PL244589B1

PL244589B1 - Discreet icosahedral vertical tilt sensor

Info

Publication number: PL244589B1
Application number: PL438954A
Authority: PL
Inventors: Michał Władziński; Anna Jodko-Władzińska; Sergiusz Łuczak; Maciej Zams
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2024-02-12
Also published as: PL438954A1

Abstract

Dyskretny dwudziestościenny czujnik odchylenia od pionu zaopatrzony w korpus i znajdujący się w nim ruchomy element (3) o sferycznej powierzchni przewodzącej prąd elektryczny umieszczony w przestrzeni ograniczonej przez zestaw dwudziestu elektrod (4a, 4b oraz 5a, 5b, 5c, 5d), przy czym elektrody są rozstawione tak, że ich stykowe powierzchnie czołowe tworzą układ geometryczny odpowiadający dwudziestu ścianom dwudziestościanu foremnego, przy czym powierzchnie stykowe każdej z naprzeciwległych elektrod są rozmieszczone w odległości większej od średnicy ruchomego elementu (3), korpus ma zasadniczo cylindryczny kształt i zawiera część dolną (1a) z elektrodą dolną i rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie korpusu otworami mieszczącymi trzy elektrody boczne dolne (4a, 4b) i sześć elektrod środkowych dolnych (5a, 5b, 5c, 5d) charakteryzuje się tym, że część górna z elektrodą górną posiada rozmieszczone równomiernie na obwodzie korpusu otwory mieszczące trzy elektrody boczne górne i sześć elektrod środkowych górnych.A discreet icosahedral sensor of deviation from the vertical, equipped with a body and a movable element (3) with a spherical electrically conductive surface located in the space limited by a set of twenty electrodes (4a, 4b and 5a, 5b, 5c, 5d), the electrodes are spaced so that their contact faces form a geometric arrangement corresponding to the twenty faces of a regular icosahedron, the contact surfaces of each of the opposing electrodes being spaced at a distance greater than the diameter of the movable element (3), the body having a substantially cylindrical shape and including a lower part (1a ) with a lower electrode and holes arranged evenly around the circumference of the body, housing three lower side electrodes (4a, 4b) and six lower middle electrodes (5a, 5b, 5c, 5d) characterized by the fact that the upper part with the upper electrode has holes evenly spaced around the circumference holes in the body for three upper side electrodes and six upper middle electrodes.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest dyskretny dwudziestościenny stykowy czujnik odchylenia od pionu.The subject of the invention is a discrete icosahedral contact vertical deviation sensor.

Z punktu widzenia prostoty przetwarzania sygnałów wyjściowych tego typu czujników, najkorzystniejsze rozwiązanie, w przypadku, gdy zakres pomiarowy czujnika obejmuje pełny kąt bryłowy, to podział tego zakresu na określoną liczbę takich samych podzakresów kątowych. Najprostsze rozwiązanie, to podział zakresu pomiarowego na 2 podzakresy polegające na rozróżnianiu jedynie orientacji pionowej i orientacji odchylonej od pionu. Na tej zasadzie działa wiele czujników dostępnych komercyjnie.From the point of view of the simplicity of processing the output signals of this type of sensors, the most advantageous solution, when the sensor's measurement range covers the full solid angle, is to divide this range into a specific number of the same angular sub-ranges. The simplest solution is to divide the measurement range into two sub-ranges, distinguishing only the vertical orientation and the orientation deviated from the vertical. Many commercially available sensors work on this principle.

Przedmiotem polskiego zgłoszenia patentowego nr P.426301 jest czujnik odchylenia od pionu mający korpus w kształcie graniastosłupa foremnego i zaopatrzony w ruchomy kulisty element, wykonany z materiału przewodzącego prąd elektryczny umieszczony wewnątrz korpusu w przestrzeni ograniczonej przez zestaw elektrod, które mogą tworzyć układ ścian sześcianu. Umożliwia to podział pełnego kąta bryłowego na osiem równomiernych podzakresów (odpowiadających liczbie wierzchołków sześcianu).The subject of the Polish patent application No. P.426301 is a vertical deviation sensor having a body in the shape of a regular prism and equipped with a movable spherical element made of an electrically conductive material placed inside the body in a space limited by a set of electrodes that can create a system of cube walls. This allows the full solid angle to be divided into eight equal subranges (corresponding to the number of vertices of the cube).

Przedmiotem polskiego zgłoszenia patentowego nr P.428511 jest czujnik odchylenia od pionu mający walcowy korpus i zaopatrzony w ruchomy kulisty element, wykonany z materiału przewodzącego prąd elektryczny umieszczony wewnątrz korpusu w przestrzeni ograniczonej przez zestaw elektrod, tworzących układ ścian dwunastościanu foremnego. Takie rozwiązanie pozwala dobrze oznaczyć kierunek odchylenia od pionu (na zasadzie podziału pełnego kąta bryłowego na 20 równych podzakresów, odpowiadających liczbie wierzchołków dwunastościanu) za pomocą sposobu określania odchylenia od pionu ujawnionego w tym zgłoszeniu. Jednak ze względu na rezystancyjną zasadę detekcji odchylenia od pionu niemożliwa jest miniaturyzacja wymiarów gabarytowych czujnika, spowodowana koniecznością uzyskania odpowiednio dużych nacisków ruchomego elementu na elektrody czujnika, wynikających z masy, a zatem i wymiarów ruchomego elementu.The subject of the Polish patent application No. P.428511 is a vertical deviation sensor having a cylindrical body and equipped with a movable spherical element made of an electrically conductive material placed inside the body in the space limited by a set of electrodes forming a system of walls of a regular dodecahedron. This solution allows the direction of deviation from the vertical to be well determined (by dividing the full solid angle into 20 equal subranges, corresponding to the number of vertices of the dodecahedron) using the method for determining the deviation from the vertical disclosed in this application. However, due to the resistive principle of detecting deviation from the vertical, it is impossible to miniaturize the overall dimensions of the sensor, due to the need to obtain sufficiently high pressures of the moving element on the sensor electrodes, resulting from the mass and, therefore, the dimensions of the moving element.

