ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к измерительным устройствам с использованием емкостных средств.
СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ДВУМЕРНОЙ ОБЛАСТИ
Система проводников предназначена для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела.
Система проводников может найти применение в составе различных устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области, в различных областях техники. Например, в измерительной технике, в автоматике, в робототехнике, в электронной коже для бионических протезов, сенсорных экранах и других сенсорных устройствах.
КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ
Комбинированная система проводников является устройством, в которое встроена система проводников и которое реализует свое назначение посредством системы проводников. Комбинированная система проводников может использоваться для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала или определения координат геометрического центра поверхности плоского тела выполненного из электропроводящего материала или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела.
Предпочтительная область использования - в робототехнике и для бионических протезов. Комбинированная система проводников в данном изобретении нашла применение в сенсорной системе манипулятора робота на основе системы проводников, в электронной коже для бионического протеза и для антропоморфного робота.
СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА МАНИПУЛЯТОРА РОБОТА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ
Сенсорная система манипулятора робота на основе системы проводников предназначена для определения положений материальных тел, расположенных в непосредственной близости от кончиков пальцев манипулятора робота. При этом сенсорная система определяет положение материальных тел посредством встроенных в кончики пальцев манипулятора робота сенсоров в форме сфер, конструкция которых выполнена на основе варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Сенсорная система манипулятора робота, в которой используется система проводников, может найти применение в конструкции манипуляторов робота с целью улучшения реализации функции захвата манипулятором материальных тел и повышения безопасности взаимодействия человека с роботом.
ЭЛЕКТРОННАЯ КОЖА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ
Электронная кожа на основе системы проводников предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел. Электронная кожа содержит многослойную оболочку, которая выполнена, в основном, из гибкого, диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев. Оболочка покрывает с наружной стороны конструкцию бионического протеза или антропоморфного робота. На нижних слоях оболочка содержит систему проводников, предназначенную для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля. На верхних слоях расположена система проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел.
Электронная кожа может найти применение в медицине. Вторая область использования электронной кожи - в робототехнике.
С целью раскрытия потенциальных возможностей применения электронной кожи, в описании изобретения приведены два варианта использования электронной кожи на основе системы проводников. Один из вариант связан с использованием электронной кожи в медицине. Вариант называется «Использование электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза». Вариант описан в п. 11. Другая область использования электронной кожи связана с робототехникой. Этот вариант имеет название «Использование электронной кожи на основе системы проводников для антропоморфного робота». Вариант описан в п. 12.
В тексте описания изобретения словосочетание «электронная кожа на основе системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области» может быть заменено на словосочетания «электронная кожа на основе системы проводников» или «электронная кожа» с сохранением смыслового содержания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ДВУМЕРНОЙ ОБЛАСТИ (ВАРИНАТЫ)
Известен электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, общий электрод и дополнительные печатные электроды, размещенные на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть. Суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно. Электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты [Патент РФ RU 2087873 С1, 20.08.1997].
Анализ конструкции электроемкостного преобразователя для измерения уровня показал, что его можно использовать по другому назначению - для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала.
Известен электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды [Патент РФ RU 2685559 С1, 22.04.2019 г.].
Электроемкостный преобразователь представляет собой устройство, которое предназначено для определения координат геометрического центра двумерной области, которая расположена на поверхности различных тел. Система проводников представляет собой конструктивно обособленное устройство, которое переназначено для использования в составе разных устройств, в которых есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области. Назначение системы проводников, заключается в определении координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области и Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области относятся к разным средствам, имеющим разные назначения.
Известна система проводников [Патент РФ RU №2776858 С2, 22.07.2022 г.] для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащая измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области, форма, размеры и расположение измерительной области заданы, измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области системы проводников.
Данная система проводников является наиболее близкой к заявленному изобретению и выбрана в качестве прототипа. Недостатком известного изобретения является то, что в изобретении раскрыто ограниченное количество вариантов реализации системы проводников, что затрудняет расширение области применения системы проводников. В частности, в прототипе для крепления и изоляции измерительных проводников использована диэлектрическая подложки, что приводит к температурной нестабильности в определении геометрического центра двумерной области. Дополнительно используется общий проводник, расположенный со стороны поверхности диэлектрической подложки, которая противоположна измерительной области системы проводников. Этот проводник шунтирует изменение электрической емкости измерительных электродов под воздействие материального тела, что приводит к невысокой чувствительности при определении координат геометрического центра двумерной области. Технические решения в прототипе ориентированы, в основном, на использование системы проводников в сенсорных панелях, например смартфонов, в то же время затруднено использование системы проводников в приложениях, где необходимо определять геометрический центр двумерной области для удаленных на относительно большие расстояние материальных тел. Например, в сенсорной системе роботов.
КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ
Наиболее близким изобретением к комбинированной системе проводников является вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды [Патент РФ RU 2685 559 С1, 22.04.2019 г.].
Вариант электроемкостного преобразователя по п. 31 формулы изобретения характеризуется тем, что, с целью определения координат геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала, диэлектрическая пластина расположена с постоянными промежутками между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода. При этом для определения геометрического центра на поверхности плоского тела плоское диэлектрическое тело размещают на поверхности измерительной области, в промежутке между плоской поверхностью измерительной области и общим электродом.
Недостатком варианта электроемкостного преобразователя является то, что преобразователь с высокой точностью определяет координаты геометрического центра двумерной области для плоского диэлектрического тела при его размещении в непосредственной близости от поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя, что ограничивает область использования изобретения. В тоже время комбинированная система проводников способна точно определить геометрический центр двумерной области плоского тела не только при непосредственном соприкосновении тела с поверхностью измерительной области, которая принадлежит одной из систем проводников, но и в случае расположения плоского тела в произвольном месте в промежутке между измерительными областями двух систем проводников, составляющих комбинированную систему проводников.
СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА МАНИПУЛЯТОРА РОБОТА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ
Известно сенсорное покрытие для промышленного устройства описанное в патенте [РФ RU №2722379 С2]. Покрывающие модули выполнены с возможностью взаимного соединения разъемным образом. Сенсорное покрытие (20; 120; 220; 320) включает в себя сенсорные средства (С, Р), содержащие, по меньшей мере, одно из контактных сенсорных средств (С) и сенсорных средств (Р) приближения.
Недостаток сенсорного покрытия при его использовании для цели обеспечения функции захвата манипулятором робота материальных тел является то, что сенсорное покрытие, которое включает в себя сенсорные средства (С, Р), не в состоянии определить рельеф поверхности материального тела и геометрические центры поверхностей тела, обращенные в строну захватов манипулятора, а также найти направления расположения материального тела, которое подлежит захвату, относительно захватов (пальцев) манипулятора робота на расстоянии без прикосновения к телу.
ЭЛЕКТРОННАЯ КОЖА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ
Известно семейство мягких оптических тактильных датчиков TacTip с биомиметической морфологией, напечатанной на 3D-принтере. [Мягкая робототехника. Апрель 2018.216-227. http://doi.org/10.1089/soro.2017.0052 Опубл. в томе: 5 Выпуск 2: 1 апреля 2018 г. Онлайн перед печатью: 3 января 2018 г. https://www.liebertpub.eom/doi/10.1089/soro.2017.0052].
Тактильное восприятие является важным компонентом взаимодействия человека и робота и манипулирования объектами. Мягкие датчики обеспечивают безопасное взаимодействие и улучшают характеристики захвата. В статье представлено семейство датчиков TacTip: линейка мягких оптических тактильных датчиков с различной морфологией, изготовленных с помощью 3D-печати из двух материалов.
В указанной статье на фигурах показаны разные варианты конструкции датчиков.
На фиг.2 показан интегрированный в модель захвата модуль М2 с открытой ладонью (слева) - TacTip-GR2, установленный на захвате GR2 (посередине), и TacCylinder в эксперименте по моделированию обнаружения опухоли (справа);
На фиг.3 Показаны промежуточные выступы на коже человека (слева) и соответствующий штифт в TacTip (справа);
На фиг.4 показана Open-TacTip (слева): оригинальная версия датчика включает в себя крепление и основание камеры, напечатанные на 3D-принтере, и литую силиконовую оболочку. Улучшенный TacTip (в центре): на переработанном основании установлена собранная веб-камера и модульные наконечники с резиновой оболочкой, напечатанной на 3D-принтере. Модульные наконечники (справа): отдельные модульные наконечники с узловатым отпечатком пальца (вверху) и плоским наконечником (внизу).
Тактильное поле, сформированное датчиками TacTip, представлено в виде множества отдельных пикселей, которые сформированы подвижными штифтами, прикрепленными к нижней стороне подвижной мембраны. Величины смещений этих штифтов определяют с помощью оптической системы на основе оптической камеры. Затем обработка информации о смещении штифтов осуществляется с помощью компьютера.
Недостаток такого типа тактильных датчиков - наличие больших временных задержек в работе датчиков. Задержки связаны с необходимостью обработки большого объема информации по всему множеству пикселей. Данный фактор снижает быстродействие. Помимо этого наличие оптической системы считывания информации по смещению штифтов и наличие оптической камеры существенно усложняет тактильный датчик.
При использовании в тактильном датчике других вариантов первичных датчиков -тензометрических, барометрических, емкостных, пьезорезисторных, пьезоэлектрических, для передачи и записи тактильной информации, также требуется обработка большого объема информации формируемого множеством первичных датчиков, что уменьшает быстродействие. При этом система считывания информации с первичных датчиков, является не менее сложной, чем описанная оптическая система считывания информации.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В 1994 г. был разработан электроемкостный преобразователь для измерения уровня с использованием печатных электродов с изменяющейся шириной вдоль направления высоты. Впоследствии на преобразователь был получен патент [RU №2087873 С1, 20.08.1997 г.].
Электроемкостный преобразователь предназначался для измерения уровня диэлектрических и электропроводящих жидкостей. Основной целью разработки преобразователя уровня являлось нахождение системы электродов, для которой выходной сигнал уровня пропорционален разности величин емкостей электродов первой и второй измерительных частей, деленной на величину, полученную путем сложения величин емкостей первой и второй измерительных частей, и вычитания суммы емкостей электродов первой и второй измерительных частей в не погруженном состоянии.
Проведенный анализ показал, что выходной сигнал электроемкостного преобразователя для измерения уровня пропорционален координате геометрического центра по одной оси для двумерной области части плоской фигуры из однородного диэлектрического материала, расположенной на поверхности измерительной области преобразователя. Для варианта электроемкостного преобразователя уровня с изоляцией электродов выходной сигнал пропорционален координате по одной оси геометрического центра части области соприкосновения, образованной, например, в результате деформации электропроводящего тела при его соприкосновении с измерительной поверхностью преобразователя. В этих случаях область соприкосновения является двумерной областью.
Развитие темы нашло отражение в разработке электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области. 23 ноября 2017 г. была подана заявка №2017140925 на «Электроемкосный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)», по которой был получен патент [RU №2685559 С1, 22.04.2019 г.].
4 июня 1919 году была подана заявка №2019117312 на изобретение «Система проводников для определения координат двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела. По этой заявке был получен патент RU №2776858 С2, 28.07.2022 г. В изобретении система проводников рассматривается как конструктивно обособленное устройство, которое может найти применение в составе разных устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области. Изобретение по этому патенту выбрано в качестве прототипа для изобретения «Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)».
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Термин «геометрический центр» двумерной области означает среднее арифметическое положений всех точек фигуры. Другое название - «барицентр». Для тел из однородного материала в условиях постоянной гравитации геометрический центр эквивалентен центру тяжести фигуры. Для однородных тел геометрический центр совпадает с центром масс и с центром инерции. Во многих областях техники гравитационное поле на поверхности Земли считается постоянным, материал, из которого изготавливают изделия - однородным, поэтому правомерна замена геометрического центра на центр тяжести, барицентр или центр инерции. На практике, из всех терминов наиболее часто используется «центр тяжести», т.к. он более старый. Этот термин нашел широкое распространение в строительстве и в машиностроении. В связи с этим в число аналогов изобретения, помимо устройств для определения геометрического центра, входят устройства для определения «центра тяжести», «центра масс», «центра инерции» и «барицентра».
Геометрический центр эквивариантен для евклидового подобия, параллельного переноса и поворота [5] [13]. Это означает, что получается один и тот же результат, если найти образ центра при преобразовании, либо, применив то же преобразование ко всем точкам выборки, а затем уже найдя геометрический центр. Это свойство вытекает из факта, что геометрический центр определяется лишь исходя из попарных расстояний и не зависит от системы ортогональных декартовых координат [https://ru.wikipedia.org/wiki/Геометрический_центр]. Указанное свойство геометрического центра используется в данном изобретении для определения координат геометрического центра двумерной области в разных системах координат.
Общий проводник - проводник, который формирует заданную конфигурацию электрического поля окружающего измерительные проводники, а также выполняет функцию выравнивания электрического поля и экранирования измерительных проводников. Общий проводник в конструкции системы проводников может отсутствовать. В вариантах системы проводников функции общего проводника могут выполнять конструктивные элементы устройства, в котором используется система проводников. Например, в Комбинированной системе проводников конфигурация электрического поля формируется за счет применения двух систем проводников, измерительные области которых направлены друг на друга. Поэтому для формирования конфигурации электрического поля использовать общий проводник нет необходимости. Также нет необходимости в экранировании комбинированной системы проводников, т.к. электрическое поле в комбинированной системе проводников, в основном, сосредоточено только в промежутке между поверхностями измерительных областей двух систем проводников.
Измерительные проводники - это проводники, которые непосредственно предназначены для реализации функции определения координат геометрического центра двумерной области. Измерительные проводники расположены в границах измерительной области и образуют систему измерительных проводников. Каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области.
Термин «гладкая поверхность» используется в математическом смысле -поверхность, которая образованна непрерывно дифференцируемой функцией в границах области. Применительно к практике - гладкая поверхность это двумерная поверхность без резких изгибов, выступов и углублений. Гладкая поверхность может быть плоской, изогнутой, криволинейной, или в виде комбинации из этих поверхностей с плавными переходами между разными типами поверхностей.
Измерительная часть - часть измерительных проводников, в которой измерительные проводники электрически соединены между собой и имеют соответствующий вывод.
Группа измерительных проводников - группа, состоящая из проводников измерительных частей, реализующая функцию определения координат геометрического центра части двумерной области по одной оси. В варианте изобретения группа проводников может состоять из одного или нескольких измерительных проводников.
Для каждой группы измерительных проводников выделена соответствующая измерительная область группы измерительных проводников. Измерительные проводники расположены в границах измерительной области соответствующей группы измерительных проводников. Если группа измерительных проводников состоит из одного измерительного проводника, то для названия измерительной области группы в описании изобретения вместо термина «группа» может быть использовано словосочетание «измерительная область измерительного проводника». Приведенные обозначения измерительной области группы измерительных проводников по существу эквивалентны.
Измерительная область - это область с измерительными проводниками.
Каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области. Форма, размеры и расположение измерительной области заданы.
Измерительные проводники, которые расположены в границе измерительной области, образуют систему измерительных проводников. Система измерительных проводников измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области. В системе проводников с использованием множества измерительных областей в границах общей измерительной области расположено множество измерительных областей с заданными промежутками, на подобии элементов мозаики. Форма и размеры измерительных областей могут быть произвольными. Внешние границы множества измерительных областей образуют общую измерительную область.
Поверхность измерительной области совпадает с обращенной в сторону измерительной области поверхностью измерительных проводников в форме практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области.
В случае наличия с наружной стороны измерительных проводников изолирующего элемента с постоянной толщиной, например, изолирующего слоя диэлектрической подложки, наружная поверхность изолирующего элемента условно считается поверхностью измерительной области. В этом случае поверхность смещена на небольшое расстояние во всех точках поверхности перпендикулярно практически гладкой поверхности измерительных проводников. Как показано в описании изобретения характеристики изолирующего элемента не влияют на реализацию основного назначения системы проводников, поэтому наружную поверхность изолирующего элемента можно условно принять в качестве поверхности измерительной области.
В варианте изобретения, при использовании измерительных проводников относительно небольшой толщины (печатных проводников) поверхность измерительной области практически совпадает с поверхностью диэлектрической подложки или мембраны, на которой расположены измерительные проводники.
В другом варианте практически гладкая поверхность измерительных проводников со стороны измерительной области может быть образована с использование жесткого профиля измерительных проводников с закреплением измерительных проводников на диэлектрических опорных элементах.
Двумерная область - область, которая образована на практически гладкой поверхности измерительных проводников, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или в виде комбинации из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области, в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела. При этом поверхность измерительной области совпадает с практически гладкой поверхностью измерительных проводников.
В одном варианте (п. 21 формулы изобретения) двумерная область образуется на практически гладкой поверхности и измерительных проводников непосредственно под воздействием материального тела за счет диэлектрических и электропроводящих свойств тела при приближении тела к практически гладкой поверхности измерительных проводников.
В другом варианте, при использовании системы проводников для цели определения координат геометрического центра тактильного поля (поля прикосновений к измерительной поверхности), система проводников содержит диэлектрическую подложку, диэлектрическая подложка содержит упругий деформируемый диэлектрический слой, который расположен поверх слоя с измерительными проводниками, и растягивающийся проводник, который расположен поверх деформируемого слоя. В этом случае локальное изменение параметров электрического поля вблизи поверхности измерительных проводников образуется под воздействием растягивающегося проводника, участки которого имеют возможность приближаться или удалятся к практически гладкой поверхности измерительных проводников, образуя, таким образом, рельеф поверхности поля тактильных воздействий, с образованием локальных двумерных областей, для которых система проводников с использованием множества измерительных областей способна определить координаты геометрических центров этих воздействий.
В системе проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из однородного диэлектрического материала, поверхность плоского тела прикасается к поверхности измерительной области и образует на поверхности измерительной области двумерную область. В системе проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела, область прикосновения, образованная в результате деформации тела в месте соприкосновения с измерительной областью, также представляет собой двумерную область. В случае приближения электропроводящего или диэлектрического тела к поверхности измерительной области, на ее поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область.
С целью упрощения изложения сущности изобретения в отдельных вариантах система проводников в описании изобретения рассматривается совместно с диэлектрической подложкой. Диэлектрическая подложка выполняет функцию крепления измерительных проводников и их изоляции. Для изоляции измерительных проводников используют изолирующий слой подложки. Диэлектрическая подложка может иметь произвольную форму. Например, форму многослойной диэлектрической оболочки. Для крепления и изоляции измерительных проводников может использоваться другой конструктивный диэлектрический элемент или несколько диэлектрических элементов, которые, в зависимости от области использования системы проводников, могут иметь другое название. Например, в варианте изобретения по п. 31 формулы изобретения измерительные проводники имеют жесткий профиль и закреплены на концах на элементах из диэлектрического материала. При этом диэлектрическая подложка не используется.
Поэтому в независимых пунктах формулы изобретения характеристики расположения и конструкция системы проводников описаны без использования диэлектрической подложки или другого конструкционного элемента. Конкретные особенности конструкции системы проводников с применением диэлектрической подложки приведены в вариантах изобретения в зависимых пунктах формулы, а также в описании вариантов системы проводников.
Для упрощения изложения сущности изобретения в большинстве вариантов системы проводников использована диэлектрическая подложка с практически гладкой плоской поверхностью, которая выполнена в форме плоской пластины.
Особенности принципа действия системы проводников, в которой каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области описаны в вариантах системы проводников и описании устройств на основе системы проводников.
В изобретении для измерительной области используется система координат, связанная с множеством измерительных проводников. Ось абсцисс системы координат обозначена символом X, а ось ординат - символом Y. Ось Y расположена ортогонально оси X. Оси Х и Y системы координат, и координатная сетка расположены на практически гладкой поверхности, которая задана в границе измерительной области. Для измерительной области, поверхность которой является вогнутой или выпуклой, используется координатная сетка, которая получена путем деформации координатной сетки плоской поверхности.
В измерительной области для каждого из множеств измерительных проводников определена выделенная система координат. В этой системе координат в сечении измерительных проводников множества осью абсцисс суммарная ширина измерительных проводников первой измерительной части равна суммарной ширине проводников второй измерительной части. Условие равенства суммарной ширины первой и суммарной ширины второй измерительных частей в сечении осью абсцисс должно соблюдаться также для каждой из групп множества измерительных проводников. Эта система координат обозначена как «локальная система координат множества измерительных проводников».
Системы координат множеств измерительных проводников измерительной области являются зависимыми и могут быть заменены одной системой координат. Эта система координат имеет название «система координат измерительной области». Начало этой системы координат может быть совмещено с точкой пересечения осей абсцисс локальных систем координат двух множеств измерительных проводников и с геометрическим центром измерительной области. Такая система координат в рамках изобретения обозначена как локальная система координат измерительной области.
Электронная кожа (Electronic skin) относится к гибкой, растяжимой и самовосстанавливающейся электронике, которая способна имитировать функциональность кожи человека или животного. Взамен словосочетания «Электронная кожа» может использоваться словосочетание «Электронная оболочка», "Сенсорная кожа". Также используется выражение "Е-skin". В тексте описания изобретения словосочетание «электронная кожа на основе системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области» может быть заменено на словосочетания «электронная кожа на основе системы проводников» или «электронная кожа» с сохранением смыслового содержания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В формуле изобретения и описании приведена группа изобретений. Группа включает в себя следующие изобретения.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты). Комбинированная система проводников. Сенсорная система манипулятора робота на основе системы проводников. Электронная кожа на основе системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Использование электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза. Использование электронной кожи на основе системы проводников для антропоморфного робота.
Система проводников предназначена для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела. Система проводников рассматривается как конструктивно обособленное устройство, например, в виде датчика или сенсора, которая может найти применение в составе устройств, где требуется определение координат геометрического центра двумерной области для материальных тел, в различных областях техники. Например, в измерительной технике, в автоматике, в робототехнике, для конструирования электронной кожи для бионического протеза, а также в сенсорных панелях, например, для смартфонов и других сенсорных устройствах.
Комбинированная система проводников предназначена для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала или определения координат геометрического центра плоского тела выполненного из электропроводящего материала или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела.
Технический результат комбинированной системы проводников совпадает с назначением. Комбинированная система проводников соответствует п. 33 формулы изобретения. Описание комбинированной системы проводников приведено в п. 7 описания изобретения.
Комбинированная система проводников является устройством, в которое встроена система проводников и которое реализует свое назначение посредством системы проводников. Комбинированная система проводников может использоваться для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, а также для определения координат геометрического центра поверхности плоского тела выполненного из электропроводящего материала или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела. Комбинированная система проводников может найти применение в измерительной технике, в автоматике, в робототехнике, сенсорной системе протезов для человека и других сенсорных устройствах.
Сенсорная система манипулятора робота на основе системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области предназначена для определения положений материальных тел расположенных в непосредственной близости от кончиков пальцев манипулятора. Сенсорная система манипулятора способна определить направления на геометрические центры двумерных областей, расположенных на поверхностях одного или нескольких материальных тел, относительно кончиков пальцев манипулятора и геометрические центры двумерных областей соприкосновения кончиков пальцев манипулятора с поверхностями тел. При этом сенсорная система определяет положение материальных тел посредством встроенных в кончики пальцев манипулятора робота сенсоров в форме сфер, конструкция которых выполнена на основе варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Технический результат сенсорной системы манипулятора робота - улучшение реализации функции захвата манипулятором материальных тел и повышение безопасности взаимодействия человека с роботом.
Сенсорная система манипулятора робота на основе системы проводников соответствует п. 37 формулы изобретения. Описание сенсорной системы манипулятора робота приведено в п. 9 описания изобретения.
Электронная кожа на основе системы проводников предназначена для формирования тактильной информации о прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел.
Технический результат изобретения «Электронная кожа на основе проводников» заключается в повышении точности и быстродействия в получении сенсорной информации, а также в упрощении технологического процесса изготовления электронной кожи и уменьшении стоимости.
Электронная кожа содержит многослойную оболочку, которая выполнена, в основном, из гибкого, диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев. Оболочка покрывает с наружной стороны конструкцию бионического протеза или антропоморфного робота. На нижних слоях оболочка содержит систему проводников, предназначенную для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля. На верхних слоях расположена система проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел.
Электронная кожа на основе системы проводников соответствует п. 38 формулы изобретения. Описание электронной кожи на основе системы проводников приведено в пункте 10 описания изобретения.
С целью раскрытия потенциальных возможностей применения электронной кожи, в описании изобретения приведены два варианта использования электронной кожи на основе системы проводников.
Один из вариант связан с использованием электронной кожи в медицине. Вариант называется «Использование электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза». Вариант соответствует п. 39 формулы изобретения. Описание варианта приведено в п. 11 описания изобретения.
Другая область использования электронной кожи связана с робототехникой. Этот вариант имеет название «Использование электронной кожи на основе системы проводников для антропоморфного робота». Вариант соответствует п. 44 формулы изобретения. Описание варианта приведено в п. 12 описания изобретения.
Технические результаты и назначения вариантов изобретения совпадают с техническим результатом изобретения «электронная кожа на основе системы проводников».
СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ДВУМЕРНОЙ ОБЛАСТИ
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области является ключевым изобретением в группе изобретений. Система проводников предназначена для встраивания в различные устройства, в которых есть необходимость определения координат геометрического центра двумерной области.
Реализация технических результатов устройствами, в которых используется система проводников, осуществляется посредством системы проводников.
Назначение системы проводников заключается в определении координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников, в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела.
Технический результат изобретения «система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)» заключается в создании вариантов системы проводников (в расширении арсенала средств определенного назначения), для обеспечения возможности использования системы проводников в комбинированной системе проводников, в сенсорной системе манипулятора робота на основе системы проводников, в электронной коже на основе системы проводников для бионического протеза, в электронной коже на основе системы проводников для антропоморфного робота и для устройств с высокой температурной стабильностью.
Дополнительный технический результат изобретения - обеспечения возможности повышения точности и быстродействия определения координат геометрического центра двумерной области в устройствах, где используется система проводников.
Реализация технического результата системой проводников связана со следующими признаками независимого п. 1 формулы изобретения.
1. Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, предназначенная для применения в комбинированной системе проводников по п. 33 формулы изобретения, содержащая измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, форма практически гладкой поверхности, размеры и расположение измерительной области, а также особенности конструкции системы измерительных проводников заданы в требованиях к системе проводников со стороны сенсорного устройства, измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области системы проводников.
Для варианта системы проводников по независимому п. 16 формулы изобретения реализация технического результата связана со следующими признаками.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, которая образована на двумерной поверхности общей измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, предназначенная для применения в комбинированной системе проводников по п. 35 формулы изобретения, в сенсорной системе манипулятора робота на основе системы проводников по п. 37 формулы изобретения, в электронной коже на основе системы проводников по п. 38 формулы изобретения для бионического протеза и антропоморфного робота, содержащая множество измерительных областей с измерительными проводниками, форма практически гладкой поверхности, размеры и расположение измерительных областей, а также особенности конструкции системы измерительных проводников заданы в требованиях к системе проводников со стороны сенсорных устройств, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, измерительные проводники расположены в границах соответствующих измерительных областей, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников.
Признаки независимых пунктов формулы изобретения раскрыты в вариантах системы проводников, приведенных в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в описании примеров использования изобретения. Совокупность признаков изобретения, приведенных в независимых пунктах п. 1 и п. 16 формулы изобретения является общими для всех соответствующих вариантов системы проводников приведенных в описании изобретения. Признак в формуле изобретения «Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела» конкретизирует техническое средство изобретения и назначение системы проводников. В соответствии с этим признаком система проводников рассматривается как конструктивно обособленное устройство.
В соответствии с областью использования изобретения система проводников может найти применение в составе различных устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области, в различных областях техники. Например, в измерительной технике, в автоматике, в робототехнике, в электронной коже человеческих протезов, сенсорных экранах и других сенсорных устройствах. При этом технические результаты устройств, в которых используется система проводников, реализуются посредством системы проводников за счет реализации целевой функции по определению координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела».
Признаки изобретения в независимых пунктах п. 1 и п. 16 формулы изобретения приведены в обобщенном виде.
Признаки изобретения «причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области» приведены в виде вариантов конкретных конструкций в пп. 12-15 формулы изобретения. Описание системы проводников по пп. 12-15 приведено в вариантах 1.11 - 1.14 системы проводников.
В варианте 1.11 системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, форма поверхности измерительных проводников, которая обращена в сторону измерительной области, задана с помощью формы поверхности диэлектрической подложки. Вариант системы проводников соответствует п. 12 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что измерительные проводники выполнены тонкими и расположены на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической подложки, причем поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе измерительной области.
В этом варианте поверхность каждого измерительного проводника принимает форму поверхности слоя диэлектрической подложки на соответствующем участке поверхности.
Для системы проводников, выполненной в соответствии с п. 1 формулы изобретения, практически гладкая поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе измерительной области. Поэтому каждый измерительный проводник имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области. Для системы проводников с использованием множества измерительных областей по п. 16 формулы изобретения практически гладкая поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе общей измерительной области.
Тонкими проводниками считаются проводники, толщина которых много меньше ширины или высоты проводников. Например, тонкими являются печатные проводники. Термин «гладкая поверхность» используется в математическом смысле - поверхность, которая образованна непрерывно дифференцируемой функцией в границах заданной области. Применительно к практике - гладкая поверхность это поверхность без резких изгибов, выступов и углублений.
В варианте системы проводников 1.12 описана система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением тонких измерительных проводников на практически гладкой плоской поверхности диэлектрической подложки в виде плоской пластины. В этом варианте поверхность измерительных проводников, которая обращена в сторону измерительной области, принимает форму плоской поверхности. Вариант системы проводников соответствует п. 13 формулы изобретения.
В варианте системы проводников 1.13 приведено описание системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением тонких измерительных проводников на практически гладкой изогнутой поверхности диэлектрической подложки. В этом варианте поверхность измерительных проводников, которая обращена в сторону измерительной области, принимает форму изогнутой поверхности. Вариант системы проводников соответствует п. 14 формулы изобретения.
В варианте системы проводников п. 1.14 описана система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением тонких измерительных проводников на гладкой криволинейной поверхности. В этом случае поверхность измерительных проводников, которая обращена в сторону измерительной области, принимает форму криволинейной поверхности. Вариант соответствует п. 15 формулы изобретения.
Признак «или комбинацией из этих поверхностей» описан в варианте системы проводников который используется в электронной коже для бионического протеза - на примере покрытия электронной кожей кисти руки, где измерительные проводники со стороны измерительной области кожи на кончиках пальцев рук имеют криволинейную поверхность, на краях ладони и на участке кожи, на загибе кожи вокруг пальцев и в складках кожи имеют изогнутую поверхность, а в центре ладони - поверхность приближается к практически гладкой плоской поверхности. В целом измерительные проводники системы проводников электронной кожи в границах общей для кисти руки измерительной области, которая покрывает бионический протез кисти руки, имеют поверхность, которая является комбинацией разных типов поверхностей - практически гладкой плоской поверхности, практически гладкой изогнутой поверхности и практически гладкой криволинейной поверхности.
Использование диэлектрической подложки и тонких измерительных проводников, которые расположены на слое и диэлектрической подложки с заданной формой поверхности, не является единственным вариантом задания формы поверхности измерительных проводников. В системе проводников, которая характеризуется высокими требованиями к чувствительности и температурной стабильности использование диэлектрической подложки приводит к снижению характеристик системы проводников.
При этом форма поверхности измерительных проводников может быть задана напрямую с использованием измерительных проводников с жестким профилем, путем механической обработки обращенной в строну измерительной области стороны этого профиля, например, фрезерованием, штамповки и шлифовкой или с использованием другого технологического процесса. При этом измерительные проводники закреплены на концах на диэлектрических опорных элементах.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с измерительными проводниками с жестким профилем описана в варианте 5.4 системы проводников. Вариант системы проводников соответствует п. 31 формулы изобретения. Особенности варианта системы проводников показаны на фиг. 62. и фиг.63.
Система проводников 703 содержит систему измерительных проводников 712, элементы 720 из диэлектрического материала для крепления измерительных проводников, экранирующий элемент 721 из проводящего материала, который расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области 723 системы проводников. Экранирующий элемент 721 выполняет функции экранирования измерительных проводников 712, а также входит в систему их крепления. экранирующего проводника 721. В связи с тем, что величина диэлектрической проницаемости среды между измерительными проводниками и экранирующим проводником является практически постоянной величиной, а взаимное расположение конструкционных элементов стабильно, для каждой из измерительных частей измерительных проводников, взаимную емкость можно учесть в составе постоянных коэффициентов, которые обозначены в формулах (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра, в виде собственных емкостей C01,М1, С02,М1, С01,М2, С02,М2 измерительных проводников измерительных частей, в отсутствие тела. В результате, влияние составляющей взаимных емкостей, которое определяется параметрами конструкции профилей измерительных проводников на величины координат геометрического центра двумерной области, можно практически исключить. В связи с этим, с целевой функцией системы проводников связана только электропроводящая поверхность 724 измерительных проводников, которая расположена со стороны измерительной области 723 в границе измерительной области.
Поверхность каждого измерительного проводника, расположенная со стороны измерительной области, является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области. Поэтому в качестве существенного признака в независимых пунктах п. 1 и п. 16 формулы изобретения использована следующая формулировка: «измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей заданной в границе измерительной области».
В описании изобретения приведен вариант 5.5 системы проводников, характеризующейся наличием измерительных проводников небольшой толщины, которые закреплены на мембране из диэлектрического материала, которая закреплена с натяжением на опорных элементах. Вариант соответствует п. 32 формулы изобретения. В этом варианте также отсутствует диэлектрическая подложка. При этом вариант системы проводников по свойствам приближается к системе проводников по и. 31 формулы изобретения.
Особенности варианта системы проводников показаны на фиг. 64.
Система проводников 705 содержит систему измерительных проводников 740, которые выполнены тонкими, и закреплены на мембране 741 из диэлектрического
На разрезе В-В показан профиль измерительных проводников. В отличие от варианта с печатными проводниками, которые нанесены на поверхность диэлектрической подложки, проводники выполнены с жесткими профилями. При этом профиль проводников имеет две части поверхности. Каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность 724, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области 723. Дополнительно, проводник имеет поверхность 725, которая обращена внутрь системы проводников, в сторону, которая противоположна измерительной области. Эта часть поверхности определяет механическую жесткость каждого из измерительных проводников, затрудняющую его изгиб. При этом, каждый измерительный проводник закреплен своими концами на диэлектрических элементах 720, которые в свою очередь закреплены на экранирующем элементе 721, который также выполнен в виде жесткой конструкции.
В системе проводников по этому варианту для крепления проводников использованы опорные элементы в виде диэлектрических пластинок, расположенных на концах измерительных проводников. В этом варианте изобретения диэлектрическая подложка не используется. Анализ показывает, что в случае отсутствия диэлектрической подложки, расположенной между измерительными проводниками 712 и экранирующим элементом 721 увеличивается стабильность и точность определения системой проводников геометрического центра двумерной области. Дело в том, что величины диэлектрической проницаемости частей диэлектрической подложки существенно зависят от температуры. При этом локальный нагрев части подложки может исказить координаты геометрического центра двумерной области. Отсутствие в конструкции системы проводников диэлектрической подложки практически исключает источник этой погрешности. В варианте системы проводников пространство 726 между измерительными проводниками и экранирующем элементом может быть заполнено, например, воздухом или вакуумировано. Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха практически не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость вакуума является постоянной величиной. Поэтому погрешность определения геометрического центра, возникающая в результате неравномерного нагрева конструкции системы проводников, в этом варианте сведена к минимуму.
В варианте системы проводников используется профиль измерительных проводников, который обеспечивает необходимую жесткость проводников. Характеристики этого профиля влияют на взаимную емкость между измерительными проводниками и экранирующим проводником. Взаимная емкость, в основном, образуется за счет поверхности 725 измерительных проводников 712, которая обращена в сторону материала, которая закреплена с натяжением на опорных элементах 742. Опорные элементы в свою очередь закреплены на экранирующем элементе 743. Экранирующий элемент 743 выполнен из проводящего материала, и расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области 747 системы проводников. Экранирующий элемент 743 выполняет функции экранирования измерительных проводников 740, а также входит в систему их крепления.
Внутренняя поверхность мембраны 741 с измерительными проводниками 740 расположена с промежутком 746 относительно поверхности экранирующего элемента 743. Ширина промежутка в наиболее узком месте выбрана много больше величины толщины мембраны 741. Промежуток между мембраной и экранирующим элементом заполнен, например, воздухом или вакуумирован.
При анализе погрешности, связанной с нестабильностью величины диэлектрической проницаемости материала мембраны при неравномерном нагреве мембраны 741, необходимо учитывать то, что толщина мембраны выбрана много меньше ширины промежутка. Поэтому основная часть взаимной емкости между измерительными проводниками 740 и экранирующим элементом 743 будет определяться наличием промежутка 746.
В этом случае вариант по своим свойствам будет практически эквивалентен варианту 5.4, с системой измерительных проводников, конструкция которых не имеет диэлектрических элементов в промежутке между измерительными проводниками и экранирующим элементом.
В этом варианте измерительные проводники имеют со стороны измерительной области поверхность, которая обращена наружу, и поверхность, которая обращена внутрь, в сторону, противоположную стороне измерительной области. Как показано в описании варианта 5.4 форма обращенной внутрь поверхности проводников 745 не оказывает влияния на реализацию целевой функции системы проводников. Поэтому в качестве существенного признака в независимых пунктах п. 1 и п. 16 формулы изобретения допустима следующая формулировка: «каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области».
Преимуществом системы проводников по этому варианту в сравнении с вариантом 5.4 является упрощение технологического процесса изготовления измерительных проводников.
Изобретения по пунктам п. 31 и п. 32 формулы позволяют получить дополнительный технический результат, который заключается в увеличение температурной стабильности и чувствительности системы проводников при определении геометрического центра двумерной области, в сравнении с прототипом. Повышение температурной стабильности и повышение чувствительности является важным для использования системы проводников в составе устройств, для которых необходимо определение геометрического центра двумерной области для тел, находящихся на относительно большом удалении от измерительной области системы проводников. Одним из таких приложений является использование системы проводников в сенсорной системе манипулятора робота.
Повышением температурной стабильности и чувствительности связано со следующим. В прототипе изобретения для крепления и изоляции измерительных проводников используется диэлектрическая подложка. В этом случае локальное изменение температуры диэлектрической подложки приводит к изменению коэффициента относительной диэлектрической проницаемости материала диэлектрической подложки, в результате в местах изменения температуры подложки изменяется взаимная электрическая емкость между измерительными проводниками и общим проводником, что выражается в возникновении погрешности в определении координат геометрического центра двумерной области, которая образована на поверхности измерительной области под воздействием материального тела. Использование вариантов крепления измерительных проводников, как предусмотрено в п. 31 или в п. 32 формулы изобретения диэлектрическая подложка не используется, при этом вместе с исключением диэлектрической подложки повышается температурная стабильность в определении геометрического центра системой проводников.
В случае использования общего проводника и диэлектрической подложки, выполненной из материала с относительно большой диэлектрической проницаемостью, как в прототипе, образуется относительно большая взаимная емкость между измерительными проводниками и общим проводником, которая шунтирует электрическую емкость измерительных проводников от материального тела, в связи с чем, снижается чувствительность в определении координат геометрического центра двумерной области. Исключение диэлектрической подложки и использование экранирующего проводника с его расположением с воздушными промежутком относительно измерительных проводников, на который подается синфазное напряжение вместе с напряжением, подаваемым на измерительные проводники, существенно уменьшает взаимную емкость между измерительными проводниками и экранирующим проводником, в результате увеличивается чувствительность системы проводников. Описание принципа действия, связанного с уменьшением взаимной емкости, при использовании экранирующего проводника, приведено в описании пункта п. 11 формулы изобретения в варианте 1.10 системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с экранирующим проводником.
Признак формулы изобретения «измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу» объединяет признаки системы проводников, которые приведены в пп. 6 - 8 и п. 21 формулы изобретения. Описание системы проводников по пп. 6 - 8 и п. 21 приведено в вариантах системы проводников 1.4, 1.5, 1.6 и 2.3, в которых имеются три измерительные части, и в вариантах 1.3, 2.2, где используются четыре измерительные части. Измерительные части характеризуются тем, что измерительные проводники каждой из измерительных частей соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом нет принципиальных ограничений в увеличении количества измерительных частей свыше четырех, в одной измерительной области. Следует отметить, что увеличение количества измерительных частей свыше восьми нерационально, т.к. увеличивается количество выводов.
Функциональный признак «система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат» заменяет конструктивные признаки системы измерительных проводников, приведенные в п. 2 формулы изобретения системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Такая замена допустима в связи с тем, что реализация функции, приведенной в признаке формулы изобретения, доказана.
Доказательство реализации назначения для системы проводников, содержащей четыре измерительных части измерительных проводников, приведено в описании варианта системы проводников под номером 1.1. На основе этого доказательства выведены формулы для определения координат геометрического центра двумерной области для вариантов системы 1.4, 1.5 и 1.6, которые соответствуют п. 6, п. 7 и п. 8 формулы изобретения, соответственно. Эти варианты системы имеют три измерительные части.
В формуле изобретения и в описании изобретения приведены дополнительные варианты системы проводников под п. 3.1 содержащие четыре измерительные части , характерной особенностью которых является то, что измерительные области групп измерительных проводников двух множеств пересекают друг друга с образованием совместных участков, при этом на каждом участке соответствующие части измерительных проводников выполнены с заданными соотношениями площадей частей, которые дополняют друг друга до образования постоянной площади.
Вариант 3.1.1 системы проводников характеризуется наличием на совместных участках геометрических фигур измерительных проводников в форме треугольников. Система проводников по варианту показана на фиг. 41 и фиг. 42. Вариант системы проводников соответствует п. 24 формулы изобретения. Вариант 3.1.2 системы проводников отличается тем, что геометрические фигуры измерительных проводников на совместных участках выполнены в виде половинок кругов. Вариант показан на фиг. 43 и фиг. 44. Вариант системы проводников соответствует п. 25 формулы изобретения.
Для вычисления координат геометрических центров двумерных областей для этих вариантов применимы формулы, выведенные для варианта системы проводников 1.1.
