TWI842809B

TWI842809B - 用於鑑別電容偵測的方法和裝置及配備有此裝置的設備

Info

Publication number: TWI842809B
Application number: TW109100750A
Authority: TW
Inventors: 迪戴爾羅吉兒; 克里斯敦尼爾; 菲德烈克歐薩特; 傑洛姆波克
Original assignee: 法商法格爾傳感器公司
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2024-05-21

Abstract

本發明係關於一種用於對附近物件（102、104）進行電容偵測之方法，該些附近物件可位於具備一電容偵測裝置（100）之一設備之環境中，該方法包含稱作鑑別偵測步驟之一偵測步驟，其包含以下操作： - 以一第一頻率（F1）使一第一附近物件（102）在一第一交流電位（V1）下極化，該第一交流電位不同於一接地電位（M）且不同於至少一個第二附近物件（104）之電位；及 - 判定表示由至少一個量測電極在該第一頻率（F1）下發現的稱作電極-物件電容之一電容的一第一鑑別信號。

Description

用於鑑別電容偵測的方法和裝置及配備有此裝置的設備

本發明係關於一種用於鑑別電容偵測位於一設備之環境中的物件之方法，該設備諸如配備有一電容偵測裝置之一機器人。其亦係關於實施此類方法之電容偵測裝置及配備有此類裝置之設備，詳言之為機器人。

本發明的領域非限制性地為人機互動裝置，且詳言之為工業機器人或服務機器人之領域，例如醫學機器人或家用機器人或協作機器人(collaborative robot)，亦稱作「cobot」。

諸如機器人之設備可配備有用於對附近物件進行電容偵測之裝置，該些附近物件可為固定物件、行動物件、生物體，且詳言之為操作者。

此類電容偵測裝置可包含：稱作量測電極之電容電極，其配置成至少部分地覆蓋設備或機器人之表面的敏感表面之形式；及偵測電子元件，其用於使量測電極極化且量測表示量測電極發現的電容之信號。自所量測信號，有可能偵測附近物件之存在及/或接觸。

然而，當前電容偵測裝置，詳言之配備機器人，並不能夠鑑別人類操作者與任何其他物件。一般而言，此等裝置並不能夠鑑別第一附近物件與第二附近物件，此等物件能夠在相同時刻或不同時刻位於設備或機器人之環境中。因此，在偵測到特定附近物件之情況下，不可能調適或定製設備或機器人之行為。

本發明之目的為克服此等缺陷。

本發明之另一目的為提出諸如機器人之設備對附近物件之鑑別電容偵測。

本發明之目的亦為提出用於諸如機器人之設備的電容偵測的方法及裝置，使得有可能鑑別至少一個附近物件與至少一個其他物件，該些附近物件能夠在相同時刻或不同時刻位於該設備之環境中。

本發明之目的亦為提出用於諸如機器人之設備的電容偵測的方法及裝置，使得有可能鑑別操作者與至少一個其他附近物件，該至少一個其他附近物件可與操作者在相同時刻或不同時刻位於該設備之環境中。

此等目的中的至少一者藉由一種用於對附近物件進行電容偵測之方法達成，該些附近物件可位於配備有一電容偵測裝置的一設備之環境中，該電容偵測裝置包含：-稱作量測電極之至少一個電容電極；及-一偵測電子元件，其用於使該至少一個量測電極在一電位下極化且量測表示由該至少一個量測電極發現的一電容之至少一個信號，該電容稱作電極-物件電容；該方法特徵在於，其包含選擇性偵測一附近物件(102、104)的稱作鑑別偵測步驟之一步驟，該步驟包含以下操作：-至少以一第一頻率使一第一附近物件在一第一交流電位下極化，該第一交流電位不同於一接地電位且不同於至少一個第二附近物件之一電位；及 -判定表示由該至少一個量測電極在該第一頻率下發現的稱作電極-物件電容之一電容的一第一鑑別信號。

根據本發明之方法因此設想至少以一第一頻率使一第一附近物件在一第一電位下極化，該第一電位不同於接地電位且不同於至少一個第二物件之電位。因此，有可能實施以(或使用)此第一頻率操作的電容偵測，其使得有可能選擇性地偵測物件中的一者，且因此鑑別第一物件與第二物件，而不管量測電極之極化電位如何。

舉例而言，若量測電極在第一電位下極化，則第一物件對於配備該設備之電容偵測裝置將電不可見，此係由於其不在此第一物件與量測電極之間產生電位差。在以該第一頻率使第二物件在不同於第一電位的電位下極化時，在此第二物件與該些量測電極之間建立電容，其由該些量測電極在該第一頻率下發現：因此將能夠與該第一物件單獨地發現該第二物件。在此情況下，將使用量測電極來進行「自電容式」偵測，且第一鑑別信號將僅表示第二物件之存在或不存在。

相反，若至少以第一頻率使量測電極在不同於第一電位的電位下極化，則第一物件將選擇性地藉由量測電極在第一頻率下偵測，該些量測電極用作接收電極，該第一物件用作傳輸電極。在此情況下，將使用量測電極在第一頻率下進行「傳輸」偵測，且第一鑑別信號將僅表示第一物件之存在或不存在。

因此，根據本發明之方法提出的電容偵測使得有可能鑑別在相同時刻或不同時刻可能處於一設備之環境中的至少一個附近物件與至少一個其他物件。因此，根據本發明之方法使得有可能依據偵測到的物件調適或甚至定製該設備之行為。

