st = ε c 0 Fύrel st d.
Et la valeur de la capacité Cx_dr, formée des armatures 4 et 5 va être
C - ε ε A - d.
OÙ: ε0 - la permittivité du vide; εre - la permittivité relative équivalente du milieu entre les armatures;
S - les surfaces des armatures; de - la distance équivalente entre les armatures
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 :
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 .
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.
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 la
;apacité C1 dr soit plus petite que celle de la capacité Cx 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 coordonnée
Xm '
** = KW - CxM
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.
Le résultat sera : yn = ky[p] - Cy[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.
La valeur de la coordonnée zm sera : zm - kz[ql - (Cz[q] - Czoff ) ;
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 :
- lancement de l'algorithme (étiquette a) ;
- configuration des registres du convertisseur 14 pour la détermination des valeurs de la capacité Cx (étiquette b) ;
- la lecture' de la valeur de la capacité Cx (étiquette c) ;
- la configuration des registres du convertisseur 15 pour la détermination des valeurs de la capacité Cy (étiquette d) ;
- la lecture de la valeur de la capacité Cy (étiquette e) ;
- la configuration des registres du convertisseur 15 pour la détermination des valeurs de la capacité Cz (étiquette f) ;
- la lecture de la valeur de la capacité Cz (étiquette g) ;
- le calcul de la coordonnée xm (étiquette h) ;
- le calcul de la coordonnée ym (étiquette i) ;
- le calcul de la coordonnée zm (étiquette j) ;
- l'affichage de la coordonnée xm (étiquette k) ;
- l'affichage de la coordonnée ym (étiquette I) ;
- l'affichage de la coordonnée zm (étiquette m) ; - reprise conditionnée de l'algorithme (étiquette n) ;
- l'arrêt de l'exécution de l'algorithme (étiquette 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.
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.
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.
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.
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 ».
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.

Claims

Revendications
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).
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).
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.
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.
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