В качестве дополнительных вариантов реализации системы измерительных проводников в описании изобретения под п. 4 приведены варианты системы проводников содержащие системы измерительных проводников, которые содержат три измерительные части.
Под п. 4.1 описана система проводников, содержащая систему измерительных проводников из трех измерительных частей, характеризующаяся тем, что оси ординат систем координат измерительных частей расположены в виде трех лучевой звезды.
Вариант соответствует п. 26 и п. 27 формулы изобретения.
Математические выражения для вычисления координат геометрического центра двумерной области для этого варианта отличаются от математических выражений для систем проводников содержащих четыре измерительные части.
Аналогичные формулы использованы для варианта 4.3 системы проводников, который характеризуется тем, что геометрические фигуры измерительных проводников выполнены в форме трапеций, оси ординат систем координат измерительных частей измерительных проводников расположены в виде симметричной звезды, измерительные проводники выполнены и расположены таким образом, что при виде со стороны измерительной области не пересекают друг друга. Вариант соответствует и. 30 формулы изобретения.
Правильность математических выражений для вычисления координат геометрического центра двумерной области для каждого из основных вариантов системы проводников подтверждена методом графического моделирования. Результаты графического моделирования приведены в таблицах № 1, № 2, № 3, № 4 и в таблице № 5. Результаты графического моделирования подтвердили правильность приведенных в описании изобретения математических выражений для вычисления координат геометрического центра двумерной области.
Подробное доказательство реализации назначения системы проводников, содержащей четыре измерительные части в аналитическом виде, приведено в описании варианта системы проводников под номером 1.1. В этом варианте двумерная область образована на поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием плоского электропроводящего тела.
1.1 Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала
Приведенная в формуле изобретения по п. 2 система проводников позволяет использовать множество вариантов конструкции измерительных проводников. Общим для всех вариантов является то, что проводники измерительных частей выполнены в соответствии с существенными признаками изобретения, в виде условий. Эти условия могут быть записаны в виде математических зависимостей для формы, размеров и взаимного расположения геометрических фигур измерительных проводников. Поэтому, для доказательства реализации основного назначения для всех вариантов системы проводников достаточно рассмотреть математические зависимости, основанные на приведенных в формуле изобретения условиях для одного варианта с конкретной конструкцией проводников. Для доказательства реализации назначения выбран вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием электропроводящего тела.
Этот вариант включает в себя признаки, приведенные в пунктах п. 1, п. 2, п. 4, п. 5, п. 9 и п. 13 формулы изобретения. Пункт п. 4 характеризует конструкцию измерительных проводников в виде трапеций, пункт п. 5 - схему соединения проводников и подключения выводов, пункт п. 9 - конструкцию и расположение общего проводника, пункт п. 13 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины.
Система проводников показана на фиг.1 и фиг.2. Фигуры 3 и 4 предназначены для пояснения принципа действия. Для графической иллюстрации варианта системы проводников использованы измерительные проводники в форме трапеций, в соответствии с п. 4 формулы изобретения. Особенности варианта системы проводников по п. 4 формулы изобретения рассмотрены дополнительно, в варианте под номером 1.2.
Система проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет следующего. Измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем координатная сетка каждой системы координат расположена на практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области, ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников, при этом группы измерительных проводников расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных проводников первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества измерительные проводники первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные проводники второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные проводники групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных проводников первой измерительной части и суммарной ширины измерительных проводников второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных проводников первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных проводников в сечении. Измерительные проводники измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений проводников и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей измерительной области.
На фиг.1 и фиг.2 показаны основные элементы конструкции варианта системы проводников 101 для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Измерительные проводники расположены на диэлектрической подложке 102, которая выполнена в виде пластины с плоской поверхностью. Общий проводник 106 расположен на стороне диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными проводниками. Измерительные проводники 103 расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы и образуют систему измерительных проводников измерительной области. Для изоляции измерительных проводников предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных проводников 103. Система измерительных проводников измерительной области содержит два множества измерительных проводников. Измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг.2 измерительные проводники первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 112, второй измерительной части первого множества цифрой 113, первой измерительной части второго множества цифрой 114, второй измерительной части второго множества цифрой 115. Форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам, системах координат. На фиг.2 первому множеству соответствует система координат 116, второму множеству - 117. Причем ось ординат системы координат 116 измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат 117 системы координат измерительных проводников второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников. Одна из групп измерительных проводников первого множества обозначена цифрой 118. Группы измерительных проводников в границе измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, в границах соответствующих измерительных областей групп 125 и 126 измерительных проводников.
На фиг.3 и фиг.4 показана часть 121 системы измерительных проводников, для пояснения принципа действия в которой выделены две группы измерительных проводников 118 и 119, входящих в первое множество. Для удобства пояснения, группы измерительных проводников расположены в границах измерительной области 120, которая повернута таким образом, что ось ординат системы координат 116 расположена вертикально. Эта область не совпадает с измерительной областью 110, показанной на фиг.2. При этом измерительные проводники 112 и 113 вписаны в границу измерительной области 120. На фиг.3 показано тело 122 из электропроводящего материала, которое имеет плоскую поверхность соприкосновения с поверхностью измерительной области 120. Тело имеет емкостную связь С1 с общим проводником 106. На фиг.4 на поверхности измерительной области 120 показана двумерная область 123 соприкосновения, которая образована поверхностью соприкосновения тела. Цифрой 124 обозначена граница двумерной области соприкосновения 123. Измерительные проводники групп 118 и 119 расположены в границах соответствующих измерительных областей 137 и 138 групп измерительных проводников. Группы измерительных проводников состоят из измерительных проводников 112 и 113, входящих в первую и вторую измерительные части первого множества, соответственно. Размеры измерительных проводников, измерительных областей групп и электропроводящего тела показаны без соблюдения масштаба по ширине. Система измерительных проводников 121 реализует функцию определения геометрического центра двумерной области по одной оси.
Из состава системы измерительных проводников сначала рассмотрим отдельно взятую группу измерительных проводников, которая обозначена на фиг.4 номером 118. Отдельно взятая группа измерительных проводников реализует функцию определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси.
В каждой из групп измерительных проводников множества, измерительные проводники первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно. Измерительные проводники второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность измерительной области части 121 диэлектрической подложки помещают тело 122, которое на поверхности измерительной области 120 образует двумерную область 123 соприкосновения с поверхностью измерительной области 120 и пересекает измерительную область 137 группы измерительных проводников 118. Двумерная область 123 приведена без соблюдения пропорций в относительных размерах.
В двумерной области соприкосновения между электропроводящей поверхностью тела и проводниками измерительных частей, входящих в группу измерительных проводников, образуются конденсаторы. При этом электрическая емкость измерительных проводников 112 первой измерительной части может быть рассчитана как сумма двух составляющих. Первая составляющая образована емкостью конденсатора, обкладками которого являются измерительные проводники 112 первой измерительной части и поверхность общего проводника 106. Эта составляющая является «пассивной» составляющей электрической емкости измерительных проводников. Емкость соответствует электрической емкости измерительных проводников первой измерительной части в отсутствии тела. Емкость второй составляющей образована конденсатором, одной из обкладок которого является проводящая двумерная поверхность соприкосновения электропроводящего тела, образующая двумерную область соприкосновения, вторая обкладка образована проводниками первой измерительной части. Эта составляющая емкости обозначена как «избыточная емкость».
Полная емкость измерительных проводников первой измерительной части равна
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первой измерительной части;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первой измерительной части в отсутствии тела;
- площадь измерительных проводников первой измерительной части в области пересечения двумерной области соприкосновения с измерительной областью группы измерительных проводников;
- коэффициент пропорциональности между площадью и избыточной электрической емкостью измерительных проводников.
Для варианта системы проводников для определения координаты геометрического центра двумерной области с изолирующим проводники слоем диэлектрической подложки коэффициент 
равен
Где:
- диэлектрическая постоянная;
- толщина изолирующего измерительные проводники диэлектрического слоя в области соприкосновения;
- относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующего измерительные проводники слоя.
Аналогичную зависимость можно записать для емкости измерительных проводников 113 второй измерительной части
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников второй измерительной части;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников второй измерительной части в отсутствии тела.
- площадь измерительных проводников второй измерительной части в области пересечения двумерной области тела с измерительной областью.
Суммарная величина площади измерительных проводников первой измерительной части, ограниченная сверху и снизу двумя параллельными направлению оси абсцисс X отрезками линий 128 и 129, равна
Где:
- площадь ограниченной области измерительных проводников первой измерительной части;
- длина трапеций измерительных проводников;
- суммарная ширина больших оснований трапеций измерительных проводников первой измерительной части;
- суммарная ширина малых оснований трапеций измерительных проводников первой измерительной части;
Координата у определена как координата центра ограниченной области по оси Y, относительно начала системы координат по оси Y. Начало системы координат 127 совпадает с положением нижних оснований трапеций измерительных проводников по оси Y, как показано на фиг.4
Величина площади измерительных проводников второй измерительной части, ограниченная сверху и снизу теми же отрезками линий, равна
Где:
- площадь ограниченной области измерительных проводников второй измерительной части;
- суммарная ширина больших оснований трапеций измерительных проводников второй измерительной части;
- суммарная ширина малых оснований трапеций измерительных проводников второй измерительной части.
На основе условия формулы изобретения, согласно которому измерительные проводники первой и второй измерительных частей дополняют друг друга до образования постоянной ширины, можно записать равенство
Анализ выражений (4) и (6) с учетом выражения (7) показывает, что координата центра ограниченной области по оси Y может быть выражена через ограниченные площади измерительных проводников первой и второй измерительных частей
В связи с тем, что суммарная фигура, составленная из ограниченных площадей измерительных проводников первой и второй измерительных частей, имеет постоянную ширину вдоль оси X в функции расстояния вдоль оси Y и ограничена сверху и снизу по оси Y параллельными оси X отрезками линий 128 и 129, центр этой фигуры по оси Y совпадает с геометрическим центром ограниченной области.
Следовательно, для геометрического центра ограниченной области можно записать выражение
Где:
Отрезки линий 128 и 129 являются отрезками кусочно-постоянной аппроксимации верхнего и нижнего участков границы 124 двумерной области 123 соприкосновения.
Анализ показывает, что такая аппроксимация, вследствие неточного совпадения с верхним и нижним участками границы двумерной области соприкосновения, является источником погрешности в определении координаты геометрического центра. Погрешность аппроксимации зависит от суммарной ширины системы измерительных проводников группы и стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины по отношению к высоте измерительных проводников. При этом верхний и нижний участки границы двумерного тела приближаются к отрезкам кусочно-постоянной аппроксимации. В связи с чем, для системы измерительных проводников с относительно небольшой суммарной шириной, погрешностью аппроксимации можно пренебречь и записать следующие равенства
С учетом выражений (1), (3) и (12) площади измерительных проводников можно выразить в виде
Подставляя 
в выражение (9) получаем формулу для вычисления координаты геометрического центра по одной оси двумерной области в области пересечения измерительной области и двумерной области соприкосновения тела
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области тела по оси ординат в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- коэффициент, определяющий чувствительность системы проводников по оси ординат, зависящий от конструкции измерительных проводников;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат по оси ординат относительно измерительных проводников.
Для варианта системы проводников, в котором суммарные площади измерительных проводников первой и второй измерительных частей равны между собой, коэффициенты имеют следующие значения
В случае равенства площадей измерительных проводников первой и второй измерительных частей разность электрических емкостей 
равна нулю. Поэтому выражение (15) можно записать в виде
или
Коэффициент 
, определяющий начало координаты геометрического центра относительно измерительных проводников по оси ординат Y, в выражениях (4) и (6) задан относительно расположения оси абсцисс X системы координат 127 множества измерительных проводников, проходящей через линию нижних оснований трапеций (см. фиг.4). Выражения, аналогичные (4) и (6), могут быть записаны с началом системы координат по оси Y относительно верхних оснований трапеций или с заданным смещением от оснований трапеций. Такая запись не меняет вид формулы (15). Поэтому формула (15) отражает общий случай, когда выбрана система координат с произвольно заданным значением коэффициента 
.
На практике удобно принять коэффициент равным нулю. В этом случае ось абсцисс X проходит через сечение измерительных проводников, в котором суммарная ширина измерительных проводников первой измерительной части равна суммарной ширине измерительных проводников второй измерительной части. Эта система координат обозначена как «локальная система координат» множества измерительных проводников. Локальная система координат на фиг.4 обозначена номером 116.
Таким образом, реализация группой измерительных проводников функции определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси считается доказанной.
При выводе формулы (15) для вычисления координаты геометрического центра части двумерной области использована кусочно-постоянная аппроксимация верхней и нижней границы двумерной области. Кусочно-постоянная аппроксимация является источником погрешности в определении координат геометрического центра. Величина погрешности стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины участков кусочно-постоянной аппроксимации по оси абсцисс. На фиг.4 показаны отрезки линий 128 и 129 кусочно-постоянной аппроксимации соответствующие группе измерительных проводников 118, которые параллельны оси абсцисс и отрезки линий 131 и 132 соответствующие другой группе 119. Линии кусочно-постоянной аппроксимация заданы для измерительных областей 137 и 138 групп, внутри которых расположены измерительные проводники соответствующих групп. На фиг.4 видно, что с помощью двух участков аппроксимации, аппроксимация границы двумерной области может быть выполнена более точно, чем с использованием одного участка. В практической реализации количество используемых измерительных областей групп измерительных проводников ограничено только разрешающей способностью фотолитографического процесса нанесения измерительных проводников на диэлектрическую подложку и может достигать в измерительной области нескольких сотен. При этом ширина измерительной области группы измерительных проводников может составлять несколько десятков микрометров. За счет использования множества групп измерительных проводников обеспечивается размещение всей двумерной области соприкосновения внутри измерительной области. Дополнительно снижается погрешность кусочно-постоянной аппроксимации.
В соответствии с формулой изобретения измерительные проводники групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией 133 (фиг.4) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных проводников первой измерительной части и суммарной ширины измерительных проводников второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных проводников первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных проводников в сечении.
В связи с тем, что измерительные проводники расположены в границе измерительной области, которая не обязательно является прямоугольной, измерительные проводники групп, находящиеся вблизи границы измерительной области могут быть обрезаны по границе, при этом находящаяся с краю группа в сечении параллельной оси абсцисс линией будет иметь неполный состав измерительных проводников. В этом случае, для нахождения сумм и разностей суммарной ширины измерительных проводников измерительных частей групп, группы с неполным составом измерительных проводников в сечении использовать нельзя. В тоже время, неполную группу измерительных проводников можно условно дополнить частями, которые были обрезаны, до образования полной группы в сечении. Дополненные таким образом группы измерительных проводников считают полными группами и используют для характеристики измерительных проводников групп в данном признаке изобретения.
Рассмотренные признаки изобретения, по существу, ограничивают конструкцию измерительных проводников в группах и их взаимное расположение в рамках одного образа, в соответствии с которым для разных групп соответствующие коэффициенты a1 и a2 в формуле (15) равны между собой для всех групп. Это означает, что измерительные проводники всех групп имеют одинаковую чувствительность, и что начало системы координат по оси ординат для всех групп измерительных проводников множества совпадает.
В формуле изобретения для характеристики расположения групп измерительных проводников приведен признак: «группы измерительных проводников расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс». Термин «равномерные интервалы» означает, что промежутки между группами измерительных проводников могут быть не строго постоянными, но их непостоянство ограничено на некотором заданном интервале. При этом неточностью равномерного распределения на заданном интервале можно пренебречь.
Уточнение функции равномерного распределения приведено в зависимых пунктах п. 3 и п. 18 формулы изобретения в виде следующего признака изобретения «каждая группа измерительных проводников расположена в измерительной области в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.» Слово «практически» означает, что условие может быть неточным. При этом величина неточности связана с возникающими на практике погрешностями при определении координат геометрического центра двумерной области. Например, в случае расположения измерительных областей групп измерительных проводников на криволинейной поверхности, между границами измерительных областей групп измерительных проводников в отдельных местах могут существовать промежутки. Для плоской поверхности промежутки между границами измерительных областей групп отсутствуют.
В соответствие с признаками формулы изобретения суммарная ширина вдоль оси абсцисс в функции расстояния вдоль оси ординат для каждой группы измерительных проводников является постоянной величиной. Измерительные проводники всех групп в сечениях, параллельных оси абсцисс, имеют одинаковую ширину. Измерительные области каждой группы измерительных проводников имеют практически одинаковую ширину, которая также не изменяется вдоль оси абсцисс. Поэтому площадь пересечения измерительных проводников каждой группы с двумерной областью можно связать с площадью пересечения двумерной области с измерительной областью группы измерительных проводников, с введением коэффициента пропорциональности
где:
- площадь пересечения двумерной области с измерительной областью группы измерительных проводников;
- коэффициент пропорциональности;
- площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными проводниками первой и второй измерительных частей группы.
В связи с тем, что системы измерительных проводников каждой из групп имеют одинаковую чувствительность и расположены в измерительной области в одной системе координат, с учетом выражения (20), для геометрического центра двумерной области по оси ординат Y можно записать
Где:
- координата геометрического центра двумерной области по оси ординат Y;
- координата геометрического центра области пересечения двумерной области
соприкосновения 123 тела и измерительной области группы измерительных проводников с номером i, по оси ординат Y;
- площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными проводниками первой и второй измерительных частей группы, для группы измерительных проводников с номером i.
На основе выражения (21), путем замены 
правой частью выражения (21) с учетом выражений (9) и (12), для координаты геометрического центра двумерной области получаем
С учетом выражений для емкостей проводников (1) и (3)
Суммы емкостей измерительных проводников измерительных частей групп измерительных проводников равны соответствующим суммам емкостей измерительных проводников измерительных частей измерительной области. Поэтому справедливы следующие равенства
В результате подстановки этих сумм в выражение (23) получаем формулу для вычисления геометрического центра двумерной области, идентичную формуле (15).
В связи с этим, реализация функции определения координаты двумерной области по одной оси, с помощью двух измерительных частей множества измерительных проводников, считается доказанной.
В соответствии с формулой изобретения, измерительная область содержит два множества измерительных проводников. Измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества. Измерительные проводники измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных проводников и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах системы проводников.
В этом случае геометрический центр двумерной области находится на пересечении двух линий. Первая линия перпендикулярна оси ординат системы координат первого множества измерительных проводников и имеет измеренную с помощью первого множества измерительных проводников координату геометрического центра, вторая линия перпендикулярна оси ординат системы координат второго множества и имеет координату, равную измеренной величине координаты геометрического центра по оси ординат посредством второго множества измерительных проводников. Первая и вторая линии тождественны двум осям равновесия двумерной области, пересечение которых определяет расположение геометрического центра двумерной области. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей.
Таким образом, назначение системы проводников, заключающееся в определении координат геометрического центра двумерной области, образованной соприкосновением электропроводящего тела с поверхностью измерительной области системы проводников, считается доказанным.
Как показано в описании изобретения, использование различных вариантов выполнения диэлектрической подложки и общего проводника не меняет вид основных формул (15), (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области. Поэтому реализация назначения «определение координат геометрического центра двумерной области» распространяется на описанные в изобретении разновидности и их варианты.
В соответствии с изобретением, измерительные проводники измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных проводников и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах системы проводников. Система проводников допускает использование множества схем соединений проводников и подключений выводов. Варианты схем приведены в вариантах системы проводников. Координаты геометрического центра двумерной области связаны системой емкостей измерительных частей математическими зависимостями. Математические зависимости приведены в описании вариантов схем соединений проводников и подключений выводов.
В системе проводников, которая показана на фиг.1, для определения геометрического центра двумерной области используются две системы координат 116 и 117, соответствующих первому и второму множествам измерительных проводников. Системы координат являются зависимыми друг от друга, т.к. ось ординат системы координат 116 первого множества наклонена на заданный угол относительно оси ординат системы координат 117 второго множества. Эти системы можно преобразовать к одной системе координат, которая обозначена как система координат измерительной области. Перерасчет положений измерительных проводников и положения геометрического центра двумерной области из систем координат 116 и 117 отдельных множеств измерительных проводников в систему координат измерительной области выполняют по известным формулам. Соответственно, в системе координат измерительной области можно определить форму, размеры и расположение измерительных проводников.
Наиболее удобной для применения является система координат 135 измерительной области, в которой начало координат совпадает с точкой пересечения осей абсцисс 136 локальных систем координат 116 и 117 первого и второго множеств. Такая система координат системы проводников относится к «локальной системе координат измерительной области». При этом, в варианте, ось ординат системы координат, как показано на фиг.1, повернута таким образом, что эта ось совпадает с направлением одной из сторон диэлектрической подложки 102 в виде пластины.
Анализ показывает, что существуют системы измерительных проводников, в которых проводники двух множеств, а также их выводы могут быть расположены на одной поверхности. Варианты этих систем проводников приведены в пунктах формулы изобретения п. 4, п. 5, п. 6, п. 7 и п. 8. Варианты основаны на свойствах системы проводников, в которой измерительные проводники выполнены в форме трапеций. Для иллюстрации свойств на фиг.5 и фиг.6. показана группа 212 измерительных проводников в форме трапеций. Трапеции группы измерительных проводников 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол 
относительно оси ординат Y системы координат 216, как показано на фиг.5. В случае наклона трапеций путем сдвига верхних оснований вдоль оси абсцисс X их суммарная ширина, определенная вдоль оси абсцисс, и зависимость изменения суммарной ширины вдоль направления оси ординат Y для измерительных проводников 202 или 203 измерительных частей не изменяются. С наклоном трапеций не изменяется также площадь трапеций. Для множества наклоненных групп измерительных проводников не изменяется система координат множества измерительных проводников. Поэтому наклоненные проводники для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным проводникам. Измерительные проводники измерительных частей входящих в группу, как показано на фиг.6, могут быть вписаны в заданную измерительную область 214 группы измерительных проводников путем их обрезки на границе измерительной области и удлинения путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области группы. Также могут быть вписаны в заданную измерительную область измерительные проводники множества групп. При этом вписанные и удлиненные измерительные проводники в рамках заданной измерительной области соответствуют признакам изобретения. Обрезка и удлинение измерительных проводников не вносят изменения в признаки изобретения, не меняют систему координат множества измерительных проводников и величины коэффициентов в формуле (15), в связи с тем, что определение координаты геометрического центра ведется на основе избыточной электрической емкости измерительных проводников с использованием участков измерительных проводников только в области пересечения двумерной области с измерительной областью.
Эти свойства позволяют создать системы проводников, состоящие из двух или большего количества множеств измерительных проводников, в которых измерительные проводники множеств, при расположении на поверхности, не пересекают друг друга. При этом системы измерительных проводников соответствуют признакам п. 2 формулы изобретения.
Одна из таких систем измерительных проводников используется в варианте 1.2 системы проводников, описание которого приведено ниже.
1.2 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением измерительных проводников, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки
Вариант системы проводников соответствует п. 4 формулы изобретения. Сущность системы проводников рассмотрена на примере варианта системы проводников с четырьмя выводами от измерительных частей по п. 5 формулы изобретения. Конструкция системы проводников рассмотрена с учетом признаков вариантов по п. 9 и п. 13. Пункт п. 9 задает конструкцию и расположение общего проводника, пункт п. 13 - конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины. Вариант системы проводников показан на фиг.9. Для пояснения сущности использованы чертежи фиг.7 и фиг.8.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения. Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающаяся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных проводников, соединительных проводников и выводов на одной поверхности, измерительные проводники выполнены в форме трапеций. Для групп измерительных проводников 218 (см. фиг.7) входящих в первое множество находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол 
по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп измерительных проводников 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол 
по отношению к оси ординат системы координат 217 второго множества, не равный первому углу 
. Группы измерительных проводников (см. фиг.8) первого и второго множеств расположены в границе измерительной области 110 с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Проводники измерительных частей (см. фиг.8 и фиг.9) выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур измерительных проводников, которые выступают за пределы измерительной области 110, обрезаны по границе измерительной области. Геометрические фигуры измерительных проводников, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области, измерительные проводники расположены таким образом, что точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных проводников совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.
Конструктивно измерительные проводники расположены на поверхности одного слоя диэлектрической подложки, которая имеет плоскую поверхность и выполнена в виде диэлектрической пластины.
Дополнительно на фиг.7 показаны измерительные области 214 и 215 для групп измерительных проводников. Измерительные области групп 214 и 215 составляют измерительную область 110, как показано на фиг.9.
Реализация назначения для варианта системы проводников обеспечивается тем, что для каждого множества измерительных проводников, находящиеся с краю групп измерительных проводников боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс, выполнены с наклоном на заданные углы, которые не равны друг другу. При этом, при совмещении множеств измерительных проводников, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой. Поэтому ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества измерительных проводников, что соответствует существенному признаку пункта п. 2 формулы изобретения.
В варианте изобретения измерительные проводники расположены на поверхности одного слоя диэлектрической подложки 102, которая имеет плоскую поверхность и выполнена в виде диэлектрической пластины. В связи с тем, что группы измерительных проводников первого множества и группы измерительных проводников второго множества расположены в границе измерительной области с чередованием и не пересекают друг друга, измерительные проводники групп могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки. Как показано на фиг.9, 11, 14, 17, 29 и фиг.31 в вариантах изобретения, выполнение системы проводников в соответствии с признаками изобретения этих вариантов, позволяет расположить измерительные проводники, соединительные проводники и выводы на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.
Расположение измерительных проводников и соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки позволяет увеличить точность системы проводников и уменьшить стоимость устройства, в котором используется система проводников. Повышение точности связано с тем, что в этом случае нет необходимости в совмещении измерительных проводников, расположенных на разных поверхностях слоев диэлектрической подложки, в результате может быть уменьшена ширина групп измерительных проводников и уменьшена погрешность кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Уменьшение стоимости связано с упрощением технологического процесса изготовления, при котором необходимо наносить проводники только на одну поверхность слоя диэлектрической подложки.
В варианте изобретения измерительные проводники расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных проводников совпадает с геометрическим центром измерительной области. Расположение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств в геометрическом центре измерительной области, по существу, означает равенство площадей измерительных проводников измерительных частей для каждого соответствующего множества. В результате увеличивается стабильность и помехоустойчивость системы проводников.
В случае использования локальной системы координат измерительной области признак изобретения «точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных проводников совпадает с геометрическим центром измерительной области» может быть заменен признаком «начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области».
1.3 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей
Вариант системы проводников соответствует п. 5 формулы изобретения. В этом варианте в дополнение к признакам системы проводников по п. 2 конкретизирована схема соединений измерительных проводников и подключений выводов. Особенности схемы соединений по варианту показаны на фиг.9.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Система проводников, отличающаяся тем, что в схеме соединений проводников и подключений выводов, измерительные проводники первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные проводники образуют систему измерительных проводников, состоящую из четырех измерительных частей.
В варианте с наличием общего проводника, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего проводника.
Величины координат геометрического центра двумерной области связаны с системой величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах системы проводников следующими зависимостями.
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- коэффициент, определяющий чувствительность системы проводников по оси ординат Y1 системы координат первого множества;
- коэффициент, определяющий чувствительность системы проводников по оси ординат Y2 системы координат второго множества;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат первого множества относительно измерительных проводников по оси ординат Y1;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат второго множества относительно измерительных проводников по оси ординат Y2;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первой измерительной части первого множества;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников второй измерительной части первого множества;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первой измерительной части второго множества;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников второй измерительной части второго множества;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела.
Величины 
находят в процессе калибровки системы проводников, сохраняют в блоке памяти микроконтроллера и, при необходимости, считывают. Эти величины соответствуют измеренным значениям электрических емкостей 
в условиях отсутствия тела, для которого определяют геометрический центр двумерной области.
Каждая из зависимостей (25) и (26) аналогична зависимости (15) для одного из двух множеств измерительных проводников. Отличия касаются только обозначений емкостей измерительных частей и обозначений систем координат, с привязкой к множествам.
Анализ показывает, что при определении координат геометрического центра двумерной области одна из четырех измерительных частей является зависимой от других измерительных частей. Для реализации назначения достаточно использования трех измерительных частей. При этом система измерительных проводников из трех независимых измерительных частей может быть получена с использованием системы измерительных проводников состоящей из четырех измерительных частей путем использования схемы соединений измерительных проводников и подключений выводов, без изменения конструкции измерительных проводников этих частей. При этом образуется система измерительных проводников измерительной области, состоящая из трех измерительных частей, в которой в каждой измерительной части измерительные проводники соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
Особенностью вариантов этой схемы является то, что система измерительных проводников имеет три вывода. Схемы соединений измерительных проводников и подключений выводов приведены в вариантах 1.4, 1.5 и 1.6. В описании вариантов доказана реализация назначения системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, для системы измерительных проводников имеющей три измерительные части. При этом система измерительных проводников измерительной области имеет три вывода.
1.4 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и соединением измерительных проводников одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных проводников
Вариант системы проводников соответствует п. 6 формулы изобретения. Для этого варианта расположение измерительных проводников первого и второго множеств в отдельности, аналогично варианту, показанному на фиг.7. На фиг.10 приведены измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп измерительных проводников, как они расположены в измерительной области. На фиг.11 показаны измерительные проводники с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений проводников и подключений выводов. Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области отличающаяся тем, что в схеме соединений проводников и подключений выводов измерительные проводники одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с проводниками разноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные проводники образуют систему измерительных проводников, состоящую из трех измерительных частей.
В случае наличия общего проводника, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего проводника.
В рассматриваемом варианте системы проводников для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом емкости измерительных проводников измерительных частей, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных измерительных проводников и емкостей измерительных проводников, которые не соединены. Эта возможность связана с тем, что трапеции первой и второй измерительных частей любой группы измерительных проводников дополняют друг друга до образования постоянной ширины, величина которой известна, при этом величину воздействия тела, для которого определяют геометрический центр, на две ближайшие группы измерительных проводников принимают условно одинаковой. Погрешность, связанная с этим допущением, относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области тела.
Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости измерительных проводников 
. При этом, для вычисления значений этих емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников соединенных измерительных частей;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первого и второго множеств измерительных проводников. Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины 
определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти микроконтроллера, а при вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (27) и (28) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
1.5 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и соединением измерительных проводников одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных проводников
Вариант системы проводников соответствует п. 7 формулы изобретения. На фиг.12 показаны форма и расположение измерительных проводников первого и второго множеств в отдельности. На фиг.13 показаны эти же измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области. На фиг.14 показаны измерительные проводники с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающаяся тем, что в схеме соединений проводников и подключений выводов измерительные проводники одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с проводниками одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные проводники образуют систему измерительных проводников, состоящую из трех измерительных частей.
В случае наличия общего проводника, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего проводника.
В рассматриваемом варианте системы проводников для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом величины электрических емкостей измерительных проводников, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных измерительных проводников и емкостей измерительных проводников, которые не соединены. Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости измерительных проводников 
. При этом, для вычисления значений емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников соединенных измерительных частей;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первого и второго множеств измерительных проводников.
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины 
определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти. При вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера.
Вычисление величин электрических емкостей по формулам (29) и (30) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
1.6 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и отключением одной из измерительных частей одного из множеств измерительных проводников
Вариант системы проводников соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг.15 показаны форма и расположение измерительных проводников первого и второго множеств в отдельности. На фиг.16 показаны эти же измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области. На фиг.17 показаны измерительные проводники с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области отличающаяся тем, что в схеме соединений проводников и подключений выводов измерительные проводники любых трех измерительных частей первого и второго множеств для каждой измерительной части по отдельности соединены между собой и подключены к соответствующим выводам измерительных частей. При этом измерительные проводники образуют систему измерительных проводников, состоящую из трех измерительных частей.
В случае наличия общего проводника, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего проводника.
В рассматриваемом варианте системы проводников не подключены измерительные проводники одной из измерительных частей одного множества, например, второй измерительной части второго множества, значение электрической емкости измерительных проводников 
неизвестно. Поэтому непосредственно использовать выражение (26) нельзя. В тоже время, значение электрической емкости измерительных проводников 
может быть вычислено исходя из значений электрических емкостей измерительных проводников других измерительных частей
Необходимую для вычисления по формулам (26) величину 
определяют в процессе калибровки и записывают в блок памяти. При вычислении координат геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление электрической емкости исключенной измерительной части по формуле (31) осуществляется процессором микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
Варианты 1.4, 1.5 и 1.6 системы проводников обладают теми же положительными свойствами, что и вариант 1.3. Дополнительное положительное свойство вариантов -сокращение выводов до трех, что позволяет упростить схему соединений и уменьшить расстояние между измерительными областями в случае использования в системе проводников множества измерительных областей, что снижает погрешность определения геометрического центра.
На фиг.18 показана схема микроконтроллера и схема подключений выводов системы проводников к микроконтроллеру.
Микроконтроллер предназначен для преобразования координат геометрического центра двумерной области, которые выражены на выводах измерительных частей системы проводников, в виде цифрового кода. Конструктивно микроконтроллер может входить в состав устройства, в котором использована система проводников.
Микроконтроллер 260 содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 266 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 269 и процессор 267. Причем выводы измерительных частей системы проводников подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод 211 общего проводника подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы 268 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 266 поступают на вход процессора 267 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (25) и (26), а также формирует выходные сигналы 270 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
Схема микроконтроллера, показанная на фиг.18, применима к вариантам 1.4, 1.5 и 1.6. Отличия связаны с тем, что схемы подключения выводов системы проводников для вариантов 1.4, 1.5 и 1.6 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей. Поэтому к аналого-цифровому преобразователю подключены три вывода.
1.7 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала
Система проводников по варианту включает в себя признаки изобретения, приведенные в пунктах п. 1, п. 2, п. 4, п. 9, п. 10 и п. 13 формулы изобретения. Пункты п. 2 и п. 4 задают конструкцию измерительных проводников. Пункт п. 9 и п. 10 характеризуют конструкцию и расположение общего проводника, пункт п. 13 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью.
Особенности варианта системы проводников показаны на фиг.19. На фиг.20 дополнительно показано твердое плоское тело 305 из однородного диэлектрического материала и схема соединений общего проводника для пояснения принципа действия с обозначением вывода 211 общего проводника.
В варианте вместе с системой проводников 302 для определения координат геометрического центра двумерной области используют диэлектрическую подложку 102, выполненную в форме пластины, с расположенными на поверхности стороны диэлектрической подложки 102 измерительными проводниками 103. Общий проводник 106 содержит две части. Первая часть 303 общего проводника расположена со стороны диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными проводниками, причем общий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными проводниками 103. Вторая часть 304 общего проводника, расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными проводниками, причем часть общего проводника имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными проводниками.
Принцип действия системы проводников заключается в следующем.
Для определения геометрического центра двумерной области размещают на поверхности измерительной области плоское тело из однородного диэлектрического материала между измерительными проводниками и частью общего проводника 304. В этом случае в области пересечения двумерной области соприкосновения тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными проводниками 103 измерительных частей и частью общего проводника 304.
Для емкостей измерительных проводников измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Значение коэффициента K1 при этом равно
Где:
- диэлектрическая постоянная;
- ширина воздушного зазора между частью общего проводника и поверхностью плоского тела;
- толщина плоского тела;
- относительная диэлектрическая проницаемость материала плоского тела;
- относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
Т.к. коэффициент Ki в формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области сокращается, характер зависимости (32) не влияет на реализацию назначения системы проводников.
В остальном, описание принципа действия системы проводников аналогично рассмотренному принципу действия варианта системы проводников для определения геометрического центра двумерной области тел из электропроводящего материала, обозначенного номером 1.1.
1.8 Вариант системы проводников, в котором система проводников дополнительно содержит общий проводник, поверхность которого расположена со стороны поверхности измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области
Вариант соответствует п. 9 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что система проводников дополнительно содержит общий проводник, причем общий проводник расположен со стороны поверхности измерительных проводников, которая противоположна поверхности измерительной области, общий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
Вариант показан на фиг.1 и фиг.2.
Измерительные проводники 103 имеют две поверхности. Одна поверхность, обращенная в сторону измерительной области 102, используется для определения координат геометрического центра двумерной области. Для того чтобы исключить влияние электрического поля на измерительные проводники с противоположной стороны поверхности измерительных проводников, в варианте изобретения предложено использовать общий проводник 106. Функция общего проводника заключается в выравнивании электрического поля, которое воздействует на измерительные проводники со стороны поверхности измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области. Для обеспечения выравнивания электрического поля необходимо, чтобы поверхность общего проводника была расположена с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников, на соответствующих участках. В этом случае электрическое поле со стороны общего проводника будет одинаково влиять на измерительные проводники и не внесет погрешности в определение геометрического центра. Дополнительно, общий проводник выполняет функцию экранирования измерительных проводников от помех.
Общий проводник может быть выполнен, например, в виде плоской пластины или в виде тонкого печатного проводника 106 (фиг.1).
Общий проводник в конструкции системы проводников может быть заменен на конструктивные элементы устройства, в которых используется система проводников, которые выполняют функцию общего проводника. В отдельных приложениях, где не требуется высокая точность, функции общего проводника может выполнять внешнее окружение системы проводников. Например, устройство, в котором используется система проводников, со стороны, противоположной стороне измерительной области, может быть установлено на относительно большом расстоянии от электропроводящих предметов, или, например, на кирпичной стене без металлической арматуры. В результате функция экранирования измерительных проводников и выравнивания электрического поля может не потребоваться.
1.9 Вариант системы проводников, в котором система проводников дополнительно содержит общий проводник, поверхность которого расположена со стороны измерительной области Вариант соответствует п. 10 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что система проводников дополнительно содержит общий проводник, причем общий проводник расположен со стороны поверхности измерительных проводников, которая обращена в сторону поверхности измерительной области, общий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
В варианте (фиг.19) дополнительная часть 304 общего проводника расположена со стороны измерительной области 110, которая образована на наружной поверхности диэлектрической подложки 102, причем часть общего проводника имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью измерительных проводников на соответствующих участках. В этом случае функция общего проводника дополняется функцией формирования однородного электрического поля в пространстве между измерительными проводниками 103 и частью общего проводника 304. Общий проводник может быть выполнен, например, в виде плоской пластины, а также в виде других конструкций.
Общий проводник такой конструкции используется в варианте 1.7 системы проводников для определения координат геометрического центра плоского тела из диэлектрического материала.
1.10 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с экранирующим проводником
Вариант соответствует п. 11 формулы изобретения.
Вариант характеризуется тем, что система проводников дополнительно содержит экранирующий проводник, причем экранирующий проводник расположен со стороны поверхности измерительных проводников, которая противоположна поверхности измерительной области, экранирующий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
Вариант системы проводников с экранирующим проводником показан на фиг.21 содержит плоскую диэлектрическую подложку 102 с изолирующим слоем 111, систему измерительных проводников 103, общий проводник 328, блок аналого-цифрового преобразователя 323 и экранирующий проводник 321. Экранирующий проводник выполнен в виде плоского проводника, расположенного со стороны измерительных проводников 103, которая противоположна стороне с измерительной областью 110, причем экранирующий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
Принцип действия экранирующего проводника следующий. В измерительной технике известен способ уменьшения «паразитной» емкости проводника измерительной цепи, за счет изоляции экранирующего проводника и его подключения к источнику возмущающего измерительную цепь напряжения. В этом случае потенциал на экранирующем проводнике синфазно изменяется с потенциалом в проводнике измерительной цепи, в результате уменьшается взаимная емкость. В данном случае, с помощью этого способа можно уменьшить пассивную емкость измерительных проводников. Для этой цели в систему проводников введен экранирующей проводник 321. Для измерения емкости измерительных частей измерительных проводников может быть использован аналого-цифровой преобразователь на основе измерения RC-параметров. При этом экранирующий проводник подключают к выводу источника возмущающего RC-цепь напряжения.
Экранирующий проводник, дополнительно реализует функцию экранирования проводников от помех со стороны блока электроники и выравнивания электрического поля. Возмущающее напряжение подается на проводник 321 по проводнику 324 от схемы аналого-цифрового преобразователя. Конструкция экранирующего проводника имеет множество вариантов.
1.11 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением измерительных проводников на гладкой поверхности диэлектрической подложки
Вариант системы проводников соответствует п. 12 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что измерительные проводники выполнены тонкими и расположены на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической подложки, причем поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе измерительной области.
В этом варианте поверхность каждого измерительного проводника принимает форму поверхности слоя диэлектрической подложки на соответствующем участке поверхности.
Для системы проводников, выполненной в соответствии с п. 1 формулы изобретения, практически гладкая поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе измерительной области. Поэтому каждый измерительный проводник имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области. Для системы проводников с использованием множества измерительных областей по п. 16 формулы изобретения практически гладкая поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе общей измерительной области.
Вариант конкретизирует конструкцию и расположение измерительных проводников.
Тонкими проводниками считаются проводники, толщина которых много меньше ширины или высоты проводников. Например, тонкими являются печатные проводники. Термин «гладкая поверхность» используется в математическом смысле - поверхность, которая образованна непрерывно дифференцируемой функцией в границах заданной области. Применительно к практике - гладкая поверхность это поверхность без резких изгибов, выступов и углублений.
1.12 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением измерительных проводников на плоской поверхности
Вариант системы проводников соответствует п. 13 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме плоской пластины, а измерительные проводники расположены на плоской поверхности слоя пластины выполненной из диэлектрического материала.
Этот вариант показан на фиг.1. Измерительные проводники 103 расположены на плоской поверхности слоя диэлектрической подложки 102 в границе измерительной области 110. Для изоляции проводников предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных проводников 103. Поверхность измерительной области 110 образована на наружной поверхности изолирующей пластины 110. Диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с плоской поверхностью.
1.13 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением измерительных проводников на гладкой изогнутой поверхности диэлектрической подложки, имеющей форму изогнутой пластины
Вариант системы проводников соответствует п. 14 формулы изобретения. Вариант отличается тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме частично или полностью изогнутой пластины, а измерительные проводники расположены на частично или полностью изогнутой поверхности слоя пластины выполненной из диэлектрического материала.