「附近物件」意謂有生命或無生命之任何固定或行動物件，其可獨立於一設備而位於該設備之環境中。此類附近物件不形成設備之部分，且不參與該設備之操作，在配備此設備之電容偵測裝置中亦如此。例如，其可為位於設備之環境中的物件，諸如操作者或人員、帶式輸送機、工作台或工作區域、卡車，等。

在本發明之上下文中，「設備」可表示任何類型的裝置、系統、器具或器具之子部分。其可表示例如：-車輛之板或控制介面、儀錶板、座艙；-器具或工業機器，諸如用於機械加工、操控或封裝之機器；-行動系統，諸如卡車、車輛、自主車輛；-所有形式之機器人(諸如機器人化系統、行動機器人)、輪式或軌道式車輛(諸如配備有臂或操控系統之卡車)或人形、仿生或仿真類型之機器人，其視情況具備諸如肢體之移動組件部分。

詳言之，在一設備能夠移動時或在其包含移動部件時，其可為行動的。

在本申請案中，在兩個交流電位各自包含在給定頻率下相同的交流分量時，其在此頻率下相同。因此，在該給定頻率下相同的兩個電位中的至少一者亦可包含頻率不同於該給定頻率的直流分量及/或交流分量。類似地，在兩個交流電位並不包含在給定頻率下相同的交流分量時，其在此頻率下不同。

在兩個交流分量具有相同頻率、相同振幅(例如，±幾個百分點)及相同相位(例如，±幾度)時，其為相同的。兩個交流分量在其並不相同時為不同的。其可例如為不同頻率之交流分量，或相同頻率但異相(例如正交)之交流分量。

本發明之上下文中實施的交流電位當然可具有任何形狀(正弦形、正方形、三角形，等)。

在本申請案中，術語「接地電位」或「通用接地電位」表示電子元件、設備或其環境之參考電位，其可為例如電子元件之通用接地的電位。此接地電位可對應於地電位或連接或不連接至地電位之另一電位。

一般而言，在本申請案中，相對於共同參考界定電位，該共同參考可例如為電子元件之接地。在此情況下，接地電位例如對應於零值(0V)。

此外，應注意，通常，直接與特定電位電接觸之物件(電浮動物件)傾向於藉由電容耦合而在存在於其環境(例如地球或電極)中的其他物件之電位下極化(若此等物件與環境(或電極)之此等物件之間的重疊之表面區域足夠大)。

非限制性地，在該第一頻率下判定該第一鑑別信號可例如藉由在該第一頻率(較佳與該第一電位相同或至少具有相同相位)下實施量測信號與載波信號之同步解調來進行。

藉由此類同步解調，可以以下方式中的一者對在不同於該第一交流電位之電位下極化的第二附近物件進行選擇性偵測：-其不包含處於該第一頻率的分量；-其包含處於該第一頻率的分量，但僅與第一電位在此第一頻率下同相正交。在此情況下，實際上有可能利用同步解調區分或選擇全域量測信號之同相及正交分量。

在該第一頻率下判定該第一鑑別信號亦可利用非同步解調變器或包絡偵測進行，例如經帶通濾波量測信號在約第一頻率的整流繼之以低通濾波。

利用此類包絡偵測，可對在不同於該第一交流電位之電位下極化的第二附近物件進行選擇性偵測，該電位與該第一交流電位之不同之處在於其不包含處於第一頻率的分量。

應注意，在所有情況下，對於選擇性偵測步驟，第二物件之電位必須在以下意義上不同於第一交流電位：其不包含與所利用的偵測電子元件的第一交流電位不可區分的分量。

根據本發明之方法可包含，在該鑑別偵測步驟期間，使至少一個第二物件在該接地電位下極化。

替代地或另外，根據本發明之方法可包含，在該鑑別偵測步驟期間，以不同於該第一頻率之一第二頻率使至少一個第二物件在一第二交流電位下極化。

在此情況下，有可能藉由在此第二頻率下判定表示由該至少一個量測電極發現的該電極-物件電容的一第二鑑別信號來以與其他物件隔離之方式進行此第二物件之個別偵測。實際上，在此情況下，該第二鑑別信號將僅表示該第二物件之存在或不存在，而不管該第一物件之存在或不存在(當然，其限制條件為該第一交流電位不包含處於該第二頻率之不可區分分量)。

非限制性地，在該第二頻率下判定該第二鑑別信號可例如藉由在該第二頻率(或與處於該第二頻率之該第二電位相同)下實施量測信號與載波信號之同步解調來進行。

替代地或另外，根據本發明之方法可包含，在該鑑別偵測步驟期間，以該第一頻率使至少一個第二物件在具有與該第一交流電位相同的頻率且與該第一交流電位正交的電位下極化。

在電位的純量乘積或其連續時間值之乘積的總和為零時，該些電位稱作正交或在純量乘積方面正交(至少±雜訊位準)。

此等電位當然可具有任何波形(正弦形、正方形、三角形，等)。

正交電位之實例包含例如具有不同頻率(或基本頻率)之電位，其並不為彼此之倍數，且同一個頻率(或同一個基本頻率)之電位同相正交。

因此，在此情況下，第一物件及第二物件中之每一者在包含處於該第一頻率的分量之電位下極化。然而，此等分量彼此正交，以使得其可根據上文給出的定義而被辨別以用於電容偵測。接著，有可能在鑑別偵測步驟期間個別地進行第一物件及第二物件中之每一者之偵測。

