接触感测设备和系统的制作方法
【专利摘要】一种接触感测设备和系统包括全部所需的感测组件，包括：电容型传感器和配置为当接触至少一个物质时产生至少一个感测信号的细长部。所有必需的感测组件被包含在手持设备中，且不需要导电接触表面来检测与目标区域的接触。击剑运动尤其受益于这种接触感测设备和系统。
【专利说明】接触感测设备和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2013年11月22日提交的在先美国申请序列号N0.13/998,678，其中该申请通过引用合并于此，且在此要求保护公共主题的优先权。
【背景技术】
[0003]现代击剑运动已有数百年历史。在历史上，裁判员(referee)和对决裁判长(boutdirector)通过视觉上观察两个对手并基于现有规则确定是否发生触碰且是否应向对所述触碰记分的击剑者判定得分，来判定得分(或触碰一一其中一个对手的武器刀片或尖端接触另一对手的目标区域)。佩剑击剑(saber fencing)的目标在于通过将击剑者武器的刀片或尖端与对手的目标区域(对手腰部上方，包括他的手臂和头部)相接触，来对触碰进行记分，其中所述佩剑击剑是基于在马背上的骑马击剑的。花式击剑(foil fencing)的目标在于通过将击剑者武器的尖端与对手的目标区域(对手的身躯)相接触，来对触碰进行记分。重剑击剑(epee fencing)的目标在于通过将击剑者武器的尖端与对手的目标区域(对手身体的任何部位)相接触，来对触碰进行记分，其中所述重剑击剑是基于第一滴血对决的。每种形式的现代击剑运动都是非常迅速的。通常，动作、接触和目标区域难以视觉观察。现代击剑武器都是非常轻的，使得熟练的击剑者可以在一系列动作中以非常快的速度来操控它们。这种速度使得难以确定何时对触碰进行记分。即使在使用若干裁判来评判比赛的情况下，对策略(maneuver)进行记分的视觉识别依然是困难的。裁判之间通常发生分歧，这是由于各位裁判感受到的洞察质量是不一致的。此外，视觉观察的评判是主观标准，且裁判之间(甚至同一裁判)的视力可能是不同的。
[0004]在20世纪70年代，电子电路用于帮助判定触碰。图1示出了当前最先进的击剑记分系统。每个击剑者X、Y握持包括与配线相连的刀片20的武器12、14，其中所述配线布置在每个击剑者的袖套(未示出)的下方并在每个击剑者后方连接至被附连到可伸缩卷轴28、30的卷轴配线24、26。每个击剑者Χ、Υ穿着击剑服21、22、面具30和配线31，其中击剑服可以由导电材料制成，面具可以由导电材料制成，且配线将所述面具与所述击剑服21相连。卷轴配线
24、26的端部同样与击剑者的击剑服21、22电相连。每个卷轴28、30与电子记分装置10相连，其中所述记分装置10具有交替发光以便指示触碰的指示器WX、CX、Wy、Cy。如果击剑的武器是佩剑，则当图1的击剑者Y在击剑服22或面具33的导电区域上用武器14的刀片20的任意部分接触击剑者X时，电路接通，且指示灯Wy指示击剑者A触碰记分。裁判员或裁判长D将使用这种信息以及他或她对该动作的视觉观察来决定是否应对击剑者Y的触碰进行记分。当图1的击剑者X在击剑者Y的击剑服22或面具33的导电区域上用配件12的刀片16接触击剑者Y时，电路接通，且指示灯Wx发光。通常，灯Wy和Wx 二者都将发光，并且裁判长或裁判员将需要根据佩剑击剑的规则，来确定应对哪个击剑者(如果存在的话)进行记分。