Вариант может найти применение для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, в котором двумерная область в области соприкосновения образуется за счет деформации электропроводящего тела. В этом случае двумерная область принимает форму изогнутой поверхности. При этом, для расположения измерительных проводников может быть выбрана как вогнутая, так и выпуклая цилиндрическая поверхность. На практике целесообразно использовать диэлектрическую подложку, которая выполнена в виде части полого цилиндра. Также, этот вариант можно использовать, когда необходимо сгибать диэлектрическую подложку по типу открытия или закрытия книжки или сворачивать ее в свиток.
Диэлектрическая подложка с цилиндрической поверхностью может быть получена путем изгибания подложки с плоской поверхностью по поверхности подложки с проводниками. Координатная сетка системы координат измерительной области подложки, оси координат которой связаны с поверхностью диэлектрической подложки, при таком изгибании поверхности не деформируется. Поэтому с изгибом поверхности подложки не изменяются геометрическая форма, размеры и расположение фигур измерительных проводников. Следовательно, не меняются признаки формулы изобретения, которые определяют форму, размеры и относительное расположение измерительных проводников.
В зависимостях (1) и (3) между электрической емкостью и площадью измерительных проводников использована формула для плоского конденсатора, с обкладками, имеющими плоскую поверхность. В случае использования подложки с цилиндрической поверхностью необходимо применять формулу для цилиндрического конденсатора. Общий вид зависимостей между емкостью и площадью измерительных проводников (1) и (3) не изменяется, при этом выражение для вычисления коэффициента
для варианта системы проводников для электропроводящих тел имеет вид
Где:
- диэлектрическая постоянная;
- относительная диэлектрическая проницаемость материала слоя диэлектрической подложки, изолирующего измерительные проводники;
- толщина изолирующего измерительные проводники диэлектрического слоя подложки;
- радиус цилиндрической поверхности, на которой расположены измерительные проводники диэлектрической подложки.
В конечных формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области коэффициент K1 сокращается, поэтому расположение измерительных проводников на цилиндрической поверхности не влияет на реализацию основного назначения системы проводников, в соответствующей области применения.
В связи с тем, что координатная сетка при изгибе не меняется в варианте системы проводников можно использовать любую поверхность, полученную путем изгиба.
1.14 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением системы измерительных проводников на гладкой криволинейной поверхности
Вариант соответствует п. 15 формулы изобретения.
Принцип действия варианта системы проводников пояснен на чертежах фиг.22, фиг.23, фиг.24 и фиг.25.
Сущность данного варианта изобретения заключается в том, что система измерительных проводников расположена на гладкой криволинейной поверхности, например, диэлектрической подложки, имеющей форму оболочки. При этом в соответствии с изобретением, группы измерительных проводников и измерительные области групп представляют собой полосы с относительно небольшой шириной, по отношению к их длине. Если эти полосы проходят по касательной к поверхности, то полосы практически не изгибаются в направлении ширины. Поэтому полосы с высокой степенью точности можно считать плоскими в направлении ширины. При этом изгиб полос в направлении длины не деформирует поверхность полос (см. вариант 1.13). Поэтому признаки изобретения, касающиеся конструкции групп измерительных проводников и измерительных областей групп, являются применимыми для данного варианта поверхности.
Практический интерес представляют варианты криволинейной поверхности, имеющие простые формы, например форму части поверхности сферы, которая имеет поверхность с постоянным радиусом кривизны.
На фиг.22 показана криволинейная поверхность измерительной области 326 в форме сферического квадрата. Цифрой 327 обозначена поверхность сегмента сферы. Поверхность сферы имеет радиус кривизны r. Центр радиуса поверхности сферического квадрата расположен в нулевой точке прямоугольной системы координат X, Y, Z. Часть границы сферического квадрата между точками 1 - 2 образована сечением сферы с плоскостью, которая проходит через ось Х и отклонена на заданный угол относительно оси Y. Часть границы между точками 3-4 образована той же плоскостью, но повернутой на противоположный угол относительно оси Z. Аналогичным образом, с помощью другой плоскости, проходящей через ось Y, определены границы сферического квадрата между точками 1 - 3 и 2 - 4. На фиг.22 также показана точка n, которая соответствует пересечению сферы и двух плоскостей, которые отклонены на углы ϕ1 и ϕ2 относительно оси Z.
На фиг.24 показана картографическая проекция сферического квадрата 326 на плоскость Х - Y. Особенностью этой проекции является то, что расстояния по осям X и Y не искажены. На фиг.23 также показана координатная сетка 328, полученная поворотами плоскостей на одинаковые фиксированные углы. Если ширина сферического квадрата составляет 
радиан, 6 сферических квадратов можно сшить, с образованием полного покрытия всей сферы.
Каждая линия показанной координатной сетки является геодезической линией на поверхности сферического квадрата. Геодезические линии являются аналогами прямых линий на криволинейной поверхности. Проходящие вдоль геодезической линии полосы измерительных областей групп измерительных проводников являются касательными к поверхности. Ввиду относительно малой ширины полос, измерительные области групп практически не деформированы искривлением поверхности сферы в направлении ширины, и эти полосы можно считать плоскими, с изогнутой в направлении длины поверхностью, как в варианте 1.13 системы проводников. На фиг.23 показана одна из множества измерительных областей 329 групп измерительных проводников, которая проходит вдоль геодезической линии а - в.
Расстояния между линиями координатной сетки в углах сферического квадрата немного уменьшаются с приближением к углам, что создает погрешность в определении геометрического центра. Эта погрешность относится к погрешности аппроксимации криволинейной поверхности плоскими фигурами. Погрешность аппроксимации можно существенно уменьшить, уменьшая размер измерительной области. Например, квадрат 326 можно разбить на четыре равных сферических квадрата 330, как показано на фиг.24. Такая разбивка получается поворотом осей системы координат для каждого сферического квадрата на соответствующий угол и уменьшения размера квадрата. Каждый сферический квадрат в данном изобретении рассматривается как одна измерительная область из числа множества измерительных областей, границы которых расположены практически без промежутков друг к другу. Для каждой измерительной области 330 определена соответствующая локальная система координат 331, которая, в данном случае, совпадает с системой координат сферического квадрата. Система проводников для определения геометрического центра двумерной области, как показано в описании изобретения, способна определить геометрический центр двумерной области на основе данных измерений координат геометрических центров во множестве измерительных областей, составляющих систему.
На фиг.25 показана разбивка измерительной области 326 на полоски, которые обладают относительно небольшой величиной деформации поверхности (напоминающие полоски кожи, из которых сшит волейбольный мяч). На фиг.25 показана измерительная область 332 системы проводников в виде полоски, локальная система координат 333 измерительной области и измерительная область 334 группы измерительных проводников. На практике, поверхность любой формы можно аппроксимировать с использованием множества фигур разных форм и размеров. Для аппроксимации поверхности в дополнение к квадратам используют треугольники, шестиугольники и другие фигуры в разных комбинациях, которые располагают на поверхности в виде мозаики. На отдельных участках поверхности с высокой степенью кривизны, с целью уменьшения погрешности аппроксимации, можно использовать фигуры для измерительных областей с относительно небольшими размерами. При этом погрешность определения геометрического центра двумерной области с криволинейной поверхностью можно уменьшить практически до любой заданной величины.
Таким образом, реализация назначения варианта системы проводников с расположением измерительных проводников на криволинейной поверхности, считается доказанной.
1.15 Особенности принципа действия системы проводников для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области
Анализ конструкции системы проводников показывает, что система измерительных проводников в общем случае реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Определение координат геометрического центра двумерной области с помощью прикосновения является частным случаем общего способа определения координат геометрического центра двумерной области при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области.
Как показано на фиг.26 и фиг.27, в случае приближения электропроводящего тела 337 (электропроводящего шара) к поверхности измерительной области 110 на поверхности измерительной области образуется двумерная область 338 приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. Двумерная область 338 приближения образуется в области сгущения силовых линий 336 электрического поля, которые распространяются между поверхностью общей измерительной области с измерительными проводниками и шаром. Максимальное сгущение силовых линий формируется в местах двумерной области, которые приближены на минимальное расстояние к поверхности тела. На фиг.26 и фиг.27 дополнительно показаны изолинии 339 одинаковой напряженности электрического поля 336 и геометрический центр 341 двумерной области. Нормаль от геометрического центра двумерной области при соприкосновении с поверхностью электропроводящего тела 337 образует точку, которая приблизительно соответствует геометрическому центру части двумерной поверхности тела, обращенной в сторону поверхности измерительной области.
Для математических выкладок поверхность измерительной области условно разобьем на множество квадратных участков 340 одинаковой площади. Величину площади каждого участка выберем такой величины малости, чтобы с заданной точностью можно принять веса точек в границах участка одинаковыми по всей поверхности участка. При этом веса участков пропорциональны электрической емкости соответствующих участков измерительных проводников измерительной области. В области сгущений силовых линий, где поверхность шара приближена на минимальное расстояние, избыточная электрическая емкость участков и их веса являются максимальными. Поэтому эта часть двумерной области приближения является доминирующей для нахождения координат геометрического центра. С другой стороны, в частях двумерной области, которые удалены от поверхности шара, избыточная емкость участков снижается, соответственно снижаются веса этих участков. Поэтому эти части не оказывают большого влияния на координаты геометрического центра и ими можно пренебречь. В связи с этим можно условно ограничить двумерную область приближения.
В данном варианте изобретения, используется величина, которая является обратной величиной расстояния и условно обозначена как приближение. Эта величина увеличивается в случае приближения. Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к участкам поверхности измерительной области с проводниками введем для участков поверхности весовые коэффициенты.
Где:
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к участку поверхности двумерной области;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью участка и площадью измерительных проводников участка двумерной области с номером 
- коэффициент пропорциональности между средней электрической емкостью участков и средней площадью участков двумерной области.
Где:
- величина избыточной электрической емкости измерительных проводников участка двумерной области с номером 
;
- площадь измерительных проводников участка двумерной области с номером 
;
- среднеарифметическая величина избыточной электрической емкости проводников участков двумерной области;
- среднеарифметическая величина площади измерительных проводников участков двумерной области;
- обратная величина расстояния между участком двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;
- средняя величина обратной величины расстояния между участками поверхности двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;
- диэлектрическая постоянная;
- относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y1 и Y2 с введение весовых коэффициентов справедливы следующие выражения
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат 
системы координат первого множества измерительных проводников в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат 
участка двумерной области под номером
;
- сумма избыточных емкостей измерительных проводников первой и второй измерительных частей первого множества проводников для участка с номером 
;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y2 участка двумерной области под номером i;
- сумма избыточных емкостей измерительных проводников первой и второй измерительных частей второго множества измерительных проводников для участка с номером 
.
В правых частях выражений (37) и (38) площади измерительных проводников участков 
сокращаются, сумма средних величин 
по всей двумерной области заменена на равную этой сумме величину избыточной емкости суммы измерительных проводников первой и второй измерительной части соответствующего множества измерительных проводников, величина емкости участка 
заменена на сумму избыточных емкостей измерительных проводников первой и второй измерительных частей соответствующего множества, в границах соответствующего участка с номером 
.
После подстановки правых частей выражений (25) и (26) для координат геометрического центра для участка двумерной области под номером 
взамен 
и 
в соответствующие выражения (37) и (38) получим выражения для вычисления координат геометрического центра всей двумерной области, идентичные выражениям (25) и (26). В связи с чем, введение весовых коэффициентов не меняет вид формул (25) и (26) для вычислений координат геометрического центра. Выражения (25) и (26) используются для вычисления координат геометрических центров двумерной области для всех систем проводников в рамках данного изобретения. Поэтому, в случае введения весовых коэффициентов 
для вычисления координат геометрического центра двумерной области, вид формул для вычисления координат геометрических центров для всех вариантов системы проводников не меняется. В связи с этим, система проводников в общем случае выполняет функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области, которые приблизительно пропорциональны относительной величине приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. При этом весовые коэффициенты имеют величину больше единицы в границе двумерной области, которая в наибольшей степени приближена к поверхности электропроводящего тела и меньше единицы в части двумерной области с наименьшим приближением. В случае если для всех участков двумерной области соблюдается равенство 
весовой коэффициент равен 1.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области имеет следующие положительные свойства.
Система проводников имеет относительно высокое быстродействие. Высокое быстродействие связано с тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области реализуется непосредственно системой измерительных проводников, которые одновременно являются датчиками и аналоговым вычислительным устройством. При этом система измерительных проводников реализует основной объем вычислений координат геометрического центра двумерной области.
Система проводников имеет относительно высокую точность определения координат геометрического центра двумерной области. Высокая точность связана с тем, что при определении координат геометрического центра двумерной области используется множество точек на поверхности измерительной области, параметры электрического поля в которых непосредственно учитываются системой измерительных проводников. Точность измерения координат геометрического центра ограничивается только точностью изготовления измерительных проводников, которая с использованием современной технологии фотолитографического нанесения проводников может быть высокой.
Система проводников обладает высокой помехоустойчивостью. Высокая помехоустойчивость объясняется тем, что координаты геометрического центра двумерной области вычисляют с помощью функции, в которой координата геометрического центра выражена как разность емкостей измерительных частей в виде относительной величины. В результате чего, в значительной степени компенсируются мультипликативная и аддитивная составляющие помехи, действующей на проводники.
Система измерительных проводников измерительной области может быть расположена на гладкой поверхности практически любой формы - на плоской, изогнутой или криволинейной поверхности. Что существенно расширяет область применения системы проводников.
Функция определения координат геометрического центра двумерной области реализуется с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области. Весовые коэффициенты позволяют учесть рельеф поверхности тела, которое приближено к поверхности измерительной области. В результате, система проводников может использоваться для бесконтактного ввода координат места приближения тела к поверхности измерительной области посредством измерения координат геометрического центра двумерной области приближения тела.
Система проводников обладает относительно высокой чувствительностью. Высокая чувствительность связана с тем, что электрическое поле измерительных проводников направлено на объект, для которого определяют геометрический центр двумерной области.
Использование системы проводников позволяет снизить стоимость устройства, в котором она используется. Снижение стоимости объясняется тем, что система измерительных проводников может быть размещена на одной поверхности слоя, например, диэлектрической подложки. Что значительно удешевляет технологический процесс изготовления.
Система измерительных проводников позволяет использовать измерительные области любой формы и размеров и объединять эти области по принципу объединения элементов мозаики. Такое объединение позволяет реализовать функцию определения геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей или определить координаты геометрического центра нескольких двумерных областей по отдельности. При этом такое объединение с математической точки зрения является очень естественным и опирается на определение геометрического центра как точки, которая является средним арифметическим положений всех точек фигуры.
2. СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ДВУМЕРНОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОЖЕСТВА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей соответствует п. 16 формулы изобретения. Варианты конструкции системы проводников показаны на фиг. 28-31. Назначение системы проводников заключается в определении координат геометрического центра двумерной области и в обеспечении возможности определения геометрических центров нескольких двумерных областей.
В независимом пункте формулы признаки изобретения приведены в обобщенном виде. Система проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащая множество измерительных областей с измерительными проводниками. Причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, измерительные проводники расположены в границах соответствующих измерительных областей, каждый измерительный проводник имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе общей измерительной области. Измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных проводников каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников.
Функциональный признак «система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат» заменяет конструктивные признаки системы измерительных проводников для измерительной области, приведенные в п. 2 или п. 17 формулы изобретения для системы проводников.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличается от системы проводников для определения координат геометрического центра с использованием одной измерительной области тем, что в этой системе использовано множество измерительных областей с измерительными проводниками. Формула изобретения по п. 16 и п. 17 для каждой из измерительных областей включает в себя соответствующие признаки для одной измерительной области, которые приведены в п. 1 и п. 2 формулы изобретения, соответственно. Принцип действия и доказательство реализации назначения системы проводников измерительной области описаны в варианте 1.1 системы проводников для одной измерительной области. Для системы проводников с использованием множества измерительных областей применимы варианты системы проводников по пп. 4-15 формулы изобретения, которые описаны под номерами 1.2 - 1.14 в вариантах системы проводников для одной измерительной области.
Описание разновидности системы проводников для множества измерительных областей касается, в основном, особенностей конструкции системы проводников, а также математических выкладок для сопряжения измерительных областей между собой. Принцип действия системы проводников с использованием множества измерительных областей описан для варианта под номером 2.2 с измерительными областями в виде прямоугольников.
Дополнительно описан вариант системы проводников с измерительными областями в форме шестиугольников.
Количество вариантов системы проводников описанными вариантами не ограничивается.
2.1 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Вариант соответствует п. 17 формулы изобретения.
Система проводников имеет следующие признаки изобретения.
Система проводников, отличающаяся тем, что в каждой измерительной области функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат реализуется за счет следующего. Измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем координатная сетка каждой системы координат расположена на практически гладкой поверхности заданной в границе общей измерительной области, ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников, при этом группы измерительных проводников расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных проводников первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества измерительные проводники первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные проводники второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные проводники групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных проводников первой измерительной части и суммарной ширины измерительных проводников второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных проводников первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных проводников в сечении. Измерительные проводники измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений проводников и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей измерительной области.
В соответствии с изобретением отдельные измерительные области могут быть произвольной формы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга, например, на поверхности диэлектрической подложки в границе общей измерительной области. Такое расположение напоминает расположение измерительных областей в виде элементов мозаики. Заданные промежутки между измерительными областями необходимы для размещения соединительных проводников. С промежутками связана погрешность в определении координат геометрического центра двумерной области, которая относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы измерительной области, поэтому ширину промежутков необходимо выбирать минимально возможной. Промежутки между измерительными областями могут иметь постоянную ширину, например, с целью повышения симметрии расположения измерительных областей.
Возможен вариант, в котором соединительные проводники и выводы размещены внутри измерительных областей групп измерительных проводников. В этом случае границы измерительных областей расположены с промежутками практически нулевой величины. Вариант соответствует п. 22 формулы изобретения. Расположенные в промежутках между измерительными областями групп измерительных проводников или в пространстве измерительных областей групп соединительные проводники также могут быть источником погрешности. Эту погрешность можно уменьшить различными методами. Например, путем размещения в промежутках дополнительных компенсационных проводников.
В п. 19 формулы изобретения приведены признаки изобретения варианта системы измерительных проводников, который характеризует схему соединений проводников и подключений выводов в измерительной области, состоящей из четырех измерительных частей, в которой измерительные проводники любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные проводники соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных проводников измерительной части. Данная система измерительных проводников получается с использованием вариантов схем соединений проводников и подключением выводов в соответствии с признаками п. 6, п. 7 и п. 8 формулы изобретения и описанными в вариантах 1.4, 1.5, 1.6 системы проводников.
2.2 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант системы проводников соответствует п. 20 формулы изобретения. Описание варианта учитывает признаки изобретения по п. 4, п. 5, п. 13 и п. 16 формулы изобретения. Пункт п. 4 характеризует конструкцию измерительных проводников в виде трапеций, пункт п. 5 - схему соединения проводников и подключения выводов, пункт п. 13 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины, п. 16 определяет взаимное расположение измерительных областей и измерительных проводников.
Система проводников показана на фиг.28 и фиг.29. На фиг.28 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг.29 приведена система измерительных проводников, схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Система проводников по п. 20, отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные проводники расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
Данный вариант системы проводников 401 содержит систему измерительных проводников с четырьмя выводами от измерительных частей измерительной области, описанная в варианте 1.3 раздела «сущность изобретения». В варианте системы проводников использована диэлектрическая подложка 402, на которой расположены множество измерительных областей 410 в форме геометрических фигур прямоугольников. Измерительные области расположены на диэлектрической подложке в форме пластины, с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404. Измерительные проводники расположены в границах соответствующих измерительных областей на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической пластины, которая задана в границе общей измерительной области.
В каждой измерительной области измерительные проводники расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. На фиг.29 локальные системы координат первого и второго множеств измерительных проводников обозначены цифрами 416 и 417, соответственно. Локальная система координат измерительной области обозначена цифрой 408.
Измерительные проводники и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений измерительных проводников может быть применена для любого количества измерительных проводников без пересечения проводников и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем. Выводы системы проводников каждой измерительной области на фиг.28 и фиг.29 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границы диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов системы проводников, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру устройства, в котором использована система проводников.
Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей проводников измерительных частей на выводах измерительных областей системы проводников.
Принцип действия системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей заключается в следующем.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность общей измерительной области помещают тело, которое образует с поверхностью двумерную область соприкосновения. Для каждой измерительной области на основе измерения емкостей измерительных частей измерительных проводников определяют геометрические центры в области пересечения двумерной области и измерительной области, в локальной для измерительной области системе координат. Затем, для вычисления координат геометрического центра двумерной области, координаты геометрических центров пересечения измерительных областей с двумерной областью переводят в общую систему координат общей измерительной области и вычисляют координаты геометрического центра двумерной области в этой системе координат, на основе следующих формул.
Где:
- величина координаты по оси Y геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;
- величина координаты по оси Y геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i в системе координат общей измерительной области;
- площадь измерительных проводников измерительной области с номером i, в той части, где измерительная область пересекается с двумерной областью тела;
- суммарная величина избыточной электрической емкости измерительных проводников измерительных частей измерительной области с номером i;
- величина координаты по оси X геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;
- величина координаты по оси X геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i.
Значение 
емкости суммарной величины избыточной электрической емкости измерительных проводников измерительных частей измерительной области с номером i связано с величиной площади 
пересечения измерительных проводников каждой измерительной области с двумерной областью тела выражением, аналогичным выражению (1) или (3)
Где:
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью и площадью измерительных проводников.
Для системы проводников измерительной области состоящей из четырех измерительных частей величина 
равна
Где:
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной частей первого множества соответственно, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной частей второго множества соответственно, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i.
Коэффициент пропорциональности 
между электрической емкостью и площадью измерительных проводников может быть найден по формуле (2) для плоской диэлектрической подложки, или по формуле (33) для диэлектрической подложки изогнутой в форме части цилиндра. При вычислении геометрического центра по формулам (39) и (40) этот коэффициент 
сокращается, поэтому использование вариантов диэлектрической подложки не оказывает влияния на реализацию назначения системы проводников. В связи с тем, что группы измерительных проводников, из которых состоит измерительная часть измерительной области, имеют постоянную ширину и содержат заданное количество однообразных измерительных групп измерительных проводников, расположенных в границах измерительных областей групп измерительных проводников, площадь измерительной области пропорциональна площади измерительных проводников измерительной области. В выражениях (39) и (40) коэффициент пропорциональности также сокращается. Поэтому, в формулах (39) и (40) использована площадь измерительных проводников измерительной области в области их пересечения с измерительной областью, взамен площади поверхности измерительной области в области пересечения измерительной области с двумерной областью.
Для определения геометрического центра одной двумерной области вычисление геометрического центра может осуществляться путем нахождения сумм в числителе и знаменателе в выражениях (39) и (40) по всем измерительным областям общей измерительной области. В тоже время, такое суммирование для небольшой двумерной области приводит к погрешности, обусловленной большой величиной пассивной емкости измерительных проводников.
Величину этой емкости можно уменьшить следующим способом. На основе информации о величинах 
суммарной избыточной емкости измерительных частей измерительных проводников измерительной области находят измерительные области с величиной избыточной емкости больше заданной пороговой величины. Эти измерительные области считают полностью или частично покрытыми двумерной областью тела. Из числа этих областей выделяют группу измерительных областей, связанных между собой границами. Затем, вычисляют координаты общего геометрического центра двумерной области для связанных измерительных областей по формулам (39), (40) с включением в суммы только измерительные области, которые входят в выделенную группу.
Для определения геометрических центров двумерных областей нескольких тел, тела размещают на поверхности общей измерительной области с промежутками. Ширину промежутков выбирают больше, чем максимальные размеры измерительных областей. В этом случае имеется возможность выделить несколько групп измерительных областей, которые покрывают двумерные области разных тел. Для этих групп измерительных областей, с использованием выражений (42), (43), определяют геометрические центры двумерных областей по отдельности. На основе координат геометрических центров отдельных измерительных областей каждой группы измерительных областей определяют координаты геометрического центра двумерной области.
Разделение множества измерительных областей на группы может быть выполнено путем нахождения границ групп измерительных областей по замкнутым цепочкам измерительных областей, окружающих группы измерительных областей, избыточная емкость которых ниже заданного порога.
Возможен алгоритм вычисления геометрических центров двумерных областей нескольких тел, имеющих двумерные области в форме кругов приблизительно одинаковых размеров, которые могут быть расположены на поверхности общей измерительной области без промежутков относительно друг друга. Этот алгоритм заключается в том, что с использованием информации о положении геометрических центров всех двумерных областей строят двумерный сплайн избыточной емкости по всей ч поверхности общей измерительной области, определяют точки максимумов, которые, в первом приближении, считают центрами двумерных областей. Затем, измерительные области, лежащие в лощинах сплайна, с учетом того, что форма двумерных областей тел, как и форма и расположение измерительных областей известны, условно разделяют на части, для которых по отдельности вычисляют геометрические центры. С учетом координат геометрических центров частей разделенных областей и площадей этих частей, находят геометрические центры двумерных областей.
На основании этого, реализация назначения системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, имеющего множество измерительных областей, считается доказанной.
2.3 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант системы проводников соответствует п. 21 формулы изобретения. На фиг.30 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг.31 приведена система измерительных проводников и схема соединений измерительных проводников и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.
Вариант имеет следующие признаки формулы изобретения.
Система проводников отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные проводники расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
Вариант 2.3 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов. В дополнение к этому, в варианте использована система измерительных проводников с тремя выводами от измерительных частей по варианту 1.4. Принцип действия варианта системы проводников аналогичен варианту 2.2.
В сравнении с вариантом 2.2, в этом варианте использована система измерительных проводников с тремя выводами от измерительных частей, в результате чего уменьшается количество выводов от измерительных областей, что позволяет уменьшить промежутки между измерительными областями, уменьшить количество проводников в шлейфах и количество каналов преобразования «емкость - цифровой код» в микроконтроллере устройства.
2.4. Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, расположенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов
Вариант системы проводников соответствует п. 23 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 32, 33, 34, 35, 36 и 37. На фиг. 32 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке.
На фиг. 33 и фиг. 34 показано расположение измерительных проводников измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений измерительных проводников, на основе четырех измерительных частей. На фиг. 35 и фиг. 36 показано расположение измерительных проводников измерительных областей строк и столбцов, с измерительными областями, имеющими три измерительные части. На фиг. 37 приведена схема подключения системы проводников к микроконтроллеру.
Вариант системы проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников по п. 17 отличающаяся тем, что измерительные области расположены на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки, причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки, а на другой поверхности диэлектрической подложке выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы, при этом в области пересечений измерительных областей строк и столбцов боковые стороны групп измерительных проводников измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что на виде на поверхность диэлектрической подложки не пересекают друг друга, причем в каждой измерительной области измерительные проводники расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей проводников измерительных частей на выводах измерительных областей строк и столбцов.
Группы проводников измерительных областей строк и столбцов расположены на разных поверхностях слоев с чередованием и не пересекают друг друга. В связи с чем, измерительные проводники измерительных областей на виде сверху на поверхность диэлектрической пластины не затеняют друг друга. Поэтому, измерительные области, расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины можно рассматривать как вариант системы измерительных областей системы проводников, описанный в варианте 1.3.
При определении координат двумерной области могут использоваться как измерительные области столбцов, так и измерительные области строк, взятые по отдельности. При этом, в случае определения геометрического центра с использованием измерительных областей строк и столбцов повышается точность определения геометрического центра до уровня точности, сопоставимого с точностью для варианта, 1.3, с не пересекающимися измерительными областями. Повышение точности связано с тем, что в локальной системе координат столбца или строки, вдоль направления ширины столбца или ширины строки, чувствительность преобразования может быть увеличена до величины, сопоставимой с чувствительностью отдельной, относительно небольшой по размерам измерительной области, а при вычислении координат геометрического центра может быть использована информация о положении геометрического центра по осям координат с наибольшей чувствительностью.
Возможность определения геометрических центров двумерных областей, как с использованием строк, так и столбцов расширяет степени свободы для раздельного определения геометрических центров двумерных областей, что увеличивает количество двумерных областей, для которых система измерительных проводников способна по отдельности определить геометрические центры. Например, в случае пересечения двух или более двумерных областей с измерительной областью одного столбца, система измерительных проводников этого столбца позволит определить только общий геометрический центр частей этих двумерный областей. В тоже время имеется возможность независимого определения геометрических центров этих областей по отдельности с использованием измерительных областей строк.
Система проводников содержит многослойную диэлектрическую пластину и множество расположенных на пластине измерительных областей 429 с измерительными проводниками. Измерительные проводники расположены на двух изолированных друга от друга поверхностях слоев диэлектрической пластины 402. Причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки 430, а на другой поверхности диэлектрической пластины выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы 431.
В данном варианте системы проводников для каждой измерительной области использована система измерительных проводников, описанная в вариантах 1.3, 1.4 и показанная на фиг.9 и 11. При этом в области пересечений измерительных областей строк 430 и столбцов 431 боковые стороны групп проводников измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что при их совмещении на перпендикулярном виде на поверхность диэлектрической пластины измерительные проводники не пересекают друг друга. Для размещения соединительных проводников, измерительные области расположены с промежутками, в которых проложены соединительные проводники. Начало локальной системы координат 435 каждой измерительной области строк и локальной системы координат 436 каждой измерительной области столбцов совпадает с геометрическим центром соответствующей измерительной области. Выводы 437 измерительных областей строк и выводы 438 измерительных областей столбцов показаны в виде групповых линий. Выводы измерительных областей образуют выводы системы проводников. При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг.37, где измерительная область диэлектрической пластины содержит матрицу из восьми измерительных областей строк и восьми столбцов.
На фиг.35 и фиг.36 показаны измерительные проводники для варианта системы проводников с тремя выводами от измерительных частей. На фиг.35 приведено расположение измерительных проводников измерительных областей строк, на фиг.36 показано расположение измерительных областей столбцов, со схемами соединений измерительных проводников и подключений выводов.
На фиг.37 показана схема подключения системы проводников 413 к микроконтроллеру 450. Микроконтроллер 450, содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 421 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 423 и процессор 427. Причем выводы измерительных областей 405 системы проводников подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. На фиг.37 выводы измерительных областей показаны в виде групповых линий и отдельных шлейфов от измерительных областей строк 452 и столбцов 451. Сигналы 425 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 421 поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров нескольких двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 440 микроконтроллера.
Для данного варианта системы проводников состоящей из множества измерительных областей возможно использование любого варианта системы проводников для одной измерительной области, который описан в данном изобретении.
В области пересечения измерительных областей строк и столбцов в данной системе проводников образуются общие участки, в которых содержится 8 или 6 измерительных частей строки и столбца. Эти участки можно рассматривать как отдельные измерительные области, каждая из которых содержит 8 или 6 измерительных частей, которые имеют свою локальную систему координат.
2.5 Особенности реализации назначения системы проводников для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области, с использованием множества измерительных областей
Для вычисления координат геометрического центра двумерной области приближения можно воспользоваться выражениями с введением весовых коэффициентов для каждой измерительной области, по аналогии с выражениями (34), (35), (36). Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области с измерительными проводниками введем для группы измерительных областей, которые составляют двумерную область приближения, следующие весовые коэффициенты.
Где:
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, для измерительной области с номером i;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью измерительных проводников измерительной области и площадью измерительной области под номером i;
- коэффициент пропорциональности между средней избыточной электрической емкостью измерительных проводников группы измерительных областей и средней площадью измерительных проводников группы измерительных областей.
Где:
- величина избыточной электрической емкости измерительных проводников двумерной области с номером i;
- площадь измерительных проводников измерительной области с номером
- среднеарифметическая величина избыточных электрических емкостей проводников группы измерительных областей;
- среднеарифметическая величина площадей измерительных проводников группы измерительных областей;
- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью двумерной измерительной области с номером i, входящей в группу измерительных областей, и поверхностью электропроводящего тела;
- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью группы измерительных областей и поверхностью электропроводящего тела;
- диэлектрическая постоянная;
- относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y и X воспользуемся следующими выражениями
Где:
- координата по оси Y геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области.
- координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области.
В результате подстановки весовых коэффициентов 
, определенных в соответствии с выражениями (43), (44) и (45), в правых частях выражений (46) и (47) площади 
сокращаются. При этом правые части выражений (46) и (47) и выражений (39) и (40), в которых координаты геометрического цента выражены через емкости измерительных проводников, получаются соответственно одинаковыми.
В отличие от выражений (39) и (40), предназначенных для случая вычисления координат геометрического центра двумерной области при прикосновении электропроводящего тела к поверхности измерительной области, в выражениях (46) и (47) используются полные площади измерительных областей, входящих в группу измерительных областей, которая образует двумерную область. При этом для каждой измерительной области введены весовые коэффициенты, которые учитывают соотношение между электрической емкостью и площадью измерительной области, как в случае приближения, так и в случае прикосновения электропроводящего тела с поверхностью измерительной области.
В связи с этим, система проводников с использованием множества измерительных областей реализует функцию определения координат геометрического центра одной или нескольких двумерных областей с учетом весовых коэффициентов, которые учитывают величину приближения участков поверхности электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области. В результате, система проводников обеспечивает реализацию функции определения координат одного или нескольких геометрических центров двумерных областей сформированных при прикосновениях и приближениях электропроводящих тел.
Система проводников с использованием множества измерительных областей имеет следующие преимущества в сравнении с системой проводников с одной измерительной областью.
Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с одной измерительной областью, в случае определения координат геометрического центра для относительно небольшой по размерам двумерной области имеет относительно большую погрешность определения координат. Погрешность связана с большой величиной пассивной электрической емкости измерительных проводников измерительной области, которая шунтирует избыточную емкость от тела. Дополнительно, применение распределенных по всей измерительной области измерительных проводников снижает чувствительность преобразования, т.к. для определения геометрического центра необходимо использовать общую для всей измерительной области систему координат. В связи с этим снижается температурная стабильность и точность определения координат геометрического центра. Этот недостаток в данной разновидности системы проводников практически исключен за счет разбиения одной большой измерительной области на множество измерительных областей. При этом для каждой двумерной области имеется возможность определить геометрический центр с использованием группы измерительных областей. В этом случае используются проводники с минимальной площадью, что уменьшает величину их пассивной емкости. В связи с тем, что для каждой измерительной области используется своя локальная система координат, в этих областях имеется возможность выполнить систему проводников с увеличенной чувствительностью преобразования. При этом высокая точность сохранятся при определении координат двумерной области с применением группы измерительных областей.
Применение множества измерительных областей существенно повышает точность определения координат геометрического центра двумерной области при расположении измерительных проводников на криволинейной поверхности, так как форма измерительных проводников измерительной области меньше подвержена искажению при разбиении криволинейной поверхности на множество измерительных областей и уменьшении их размера.
Использование множества измерительных областей позволяет учесть детали рельефа тела, которое приближено к поверхности общей измерительной области. Это связано с тем, что на основе измерения суммарной избыточной емкости измерительных проводников и координат геометрического центра в каждой измерительной области, имеется возможность построить сплайн поверхности, который аппроксимирует поверхность тела. Построенный на основе этих данных сплайн будет более точно отображать рельеф поверхности, в сравнении с использованием другого набора данных, так как опорные вершины сплайна расположены в геометрических центрах измерительных областей, координаты которых учитывают множество точек рельефа поверхности тела. В примере с сенсорной системой робота, это свойство системы измерительных проводников позволяет сенсорной системе робота, с помощью «пальцев» манипулятора, чувствовать рельеф поверхности предметов без прикосновения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 и фиг. 2 показана система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. На фиг. 1 приведен вид на диэлектрическую подложку сбоку. На фигуре показана конструкция диэлектрической подложки в форме плоской пластины, изолирующий слой, измерительные проводники и общий проводник. На фиг. 2 приведен вид спереди на диэлектрическую подложку со стороны измерительных проводников. Показаны форма и расположение измерительных проводников, расположение измерительной области, а также локальные системы координат множеств измерительных проводников и система координат измерительной области.
Фиг. 3 и фиг. 4 - чертежи для пояснения принципа действия для варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала. На фиг. 3 показана система проводников с расположенным на поверхности измерительной области электропроводящим телом.
На фиг. 4 приведен чертеж для пояснения математических выкладок, для доказательства реализации назначения системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области.
Фиг. 5 и фиг. 6 - чертежи конструкции измерительных проводников в виде наклоненных трапеций, с обрезкой и удлинением трапеций в границе заданной измерительной области, для пояснения конструкции измерительных проводников.
Фиг. 7 и фиг. 8 - чертежи к пояснению конструкции измерительных проводников для варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных проводников. На фиг. 7 показаны форма и расположение измерительных проводников первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены эти же измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп измерительных проводников, как они расположены в границе измерительной области.
Фиг. 9 - система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей со схемой соединения проводников и подключения выводов.
Фиг. 10 и фиг. 11 - чертежи к пояснению конструкции измерительных проводников для варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных проводников и соединением проводников одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных проводников. На фиг. 10 приведены измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в границе измерительной области. На фиг. 11 показаны измерительные проводники с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области и схема соединений измерительных проводников и подключений выводов.
Фиг. 12, фиг. 13 и фиг. 14 - чертежи к пояснению конструкции измерительных проводников для варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных проводников и соединением измерительных проводников одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных проводников. На фиг.12 показаны форма и расположение измерительных проводников первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп измерительных проводников, как они расположены в границе измерительной области. На фиг. 14 приведены измерительные проводники с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов.
Фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 - вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных проводников и отключением одной из измерительных частей одного из множеств измерительных проводников. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных проводников первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные проводники в совмещенном виде с чередованием групп измерительных проводников, как они расположены в границе измерительной области. На фиг. 17 приведены измерительные проводники с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений измерительных проводников и подключений выводов.
Фиг. 18 - на фигуре показан вариант системы проводников с микроконтроллером, предназначенным для формирования выходных сигналов координат геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода.
Фиг. 19 и фиг. 20 - вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для плоского тела из однородного диэлектрического материала. На фиг. 19 приведена конструкция диэлектрической подложки и общего проводника. На фиг. 20 дополнительно показано плоское тело из однородного диэлектрического материала, для пояснения принципа действия.
Фиг. 21 - вариант системы проводников с экранирующим проводником.
Фиг. 22, фиг. 23, фиг. 24 и фиг. 25 - на фигурах показаны особенности измерительной области с криволинейной поверхностью, для пояснения принципа действия для варианта системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области на криволинейной поверхности в форме части поверхности сферы.
Фиг. 26 и фиг. 27 - фигуры предназначены для пояснения реализации назначения системы проводников для определения координат двумерной области, полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области. На фиг. 26 показана система проводников и электропроводяще тело, которое приближено к измерительной области, но не прикасается к этой поверхности. На фиг. 27 показана двумерная область, образованная приближением к измерительной области электропроводящего тела.
Фиг. 28 и фиг. 29 - вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме прямоугольников и четырьмя выводами от измерительной области. На фиг. 28 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 29 приведена система измерительных проводников и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Фиг. 30 и фиг. 31 - система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме шестиугольников и тремя выводами от измерительной области. На фиг. 30 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 31 приведена система измерительных проводников и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Чертежи, которые показаны на фиг.32, 33, 34, 35, 36 и 37, предназначены для пояснения конструкции системы проводников по варианту 2.4. Система проводников характеризуется тем, что для определения координат геометрического центра двумерной области, используется множество измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки, в виде строк и столбцов.
На фиг. 32 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке.
На фиг. 33 и фиг. 34 показано расположение измерительных проводников измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений измерительных проводников, на основе четырех измерительных частей.
На фиг. 35 и фиг. 36 показано расположение измерительных проводников измерительных областей строк и столбцов, с измерительными областями, имеющими три измерительные части.
На фиг. 37 приведена схема подключения системы проводников к микроконтроллеру.
Чертежи на фиг. 38...44 предназначены для пояснения конструкции системы измерительных проводников по вариант 3.1 Система измерительных проводников по варианту состоит из четырех измерительных частей. Характерной особенностью этой системы проводников является то, что измерительные области групп измерительных проводников двух множеств пересекают друг друга с образованием совместных участков, при этом на каждом участке соответствующие части измерительных проводников выполнены с заданными соотношениями площадей частей, которые дополняют друг друга до образования постоянной площади. Вариант рассмотрен на основе системы проводников с геометрическими фигурами измерительных проводников в форме треугольников. Вариант описан под п. 3.1.1.
На фиг. 38 приведена группа системы измерительных проводников в форме трапеций, которая принадлежит первому множеству, разделена на совместные участки и расположена вертикально. Дополнительно показана группа системы измерительных проводников принадлежащая второму множеству, которая расположена горизонтально.
На фиг. 39 измерительные проводники этих же групп взамен трапеций выполнены в виде геометрических фигур треугольников, соединенных между собой. Штриховой линией дополнительно показаны измерительные проводники групп в предыдущей форме в виде трапеций.
Чертеж на фиг. 40 предназначен для пояснения геометрических построений.
На фиг. 41 приведено изображение формы измерительных проводников групп двух множеств в виде строк и столбцов, с наложением вертикальных и горизонтальных проводников.
На фиг. 42 дополнительно показана локальная система координат измерительной области и схема соединений и подключений измерительных проводников.
На фиг. 43 и 44 показан чертеж варианта 3.1.2 системы измерительных проводников с геометрическими фигурами проводников на совместных участках в виде половинок кругов.
На фиг. 45 ... 47 приведены чертежи системы измерительных проводников для варианта 4.1, состоящий из трех измерительных частей, характеризующийся тем, что оси ординат систем координат измерительных частей расположены в виде трех лучевой звезды.
На фиг. 45 приведен чертеж системы измерительных проводников в виде трех измерительных частей с измерительными проводниками в форме трапеций, средние линии высот которых расположены под углом 120 градусов друг относительно друга.
На фиг. 46 показана векторная диаграмма системы проводников в виде осей ординат системы координат трех множеств проводников.
На фиг. 47 показана система измерительных проводников, в которой геометрические фигуры трапеций вписаны в границы измерительной области.
На фиг. 48 приведен чертеж варианта системы проводников, содержащей три измерительные части, характерной особенностью которого является то, что измерительные области измерительных проводников трех множеств пересекают друг друга с образованием участков, при этом на каждом участке соответствующие части измерительных проводников выполнены с заданными соотношениями площадей частей измерительных проводников и дополняют друг друга до образования постоянной площади. Причем, в своей сумме, измерительные проводники на совместных участках выполнены в форме колец. Чертеж предназначен для пояснения варианта системы проводников 4.2 на примере соответствующего варианта 4.2.1.