Istnieje także wiele rozwiązań czujników odchylenia od pionu, które dzielą zakres pomiarowy na określoną liczbę podzakresów, jednak nie takich samych, co jak wspomniano utrudnia przetwarzanie informacji generowanej przez taki czujnik. Jako przykład można tu podać zagraniczne patenty: CN106885921 (A), US2018180449 (A1), CN103794403 (A), JP2009117137 (A).There are also many solutions for vertical deviation sensors that divide the measurement range into a certain number of sub-ranges, but not the same ones, which, as mentioned, makes it difficult to process the information generated by such a sensor. Foreign patents can be given as an example: CN106885921 (A), US2018180449 (A1), CN103794403 (A), JP2009117137 (A).

Dokument CN106885921 A ujawnia czujnik kierunku wykorzystujący dwie części prowadzące elektrody, co najmniej sześć kołków stykowych, element ruchomy i obwód przetwarzania sygnału.Document CN106885921 A discloses a direction sensor using two electrode guide portions, at least six contact pins, a moving element and a signal processing circuit.

Obwód przetwarzania sygnału uzyskuje kierunek odchylenia od pionu wykrytego obiektu zgodnie z wykrytym sygnałem.The signal processing circuit obtains the vertical deviation direction of the detected object according to the detected signal.

Natomiast dokument US2018180449 A1 ujawnia czujnik kierunku zawierający dwie prowadnice elektrod, co najmniej sześć kołków stykowych, element ruchomy i obwód przetwarzania sygnału. Dwie prowadnice elektrod są uformowane ze szczeliną. Dwie prowadnice elektrod i co najmniej sześć kołków stykowych wyznaczają przestrzeń. Ruchomy człon jest ograniczony do poruszania się w tej przestrzeni. Dwie prowadnice elektrod są elektrycznie połączone odpowiednio z jedną końcówką sygnałową obwodu przetwarzania sygnału, a co najmniej sześć kołków stykowych jest elektrycznie połączonych odpowiednio z inną końcówką sygnałową obwodu przetwarzania sygnału. Po wykryciu kierunku odchylenia od pionu element ruchomy porusza się w przestrzeni zgodnie z wykrytym kierunkiem i styka się z kołkiem stykowym odpowiadającym wykrytemu kierunkowi poniżej, tak że jedna z prowadnic elektrody i kołek stykowy odpowiadający wykrytemu kierunkowi poniżej tworzą pętlę sygnału czujnikowego przechodząca przez ruchomy element.Whereas document US2018180449 A1 discloses a direction sensor comprising two electrode guides, at least six contact pins, a movable element and a signal processing circuit. The two electrode guides are molded with a slot. Two electrode guides and at least six contact pins define the space. The movable member is limited to movement within this space. The two electrode guides are electrically coupled to one signal terminal of the signal processing circuit, respectively, and at least six contact pins are electrically coupled to another signal terminal of the signal processing circuit, respectively. After detecting the direction of deviation from the vertical, the movable element moves in space according to the detected direction and contacts a contact pin corresponding to the detected direction below, so that one of the electrode guides and the contact pin corresponding to the detected direction below form a sensor signal loop through the movable element.

Dokument CN103794403 A ujawnia wielopunktowy przełącznik przechyłu zawierający izolator otaczający jedną oś, dwa elementy przewodzące pierwszego rodzaju oraz wiele elementów przewodzących drugiego rodzaju zainstalowanych na izolatorze oraz jeden ruchomy element kulisty przewodzący prąd elektryczny. Każdy element stykowy przewodzący pierwszego rodzaju posiada jedną część stykową i jedną część prowadzącą połączenie. Wspomniane części stykowe rozmieszczone są tak, aby były oddzielone odstępami wzdłuż osi. Części prowadzące połączenie są odsłonięte od izolatora. Każdy element przewodzący drugiego rodzaju posiada odpowiednią część stykową i część prowadzącą. Części stykowe odsłonięte są w komorze akomodacyjnej i rozmieszczone w szyku w sposób otaczający oś. Ruchomy element kulisty umieszczony jest w komorze akomodacyjnej i przemieszcza się pomiędzy położeniem połączenia, stykając się więcej niż z dwoma częściami stykowymi, a położeniem rozłączenia, które nie styka się z żadnymi dwoma częściami stykowymi.Document CN103794403 A discloses a multi-point tilt switch comprising an insulator surrounding one axis, two conductive elements of the first type and a plurality of conductive elements of the second type installed on the insulator, and one movable electrically conductive spherical element. Each conductive contact element of the first type has one contact part and one connection guiding part. Said contact portions are arranged to be separated by spaces along the axis. The connecting parts are exposed from the insulator. Each conductive element of the second type has a corresponding contact part and a guide part. The contact parts are exposed in the accommodation chamber and arranged in an array surrounding the axis. The movable spherical element is placed in the accommodation chamber and moves between a connected position, which is in contact with more than two contact parts, and a disconnected position, which is not in contact with any two contact parts.