[0005]花式击剑的配置与图1的佩剑击剑的配置相似，除了每个击剑者X、Y持有花剑且击剑服21、22具有包括击剑者的身躯的导电目标区域之外。花剑中的有效触碰信号包括断开第一电路并完成第二电路。花剑在其尖端具有可移动的接触点，其中每当尖端触碰物体时挤压所述接触点，从而断开第一电路。每个选手佩戴马甲状的服装，所述服装覆盖其身体的有效目标部位。所述马甲具有导电表面，并被连接在电子记分装置10和对手花剑之间的第二电路中。每个花剑上的可移动接触点本身是导电的。当一个击剑者的花剑的可移动接触点触碰到对手的导电马甲时，完成第二电路，并断开第一电路，从而产生有效的触碰信号(因此，使相应指示器Wx或Wy发光)。断开第一电路(从而使相应指示器Cx、Cy发光)仅指示花剑中的无效触碰，这是由于在无效触碰中，花剑未能接触对手的马甲。
[0006]重剑击剑的配置与图1的佩剑击剑的配置相似，除了每个击剑者X、Y持有重剑，且穿着无需包括导电区域的击剑服21、22。重剑中的触碰信号仅构成一个电路的制造。当在触碰的过程中被挤压时，重剑触碰传感器组件中的可移动接触点完成所述电路。不对击剑场35或对手武器主体上的不当触碰计分。因此，如果击剑者的重剑尖端触碰击剑场35或他的对手的武器，则电子记分装置10禁用记分指示器，从而防止响应于这种不当触碰而登记触碰。如花剑的情况中一样，重剑尖端上的可移动接触点是导电的。重剑尖端上的可移动接触点与电子记分装置10的一部分相连，其中如果电子记分装置10接地，则防止有效触碰指示器的驱动。将击剑场35接地，并且将每个武器12、14的主体同样接地，使得不对武器主体或击剑场35的不当触碰记分。
[0007]与最先进的击剑系统相关联的问题在于它需要由导电织物和材料制成的击剑服、马甲和面具，其中所述击剑服、马甲和面具无法在出汗或经常清洗的情况下耐穿。它们进行收缩以穿戴并阻止击剑者的可操控性和运动。通常，击剑者出于安全考虑必须穿着多个击剑服，且导电性服装是附加层，其中所述附加层可能对于使劲的击剑者而言是不舒适的且较热。此外，击剑者需要与配线(诸如他们袖套中的电线、卷轴配线24、26以及面具配线31)相连，其中所述配线经常断开并易于变得混乱且不舒适。附加地，如果该设备由于武器刀片或尖端或导电性服装的氧化而无法以正确方式连接电路，则目标区域连接死点、过多汗水、配线故障或电子记分装置10和武器12、14之间的任意位置的电连接都可能影响比赛的结果并导致难以对对决进行记分。当前最先进的击剑记分系统中使用的电路在某种程度上是不可靠的，且记分设备易于故障，从而导致不准确的记分结果，且当击剑者试图“修复”任何发生故障的击剑设备时，导致较长的停工期。附加地，击剑设备可能是成本高昂的，这是因为仅为了电子记分，一对击剑者需要电子记分装置10、两个卷轴28、30、将卷轴28、30与电子记分装置10相连的两个电学配线、击剑者袖套中的配线等，所述设备可能花费几千美元。
[0008]接触感测探针在工业上用于检测非导电性材料(诸如，纺织品)的电容。电容型传感器通过接触和非接触技术来测量电容。非接触传感器测量电容型电子流的中断(di srupt1n)。接触电容型传感器检测当引线接触表面时的电容变化。接触电容型传感器可以检测它们所接触的表面的不同材料性质。例如，接触金属材料相对于接触非导电性材料，或接触混凝土相对于接触石膏。电容型传感器还可以基于各种纺织品的相对唯一的电阻率，来区分各种纺织品。