На фиг. 49, 50 и 51 приведены чертежи системы измерительных проводников, которая аналогична системе, показанной на фиг 45, в которой относительные размеры измерительных проводников приближены к практической системе проводников. Чертежи предназначены для графического моделирования. Для этой цели на поверхность проводников наложены геометрические фигуры с двумерными областями, у которых известны положения геометрических центров. На размерных выносках приведены величины координат геометрических центров, относительно осей абсцисс соответствующих систем координат.
На фиг. 49 показаны геометрические фигуры измерительных проводников в виде трапеций и фигуры двумерных областей, расположенные на слое первой измерительной части. Дополнительно приведены размеры ширины сечения измерительных проводников линией, которая проходит через точку геометрического центра двумерной области в виде, например, треугольника, и параллельна оси абсцисс системы координат первой измерительной части. Штриховкой обозначена область измерительных проводников, которая имеет пересечение с соответствующей двумерной областью, например в форме треугольника. А также указаны величины площадей для разных геометрических фигур двумерных областей.
На фиг. 50, аналогично, приведены геометрические фигуры измерительных проводников в виде трапеций и фигуры двумерных областей, которые расположены на слое второй измерительной части.
На фиг. 51 приведены геометрические фигуры проводников в виде трапеций, и фигуры двумерных областей, которые расположены на слое третьей измерительной части.
На фиг. 52, 53 и 54 приведены чертежи варианта системы измерительных проводников, состоящей из трех измерительных частей, характеризующейся тем, что геометрические фигуры измерительных проводников выполнены в форме трапеций, оси ординат систем координат измерительных частей измерительных проводников расположены в виде симметричной звезды, измерительные проводники выполнены и расположены таким образом, что при виде со стороны измерительной области не пересекают друг друга.
На фиг. 52 показаны геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части и взаимное расположение этих фигур, на фиг. 53 - геометрические фигуры измерительных проводников второй измерительной части и на фиг. 54 - геометрические фигуры измерительных проводников третьей измерительной части.
На фиг. 55, 56, 57 и 58 приведены чертежи системы измерительных проводников, которая показана на фиг. 52, 53 и 54. При этом, на чертежах обозначена измерительная область системы измерительных проводников, а трапеции удлинены до границ этой области. На фиг. 58 приведен чертеж системы измерительных проводников с совмещением проводников трех измерительных частей на одной плоской поверхности. Чертежи, приведенные на фиг. 55, 56, 57 и 58, использовались для графического моделирования системы измерительных проводников. Для этой цели на поверхность проводников наложены геометрические фигуры с двумерными областями, у которых известны положения геометрических центров. На размерных выносках приведены величины координат геометрических центров фигур, относительно осей абсцисс соответствующих систем координат.
На фиг. 59 показана система проводников по варианту 5.1, содержащая многослойную диэлектрическую подложку в виде плоской пластины.
Фиг. 60 и фиг. 61 - чертежи конструкции системы проводников по варианту 5.2, в которой используется деформируемый слой диэлектрической подложки и растягивающийся общий проводник.
Фиг. 62, фиг. 63 - чертежи конструкции системы проводников по варианту 5.4, в которой измерительные проводники имеют жесткий профиль и закреплены на диэлектрических опорных элементах.
Фиг. 64 - чертеж конструкции системы проводников по варианту 5.5, характеризующейся наличием измерительных проводников небольшой толщины, закрепленных на мембране из диэлектрического материала, которая закреплена с натяжением на опорных элементах.
На фиг. 65 приведен чертеж системы измерительных проводников по варианту 1.4 с размещением измерительных проводников трех измерительных частей на одной плоской поверхности. Чертеж, приведенный на фиг. 65, использовался для графического моделирования системы измерительных проводников. Для этой цели на поверхность измерительных проводников наложены геометрические фигуры с двумерными областями, у которых известны положения геометрических центров. На размерных выносках приведены величины координат геометрических центров фигур, относительно осей абсцисс соответствующих систем координат.
На фиг. 66 приведен чертеж системы измерительных проводников по варианту 1.5 с размещением измерительных проводников измерительных частей на одной плоской поверхности. Чертеж, приведенный на фиг. 66, использовался для графического моделирования системы измерительных проводников. Для этой цели на поверхность измерительных проводников наложены геометрические фигуры с двумерными областями, у которых известны положения геометрических центров. На размерных выносках приведены величины координат геометрических центров фигур, относительно осей абсцисс советующих систем координат.
Фиг. 67 … 79 предназначены для пояснения конструкции и принципа действия комбинированной системы проводников по варианту 7 и связанными с ним вариантами 7.1, 7.2 и 7.3.
На фиг. 67 приведена конструкция комбинированной системы проводников для определения координат геометрического центра диэлектрического или электропроводящего тела.
На фиг. 68 дополнительно показано плоское электропроводящее тело, которое расположено между обращенными друг на друга измерительными областями двух систем проводников, а также показаны силовые линии электрического поля, которые образованы системами проводников и диэлектрическим телом, по отдельности.
На фиг. 69 эти же линии показаны в сумме.
На фиг. 70 взамен электропроводящего тела, между измерительными областями систем проводников расположено плоское тело из однородного диэлектрического материала и показаны силовые линии электрического поля в сумме от двух систем проводников и от плоского диэлектрического тела.
На фиг. 71 и 72 приведены схемы замещения в виде эквивалентных конденсаторов.
Фиг. 73 и 74 предназначены для пояснения принципа действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала. На фиг. 73 показано тело из диэлектрического однородного материала в форме шара, размещенного между измерительными областями двух систем проводников. На фиг 73 показаны силовые лини индукции и силовые линии от диэлектрического тела. На фиг. 74 приведены силовые линии в виде векторной суммы.
Фиг. 75 и 76 предназначены для пояснения способа определения координат геометрического центра тела из однородного диэлектрического материала, приведенного в п. 7.2. На фиг. 75 показана комбинированная система проводников, состоящая из первой и второй системы проводников с измерительными областями плоской формы. На фиг. 76 показана комбинированная система проводников, которая повернута вокруг оси X на заданный угол относительно диэлектрического тела.
На фиг. 77, 78 и 79 показана конструкция варианта комбинированной системы проводников с криволинейными поверхностями измерительных областей для варианта 7.3. На фиг. 77 приведена комбинированная система проводников, в которой каждая система проводников имеет общую измерительную область, которая выполнена в форме поверхности сферы. Дополнительно на фиг. 77 показаны силовые линии электрического поля. На фиг. 78 в промежутке между измерительными областями систем проводников размещено тело из однородного диэлектрического материала и показаны искаженные телом силовые линии электрического поля. На фиг. 79 показана система координат комбинированной системы проводников, а стрелочками обозначено направление вращения сенсорных сфер системы проводников в плоскости ZY вокруг оси X системы координат.
На фиг.80, 81, 82, 83 показана система проводников для определения геометрического центра двумерной области с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел для варианта 8. На фиг. 80 показана система проводников с плоской поверхностью измерительной области. Дополнительно приведены силовые линии электрического поля, которые распространяются от расположенных в границе измерительной области заряженных измерительных проводников системы проводников до внешнего электропроводящего окружения. На фиг. 81 дополнительно показано электропроводящее тело и силовые линии, которые искажены этим телом. На фиг. 82 приведено диэлектрическое тело и силовые линии. Дополнительно на фиг. 81 и 82 показан блок электроники для пояснения принципа действия. На фиг. 83 приведена эквивалентная электрическая схема замещения системы проводников в условиях ее работы во внешнем электропроводящем окружении с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел.
На фиг. 84 показана система проводников, общая измерительная область которой содержит множество измерительных областей шестиугольной формы с поверхностью криволинейной формы, в виде поверхности шара. Эта система проводников предназначена для сенсорной системы манипулятора робота, при ее использовании для зондирования приближенных к пальцам робота электропроводящих или диэлектрических тел, как в условиях внешнего электропроводящего окружения, так и в составе комбинированной системы проводников, образованной определенным расположением пальцев манипулятора робота.
Фиг. 85 … 88 предназначены для пояснения конструкции сенсорной системы манипулятора антропоморфного робота, в которой используются системы проводников по варианту 9.
На фиг. 85 показана конструкция сенсорной системы кончика пальца манипулятора робота на основе системы проводников в форме сферы (сенсорной сферы).
На фиг. 86 показан указательный палец манипулятора робота, в кончик которого встроен сенсор на основе системы проводников в форме сферы. Дополнительно показано электропроводящее тело и силовые линии электрического поля.
На фиг. 87 приведено изображение кисти руки манипулятора антропоморфного робота, сенсорные сферы двух пальцев которой имеют электрический заряд противоположного знака. Кончики пальцев расположены по разные стороны тела, выполненного из диэлектрического материала. Пальцы робота выполняют движение для определения расположения оси проходящей через геометрический центр тела, который совпадает с центром тяжести, перед тем как более устойчиво захватить тело.
На фиг. 88 показаны кончики пальцев манипулятора антропоморфного робота с сенсорными сферами с увеличением. Дополнительно показаны силовые линии электрического поля, которые искажаются под воздействием диэлектрического тела.
На фиг. 89 … 93 приведено изображение кисти руки бионического протеза и показана конструкция электронной кожи бионического протеза. Указанные фигуры предназначены для иллюстрации раздела описания изобретения по электронной коже для бионического протеза. Описание приведено под. п. 10 общего описания изобретения.
На фиг. 89 показан протез кисти руки человека со стороны ладони, где показаны разные типы поверхностей электронной кожи руки.
На фиг. 90 показаны участки электронной кожи ладони руки с указанием зон электронной кожи в виде сеточки из квадратов или прямоугольников. Квадраты и прямоугольники отражают измерительные области системы проводников.
На фиг. 91 приведен эскиз кончика большого пальца руки бионического протеза. Кончик пальца содержит опорную конструкцию, на котором закреплен слой для сопряжения электронной кожи с механической конструкцией пальца. Выше слоя сопряжения расположены слои электронной кожи. Дополнительно, в верхней части большого пальца на фиг. 91 показан участок электронной кожи.
На фиг. 92 для указанного участка показана конструкция электронной кожи большого пальца руки бионического протеза. Конструкция электронной кожи выполнена на основе двух вариантов системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которые наложены друг на друга.
На фиг. 93 приведен чертеж для пояснения использования в бионическом протезе комбинированной системы проводников. На фиг. 93 показана пространственная конфигурация из кистей двух рук бионического протеза, которые обращены навстречу друг к другу ладонями. В промежутке между ладонями расположен исследуемый объект (USB-флешка). В этом случае образуется комбинированная система из двух систем проводников, одна из которых образована участками электронной кожи на ладонях и пальцах левой кисти руки протеза, вторая - ладонями и пальцами правой кисти рук бионического протеза.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
3. ВАРИАНТЫ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ С ОБРАЗОВАНИЕМ СОВМЕСТНЫХ УЧАСТКОВ
3.1 Вариант системы проводников, содержащей четыре измерительные части, характерной особенностью которой является то, что измерительные области групп измерительных проводников двух множеств пересекают друг друга с образованием совместных участков, при этом на каждом участке соответствующие части измерительных проводников выполнены с заданными соотношениями площадей частей, которые дополняют друг друга до образования постоянной площади
Вариант системы проводников соответствует п. 23 формулы изобретения.
Для описания системы проводников по этому варианту использована конструкция системы измерительных проводников, которая показана на фиг. 38-44. На фиг. 38 приведена группа измерительных проводников в форме трапеций, которая принадлежит первому множеству, разделена на совместные участки и расположена вертикально. Дополнительно показана группа системы измерительных проводников, принадлежащая второму множеству и расположенная горизонтально. На фиг. 39 измерительные проводники этих же группы взамен трапеций выполнены в виде фигур, соединенных между собой треугольников. Штриховой линией с наложением показаны измерительные проводники групп в предыдущей форме в виде трапеций. Чертеж на фиг. 40 предназначен для пояснения геометрических построений. На фиг. 41 приведено изображение формы измерительных проводников групп двух множеств в виде строк и столбцов, с наложением вертикальных и горизонтальных проводников. На фиг. 42 дополнительно показана локальная система координат измерительной области и схема соединений и подключений измерительных проводников.
Вариант системы проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников по любому из пунктов п. 1 или п. 16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников, в каждой из групп множества геометрические фигуры измерительных проводников вписаны между параллельными оси ординат системы координат соответствующего множества линиями границ измерительных областей групп, линии границ измерительных областей групп множества примыкают друг к другу и расположены с постоянными интервалами вдоль оси абсцисс, линии границ измерительных областей групп, принадлежащих первому и второму множеству при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур измерительных проводников групп. В каждой из групп множества величины площадей частей геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части на совместных участках от участка к участку равномерно изменяются в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Площади частей геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части дополняют на соответствующих совместных участках площади геометрических фигур первой измерительной части до образования постоянной величины. В каждом совместном участке части геометрических фигур измерительных проводников в границах совместных участков выполнены такой формы, что на каждом совместном участке дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади, при этом на виде на плоскость наложения геометрических фигур проводников разных множеств на каждом совместном участке практически не затеняют друг друга.
Система проводников по п. 3 имеет множество вариантов. Сущность изобретения пояснена с использованием варианта системы проводников, в которой измерительные проводники выполнены в виде фигур, на основе соединенных между собой треугольников.
3.1.1 Вариант системы проводников с геометрическими фигурами измерительных проводников в форме треугольников
Система проводников по варианту показана на фиг. 41.
Вариант системы проводников соответствует п. 24 формулы изобретения.
Система проводников 501 характеризуется тем, что ось ординат системы координат 520 измерительных проводников 506 и 507 первого множества расположена ортогонально к оси ординат системы координат 521 измерительных проводников 508 и 509 второго множества, измерительные проводники групп первого 513 и второго 514 множества изолированы друг от друга и расположены на двух слоях, линии границ 522 и 523 измерительных областей групп принадлежащие первому множеству и линии 524 и 525 границ измерительных областей групп принадлежащие второму множеству при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки 526 квадратной формы, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур 506, 507, 508 и 509 измерительных проводников групп, в каждой из групп первого или второго множества измерительные проводники на каждом совместном участке выполнены в виде геометрических фигур треугольников, при этом части измерительных проводников в форме треугольников соответствующей измерительной части группы электрически соединены между собой.
В каждом совместном участке 526 (см. фиг. 41 вместе с фиг. 40) измерительный проводник 506 первой измерительной части группы принадлежащий к первому множеству содержит треугольник 516, основание которого расположено на линии 522 границы измерительной области соответствующей группы и имеет постоянную длину, при этом величина высоты 530 треугольников от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат, в каждом совместном участке измерительный проводник 507 второй измерительной части группы содержит треугольник 517, основание которого расположено на линии 523 границы измерительной области группы с другой стороны группы и имеет длину 532 совпадающую с длиной соответствующего основания треугольника первой измерительной части, при этом величина высоты 531 треугольника дополняет высоту 530 треугольника первой измерительной части до образования постоянной величины для всех совместных участков группы проводников.
В каждом совместном участке 526 измерительный проводник 508 первой измерительной части группы принадлежащий ко второму множеству содержит треугольник 518, основание которого расположено на линии 524 границы измерительной области соответствующей группы и имеет постоянную длину, при этом величина высоты 532 треугольников от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат, каждый совместный участок проводника второй измерительной части группы содержит треугольник 509, основание которого расположено на линии 525 границы измерительной области группы с другой стороны группы и имеет длину, совпадающую с длиной соответствующего основания треугольника первой измерительной части, при этом величина высоты 533 треугольника дополняет высоту 532 треугольника первой измерительной части до образования постоянной величины для всех совместных участков группы проводников, при этом вершины треугольников групп первого и второго множеств расположены таким образом, что треугольники в границах совместных участков, не затеняют друг друга.
В связи с тем, что площадь треугольников равна величине основания треугольника умноженной на высоту и деленной на два, треугольники первой и второй измерительных частей дополняют друг друга в границах совместных участков до образования постоянной площади. В целом, части геометрических фигур измерительных проводников в границах совместных участков выполнены такой формы, что на каждом совместном участке дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади. Поэтому геометрические фигуры проводников соответствуют признакам независимого пункта формулы изобретения.
На фиг.41 показано, что одноименные измерительные части двух соседних групп обращены друг к другу и соединены между собой. При этом основания треугольников, за исключением боковых сторон измерительной области, объединены в четырехугольники.
На фиг.42 дополнительно показана локальная система координат 540 измерительной области 510 и схема соединений и подключений измерительных проводников. На схеме обозначены проводник вывода 541 первой измерительной части первого множества, проводник вывода 542 второй измерительной части первого множества, проводник вывода 543 первой измерительной части второго множества и проводник вывода 544 второй измерительной части второго множества.
Принцип действия варианта системы проводников сводится к принципу действия, который описан для варианта 1.1, где используется система измерительных проводников с проводниками в форме трапеций. На фиг.38 показаны две группы 511 и512 измерительных проводников состоящих из трапеций, направления осей ординат систем координат 520 и 521 которых расположены друг по отношению к другу ортогонально. Фигуры трапеций выделены на чертежах штриховой линией. Трапеции групп разделены линиями 560 на совместные участки. На фиг.38 показан совместный участок, который содержит части трапеций 502, 503 для группы 511, а также части трапеций 504 и 505 для другой группы 512.
Если рассматривать отдельно взятые измерительные проводники группы, можно заметить, что в каждой из групп множества площади частей геометрических фигур измерительных проводников в форме трапеций первой измерительной на совместных участках в функции расстояния вдоль направления оси ординат от участка к участку изменяются на одинаковую величину, площади частей геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части дополняют на соответствующих совместных участках площади геометрических фигур первой измерительной части до образования постоянной величины.
С увеличением количества групп измерительных проводников и, соответственно, увеличения количества совместных участков зависимость площади измерительных проводников группы от величины координаты для измерительных проводников первой и второй измерительной части по оси ординат будет стремиться к зависимостям (4) и (6), которые определена на основе интеграла для проводников группы в форме неразделенных на участки трапеций. В этом случае для определения координат геометрического центра двумерной области можно использовать формулы (25) и (26) для проводников в форме трапеций. При уменьшении количества групп измерительных проводников и, соответственно, уменьшения количества совместных участков, появляется дополнительная погрешность в определении координат геометрического центра, которую можно отнести к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Следует отметить, что погрешность кусочно-постоянной аппроксимации присутствует в любом варианте системы проводников.
3.1.1. Вариант системы проводников с геометрическими фигурами измерительных проводников на совместных участках в виде половинок кругов
Вариант показан на фиг. 43. На фиг. 44 дополнительно показана локальная система координат и схема соединения проводников и подключения выводов измерительных частей
Вариант системы проводников соответствует п. 25 формулы изобретения.
В данном случае система проводников отличается от системы проводников по п. 23 формулы изобретения тем, что ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена ортогонально к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, измерительные проводники групп первого и второго множеств изолированы друг от друга, линии границ измерительных областей групп принадлежащие первому множеству и линии границ измерительных областей групп принадлежащие второму множеству при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки квадратной формы, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур измерительных проводников групп.
В каждой из групп первого или второго множества измерительные проводники на каждом совместном участке выполнены в виде половинок кругов, при этом части измерительных проводников в виде половинок кругов соответствующей измерительной части группы электрически соединены между собой.
Боковые линии границ измерительных областей групп совпадают с боковыми линиями границ групп.
В каждом совместном участке 544 проводники 546 первой измерительной части группы принадлежащие к первому множеству содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диаметра которого расположена на линии границы измерительной области соответствующей группы, при этом величина площади половинки круга от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат.
В каждом совместном участке 544 проводники 547 второй измерительной части группы принадлежащие к первому множеству содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диметра которого расположена на линии границы измерительной области группы с другой стороны группы, при этом величина площади половинки круга дополняет площадь половинки круга первой измерительной части до постоянной величины.
В каждом совместном участке 544 измерительные проводники 548 первой измерительной части группы, принадлежащие ко второму множеству содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диаметра которого расположена на линии границы измерительной области соответствующей группы при этом величина площади половинки круга от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат.
В каждом совместном участке проводники 549 второй измерительной части группы принадлежащие ко второму множеству содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диаметра которого расположена на линии границы измерительной области группы с другой стороны группы, при этом величина площади половинки круга дополняет площадь половинки круга первой измерительной части до постоянной величины.
Причем в каждом совместном участке части геометрические фигур измерительных проводников в виде половинок кругов в границах совместных участков выполнены такой формы, что на каждом совместном участке дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади.
На фиг.43 показано, что одноименные измерительные части двух соседних групп обращены друг к другу и соединены между собой. При этом половинки кругов объединены в полные круги. На фиг.44 дополнительно показана локальная система координат 550 измерительной области 545 и схема соединений и подключений измерительных проводников. На схеме обозначены проводник вывода 551 первой измерительной части первого множества, проводник вывода 552 второй измерительной части первого множества, проводник вывода 553 первой измерительной части второго множества и проводник вывода 554 второй измерительной части второго множества.
4. ВАРИАНТЫ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ, СОДЕРЖАЩИЕ ТРИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЧАСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОВОДНИКОВ
Характерной особенностью этих вариантов является то, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая состоит из трех измерительных частей измерительных проводников. Форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат.
4.1 Вариант системы проводников, содержащей систему измерительных проводников из трех измерительных частей, характеризующийся тем, что оси ординат систем координат измерительных частей расположены в виде трехлучевой звезды
Система проводников соответствует п. 26 формулы изобретения.
Система проводников в описании изобретения показана на фиг. 45... 47. На фиг. 45 приведен чертеж системы измерительных проводников в виде трех измерительных частей измерительных проводников в форме трапеций, средние линии высот которых расположены под углом 120 градусов друг относительно друга. На фиг. 47 показана система измерительных проводников, в которой геометрические фигуры трапеций вписаны в границы измерительной области.
Система проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников по любому из пунктов п. 1 и п. 16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит три измерительные части измерительных проводников, форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат, оси ординат систем координат первой, второй и третьей измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды. Измерительные проводники каждой измерительной части выполнены в виде однообразных геометрических фигур и расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс соответствующей измерительной части. Для каждой отдельно взятой измерительной части ширина сечения каждой геометрической фигуры проводника линией, которая параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части, линейно увеличивается в функции расстояния вдоль направления оси ординат системы координат соответствующей измерительной части. При этом для всех измерительных частей в сечениях геометрических фигур измерительных проводников линиями, которые параллельны соответствующим осям абсцисс систем координат соответствующих измерительным частей и проходящими через выбранную точку, вычисленная сумма ширины сечения геометрической фигуры измерительного проводника первой измерительной части, ширины сечения геометрической фигуры измерительного проводника второй измерительной части и ширины сечения геометрической фигуры измерительного проводника третьей измерительной части является постоянной величиной для любой другой выбранной точки расположенной в границах измерительной области системы измерительных проводников. Для отдельно взятой измерительной части для любой выбранной точки ширина сечения линией, которая проходит через выбранную точку и параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части является одинаковой для всех геометрических фигур измерительных проводников измерительной части, каждый измерительный проводник расположен в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс соответствующей системы координат измерительной части и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.
4.1.1 Вариант системы проводников по и. 4.1, отличающийся тем, что геометрические фигуры измерительных проводников выполнены в форме трапеций, оси ординат систем координат измерительных частей измерительных проводников расположены в виде симметричной звезды
Вариант показан на фиг. 45 и 47. Вариант соответствует п. 27 формулы изобретения. Вариант системы проводников по п. 26 отличающийся тем, что геометрические фигуры измерительных проводников выполнены в форме однообразных трапеций 605, составляющих первую 611, вторую 612 и третью 613 измерительные части, оси ординат систем координат измерительных проводников измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды. Трапеции каждой измерительной части расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс соответствующей системы координат измерительной части, для каждой измерительной части ширина сечения трапеций линейно увеличивается в функции расстояния вдоль оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, средние линии высот трапеций расположены в направлениях вдоль оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, проводники измерительных частей системы измерительных проводников расположены таким образом, что точки 606 начал локальных систем координат трех измерительных частей совпадают между собой.
На фиг.46 показана векторная диаграмма системы измерительных проводников в виде осей ординат систем координат измерительных частей. Оси ординат направлены вдоль осей трапеций, в сторону увеличения ширины трапеций. При этом величина ширины каждой трапеции пропорциональна величине соответствующей координаты по оси ординат. Начало оси ординат соответствует точке 677, в которой пересекаются боковые линии трапеций и ширина которой равна нулю. На векторной диаграмме, которая расположена справа, начало систем координат каждой измерительной части смещено вдоль соответствующих осей ординат на одинаковую величину с тем, что бы ширина трапеций в точке начала систем координат не являлась нулевой. При этом, в случае размещения оснований трапеций 632 и 633 на одинаковом расстоянии от смещенного начала 606 системы координат, например, первой измерительной части, образуются локальные системы координат измерительных частей, а в случае совмещения начал локальных систем координат измерительных частей в одной точке 606 получается локальная система координат системы измерительных проводников измерительной области. Такая система координат, показана на фиг.45, содержит три оси ординат и соответствующие оси абсцисс. Следует отметить, что для определения координат геометрического центра двумерной области достаточно двух координат по двум любым осям ординат. На фиг.47 показана система измерительных проводников, в которой геометрические фигуры трапеций вписаны в границы измерительной области 607.
Для данной системы проводников величины координат геометрического центра двумерной области могут быть определены по величинам двух координат, которые определены в системах координат двух измерительных частей измерительных проводников. При этом, для определения величины координаты геометрического центра двумерной области по одной оси справедливы следующее выражения.
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первой измерительной части в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второй измерительной части в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y3 системы координат третьей измерительной части в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников по оси ординат Y1 системы координат первой измерительной части (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников по оси ординат Y2 системы координат второй измерительной части (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников по оси ординат Y3 системы координат третьей измерительной части (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат первой измерительной части относительно измерительных проводников по оси ординат Y1;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат второй измерительной части относительно измерительных проводников по оси ординат Y2;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат третьей измерительной части относительно измерительных проводников по оси ординат Y3;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных
проводников третей измерительной части с двумерной областью.
В связи с тем, что для каждой измерительной части величина избыточной емкости измерительной части системы измерительных проводников пропорциональна площади пересечения геометрических фигур измерительных проводников с двумерной областью, величины координат геометрического центра можно выразить в следующем виде.
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первой измерительной части;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников второй измерительной части;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников третьей измерительной части;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой, второй и третей измерительной части соответственно, в отсутствие тела.
Где: 
- длина трапеций измерительных проводников;
- ширина больших оснований трапеций 633 измерительных проводников первой измерительной части;
- ширина малых оснований трапеций 632 измерительных проводников первой измерительной части.
Измерительные проводники, которые составляют измерительные части расположены в локальной системе координат системы проводников симметричным образом и по форме одинаковые, поэтому справедливы следующие равенства
Для системы проводников, показанной на фиг.49, 50, 51 величина больших оснований трапеций ширины 
величина малых оснований трапеций ширины 
длина трапеций 
.
Отсюда:
Для определения координат геометрического центра двумерной области достаточно иметь информацию по координатам геометрического центра по двум осям. Например, координаты геометрического центра двумерной области могут быть вычислены по двум осям ординат в соответствии с выражениями (67) и (68).
Вывод этой формулы для вычисления координат геометрического центра двумерной области связан со следующими признаками изобретения:
«для каждой отдельно взятой измерительной части ширина сечения каждой геометрической фигуры проводника линией, которая параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части, линейно увеличивается в функции расстояния вдоль направления оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, при этом для всех измерительных частей в сечениях геометрических фигур измерительных проводников линиями, которые параллельны соответствующим осям абсцисс систем координат соответствующих измерительным частей и проходящими через одну выбранную точку, вычисленная сумма ширины сечения геометрической фигуры проводника первой измерительной части, ширины сечения геометрической фигуры проводника второй измерительной части и ширины сечения геометрической фигуры проводника третьей измерительной части является постоянной величиной для любой другой выбранной точки расположенной в границах измерительной области системы измерительных проводников».
В этом случае величина координаты геометрического центра двумерной области по одной оси, для измерительных проводников соответствующей измерительной части соответствует выражениям (64), (65) и (66).
На фиг.49, 50 и 51 приведены чертежи системы измерительных проводников, которая аналогична системе показанной на фиг 45, в которой размеры измерительных проводников приближены к системе проводников, которая может использоваться на практике. Чертежи предназначены для проверки правильности результатов вычислений координат геометрического центра двумерной области с использованием формул (64), (65) и (66), путем сравнения с результатами графического моделирования.
На фиг.49 показаны геометрические фигуры измерительных проводников в виде трапеций. Геометрические фигуры проводников расположены на слое, который предназначен для измерительных проводников первой измерительной части. На фигуре дополнительно показано расположение системы координат первой измерительной части. Дополнительно показаны геометрические фигуры двумерных областей в форме круга, треугольника, квадрата и трапеции, которые расположены на поверхности слоя первой измерительной части измерительных проводников. Штриховкой выделена область измерительных проводников, которая расположена в области пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части с двумерной областью. На выноске приведена величина площади области измерительных проводников. Величины координат в виде расстояния относительно оси абсцисс системы координат измерительной части до точки геометрического центра фигуры приведены на размерных выносках.
На фиг.50, аналогично, приведены геометрические фигуры проводников в виде трапеций, которые расположены на поверхности слоя второй измерительной части, геометрические фигуры двумерных областей, показана система координат второй измерительной части, и координаты геометрических центров фигур в виде расстояния от оси абсцисс системы координат второй измерительной части до геометрических центров фигур. На фиг.51 приведены геометрические фигуры проводников в виде трапеций, которые расположены на поверхности слоя третьей измерительной части, геометрические фигуры двумерных областей, система координат третьей измерительной части и координаты геометрических центров фигур в виде расстояний от оси абсцисс системы координат третьей измерительной части до геометрических центров фигуры двумерной области.
Для фигуры двумерной области в форме треугольника на фиг.49, 50, 51 на размерных выносках приведены величины 681, 682, 683 - ширины сечения геометрической фигуры измерительного проводника линией, которая параллельна оси абсцисс системы координат 609, проходящей через геометрический центр ограниченной измерительной области для групп первой измерительной части, проходящей через точку геометрического центра двумерной области в форме треугольника. Аналогично, размеры ширины сечения геометрических фигур измерительных проводников приведены для этого же треугольника для второй и третьей измерительной части, приведенных на фиг.50 и фиг.51 соответственно. Также, показаны размеры соответствующих сечений для других двумерных областей в форме трапеции, прямоугольника и круга. Если для каждой из геометрических фигур двумерных областей сложить величины этих сечений для первой, второй и третьей измерительных частей то в сумме получится постоянная величина, что соответствует признаку формулы изобретения «Для отдельно взятой измерительной части для любой выбранной точки ширина сечения линией, которая проходит через выбранную точку и параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части является одинаковой для всех геометрических фигур измерительных проводников измерительной части». В данном случае точка выбрана в геометрическом центре двумерной области в форме треугольника. Следовательно, показанная на фиг.49 - 51 система проводников соответствует формуле изобретения.
Несложно заметить, что если величину сечения 681 для двумерной области в форме треугольника, в системе координат для первой измерительной части (фиг.49), разделить на величину площади 
то такое же соотношение получится для треугольника (величина с обозначением 682 разделенная на площадь 
) для систем координат второй и третьей измерительной части (величина 683 разделенная на площадь 
).
Следовательно графические построения подтверждают, что величина сечения пропорциональна величине соответствующей площади.
Для данного варианта изобретения доказательство реализации назначения системы проводников (доказательство реализации целевой функции системой проводников) выполнено методом графического моделирования системы проводников.
Для проверки реализации целевой функции системой проводников можно сравнить рассчитанные по формулам (64), (65) и (66) координаты геометрических центров фигур с фактическими координатами, измеренными в результате графического моделирования. Результаты графического моделирования приведены таблице №1.
Расчеты координат геометрического центра фигур проводились по формулам (64), (65) и (66). Размеры приведены в миллиметрах. Относительное отклонение рассчитывалось по отношению к величине высоты измерительной области - 400 мм. Масштаб чертежа на листе формата А4 не соблюден.
Результаты графического моделирования показывают, что расчетные величины координат геометрических центров двумерной области для данных геометрических фигур с относительно высокой точностью совпадают с фактически измеренными координатами. Величины относительного отклонения не превышают 0,5%. Отклонения объясняются погрешностью кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Теоретически, это отклонение может достигать нескольких процентов в связи с относительно большой шириной измерительной области группы измерительных проводников (которая равна расстоянию между трапециями, величина которой составляет 10 мм). В практической реализации ширина измерительной области группы проводников может быть уменьшена до нескольких микрометров с соответствующим снижением погрешности аппроксимации.
Результаты графического моделирования подтверждают, что математические формулы (64), (65) и (66) для вычисления координат геометрического центра двумерной области и геометрические построения, отраженные в формуле изобретения для варианта 4.1 с учетом конкретного варианта 4.1.1 системы проводников, являются правильными и обеспечивают реализацию целевой функции системы проводников.
В данном варианте системы проводников измерительные проводники трех измерительных частей пересекают друг друга, поэтому должны быть расположены на поверхностях трех слоев и изолированы друг от друга. В том виде, в котором эти фигуры показаны на чертеже фиг.45, измерительные проводники измерительных частей затеняют друг друга, поэтому непосредственно этот вариант можно использовать только в варианте с небольшой шириной трапеций относительно величины расстояния между трапециями.
В то же время на основе этого варианта возможна реализация варианта системы проводников, в котором используется разбиение геометрических фигур на совместные участки (аналогично варианту 3.1). Вариант с разбиением системы проводников на совместные участки соответствует п. 29 формулы изобретения. Конкретный вариант описан под номером 4.2.1 «Вариант системы проводников с геометрическими фигурами измерительных проводников в форме колец». Конкретный вариант соответствует п. 30 формулы изобретения. Система проводников по варианту показана на фиг.48.
4.2 Вариант системы проводников, которая содержит систему измерительных проводников, состоящую из трех измерительных частей, характерной особенностью которого является то, что измерительные области измерительных проводников трех измерительных частей пересекают друг друга с образованием совместных участков, при этом на каждом участке соответствующие части измерительных проводников выполнены с заданными соотношениями площадей частей и дополняют друг друга до образования постоянной площади.
Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области по варианту соответствует п. 28 формулы изобретения. Система проводников показана фиг. 48.
Вариант системы проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников по любому из пунктов п. 1 или п. 16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники образуют систему измерительных проводников, которая содержит три измерительные части измерительных проводников. Форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат, оси ординат систем координат первой, второй и третьей измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды.
Измерительные проводники каждой измерительной части выполнены в виде однообразных геометрических фигур 625, 626 и 627, которые расположены в области между соответствующими линиями 621, 622 и 623 границ измерительных областей измерительных проводников, линии границ измерительных областей измерительных проводников параллельны между собой, для соседних измерительных областей измерительных проводников соответственно совпадают между собой и расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс системы координат соответствующей измерительной части, линии границ 621, 622 и 623 измерительных областей измерительных проводников первой, второй и третьей измерительной части при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки 624 шестиугольной формы, а также прилежащие участки 638 треугольной формы, которые в сумме составляют шестиугольную звезду, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур 625, 626 и 627 измерительных проводников соответственно первой, второй и третьей измерительных частей, площадь частей геометрических фигур одной измерительной части от участка к участку увеличивается на одинаковую величину вдоль направления оси ординат системы координат измерительной части, при этом части геометрических фигур 625, 626 и 627 измерительных проводников относящиеся к совместным участкам выполнены такой формы, что дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади.
Система проводников по п. 4.2 имеет множество вариантов. Сущность изобретения пояснена с использованием варианта системы проводников, в которой измерительные проводники выполнены в виде фигур, составляющих в совместных участках геометрические фигуры колец.
4.2.1 Вариант системы проводников с геометрическими фигурами измерительных проводников в форме колец
Вариант соответствует п. 29 формулы изобретения. Система измерительных проводников, входящая в систему проводников по варианту, показана на фиг. 48. Дополнительно, для пояснения сущности варианта использованы построения, которые приведены на фиг. 47.
Вариант характеризуется тем, что в каждом совместном участке суммарная геометрическая фигура из частей измерительных проводников первой, второй и третьей измерительной части составляет геометрическую фигуру в виде кольца 630, центр кольца расположен в центре совместного участка 624. Проводники измерительных частей системы измерительных проводников расположены таким образом, что точки начал локальных систем координат трех измерительных частей совпадают между собой.
Принцип действия системы проводников по варианту аналогичен принципу действия варианта 3. Вариант 4.2.1 сводится к варианту 4.1.1, в котором измерительные проводники выполнены в форме трапеций.
Реализация целевой функции по определению координат геометрического центра двумерной области для варианта 4.1.1 подтверждена данными графического моделирования. Следовательно, вариант 4.2.1 также обеспечивает реализацию целевой функции.
На фиг. 47 показан вариант системы измерительных проводников, в котором измерительные проводники выполнены в форме трапеций. При совместном рассмотрении показанных на фиг. 47 измерительных проводников с линиями границ 621, 622 и 623 измерительных областей измерительных проводников можно заметить, что если трапеции разбить на части линиями 628 параллельными осям абсцисс систем координат соответствующих измерительных частей, то части трапеций измерительных проводников в пределах совместных участков изменяются от участка к участку вдоль соответствующих осей ординат на одинаковую величину, при этом вариант на основе трапеций является частным случаем варианта, в котором измерительные проводники в виде трапеций разбиты на участки.
С увеличением количества измерительных проводников и, соответственно, совместных участков в измерительной области зависимость площади проводников на единичном участке от величины координаты по оси ординат будет стремиться к зависимостям (4) и (6), которые определены на основе интеграла для проводников в форме трапеций. В этом случае для определения координат геометрического центра двумерной области можно использовать формулы (67), (68) и (69), приведенные в описании варианта 4.1.1 для проводников в форме трапеций. При уменьшении в измерительной области количества измерительных проводников, появляется дополнительная погрешность в определении координат геометрического центра двумерной области, которую можно отнести к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Следует отметить, что эта погрешность присутствует в любом варианте системы проводников. В данном случае она будет примерно в 2 раза больше, чем в варианте с формой проводников в форме трапеций.
Данный вариант может найти применение в сенсорных дисплеях, в которых внутри колец могут быть расположены RGB пиксели цветовой системы дисплея.
Недостаток варианта - необходимость размещения измерительных проводников на трех изолированных слоях диэлектрической подложки.
4.3 Вариант системы проводников, которая содержит систему измерительных проводников, состоящую из трех измерительных частей, характеризующийся тем, что геометрические фигуры измерительных проводников выполнены в форме трапеций, оси ординат систем координат измерительных частей измерительных проводников расположены в виде симметричной звезды, измерительные проводники выполнены и расположены таким образом, что при виде со стороны измерительной области не пересекают друг друга
Вариант соответствует п. 31 формулы изобретения. Система проводников показана на фиг.52 - 58. На фиг.52 показаны геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части и взаимное расположение этих фигур, на фиг.53 - геометрические фигуры измерительных проводников второй измерительной части и на фиг.54 - геометрические фигуры измерительных проводников третьей измерительной части.
Система проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Система проводников по любому из пунктов п. 1 и п. 16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит три измерительные части измерительных проводников, форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат, оси ординат систем координат 645, 646 и 647 первой, второй и третьей измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды. Измерительные проводники каждой измерительной части выполнены в виде однообразных геометрических фигур в форме трапеций 641, 642 и 643, которые расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс системы координат соответствующей измерительной части. Средние линии 648 высот трапеций 641 первой измерительной части расположены с наклоном на угол 60 градусов по отношению к оси ординат системы координат измерительной части, средние линии 639 высот трапеций 642 второй измерительной части расположены с наклоном на угол - 60 градусов в противоположную сторону по отношению к оси ординат системы координат второй измерительной части, средние линии 649 высот трапеций 643 третьей измерительной части расположены вдоль оси ординат системы координат третьей измерительной части.
Для каждой отдельно взятой измерительной части ширина сечения каждой геометрической фигуры проводника линией, которая параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части, линейно увеличивается в функции расстояния вдоль направления оси ординат системы координат соответствующей измерительной части.
При этом для всех измерительных частей при сечении геометрических фигур измерительных проводников линиями, которые параллельны соответствующим осям абсцисс и походят через одну точку, вычисленная сумма ширины сечения геометрической фигуры проводника первой измерительной части, ширины сечения геометрической фигуры проводника второй измерительной части и умноженной на четыре ширины сечения геометрической фигуры проводника третьей измерительной части является постоянной величиной для любой другой точки в границах измерительной области системы проводников.
Геометрические фигуры измерительных проводников трех измерительных частей расположены с чередованием измерительных проводников относительно друг друга, причем средние линии высот геометрических фигур трапеций расположены с равномерными интервалами друг относительно друга, интервалы между средними линиями высот трапеций выбраны с условием не пересечения трапециями друг друга в границах измерительной области системы проводников, при этом точки начал систем координат первой и второй измерительных частей расположены на линии, направленной вдоль оси абсцисс третьей измерительной части, на минимальном расстоянии друг от друга, точка начала координат третьей измерительной части расположена на пересечении осей абсцисс систем координат первой и второй измерительных частей.
В соответствии с этими признаками изобретения получаем три измерительные части геометрических фигур измерительных проводников в форме трапеций, в которых средние линии высот трапеций параллельны между собой, при этом между трапециями имеются промежутки, как показано на фиг.52, 53 и 54. В результате чего существует возможность совместить геометрические фигуры проводников трех измерительных частей с условиями чередования трапеций разных измерительных частей и не пересечения трапециями друг друга, в соответствии с признаками изобретения.
Результаты совмещения показаны на фиг.55, 56, 57 и 58. Чертежи системы измерительных проводников, показанные на указанных фигурах, адаптированы для графического моделирования. В связи с тем, что адаптированные чертежи измерительных проводников трех измерительных частей, в случае их графического наложения друг на друга на одном чертеже, как показано на фиг.58, получаются трудно читаемыми, чертежи измерительных проводников приведены по отдельности для каждой из измерительных частей. На фиг.55 показаны чертежи измерительных проводников первой измерительной части измерительных проводников, на фиг 56 - второй измерительной части, на фиг.57 -третьей измерительной части. На фиг.58 приведен совмещенный чертеж измерительных проводников для трех измерительных частей.