W dokumencie JP2009117137 A ujawniono czujnik przechyłu do wykrywania kąta przechylenia i kąta pochylenia sprzętu/urządzenia uwzględniający niewielki rozmiar i grubość sprzętu/urządzenia.JP2009117137 A discloses a tilt sensor for detecting the roll angle and pitch angle of an equipment/device taking into account the small size and thickness of the equipment/device.

Czujnik wyposażony jest w obudowę zawierającą na przeciwległych powierzchniach styki stałe oraz ruchomy element kulisty. Pochylanie i przechylanie czujnika powoduje zwarcie elementu kulistego z jednym ze styków stałych, w ten sposób wykrywany jest przechył lub przechylenie.The sensor is equipped with a housing containing fixed contacts and a movable spherical element on opposite surfaces. Tilting and tilting the sensor causes the spherical element to short-circuit with one of the permanent contacts, thus the tilt or roll is detected.

Z łatwością można podać liczne przykłady zastosowań (np. w nawigowaniu robotów mobilnych), gdzie korzystny byłby podział pełnego kąta bryłowego na równomierne podzakresy, w liczbie innej niż 2, 8 lub 20, np. ze względu na prostotę przetwarzania sygnałów wyjściowych czujnika. Przedmiotem wynalazku jest taki właśnie czujnik odchylenia od pionu, który umożliwia podział pełnego kąta bryłowego na 12 równomiernych podzakresów.Numerous examples of applications can easily be given (e.g. in navigation of mobile robots) where it would be advantageous to divide the full solid angle into even subranges, in numbers other than 2, 8 or 20, e.g. due to the simplicity of processing the sensor output signals. The subject of the invention is a vertical deviation sensor that allows the division of the full solid angle into 12 equal sub-ranges.

Celem wynalazku jest zapewnienie czujnika odchylenia od pionu, który dzieli pełny kąt bryłowy na 12 równomiernych podzakresów kątowych i umożliwia stykowe określenie kierunku odchylenia od pionu w sposób skwantyzowany, zapewniającego uzyskanie miniaturowych wymiarów gabarytowych, dzięki odpowiedniemu sposobowi detekcji położenia elementu ruchomego. Czujnik dodatkowo cechuje się większą niezawodnością działania, ponieważ w każdym z 12 stabilnych położeń element ruchomy może zwierać ze sobą 5 elektrod, a do jednoznacznego określenia tego położenia wystarczy zwarcie ze sobą jedynie 3 sąsiadujących ze sobą elektrod. Tak więc ujawniona w opisie metoda detekcji cechuje się redundancją, która zwiększa niezawodność działania czujnika.The purpose of the invention is to provide a sensor for deviation from the vertical, which divides the full solid angle into 12 equal angular sub-ranges and enables contact determination of the direction of deviation from the vertical in a quantized manner, ensuring miniature overall dimensions thanks to an appropriate method of detecting the position of the moving element. The sensor is additionally characterized by greater operational reliability, because in each of the 12 stable positions, the moving element can connect 5 electrodes, and to clearly determine this position, it is enough to connect only 3 adjacent electrodes. Thus, the detection method disclosed herein is characterized by redundancy, which increases the reliability of the sensor operation.

Dyskretny czujnik odchylenia od pionu jest zaopatrzony w korpus i znajdujący się w nim ruchomy element o sferycznej powierzchni przewodzącej prąd elektryczny umieszczony w przestrzeni ograniczonej przez zestaw dwudziestu elektrod. Elektrody są rozstawione tak, że ich stykowe powierzchnie czołowe tworzą układ geometryczny odpowiadający dwudziestu ścianom dwudziestościanu foremnego. Powierzchnie stykowe każdej z naprzeciwległych elektrod są rozmieszczone w odległości większej od średnicy ruchomego elementu. Korpus ma zasadniczo cylindryczny kształt i zawiera część dolną z elektrodą dolną i rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie korpusu otworami mieszczącymi trzy elektrody boczne dolne i sześć elektrod środkowych dolnych. Rozwiązanie zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że część górna z elektrodą górną posiada rozmieszczone równomiernie na obwodzie korpusu otwory mieszczące trzy elektrody boczne górne i sześć elektrod środkowych górnych. Elektrody boczne górne, elektrody boczne dolne, elektrody środkowe górne i elektrody środkowe dolne są rozstawione tak, że elektrody boczne górne i elektrody boczne dolne są rozmieszczone na obwodzie korpusu położnym bliżej górnej i/lub dolnej jego części. Natomiast elektrody środkowe górne i środkowe dolne są rozmieszczone na obwodzie korpusu położnym bliżej jego środkowej części. Odstępy pomiędzy sąsiadującymi elektrodami środkowymi górnymi i środkowymi dolnymi oraz elektrodami bocznymi górnymi i elektrodami bocznymi dolnymi otaczającymi jeden z dwunastu wierzchołków wirtualnego dwudziestościanu, jaki tworzy układ powierzchni stykowych elektrod, przedstawionego na Fig. 1, są mniejsze od średnicy ruchomego elementu.The discreet vertical tilt sensor is equipped with a body and a movable element with a spherical electrically conductive surface located in the space limited by a set of twenty electrodes. The electrodes are spaced so that their contact faces form a geometric arrangement corresponding to the twenty faces of a regular icosahedron. The contact surfaces of each of the opposite electrodes are spaced at a distance greater than the diameter of the moving element. The body has a substantially cylindrical shape and includes a lower part with a lower electrode and holes spaced evenly around the circumference of the body to accommodate three lower side electrodes and six lower center electrodes. The solution according to the invention is characterized by the fact that the upper part with the upper electrode has holes evenly distributed around the circumference of the body, housing three upper side electrodes and six upper middle electrodes. The upper side electrodes, the lower side electrodes, the upper middle electrodes and the lower middle electrodes are spaced so that the upper side electrodes and the lower side electrodes are located around the circumference of the body located closer to its upper and/or lower part. However, the upper middle and lower middle electrodes are located around the periphery of the body, closer to its central part. The spacing between the adjacent upper middle and lower middle electrodes and the upper side electrodes and lower side electrodes surrounding one of the twelve vertices of the virtual icosahedron formed by the arrangement of electrode contact surfaces shown in Fig. 1 are smaller than the diameter of the moving element.