[0009]电容描述两个导体之间的空间如何影响它们之间的电场。如果两个金属板以它们之间具有间隙被布置且将电压施加于所述板之一，则在所述板之间将存在电场。该电场是被存储在所述板的表面上的电荷之间存在差异的结果。电容是指两个板容纳这种电荷的“能力”。在单个探针感测中，导电型探针接触表面。传感器测量穿过与该探针相连的电阻器的电流的变化，以便确定所接触表面的介电常数。探针的感测表面是带电板，且所测量的对象是目标。电容型传感器在测量非导体的存在性、密度、厚度和位置方面也可以是非常有效的。诸如塑料的非导电性材料与空气具有不同的介电常数。介电常数确定非导电性材料如何影响两个导体之间的电容。当将非导体插入该探针和固定参考目标(诸如，人体)之间时，感测场穿过所述材料到达接地目标。存在非导电性材料改变电介质，因此改变电容。所述电容将根据所述材料的厚度和密度而改变。
【发明内容】
[0010]本发明通过提供接触感测设备和系统来克服现有技术的问题，其中所述接触感测设备和系统将全部所需的感测组件具体实现在手持设备中且不需要导电性接触表面来检测与目标区域的接触。此外，本发明是完全独立的，而不需要附加布线连接到个人系统的外部。在击剑系统示例中，这将显著地增加系统可靠性、击剑者的舒适性和可操控性，并且减小遭受故障和现有系统中所需的维修的设备的成本和数量。
[0011]在第一方面，本发明通过用于感测与物质的接触的手持设备来实现该目的，其中所述手持设备包括:电容型传感器，包括细长部，所述细长部被配置为当所述细长部接触至少一个物质时产生至少一个感测信号;处理器，用于从电容型传感器接收感测信号，处理所述至少一个感测信号以确定所述至少一个物质的性质，并产生指示器信号；以及指示器，接收指示器信号并指示所述电容型传感器是否接触到所述物质。
[0012]在一个实施例中，所述电容型传感器的细长部的一部分包括接触感测引线，用于感测细长部的一部分的侧面(lateral side)与所述至少一个物质的接触。
[0013]在另一实施例中，细长部是击剑武器的刀片或尖端。
[0014]在另一实施例中，所述设备包括多个指示器，且处理器基于所确定的至少一个物质的性质，来确定哪个指示器或哪些指示器接收指示器信号。所述处理器可以包含用于确定多个指示器中的哪个指示器接收到指示器信号的逻辑电路。
[0015]在一个实施例中，至少一个物质的性质是材料特性。在另一实施例中，至少一个物质的性质是导电性。在另一实施例中，至少一个物质的性质表示在目标区域上的接触。如果电容型传感器接触到目标区域，则所述处理器还可以向多个指示器之一发送指示器信号；且如果电容型传感器接触到除了目标区域之外的区域，则所述处理器向多个指示器中的另一指示器发送指示器信号。
[0016]在另一实施例中，至少一个物质的性质是另一设备的存在。处理器可以被配置为如果电容型传感器检测到另一设备的存在，则向多个指示器之一发送指示器信号。
[0017]在另一实施例中，所述设备包括用于感测该设备的运动的至少一个运动传感器。所述运动传感器可以感测加速度、速度和/或方向。所述运动传感器可以向处理器发送运动信号，并且所述处理器处理所述运动信号以产生运动指示器信号。
[0018]在一个实施例中，所述设备包括用于输出指示器信号的计数值的计数器以及用于存储所述计数值的存储器。在另一实施例中，所述设备包括用于显示所述计数值的显示器。
[0019]在一个实施例中，所述设备包括电源。在另一实施例中，所述设备包括用于发送指示器信号和运动指示器信号中的至少一个的无线通信设备。无线通信设备还可以从至少一个其他设备接收至少一个指示器信号。