При этом на каждом чертеже обозначена точка 651 геометрического центра измерительной области системы проводников, с совмещением которой совмещаются все другие части чертежа.
На каждой фигуре обозначена измерительная область 650 системы проводников с указанием точки 651 геометрического центра измерительной области. Геометрические фигуры измерительных проводников удлинены до границы измерительной области 650. Геометрические фигуры измерительных проводников трех измерительных частей распложены с чередованием относительно друг друга, причем средние линии высот геометрических фигур трапеций расположены с равномерными интервалами друг относительно друга, интервалы между средними линиями высот трапеций выбраны с условием не пересечения трапециями друг друга в границах измерительной области системы проводников. При этом, центры начал систем координат первой, второй и третьей измерительных частей не совпадают друг с другом и расположены на вершинах треугольника 652, которые находятся на линии, которая параллельна оси абсцисс системы координат третьей измерительной части, с минимальным расстоянием друг от друга (минимальным расстоянием из числа других возможных вариантов при совмещении геометрических фигур измерительных проводников). Точка начала координат третьей измерительной части расположена на пересечении осей абсцисс систем координат первой и второй измерительной части, что соответствует нижней по чертежу вершине треугольника 652.
Такое расположение не приводит к ухудшению реализации системой проводников целевой функции, т.к. координаты геометрических центров двумерной области по одной оси определяют в рамках систем координат принадлежащих конкретным измерительным частям.
С учетом того, что координаты начал систем координат известны, координаты геометрического центра двумерной области из локальных систем координат измерительных частей можно пересчитать в систему координат измерительной области системы проводников. Следует отметить что, во всяком случае, в реальной системе проводников, в которой используются измерительные проводники относительно небольшой ширины, размерами центрального треугольника 652, по углам которого расположены точки начал систем координат, можно пренебречь. При этом система измерительных проводников сводится к системе измерительных проводников с одной точкой, в которой совмещены точки начал систем координат трех измерительных частей, как в варианте 4.1.1.
С целью доказательства реализации системой проводников целевой функции, заключающейся в определении геометрического центра двумерной области, с использованием чертежей системы измерительных проводников показанной на фиг.55, 56, 57 и 58, проведено графическое моделирование. Для этой цели на измерительной области системы проводников размещены двумерные области в форме круга 653 и треугольника 654, в которых с помощью системы проводников определяют координаты геометрических центров двумерных областей. На геометрических фигурах круга и треугольника крестиками обозначены известные для этих фигур геометрические центры 655 и 656. Штриховкой выделены области измерительных проводников, которые расположены в областях пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой, второй и третьей измерительных частей, с двумерными областями геометрических фигур. На фиг.55 на размерных выносках приведены фактически измеренные графическим путем величины координат геометрических центров для двумерных областей в виде круга и треугольника относительно оси абсцисс системы координат первой измерительной части измерительных проводников. На фиг.56 на размерных выносках приведены величины координат геометрических центров двумерных областей относительно оси абсцисс системы координат второй измерительной части. На фиг.57 на размерных выносках приведены величины координат геометрических центров двумерных областей относительно оси абсцисс системы координат третьей измерительной части. Дополнительно, на фигурах приведены величины площадей измерительных проводников, которые расположены в областях пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой, второй и третьей измерительной части с двумерными областями. Данные площади рассчитаны с помощью графической компьютерной программы при графическом моделировании. Величины размеров приведены в миллиметрах, площади - в квадратных миллиметрах. Чертежи вписаны в поле листа формата А4 без соблюдения масштаба.
Для определения величины координаты геометрического центра двумерной области по одной оси для данного варианта системы проводников справедливы следующие выражения.
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первой измерительной части в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второй измерительной части в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y3 системы координат третьей измерительной части в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников по оси ординат Y1 системы координат первой измерительной части (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников по оси ординат Y2 системы координат второй измерительной части (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников по оси ординат Y3 системы координат третьей измерительной части (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат первой измерительной части относительно измерительных проводников по оси ординат Y1;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат второй измерительной части относительно измерительных проводников по оси ординат Y2;
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат третьей измерительной части относительно измерительных проводников по оси ординат Y3;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников третей измерительной части с двумерной областью.
Где: 
- длина трапеций измерительных проводников;
- ширина больших оснований трапеций 633 измерительных проводников первой измерительной части;
- ширина малых оснований трапеций 632 измерительных проводников первой измерительной части.
В связи с тем, что для каждой измерительной части величина избыточной емкости измерительной части системы измерительных проводников пропорциональна площади пересечения геометрических фигур измерительных проводников с двумерной областью, величины координат геометрического центра можно выразить в следующем виде.
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников первой измерительной части;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников второй измерительной части;
- величина суммы электрических емкостей измерительных проводников третьей измерительной части;
- величины сумм электрических емкостей измерительных проводников первой, второй и третей измерительной части соответственно, в отсутствие тела.
Для системы проводников, показанной на фиг.49, 50, 51 величина ширины больших оснований трапеций равна 
величина ширины малых оснований трапеций 
длина трапеций 
Подставляя эти величины в математические выражения получаем величины коэффициентов для расчетов в таблице №2 математических выражений.
Эти величины коэффициентов использовались для расчета координат геометрического центра двумерных областей в таблице №2 с данными геометрического моделирования.
Для определения координат геометрического центра двумерной области достаточно иметь информацию по координатам геометрического центра по двум осям. Например, координаты геометрического центра двумерной области могут быть вычислены по двум осям ординат в соответствии с выражениями (76), (77), (78).
Данные выражения отличаются от выражений (64), (65) и (66) тем, что площадь проводников S3 третьей измерительной части берется с коэффициентом 2.
Соответствующим образом изменяются и выражения для избыточных электрических емкостей (83), (84) и (85) измерительных проводников измерительных частей, в которых избыточные электрические емкости проводников третьей измерительной части умножаются на коэффициент 2.
С целью проверки соответствия выражений (76) (77) и (78) реализации целевой функции, заключающейся в определении системой проводников координат геометрических центров двумерных областей, можно сравнить измеренные графическим путем величины координат геометрических центров фигур двумерных областей, которые показаны на чертеже, и эти же величины координат, рассчитанные теоретически по указанным формулам, на основе данных по площадям геометрических фигур измерительных проводников в областях пересечения двумерных областей фигур с фигурами измерительных проводников. Результаты сравнения приведены в таблице №2.
Площади, обозначенные звездочкой * соответствуют площадям соответствующих фигур на чертеже фиг.57, умноженные на 2.
Расчеты координат геометрических центров фигур проводились по формулам (76) (77) и (78). При этом масштабный коэффициент (коэффициент чувствительности) соответствует коэффициенту 
в формулах, а коэффициент смещения (расположения) начала системы координат - коэффициенту 
. Фактические величины координат геометрических центров измерялись относительно соответствующих осей абсцисс систем координат измерительных частей по чертежу. Размеры приведены в миллиметрах. Относительное отклонение рассчитывалось по отношению к величине высоты измерительной области - 400 мм. Масштаб чертежа при его размещении в границах формата листа А4 не соблюден.
Результаты графического моделирования показывают, что расчетные величины координат геометрических центров двумерных областей для данных геометрических фигур с относительно высокой точностью совпадают с фактически измереннымикоординатами. Величины относительных отклонений не превышают 0,2%.т
Результаты графического моделирования подтверждают, что математические выражения (76), (77), (78) для вычисления координат геометрического центра двумерной области и геометрические построения, которые отражены в виде признаков изобретения в формуле изобретения для варианта 4.3 системы проводников, являются правильными и обеспечивают реализацию целевой функции.
4.3.1 Описание принципа действия системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области для варианта 4.3
Описание принципа действия сводится к описанию варианта 1.1, который рассмотрен в основной части раздела описания изобретения, а также сводится к варианту 1.5, который основан на варианте 1.1 и образован путем применения электрической схемы соединения двух измерительных частей измерительных проводников, принадлежащих разным множествам, с выделением третьего множества и третьей измерительной части. При этом схема соединений не изменяет конструкцию системы проводников варианта 1.1. Реализация целевой функции системы проводников в описании вариантов 1.1 и 1.5 доказана.
Признаки изобретения для варианта 1.5 рассмотрены под пунктами 1.1, 1.2, 1.3 и 1.5 описания системы проводников.
В п. 1.1 рассмотрен принцип действия системы проводников, содержащей систему измерительных проводников, состоящую из четырех измерительных частей. Признаки изобретения этой системы изложены в п. 2 формулы изобретения. В этом варианте измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группыизмерительных проводников, при этом группы измерительных проводников расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных проводников первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества измерительные проводники первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные проводники второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.
В п. 4 формулы изобретения конкретизирована форма измерительных проводников в виде трапеций. Причем для группы измерительных проводников входящих в первое множество, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол по отношению к оси ординат системы координат первого множества, для групп измерительных проводников входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу.
В соответствии с п. 7 формулы изобретения в схеме соединений измерительных проводников и подключений выводов измерительные проводники одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с измерительными проводниками одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
Соединенные измерительные части рассматриваются как отдельная измерительная часть, в результате чего получается система измерительных проводников, состоящая из трех измерительных частей.
Получившаяся система измерительных проводников в границах измерительной области аналогична системе измерительных проводников по варианту 4.3, показанной на фиг.58. В обоих случаях используются измерительные проводники в форме трапеций. Отличие связано с тем, что количество трапеций третьей измерительной части в варианте 1.5 (фиг.13) равно количеству трапеций других измерительных частей в сумме, а в варианте 4.3 (фиг.54) трапеций в третьей измерительной части в 2 раза меньше. Однако, учитывая, что площади трапеций в варианте 4.3 в математическом выражении (72) умножается на 2, в систему проводников этого варианта можно ввести удвоенный набор трапеций третьей измерительной части, расположить трапеции аналогично варианту 1.5 и учитывать эти трапеции без коэффициента. В этом случае графическое изображение системы измерительных проводников вариантов 1.5 и 4.3 будет практически идентичным.
В описании изобретения по варианту 1.5 приведены формулы (29), (30), позволяющие найти электрические избыточные емкости измерительных частей системы измерительных проводников, которые были соединены, по отдельности. В связи с тем, что избыточные емкости пропорциональны площади геометрической фигуры проводников в области их пересечения с двумерной областью, можно записать соответствующие выражения для площадей (91) и (92), которые приведены в разделе под пунктом 6.1 для варианта 1.5.
Эти формулы (91) и (92) можно применить для разделения на две измерительные части проводников третьей измерительной части по варианту 4.3 после процедуры их удвоения. То есть совершить процедуру разъединения, которая противоположна электрическому соединению трапеций путем примыкания их сторон. При этом разъединенные части трапеций можно включить в состав соответствующих групп проводников первого и второго множеств. В этом случае входящие в каждую группу трапеции имеют одинаковый наклон боковых сторон и расположены верхними основаниями в противоположных направлениях, в связи с чем, дополняют друг друга до образования постоянной ширины. При этом ширина любой из трапеций группы линейно изменяется в функции расстояния вдоль соответствующей оси ординат. Это соответствует основным признакам формулы п. 2 изобретения для системы проводников, которая рассматривалась в варианте под п. 1.1. В результате получаем исходную систему проводников, содержащую четыре измерительные части измерительных проводников. Реализация целевой функции, заключающейся в определении координат геометрического центра двумерной области, для этой системы проводников доказана.
Эти логические выкладки можно проверить. Если логические выкладки правильные, то координаты геометрических центров геометрических фигур можно дополнительно рассчитать с использованием конечных формул (93) и (94), приведенных под пунктом 6.1, которые выведены для варианта системы проводников 1.5.
Результаты расчетов геометрических центров фигур для варианта 4.3 системы проводников с использованием формул (93) и (94) приведены в таблице №3.
Сравнение результатов расчетов величин координат геометрических центров с использованием формул (93) и (94), которые выведены для варианта системы проводников по п. 1.5 и приведены в таблице №3, показало, что эти результаты совпадают, по меньшей мере, с точностью до пяти знаков после запятой, с соответствующими результатами расчетов величин координат геометрических центров двумерных областей геометрических фигур, выполненных по формулам (76), (77), которые выведены для системы проводников по варианту 4.3 и приведены в таблице №2.
В связи с чем, можно сделать вывод что, несмотря на использование различных методов построения конструкций систем проводников по вариантам 1.5 и 4.3 и разные формулы изобретения для систем проводников для определения координат геометрических центров двумерных областей, эти варианты в своей сущности отражают единый математический формализм и отражают единую сущность изобретения.
5. ВАРИАНТЫ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ, СВЯЗАННЫЕ С КОНСТРУКЦИЕЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПО ОТНОШЕНИЮ К ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРОВОДНИКАМ ЭЛЕМЕНТОВ
5.1 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением измерительных проводников на одной или нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки
Особенности варианта показаны на фиг. 59.
Вариант предназначен для группы вариантов изобретения, в которых используются измерительные проводники из электропроводящего материала с толщиной много меньше размеров измерительных проводников, например, печатные проводники. Измерительные проводники расположены на поверхности диэлектрической подложки или на поверхности слоя диэлектрической подложки. На фиг. 59 показана система измерительных проводников 701 содержащая многослойную диэлектрическую подложку 711 в виде плоской пластины.
С использованием варианта с расположением измерительных проводников 712 на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки 711, диэлектрическая подложка с измерительными проводниками выполнена многослойной, при этом измерительные проводники 712 измерительных частей расположены на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки. На фиг. 59 показано размещение измерительных проводников на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки. Дополнительный слой с проводниками обозначен цифрой 713. Конструктивно измерительные проводники могут быть нанесены с помощью фотолитографии на один слой диэлектрической подложки с разных сторон слоя, например, на слой 713 или с одной стороны отдельных слоев 713 и 714, которые наложены друг на друга и соединены между собой. При этом измерительные проводники, расположенные на разных поверхностях слоев подложки, изолированы друг от друга. Слой 715 диэлектрической подложки выполняет функцию изоляции измерительных проводников снаружи.
Вариант с расположением измерительных проводников на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки может найти применение в случае необходимости пересечения измерительных проводников или их выводов на диэлектрической подложке.
5.2 Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с деформируемым слоем диэлектрической подложки
Особенности варианта системы проводников показаны на фиг. 60. На фиг. 61 дополнительно показан палец руки.
Вариант основан на свойстве системы измерительных проводников учитывать веса участков двумерной области при деформации слоев.
В этом варианте система проводников 702 дополнительно содержит деформируемый слой 716 диэлектрической подложки, который выполнен с возможностью упругой деформации по толщине в отдельных областях слоя. Деформируемый диэлектрический слой расположен поверх слоя с измерительными проводниками 712 диэлектрической подложки 717. На наружной стороне деформируемого слоя 716 нанесен растягивающийся проводник 718, который подключен к общему проводнику 726 блока электроники.
Принцип действия системы проводников заключается в следующем.
К измерительной области диэлектрической подложки прикасаются электропроводящим или диэлектрическим телом, например, пальцем руки 719, который деформирует слой подложки 716 до заданной глубины. В этом случае, с уменьшением толщины диэлектрического слоя в области пересечения двумерной области соприкосновения тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными проводниками 712 измерительных частей и растягивающимся проводником 718.
Деформируемый диэлектрический слой и растягивающийся проводник 718 могут быть выполнены в виде дополнительной накладки, которая устанавливается поверх защитного изолирующего слоя системы проводников сенсорного экрана или панели. Поверх растягивающегося проводника может быть расположен защитный диэлектрический слой.
Наличие подключения растягивающегося проводника к общему проводнику блока электроники необязательно. Система проводников в состоянии определять геометрический центр двумерной области за счет отличия взаимной емкости растягивающегося проводника и измерительных проводников в зоне прикосновения от средней величины взаимной емкости. При этом растягивающийся проводник в любом случае имеет ненулевую собственную емкость, а его средний потенциал может быть «плавающим».
Вариант может найти применение в сенсорных экранах или панелях для жестких условий эксплуатации, когда возможно попадание на сенсорный экран или сенсорную панель воды, а также в условиях сильных электромагнитных помех. Сенсорный экран или панель по этому варианту также может найти применение в системах, где важна конфиденциальность информации, т.к. растягивающийся проводник обеспечивает экранирование электромагнитного излучения от дисплея, а также от самого сенсорного экрана или сенсорной панели.
В сенсорной системе роботов этот вариант может быть использован для реализации тактильных ощущений, например, при конструировании электронной кожи пальцев манипулятора робота.
5.3. Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что диэлектрическая подложка и расположенные на ней проводники выполнены практически прозрачными
Вариант характеризуется тем, что, диэлектрическая подложка и проводники выполнены практически прозрачными. В этом варианте подложка, например, может быть изготовлена из стекла, а проводники из оксида индия-олова. Вариант системы проводников используется в случае расположения диэлектрической подложки с измерительными проводниками поверх поверхности дисплея, в составе сенсорного экрана. Прозрачность проводников может быть реализована не только за счет использования практически прозрачного проводника. Например, экранирующий или общий проводник, расположенный со стороны пластины, противоположной стороне с проводниками, может быть выполнен в виде сетки из непрозрачного проводника.
5.4.Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с измерительными проводниками, имеющими жесткий профиль, с креплением проводников на диэлектрических опорных элементах
Вариант системы проводников соответствует п. 31 формулы изобретения. Особенности варианта системы проводников показаны на фиг. 62.
Система проводников 703 содержит систему измерительных проводников 712, элементы 720 из диэлектрического материала для крепления измерительных проводников, экранирующий элемент 721 из проводящего материала, который расположен со стороныизмерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области 723 системы проводников. Экранирующий элемент 721 выполняет функции экранирования измерительных проводников 712, а также входит в систему их крепления.
На разрезе В-В показан профиль измерительных проводников. В отличие от варианта с печатными проводниками, которые нанесены на поверхность диэлектрической подложки, проводники выполнены с жесткими профилями. При этом профиль проводников имеет две части поверхности. Каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность 724, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области 723. Дополнительно, проводник имеет поверхность 725, которая обращена внутрь системы проводников, в сторону, которая противоположна измерительной области. Эта часть поверхности определяет механическую жесткость каждого из измерительных проводников, затрудняющую его изгиб. При этом каждый измерительный проводник закреплен своими концами на диэлектрических элементах 720, которые в свою очередь закреплены на экранирующем элементе 721, который также выполнен в виде жесткой конструкции.
В системе проводников по этому варианту для крепления проводников использованы опорные элементы в виде диэлектрических пластинок, расположенных на концах измерительных проводников. В варианте изобретения диэлектрическая подложка не используется. Анализ показывает, что в случае отсутствия диэлектрической подложки, расположенной между измерительными проводниками 712 и экранирующим элементом 721 увеличивается стабильность и точность определения системой проводников геометрического центра двумерной области. Дело в том, что величины диэлектрической проницаемости частей диэлектрической подложки существенно зависят от температуры. При этом локальный нагрев части подложки может исказить координаты геометрического центра двумерной области. Отсутствие в конструкции системы проводников диэлектрической подложки практически исключает источник этой погрешности. В варианте системы проводников пространство 726 между измерительными проводниками и экранирующем элементом может быть заполнено, например, воздухом или вакуумировано. Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха практически не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость вакуума является постоянной величиной. Поэтому погрешность определения геометрического центра, возникающая в результате неравномерного нагрева конструкции системы проводников, в этом варианте сведена к минимуму.
В варианте системы проводников используется профиль измерительных проводников, который обеспечивает необходимую жесткость проводников.
Характеристики этого профиля влияют на взаимную емкость между измерительными проводниками и экранирующим проводником. Взаимная емкость, в основном, образуется за счет поверхности 725 измерительных проводников 712, которая обращена в сторону экранирующего проводника 721. В связи с тем, что величина диэлектрической проницаемости среды между измерительными проводниками и экранирующим проводником является практически постоянной величиной, а взаимное расположение конструкционных элементов стабильно, для каждой из измерительных частей измерительных проводников взаимную емкость можно учесть в составе постоянных коэффициентов, которые обозначены в формулах (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра, в виде собственных емкостей 
измерительных проводников измерительных частей, в отсутствие тела. В результате, влияние составляющей взаимных емкостей, которое определяется параметрами конструкции профилей измерительных проводников на величины координат геометрического центра двумерной области, можно практически исключить. В связи с этим, с целевой функцией системы проводников связана только электропроводящая поверхность 724 измерительных проводников, которая расположена со стороны измерительной области 723 в границе измерительной области.
Поверхность каждого измерительного проводника, расположенная со стороны измерительной области, является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области. Поэтому в качестве существенного признака в независимых пунктах п. 1 и п. 16 формулы изобретения использована следующая формулировка: «измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей заданной в границе измерительной области».
В предыдущих вариантах, с целью упрощения описания сущности изобретения, для крепления измерительных проводников и придания заданной формы их поверхности использовалась диэлектрическая подложка. Как показано в этом варианте изобретения, расположение измерительных проводников на поверхности диэлектрической подложки, и выполнение проводников с небольшой толщиной для придания заданной формы наружной поверхности измерительных проводников, не являются обязательными.
На фиг.63 показан вариант системы проводников 704, в котором экранирующий элемент 730 имеет неровную поверхность 731, которая обращена в сторону измерительных проводников 712. Дополнительно, на экранирующем элементе 730 в электропроводящем корпусе закреплен блок 732 аналого-цифрового преобразователя емкость - цифровой код, который подключен соединительными проводниками 733 к выводам измерительных частей системы проводников. Цифрой 734 обозначены проводники цифровой линия связи.
Неровная поверхность 731 экранирующего элемента и закрепленные на этой поверхности проводящие конструкции влияют на взаимную емкость между измерительными проводниками и экранирующим элементом. В связи с тем, что влияние этой взаимной емкости может быть практически полностью скомпенсировано за счет задания постоянных коэффициентов, которые обозначены в формулах (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области, в виде величин емкостей, C01,M1, С01,М2, С02,М2, неровности поверхности 731 экранирующего
элемента 730, и наличие на экранирующем элементе электропроводящих тел практически не оказывает влияние на реализацию целевой функции системы проводников.
В описании варианта использована плоская гладкая поверхность, которая задана для поверхности измерительных проводников в границах измерительной области. В тоже время, возможно использование изогнутой или криволинейной поверхности, или комбинации из разных типов гладких поверхностей.
Описанная конструкция существенно расширяет область применения системы проводников за счет возможности более свободного размещения конструктивных элементов, составляющих систему. Что может быть полезным, например, при конструировании сенсорной системы роботов.
5.5. Вариант системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, характеризующийся наличием измерительных проводников небольшой толщины, закрепленных на мембране из диэлектрического материала, которая закреплена с натяжением на опорных элементах
Вариант системы проводников соответствует п. 32 формулы изобретения. Особенности варианта системы проводников показаны на фиг. 64.
Система проводников 705 содержит систему измерительных проводников 740, которые выполнены тонкими, и закреплены на мембране 741 из диэлектрического материала, которая закреплена с натяжением на опорных элементах 742. Опорные элементы в свою очередь закреплены на экранирующем элементе 743. Экранирующий элемент 743 выполнен из проводящего материала, и расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области 747 системы проводников. Экранирующий элемент 743 выполняет функции экранирования измерительных проводников 740, а также входит в систему их крепления.
Внутренняя поверхность мембраны 741 с измерительными проводниками 740 расположена с промежутком 746 относительно поверхности экранирующего элемента 743. Ширина промежутка в наиболее узком месте выбрана много больше величины толщины мембраны 741. Промежуток между мембраной и экранирующим элементом заполнен, например, воздухом или вакуумирован.
При анализе погрешности, связанной с нестабильностью величины диэлектрической проницаемости материала мембраны при неравномерном нагреве мембраны 741 необходимо учитывать то, что толщина мембраны выбрана много меньше ширины промежутка. Поэтому основная часть взаимной емкости между измерительными проводниками 740 и экранирующим элементом 743 будет определяться наличием промежутка 746.
В этом случае вариант по своим свойствам будет практически эквивалентен варианту 5.4, с системой измерительных проводников, конструкция которых не имеет диэлектрических элементов в промежутке между измерительными проводниками и экранирующим элементом.
В этом варианте измерительные проводники имеют со стороны измерительной области поверхность, которая обращена наружу, и поверхность, которая обращена внутрь, в сторону, противоположную стороне измерительной области. Как показано в описании варианта 5.4 форма внутренней поверхности проводников 745 не оказывает влияния на реализацию целевой функции системы проводников. Поэтому в качестве существенного признака в независимых пунктах п. 1 и п. 16 формулы изобретения допустима следующая формулировка: «каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей заданной в границе измерительной области».
Преимуществом системы проводников по этому варианту в сравнении с вариантом 5.4 является упрощение технологического процесса изготовления измерительных проводников.
6. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕРКИ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛЕВОЙ ФУНКЦИИ СИСТЕМОЙ ПРОВОДНИКОВ ПО ВАРИАНТАМ 1.5 и 1.4 МЕТОДОМ ГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В данном разделе приведены результаты проверки реализации целевой функции системами проводников методом графического моделирования.
6.1 Результаты графического моделирования системы измерительных проводников, выполненной по варианту 1.5
Вариант 1.5 характеризуется тем, что система измерительных проводников состоит из трех измерительных частей. Система измерительных проводников получена путем электрического соединения проводников одноименных измерительных частей двух множеств системы измерительных проводников по варианту 1.1, состоящей из четырех измерительных частей.
В описании варианта 1.1 приведена формула (9) для расчета геометрического центра двумерной области по одной оси для одного множества измерительных проводников. Применительно к данному варианту эту формулу можно записать для двух множеств проводников, каждое из которых имеет свою систему координат, в виде выражений
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- коэффициент, определяющий чувствительность системы измерительных проводников (масштабный коэффициент);
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат (коэффициент смещения начала системы координат);
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части первого множества с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части первого множества с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части второго множества с двумерной областью;
- величина площади области пересечения геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части второго множества с двумерной областью.
В связи с тем, что одноименные измерительные части (к которым относятся площади 
) варианта с четырьмя измерительными частями электрически соединены, для того чтобы использовать формулы варианта 1.1, в описании варианта 1.5 предложены формулы (29) и (30) для восстановления величин избыточных электрических емкостей соединенных измерительных частей. В связи с тем, что избыточные емкости пропорциональны площадям геометрических фигур проводников в области их пересечения с двумерной областью, выражения (29) и (30) можно записать для площадей
Где:
- величина суммы площадей измерительных проводников соединенных измерительных частей в области пересечения проводников с двумерной областью;
- величина суммы площадей измерительных проводников первого, второго и третьего множеств измерительных проводников в области пересечения измерительных проводников с двумерной областью.
Подставляя в выражения (91) и (92) взамен 
в правые части выражений (89) и (90), получаем
Данные формулы (93) и (94) можно использовать для определения величин координат двумерной области путем графического моделирования.
На фиг.66 показана система измерительных проводников 756, которая описана в варианте 1.5, Эта система аналогична системе измерительных проводников показанной на фиг.12, фиг.13 и фиг.14, и адаптирована для графического моделирования. Для цели графического моделирования в измерительной области 759 системы проводников размещены двумерные области в форме круга 758 и треугольника 757, для которых с помощью системы проводников определяют координаты геометрических центров двумерных областей. На геометрических фигурах крестиками обозначены известные для этих фигур геометрические центры. Штриховкой выделены области измерительных проводников, которые расположены в областях пересечения геометрических фигур измерительных проводников первого, второго и третьего множеств, с двумерными областями геометрических фигур. Направления штриховки совпадают с направлениями осей ординат систем координат соответствующих множеств измерительных проводников. На размерных выносках приведены фактически измеренные графическим методом величины координат геометрических центров для двумерных областей относительно соответствующих осей абсцисс систем координат множеств измерительных проводников. Дополнительно, на фигурах приведены величины площадей измерительных проводников, которые расположены в областях пересечения геометрических фигур измерительных проводников первого, второго и третьего множеств с двумерными областями. Данные площади рассчитаны с помощью графической компьютерной программы при графическом моделировании. Величины размеров приведены в миллиметрах, площади - в квадратных миллиметрах. Чертежи вписаны в поле листа формата А4 без соблюдения масштаба.
С целью проверки соответствия выражений (93) и (94) реализации целевой функции по определению координат геометрических центров двумерных областей, можно сравнить измеренные графическим методом величины координат геометрических центров фигур двумерных областей и эти же величины координат, полученные с помощью системы измерительных проводников и рассчитанные по формулам (93) и (94).
Результаты сравнения приведены в таблице №4.
Расчеты координат геометрических центров фигур производились по формулам (93) и (94). Размеры приведены в миллиметрах. Относительное отклонение рассчитывалось по отношению к величине высоты измерительной области - 400 мм. Масштаб чертежа фиг.66 на листе формата А4 не соблюден.
Результаты графического моделирования показывают, что расчетные величины координат геометрических центров двумерных областей для данных геометрических фигур с относительно высокой точностью совпадают с фактически измеренными координатами. Величины относительного отклонения не превышают 0,2%. Отклонения объясняются погрешностью кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Результаты графического моделирования подтверждают, что математические формулы для вычисления координат геометрического центра двумерной области и геометрические построения, отраженные в формуле изобретения для варианта 1.5 системы проводников, являются правильными и обеспечивают реализацию целевой функции.
6.2 Результаты графического моделирования варианта системы измерительных проводников по варианту 1.4
Вариант 1.4 характеризуется тем, что система измерительных проводников состоит из трех измерительных частей. Система измерительных проводников получена путем электрического соединения проводников разноименных измерительных частей двух множеств системы измерительных проводников по варианту 1.1, которая состоит из четырех измерительных частей.
В связи с тем, что разноименные измерительные части варианта 1.1 с четырьмя измерительными частями электрически соединены, для того чтобы можно было использовать формулы (25) и (26) варианта 1.1 для вычисления геометрического центра двумерной области в описании варианта 1.4 предложены формулы (27) и (28) для восстановления величин избыточных электрических емкостей соединенных измерительных частей. В связи с тем, что избыточные емкости пропорциональны площадям геометрических фигур проводников в области их пересечения с двумерной областью, выражения (27) и (28) можно записать для площадей
Где:
- величина суммы площадей измерительных проводников соединенных измерительных частей в области пересечения проводников с двумерной областью;
- величина суммы площадей измерительных проводников первого, второго и третьего множеств измерительных проводников в области пересечения измерительных проводников с двумерной областью.
Подставляя в выражения (95) и (96) для вычисления координат геометрического центра двумерной области для системы измерительных проводников с четырьмя измерительными частями взамен 
в соответствующие правые части выражений (89) и (90), получаем
Полученные формулы (97) и (98) для вычисления координат геометрического центра для вариант 1.4 можно использовать для комплексной проверки с точки зрения использованных алгоритмов и правильности геометрических построений системы измерительных проводников для подтверждения реализации системой проводников целевой функции, методом графического моделирования системы измерительных проводников.
На фиг.65 показана система измерительных проводников 751, описанная в варианте 1.4. Эта система измерительных проводников аналогична системе измерительных проводников, которая показана на фиг.10 и фиг.11 и адаптирована для графического моделирования. Для цели графического моделирования в измерительной области 755 системы проводников размещены двумерные области в форме, круга 753, прямоугольника 752 и треугольника 754, для которых с помощью системы измерительных проводников определяют координаты геометрических центров двумерных областей. На геометрических фигурах крестиками обозначены известные для этих фигур геометрические центры. Штриховкой выделены области измерительных проводников, которые расположены в областях пересечения геометрических фигур измерительных проводников первого, второго и третьего множеств, с двумерными областями геометрических фигур. Направления штриховки совпадают с направлениями осей ординат систем координат соответствующих множеств измерительных проводников. На размерных выносках приведены фактически измеренные графическим методом величины координат геометрических центров для двумерных областей относительно соответствующих осей абсцисс систем координат множеств измерительных проводников. Дополнительно, на фигурах приведены величины площадей измерительных проводников, которые расположены в областях пересечения геометрических фигур измерительных проводников первого, второго и третьего множеств с двумерными областями. Данные площади рассчитаны с помощью графической компьютерной программы при графическом моделировании. Величины размеров приведены в миллиметрах, площади - в квадратных миллиметрах. Чертежи вписаны в поле листа формата А4 без соблюдения масштаба.
С целью проверки соответствия выражений (97) и (98) реализации целевой функции по определению координат геометрических центров двумерных областей, можно сравнить измеренные графическим методом величины координат геометрических центров фигур двумерных областей и эти же величины координат, полученные с помощью системы измерительных проводников и рассчитанные по формулам (97) и (98). Результаты сравнения приведены в таблице №5.
Расчеты координат геометрических центров фигур проводились по формулам (97) и (98). Размеры приведены в миллиметрах. Относительное отклонение рассчитывалось по отношению к величине высоты измерительной области - 400 мм. Масштаб чертежа на фиг.65 на листе формата А4 не соблюден.
Результаты графического моделирования показывают, что расчетные величины координат геометрических центров двумерных областей для данных геометрических фигур с относительно высокой точностью совпадают с фактически измеренными координатами. Величины относительного отклонения не превышают 0,2%. Отклонения объясняются погрешностью кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области.
Результаты графического моделирования подтверждают, что математические формулы для вычисления координат геометрического центра двумерной области и геометрические построения, отраженные в формуле изобретения для варианта 1.4 системы проводников, являются правильными и обеспечивают реализацию целевой функции.
7. КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ
Комбинированная система проводников предназначена для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала или определения координат геометрического центра плоского тела выполненного из электропроводящего материала или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела.
Комбинированная система проводников соответствует п. 33 формулы изобретения.
Особенности комбинированной системы и принцип действия показаны на фиг. 67-79. На фиг. 67 приведена конструкция комбинированной системы проводников для определения координат геометрического центра диэлектрического или электропроводящего тела. На фиг.68 дополнительно показано плоское электропроводящее тело, которое расположено между обращенными друг на друга измерительными областями двух систем проводников, а также показаны силовые линии электрического поля, которые образованы системами проводников и диэлектрическим телом, по отдельности. На фиг. 69 эти же линии показаны в сумме. На фиг. 70 взамен электропроводящего тела, между измерительными областями систем проводников расположено плоское тело из однородного диэлектрического материала и показаны силовые линии электрического поля в сумме от систем проводников и от плоского диэлектрического тела. На фиг. 71 и 72 приведены схемы замещения в виде эквивалентных конденсаторов. На фиг. 73 и 74 показано тело из диэлектрического однородного материала в форме шара, размещенного между измерительными областями систем проводников и силовые лини электрического поля. На фиг.74 приведены силовые линии в виде векторной суммы.
Фигуры 75 и 76 предназначены для пояснения способа определения координат геометрического центра тела из однородного диэлектрического материала. На фиг. 75 показана комбинированная система проводников, состоящая из первой и второй систем проводников с измерительными областями плоской формы. На фиг. 76 показана комбинированная система проводников, которая повернута вокруг оси X на заданный угол относительно диэлектрического тела.
На фигурах 77, 78 и 79 показана конструкция варианта комбинированной системы проводников с криволинейными поверхностями измерительных областей и принцип ее действия.
Комбинированная система проводников характеризуется следующими признаками изобретения.
Комбинированная система проводников, содержащая две системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Измерительные области систем проводников расположены с промежутком друг относительно друга и направлены друг на друга. Каждая система проводников, входящая в комбинированную систему, содержит измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практическигладкой поверхности, заданной в границе измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, элементы из диэлектрического материала, выполняющие функцию крепления и изоляции измерительных проводников. В каждой системе проводников измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области. Координаты по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала или координаты геометрического центра плоского тела выполненного из электропроводящего материала или координаты условного центра электропроводящей поверхности тела выражены в виде величин координат геометрического центра двумерной области, которая образуется на поверхности измерительной области каждой системы проводников.
Принцип действия комбинированной системы проводников связан со следующим. В промежутке между измерительными областями размещают тело из электропроводящего или диэлектрического материала. С помощью систем проводников определяют координаты геометрических центров двумерных областей, которые образуются на поверхностях измерительных областей первой и второй систем проводников вследствие искажения электрического поля между измерительными областями под воздействием тела. При этом, в сопоставлении с геометрическими центрами этих областей, определяют геометрический центр двумерной области плоских тел из однородного электропроводящего или диэлектрического материала. Для плоских тел геометрический центр плоской области тела можно точно сопоставить с геометрическим центром двумерной области. Для диэлектрических тел произвольной формы из однородного материала имеется возможность определения геометрического центра в двух координатах с учетом всего объема тела. Для тел из электропроводного материала геометрический центр по двум осям можно сопоставить с геометрическим центром двумерной области только приблизительно. Для диэлектрических тел с использованием двух проекций электрического поля тела на измерительные области систем проводников можно определить геометрический центр тела произвольной формы, выраженный в трех координатах.
Комбинированная система проводников по п. 7 имеет несколько вариантов.
В п. 7.1 описана комбинированная система проводников, в которой каждая система проводников содержит измерительные проводники, имеющие со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности. В дополнительных пунктах описано применение этой комбинированной системы проводников для разных условий применения.
В п. 7.1.1 описан принцип действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат геометрического центра двумерной поверхности плоского электропроводящего тела. В п. 7.1.2 описан принцип действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат геометрического центра двумерной поверхности плоского диэлектрического тела. В п. 7.1.3 описан принцип действия комбинированной системы проводников для определения координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала.
В п. 7.2 приведен способ для определения координат геометрического центра тела из однородного диэлектрического материала с использованием комбинированной системы проводников по варианту 7.1.
В п. 7.3 описана комбинированная система проводников, содержащая системы проводников с множеством измерительных областей и криволинейной поверхностью общей измерительной области.
7.1 Комбинированная система проводников, в которой каждая система проводников содержит измерительные проводники, имеющие со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности, для определения координат по двум осям геометрического центра плоского тела, выполненного из электропроводящего материала или геометрического центра тела произвольной формы, выполненного из однородного диэлектрического материала
Комбинированная система проводников по варианту 7.1 рассматривается как вариант комбинированной системы проводников, признаки которой приведены в формуле изобретения по п. 33 которая описана в и. 7. Комбинированная система проводников по варианту соответствует п. 34 формулы изобретения.
Комбинированная система проводников по варианту характеризуется следующими признаками изобретения.
Комбинированная система проводников по п. 34 формулы изобретения, отличающаяся тем, что каждая система проводников, входящая в комбинированную систему, содержит измерительные проводники, которые имеют со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности, заданной в границе измерительной области, измерительные проводники измерительных областей двух систем проводников выполнены зеркально идентичными при этом, в ортогональной проекции на любую плоскость измерительных областей фигуры измерительных проводников совпадают между собой.
Особенности комбинированной системы и принцип действия показаны на фиг. 67- 72.
На фиг. 67 приведена конструкция комбинированной системы проводников для определения координат геометрического центра диэлектрического или электропроводящего тела. На фиг. 68 дополнительно показано плоское электропроводящее тело, которое расположено между обращенными друг на друга измерительными областями двух систем проводников, а также показаны силовые линии электрического поля, которые образованы системами проводников и диэлектрическим телом, по отдельности. На фиг. 69 эти же линии показаны в сумме. На фиг. 70 взамен электропроводящего тела, между измерительными областями систем проводников расположено плоское тело из однородного диэлектрического материала и показаны силовые линии электрического поля в сумме от двух систем проводников и от плоского диэлектрического тела. На фиг. 71 и 72 приведены схемы замещения в виде эквивалентных конденсаторов. Принцип действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала пояснен на фиг. 73 и 74.
Показанная на фиг. 67 комбинированная система проводников 801 для определения координат геометрического центра плоского тела, выполненного из однородного электропроводящего или диэлектрического материала, содержит две системы проводников - первую 810 и вторую 811. Первая и вторая системы проводников содержат измерительные проводники 812 и 813, которые имеют со сторон измерительных областей 814 и 815 поверхности, которые являются частями практически гладких плоских поверхностей соответствующих измерительных областей 814 и 815. Измерительные проводники выполнены тонкими и закреплены на диэлектрических подложках 816 и 817, которые выполнены в виде плоских пластин. Измерительные области 814 и 815 первой и второй системы проводников расположены с промежутком друг относительно друга, направлены друг на друга и расположены параллельно. Измерительные проводники измерительных областей выполнены зеркально идентичными. При этом в ортогональной проекции на любую плоскость измерительных областей геометрические фигуры измерительных проводников совпадают между собой.
На фиг.68 дополнительно показано плоское электропроводящее тело 820, которое, распложено в промежутке между плоскостями измерительных областей 814 и 815. Показаны силовые линии электрического поля. Силовые линии состоят из двух частей. Первая часть силовых линий 821 формируется между измерительными проводниками двух измерительных областей (линии электрической индукции), в результате подачи на измерительные проводники возмущающего напряжения. Вторая часть включает силовые линии 822, образованные в результате поляризации заряда электропроводящего тела 820 в результате электрической индукции. Силовые линии показаны в статике.
На фиг.69 приведены силовые линии двух частей электрического поля в виде векторной суммы. Дополнительно обозначены: буквой d - ширина промежутка между плоскостями измерительных областей 814 и 815, символом d1 - толщина плоского электропроводящего тела, буквой X - величина промежутка между нижней поверхностью тела и поверхностью измерительной области 815. Буквой Бэт обозначена площадь одной из двух плоских поверхностей электропроводящего тела 820.
На фиг.70 приведена комбинированная система проводников, где показано плоское тело из однородного диэлектрического материала 823, которое, распложено в промежутке между плоскостями измерительных областей 814 и 815. Показаны силовые линии электрического поля в виде векторной суммы. Дополнительно обозначены: буквой d - ширина промежутка между плоскостями измерительных областей 814 и 815, символом d1 - толщина плоского диэлектрического тела, буквой X - величина промежутка между нижней поверхностью тела и поверхностью измерительной области 815. Буквой 8дт обозначена площадь нижней плоскости электропроводящего тела.
7.1.1 Принцип действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат геометрического центра двумерной поверхности плоского электропроводящего тела.