Korzystnie elektrody boczne dolne oraz elektrody boczne górne i elektrody środkowe górne oraz elektrody środkowe dolne są odseparowane elektrycznie od siebie oraz od elektrody górnej i dolnej.Preferably, the lower side electrodes, the upper side electrodes, the upper middle electrodes, and the lower middle electrodes are electrically separated from each other and from the upper and lower electrodes.

Korzystnie elektrody boczne dolne oraz elektrody boczne górne i elektrody środkowe górne oraz elektrody środkowe dolne, elektroda dolna i elektroda górna są zwierane ze sobą wyłącznie przez ruchomy element.Preferably, the lower side electrodes and the upper side electrodes and the upper middle electrodes and the lower middle electrodes, the lower electrode and the upper electrode, are connected to each other only by the movable element.

W sposobie określania odchylenia od pionu, w którym stosuje się dyskretny czujnik zgodnie z wynalazkiem wykrywający, co najmniej trzy zwarte ze sobą elektrody wykrywa się zwarte co najmniej trzy elektrody spośród wszystkich dwudziestu elektrod bocznych dolnych i/lub elektrod bocznych górnych i/lub elektrod środkowych górnych i/lub elektrod środkowych dolnych i/lub elektrody górnej i/lub elektrody dolnej.In the method for determining the deviation from the vertical, which uses a discrete sensor according to the invention that detects at least three electrodes shorted together, at least three electrodes out of all twenty lower side electrodes and/or upper side electrodes and/or upper middle electrodes are detected. and/or lower middle electrodes and/or upper electrode and/or lower electrode.

Przy zwarciu przez element ruchomy co najmniej trzech spośród wszystkich dwudziestu elektrod, bocznych dolnych i/lub elektrod bocznych górnych i/lub elektrod środkowych górnych i/lub elektrod środkowych dolnych i/lub elektrody dolnej i/lub elektrody górnej na jedną z elektrod bocznych dolnych i/lub elektrod bocznych górnych i/lub elektrod środkowych górnych i/lub elektrod środkowych dol nych i lub elektrody dolnej i/lub elektrod górnych podaje się stan logiczny 1. Następnie dokonuje się sekwencyjnego pomiaru stanu logicznego na pozostałych elektrodach bocznych dolnych i/lub elektrodach bocznych górnych i/lub elektrodach środkowych górnych i/lub elektrodach środkowych dolnych i/lub elektrodzie górnej i/lub elektrodzie dolnej. Oba etapy powtarza się w sposób cykliczny dla każdej z elektrod bocznych dolnych i/lub elektrod bocznych górnych i/lub elektrod środkowych górnych i/lub elektrod śro dkowych dolnych i/lub elektrody dolnej i/lub elektrody górnej aż do wykrycia przynajmniej trzech elektrod będących jednocześnie w stanie logicznym 1.When the moving element short-circuits at least three of all twenty electrodes, the lower side electrodes and/or the upper side electrodes and/or the upper middle electrodes and/or the lower middle electrodes and/or the lower electrode and/or the upper electrode, to one of the lower and/or upper side electrodes /or the upper side electrodes and/or the upper middle electrodes and/or the lower middle electrodes and or the lower electrode and/or the upper electrodes, logic state 1 is given. Then, a sequential measurement of the logical state is made on the remaining lower side electrodes and/or side electrodes upper electrodes and/or upper middle electrodes and/or lower middle electrodes and/or upper electrode and/or lower electrode. Both steps are repeated cyclically for each of the lower side electrodes and/or upper side electrodes and/or upper middle electrodes and/or lower middle electrodes and/or lower electrode and/or upper electrode until at least three electrodes are detected that are simultaneously in logical state 1.