電位或其正交分量可同相正交。如上所述，電容偵測可利用與同第一交流電位同相的至少一個載波信號之同步解調來偵測對應分量，且視情況亦利用與同第一交流電位正交的載波信號的同步解調來偵測正交分量。

在該鑑別偵測步驟包含一第一物件之個別或選擇性偵測及一第二物件之個別或選擇性偵測時，此等個別偵測可如下進行：-同時或依次地，自同一個量測信號；或-依次地，自兩個依序量測信號。

根據一具體實例，在該鑑別偵測步驟期間，該至少一個量測電極可在接地電位下極化。

在此情況下，電容偵測為使用一或多個量測電極作為接收電極且使用一或多個物件作為一或多個傳輸電極之傳輸偵測。

在此具體實例中，有可能如上所述同時或依次地進行第一物件以及至少一個第二物件之個別偵測。

或者，該至少一個量測電極可在一第三交流電位下極化。

在此情況下，該至少一個量測電極之電位因此不同於接地電位，且包含處於至少一個頻率之至少一個交流分量。

根據根據本發明之方法之非限制性具體實例，在鑑別偵測步驟期間，該第三極化電位可：-不同於處於該第一頻率之該第一極化電位，且-若適用，不同於處於該第二頻率之第二極化電位。

換言之，如上所解釋，第三極化電位不包含與用於所利用的偵測電子元件的第一及/或第二交流電位不可區分的分量。

舉例而言，對於同步解調，有可能使用在純量乘積方面處於工作電位，詳言之處於第一工作頻率及/或不同頻率之第三正交電位。對於包絡偵測，有可能使用頻率不同於第一工作頻率之第三電位。

相同推理適用於處於第二頻率之第二工作電位。

在此情況下，在鑑別偵測步驟期間，對於以下頻率下之同時或依次偵測，該至少一個量測電極在傳輸電容偵測之上下文中用作接收電極：-用於第一物件之個別偵測的第一頻率，及-若適用，用於第二物件之個別偵測的第二頻率。

舉例而言，該第三電位可不包含處於該第一頻率及(若適用)該第二頻率之交流分量。

或者，該第三電位可與處於該第一頻率之該第一電位或處於該第二頻率之該第二極化電位相同。

舉例而言，該第三電位可與處於該第一頻率之該第一電位相同。在此情況下，該第一物件變得不可見，且該第二物件在該第一頻率下產生由該些量測電極以自我偵測模式發現的電容。

或者，該第三電位可與處於該第二頻率之該第二電位相同。在此情況下，該第二物件變得不可見，且該第一物件可在第一頻率下以傳輸模式偵測到。

根據本發明之方法亦可包含偵測附近物件之步驟，其稱作共同偵測步驟，包含以下操作：-至少以稱作工作頻率之一頻率使至少一個量測電極在一交流電位下極化，該交流電位稱作工作電位、不同於接地電位且不同於第一附近物件及第二附近物件之電位；及-判定表示由該至少一個量測電極在該工作頻率下發現的稱作電極-物件電容之一電容的一共同信號。

因此，該共同信號表示由於第一物件之存在或第二物件之存在或此等兩個物件之存在而引起的電容，而不能夠鑑別所存在的物件。換言之，該共同信號表示物件中的至少一者之存在或不存在，而不可能鑑別該些物件。

根據一特定非限制性具體實例，在共同偵測步驟期間：-工作頻率可與第一頻率相同，且工作電位在此頻率下可與第一物件在鑑別偵測步驟期間之第一極化電位相同，或-若適用，工作頻率可與第二頻率相同，且工作電位在此頻率下可與第二物件之第二極化電位相同；該鑑別偵測步驟與該共同偵測步驟依序進行，該方法包含在該些偵測步驟之間修改該第一物件或該第二物件之電位之步驟。

在此情況下，該鑑別偵測步驟與該共同偵測步驟依次進行。

另外，該鑑別偵測步驟包含量測藉以判定該第一鑑別偵測信號之一電信號，且該共同偵測步驟包含進一步量測藉以判定該共同偵測信號之一電信號。

根據另一具體實例，在該共同偵測步驟期間使用的工作電位可：-不同於處於該第一頻率之在該鑑別偵測步驟期間使用的物件之極化電位；且-若適用，不同於處於該第二頻率之第二電位。

在此情況下，該鑑別偵測步驟與該共同偵測步驟可同時進行，以使得自同一個量測信號判定共同信號及鑑別信號。因此，根據本發明之方法使得有可能自同一個量測信號進行較快速偵測。