Со стороны блока электроники комбинированной системы проводников на измерительные проводники первой и второй систем проводников подается возмущающее напряжение в виде симметричных волн с противоположной полярностью. В результате подачи напряжения формируется электрическое поле между проводниками 812 и 813 измерительных областей 814 и 815. При этом между соответствующими измерительными проводниками соответствующих измерительных частей первой и второй системы проводников образуются конденсаторы, емкости которых образованы за счет взаимной емкости расположенных друг против друга плоских поверхностей проводников. Это поле не выходит за пределы измерительных областей первой и второй систем проводников, поэтому влиянием внешнего окружения комбинированной системы проводников на взаимную емкость проводников, как в обычном плоском конденсаторе, можно пренебречь. Измерительные проводники первой системы проводников образуют в сумме первую обкладку плоского конденсатора, а измерительные проводники второй системы проводников образуют в сумме вторую обкладку конденсатора. Измерительные проводники измерительных частей измерительной области образуют части этого конденсатора. При этом соотношение емкости конденсаторов, связанных с измерительными частями в любой заданной области любых размеров, расположенной в границах измерительной области, определяется соотношением площадей измерительных проводников в заданной области. Соотношение площадей для заданной области единичного размера не является постоянным по всей поверхности измерительной области и определяется геометрией профилей поверхности измерительных проводников со стороны измерительной области.
В случае введения между обкладками плоского конденсатора плоского электропроводящего тела, для расчета электрической емкости конденсатора с плоскими обкладками можно использовать схему замещения, показанную на фиг.71. Общая электрическая емкость конденсатора образована тремя конденсаторами. Два конденсатора 
включены последовательно и один конденсатор 
- параллельно. Величина емкости конденсатора 
отражает избыточную емкость, которая образована между электропроводящими плоскостями измерительных проводников первой системы проводников 810 с одной стороны и верхней поверхностью плоского электропроводящего тела 820 с другой. Величина емкости конденсатора 
отражает избыточную емкость, которая образована конденсатором, обкладками которого являются поверхность измерительных проводников 813 второй системы проводников и нижней поверхностью плоского электропроводящего тела 820. Конденсатор 
имеет величину емкости, которая равна емкости между поверхностями измерительных проводников в случае отсутствия электропроводящего тела. Электрическая емкость плоского конденсатора, рассчитанная в соответствие со схемой замещения, которая показана на фиг.71, равна
Где:
- величина взаимной емкости измерительных проводников первой и второй систем проводников;
- величина взаимной емкости измерительных проводников первой и второй систем проводников в отсутствии тела;
- площадь измерительных проводников измерительных частей в области пересечения двумерной области, образованной на поверхности измерительной области с измерительной областью измерительных проводников;
- коэффициент пропорциональности между площадью в границах двумерной области и избыточной электрической емкостью измерительных проводников при введении в промежуток между измерительными областями плоского электропроводящего тела;
- диэлектрическая постоянная;
- толщина плоского электропроводящего тела;
- величина промежутка между поверхностями измерительных проводников первой и второй системы проводников.
Аналогичные формулы будут справедливы для взаимных емкостей измерительных частей первой и второй системы проводников. Для первого множества измерительных проводников можно записать следующие формулы для емкостей измерительных частей от площадей проводников этих частей.
Данные формулы по существу совпадают с формулами (1) и (3), приведенными в описании принципа действия системы проводников в варианте 1.1.
Для второго множества измерительных проводников справедливы следующие формулы.
Где:
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников первой измерительной части первого множества первой и второй систем проводников;
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников второй измерительной части первого множества первой и второй систем проводников;
- величины сумм взаимных электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно первого множества в отсутствие физического тела, первой и второй систем проводников;
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников первой измерительной части второго множества первой и второй систем проводников;
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников второй измерительной части второго множества первой и второй систем проводников;
- величины взаимных электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела первой и второй систем проводников.
Формулы для систем проводников, входящих в комбинированную систему проводников, аналогичны соответствующим формулам (1) и (3) которые использованы в варианте 1.1. Следовательно, для системы проводников справедливы математические выкладки, приведенные для доказательства реализации системами проводников функции определения координат двумерной области. Поэтому для комбинированной системы проводников можно использовать формулы, аналогичные формулам (15) или (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области.
Как следует из формул (99), (100) и связанных формул (101), (102), (103) и (104) величины взаимной электрической емкости между измерительными проводниками не зависят от положения X электропроводящего тела 820. Поэтому электропроводящее тело 820 можно расположить на близком расстоянии с поверхностью измерительной области 815. В результате получаем систему проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая аналогична рассмотренной в варианте 1.1 системы проводников. При этом, координаты геометрического центра двумерной области, образованной на поверхности измерительной области, будут практически равны координатам двумерной области плоской поверхности тела. Если тело имеет относительно небольшую ширину, координаты геометрического центра плоской поверхности тела практически равны координатам по двум осям непосредственно самого тела.
7.1.2 Принцип действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат геометрического центра двумерной поверхности плоского диэлектрического тела
Основное отличие принципа действия комбинированной системы проводников при определении геометрического центра двумерной области плоского диэлектрического тела заключается в том, что поляризация тела под воздействием внешнего электрического поля осуществляется путем ориентации диполей в диэлектрике. При этом заряды не перемещаются к поверхности тела, как в случае электропроводящего тела и нет экранирования внутренних областей тела. В этом случае меняется вид формул для вычисления зависимости избыточной емкости измерительных частей от площади поверхности плоского диэлектрического тела.
В случае введения между обкладками плоского конденсатора плоского диэлектрического тела 823, для расчета электрической емкости плоского конденсатора можно использовать схему замещения, показанную на фиг.72. Общая избыточная электрическая емкость конденсатора образована четырьмя конденсаторами. Три конденсатора 
включены последовательно и один конденсатор 
параллельно. Величина емкости конденсатора 
отражает избыточную емкость, которая образована между электропроводящими плоскостями измерительных проводников первой системы проводников 810 и верхней эквипотенциальной поверхностью диэлектрического тела 823. Величина емкости конденсатора 
отражает избыточную емкость, которая образована конденсатором, обкладками которого являются две эквипотенциальные поверхности диэлектрического тела. Величина емкости конденсатора 
отражает избыточную емкость, которая образована между нижней эквипотенциальной поверхностью диэлектрического тела и плоскостями измерительных проводников второй системы проводников 811 с другой стороны. Конденсатор 
имеет величину емкости, которая равна емкости между поверхностями измерительных проводников в случае отсутствия диэлектрического тела. Электрическая емкость плоского конденсатора, рассчитанная в соответствии со схемой замещения, которая показана на фиг.72, равна
Где:
- величина взаимной емкости измерительных проводников первой и второй систем проводников;
- величина взаимной емкости измерительных проводников первой и второй систем проводников в отсутствии тела;
- площадь измерительных проводников измерительных частей в области пересечения двумерной области, образованной на поверхности измерительной области с измерительной областью измерительных проводников;
- коэффициент пропорциональности между площадью в границах двумерной области и избыточной электрической емкостью измерительных проводников при введении в промежуток между измерительными областями плоского диэлектрического тела;
- диэлектрическая постоянная;
- относительная диэлектрическая проницаемость;
- толщина плоского диэлектрического тела;
- величина промежутка между поверхностями измерительных проводников первой и второй систем проводников.
Для взаимных емкостей можно записать формулы
Где:
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников первой измерительной части первого множества первой и второй систем проводников;
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников второй измерительной части первого множества первой и второй систем проводников;
- величины сумм взаимных электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно первого множества в отсутствие тела, первой и второй систем проводников;
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников первой измерительной части второго множества первой и второй систем проводников;
- величина взаимной электрической емкости измерительных проводников второй измерительной части второго множества первой и второй систем проводников;
- величины взаимных электрических емкостей измерительных проводников первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела первой и второй систем проводников.
При этом для вычисления координат геометрического центра двумерной области системы проводников и, соответственно, геометрического центра двумерной области плоского диэлектрического тела будут справедливы формулы (15) или (25) и (26).
Как следует из формул (105), (106) и связанных формул (107), (108), (109) и (110) в вариантах комбинированной системы проводников для определения геометрического центра плоского электропроводящего или плоского диэлектрического тела величины взаимных электрических емкостей между измерительными частями измерительных проводников не зависят от положения плоского тела. В связи с этим при смещении тела в промежутке между поверхностями измерительных областей формулы для вычисления координат геометрического центра двумерных областей систем проводников также не меняются. Поэтому комбинированная система проводников способна определить координаты геометрического центра плоского тела независимо от положения тела между поверхностями измерительных областей первой и второй систем проводников. Это свойство расширяет область применения системы проводников.
В вариантах использования комбинированной системы проводников в определении геометрического центра плоского тела из электропроводящего или диэлектрического материала возможна погрешность, которая связана с краевыми эффектами искажения 818 электрического поля на боковой границе тела (см. фиг. 68 и фиг. 69). Эту погрешность можно уменьшить за счет уменьшения относительной толщины dt / d плоского тела. Для оценки погрешности необходимо учитывать то обстоятельство, что каждая из двух систем проводников способна определять геометрический центр двумерной области в случае нечеткой границы двумерной области (см. вариант 1.15 в тексте основного описания изобретения). Также необходимо учитывать то, что комбинированная система, состоящая из двух систем проводников, определяет геометрический центр плоских поверхностей тела с двух сторон, как среднее арифметическое. При этом погрешность определения координат геометрического центра двумерной области плоского тела будет относительно небольшой. Последнее увеличивает точность определения координат геометрического центра плоского тела.
7.1.3 Принцип действия комбинированной системы проводников в варианте для определения координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала
Для определения геометрического центра диэлектрического тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, используется комбинированная система проводников, которая соответствует признакам п. 34 формулы изобретения, конструкция которой описана в варианте 7.1.
Принцип действия системы проводников при определении геометрического центра тела пояснен на фиг. 73 и 74.
Комбинированная система проводников для определения координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, содержит две системы проводников - первую 810 и вторую 811. Первая и вторая системы проводников содержат измерительные проводники 812 и 813, которые имеют со сторон измерительных областей 814 и 815 поверхности, которые являются частями практически гладких плоских поверхностей соответствующих измерительных областей 814 и 815. Измерительные области 814 и 815 систем проводников расположены с промежутком друг относительно друга, направлены друг на друга и расположены параллельно. Измерительные проводники измерительных областей выполнены зеркально идентичными, при этом, в ортогональной проекции на любую плоскость измерительных областей фигуры измерительных проводников совпадают между собой.
На фиг.73 и 74 в дополнение к комбинированной системе проводников по варианту 7.1 показано диэлектрическое тело 825 в форме шара, которое, расположено в промежутке между плоскостями измерительных областей 814 и 815. Диэлектрическое тело условно разрезано на множество плоских тел 826 с одинаковой шириной di. Плоские поверхности тел параллельны поверхностям измерительных областей с измерительными проводниками первой и второй систем проводников. Боковые поверхности плоских тел обрамлены поверхностью в виде ленты, которая расположена перпендикулярно плоскости тела. При этом лента аппроксимирует боковые поверхности тел таким образом, что площади плоских поверхностей тел равны между собой, а тела имеют объем, равный объему плоского сегмента шара.
Буквой d обозначена ширина промежутка между плоскостями измерительных областей 814 и 815, символом di - толщина плоского тела, буквой Xi - величина промежутка между нижней поверхностью плоского тела и поверхностью измерительной области 815. Буквой Si обозначена площадь одной стороны плоской поверхности плоского диэлектрического тела.
На фиг.73 показаны силовые линии электрического поля. Силовые линии состоят из двух частей. Первая часть силовых линий 827 относится к исходному электрическому полю, которое формируется между измерительными проводниками двух измерительных областей, в результате подачи на измерительные проводники возмущающего напряжения. Вторая часть включает силовые линии 828, образованные в результате поляризации диэлектрического тела 825 в результате электростатической индукции. Силовые линии показаны в статике. На фиг.74 приведены силовые линии двух частей электрического поля в виде векторной суммы. Цифрой 829 обозначены силовые линии внутри диэлектрического тела. Цифрой 830 - вне тела.
Комбинированная система проводников в этом варианте изобретения используются для определения двух (X и Y) координат геометрического центра диэлектрического тела произвольной формы. В варианте, в отличие от плоских тел, величины координат геометрического центра учитывают распределение вещества тела по оси Z. Суммарное электрическое поле в соответствии с принципом суперпозиции складывается в виде частичных полей от частей диэлектрического тела, на которые условно разбито тело. Проекция электрического поля диэлектрического тела на измерительную область также складывается из множества проекций от частей диэлектрического тела. В этом случае двумерная область, которая образовалась под действием электрического поля диэлектрического тела, состоит из множества частичных двумерных областей, которые связаны с электрическим полем соответствующих плоских тел, на которые условно разделено диэлектрическое тело. Общая двумерная область является суперпозицией частичных областей, которые наложены друг на друга в соответствии с профилями горизонтальных сечений плоских тел.
Как показано в варианте 7.1.2 система проводников в состоянии определить геометрический центр плоской поверхности одиночного плоского тела. Учитывая то, что тело условно разбито на множество плоских тел одинаковой ширины, на основе данных координат геометрических центров поверхностей плоских тела и их площадей, на основе известной формулы, можно определить общий геометрический центр множества.
В данном случае геометрический центр тела расположен на линии, которая, проходит через точку геометрического центра двумерной области, образованной под действием электрического поля тела на поверхности измерительной области, и перпендикулярна плоскостям измерительных областей. При этом геометрический центр тела имеет координаты, совпадающие с координатами геометрического центра двумерной области, которые определены в осях абсцисс и ординат системы координат измерительной области. Линия, которая проходит через геометрический центр диэлектрического тела, является также осью равновесия тела.
7.1.3.1 Доказательство реализации целевой функции комбинированной системой проводников для определения координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала
Для доказательства реализации целевой функции диэлектрическое тело, для которого определяют геометрический центр, условно разделено на множество плоских тел одинаковой ширины, плоскости которых параллельны плоскостям измерительных областей. Для любого из плоских тел, если взять тело в отдельности, как показано в п. 7.1.2 возможно определение координат геометрического центра двумерной плоской области тела в соответствии с формулами (25) и (26). При этом, величины координаты измеренного геометрического центра плоского тела не зависят от расположения плоского тела между плоскостями измерительных областей (не зависят от величины Xi). В связи с тем, что поверхности плоских диэлектрических тел расположены параллельно поверхностям измерительных областей с измерительными проводниками, которые формируют однородное поле электростатической индукции, электростатическое поле внутри тела является однородным, при этом поверхности плоских тел являются эквипотенциальными.
Поэтому для определения геометрического центра двумерной области можно осуществлять суммирование электрических полей от множества плоских тел (826) имеющих одинаковую ширину. При суммировании можно использовать для каждого плоского тела одинаковые коэффициенты в математической зависимости между частичными емкостями измерительных частей и площадью поверхностей плоского тела.
При этом для координат геометрического центра двумерной области по двум осям Y1 и Y2 справедливы следующие выражения
Где:
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества измерительных проводников в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y1 участка двумерной области, который связан с электрическим полем плоского тела под номером 
;
- площадь одной стороны поверхности плоского диэлектрического тела под номером i.
- сумма частичных избыточных емкостей измерительных проводников первой и второй измерительных частей первого множества проводников для участка, который связан с электрическим полем плоского диэлектрического тела с номером 
;
- величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y2 участка двумерной области, который связан с электрическим полем плоского тела с номером i;
- сумма частичных избыточных емкостей измерительных проводников первой и второй измерительных частей второго множества измерительных проводников для участка двумерной области, который связан с электрическим полем плоского тела с номером 
.
Для вычисления координат геометрических центров двумерных областей, которые образованны на поверхности измерительной области под действием электрического поля от плоских диэлектрических тел, на которые условно разделено тело, можно воспользоваться выражениями (25) и (26).
Заменяя в формулах (60) и (61) 
на правые части выражений (25) и (26), получаем
Суммы частичных взаимных емкостей измерительных проводников измерительных частей равны соответствующим полным суммам взаимных емкостей измерительных проводников на выводах измерительных частей измерительных областей систем проводников. После замены сумм получаем выражения аналогичные выражениям (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области.
В варианте 7.1 комбинированной системы проводников можно использовать любой описанный вариант системы проводников, в котором измерительные проводники имеют со стороны измерительной области гладкую плоскую поверхность.
Описанная комбинированная система проводников позволяет найти ось равновесия диэлектрического тела, которая проходит через геометрический центр тела. В случае нахождения, по меньшей мере, еще одной оси, точка пересечения этих осей будет находиться в геометрическом центре тела. Нахождение координат двух осей можно выполнить описанным ниже способом.
7.2 Способ для определения координат геометрического центра тела из однородного диэлектрического материала, предназначенный для комбинированной системы проводников по варианту 7.1
Способ определения координат геометрического центра тела из однородного диэлектрического материала предназначен для варианта 7.1 комбинированной системы проводников. Комбинированная система проводников по варианту 7.1 соответствует п. 34 формулы изобретения.
Способ заключается в следующем.
Между измерительными областями двух систем проводников комбинированной системы размещают диэлектрическое тело, определяют координаты геометрического центра диэлектрического тела по двум осям в системе координат измерительной области комбинированной системы проводников. Через точку координат геометрического центра на измерительной области проводят перпендикулярную плоскости измерительной области первую линию, поворачивают относительно диэлектрического тела плоскости измерительных областей систем проводников относительно оси, которая не совпадает с направлением первой линии, на заданный угол, определяют координаты геометрического центра двумерной области по двум осям в системе координат измерительной области, которая повернута вместе с измерительными областями, и проводят через точку координат геометрического центра на двумерной области вторую линию, которая перпендикулярна плоскости измерительной области, находят точку пересечения или максимального сближения первой и второй линий, точка пересечения или точка максимального сближения первой и второй линий практически совпадает с точкой геометрического центра тела.
Для более точного определения координат геометрического центра тела, последовательно поворачивают плоскости измерительных областей на разные углы с определением нескольких точек геометрического центра. Далее находят положение средней точки, которая максимально приближена к точке геометрического центра.
Способ имеет практически эквивалентный вариант, в котором взамен поворота плоскостей измерительных областей поворачивают диэлектрическое тело относительно комбинированной системы проводников.
Принцип действия комбинированной системы проводников при реализации способа пояснен на фиг. 75 и 76.
На фиг. 75 показана комбинированная система проводников 802, состоящая из первой и второй систем проводников 810 и 811 с измерительными областями плоской формы. Комбинированная система выполнена с возможностью поворачиваться вокруг любой заданной оси, проходящей через точку, которая расположена между измерительными областями 814 и 815. В промежутке между измерительными областями системы проводников размещено тело 830 из однородного диэлектрического материала, для которого определяют координаты геометрического центра. На фигурах также показана прямоугольная система координат 831, которая связана с комбинированной системой проводников. На фиг. 76 показана комбинированная система проводников, которая повернута вокруг оси X на заданный угол 
относительно диэлектрического тела. Угол определен в плоскости YZ системы координат комбинированной системы проводников.
7.3 Комбинированная система проводников, содержащая системы проводников с множеством измерительных областей и криволинейной поверхностью общей измерительной области
Комбинированная система на основе систем проводников с множеством измерительных областей соответствует п. 35 формулы изобретения. Конструкция комбинированной системы и принцип действия системы показан на фиг. 77, 78 и 79.
Комбинированная система характеризуется следующими признаками изобретения.
Комбинированная система проводников, содержащая две системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, причем измерительные области систем проводников расположены с промежутком друг относительно друга и направлены друг на друга, каждая система проводников содержит множество измерительных областей, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, каждая измерительная область содержит измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, каждая измерительная область имеет элементы из диэлектрического материала, выполняющие функцию крепления и изоляции измерительных проводников, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников, величины координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала или координаты геометрического центра плоского тела выполненного из электропроводящего материала или координаты условного центра электропроводящей поверхности тела, или нескольких тел, выражены в виде величин координат геометрического центра двумерной области, или нескольких двумерных областей, которые образуется на поверхности общей измерительной области каждой системы проводников под воздействием материальных тел.
7.4 Вариант комбинированный системы проводников по варианту 7.3, отличающийся тем, что общая измерительная область каждой из систем проводников имеет криволинейную поверхность в форме сферы, а измерительные области выполнены в форме шестиугольников
Вариант соответствует формуле изобретения по п. 36.
В варианте, показанном на фиг. 77, в комбинированной системе проводников 840 каждая система проводников 841 и 842 имеет общую измерительную область, которая выполнена в форме поверхности сферы. Отдельные измерительные области 843 выполнены в форме шестиугольников и покрывают с заданными промежутками поверхность сенсорной сферы. Сферы с измерительными областями расположены с промежутком между собой. При этом части общих измерительных областей систем проводников непосредственно направлены друг на друга. Дополнительно на фиг. 77 показаны силовые линии 844 электрического поля. На фиг. 78 в промежутке между измерительными областями систем проводников размещено тело 845 из однородного диэлектрического материала и показаны искаженные телом силовые линии 847 электрического поля.
Данная комбинированная система проводников в статическом состоянии непосредственно определить геометрический центр не может, т.к. измерительные области не перекрывают все тело. Однако с помощью комбинированной системы проводников по искажениям силовых линий можно определить направление расположения геометрического центра тела. Также, можно построить сканирующую систему, которая сможет охватить все тело. Вариант такой сканирующей системы показан на фиг.79. На фиг.79 показана система координат 846 комбинированной системы проводников, а стрелочками обозначено направление вращения сенсорных сфер систем проводников в плоскости ZY вокруг оси X системы координат. В сканирующей системе плоскость вращения сенсорных сфер дополнительно двигается в направлении вдоль оси X. В этом случае с использованием сканирующей системы можно определить профиль искажения электрического поля по всему объему тела. Причем, за счет вращения вокруг тела, можно зафиксировать координату геометрического центра вблизи относительно тонкого среза тела под разными углами в плоскости ZX. За счет движения вдоль оси X можно найти множество срезов распределения вещества тела. На основании этих данных за счет математической обработки результатов измерений можно определить геометрический центр тела.
В ряде случаев использование описанной сканирующей системы не является оптимальным решением в связи низкой скоростью определения геометрического центра тела и большим объемом вычислений. Например, в сенсорной системе манипулятора робота, где использованы системы проводников в виде сенсорных сфер, оптимальным для нахождения координат геометрического центра тела является вариант движений кончиков пальцев манипулятора по траекториям с наличием обратной связи по сигналам от систем проводников сенсорных сфер. Эта возможность появляется в связи с тем, что с использованием систем проводников можно определить направление в сторону геометрического центра тела и совместить центры сфер с осью равновесия тела, найти, таким образом, координаты оси равновесия тела. Затем, путем разворота пальцев манипулятора можно найти еще одну или несколько осей равновесия. Пересечение осей равновесия определяет геометрический центр тела. На основе информации по осям равновесия тела и информации по координатам геометрического центра тела, которые определены по сенсорам положений манипулятора, вычислительная система робота может скорректировать движение манипулятора робота с тем, чтобы захватить тело по концам одной из осей равновесия тела. Вариант такой сенсорной системы на основе комбинированной системы проводников с использованием криволинейных поверхностей измерительных областей (в виде сенсорных сфер) для манипулятора робота показан на фиг.84, 85, 86, 87 и 88.
8. СИСТЕМА ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ГЕОМЕТРИЧЕСКГО ЦЕНТРА ДВУМЕРНОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА СОБСТВЕННОЙ ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТЕЛ
8.1 Описание принципа действия
Описание принципа действия с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел предназначено для системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области по любому из п. 1 или п. 16 формулы изобретения.
В системе проводников можно использовать любой соответствующий условиям применения вариант системы измерительных проводников, выполненный в соответствии с формулой изобретения. Для повышения чувствительности рекомендуется использовать варианты 5.4 и 5.5, в которых не использована диэлектрическая подложка.
Вариант системы проводников с плоской поверхностью измерительной области показан на фиг.80, 81, 82 и 83. На фиг.84, 85 и 86 дополнительно, показан вариант системы проводников, имеющей множество измерительных областей, расположенных в границе общей измерительной области на криволинейной гладкой поверхности. Такой вариант системы проводников используется в качестве сенсора в кончике пальца манипулятора робота.
На фиг.80 показана система проводников 901 с плоской поверхностью измерительной области 902. Дополнительно приведены силовые линии электрического поля 903, которые распространяются от расположенных в границе измерительной области 902 заряженных измерительных проводников системы проводников до внешнего электропроводящего окружения 904.
Особенность системы проводников в том, что для формирования конфигурации электрического поля не используются общие проводники. Известно, что силовые линии электрического поля от заряженного проводника в свободном пространстве уходят в бесконечность. Условно принято считать, что на горизонте Вселенной эти линии замыкаются на проводящий слой, окружающий Вселенную. При этом все электропроводящие тела имеют взаимную емкость относительно условной поверхности этого слоя. Эта часть электрической емкости называется собственной емкостью тела. Так же, электропроводящие тела могут иметь емкость относительно поверхности Земли или крупных электропроводящих тел, расположенных на относительно большом удалении. Данная часть емкости увеличивает собственную емкость тела. В сумме, эти емкости обозначены на фигурах в виде внешнего электропроводящего окружения 904 системы проводников. В этих случаях распределение силовых линий по поверхности измерительной области, выполненной, например, в виде плоской поверхности или в виде сферы, является относительно равномерным. Если поместить вблизи поверхности измерительной области системы проводников электропроводящее тело 906 (фиг.81) или диэлектрическое тело 907 (фиг.82), то это тело искажает силовые линии, которые уходят в бесконечность и в проводящую поверхность удаленных тел. При этом на поверхности измерительной области системы проводников образуется двумерная область с локальным сгущением силовых линий. Двумерная область сгущения силовых линий на поверхности измерительной области 902 выделена в виде изолиний 910 (фиг.81) или 912 (фиг.82) равной напряженности электрического поля.
Система проводников способна определить геометрический центр сгущения линий в этой области. Координаты геометрического центра на поверхности двумерной области характеризуют координаты точки 911 или 913 приближения тела к поверхности измерительной области.
На фиг.81 и фиг.82 показан блок электроники 914, к которому подключена система проводников. Блок электроники соединен с системой проводников четырьмя соединительными проводниками, которые подключены к соответствующим измерительным частям системы проводников. Также показано подключение эквивалентного конденсатора 915, который отображает емкость общего проводника блока электроники на внешнее окружение. В этом случае внешнее электропроводящее окружение может рассматриваться как удаленный общий проводник.
На фиг.83 показана эквивалентная электрическая схема замещения системы проводников в условиях работы с внешним электропроводящим окружением. На фиг.83 приведена система проводников 901 и показана измерительная область 902 с измерительными проводниками первой 922, второй 923, третьей 924 и четвертой 925 измерительных частей. Выводы 926 … 929 измерительных частей подключены к аналого-цифровому преобразователю «емкость - цифровой код» 930 блока электроники 914. Выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом блока процессора.932
Сигналы 930 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 930поступают на вход процессора 932 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (25) и (26), а также формирует выходные сигналы 933 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера. На фиг.83 дополнительно показаны условные конденсаторы С22, С33, С44 и С55, величины емкостей которых отражают части емкостей измерительных проводников на внешнее окружение 904 (в сумме с собственными емкостями). Конденсатор С66 отражает емкость относительно внешнего окружения общего проводника 934 блока электроники. На схеме замещения показано электропроводящее тело 935. Это тело имеет собственную емкость С11 относительно внешнего окружения. Конденсаторы С12, С15, С13 и С14 отражают величины взаимных емкостей между телом и измерительными проводниками соответствующих измерительных частей.
Принцип действия системы проводников заключается в подаче на измерительные проводники со стороны аналого-цифрового преобразователя 930 возмущающего переменного напряжения, которое формирует на поверхности измерительных проводников электрическое поле. При этом схема преобразователя определяет реакцию проводников в виде тока и напряжения и по их величине определяет величину электрической емкости измерительных частей системы проводников. Для работы этой схемы необходимо замыкание электрического тока через систему емкостей, включая тело и блок электроники.
На схеме можно выделить первый замкнутый контур электрической цепи, который включает в себя общий проводник 934 блока электроники, соединительные проводники 926…929 аналого-цифрового преобразователя, конденсаторы емкостей измерительных частей измерительных проводников С22, С33, С44 и С55 относительно внешнего электропроводящего окружения 904, непосредственно проводящее внешнее окружение, конденсатор С66, отражающий емкость общего проводника блока электроники относительно внешнего окружения. Ток в этом контуре практически одинаков для всех измерительных частей системы проводников и практически не оказывает влияние на координаты геометрического центра двумерной области, образованной от близко расположенных тел. Второй замкнутый контур проходит через конденсатор С11, электропроводящее тело 935 и конденсаторы С12, С13, С14 и С15, которые отражают взаимные емкости между измерительными частями системы проводников и электропроводящим телом. При этом величины составляющих тока, протекающего между измерительными частями системы проводников и электропроводящим телом, характеризуют величины взаимных емкостей между телом и измерительными частями измерительных проводников. Взаимные электрические емкости определяют координаты геометрического центра двумерной области, которая в этом случае образуется на поверхности измерительной области системы проводников. Геометрический центр двумерной области в свою очередь характеризует центральную точку на поверхности или в объеме тела (в зависимости от конфигурации системы проводников и характера материала тела).
Недостатком использования эффекта собственной емкости тел и работы во внешнем электропроводящем окружении является низкая чувствительность в определении координат геометрического центра приближения тела к измерительной области, в сравнении с вариантом использования общего проводника для формирования электрического поля. В тоже время, существуют области применения системы проводников, в которых формирование электрического поля с помощью общего внешнего проводника является невозможным. В качестве примера можно привести робототехнику. В одном из конкретных вариантов применения изобретения системы проводников можно использовать в качестве сенсоров, которые расположены на кончиках пальцев руки манипулятора робота. Данные сенсоры предназначены, например, для определения положения пальцев робота относительно электропроводящих или диэлектрических тел (вне зависимости от подключения тел к блоку электроники или к заземлению), например, с целью оптимального захвата тела. Как показано на фиг.86 с помощью системы проводников робот может «чувствовать» расположение тела, к которому приближен палец манипулятора.
Реализация функции определения геометрического центра двумерной области с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел пояснена с использованием следующего способа.
8.2 Способ определения координат геометрического центра двумерной области с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел
Способ определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел, предназначенный для системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области по любому из пунктов п. 1 или п. 16 формулы изобретения, заключается в том, что для определения координат геометрического центра двумерной области помещают электропроводящее или диэлектрическое тело вблизи измерительной области системы проводников, с удалением измерительной области от других электропроводящих тел на относительно большое расстояние и без дополнительного электрического подключения тела к другим электропроводящим телам. В результате чего, под воздействием диэлектрического или электропроводящего тела, происходит искажение силовых линий электрического поля, идущих от поверхности измерительной области системы проводников на удаленные электропроводящие тела или в космическое пространство и локальное изменение параметров электрического поля вблизи измерительной области системы проводников, с образованием двумерной области на поверхности измерительной области, далее, с помощью системы измерительных проводников определяют геометрический центр этой области.
9. СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА МАНИПУЛЯТОРА РОБОТА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ
Данная система предназначена для определения положений приближенных к пальцам манипулятора робота физических тел относительно пальцев манипулятора робота. Сенсорная система соответствует п. 37 формулы изобретения. Конструкция сенсорной системы для манипулятора робота совместно с конструкцией системы проводников показана на фиг. 84-88.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
Сенсорная система манипулятора робота для определения положений приближенных к пальцам манипулятора робота физических тел, содержащая, по меньшей мере, две системы проводников для определения координат геометрических центров двумерных областей, которые расположены в концах пальцев манипулятора робота, при этом каждая система проводников содержит множество измерительных областей, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области. Каждая измерительная область содержит измерительные проводники, которые имеют жесткий профиль, элементы из диэлектрического материала для крепления и изоляции измерительных проводников и экранирующий элемент из проводящего материала, который расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области системы проводников, каждый измерительный проводник закреплен своими концами на диэлектрических элементах, которые в свою очередь закреплены на экранирующем элементе, который также выполнен в виде жесткой конструкции причем измерительные проводники расположены в границе соответствующей измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны общей измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой криволинейной поверхности в целом выпуклой формы, заданной в границе общей измерительной области. Измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей. При этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников. Положения физических тел относительно измерительных областей систем проводников, расположенных в пальцах манипулятора робота выражены в виде системы координат геометрических центров двумерных областей, которые образованы на двумерных поверхностях общих измерительных областей систем проводников в результате локальных изменений параметров электрического поля вблизи этих поверхностей под воздействием материальных тел, определенных в разных проекциях электрического поля относительно этих тел. Причем определение положений материальных тел в разных проекциях осуществляется роботом за счет движения пальцев руки относительно материальных тел по заданному алгоритму. На фиг. 84 показан вариант системы проводников 1001, которая может использоваться в сенсорной системе манипулятора робота. Общая измерительная область 1002 системы проводников имеет криволинейную поверхность в форме поверхности сферы. В границах общей измерительной области расположено множество измерительных областей 1003 в форме шестиугольников. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга. Каждая измерительная область содержит измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе соответствующей измерительной области, каждый измерительный проводник со стороны общей измерительной области имеет поверхность, которая является частью сферической поверхности, заданной в границе общей измерительной области. На фиг.84 дополнительно показаны физические тела 1004 и 1005 из электропроводящего или диэлектрического материала, которые приближены к общей измерительной области 1002 системы проводников, силовые линии 1006 электрического поля и внешнее электропроводящее окружение 1007.
В случае приближения системы проводников к телу, на поверхности общей измерительной области системы проводников в результате сгущения силовых линий электрического поля формируется двумерная область, в которой посредством системы проводников блок электроники определяет геометрический центр этой области. Координаты геометрического центра являются координатами точки средне - взвешенного приближения тела к измерительной области системы проводников, а направление нормали к поверхности измерительной области является направлением в сторону тела по отношению к системе проводников. При использовании множества измерительных областей система проводников способна определить координаты центров приближения и направления для нескольких тел.
На фиг.85 показана конструкция сенсорной системы кончика пальца 1008 манипулятора робота на основе системы проводников. Общая измерительная область 1002 системы проводников 1001 выполнена в виде поверхности сферы (в виде сенсорной сферы). Цифрой 1003 обозначена отдельная измерительная область системы проводников в форме шестиугольника. Дополнительно показаны блоки аналого-цифровых преобразователей 1009 и их подключение к измерительным проводникам измерительных областей системы проводников, а также проводники 1010 цифровых линий передачи данных в центр обработки информации робота. Корпуса блоков аналого-цифровых преобразователей могут быть размещены внутри конструкции сенсорной сферы. При этом, как показано в описании варианта 5.4, такое размещение не оказывает влияние на результат определения координат геометрического центра двумерной области.
На фиг.86 показана кисть 1011 руки антропоморфного робота, в кончики пальцев которого встроены сенсоры 1012 на основе системы проводников в форме сферы. Дополнительно показаны силовые линии 1013 электрического поля, которые распространяются от сенсорной сферы 1012 на кончике указательного пальца до внешнего электропроводящего окружения 1014 и электропроводящее тело 1015. Тело также может состоять из диэлектрического материала. В случае приближения пальца к электропроводящему или диэлектрическому телу происходит искажение силовых линий электрического поля, за счет чего система проводников 1012 сенсора в состоянии определить относительно точное направление на тело 1015, а также измерить взаимную емкость между телом и системой проводников, что позволит оценить расстояние до тела. Дополнительно принцип действия системы проводников в данной конфигурации описан в варианте 7.4.
На фиг.87 и фиг.88 показана кисть 1011 руки антропоморфного робота, сенсорные сферы 1016и 1017 двух пальцев которой имеют электрический заряд противоположного знака, при этом между пальцами формируются силовые линии 1018 электрического поля. В случае расположения кончиков пальцев по разные стороны тела 1019, тело искажает силовые линии 1018 электрического поля. При этом сенсорная система манипулятора робота способна определить направления на материальное тело двух сторон с учетом информации по профилю поверхности фигуры тела. Такое расположение двух систем проводников соответствует описанной в варианте 7.4 комбинированной системы проводников. Как следует из описания варианта 7.4 за счет движения кончиков пальцев манипулятора по сложным траекториям 1020 с наличием обратной связи по сигналам от систем проводников сенсорных сфер можно определить ось 1021 равновесия тела. Эта возможность появляется в связи с тем, что с использованием систем проводников сенсорных сфер можно определить направление в сторону геометрического центра тела и совместить центры сенсорных сфер с осью равновесия тела, таким образом найти координаты оси равновесия тела. Затем, путем разворота пальцев манипулятора можно найти еще одну или несколько осей равновесия. Пересечение осей равновесия определяет геометрический центр тела.
На основе информации по профилю поверхности тела и по осям равновесия тела относительно сенсорных сфер вычислительная система робота может скорректировать движение пальцев манипулятора робота, с целью захвата тела по концам одной из осей равновесия тела, обеспечивая, таким образом, устойчивый захват тела.
В варианте, зондирование расположения физических тел в пространстве осуществляется роботом с помощью всех пальцев руки или с помощью двух рук, с изменением полярности и фазы возмущающего напряжения на каждом отдельном сенсоре.
10. ЭЛЕКТРОННАЯ КОЖА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ
Конструкция электронной кожи показана на фиг. 89-93. Электронная кожа соответствует п. 38 формулы изобретения. Конструкция электронной кожи на основе системы проводников описана на примере использования электронной кожи для кисти руки бионического протеза.
Электронная кожа предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел.
В тексте описания изобретения словосочетание «электронная кожа на основе системы проводников для определения геометрического центра двумерной области» может быть заменено на словосочетания «электронная кожа на основе системы проводников» или «электронная кожа» с сохранением смыслового содержания.
Электронная кожа может найти применение в медицине в конструкции бионических протезов. Вторая область использования электронной кожи - в антропоморфных роботах.
В данном изобретении приведено описание электронной кожи, которая может использоваться в конструкции бионического протеза или антропоморфного робота. Электронная кожа реализована на основе вариантов системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Электронная кожа содержит многослойную оболочку, которая выполнена, в основном, из диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев. На нижних слоях оболочка содержит систему проводников, предназначенную для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля. На верхних слоях расположена система проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел.
С целью раскрытия потенциальных возможностей применения электронной кожи, в описании изобретения приведены два варианта использования электронной кожи на основе системы проводников. Один из вариант связан с использованием электронной кожи в медицине. Вариант называется «Использование электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза». Вариант описан в п. 11 текста описания изобретения. Другая область использования электронной кожи связана с робототехникой. Этот вариант имеет название «Использование электронной кожи на основе системы проводников для антропоморфного робота». Описание варианта приведено в п. 12. текста описания изобретения.
Электронная кожа на основе системы проводников характеризуется следующими признаками формулы изобретения.
Электронная кожа на основе системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел, содержащая многослойную диэлектрическую оболочку, которая выполнена, в основном, из гибкого, упругого и растягивающегося диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев, покрывающая с наружной стороны конструкцию бионического протеза для человека или конструкцию антропоморфного робота. Диэлектрическая оболочка содержит расположенную на нижних слоях диэлектрической оболочки первую систему проводников, которая предназначена для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля и расположенную на верхних слоях диэлектрической оболочки вторую систему проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел. Со стороны внутренней поверхности диэлектрической оболочки расположен выравнивающий слой, который предназначен для сопряжения оболочки с конструкцией бионического протеза или антропоморфного робота, поверх выравнивающего слоя расположен первый промежуточный диэлектрический слой, относящийся к первой системе проводников, на верхней поверхности которого расположены измерительные проводники составляющие множество измерительных областей первой системы проводников. Сверху измерительных проводников первой системы проводников расположен слой из диэлектрического материала, который имеет свойство упругой деформации в отдельных областях, поверх этого слоя расположен растягивающийся проводник. Выше растягивающегося проводника расположены слои и элементы, относящиеся ко второй системе проводников, поверх растягивающего проводника расположен второй промежуточный диэлектрический слой из упругого материала, который имеет свойство передавать усилие в отдельных областях на растягивающийся проводник, на верхней поверхности второго промежуточного слоя расположены тонкие измерительные проводники, составляющие множество измерительных областей второй системы проводников, поверх этих измерительных проводников расположен защитный слой из диэлектрического материала. Каждая из систем проводников содержит множество измерительных областей с измерительными проводниками, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, измерительные проводники расположены в границах соответствующих измерительных областей, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм. Измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области. В соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников.
Принцип действия первой системы проводников, которая предназначена для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля, заключается в следующем.
В связи с тем, что лежащие поверх растягивающегося проводника диэлектрические слои имеют свойство прогибаться и передавать усилия, которые формируются с помощью, механических касаний поверхности электронной кожи в одной или нескольких областях, поверхность растягивающегося проводника прогибается в местах касаний. При этом, в местах прогиба уменьшается расстояние между участками поверхности растягивающегося проводника 1123 (см. фиг. 92) и поверхностью измерительных областей 1125 и образуются сгущения силовых линий электрического поля между растягивающимся проводником 1123 и поверхностью измерительных проводников измерительных областей 1125 системы проводников 1120. В областях сгущения силовых электрических линий образуются двумерные области, для которых система проводников определяет геометрические центры двумерных областей.
Принцип действия системы проводников 1124, которая предназначена для получения информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел подробно описан в основной части описания изобретения. Возможность определения координат геометрического центра двумерной области для материальных тел доказана в варианте 8 системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием эффекта собственной емкости электропроводящих тел.
Технический результат изобретения «электронная кожа на основе системы проводников» заключается в повышении точности и быстродействия в получении сенсорной информации. Дополнительный технический результат заключается в упрощении технологического процесса изготовления электронной кожи и уменьшении стоимости.
Технический результат достигается за счет использования в электронной коже системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области.
Уровень техники можно оценить в сравнении с аналогами электронной кожи.
Известно семейство мягких оптических тактильных датчиков TacTip с биомиметической морфологией, напечатанной на 3D-принтере. [Мягкая робототехника. Апрель 2018.216-227. http://doi.org/10.1089/soro.2017.0052 Опубл. в томе: 5 Выпуск 2: 1 апреля 2018 г. Онлайн перед печатью: 3 января 2018 г. https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2017.0052].
В указанной статье на фигурах показаны разные варианты конструкции датчиков.