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 2a przedstawia otwartą dolną część korpusu czujnika według wynalazku z widocznym ruchomym elementem oraz kołkiem ustalającym, Fig. 2b przedstawia otwartą dolną część korpusu czujnika według wynalazku z zamontowanymi elektrodami, Fig. 2c przedstawia czujnik według wynalazku z dolną częścią korpusu zamkniętą górną częścią korpusu. Fig. 3 przedstawia schematycznie mechanizm zwierania elektrod przez element ruchomy, Fig. 4 przedstawia oznaczenia poszczególnych ścian wirtualnego dwudziestościanu odpowiadające oznaczeniom poszczególnych elektrod przyjętym na Fig. 5, natomiast Fig. 5 przedstawia tabelę wartości stanów logicznych na poszczególnych elektrodach, a Fig. 6 przedstawia tabelę pokazującą zależność pomiędzy oznaczeniem ściany S1-S20 wirtualnego dwudziestościanu a oznaczeniem elektrody na Fig. 2 i Fig. 3.The subject of the invention is shown in embodiments in the drawing, in which Fig. 2a shows the open lower part of the sensor body according to the invention with a visible movable element and the fixing pin, Fig. 2b shows the open lower part of the sensor body according to the invention with mounted electrodes, Fig. 2c shows sensor according to the invention with the lower part of the body closed with the upper part of the body. Fig. 3 schematically shows the mechanism of shorting the electrodes by the moving element, Fig. 4 shows the markings of individual faces of the virtual icosahedron corresponding to the markings of individual electrodes adopted in Fig. 5, while Fig. 5 shows a table of the values of logical states on individual electrodes, and Fig. 6 shows a table showing the relationship between the designation of the S1-S20 face of the virtual icosahedron and the electrode designation in Fig. 2 and Fig. 3.

Korpus 1 w przykładzie wykonania czujnika według wynalazku ukazano na Fig. 2c, a jego samą dolną część na Fig. 2a oraz Fig. 2b. Korpus ma walcowy kształt. Alternatywnie mógłby to być kształt dwudziestościenny lub inny, np. prostopadłościenny. Korpus jest wykonany z tworzywa sztucznego, lub innego materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego. Korpus składa się z dwóch części: górnej 1b i dolnej 1.The body 1 in the embodiment of the sensor according to the invention is shown in Fig. 2c, and its lower part in Fig. 2a and Fig. 2b. The body has a cylindrical shape. Alternatively, it could be an icosahedral or other shape, e.g. cuboid. The body is made of plastic or other non-conductive material. The body consists of two parts: upper 1b and lower 1.

Na obwodzie części dolnej 1a korpusu wykonano dwa rzędy otworów na elektrody boczne: trzy otwory boczne, z których dwa są widoczne na Fig. 2a oraz sześć otworów środkowych, z których cztery są widoczne na Fig. 2a. Od spodu korpus jest zamknięty na stałe podstawą dolną z płaską i przewodzącą elektrodą dolną 8a, pokazaną na Fig. 2b. Od góry część dolna korpusu 1a jest zaopatrzona w kołek ustalający 9, dzięki czemu można ją odpowiednio złożyć z częścią górną korpusu 1b i znajdującą się na niej elektrodą górną 8b. W tym przykładzie zastosowano połączenie na wcisk. Alternatywnie można stosować inne połączenia rozłączne lub nierozłączne (np. klejone).Two rows of holes for side electrodes are made on the circumference of the lower part 1a of the body: three side holes, two of which are visible in Fig. 2a, and six central holes, four of which are visible in Fig. 2a. At the bottom, the body is permanently closed with a lower base with a flat and conductive lower electrode 8a, shown in Fig. 2b. From above, the lower part of the body 1a is equipped with a positioning pin 9, thanks to which it can be properly assembled with the upper part of the body 1b and the upper electrode 8b located on it. This example uses a press-fit connection. Alternatively, other detachable or non-detachable connections (e.g. glued) can be used.

Korpus może być wykonany w taki sposób, że wszystkie otwory boczne górne i dolne wykonane będą w jednej części, a tylko otwór na elektrodę górną lub dolną wykonane będą w drugiej części. Wówczas nie będzie potrzebny kołek ustalający 9.The body can be made in such a way that all the upper and lower side holes are made in one part, and only the hole for the upper or lower electrode is made in the other part. The locating pin 9 will then not be needed.

W otworach bocznych dolnych oraz środkowych dolnych wykonanych na obwodzie części dolnej la korpusu umieszczone są odpowiednio elektrody 4a, 4b, 4c oraz 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f jak pokazano na Fig. 2b, Fig. 2c i Fig. 3. Analogicznie na obwodzie części górnej korpusu 1b umieszczone są elektrody boczne górne 7a, 7b, 7c z których dwa są widoczne na Fig. 2c oraz środkowe górne 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, z których cztery są widoczne na Fig. 2c. Osie otworów na elektrody boczne wykonane są w korpusie pod takim kątem, który zapewnia prostopadłość tych osi do odpowiednich ścian bocznych wirtualnego dwudziestościanu foremnego. W przestrzeni 2 wewnątrz korpusu, pomiędzy elektrodami bocznymi, środkowymi i pomiędzy elektrodą dolną 8a a górną 8b znajduje się ruchomy element 3 - np. stalowa kulka łożyskowa.The electrodes 4a, 4b, 4c and 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, respectively, are placed in the lower side and middle holes made on the circumference of the lower part la of the body, as shown in Fig. 2b, Fig. 2c and Fig. 3. Similarly, on the circumference of the upper part of the body 1b there are upper side electrodes 7a, 7b, 7c, two of which are visible in Fig. 2c, and upper middle electrodes 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, four of which are visible in Fig. 2c . The axes of the holes for side electrodes are made in the body at an angle that ensures that these axes are perpendicular to the appropriate side walls of the virtual regular icosahedron. In the space 2 inside the body, between the side and middle electrodes and between the lower electrode 8a and the upper electrode 8b, there is a movable element 3 - e.g. a steel bearing ball.