或者，在此具體實例中，鑑別偵測步驟與共同偵測步驟亦可自不同量測信號依序進行。

根據此具體實例之第一實施例，工作頻率可為第一頻率，但在此頻率下，工作電位可與用來以此第一頻率使物件極化的極化電位中之每一者正交。

根據此具體實例之另一實施例，工作頻率可為第二頻率，但在此頻率下，工作電位可與第二電位正交，且更一般而言，與用來以此第二頻率使物件極化的極化電位中之每一者正交。

根據又一實施例，在共同偵測步驟期間使用的工作電位可具有不同於第一頻率及(若適用)第二頻率的頻率。

根據本發明之方法因此設想以第一頻率使至少該第一物件在不同於接地電位的電位下極化。

為進行此操作，可自為在根據本發明之方法中使用的電容偵測裝置供電的源以有線方式使至少一個附近物件極化。

替代地或另外，可藉由與為偵測裝置供電的電源無關之電源來使至少一個附近物件極化。

在此情況下，根據本發明之方法可包含在該些源之間交換無線信號，以：-使該些源彼此同步；或-擷取該至少一個附近物件之極化信號的頻率及/或相位。

此類無線信號可藉由任何無線連接使用任何類型的通信協定進行交換。

舉例而言，此類無線信號可藉由藍芽、WiFi連接或更一般而言藉由任何無線電連接進行交換。

有利地，附近物件中的至少一者可為人類操作者之身體或身體的一部分

因此，可以與另一物件之存在或不存在無關地來偵測操作者之存在或不存在。

接著，在設備之層級上，有可能在偵測操作者之情況下設想特定行為，且在偵測另一物件之情況下設想不同行為。詳言之，有可能採用使操作者之安全性最佳化的特定行為，此係由於有可能藉由鑑別操作者與另一附近物件且詳言之與任何其他附近物件來偵測該操作者。

根據一實施例，該第一物件可為人類操作者之身體的至少一部分，且詳言之為該操作者之手或手臂。

人類操作者或人類操作者之身體之部分可藉由至少配備以下各者之一或多個電接點來極化：-由該操作者佩戴之腕帶，-由該操作者穿戴之衣物，-由該操作者穿戴之鞋，-等。

或者，該第一物件亦可為面向設備之工作區域，諸如工作台、操作台、帶式輸送機，且該第二物件為人類操作者之身體的至少一部分。根據本發明之方法亦可包含以下步驟：-在於該鑑別偵測步驟期間偵測到該第一物件之情況下，觸發預先與該第一物件相關聯的至少一個第一命令；及-在於該鑑別偵測步驟期間偵測到該第二物件之情況下，觸發預先與該第二物件相關聯的不同於該第一命令之至少一個第二命令。

舉例而言，在物件中的一者為操作者時，與其相關聯的命令可為緊急程序或停止設備(在該設備為行動設備或包含行動部分(諸如機器人)時)。

仍根據非限制性實施例，在物件中的一者為不同於操作者之物件時，與其相關聯的命令可為行動設備或設備之行動部分的減速或改變行動設備或設備之行動部分的軌跡。

當然，根據本發明之方法可使得有可能在一個或多個第二物件存在下選擇性地偵測多個第一物件。因此，有可能例如將彼此不同之第一交流電位分別施加至不同的第一附近物件，且根據本發明選擇性地且單獨地偵測該些第一附近物件。

因此，有可能例如以不同的第一頻率使不同操作者極化且識別該些操作者。個別地偵測之第一物件亦可包含操作者及環境之其他元件，諸如行動元件、卡車、操作台，等。

另外，第二物件可表示例如處於接地或地電位的設備或機器人之環境的任何元件(地面、帶式輸送機、操作者，等)。

根據本發明之另一態樣，提出一種用於一設備之電容偵測裝置，其包含：-稱作量測電極之至少一個電容電極；及-一偵測電子元件，其用於使至少一個量測電極極化且量測表示由該至少一個量測電極發現的一電容之至少一個信號，該電容稱作電極-物件電容；及-用於使至少一個附近物件極化之構件；該電容偵測裝置經配置以實施根據本發明之方法的所有步驟。

詳言之，該電容偵測電子元件可經組態以便個別地或組合地實施上文參考根據本發明之方法所描述且此處出於簡潔起見而不再重複的步驟或操作中之每一者。

用於使至少一個附近物件極化的構件可包含將一極化電位自一電源輸送至該物件之至少一個電接點。

在該附近物件為人體或人體的一部分時，該極化構件可包含置放在至少以下各者中的至少一個電接點：-由該操作者佩戴之腕帶，-由該操作者穿戴之衣服，-由該操作者穿戴之鞋，-等。

根據本發明之裝置可包含用於為偵測電子元件供電且使至少一個附近物件極化之共同電源。

在此情況下，該附近物件以有線方式連接至偵測電子元件。

替代地或另外，根據本發明之裝置可包含：-一第一電源，其用於使該第一物件極化；及-一第二源，其用於與該第一源無關地為該偵測電子元件供電。

在此情況下，該第一電源可與該偵測電子元件有線或無線地通信，以傳輸及/或接收其提供至該附近物件的該極化電位之一同步化信號。

可在該附近物件側上使用所交換的信號以提供該附近物件之正確極化。

可在該偵測電子元件側上使用所交換之信號以判定一鑑別信號，且更特定言之，以待用作或產生用於同步地解調在鑑別偵測相位期間由該偵測電子元件量測的信號之載波。

根據一替代具體實例，根據本發明之裝置可包含單一電源，其用於依次極化：-至少一個附近物件，及-量測電極；該裝置亦包含用於依次使該源連接至該附近物件及該些量測電極且自其斷開連接的構件。