На фиг. 2 показан интегрированный в модель захвата модуль М2 с открытой ладонью (слева) - TacTip-GR2, установленный на захвате GR2 (посередине), и TacCylinder в эксперименте по моделированию обнаружения опухоли (справа);
На фиг. 3 Показаны промежуточные выступы на коже человека (слева) и соответствующий штифт в TacTip (справа);
На фиг. 4 показана Open-TacTip (слева): оригинальная версия датчика включает в себя крепление и основание камеры, напечатанные на 3D-принтере, и литую силиконовую оболочку. Улучшенный TacTip (в центре): на переработанном основании установлена собранная веб-камера и модульные наконечники с резиновой оболочкой, напечатанной на 3D-принтере. Модульные наконечники (справа): отдельные модульные наконечники с узловатым отпечатком пальца (вверху) и плоским наконечником (внизу).
Тактильное поле, сформированное датчиками TacTip, представлено в виде множества отдельных пикселей, которые сформированы подвижными штифтами, прикрепленными к нижней стороне подвижной мембраны. Величины смещений этих штифтов определяют с помощью оптической системы на основе оптической камеры. Затем обработка информации о смещении штифтов осуществляется с помощью компьютера.
Недостаток такого типа тактильных датчиков - наличие больших временных задержек в работе датчиков. Задержки связаны с необходимостью обработки большого объема информации по всему множеству пикселей. Данный фактор снижает быстродействие. Помимо этого наличие оптической системы считывания информации по смещению штифтов и наличие оптической камеры существенно усложняет тактильный датчик.
При использовании в тактильном датчике других вариантов первичных датчиков -тензометрических, барометрических, емкостных, пьезорезисторных, пьезоэлектрических, для передачи и записи тактильной информации, также требуется обработка большого объема информации формируемого множеством первичных датчиков, что уменьшает быстродействие. При этом система считывания информации с первичных датчиков, является не менее сложной, чем описанная оптическая система считывания информации.
В журнале Advance Science опубликована статья "Последние достижения в области электронной кожи" [Adv Sci (Weinh). 2015 Октябрь; 2 (10): 1500169 Опубл. онлайн 14 июля 2015 года, doi:10.1002/adv.201500169 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5115318/
В статье выделено несколько направлений развития электронной кожи. Актуальными для данного изобретения являются следующие направления.
Первое направление связано с конструированием матриц датчиков давления.
«Имитация сенсорных способностей человеческой кожи с помощью электроники является предметом инновационных исследований, которые могут найти широкое применение в робототехнике, искусственном интеллекте и в человеке - машинных интерфейсах, что способствует развитию электронной кожи (e-skin). Для имитации тактильного восприятия с помощью электронной кожи сконструированы гибкие и растягивающиеся на основе различных механизмов преобразования и структурных конструкций матрицы датчиков давления. Эти матрицы могут отображать давление с высоким разрешением и быстрой реакцией за пределами человеческого восприятия. В составе электронной кожи также используются мульти модальные датчики силы, температуры и влажности, а также возможности самовосстановления»
Одним из недостатков указанных аналогов электронной кожи является то, что использование в электронной коже матрицы с множеством дискретных датчиков существенно усложняет конструкцию электронной кожи, что приводит к уменьшению надежности электронной кожи и повышению стоимости. При этом требуется сложная система измерения и обработки большого объема информации, поступающей с множества датчиков этой матрицы, в результате уменьшается быстродействие.
Другим недостатком матрицы дискретных датчиков является сложность применения матрицы для цели непрерывного покрытия всей поверхности электронной кожи, имеющей участки криволинейной, изогнутой и плоской поверхности, например, на кисти руки протеза или кисти руки антропоморфного робота. Для такого покрытия необходимо, чтобы дискретные датчики могли быть произвольной формы, произвольных размеров и могли покрывать поверхность электронной кожи наподобие элементов мозаики. В противном случае электронная кожа бионического протеза будет восприниматься человеком не как реальная кожа, а как кожа с наличием «слепых» пятен с отсутствием чувствительности в промежутках между датчиками.
Другое направление связано с созданием гибкой и эластичной электронной кожи.
«На сегодняшний день для улучшения растяжимости устройств использовались две общие стратегии. Первый метод напрямую связывает тонкие проводящие материалы с низким модулем Юнга с резиновой / эластичной подложкой, такой как полидиметилсилоксан (PDMS). Геометрические рисунки и конструкции устройств, например, сетчатые структуры, также использовались для дальнейшего повышения растяжимости и адаптивности. Второй метод дальнейшего повышения растяжимости электроники заключается в сборке устройства с использованием внутренне растяжимых проводников, которые всегда изготавливаются путем смешивания проводящих материалов в эластомерную матрицу».
Эти методы плохо совместимы с расположением на поверхности слоев электронной кожи дискретных элементов. Особенно для матриц емкостных датчиков давления, которые близко расположены друг к другу. Гибкая и эластичная кожа хорошо получается в случае использования на слоях кожи только тонких печатных или внутренне растяжимых проводников, без расположения на слоях электронной кожи жестких конструкций в виде дискретных датчиков, которые будут чувствоваться в глубине кожи как инородные элементы.
Дополнительное направление связано со свойством самовосстановления.
«В 2018 году Zou и др. опубликована работа по электронной оболочке, которая способна восстанавливать ковалентные связи при повреждении». Также могут быть восстановлены проводники. «Было показано, что включение микроструктурированных частиц никеля в полимерную сетку (рисунок 2) сохраняет свойства самовосстановления, основанные на преобразовании сетей водородных связей вокруг неорганических частиц. [7] Материал способен восстанавливать свою проводимость в течение 15 секунд после разрушения, а механические свойства восстанавливаются через 10 минут при комнатной температуре без дополнительного раздражения» [en.wikipedia.org. Электронная кожа].
В этом случае самовосстановлению подлежат только электрические проводники и слои полимерной оболочки электронной кожи. Самовосстанавливающиеся эластичные электронные схемы с использованием транзисторов не известны. О самовосстановлении емкостных датчиков давления также нет информации.
Особенность конструкции электронной кожи заключается в том, что в данном изобретении вместо матрицы датчиков давления в электронной коже используются варианты системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. А матрицы дискретных датчиков не используются. Поэтому, отмеченные выше недостатки, связанные с применением в электронной коже множества дискретных датчиков, заключающиеся в увеличении сложности электронной кожи, низкой надежности, высокой стоимости и недостаточной совместимости с требованиям обеспечения гибкости и самовосстановления электронной кожи, не являются актуальными.
Использование в конструкции электронной кожи системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области позволяет раскрыть новые свойства электронной кожи. При этом по указным выше направлениям развития электронной кожи, если рассматривать их в сумме, использование в конструкции электронной кожи системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области позволяет получить синергетический эффект.
Электронная кожа с использованием системы проводников имеет высокое быстродействие. Высокое быстродействие связано со следующим.
Для определения координат геометрического центра двумерной области система измерительных проводников для определения координат прикосновения учитывает все точки измерительной области с учетом весов интенсивности стимула, параллельно для всей поверхности измерительной области. При этом определение координат геометрического центра двумерной области реализуется непосредственно системой измерительных проводников аналоговым способом. Измерению и математической обработке подлежат лишь сигналы на трех или четырех выводах измерительных частей измерительной области. В результате увеличивается быстродействие электронной кожи, при этом сокращаются задержки в формировании сигналов в нервную систему человека для бионического протеза или в сенсорную систему робота в случае прикосновения или приближения к коже материального тела в любом месте поверхности электронной кожи.
Система проводников в электронной коже позволяет увеличить точность определения координат стимула при прикосновении стимула к измерительной поверхности электронной кожи. Повышение точности связано с тем, что двумерная область, которая образуется на измерительной области системы проводников, в результате деформации растягивающегося проводника, имеет относительно большую площадь. При определении координат геометрического центра двумерной области используются все точки этой области с учетом весов этих точек по величине прогиба. В результате, за счет усреднения величин прогиба для множества точек увеличивается точность определения координат геометрического центра двумерной области, и, соответственно, увеличивается точность определения координат воздействия стимула.
Использование системы проводников позволяет упростить технологический процесс изготовления электронной кожи и снизить ее стоимость. Упрощение технологического процесса изготовления электронной кожи и снижение стоимости объясняется тем, что измерительные проводники в виде печатных проводников могут быть нанесены на заготовку слоя диэлектрической оболочки с помощью относительно дешевого технологического процесса фотолитографии. При этом не нужна «печать» активных элементов электронных схем.
Электронная кожа с использованием системы проводников позволяет покрыть электронной кожей любую поверхность без промежутков между измерительными областями. С учетом того, что измерительные области системы проводников могут быть произвольной формы и размеров, например, в виде квадратов, треугольников, шестиугольников и других геометрических фигур, эти области могут складываться наподобие элементов мозаики, образуя участки на поверхности электронной кожи с разными размерами и формой измерительных областей на разных участках электронной кожи бионического протеза. При этом элементы мозаики без промежутков могут покрыть любую поверхность слоя диэлектрической оболочки (даже такую сложную поверхность как поверхность электронной кожи кисти руки бионического протеза или антропоморфного робота). Таким образом, на электронной коже практически не будет зон нечувствительности к одиночным прикосновениям, как и на реальной коже человека.
Использование в конструкции электронной кожи системы проводников с расположением измерительных проводников на слоях многослойной диэлектрической оболочки позволяет реализовать сенсорную кожу, которая близка по механическим характеристикам коже человека. В соответствии с изобретением измерительные проводники системы проводников могут быть выполнены с малой толщиной, в виде печатных проводников. Такие проводники могут быть гибкими, иметь свойство растягиваться и сжиматься вместе с поверхностью слоя диэлектрической оболочки электронной кожи, на которую они нанесены. В результате измерительные проводники измерительных областей не будут существенно влиять на механические свойства диэлектрической оболочки - на ее гибкость, упругость и мягкость. При этом измерительные проводники системы проводников, как показано в описании изобретения, способны реализовать свои функции при их расположении на различных типах поверхностей, на гладкой плоской или гладкой изогнутой или на гладкой криволинейной поверхности или на поверхности, которая является комбинацией из указанных поверхностей. Эти типы поверхностей могут встретиться в конструкции электронной кожи для бионического протеза и антропоморфного робота.
Одним из преимуществ электронной кожи для антропоморфного робота, как и электронной кожи для бионического протеза, в сравнении с электронной кожей, которая имеет в своей конструкции дискретные датчики фиксированных размеров, является то, что электронная кожа хорошо подходит для реализации функции самовосстановления. Электронная кожа содержит оболочку, которая состоит из нескольких слоев. На слои нанесены печатные проводники заданной конфигурации. Каких-либо других элементов, за исключение трех или четырех электроконтактных площадок в расчете на одну измерительную область, в электронной коже нет. Поэтому, для изготовления слоев оболочки можно использовать диэлектрический материал, который способен на самовосстановление. Также могут быть восстановлены измерительные проводники.
Электронная кожа способна выделить сигнал воздействия стимула, который эмулирует боль. При увеличении интенсивности стимула выше порога, который условно считается «болевым» порогом, система проводников определяет геометрический центр двумерной области со смещением координат геометрического центра двумерной области в сторону этого стимула, а также фиксирует увеличение общей величины воздействия стимула на поверхность искусственной кожи, что позволяет выделить этот сигнала и определить координаты источника боли.
В известных схемах для быстрого определения координат стимула, интенсивность которого выше «болевого» порога, используются матрицы датчиков и «синоптические» транзисторы, что существенно усложняет конструкцию электронной кожи.
Конструкция электронной кожи показана на фиг.89-93.
На фиг.89 показан протез 1101 кисти руки бионического протеза человека со стороны ладони, где показаны разные типы поверхностей электронной кожи руки. На кончиках пальцев - криволинейная поверхность 1103. На фалангах пальцев, с боков ладони и на запястье руки имеется практически гладкая изогнутая поверхность 1104. Складки электронной кожи на кисти руки также относятся к изогнутой поверхности. В центральной части ладони имеются практически плоские 1105 участки поверхности электронной кожи. В целом поверхность электронной кожи имеет вид комбинации практически гладкой плоской поверхности, практически гладкой изогнутой поверхности и практически гладкой криволинейной поверхности. В изобретении «система проводников для определения координат двумерной области (варианты)» в описании вариантов доказана реализация назначения системы проводников с расположением измерительных проводников измерительных областей для всех этих типов поверхностей.
На фиг.90 показаны участки электронной кожи ладони руки с указанием зон электронной кожи в виде сеточки из квадратов или прямоугольников. Квадраты отражают измерительные области систем проводников. Измерительные области системы проводников могут быть расположены по всей поверхности оболочки электронной кожи, практически без промежутков между измерительными областями, образуя общую измерительную область электронной кожи руки. С учетом того, что измерительные области системы проводников могут быть произвольной формы и размеров, например, в виде квадратов, треугольников, шестиугольников и других геометрических фигур, эти области могут складываться наподобие элементов мозаики, образуя участки на поверхности электронной кожи с разными размерами и формой измерительных областей на разных участках электронной кожи, бионического протеза. При этом элементы мозаики без промежутков могут покрыть любую поверхность слоя диэлектрической оболочки. Таким образом, на электронной коже практически не будет зон нечувствительности к одиночным прикосновениям, как и на реальной коже человека.
На фиг.90 показаны следующие участки электронной кожи ладони и пальцев кисти руки.
На кончиках пальцев показана сеточка 1107 из измерительных областей маленьких размеров - 3 мм, с относительно большим количеством измерительных областей на кончиках пальцев. Размеры измерительных областей выбраны на основе величины двухточечного порога кожи человека, при котором испытуемый может определить, что стимулируются две точки, а не одна. На ладони человека показаны измерительные области 1108 относительно больших размеров - 10 мм, что немногим меньше двухточечного порога кожи человека на ладони -14 мм. На запястье руки показаны измерительные области 1109 прямоугольной формы, достигающие в длину 20 мм.
Предпочтительная ориентация измерительных областей системы проводников на изогнутых участках поверхности электронной кожи - расположение длинной стороной измерительных проводников вдоль изогнутого участка, например, на участках складок кожи. В этом случае измерительные области могут растягиваться и сжиматься за счет промежутков между измерительными проводниками, без растяжения измерительных проводников, и легко изгибаться. В общем целом для придания гибкости электронной коже измерительные проводники следует выполнить из растягивающегося электропроводящего материала, нанесенного на поверхность соответствующего слоя диэлектрической оболочки.
В электронной коже могут использоваться варианты системы проводников, с измерительными областями с использованием тонких измерительных проводников (печатных проводников) которые расположены на поверхности слоя оболочки. Оболочка для тонких измерительных проводников выполняет функции подложки, в т.ч., задает форму поверхности измерительных проводников, которая обращена в сторону измерительной области. В электронной коже для бионического протеза могут использоваться описанные в изобретении варианты системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты) соответствующие п. 16 формулы изобретения, измерительные области которых содержат три или четыре измерительные части измерительных проводников. В этих вариантах для размещения измерительных областей с измерительными проводниками использована многослойная диэлектрическая подложка, которая в данном изобретении выполнена в виде многослойной диэлектрической оболочки.
На фиг.91 приведен эскиз кончика большого пальца руки для бионического протеза 1111. Кончик пальца содержит опорную конструкцию 1114, на которой закреплен слой 1115 для сопряжения электронной кожи с механической конструкцией пальца. Слой для сопряжения 1115 может содержать несколько слоев из диэлектрического материала с заданными свойствами, с тем, чтобы задать необходимый рельеф поверхности электронной кожи. Заданные свойства материала слоев для слоя сопряжения необходимы для формирования нужного профиля по величине параметров твердости, мягкости и упругости. Такой профиль необходим для обеспечения работы вышележащих слоев электронной кожи и механизмов пальцев.
В верхней части большого пальца показан участок 1116 электронной кожи. Для этого участка на фиг.92 показана конструкция слоев 1117 электронной кожи пальца руки для бионического протеза. Электронная кожа содержит многослойную оболочку 1102, которая выполнена, в основном, из гибкого, упругого и растягивающегося диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев, покрывающая с наружной стороны конструкцию бионического протеза для человека. Оболочка содержит первую систему проводников 1120, которая предназначена для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля. Дополнительно многослойная оболочка содержит вторую систему проводников 1124, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел. Оболочка содержит несколько слоев разного функционального назначения, относящихся к наложенным друг на друга второй 1124 и первой 1120 системам проводников. Внутренняя сторона оболочки электронной кожи расположена на поверхности выравнивающего слоя 1115, который предназначен для сопряжения оболочки с механической конструкцией протеза. Выше слоя 1115 для сопряжения расположен первый промежуточный диэлектрический слой 1121 первой системы проводников 1120, на верхней поверхности которого расположены измерительные проводники образующие множество измерительных областей 1125 первой системы проводников. Сверху измерительных проводников 1125 расположен слой 1122, который имеет свойство упругой деформации в отдельных областях. Поверх этого слоя расположен растягивающийся проводник 1123. Выше растягивающегося проводника расположены слои и элементы, относящиеся ко второй системе проводников 1124. Поверх растягивающегося проводника 1123 расположен второй промежуточный диэлектрический слой 1126 из упругого материала, который имеет свойство передавать усилие при прикосновениях к поверхности электронной кожи в отдельных областях на растягивающийся проводник 1123. На поверхности второго промежуточного слоя 1126 расположены тонкие измерительные проводники составляющие множество измерительных областей 1127 второй системы проводников 1124. Поверх этих измерительных проводников 1127 расположен защитный слой 1128 из диэлектрического материала.
11. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОЖИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ БИОНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА
В данном разделе описания изобретении приведено описание применения электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза. Электронная кожа реализована на основе вариантов системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Электронная кожа содержит многослойную оболочку, которая выполнена, в основном, из диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев. Оболочка покрывает с наружной стороны конструкцию бионического протеза для человека. На нижних слоях оболочка содержит систему проводников, предназначенную для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля. На верхних слоях расположена система проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел.
Электронная кожа на основе системы проводников для бионического протеза предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел. Конструкция электронной кожи для кисти руки бионического протеза показана на фиг. 89-93.
Электронная кожа для бионического протеза соответствует п. 39 формулы изобретения
Изобретение «применение электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза» характеризуется следующими признаками изобретения.
Применение электронной кожи на основе системы проводников в качестве электронной кожи для бионического протеза для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи протеза материальных тел.
Технический результат изобретения «применение электронной кожи на основе системы проводников для бионического протеза» заключается в повышении точности и быстродействия в получении сенсорной информации. Дополнительный технический результат заключается в упрощении технологического процесса изготовления электронной кожи для бионического протеза и уменьшении стоимости.
Технический результат реализуется за счет использования в электронной коже для бионического протеза системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области.
Повышение быстродействия связано со следующим. Для определения координат геометрического центра двумерной области в электронной коже бионического протеза используется система проводников, в которой для определения координат приближений или прикосновений материальных тел учитывает все точки измерительной области с учетом весов интенсивности стимула, параллельно для всей поверхности измерительной области. При этом определение координат двумерной области реализуется непосредственно системой измерительных проводников аналоговым способом. Измерению и математической обработке подлежат лишь сигналы на трех или четырех выводах измерительных частей измерительных областей. В результате увеличивается быстродействие электронной кожи, при этом сокращаются задержки в формировании сигналов в нервную систему человека в случае прикосновения или приближения к электронной коже материальных тел в любом месте поверхности электронной кожи.
Повышение точности связано с тем, что двумерная область, которая образуется на измерительной области системы проводников под действием стимула, в результате деформации растягивающегося проводника, имеет относительно большую площадь. При определении координат геометрического центра двумерной области используются все точки этой области с учетом весов этих точек по величине прогиба. В результате, за счет учета величин прогиба для множества точек увеличивается точность определения координат геометрического центра двумерной области, и, соответственно, увеличивается точность определения координат воздействия стимула.
Упрощение технологического процесса изготовления электронной кожи и снижение стоимости объясняется тем, что измерительные проводники в виде печатных проводников могут быть нанесены на заготовку слоя диэлектрической оболочки с помощью относительно дешевого технологического процесса фотолитографии. При этом, сложных элементов, например, дискретных датчиков, усложняющих технологический процесс, на слоях диэлектрической оболочки не предусмотрено.
Дополнительно, электронная кожа для бионического протеза обладает рядом полезных свойств, которые являются важными для ее использования в бионическом протезе. Эти свойства в сумме с положительными свойствами, приведенными в техническом результате, образуют синергетический эффект.
В-первых, электронная кожа выполненная на основе системы проводников позволяет покрыть электронной кожей любую поверхность без промежутков между измерительными областями. С учетом того, что измерительные области системы проводников могут быть произвольной формы и размеров, например, в виде квадратов, треугольников, шестиугольников и других геометрических фигур, эти области могут складываться наподобие элементов мозаики. При этом элементы мозаики без промежутков могут покрыть любую поверхность слоя диэлектрической оболочки (даже такую сложную поверхность как поверхность электронной кожи кисти руки бионического протеза). Таким образом, на электронной коже практически не будет зон нечувствительности к одиночным прикосновениям, как и на реальной коже человека.
Во-вторых, в связи с тем, что измерительные области системы проводников могут быть произвольной формы и размеров и ориентации, измерительные области могут точно соответствовать рецептивным полям кожи человека. Что важно для эмуляции рецептивных полей с помощью измерительных областей системы проводников с получением правильных ощущений, к которым привыкла соматосенсорная система человека.
В-третьих, использование в конструкции электронной кожи бионического протеза системы проводников с расположением измерительных проводников на слоях многослойной диэлектрической оболочки позволяет реализовать сенсорную кожу, которая близка по механическим характеристикам к коже человека. В соответствии с изобретением измерительные проводники системы проводников могут быть выполнены с малой толщиной, в виде печатных проводников. Такие проводники могут быть гибкими, иметь свойство растягиваться и сжиматься вместе с поверхностью слоя диэлектрической оболочки электронной кожи, на которую они нанесены. В результате измерительные проводники измерительных областей не будут существенно влиять на механические свойства диэлектрической оболочки - на ее гибкость, упругость и мягкость. При этом измерительные проводники системы проводников, как показано в описании изобретения, способны реализовать свои функции при их расположении на различных типах поверхностей, на гладкой плоской или гладкой изогнутой или на гладкой криволинейной поверхности или на поверхности, которая является комбинацией из указанных поверхностей, которые могут встретиться в конструкции электронной кожи бионического протеза. Эти типы поверхностей показаны фиг.89 для кисти руки бионического протеза.
В-четвертых электронная кожа хорошо подходит для реализации функции самовосстановления. Электронная кожа содержит оболочку, которая состоит из нескольких слоев. На слои нанесены тонкие печатные проводники заданной формы и конфигурации. Каких-либо других элементов, за исключение трех или четырех электроконтактных площадок в расчете на одну измерительную область, в электронной коже нет. Поэтому, для изготовления слоев оболочки можно использовать диэлектрический материал, который способен на самовосстановление. Также могут быть использованы измерительные проводники обладающие свойством самовосстановления. Что позволяет реализовать протез отличающийся высокой надежностью.
В-пятых, электронная кожа бионического протеза способна выделить сигнал воздействия стимула, который эмулирует боль. При увеличении интенсивности стимула выше порога, который условно считается «болевым» порогом, система проводников определяет геометрический центр двумерной области со смещением координат геометрического центра двумерной области в сторону этого стимула, а также фиксирует увеличение общей величины воздействия стимула на поверхность искусственной кожи, что позволяет выделить этот сигнала и определить координаты источника боли Что важно, для обеспечения безопасной эксплуатации протеза и безопасности человека.
В-шестых, электронной кожа для бионического протеза имеет возможность чувствовать материальные тела вблизи поверхности электронной кожи, без прикосновения к этим телам. Для пальцев рук бионического протеза имеется возможность определять положения материальных тел относительно пальцев руки бионического протеза. Также электронная кожа протеза может чувствовать внутреннюю структуру тел с помощью электромагнитного поля. Это свойство позволяет улучшить автоматизированные функции рук протеза при выполнении работы, где требуется манипулировать разными предметами без риска их поломки.
Дополнительное положительное свойство связано с тем, что измерительные области системы проводников по своим внешним проявлениям и по принципу действия близки к рецептивным полям кожи человека. При этом имеется возможность эмуляции рецептивных полей кожи человека с помощью измерительных областей системы проводников.
Известно, что периферические стимулы воспринимаются электронной системой кожи посредством рецептивных полей. «Для большинства сенсорных модальностей известно характерное пространственное распределение размеров рецептивных полей первичных и высших сенсорных нейронов. Например, у многих кожных афферентов на кончиках пальцев рук они меньше, чем на предплечье или туловище. Рецептивные поля первичных афферентных нейронов определяются концевым ветвлением их аксонов, т.е. распределением и количеством рецепторов, с которыми он соединен. Афферентное волокно возбуждается стимулами в любом месте своего рецептивного поля. Многие из этих нейронов возбуждаются стимулами в центре рецептивного поля, но тормозятся стимулами, попадающими в его периферическую зону, размеры и форма которой у разных нейронов неодинаковы».
«Первичные афференты обычно ветвятся в сенсорном органе и иннервируют по нескольку рецепторов, образуя первичное рецептивное поле. Они ветвятся, контактируя синаптически с несколькими вторичными сенсорными нейронами: это называется дивергенцией. И напротив, каждый вторичный нейрон образует синапсы с несколькими первичными афферентами, т.е. происходит также конвергенция». На рис 8.6 в указанном ниже источнике информации приведена схема, где показаны рецептивные поля сенсорных нейронов (афферентных нейронов) и связи между сенсорными нейронами и вторичными нейронами [Физиология человека. В 3-х томах. Т. 1. Пер. с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - 323 с. Гл. 8 Общая сенсорная физиология].
Также известно, что рецептивные поля смежных сенсорных нейронов в сенсорном центре сильно перекрываются, что позволяет с большей точностью определять положение стимула. Как правило, центр и периферия рецептивного поля связаны с противоположными ответами - например, от стимула в центре частота разрядов повышается во время стимуляции, а на периферии действие этого стимула будет обратное
Измерительные области системы проводников могут быть произвольной формы и размера, как и рецептивные поля кожи человека. В связи с чем, на слоях многослойной диэлектрической оболочки могут быть размещены измерительные области системы проводников, которые полностью соответствуют рецептивным полям кожи человека по размерам, форме и по структуре расположения. Например, с целью получения детальной информации о рельефе поверхности тел, к которым прикасаются кончиками пальцев протеза, на кончиках пальцев может быть размещено множество измерительных областей относительно маленьких размеров. На ладони или запястье кисти руки, эти области могут быть другой формы и относительно больших размеров. Функции измерительных областей в этом случае сокращаются до определения координат одиночных прикосновений к этим областям, с относительно большой величиной двухточечного порога.
Известны методы передачи сенсорной информации формируемой массивом датчиков бионического протеза в мозг человека. В 2013 году исследователи из Cleveland Veterans Affairs Medical Center и Case Western Reserve University разработали протез, сенсоры которого напрямую (особым образом) подключены к нервным окончаниям оставшейся части конечности. Электроды подключены к трем нервным окончаниям руки -радиальному, срединному и локтевому.
Известен бионический протез ноги. Протез также предполагает наличие имплантированных электродов (элементов, передающих сигнал), которые могут быть подсоединены либо к периферийным нервам пациента, либо непосредственно к спинномозговым нервам [журнал Science Translational Medicine, том 5, выпуск 210, страница 209-210, 06.11.2013].
Это направление в настоящее время развивается, при этом решаются возникающие проблемы, в частности, проблемы совместимости между живыми нервами и проводниками, к которым подключаются нервы. Известна конструкция искусственного нерва, который выполнен на основе безвредного гибкого износостойкого полимерного электропровода и способен принимать и передавать электрические импульсы, полученные непосредственно от живого нерва, обеспечивать сродство искусственного нерва с живым нервным волокном, при достаточной упругости и прочности искусственного нерва [Патент RU 2564558 С1].
В предложенной конструкции бионического протеза в составе каналов передачи информации в периферическую нервную систему на физическом уровне канала могут использоваться микроконтроллеры измерительных областей системы проводников, выходы которых через соответствующие устройства сопряжения, затем через искусственные нервы могут быть подключены к окончаниям периферических нервов, которые были связаны с первичными афферентами.
При этом, безусловно, существует возможность использования системы проводников в бионических протезах в качестве первичного сенсора с передачей информации в периферическую нервную систему человека путем подключения к окончаниям нервных волокон афферентов, как это реализовано в примерах реализации протезов.
Анализ информации по общим свойствам рецептивных полей и их конструкции, которая приведена выше по тексту в виде выдержек из книги «Физиология человека. Пер. с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир» показывает, что устройство и принцип действия системы проводников, на основе которой выполнена искусственная электронная кожа, и рецептивных полей сенсорных нейронов имеют много общего.
В системе проводников первичные сенсоры образованы участками поверхности измерительных проводников, которые расположены по всей поверхности измерительных проводников измерительных частей. Первичные рецепторы рецептивных полей сенсорных нейронов похожим образом распределены по афферентным волокнам и на их ответвлениях. При этом участки поверхности афферентных волокон могут выполнять функции рецепторов. Измерительные проводники каждой измерительной части системы проводников электрически соединены между собой, причем проводники разных измерительных частей расположены с перекрытием. Точно также афферентные волокна рецептивных полей каждого из сенсорных нейронов, включая ответвления, соединены между собой и для рецептивных полей большой площади расположены с перекрытием. Измерительные проводники измерительных частей системы проводников при воздействии стимула на измерительную область на выводах измерительных частей, которые подключаются к входам АЦП микроконтроллера, формируют сигналы противоположной величины, дополняющие друг друга до постоянной величины, как и части перекрывающихся рецептивных полей на выводах афферентных волокон, в местах подключения к входам сенсорных нейронов.
В связи со схожестью структур измерительных частей измерительных областей системы проводников и принципа действия имеется возможность использования измерительных областей с измерительными частями системы проводников для эмуляции рецептивных полей первичных афферентов разной структуры и формы, в том числе с перекрывающимися рецептивными полями. При этом возможно применение описанной ниже схемы подключения системы проводников к окончаниям живых афферентных волокон сенсорных нейронов.
В этой схеме микроконтроллер каждой измерительной области формирует несколько выходных сигналов на нескольких выходах. Выходные сигналы микроконтроллера формируются на основе сигналов с выходов измерительных частей измерительной области системы проводников. При этом сигналы с выходов микроконтроллера могут быть соотнесены с сигналами с афферентных волокон рецептивных полей. Выходы микроконтроллера через устройство сопряжения и искусственные нервы подключены к нервным волокнам сенсорных нейронов, рецептивные поля которых близко расположены друг к другу и перекрываются. Передача в периферическую нервную систему нескольких указанных сигналов необходима для того, чтобы человек мог более точно чувствовать координаты мест одиночных прикосновений для рецептивных полей относительно большой площади и которые расположены с перекрытием.
Очевидно, что в случае, если одиночно расположенное рецептивное поле имеет осесимметричную форму с осесимметричным профилем чувствительности, то для такого рецептивного поля невозможно определить координаты воздействия стимула. Можно только определить величину удаления стимула от центра рецептивного поля. Это связано с тем, что в точках удаленных от центра поля на одинаковую величину для разных направлений, рецептивным полем будут генерироваться сигналы одинаковой частоты.
Исходя из общих физических принципов для определения координат прикосновения необходимо, чтобы первичные рецепторы и соответствующие афферентные волокна рецептивных полей были расположены относительно близко друг от друга, с перекрытием. Дополнительно, рецептивные поля на перекрывающихся участках должны быть неодинаковой чувствительности и могли формировать сигналы неодинаковой частоты при воздействии стимула.
Известно, что центр и периферия рецептивного поля, как правило, связаны с противоположными ответами - например, от стимула в центре рецептивного поля частота разрядов повышается во время стимуляции, а на периферии действие этого стимула будет обратное. При этом, в перекрывающихся частях рецептивных полей двух смежных сенсорных нейронов, при котором рецептивное поле первого нейрона периферийной частью частично или полностью перекрывает центр второго, обеспечивается условие наличия неодинаковой чувствительности рецептивных полей на участке перекрытия. В случае движения стимула от периферии рецептивного поля первого сенсорного нейрона к центру второго, на втором нейроне будет формироваться сигнал с увеличивающейся частотой. Если движение стимула остановить вблизи центра второго нейрона, то на первый нейрон от афферентного волокна будет поступать сигнал с пониженной частотой относительно среднего значения частот, а на второй нейрон - сигнал с повешенной частотой. На участке, где рецептивные поля перекрываются, вдоль оси соединяющей центры рецептивных полей первого и второго нейрона появляется возможность по величинам частот сигналов, которые поступают по афферентным волокнам рецептивных полей на соответствующие сенсорные нейроны, определить координату положения стимула по одной оси.
В перекрывающихся рецептивных полях группы сенсорных нейронов профиль с неодинаковой чувствительностью вдоль одной или нескольких осей на разных участках, которые расположены с перекрытием, может образоваться в результате латерального торможения.
Все эти рецептивные поля можно эмулировать с помощью измерительных частей системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области.
Для того чтобы было можно определить координату центра воздействия стимула на поверхности кожи по двум осям (в 2D координатах) в электронной коже необходимо использовать измерительную область системы проводников, которая содержит, по меньшей мере, три измерительные части. Величины сигналов на выходах измерительных частей образуют систему, которая выражает координаты воздействия стимула на измерительную поверхность измерительной области электронной кожи. При этом сигналы системы, после преобразования в соответствующие системы координат эмулируемых рецептивных полей, должны быть поданы на соответствующие окончания афферентных волокон двух или более сенсорных нейронов.
Особенность схемы подключения микроконтроллера измерительных областей в данном изобретении заключается в том, что в электронной коже бионического протеза человека используется система проводников, которая, способна эмулировать как одиночно расположенные рецептивные поля сенсорных нейронов, так и рецептивные поля, которые расположены с перекрытием. Для эмуляции одиночно расположенного рецептивного поля сенсорного нейрона необходим один выход микроконтроллера для подключения к соответствующему сенсорному нейрону. Для эмуляции двух рецептивных полей, которые расположены с перекрытием, необходимо два выхода. Величины сигналов на этих выходах формируются на основе величин сигналов трех измерительных частей системы проводников путем преобразования системы координат. Для трех и более перекрывающихся рецептивных полей, или полей со сложной структурой, которые образовались под действием латерального торможения, сигналы формируются на основе сигналов с выходов трех или большего количества измерительных частей системы проводников и их необходимо подавать на три или большее количество соответствующих сенсорных нейронов, которые составляют систему.
Для корректной эмуляции рецептивных полей должна быть выполнена настройка параметров сигналов с выходов микроконтроллера измерительной области для каждого эмулируемого рецептивного поля. Настройка может быть выполнена с использованием обратной связи по ощущениям человека, следующим способом. На сенсорную кожу протеза воздействуют стимулом в точке, которая расположена в границах настраиваемой измерительной области. Далее спрашивают владельца протеза про чувство, относительно расположения стимула. Затем настраивают коэффициенты в микроконтроллере измерительной области системы проводников, которые влияют на поворот осей системы координат, усиление сигналов по соответствующим осям системы координат рецептивного поля, на смещение начала системы координат, на смещение частоты серий импульсов, и другие настройки с тем, чтобы точка, в которой чувствуется стимул, сместилась на правильное место. В случае если будет чувствоваться несколько точек или размытая область, то в этом случае, с помощью настройки соответствующих коэффициентов в программе микроконтроллера, точки можно максимально близко совместить.
Второй вариант предусматривает обучение соматосенсорной нейронной системы человека реализации функции определения координат стимула на основе соотношения сигналов, подаваемых на несколько сенсорных нейронов, которые раньше имели перекрывающиеся рецептивные поля. Обучению способствует то обстоятельство, что величины формируемых сигналов с выходов измерительных частей системы проводников составляют простую систему, соотношения сигналов в которой выражают координаты воздействия стимула на измерительную область системы проводников. Систему сигналов с выходов измерительных частей системы проводников можно преобразовать с выражением координат стимула в другой системе координат, которая лучше соответствует расположению форме и ориентации эмулируемого рецептивного поля, которая зафиксирована в памяти соматосенсорной системы человека. Полученная система в виде сигналов на выходах микроконтроллера может быть воспринята соматосенсорной системой человека.
Возможность восприятия системы сигналов, подаваемых на сенсорные нейроны, связана со следующим.
В соответствии с результатами исследований, приведенных в журнале «The Journal of Neurosiece», соматосенсорная система человека обладает высокой пластичностью и способностью к обучению. В частности, см. статью «Улучшение и снижение поведения тактильной дискриминации после кортикальной пластичности, вызванной пассивной тактильной коактивацией» J Neurosci. 2004 Jan 14; 24 (2): 442-446 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6730006/.
В статье написано: «Мы обнаружили, что несколько часов коактивации по Хеббиану вызывали значительное увеличение первичных (SI) и вторичных (SII) соматосенсорных областей коры, представляющих стимулируемые части тела. Количество пластических изменений сильно коррелировало с улучшением показателей пространственной дискриминации. Действительно, было показано, что улучшение сенсорных и моторных характеристик после интенсивного использования и тренировок сопровождается глубокой реорганизацией в первичной сенсорной и моторной коре, характеризующейся расширением репрезентаций обученных частей тела».
Необходимо также учитывать то, что по своей структуре и свойствам измерительные части системы проводников, близки к структуре и свойствам первичных рецептивных полей, которые расположены с перекрытием. При этом систему сигналов с измерительных частей можно гибко подстраивать под структуру рецептивных полей, которая зафиксирована в памяти соматосенсорной нейронной системы.
Также можно использовать комбинированный метод. Сначала необходимо попробовать метод, который предусматривает использование существующей памяти соматосенсорной системы в отношении рецептивных полей и их характеристик, и подстроить параметры сигналов, которые эмулируют рецептивные поля под эту память. В случае, если память была частично потеряна можно использовать метод переучивания соматосенсорной системы.
Описанная схема подключения микроконтроллеров измерительных областей системы проводников приведена в описании изобретения с целью раскрытия потенциальных возможностей применения системы проводников в варианте бионического протеза, который предусматривает передачу тактильной информации в мозг человека посредством подключения электронной схемы протеза к периферической нервной системе человека. Схема расширяет количество вариантов подключения сигналов к нервным волокнам сенсорных нейронов в расчете на разные типы рецептивных полей, включая рецептивные поля с перекрытием двух и более сенсорных нейронов и может учитывать латеральное торможение. Что в сочетании с гибкой настройкой, потенциально, может привести к повышению качества ощущений при восприятии человеком сенсорной информации.
Недостатком описанной схемы является высокая сложность подключения нервных окончаний сенсорных нейронов к электродам или искусственным нервам и необходимость выполнения сложной хирургической операции, для подключения. Также не полностью решены проблемы совместимости живых нервов и тканей организма с неживыми элементами, используемыми для подключения.
Дополнительным недостатком предложенной схемы является необходимость проведения дополнительных исследований, ориентированных на конкретные особенности схемы.
От этих недостатков свободен вариант протеза с использованием электронной кожи, в котором используется визуальный канал передачи тактильной информации. В этом варианте протез кисти руки содержит гибкий дисплей. Часть гибкого дисплея расположена на тыльной (наружной) стороне ладони, а другие части - на тыльной стороне пальцев руки.
Дисплей может реализовать функцию отображения тактильных полей на пальцах и на ладони кисти руки протеза, информация по которым сформирована электронной кожей протеза на внутренней стороне кисти руки. При этом на дисплей может быть выведена информация о тактильных прикосновениях, и о приближениях к поверхности электронной кожи кисти руки материальных тел. Места прикосновений могут быть выделены в виде областей, которые закрашены оттенками цвета разной интенсивности, в зависимости от силы прикосновения. А информация о приближениях материальных тел к поверхности электронной кожи может быть выведена в виде пятен другого цвета, также разной интенсивности в зависимости от удаления тел от пальцев или ладони руки. В этом случае возможно наблюдение рельефа материальных тел в случае приближения и прикосновения пальцев кисти руки к разным предметам.
Сенсорная информация, которая формируется электронной кожей, помимо вывода на дисплей, может быть использована электронной схемой протеза для реализации различных полуавтоматических действий протеза, при отдаче соответствующих команд. Например, команд на захват предмета. При этом электронная схема протеза с учетом информации о положении материальных тел относительно пальцев руки протеза может скорректировать движение пальцев руки протеза для правильного захвата предмета.
Также возможно использование электронной кожи, которая выполнена на основе системы проводников в других вариантах бионических протезов, которые не требуют непосредственного подключения к нервным окончаниям периферических нервов.
Одно из положительных свойств электронной кожи на основе системы проводников в бионическом протезе заключается в том, что система проводников осуществляет сжатие информации по координатам множества точек поверхности двумерной области с высокой точностью, которая соответствует геометрическому центру двумерной области и координатам воздействия стимула. При этом сжатие осуществляется практически без задержки времени аналоговым способом, непосредственно системой измерительных проводников. При этом система проводников с использованием одной измерительной области способна определить координаты только одного прикосновения. В случае двух или большего количества одновременных прикосновений к поверхности одной измерительной области система проводников определяет общий геометрический центр для этих прикосновений. Это свойство может рассматриваться как недостаток.
В конструкции электронной кожи используется вариант системы проводников с использованием множества измерительных областей по п. 16 формулы изобретения.
Сжатие информации в одну точку приводит в варианте системы проводников с использованием множества измерительных областей к неразличимости стимулов при их воздействии в двух близких точках общей измерительной области, расстояние между которыми меньше ширины локальной измерительной области. Когда два стимула попадают в одну локальную измерительную область, система проводников определяет координаты общего для двух стимулов геометрического центра.
В тоже время, применительно к сенсорной системе кожи для бионических протезов этот недостаток не является актуальным, поскольку в сенсорной системе кожи человека также есть расстояние между двумя стимулами - так называемый двухточечный порог кожи, при котором испытуемый может определить, что стимулируются две точки, а не одна. Например, для кожи на кончиках пальцев руки это расстояние составляет приблизительно 3 мм. На ладони - приблизительно 14 мм, на спине - 50 мм [Физиология человека. В 3-х томах. Т. 1. Пер. с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - 323 с. Гл. 9 Соматовисцеральная сенсорная система. Рис. 9.3].