[0020]在一方面，本发明包括一种用于对设备和至少一物质之间的接触进行记分的系统，包括:至少一个设备，用于感测与物质的接触，该至少一个设备包括用于感测与物质的接触的设备，其中所述用于感测与物质的接触的设备包括:电容型传感器，包括细长部，所述细长部被配置为当所述细长部接触至少一个物质时产生至少一个感测信号；处理器，用于从电容型传感器接收感测信号，处理所述至少一个感测信号以确定所述至少一个物质的性质，并产生指示器信号；以及指示器，接收指示器信号并指示所述电容型传感器是否接触到所述物质，以及包括可由所述设备检测的至少一个物质的至少一个目标。
[0021]在一个实施例中，所述系统包括用于感测接触的至少两个设备。在另一实施例中，所述两个设备进行无线通信。
[0022]通过结合附图并且以本发明原理的示例的方式示出的以下详细描述，本发明的实施例的其它方面和优势将变得显而易见。
【附图说明】
[0023]图1不出了现有技术的击剑系统；
[0024]图2示出了根据本发明的第一设备；
[0025]图3示出了根据本发明的第二设备；
[0026]图4示出了根据本发明的电路图；
[0027]图5示出了根据本发明的击剑系统。
【具体实施方式】
[0028]图2示出了用于感测与物质的接触的手持设备。在本示例中，图2示出了佩剑12。佩剑12包括刀片16、手柄45和防护装置46。刀片16延伸通过手柄45的中空部，其中所述刀片终止在圆头49处。刀片16是导电的，通常由钢或一些其他金属合金制成。图2提供了在防护装置46的下侧是可视的情况下佩剑12的视图。处理器40、电源41、无线设备43和运动传感器42位于防护装置46的面向手柄45的内表面上。佩剑12还包括可以由一系列LED灯构成的指示器44或在指示器领域中已知的一些其他的可视、可听或可触觉感知的指示器。佩剑12的刀片16用作传感器。由于在佩剑击剑中当刀片的任意部分接触对手的目标区域(S卩，高于对手的腰部，包括手臂、武器手和头部)时对触碰进行记分，因此将刀片16的整个长度配置作为传感器。在备选示例中，仅将刀片16的一部分用作传感器。处理器40可以包括切换发送引线(send lead)47的状态的逻辑电路。当发送引线47改变电压状态时，它将最终改变刀片16的电压状态。通过处理器40测量RC时间常数(定义为R*C)来确定发送引线47改变和刀片16改变之间的延迟，其中R是电阻器(图4中具体示出)的值，且C是刀片16处的电容加上与刀片16相接触的任意其他电容(例如，与被具有特定密度和介电常数的织物覆盖的人体的接触)。添加与人体电容并联的较小电容可以稳定感测到的读数。
[0029 ]图12所示的佩剑12允许使用非导电性材料来表示针对击剑运动的有效目标区域。处理器40可以配置为转换感测到的接触物质的电容，以便确定刀片16是否接触到有效目标区域。这消除了对导电性织物击剑服和面具与击剑服之间的电连接的需要。处理器40可以包含逻辑电路，其中当感测到与有效目标区域(例如，通常在保护性击剑服中使用的尼龙织物)的接触时，所述逻辑电路使指示器44中的一个指示器LED发光。还可以对处理器40进行编程，以便将能够由刀片16感测的多于一种材料识别为有效目标。因此，面具的表面无需与击剑服的表面材料相同，可以将二者都认为是有效目标。击剑服可以仅由与裤子不同的材料制成，且可以对处理器40进行编程以便当它感测到与仅制成击剑服的材料的接触时输出指示器信号。附加地，处理器40可以被配置为确定刀片16何时感测到与对手刀片或防护装置的接触，并可以区分所述接触和与目标区域的接触。