該連接/斷開連接構件可包含受控開關。

該切換可在一鑑別偵測步驟與一共同偵測步驟之間進行，在該鑑別偵測步驟期間，該源使一附近物件極化，且在該共同偵測步驟期間，該源使該些量測電極極化。

該偵測裝置亦可包含用於電保護該至少一個量測電極之至少一個保護電極。

在此情況下，該至少一個保護電極以與該些量測電極相同之電位或在偵測頻率下與量測電極相同之電位(若適用)進行極化。

偵測電子元件可藉由類比或數位組件或藉由類比組件與數位組件之組合產生。

根據一具體實例，該電容偵測電子元件可包含一量測級，其包含充當跨阻抗或電荷放大器的運算放大器(operational amplifier，OA)或產生運算放大器之電路，其中：-例如一反相輸入之一第一輸入直接或例如經由一輪詢構件連接至一或多個量測電極；-一第二輸入，例如非反相輸入，連接於量測電極及(若適用)保護電極之極化電位處。

OA之輸出經由阻抗，且詳言之經由電容器在該第一輸入上循環。

在此組態中，OA之輸出供應電壓V_s，其振幅與至少一個量測電極與物件之間的該電極-物件電容成比例。

該偵測電子元件亦可包含振盪器，該振盪器供應使量測電極及(若適用)該至少一個保護電極極化之交流電位。

此極化電位可包含正弦形或正方形信號，或任何其他波形。偵測頻率可對應於此波形之基本頻率。

偵測電子元件可包含至少一個分析級，其用於以偵測頻率自由量測級供應的電壓V_s判定偵測信號，該偵測頻率即第一頻率或第二頻率或工作頻率。

此分析級可包含處於偵測頻率之解調變器(同步或非同步)或振幅偵測器、計算模組，等。

該偵測電子元件可包含繼而用於判定每一偵測信號之單一分析級，該偵測信號即第一鑑別偵測信號、(若適用)第二鑑別偵測信號及共同偵測信號。

或者，該偵測電子元件可包含若干分析級，各自專用於判定一偵測信號，即：-用於判定第一鑑別偵測信號之第一分析級，-若適用，用於判定第二鑑別偵測信號之第二分析級，及-用於判定共同偵測信號之第三分析級。

該或每一分析級可為類比或數位步驟、實體級或軟體級。另外，此等分析級可串聯或並聯地配置。

根據本發明之另一態樣，提出一種配備有根據本發明之電容偵測裝置之設備。

根據非限制性具體實例，該設備可為機器人類型，或包含任何機器人化系統。

如上所解釋，其可尤其具有機器人化手臂之形式或包含機器人化手臂。

機器人亦可為或包含例如行動機器人、輪式或軌道式車輛(諸如配備有臂或操控系統之卡車)或人形、仿生或仿真類型之機器人，其視情況具備諸如肢體之移動組件部分。

100:偵測裝置

102:第一附近物件

104:第二附近物件

106:量測電極

106₁:電容電極

106_n:電容電極

108:保護電極

110:偵測電子元件

112:量測級

114:運算放大器(OA)

116:回饋電容器

118:輪詢構件

120:分析級

200:實施例/電容偵測裝置

300:實施例/電容偵測裝置

302:電源

310:實施例/電容偵測裝置

312:電源

400:實施例/電容偵測裝置

402:電源

500:電容偵測裝置

502:第一開關

504:第二開關

600:電容偵測裝置

700:電容偵測裝置

702:開關

F0:頻率

F1:頻率

F2:頻率

M:接地電位

V0:電位

V1:電位

V2:電位

V_s:電壓

其他優點及特性將在檢查非限制性實施例之詳細描述時且自附圖變得很清楚，其中：-[圖1]為可用於本發明中的電容偵測裝置之非限制性具體實例的圖解表示；-[圖2a]為使得有可能進行鑑別電容偵測步驟之實施例的圖解表示；-[圖2b]為使得有可能進行共同電容偵測步驟之實施例的圖解表示；-[圖3a]為使得有可能進行鑑別電容偵測步驟之實施例的圖解表示；-[圖3b]為使得有可能進行鑑別電容偵測步驟之另一實施例的圖解表示；-[圖4]為使得有可能進行鑑別電容偵測步驟及共同偵測步驟之另一實施例的圖解表示；-[圖5a及圖5b]為使得有可能利用單一電源進行鑑別電容偵測步驟及共同偵測步驟之實施例的兩個組態之圖解表示；-[圖6]為使得有可能進行鑑別電容偵測步驟之另一實施例的圖解表示；及-[圖7a及圖7b]為使得有可能利用單一電源進行鑑別電容偵測步驟及共同偵測步驟之另一實施例的兩個組態之圖解表示。

將瞭解，下文中將描述之具體實例並不為限制性的。詳言之，本發明的變體可設想僅包含下文中描述之特性選擇，與描述的其他特性隔離(若此特性選擇足以賦予技術優點或區分本發明與先前技術之狀態)。若此部分單獨足以賦予技術優點或區分本發明與先前技術之狀態，則此選擇包含至少一個(較佳地功能性)特性，而無結構性細節或僅具有結構性細節的一部分。

詳言之，若根據技術視角不存在對此組合之反對，則可將所描述的所有變體與所有具體實例組合在一起。

在圖式中，數個圖式共有的元件保持相同編號。

圖1為可實施於本發明之上下文中的電容偵測裝置之非限制性具體實例的圖解表示。

圖1中展示的裝置100可以類比或數位形式或類比組件與數位組件之組合產生。

圖1亦展示裝置100使得有可能偵測且並不形成由偵測裝置100配備的諸如機器人之設備的部分之第一附近物件102及第二附近物件104。

為了偵測附近物件102至104，電容偵測裝置100包含稱作量測電極之若干電容電極106₁至106_n，其使得有可能量測表示形成於量測電極106₁至106_n中之一或多者(一方面)與物件102及104(另一方面)之間的電容(稱作電極-物件電容)之電量值，且詳言之，電壓。在下文中，編號106或106_i可用來表示量測電極。