При этом, несмотря на наличие двухточечного порога, человек может определить координаты одиночного прикосновения к коже с существенно более высокой разрешающей способностью, чем величина двухточечного порога и различать движение стимула. Электронная кожа для бионического протеза на основе системы проводников также способна определить координаты одиночного стимула с очень высокой точностью и быстродействием, и также может точно отследить движение стимула по измерительной поверхности электронной кожи.
В этом случае использование сенсорных матриц, способных различать множественные прикосновения к поверхности одной измерительной области электронной кожи с высокой разрешающей способностью, не является целесообразным по следующим причинам. Первая причина заключается в том, что соматосенсорная система человека не может воспринимать множественные касания с высокой разрешающей способностью (в связи с наличием двухточечного порога). При этом, эмулировать сенсорную систему кожи с помощью матриц с разрешением 3-5 мм, например, для кожи ноги очень дорого. К тому же ненадежно, поскольку укол острым предметом в промежутке между датчиками может остаться незамеченным. Вторая причина связана с тем, что формирование и обработка сенсорной информации с целью ее сжатия с использованием множества датчиков приводят к ухудшению быстродействия электронной кожи.
Наличие двухточечного порога в электронной коже сглаживается тем, что в случаях, когда необходима высокая разрешающая способность электронной кожи на некоторых участках кожи, например на кончиках пальцев, можно использовать измерительные области системы проводников относительно небольшого размера. В тоже время, на участках кожи, характеризующихся относительно большой величиной двухточечного порога, где не требуется определения двух и более одновременных прикосновений, для эмуляции рецептивных полей можно использовать измерительные области относительно большого размера. В этом случае, например, для кончиков пальцев можно использовать измерительные области размером 3 мм, на ладони - размером 14 мм, а для кожи спины человека - 50 мм.
Оптимальный вариант, по-видимому, связан с использованием сенсорных устройств, таких как система проводников, которые способны эмулировать рецептивные поля кожи человека как единое целое. При этом измерительные области этих устройств должны иметь примерно одинаковые с рецептивными полями кожи человека размеры и форму, быть способными к самовосстановлению и быть похожими по свойству мягкости на кожу человека.
В связи с использованием в конструкции бионического протеза электронной кожи на основе системы проводников, электронная кожа бионического протеза имеет все приведенные в описании электронной кожи (см. пункт 10) положительные свойства и преимущества перед рассмотренными аналогами. Что позволяет реализовать протез, отличающийся высокой надежностью, близкими к реальной коже тактильными свойствами и похожим внешним видом.
11.1 Применение комбинированной системы проводников по п. 7 в бионических протезах
Отдельно следует выделить вариант использования бионических протезов с применением специальных пространственных конфигураций кистей рук, которые образуют комбинированную систему проводников. Использование комбинированной системы проводников позволяет увеличить чувствительность в получении сенсорной информации с использованием бионического протеза.
На фиг. 93 показана пространственная конфигурация 1129 из кистей двух рук бионического протеза, которые обращены навстречу друг к другу ладонями. В промежутке между ладонями расположен исследуемый объект 1130 (USB флешка). В этом случае образуется комбинированная система из двух систем проводников, измерительные области которых направлены друг на друга. Такая система описана в варианте 7 для комбинированной системы проводников. Измерительные области в пространственной конфигурации 1129 образованы поверхностями участков электронной кожи пальцев и ладоней кистей рук бионического протеза, которые направленны друг на друга и образуют левую 1132 и правую 1133 измерительные области комбинированной системы проводников. Особенность бионических протезов кистей рук заключается в том, что поверхности измерительных областей являются криволинейными.
В соответствии с принципом действия комбинированной системы проводников на измерительные проводники измерительных областей, которые расположены на измерительной поверхности электронной кожи на левой и правой кистях рук протеза подают волну возмущающего напряжения противоположной полярности. При этом между левой и правой измерительными областями формируется электрическое поле, силовые линии 1131 которого направлены в сторону от поверхности измерительных областей систем проводников одной кисти (правой) к поверхности измерительных областей другой кисти (левой). Это поле аналогично электрическому полю комбинированной системы проводников.
Особенностью электрического поля формируемого комбинированной системой проводников является то, что поле сосредоточено между двумя измерительными областями и практически не рассеивается в окружающем пространстве, в результате чего увеличивается чувствительность системы проводников при получении сенсорной информации, которая основана на зондировании объекта электромагнитным полем.
В варианте (см. п. 7.2) для определения координат геометрического центра тела из однородного диэлектрического материала с использованием комбинированной системы проводников используют поворот тела вокруг, по меньшей мере, двух разнонаправленных осей. В варианте для сенсорной системы манипулятора робота (см. п. 9) определение положения материальных тел реализуется за счет движения кончиков пальцев манипулятора робота по сложным траекториям с наличием обратной связи по сигналам от систем проводников сенсорных сфер.
В случае использования электронной кожи для протеза движение материального тела и кончиков пальцев не обязательно, и его можно заменить формированием волны электрического поля за счет задания определенной амплитуды и фазы электрического напряжения для каждой отдельной измерительной области электронной кожи. При этом возможно формирование волны электрического поля с ее движением, например, вдоль оси Z (вверх или вниз вдоль кистей рук протеза). Возможен поворот электрического поля на любой заданный угол. Также возможно создание вращающегося электрического поля, например, вокруг оси Z, или вокруг любой другой оси. В результате чего возможно зондирование исследуемого объекта, без перемещения объекта или перемещения пальцев рук.
Возможность реализации перемещения пальцев бионического протеза вблизи исследуемого объекта дополнительно расширяет возможности зондирования конфигурации объекта, где требуется высокая разрешающая способность.
При этом комбинированная система проводников в состоянии определить положение электропроводящих тел, в т.ч. в случае, если тела окружены диэлектрическим материалом. Например, как показано на фиг.93, человек с использованием электронной кожи для бионического протеза и специальной пространственной конфигурации кистей рук может с помощью видоизмененного чувства осязания ощущать внутреннее электропроводящее содержание флэшки.
12. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОЖИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА
Электронная кожа на основе системы проводников для антропоморфного робота предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи антропоморфного робота материальных тел.
Электронная кожа для антропоморфного робота соответствует п. 40 формулы изобретения.
Изобретение «применение электронной кожи на основе системы проводников для антропоморфного робота характеризуется следующими признаками изобретения.
Применение электронной кожи на основе системы проводников в качестве электронной кожи для антропоморфного робота для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи антропоморфного робота материальных тел.
Технический результат изобретения «применение электронной кожи на основе системы проводников для антропоморфного робота» заключается в повышении точности и быстродействия в получении сенсорной информации. Дополнительный технический результат заключается в упрощении технологического процесса изготовления электронной кожи и уменьшении стоимости.
Технический результат реализуется за счет использования в электронной коже для антропоморфного робота системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области.
Повышение быстродействия связано со следующим. Для определения координат геометрического центра двумерной области в электронной коже антропоморфного робота используется система проводников, в которой для определения координат приближений или прикосновений материальных тел учитывает все точки измерительной области с учетом весов интенсивности стимула, параллельно для всей поверхности измерительной области. При этом определение координат двумерной области реализуется непосредственно самой системой измерительных проводников аналоговым способом. Измерению и математической обработке подлежат лишь сигналы на трех или четырех выводах измерительных частей измерительной области. В результате увеличивается быстродействие электронной кожи, при этом сокращаются задержки в формировании сигналов в нервную систему робота в случае прикосновения или приближения к коже материального тела в любом месте поверхности электронной кожи.
Система проводников в электронной коже позволяет увеличить точность определения координат стимула при прикосновении стимула к измерительной поверхности электронной кожи. Повышение точности связано с тем, что двумерная область, которая образуется на измерительной области системы проводников под действием стимула, в результате деформации растягивающегося проводника, имеет относительно большую площадь. При определении координат геометрического центра двумерной области используется все точки этой области с учетом весов этих точек по величине прогиба. В результате, за счет учета величин прогиба для множества точек увеличивается точность определения координат геометрического центра двумерной области, и, соответственно, увеличивается точность определения координат воздействия стимула.
Упрощение технологического процесса изготовления электронной кожи и снижение стоимости объясняется тем, что измерительные проводники в виде печатных проводников могут быть нанесены на заготовку слоя диэлектрической оболочки с помощью относительно дешевого технологического процесса фотолитографии. При этом, других элементов, например, дискретных датчиков, усложняющих технологический процесс, на слоях диэлектрической оболочки не предусмотрено.
Дополнительно, электронная кожа для антропоморфного робота обладает рядом полезных свойств, которые являются важными для ее использования в антропоморфном роботе. Эти свойства в сумме с положительными свойствами, приведенными в техническом результате, образуют синергетический эффект.
В-первых, в связи с тем, что измерительные области системы проводников могут быть произвольной формы и размеров, например, в виде квадратов, треугольников, шестиугольников и других геометрических фигур, измерительные области без промежутков могут складываться на поверхности слоя диэлектрической оболочки наподобие элементов мозаики. При этом электронная кожа на основе системы проводников может покрыть практически любую поверхность сложной формы. Поэтому на электронной коже не будет зон нечувствительности к одиночным прикосновениям, как и на реальной коже человека.
Во-вторых, использование в конструкции электронной кожи системы проводников с расположением измерительных проводников на слоях многослойной диэлектрической оболочки позволяет реализовать электронную кожу, которая близка по механическим характеристикам к коже человека. В соответствии с изобретением измерительные проводники системы проводников могут быть выполнены с малой толщиной, в виде печатных проводников. Такие проводники могут быть гибкими, иметь свойство растягиваться и сжиматься вместе с поверхностью слоя диэлектрической оболочки электронной кожи, на которую они нанесены. В результате измерительные проводники измерительных областей не будут существенно влиять на механические свойства диэлектрической оболочки - на ее гибкость, упругость и мягкость. При этом измерительные проводники системы проводников, как показано в описании изобретения, способны реализовать свои функции при их расположении на различных типах поверхностей, на гладкой плоской или гладкой изогнутой или на гладкой криволинейной поверхности или на поверхности, которая является комбинацией из указанных поверхностей. Эти типы поверхностей могут встретиться в конструкции электронной кожи для антропоморфного робота.
В-третьих, электронная кожа для антропоморфного робота хорошо подходит для реализации функции самовосстановления. Электронная кожа содержит оболочку, которая состоит из нескольких слоев. На слои нанесены печатные проводники заданной конфигурации. Каких-либо других элементов на слоях диэлектрической оболочки электронной кожи нет. Поэтому, для изготовления слоев оболочки можно использовать диэлектрический материал, который способен на самовосстановление. Также могут быть использованы измерительные проводники обладающие свойством самовосстановления.
Что позволяет оснастить антропоморфного робота электронной кожей отличающейся высокой надежностью, близкими к реальной коже человека тактильными свойствами и похожим внешним видом.
В-четвертых, электронная кожа на основе системы проводников позволяет формировать сигнал, который эмулирует болевые ощущения при увеличении силы воздействия стимула на поверхность электронной кожи. При увеличении интенсивности стимула выше порога, который условно считается «болевым» порогом, система проводников формирует сигнал общего увеличения величины стимула и определяет геометрический центр двумерной области со смещением координат геометрического центра в сторону воздействия этого стимула, в результате электронная система робота может зафиксировать аварийный сигнал. Это важно, для обеспечения безопасной эксплуатации робота и безопасности человека.
В-пятых, дополнительное положительное свойство электронной кожи для антропоморфного робота связано с наличием возможности чувствовать материальные тела вблизи поверхности электронной кожи, без прикосновения к этим телам. Для пальцев рук робота имеется возможность определять положения материальных тел относительно пальцев руки робота. Также робот может чувствовать внутреннюю структуру тел с помощью электромагнитного поля. Это свойство позволяет улучшить функции рук робота при выполнении работы, где требуется манипулировать разными предметами. Возможность чувствовать материальные тела вблизи электронной кожи робота, без прикосновения, повышает безопасность эксплуатации робота и обеспечивает безопасность человека. При этом для обеспечения безопасности в систему управления роботом могут быть встроены рефлексы, которые отключают или тормозят мышцы робота при быстром приближении, например руки робота, к человеку.
В данном варианте изобретения приведено описание применения электронной кожи для антропоморфных роботов. Электронная кожа реализована на основе вариантов системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области. Электронная кожа содержит многослойную оболочку, которая выполнена, в основном, из диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев. Оболочка покрывает с наружной стороны частично или полностью конструкцию антропоморфного робота. На нижних слоях оболочка содержит систему проводников, предназначенную для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля. На верхних слоях расположена система проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел.
Конструкция электронной кожи для кисти руки антропоморфного робота совпадает с конструкцией кисти руки бионического протеза, которая показана на фиг.89 - 93. В данном случае кисть руки антропоморфного робота можно рассматривать как кисть руки протеза. При этом для описания электронной кожи антропоморфного робота применимо описание электронной кожи на основе системы проводников, приведенное в п. 10 описания изобретения.
Существенные отличия варианта изобретения от варианта электронной кожи для бионического протеза заключаются в конструкции схемы подключения электронной кожи. В схеме подключения каждой измерительной области электронной кожи антропоморфного робота для вывода информации о координатах и интенсивности воздействия стимулов целесообразно использовать стандартные интерфейсные схемы, которые разработаны для передачи информации между электронными устройствами в цифровом или аналоговом виде. Передача сенсорной информации в основном осуществляется в сенсорную систему робота. Для передачи информации от измерительных областей в сенсорную систему робота могут быть использованы микроконтроллеры измерительных областей или отдельные АЦП, входы которых подключены к выводам измерительных частей системы проводников. Также целесообразно использовать схему, которая преобразует сигнал электрической емкости на выводах измерительных частей измерительной области в величину широтно-импульсного сигнала, с целью экономии пространства, например, внутри пальца руки (в связи с тем, что такой преобразователь может быть выполнен в виде микросхемы очень маленького размера). Затем эти сигналы можно преобразовать в сенсорном центре робота в цифровые сигналы.
Преимущественная область использования антропоморфных роботов - в качестве помощников для жизни в среде, в которой живет человек. Поскольку среда предназначена для человека, она в высокой степени адаптирована для его жизни. Дома, мебель в квартирах, домашняя техника, станки и инструменты на работе - все окружение человека ориентировано на человека.
Для функционирования в этой среде, механическая конструкция тела робота должна быть похожей на тело человека. При этом робот должен чувствовать предметы, как и человек, с тем, чтобы можно было их использовать, как и человек. Соответственно, электронная кожа по внешним свойствам должна быть близкой к коже человека.
Электронная кожа может покрывать все тело антропоморфного робота или отдельные части тела. Например, лицо и руки.
С целью эффективного взаимодействия человека и антропоморфного робота, в качестве дополнения к роботу могут быть разработаны совместимые с роботом разные устройства (гаджеты).
Например, можно разработать перчатку, которую можно было бы надеть на руку человека с тем, чтобы сенсорные сигналы с электронной кожи руки антропоморфного робота передавались по радиоканалу на эту перчатку, причем перчатка могла бы формировать на руке человека ощущения, которые соответствуют сигналам с электронной кожи руки робота. Также может быть разработан комплект датчиков положения суставов рук человека. С помощью датчиков положений в систему управления антропоморфного робота можно передавать информацию о положении суставов рук с тем, чтобы руки робота могли копировать движение рук человека. При этом человек мог бы посредством электронной кожи робота чувствовать фактуру поверхности предметов и рабочих инструментов.
Подобные гаджеты можно разработать для ног и для спины с целью, чтобы человек мог управлять ногами робота, вместе с роботом ходить, прыгать, нагибаться и совершать другие движения. При этом, при помощи беговой дорожки вместе с роботом можно было бы путешествовать. При наличии сенсорных перчаток, датчиков положений суставов и очков для виртуальной реальности, которые посредством глаз робота формируют изображение, которое видит робот, человек, мог бы дистанционно, с использованием рук робота выполнять работу в ситуации, которая опасна для человека.
Предполагается, что антропоморфный робот должен быть автономным существом. При этом робот может быть оснащен элементам искусственного интеллекта с тем, чтобы робот мог двигаться в режиме «автопилота» при перемещении по местности, так и совершать движения при выполнении работы, которой он обучен, не отвлекая человека на реализацию рутинных действий по управлению роботом. Поэтому все сигналы от электронной кожи будут преимущественно использоваться для работы внутренней «нервной» системы робота основанной на электронной элементной базе. В связи с чем отпадает необходимость в передаче сигналов непосредственно в нервную систему человека.
Описанная область использования электронной кожи не требует непосредственного подключения к нервам периферической нервной системы человека для восприятия сигналов ощущения, которые формирует электронная кожа антропоморфного робота. Передаваемые со стороны робота ощущения могут быть воспроизведены с использованием электромеханических средств, которые воздействуют естественным образом на рецепторы сенсорной системы здоровой кожи человека.
Изобретение относится к измерительным устройствам с использованием емкостных средств и может применяться в измерительной технике, автоматике, робототехнике, электронной коже для бионических протезов, сенсорных экранах. Техническим результатом является повышение точности и быстродействия определения координат геометрического центра двумерной области системой проводников для сенсорных устройств. Система проводников содержит измерительные проводники, расположенные в границе измерительной области. Каждый измерительный проводник имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области. Форма, размеры и расположение измерительной области заданы. Измерительные проводники образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, причем измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. Функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат осуществляется и использованием величин, выраженных в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области системы проводников. 12 н. и 32 з.п. ф-лы, 93 ил., 5 табл.
1. Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, предназначенная для применения в комбинированной системе проводников по п. 33, содержащая измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, форма практически гладкой поверхности, размеры и расположение измерительных областей, а также особенности конструкции системы измерительных проводников заданы в требованиях к системе проводников со стороны сенсорных устройств, измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области системы проводников.
2. Система проводников по п. 1, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем координатная сетка каждой системы координат расположена на практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области, ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников, при этом группы измерительных проводников расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных проводников первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества измерительные проводники первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные проводники второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат, измерительные проводники групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных проводников первой измерительной части и суммарной ширины измерительных проводников второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных проводников первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных проводников в сечении, измерительные проводники измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных проводников и подключений выводов, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей измерительной области на выводах системы проводников.
3. Система проводников по п. 2, отличающаяся тем, что для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительных проводников измерительной области, каждая группа измерительных проводников расположена в измерительной области в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.
4. Система проводников по п. 2, отличающаяся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных проводников, соединительных проводников и выводов на одной поверхности, измерительные проводники выполнены в форме трапеций, для групп измерительных проводников, входящих в первое множество, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол по отношению к оси ординат системы координат первого множества, для групп измерительных проводников, входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу, группы измерительных проводников первого и второго множеств расположены в границе измерительной области с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой, измерительные проводники измерительных частей выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур измерительных проводников, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области, геометрические фигуры измерительных проводников, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области, измерительные проводники расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных проводников совпадает с геометрическим центром измерительной области.
5. Система проводников по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений измерительных проводников и подключений выводов измерительные проводники первой измерительной части первого множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
6. Система проводников по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений измерительных проводников и подключений выводов измерительные проводники одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с измерительными проводниками разноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
7. Система проводников по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений измерительных проводников и подключений выводов измерительные проводники одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с измерительными проводниками одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные проводники неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
8. Система проводников по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений измерительных проводников и подключений выводов измерительные проводники любых трех измерительных частей первого и второго множеств для каждой измерительной части по отдельности соединены между собой и подключены к соответствующим выводам измерительных частей.
9. Система проводников по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит общий проводник, причем общий проводник расположен со стороны поверхности измерительных проводников, которая противоположна поверхности измерительной области, общий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
10. Система проводников по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит общий проводник, причем общий проводник расположен со стороны поверхности измерительных проводников, которая обращена в сторону поверхности измерительной области, общий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
11. Система проводников по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит экранирующий проводник, причем экранирующий проводник расположен со стороны поверхности измерительных проводников, которая противоположна поверхности измерительной области, экранирующий проводник имеет обращенную в сторону измерительных проводников поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных проводников на соответствующих участках.
12. Система проводников по п. 1, отличающаяся тем, что измерительные проводники выполнены тонкими и расположены на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической подложки.
13. Система проводников по п. 12, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме плоской пластины, а измерительные проводники расположены на плоской поверхности слоя пластины, выполненной из диэлектрического материала.
14. Система проводников по п. 12, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме частично или полностью изогнутой пластины, а измерительные проводники расположены на частично или полностью изогнутой поверхности слоя пластины, выполненной из диэлектрического материала.
15. Система проводников по п. 12, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме оболочки, имеющей гладкую криволинейную поверхность, а измерительные проводники расположены на криволинейной поверхности слоя оболочки, выполненной из диэлектрического материала.
16. Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, которая образована на двумерной поверхности общей измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, предназначенная для применения в комбинированной системе проводников по п. 35, в сенсорной системе манипулятора робота на основе системы проводников по п. 37, в электронной коже на основе системы проводников по п. 38 для бионического протеза и антропоморфного робота, содержащая множество измерительных областей с измерительными проводниками, форма практически гладкой поверхности, размеры и расположение измерительных областей, а также особенности конструкции системы измерительных проводников заданы в требованиях к системе проводников со стороны сенсорных устройств, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, измерительные проводники расположены в границах соответствующих измерительных областей, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников.
17. Система проводников по п. 16, отличающаяся тем, что в каждой измерительной области функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем координатная сетка каждой системы координат расположена на практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников, при этом группы измерительных проводников расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных проводников первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества измерительные проводники первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные проводники второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных проводников первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат, измерительные проводники групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных проводников первой измерительной части и суммарной ширины измерительных проводников второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных проводников групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных проводников первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных проводников в сечении, измерительные проводники измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных проводников и подключений выводов, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей измерительной области.
18. Система проводников по п. 17, отличающаяся тем, что для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительных проводников измерительной области, каждая группа измерительных проводников расположена в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.
19. Система проводников по п. 17, отличающаяся тем, что в схеме соединений измерительных проводников и подключений выводов в измерительной области, состоящей из четырех измерительных частей, измерительные проводники любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему измерительных проводников, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные проводники соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных проводников измерительной части.
20. Система проводников по п. 16, отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные проводники расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
21. Система проводников по п. 16, отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные проводники расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.
22. Система проводников по п. 16, отличающаяся тем, что промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины, при этом соединительные проводники для соединения измерительных проводников измерительных частей и выводы измерительных частей расположены в границах измерительных областей групп измерительных проводников.
23. Система проводников по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит два множества измерительных проводников, измерительные проводники каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных проводников каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные проводники разделены на однообразные группы измерительных проводников, в каждой из групп множества геометрические фигуры измерительных проводников вписаны между параллельными оси ординат системы координат соответствующего множества линиями границ измерительных областей групп, линии границ измерительных областей групп множества примыкают друг к другу и расположены с постоянными интервалами вдоль оси абсцисс, линии границ измерительных областей групп, принадлежащих первому и второму множеству, при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур измерительных проводников групп, в каждой из групп множества величины площадей частей геометрических фигур измерительных проводников первой измерительной части на совместных участках от участка к участку равномерно изменяются в функции расстояния вдоль направления оси ординат, площади частей геометрических фигур измерительных проводников второй измерительной части дополняют на соответствующих совместных участках площади геометрических фигур первой измерительной части до образования постоянной величины, в каждом совместном участке части геометрических фигур измерительных проводников в границах совместных участков выполнены такой формы, что на каждом совместном участке дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади, при этом на виде на плоскость наложения геометрических фигур проводников разных множеств на каждом совместном участке практически не затеняют друг друга.
24. Система проводников по п. 23, отличающаяся тем, что ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена ортогонально к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, измерительные проводники групп первого и второго множеств изолированы друг от друга, линии границ измерительных областей групп, принадлежащие первому множеству, и линии границ измерительных областей групп, принадлежащие второму множеству, при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки квадратной формы, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур измерительных проводников групп, в каждой из групп первого или второго множества измерительные проводники на каждом совместном участке выполнены в виде геометрических фигур треугольников, при этом части измерительных проводников в форме треугольников, соответствующей измерительной части группы, электрически соединены между собой, в каждом совместном участке проводник первой измерительной части группы, принадлежащий к первому множеству, содержит треугольник, основание которого расположено на линии границы измерительной области соответствующей группы и имеет постоянную длину, при этом величина высоты треугольников от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат, в каждом совместном участке проводник второй измерительной части группы содержит треугольник, основание которого расположено на линии границы измерительной области группы с другой стороны группы и имеет длину, совпадающую с длиной соответствующего основания треугольника первой измерительной части, при этом величина высоты треугольника дополняет высоту треугольника первой измерительной части до образования постоянной величины для всех совместных участков группы проводников, в каждом совместном участке проводник первой измерительной части группы, принадлежащий ко второму множеству, содержит треугольник, основание которого расположено на линии границы измерительной области соответствующей группы и имеет постоянную длину, при этом величина высоты треугольников от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат, каждый совместный участок проводника второй измерительной части группы содержит треугольник, основание которого расположено на линии границы измерительной области группы с другой стороны группы и имеет длину, совпадающую с длиной соответствующего основания треугольника первой измерительной части, при этом величина высоты треугольника дополняет высоту треугольника первой измерительной части до образования постоянной величины для всех совместных участков группы проводников, при этом вершины треугольников групп первого и второго множеств расположены таким образом, что треугольники в границах совместных участков не затеняют друг друга.
25. Система проводников по п. 23, отличающаяся тем, что ось ординат системы координат измерительных проводников первого множества расположена ортогонально к оси ординат системы координат измерительных проводников второго множества, измерительные проводники групп первого и второго множеств изолированы друг от друга, линии границ измерительных областей групп, принадлежащие первому множеству, и линии границ измерительных областей групп, принадлежащие второму множеству, при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки квадратной формы, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур измерительных проводников групп, в каждой из групп первого или второго множества измерительные проводники на каждом совместном участке выполнены в виде половинок кругов, при этом части измерительных проводников в виде половинок кругов соответствующей измерительной части группы электрически соединены между собой, боковые линии границ измерительных областей групп совпадают с боковыми линиями границ групп, в каждом совместном участке проводники первой измерительной части группы, принадлежащие к первому множеству, содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диаметра которого расположена на линии границы измерительной области соответствующей группы, при этом величина площади половинки круга от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат, в каждом совместном участке измерительные проводники второй измерительной части группы, принадлежащие к первому множеству, содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диметра которого расположена на линии границы измерительной области группы с другой стороны группы, при этом величина площади половинки круга дополняет площадь половинки круга первой измерительной части до постоянной величины, в каждом совместном участке проводники первой измерительной части группы, принадлежащие ко второму множеству, содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диаметра которого расположена на линии границы измерительной области соответствующей группы, при этом величина площади половинки круга от участка к участку изменяется на одинаковую величину в функции расстояния вдоль оси ординат, в каждом совместном участке проводники второй измерительной части группы, принадлежащие к второму множеству, содержат геометрическую фигуру в виде половинки круга, линия диаметра которого расположена на линии границы измерительной области группы с другой стороны группы, при этом величина площади половинки круга дополняет площадь половинки круга первой измерительной части до постоянной величины, причем в каждом совместном участке части геометрические фигуры измерительных проводников в виде половинок кругов в границах совместных участков выполнены такой формы, что на каждом совместном участке дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади.
26. Система проводников по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит три измерительные части измерительных проводников, форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат, оси ординат систем координат первой, второй и третьей измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды, измерительные проводники каждой измерительной части выполнены в виде однообразных геометрических фигур и расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс соответствующей измерительной части, для каждой отдельно взятой измерительной части ширина сечения каждой геометрической фигуры проводника линией, которая параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части, линейно увеличивается в функции расстояния вдоль направления оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, при этом для всех измерительных частей в сечениях геометрических фигур измерительных проводников линиями, которые параллельны соответствующим осям абсцисс систем координат соответствующих измерительным частей и проходящими через одну выбранную точку, вычисленная сумма ширины сечения геометрической фигуры проводника первой измерительной части, ширины сечения геометрической фигуры проводника второй измерительной части и ширины сечения геометрической фигуры проводника третьей измерительной части является постоянной величиной для любой другой выбранной точки, расположенной в границах измерительной области системы измерительных проводников, для отдельно взятой измерительной части для любой выбранной точки ширина сечения линией, которая проходит через выбранную точку и параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части, является одинаковой для всех геометрических фигур измерительных проводников измерительной части, каждый измерительный проводник расположен в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс соответствующей системы координат измерительной части и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.
27. Система проводников по п. 26, отличающаяся тем, что геометрические фигуры измерительных проводников выполнены в форме однообразных трапеций, составляющих первую, вторую и третью измерительные части, оси ординат систем координат измерительных проводников измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды, трапеции каждой измерительной части расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс соответствующей системы координат измерительной части, для каждой измерительной части ширина сечения трапеций линейно увеличивается в функции расстояния вдоль оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, средние линии высот трапеций расположены в направлениях вдоль оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, проводники измерительных частей системы измерительных проводников расположены таким образом, что точки начал локальных систем координат трех измерительных частей совпадают между собой.
28. Система проводников по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит три измерительные части измерительных проводников, форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат, оси ординат систем координат первой, второй и третьей измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды, измерительные проводники каждой измерительной части выполнены в виде однообразных геометрических фигур, которые расположены в области между соответствующими линиями границ измерительных областей измерительных проводников, линии границ измерительных областей измерительных проводников параллельны между собой, для соседних измерительных областей измерительных проводников соответственно совпадают между собой и расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс системы координат соответствующей измерительной части, линии границ измерительных областей измерительных проводников первой, второй и третьей измерительных частей при наложении друг на друга в местах взаимного пересечения образуют совместные участки шестиугольной формы, а также прилежащие участки треугольной формы, которые в сумме составляют шестиугольную звезду, в которых расположены соответствующие части геометрических фигур измерительных проводников соответственно первой, второй и третьей измерительных частей, площадь частей геометрических фигур одной измерительной части от участка к участку увеличивается на одинаковую величину вдоль направления оси ординат системы координат измерительной части, при этом части геометрических фигур измерительных проводников, относящиеся к совместным участкам, выполнены такой формы, что дополняют друг друга до образования одинаковой величины площади.
29. Система проводников по п. 28, отличающаяся тем, что в каждом совместном участке суммарная геометрическая фигура из частей измерительных проводников первой, второй и третьей измерительной части составляет геометрическую фигуру в виде кольца, центр кольца расположен в центре совместного участка, проводники измерительных частей системы измерительных проводников расположены таким образом, что точки начал локальных систем координат трех измерительных частей совпадают между собой.
30. Система проводников по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников, которая содержит три измерительные части измерительных проводников, форма, размеры и расположение измерительных проводников в каждой измерительной части определены в отдельной, соответствующей измерительной части системе координат, оси ординат систем координат первой, второй и третьей измерительных частей расположены под углом 120 градусов друг по отношению к другу, в виде симметричной звезды, измерительные проводники каждой измерительной части выполнены в виде однообразных геометрических фигур в форме трапеций, которые расположены с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс системы координат соответствующей измерительной части, средние линии высот трапеций первой измерительной части расположены с наклоном на угол 60 градусов по отношению к оси ординат системы координат измерительной части, средние линии высот трапеций второй измерительной части расположены с наклоном на угол 60 градусов в противоположную сторону по отношению к оси ординат системы координат второй измерительной части, средние линии высот трапеций третьей измерительной части расположены вдоль оси ординат системы координат третьей измерительной части, для каждой отдельно взятой измерительной части ширина сечения каждой геометрической фигуры проводника линией, которая параллельна оси абсцисс системы координат измерительной части, линейно увеличивается в функции расстояния вдоль направления оси ординат системы координат соответствующей измерительной части, при этом для всех измерительных частей при сечении геометрических фигур измерительных проводников линиями, которые параллельны соответствующим осям абсцисс и проходят через одну точку, вычисленная сумма ширины сечения геометрической фигуры проводника первой измерительной части, ширины сечения геометрической фигуры проводника второй измерительной части и умноженной на четыре ширины сечения геометрической фигуры проводника третьей измерительной части является постоянной величиной для любой другой точки в границах измерительной области системы проводников, геометрические фигуры измерительных проводников трех измерительных частей распложены с чередованием измерительных проводников относительно друг друга, причем средние линии высот геометрических фигур трапеций расположены с равномерными интервалами друг относительно друга, интервалы между средними линиями высот трапеций выбраны с условием непересечения трапециями друг друга в границах измерительной области системы проводников, при этом точки начал систем координат первой и второй измерительных частей расположены на линии, направленной вдоль оси абсцисс третьей измерительной части, на минимальном расстоянии друг от друга, а точка начала координат третьей измерительной части расположена на пересечении осей абсцисс систем координат первой и второй измерительных частей.
31. Система проводников по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что содержит измерительные проводники, которые имеют жесткий профиль, элементы из диэлектрического материала для крепления измерительных проводников и экранирующий элемент из проводящего материала, который расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области системы проводников, причем каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности, или практически гладкой изогнутой поверхности, или практически гладкой криволинейной поверхности или комбинацией из этих поверхностей, заданной в границе измерительной области, вторая часть поверхности измерительного проводника, которая обращена в сторону, которая противоположна измерительной области, определяет механическую жесткость каждого из измерительных проводников, затрудняющую его изгиб, при этом каждый измерительный проводник закреплен своими концами на диэлектрических элементах, которые, в свою очередь, закреплены на экранирующем элементе, который также выполнен в виде жесткой конструкции.
32. Система проводников по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что содержит измерительные проводники, опорные элементы и экранирующий элемент, причем измерительные проводники выполнены тонкими и закреплены на мембране из диэлектрического материала, которая закреплена с натяжением на опорных элементах, опорные элементы, в свою очередь, закреплены на экранирующем элементе, экранирующий элемент выполнен из проводящего материала и расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области системы проводников, экранирующий элемент выполняет функции экранирования измерительных проводников, а также входит в систему их крепления, внутренняя поверхность мембраны с измерительными проводниками расположена с промежутком относительно поверхности экранирующего элемента, ширина промежутка в наиболее узком месте выбрана много больше величины толщины мембраны, промежуток между мембраной и экранирующим элементом заполнен, например, воздухом или вакуумирован.
33. Комбинированная система проводников для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, или определения координат геометрического центра плоского тела, выполненного из электропроводящего материала, или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела, содержащая две системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, измерительные области систем проводников расположены с промежутком друг относительно друга и направлены друг на друга, каждая система проводников, входящая в комбинированную систему, содержит измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, элементы из диэлектрического материала, выполняющие функцию крепления и изоляции измерительных проводников, в каждой системе проводников измерительные проводники измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области системы проводников, координаты по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, или координаты геометрического центра плоского тела, выполненного из электропроводящего материала, или координаты условного центра электропроводящей поверхности тела выражены в виде величин координат геометрического центра двумерной области, которая образуется на поверхности измерительной области каждой системы проводников.
34. Комбинированная система проводников по п. 33, отличающаяся тем, что каждая система проводников, входящая в комбинированную систему, содержит измерительные проводники, которые имеют со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности, заданной в границе измерительной области, измерительные проводники измерительных областей двух систем проводников выполнены зеркально идентичными, при этом в ортогональной проекции на любую плоскость измерительных областей фигуры измерительных проводников совпадают между собой.
35. Комбинированная система проводников, содержащая две системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, причем измерительные области систем проводников расположены с промежутком друг относительно друга и направлены друг на друга, каждая система проводников содержит множество измерительных областей, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, каждая измерительная область содержит измерительные проводники, причем измерительные проводники расположены в границе измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, каждая измерительная область имеет элементы из диэлектрического материала, выполняющие функцию крепления и изоляции измерительных проводников, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников, величины координат по двум осям геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, или координаты геометрического центра плоского тела, выполненного из электропроводящего материала, или координаты условного центра электропроводящей поверхности тела или нескольких тел выражены в виде величин координат геометрического центра двумерной области или нескольких двумерных областей, которые образуются на поверхности общей измерительной области каждой системы проводников под воздействием материальных тел.
36. Комбинированная система проводников по п. 35, отличающаяся тем, что общая измерительная область каждой из систем проводников имеет криволинейную поверхность в форме сферы, а измерительные области выполнены в форме шестиугольников.
37. Сенсорная система манипулятора робота для определения положений приближенных к пальцам манипулятора робота физических тел, содержащая, по меньшей мере, две системы проводников для определения координат геометрических центров двумерных областей, которые расположены в концах пальцев манипулятора робота, при этом каждая система проводников содержит множество измерительных областей, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, каждая измерительная область содержит измерительные проводники, которые имеют жесткий профиль, элементы из диэлектрического материала для крепления и изоляции измерительных проводников и экранирующий элемент из проводящего материала, который расположен со стороны измерительных проводников, которая противоположна стороне измерительной области системы проводников, при этом каждый измерительный проводник закреплен своими концами на диэлектрических элементах, которые, в свою очередь, закреплены на экранирующем элементе, который также выполнен в виде жесткой конструкции, причем измерительные проводники расположены в границе соответствующей измерительной области, каждый измерительный проводник имеет со стороны общей измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой криволинейной поверхности в целом выпуклой формы, заданной в границе общей измерительной области, измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, каждая система проводников содержит элементы из диэлектрического материала, выполняющие функцию крепления и изоляции измерительных проводников, при этом система измерительных проводников реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников, положения физических тел относительно измерительных областей систем проводников, расположенных в пальцах манипулятора робота, выражены в виде системы координат геометрических центров двумерных областей, которые образованы на двумерных поверхностях общих измерительных областей систем проводников в результате локальных изменений параметров электрического поля вблизи этих поверхностей под воздействием материальных тел, определенных в разных проекциях электрического поля относительно материальных тел, причем определение положений материальных тел в разных проекциях осуществляется роботом за счет движения пальцев руки относительно материальных тел по заданному алгоритму.
38. Электронная кожа на основе системы проводников, которая предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел, содержащая многослойную диэлектрическую оболочку, которая выполнена, в основном, из гибкого, упругого и растягивающегося диэлектрического материала с заданными свойствами для каждого из слоев, покрывающая с наружной стороны конструкцию бионического протеза для человека или конструкцию антропоморфного робота, диэлектрическая оболочка содержит расположенную на нижних слоях диэлектрической оболочки первую систему проводников, которая предназначена для определения координат геометрических центров двумерных областей тактильного поля, и расположенную на верхних слоях диэлектрической оболочки вторую систему проводников, которая предназначена для формирования информации о приближениях к поверхности общей измерительной области сенсорной кожи материальных тел, со стороны внутренней поверхности диэлектрической оболочки расположен выравнивающий слой, который предназначен для сопряжения оболочки с конструкцией бионического протеза или антропоморфного робота, поверх выравнивающего слоя расположен первый промежуточный диэлектрический слой, относящийся к первой системе проводников, на верхней поверхности которого расположены измерительные проводники, составляющие множество измерительных областей первой системы проводников, сверху измерительных проводников первой системы проводников расположен слой из диэлектрического материала, который имеет свойство упругой деформации в отдельных областях, поверх этого слоя расположен растягивающийся проводник, выше растягивающегося проводника расположены слои и элементы, относящиеся ко второй системе проводников, поверх растягивающего проводника расположен второй промежуточный диэлектрический слой из упругого материала, который имеет свойство передавать усилие в отдельных областях на растягивающийся проводник, на верхней поверхности второго промежуточного слоя расположены тонкие измерительные проводники, составляющие множество измерительных областей второй системы проводников, поверх этих измерительных проводников расположен защитный слой из диэлектрического материала, каждая из систем проводников содержит множество измерительных областей с измерительными проводниками, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, измерительные проводники расположены в границах соответствующих измерительных областей, каждый измерительный проводник имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе общей измерительной области, причем практически гладкая поверхность выражена в виде следующих допустимых форм: плоской, изогнутой, криволинейной формы, а также в виде комбинации поверхностей указанных форм с плавными переходами между поверхностями указанных форм, измерительные проводники каждой измерительной области образуют систему измерительных проводников измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные проводники в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных проводников каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных проводников измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы проводников.
39. Применение электронной кожи на основе системы проводников по п. 38 в качестве электронной кожи для бионического протеза для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел.
40. Применение электронной кожи на основе системы проводников по п. 38 в качестве электронной кожи для антропоморфного робота для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности электронной кожи материальных тел.
41. Применение системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела для сенсорных устройств, по п. 1, в комбинированной системе проводников по п. 33, содержащей две системы проводников, для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, или определения координат геометрического центра плоского тела, выполненного из электропроводящего материала, или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела.
42. Применение системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, которая образована на двумерной поверхности общей измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела для сенсорных устройств, по п. 16, в комбинированной системе проводников по п. 35, содержащей две системы проводников, для определения по двум осям координат геометрического центра тела, выполненного из однородного диэлектрического материала, или определения координат геометрического центра плоского тела, выполненного из электропроводящего материала, или определения координат условного центра электропроводящей поверхности тела.
43. Применение системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, которая образована на двумерной поверхности общей измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела для сенсорных устройств, по п. 16, в сенсорной системе манипулятора робота на основе системы проводников по п. 37, для определения положений приближенных к пальцам манипулятора робота физических тел относительно пальцев манипулятора робота.
44. Применение системы проводников для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, которая образована на двумерной поверхности общей измерительной области системы проводников в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела для сенсорных устройств, по п. 16, в электронной коже на основе системы проводников по п. 38, которая предназначена для формирования информации о тактильных прикосновениях, а также информации о приближениях к измерительной поверхности общей измерительной области электронной кожи материальных тел, для бионического протеза и антропоморфного робота.
| Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты) | 2017 |
|
RU2685559C1 |
| RU 2776859 C2, 28.07.2022 | |||
| Система проводников для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты) | 2019 |
|
RU2776858C2 |
| Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты) | 2019 |
|
RU2717143C1 |
| Способ ввода координат (варианты), емкостный сенсорный экран (варианты), емкостная сенсорная панель (варианты) и электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты) | 2018 |
|
RU2717145C2 |
| US 8797294 B2, 05.08.2014 | |||
| KR 1020130046197 A, 07.05.2013 | |||
| US 20170315662 A1, 02.11.2017 | |||
| FR 2942329 A1, 20.08.2010 | |||
| RU 2019117312 A, 04.12.2020 | |||
| RU 2019116677 A, 30.11.2020 | |||
| US 20210267749 А1, 02.09.2021. | |||