Po umieszczeniu ruchomego elementu 3 wewnątrz przestrzeni 2 w korpusie dolnym 1a, na korpus dolny nakłada się korpus górny 1b z elektrodą górną 8b, odpowiednio ustawiając względem siebie obie części korpusu przy wykorzystaniu kołka ustalającego 9.After placing the movable element 3 inside the space 2 in the lower body 1a, the upper body 1b with the upper electrode 8b is placed on the lower body, properly positioning both parts of the body relative to each other using the positioning pin 9.

Twardość i gładkość materiału powierzchni stykowej elektrod bocznych oraz górnej i dolnej oraz ruchomego elementu 3 jest istotna z uwagi na możliwość zmniejszenia oporów ruchu, a dzięki temu zwiększenia czułości czujnika. Odstęp pomiędzy powierzchnią stykową każdej z naprzeciwległych elektrod jest nieznacznie większy od średnicy ruchomego elementu. Natomiast odstęp pomiędzy sąsiadującymi ze sobą elektrodami (tworzącymi konfigurację pięciu elektrod otaczających jeden z dwunastu wierzchołków wirtualnego dwudziestościanu pokazanego na Fig. 1) jest mniejszy od średnicy ruchomego elementu 3. Każda z elektrod sąsiaduje z dziewięcioma takimi elektrodami i tworzy trzy konfiguracje składające się z pięciu elektrod otaczających jeden z dwunastu wierzchołków wirtualnego dwudziestościanu.The hardness and smoothness of the material of the contact surface of the side, upper and lower electrodes and the movable element 3 is important due to the possibility of reducing the resistance to movement and thus increasing the sensitivity of the sensor. The distance between the contact surfaces of each opposing electrode is slightly larger than the diameter of the moving element. However, the distance between adjacent electrodes (forming a configuration of five electrodes surrounding one of the twelve vertices of the virtual icosahedron shown in Fig. 1) is smaller than the diameter of the movable element 3. Each electrode is adjacent to nine such electrodes and creates three configurations consisting of five electrodes. surrounding one of the twelve vertices of the virtual icosahedron.

Dzięki temu, gdy czujnik jest ustawiony pionowo sąsiadujące ze sobą elektrody są od siebie odizolowane. Każde odchylenie od pionu skutkuje przemieszczeniem się ruchomego elementu 3 i zwarciem za jego pośrednictwem co najmniej trzech spośród pięciu elektrod otaczających jeden z wierzchołków wirtualnego dwudziestościanu, co schematycznie pokazano na Fig. 3, gdzie dwie elektrody boczne dolne i dwie środkowe dolne zwierane z elektrodą dolną 8a przez ruchomy element 3 oznaczono jako 4a i 4b oraz 5c i 5d. Jeżeli czujnik zostanie obrócony o 180 stopni wówczas dwie elektrody boczne górne i dwie środkowe górne zwierają się z elektrodą górną 8b. Przy odchyleniu czujnika o kąt 90 stopni względem pionu jedna z elektrod bocznych dolnych zwiera się z dwiema elektrodami środkowymi dolnymi oraz dwiema elektrodami środkowymi górnymi.Thanks to this, when the sensor is positioned vertically, adjacent electrodes are isolated from each other. Each deviation from the vertical results in the displacement of the movable element 3 and, through it, a short circuit of at least three of the five electrodes surrounding one of the vertices of the virtual icosahedron, as schematically shown in Fig. 3, where the two lower side electrodes and the two lower middle electrodes are shorted to the lower electrode 8a by the movable element 3 are designated as 4a and 4b and 5c and 5d. If the sensor is rotated 180 degrees, the two upper side electrodes and the two upper middle electrodes short-circuit with the upper electrode 8b. When the sensor is tilted by an angle of 90 degrees relative to the vertical, one of the lower side electrodes is short-circuited with the two lower middle electrodes and the two upper middle electrodes.

Elektrody górna, dolna, boczne i środkowe są płaskie i gładkie, dzięki czemu uzyskuje się dużą czułość czujnika, a jednocześnie zapewnione jest zwieranie w każdej orientacji kątowej czujnika zawsze przynajmniej trzech spośród pięciu elektrod otaczających ten wierzchołek wirtualnego dwudziestościanu, którego położenie jest najbliższe położeniu elementu ruchomego 3.The top, bottom, side and middle electrodes are flat and smooth, which ensures high sensitivity of the sensor and at the same time ensures that, in any angular orientation of the sensor, at least three of the five electrodes surrounding the vertex of the virtual icosahedron, the position of which is closest to the position of the moving element, are always shorted. 3.