裝置100亦視情況包含用於電保護量測電極106之至少一個電極108，稱作保護電極。為此目的，此保護電極108至少在電子元件之偵測頻率設定於與量測電極106相同的電位。

偵測裝置100亦包含偵測電子元件110，其用於：-使至少一個量測電極106在一電位下極化，該電位可為接地電位或不同於接地電位之電位，諸如交流電位，及-量測表示由該至少一個量測電極106發現的稱作電極-物件電容之一電容的至少一個信號。

為此目的，偵測電子元件110包含量測級112。

量測級112包含由運算放大器(OA)114表示的電流或電荷放大器及使OA 114之輸出在OA 114之反相「-」輸入處循環的回饋電容器116。

另外，在所示實施例中，OA 114之非反相「+」輸入接收量測電極106及保護電極108之極化電位，且規定OA 112之反相「-」輸入經由輪詢構件118連接至每一量測電極106_i以便依次個別地輪詢量測電極106。

輪詢構件118當然為可選的，且可為例如開關。

在此等條件下，電荷放大器，且詳言之OA 114，在輸出處供應處於偵測頻率且振幅與連接於其「-」輸入處的一或多個量測電極106與接近或接觸該量測電極106之物件之間的耦合電容C_eo(稱作電極-物件電容)成比例之電壓V_s。在所說明的實施例中，相對於稱為M之接地電位量測電壓V_s。

一般而言，量測級112可為類比及/或數位的(微處理器)，且包含用於濾波、轉換、處理等的所有必要構件。量測級112亦可包含不同於所描述的組件之組件。

偵測電子元件110亦可包含分析級120，其經提供以分析信號V_s且自其推斷電容偵測信號。

分析級120可包含：-解調變器(同步或非同步)，其用於解調由量測級112以偵測頻率提供的信號，-振幅偵測器，其用於量測由解調變器提供的信號之振幅；及-計算模組，其用於提供關於一或多個附近物件之存在及/或接觸之信號。

如先前所解釋，解調變器可因此包含同步解調變器。在此情況下，源自量測級112之量測信號視情況經帶通濾波，接著乘以處於偵測頻率的較佳與量測信號同相之載波信號，接著經低通濾波以獲得振幅信號。

解調變器亦可包含非同步解調變器或包絡偵測，例如經帶通濾波量測信號在約偵測頻率的整流，繼之以低通濾波。

計算模組可經配置以判定至少一個量測電極106與至少一個物件之間的距離或距離資訊項及/或接觸或接觸資訊項。計算模組可例如包含微控制器或FPGA或以微控制器或FPGA之形式產生。計算模組亦可供應其他資訊項，諸如在例如量測距離小於預定距離臨限值時，觸發警報或安全性程序。

在圖1中，僅展示一個分析級。當然，偵測電子元件可包含針對相同偵測頻率或不同偵測頻率而同時或依次使用之若干分析級。

一般而言，分析級120可為類比及/或數位的(微處理器)，且包含用於濾波、轉換、處理等的所有必要構件。分析級120亦可包含不同於所描述的組件之組件。

偵測電子元件110或至少其具有電荷放大器之敏感部分可參考(或由所提到的電力供應器供應)與保護電極相同之電位以最小化寄生電容，特別是在此電位為交流電位及/或不同於接地電位M時。更習知地，偵測電子元件110亦可參考接地電位M。

圖2a及圖2b為用於進行鑑別電容偵測步驟及共同電容偵測步驟之通用實施例的兩個組態之圖解表示。

圖2a展示進行鑑別電容偵測步驟之組態，且圖2b展示進行共同偵測步驟之組態。

在圖2a及圖2b中所展示之實施例200中：-量測電極106設定為電位V0，-第一附近物件102設定為頻率F1之交流電位V1，且-第二附近物件104設定為電位V2。

參考圖2a，可以非零頻率F1進行附近物件中的一者之鑑別偵測步驟，且規定電位V1與V2在頻率F1下不同且電位V1不同於接地電位M。

根據第一情況，若電位V1與V0在頻率F1下相同或實質上相同，則V1與V0在頻率F1下具有(實質上)相同的相位及相同的振幅。在此情況下，第一物件102將在頻率F1下與量測電極處於相同電位。頻率F1下的電容偵測將僅偵測物件104，此係因為物件102由於處於相同電位而將對於量測電極106電不可見。電容偵測將由此為自電容式電容偵測。

根據第二情況，若電位V1與V0在頻率F1下不同，則頻率F1下之電容偵測將僅偵測物件102，當然限制條件為電位V0及電位V2在頻率F1下並不產生可由解調變器量測的(最不顯著)分量，即詳言之，在頻率F1下無分量，或僅對於同步偵測器，在頻率F1下無與電位V1同相之分量。電容偵測將由此為傳輸電容偵測，使用物件102作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。在此情況下，電位V0可等於或不同於接地電位M。此外，電位V2可等於或不同於接地電位M，及/或等於或不同於電位V0。

根據第三情況，若電位V1在頻率F1下不同於V0，且電位V2在頻率F2下為亦不同於V0之交流電位，則頻率F1下之電容偵測將僅偵測物件102。另外，將有可能在頻率F2下進行電容偵測，其將僅偵測物件104。電容偵測將由此為傳輸電容偵測，使用物件102作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。此對於同步或非同步解調變器以及不同頻率F1及F2為可能的。此對於同相且正交操作之同步解調變器以及頻率相同但在頻率F1(或F2)下與V1同相正交之電位V2亦為可能的。

參考圖2b，藉由將頻率F0之交流電位V0施加至量測電極106，可無鑑別地偵測所有物件102及104，在頻率F0下解調，而電位V0及V1以及V0及V2不同於F0。如上所述，若電位V1及V2在頻率F0下並不產生可由解調變器量測的(最不顯著)分量，即詳言之，在頻率F0下無分量，或僅對於同步偵測器，在頻率F0下無與電位V0同相之分量，則滿足此等條件。

詳言之，對於共同偵測步驟，有可能使電位V1及V2等於或實質上等於接地電位M。

頻率F0可不同於V1及V2之頻率，其使得有可能實施同步或非同步解調。

或者，對於同步解調，V0可具有與V1及V2相同之頻率，但與V1及V2同相正交。

自上文所描述的情況，有可能推斷出：在電位V1、V2及V0全部不同的情況下，有可能進行：-一方面，個別地偵測物件102(在F1下解調)與物件104(在F2下解調)之附近物件鑑別偵測步驟；及-另一方面，無鑑別地偵測所存在的所有物件(在F0下解調)之物件共同偵測步驟。

另外，此等步驟可同時或依次進行。

V0、V1與V2可具有不同頻率，具有同步或非同步解調。

或者，電位V0、V1及V2中的至少一者可具有與其他電位V0、V1及V2中的至少一者相同之頻率但同相正交，具有同步解調。

現將參考圖3a至圖5b描述特定具體實例實施例。在此等圖中且非限制性地，考慮第一附近物件102為操作者之手，且第二附近物件104為設備(其在所說明情況中為機器人)之環境中可見的任何其他物件，諸如工作台、支撐件、操作台、另一機器人，等。

圖3a為用於進行鑑別電容偵測步驟之具體實例實施例的圖解表示。

詳言之，圖3a中所展示之實施例300使得有可能進行手102(其對應於第一附近物件102)之鑑別電容偵測。

為此目的，使手102在由電源302遞送的具有不同於接地電位M之頻率F1的電位V1下極化。

使第二物件104及電容電極106在接地電位M下極化。

此實施例300使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F1下偵測手102之存在或不存在。所進行的偵測為傳輸偵測，使用手102作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。

然而，此實施例300不會使得有可能進行對物件102及104中的任一者之共同電容偵測步驟，即無鑑別偵測步驟。

圖3b為用於進行鑑別電容偵測步驟之具體實例實施例的圖解表示。

詳言之，圖3b中所展示之實施例310使得有可能進行手102(其對應於第一附近物件102)之鑑別電容偵測及第二物件104之鑑別偵測。

為此目的，使手102在由電源302(如在圖3a中)遞送的具有不同於接地電位M之頻率F1的電位V1下極化。

亦如在圖3a中，使電容電極106在接地電位下極化。

關於第二物件104，使其在由電源312遞送的具有頻率F2的電位V2下極化，該電位不同於接地電位M及電位V1。

此實施例310使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F1下偵測手102之存在或不存在。在頻率F1下所進行的偵測為傳輸偵測，使用手102作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。

另外，此實施例310使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F2下偵測第二物件104之存在或不存在。在頻率F2下所進行的偵測為傳輸偵測，使用第二物件104作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。

在圖3b中所描述的實施例310中，相同分析級120用於頻率F1下的鑑別電容偵測及頻率F2下的鑑別電容偵測。或者，有可能使用兩個分析級，一個用於F1下的鑑別電容偵測，且另一個用於F2下的鑑別電容偵測。

另外，可同時或按順序依次進行F1及F2下的鑑別電容偵測。

為了用同步或非同步解調變器進行鑑別偵測，有可能使用例如不同頻率F2及F1。對於同步解調變器，亦有可能使用具有同相正交的同一個頻率的電位V1與V2。

應注意，此實施例310亦使得有可能藉由外加在頻率F1(或F2)下相同或實質上相同的電位V1與V2來對物件102及104中的任一者進行共同電容偵測步驟，即無鑑別的偵測步驟。在此情況下，藉由改變至少一個電源302、312之組態來依序進行鑑別偵測步驟及共同偵測步驟。

圖4為用於進行鑑別電容偵測步驟及共同偵測步驟之具體實例實施例的圖解表示。

詳言之，圖4中所展示之實施例400使得有可能進行手102之鑑別電容偵測以及所有附近物件之無鑑別的共同偵測。

為此目的，使手102(其對應於第一附近物件)在由電源302遞送的具有不同於接地電位M之頻率F1的電位V1下極化。

使第二物件104在接地電位M下極化。

關於量測電極106，使其在由源402遞送的具有頻率F0的電位V0下極化，該電位不同於接地電位M及電位V1。

此實施例400使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F1下偵測手102之存在或不存在。在頻率F1下所進行的偵測為傳輸偵測，使用手作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。

另外，此實施例400使得有可能在F0下進行共同偵測步驟，從而使得有可能無鑑別地偵測任何附近物件之存在或不存在。在頻率F0下所進行的偵測為自電容式偵測，此係因為任何附近物件，且詳言之物件102及104，在頻率F0下產生由量測電極106發現之電容。