Korpus 1a oraz 1b można wykonać z materiału przewodzącego prąd elektryczny. Wówczas trzeba zapewnić izolację elektrod bocznych 4a, 4b, 4c oraz środkowych 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f od ścian korpusu 1a oraz elektrod bocznych 7a, 7b, 7c oraz środkowych 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f od ścian korpusu 1b. Można to zrobić wprowadzając do otworów dodatkowe tuleje wykonane z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego. Odizolowanie górnej elektrody od dolnej można zapewnić stosując dodatkowy element wykonany z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego pomiędzy korpusem 1a a 1 b lub wprowadzając do jednego z otworów dla tych elektrod dodatkową tuleję 30 wykonaną z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego.The body 1a and 1b can be made of an electrically conductive material. Then, it is necessary to ensure the isolation of the side electrodes 4a, 4b, 4c and the middle electrodes 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f from the walls of the body 1a and the side electrodes 7a, 7b, 7c and the middle electrodes 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f from walls of the body 1b. This can be done by inserting additional sleeves made of non-conductive material into the holes. Isolation of the upper electrode from the lower one can be ensured by using an additional element made of an electrically non-conductive material between the body 1a and 1b or by introducing an additional sleeve 30 made of an electrically non-conductive material into one of the holes for these electrodes.

Detekcja położenia ruchomego elementu 3 w danym wierzchołku odbywa się na podstawie wykrycia wysokiego stanu logicznego na co najmniej trzech sąsiadujących ze sobą elektrodach, otaczających wierzchołek wirtualnego dwudziestościanu, którego siatka została przedstawiona na Fig. 4, gdzie P1 do P12 oznacza kolejny wierzchołek dwudziestościanu, natomiast S1 do S20 oznacza kolejną ścianę dwudziestościanu. W tabeli na Fig. 5 zostały oznaczone za pomocą cyfry 1 (symbolizującej wysoki stan logiczny) numery ścian (S1-S20) sąsiadujące ze sobą w danym wierzchołku wirtualnego dwudziestościanu (P1-P12), zgodnie z oznaczeniami użytymi na rysunku siatki na Fig. 4. Każda ze ścian połączona jest z odrębnym wejściem/wyjściem mikrokontrolera (konieczne jest zastosowanie mikrokontrolera z co najmniej dwudziestoma wejściami/wyjściami).The detection of the position of the movable element 3 at a given vertex is based on the detection of a high logic state on at least three adjacent electrodes surrounding the vertex of the virtual icosahedron, the mesh of which is shown in Fig. 4, where P1 to P12 denotes the next vertex of the icosahedron, and S1 to S20 represents another face of the icosahedron. In the table in Fig. 5, the numbers of faces (S1-S20) adjacent to each other in a given vertex of the virtual icosahedron (P1-P12) are marked with the number 1 (symbolizing a high logical state), in accordance with the markings used in the mesh drawing in Fig. 4 Each wall is connected to a separate input/output of the microcontroller (it is necessary to use a microcontroller with at least twenty inputs/outputs).

Algorytm detekcji odchylenia od pionu zostanie wyjaśniony na przykładzie elektrody przypisanej do ściany nr S1. Krok 1: należy ustawić wejście/wyjście mikrokontrolera połączone do elektrody przypisanej do ściany S1 jako wyjście logiczne. Krok 2: wejścia/wyjścia mikrokontrolera połączone z pozostałymi elektrodami przypisanymi do ścian S2-S20 należy ustawić jako wejścia logiczne. Krok 3: na wyjściu połączonym z elektrodą przypisaną do ściany S1 należy ustawić logiczną wartość 1 i potem sekwencyjnie odczytać wartości logiczne na pozostałych elektrodach przypisanych do ścian połączonych z wejściami mikrokontrolera. Jeśli wartość logiczna 1 nie jest odczytywana na co najmniej dwóch wejściach, należy powtórzyć kroki 1-3 dla kolejnej elektrody. Natomiast jeśli wartość logiczna 1 jest odczytywana na co najmniej dwóch wejściach, oznacza to, że element ruchomy 3 znajduje się w jednym z trzech wierzchołków należących do ściany S1. Krok 4: na podstawie tabeli 1 na Fig. 5 należy ustalić, który to wierzchołek. W rozważanym przykładzie: gdy wartość logiczna 1 odczytywana jest dla co najmniej dwóch spośród czterech elektrod przypisanych do ścian: S5, S9, S13, S17, to element ruchomy 3 znajduje się w wierzchołku P1; gdy wartość logiczna 1 odczytywana jest dla co najmniej dwóch spośród czterech elektrod przypisanych do ścian: S2, S3, S5, S6 to element ruchomy 3 znajduje się w wierzchołku P3; gdy wartość logiczna 1 odczytywana jest dla co najmniej dwóch spośród czterech elektrod przypisanych do ścian: S2, S17, S18, S19 to element ruchomy 3 znajduje się w wierzchołku P11.The vertical deviation detection algorithm will be explained using the example of the electrode assigned to wall No. S1. Step 1: set the microcontroller input/output connected to the electrode assigned to wall S1 as a logical output. Step 2: The microcontroller inputs/outputs connected to the remaining electrodes assigned to walls S2-S20 should be set as logical inputs. Step 3: set the logical value 1 at the output connected to the electrode assigned to wall S1 and then sequentially read the logical values on the remaining electrodes assigned to the walls connected to the microcontroller inputs. If logic 1 is not read on at least two inputs, repeat steps 1-3 for the next electrode. However, if the logical value 1 is read on at least two inputs, it means that the moving element 3 is located in one of the three vertices belonging to the S1 wall. Step 4: based on table 1 in Fig. 5, determine which vertex it is. In the example under consideration: when the logical value 1 is read for at least two of the four electrodes assigned to the walls: S5, S9, S13, S17, then the moving element 3 is located at the vertex P1; when the logical value 1 is read for at least two of the four electrodes assigned to the walls: S2, S3, S5, S6, then the moving element 3 is located at the P3 vertex; when the logical value 1 is read for at least two of the four electrodes assigned to the walls: S2, S17, S18, S19, then the moving element 3 is located at the P11 vertex.