如上所述，有可能使用不同頻率F0及F1。或者，對於同步解調變器，有可能使用具有同相正交的同一個頻率(F0=F1)的電位V0與V1。

在圖4中所描述的實施例中，相同分析級120用於F1下的鑑別電容偵測及F0下的共同電容偵測。或者，有可能使用兩個分析級，一個用於F1下的鑑別電容偵測，且另一個用於F0下的共同電容偵測。

另外，在實施例400中，可自由量測步驟112提供的單一量測信號同時進行鑑別電容偵測步驟及共同電容偵測步驟。

在圖4中所描述的實施例中，至少兩個電源用來進行鑑別電容偵測步驟及共同電容偵測步驟。

亦有可能使用單一電源來依序進行此等兩個電容偵測步驟。

圖5a及圖5b為使得有可能利用單一電源進行鑑別電容偵測步驟及共同偵測步驟之實施例的兩個組態之圖解表示。

詳言之，圖5a表示使得有可能個別地進行手102之鑑別電容偵測的組態，且圖5b表示使得有可能無鑑別地進行任何物件(包括手102)之共同電容偵測之組態。

在圖5a及圖5b中表示的實施例中，使用單一電源，即在頻率F1下遞送交流電位V1之電源302。

第一開關502用來使手102選擇性地與接地電位M或與由源302遞送的電位V1相關聯。

第二開關504用來使量測電極106選擇性地與接地電位M或由源302遞送的電位V1相關聯。

不管組態如何，使第二物件104在電接地電位M下極化。

在圖5a中所展示之組態中，手藉由開關502連接至源302：手因此在電位V1下極化。同時，量測電極106藉由開關504連接至接地電位M：量測電極106因此在接地電位M下極化。此組態使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F1下個別地偵測手102之存在或不存在。在頻率F1下所進行的偵測為傳輸偵測，使用手102作為傳輸電極且使用量測電極106作為接收電極。

在圖5b中所展示之組態中，手藉由開關502連接至接地電位M：手102因此在接地電位M下極化。同時，量測電極106藉由開關504連接至源302：量測電極106因此在電位V1下極化。此組態使得有可能進行偵測任何附近物件之存在或不存在(且詳言之，手102及/或第二物件104(兩者皆在接地電位M下極化)之存在或不存在)的共同電容偵測步驟。在頻率F1下進行的偵測為自電容式偵測。

現將參考圖6至圖7b描述其他特定具體實例實施例。在此等圖中且限制性地，考慮第二附近物件104為操作者之手，且第一附近物件102為設備(其在所說明情況中為機器人)之環境中可見的任何其他物件，諸如工作台、支撐件、另一機器人，等。詳言之，第一物件可為機器人進行操作所在的操作台。

圖6為用於進行鑑別電容偵測步驟之具體實例實施例的圖解表示。

圖6中所展示之實施例600使得有可能進行手104(其對應於第二附近物件)之鑑別電容偵測。

為此目的，使手104在接地電位M下極化。使第一物件102及電容電極106在由電源302遞送的具有頻率F1之電位V1下極化，該電位不同於處於該頻率F1下的接地電位M。

在此等條件下，第一物件102對於量測電極106電不可見，此係因為其與量測電極106處於相同電位。

此實施例600使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F1下偵測手104之存在或不存在，處於接地之手修改由量測電極106發現之電容。所進行的偵測為自電容式偵測。

然而，此實施例600不會使得有可能進行共同電容偵測步驟。

圖7a及圖7b為使得有可能利用單一電源進行鑑別電容偵測步驟及共同電容偵測步驟之實施例的兩個組態之圖解表示。

詳言之，圖7a表示使得有可能個別地進行手104之鑑別電容偵測的組態，且圖7b表示使得有可能無鑑別地進行任何物件(包括手104)之共同電容偵測之組態。

在圖7a及圖7b中表示的實施例中，使用單一電源，即在頻率F1下遞送交流電位V1之電源302。

不管組態如何，使手104(其對應於第二物件104)在電接地電位M下極化。

不管組態如何，使量測電極106在由源302遞送的電位V1下極化。

開關702用來在圖7a中表示的組態與圖7b中表示的組態之間修改第一物件102之極化。詳言之，開關702將第一物件選擇性地連接至由源302遞送的電位V1或接地電位M。

在圖7a中所展示之組態中，第一物件102藉由開關702連接至源302：因此如同量測電極106，第一物件102在電位V1下極化。第一物件因此在V1之頻率F1下對於量測電極106電不可見。此組態使得有可能進行鑑別電容偵測步驟以在頻率F1下個別地偵測手104之存在或不存在。在頻率F1下進行的偵測為自電容式偵測，此係因為在接地電位M下極化之手修改由量測電極106發現的電容。

在圖7b中所展示之組態中，第一物件藉由開關702連接至接地電位M：因此如同手104，第一物件102在接地電位M下極化。此組態使得有可能在頻率F1下進行偵測任何附近物件之存在或不存在(詳言之第一物件102及/或手104(兩者皆在接地電位M下極化)之存在或不存在)的共同電容偵測步驟。在頻率F1下進行的偵測為自電容式偵測。

當然，本發明不限於剛剛描述之實施例，且可對此等實施例進行眾多調整而不超出本發明之範圍。