W celu ciągłego monitorowania położenia elementu ruchomego algorytm należy stale powtarzać (praca w pętli). Możliwa jest optymalizacja procedury, gdy do kilku elektrod na raz zostanie podłączona wartość logiczna 1. W takim przypadku elektrody należy wybrać tak, aby wszystkie ściany do których są one przypisane i dla których podawana jest wartość logiczna 1, nie miały wspólnych wierzchołków ani krawędzi.In order to continuously monitor the position of the moving element, the algorithm must be constantly repeated (looping). It is possible to optimize the procedure when a logical value of 1 is connected to several electrodes at the same time. In such a case, the electrodes should be selected so that all faces to which they are assigned and for which a logical value of 1 is given do not have common vertices or edges.

Znawca na podstawie powyższego opisu jest w stanie rutynowo zaproponować różne konfiguracje i warianty czujnika według wynalazku obejmujące zastosowanie elektrod o określonych kształtach, wykonanych z dostępnych w stanie techniki materiałów o korzystnych właściwościach. Jest również w stanie zaproponować rozkład elektrod bocznych i środkowych adekwatny do zastosowania. Rutynowo wykona korpusy w różnych kształtach i z różnych materiałów, 5 a także zaproponuje układy logiczne i mikroprocesorowe do odczytywania wskazań czujnika.Based on the above description, an expert is able to routinely propose various configurations and variants of the sensor according to the invention, including the use of electrodes of specific shapes, made of materials with advantageous properties available in the state of the art. It is also able to propose a distribution of side and central electrodes appropriate to the application. It will routinely make bodies in various shapes and materials,5 and will also propose logic and microprocessor systems for reading sensor readings.

Lista oznaczeń odsyłających:List of referencing symbols:

- korpus dyskretnego dwudziestościennego czujnika odchylenia- discrete icosahedral yaw sensor body

1a - dolna podstawa korpusu b - górna podstawa korpusu1a - lower body base b - upper body base

- przestrzeń- space

- element ruchomy (kulka)- movable element (ball)

4a, b, c - elektrody boczne dolne4a, b, c - lower side electrodes

5a, b, c, d, e, f - elektrody środkowe dolne5a, b, c, d, e, f - lower middle electrodes

6a, b, c, d, e, f - elektrody środkowe górne6a, b, c, d, e, f - upper middle electrodes

7a, b, c - elektrody boczne górne7a, b, c - upper side electrodes

8a - elektroda dolna8a - lower electrode

8b - elektroda górna8b - upper electrode

- kołek ustalający- locating pin

Claims

1. A discreet icosahedral vertical deviation sensor equipped with a body (1) and a movable element (3) with a spherical electrically conductive surface located in the space (2) limited by a set of twenty electrodes (4a, 4b, 4c and 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f and 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f and 7a, 7b, 7c and 8a and 8b), with the electrodes spaced so that their contact faces form a geometric arrangement corresponding to twenty walls a regular icosahedron, the contact surfaces of each of the opposite electrodes are spaced at a distance greater than the diameter of the movable element (3), the body (1) has a substantially cylindrical shape and includes a lower part (1a) with a lower electrode (8a) and evenly spaced circumference of the body (1) with holes housing three lower side electrodes (4a, 4b, 4c) and six lower middle electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f), characterized in that the upper part (1b) with the upper electrode ( 8b) has holes evenly spaced around the circumference of the body (1) housing three upper side electrodes (7a, 7b, 7c) and six upper middle electrodes (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f), with the upper side electrodes (7a , 7b, 7c), lower side electrodes (4a, 4b, 4c), upper middle electrodes (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) and lower middle electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) are spaced so that the upper side electrodes (7a, 7b, 7c) and the lower side electrodes (4a, 4b, 4c) are placed around the circumference of the body (1) located closer to its upper and/or lower part, while the upper middle electrodes (6a , 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) and lower middle electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) are arranged around the perimeter of the body (1) located closer to its central part, with the spaces between the adjacent upper middle electrodes ( 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) and lower middle electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) and upper side electrodes (7a, 7b, 7c) and lower side electrodes (4a, 4b, 4c) and the lower electrode (8a) and the upper electrode (8b) surrounding one of the twelve vertices of the virtual icosahedron are smaller than the diameter of the movable element (3).

2. A discreet sensor according to claim 1. 1, characterized in that the lower side electrodes (4a, 4b, 4c) and the upper side electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) and the upper middle electrodes (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) and the lower middle electrodes (7a, 7b, 7c) are electrically separated from each other and from the upper (8b) and lower electrodes (8a).

3. A discreet sensor according to claim 1. 1-2, characterized in that the lower side electrodes (4a, 4b, 4c) and the upper side electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) and the upper middle electrodes (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) and the lower middle electrodes (7a, 7b, 7c) as well as the lower electrode (8a) and the upper electrode (8b) are shorted together only by the movable element (3).