[0030]附加地，处理器40可以发信号通知无线设备43以便向电子记分设备发送指示有效触碰的信号，其中电子记分设备接着使相应适合的指示灯发光。无线设备43可以是本领域技术人员熟知的任何无线设备，诸如，IEEE 802.11兼容设备或蓝牙设备。此外，处理器40可以发信号通知无线设备43以便发送意图由对手的佩剑接收的信号。该信息可以用于发信号通知对手武器上的指示器。还可以将这种信息连同运动传感器42和定时设备39的输出一同发送，使得电子记分设备和/或对手佩剑可以收集充足的信息以便不仅确定哪个武器感测到与目标区域的接触，而且还基于该运动的规则来确定应对哪个击剑者进行触碰判定(即，在佩剑击剑的当前规则下，在二个击剑者发起攻击且没有一个击剑者的刀片接触另一击剑者的刀片的情况下，如果一个击剑者通过首先使他或她的佩剑前进而发起该动作，则对他或她进行触碰判定。然而，如果两个击剑者相对同时地使他们的武器前进，则不对触碰进行判定。发送关于对触碰进行记分的信息和关于佩剑12的时间和运动的信息可以是非常有助于帮助裁判长对触碰进行判定，或非常有助于呈现自动化的触碰判定)。运动传感器42可以是加速度计、陀螺传感器或运动感测领域的技术人员当前已知的任意其他运动传感器。定时设备39可以是本领域技术人员熟知的任意定时设备。使用无线设备43消除了对连接到佩剑12外部或连接到击剑者的个人系统之外的任何布线的需要。这通过消除对配线和导电性目标区域的需要，显著地增加了可靠性、击剑者的舒适性和可操控性，并减小了现有系统中需要的设备成本。此外，击剑者不需要与任何电子记分设备相连，且可以享受单独地由他们的佩剑所带来的相同益处。
[0031]电源41进行供电以便操作处理器40、指示器44、运动传感器42、定时设备39、传感器刀片16和无线设备43。佩剑12还可以包括计数器(未示出)和存储器(未示出)，其中所述存储器可以记录触碰和任何其他相关统计信息。计数器可以在它到达阈值时自动重置，或可以当受到电子记分设备或对手武器指示时进行重置。指示器44还可以包括用于显示来自计数器、电子记分系统或对手武器的信息的显示器。
[0032]图2的佩剑配置还可以被用作针对除了击剑运动之外的各种附加使用情况的手持传感器。可以对处理器40进行编程，以便感测传感器(S卩，刀片16)与具有介电常数和密度的任意可检测材料之间的接触。这种用于感测与物质的接触的手持设备在工业(即，现场测试、包裹追踪工具等)、学术(即，自动化测试记分)、运动(即，地形遥感鞋)、障碍援助(即，针对盲人的感测杆、针对烧伤者的触碰感测)领域中具有各种用途，并具有许多其他有用配置。
[0033]图3示出了与图2的佩剑12相似的武器12’。武器12’包括佩剑12的所有组件，二者差别在于尖端部50而不是刀片16的整个长度用作传感器。尖端部50可以通过沿着刀片16布置或位于刀片16的凹槽或缺口中的配线与处理器40相连。备选地，刀片16可以是尖端部50和处理器40之间的导电性路径。这种配置适合于花剑或重剑击剑，其中仅可以将刀片尖端与对手目标区域的接触作为触碰进行记分。这消除了对覆盖击剑者的目标区域的导电性织物击剑服的需要;并消除了对相对复杂的尖端的需要，其中尖端含有弹簧以及用于完成或断开电路的可移动接触点。武器12’可以是具有相对较小防护装置46的花剑，其中针对图3 以剖面图示出该花剑以显示处理器40、电源41、无线设备43、指示器44和运动传感器42。在不需要关于运动的时间信息的重剑配置中，诸如图2中的定时设备39的定时设备对于武器 12’而言可以不是必须的。[〇〇34]图4示出了图2中的电容型传感器的电路图。刀片16用作传感器引线。处理器40与发送引线47电相连，其中发送引线47与电阻器R电相连。处理器40切换发送引线47的状态。 当发送引线47改变状态时，它将最终改变刀片16的状态。通过处理器40测量RC时间常数(定义为R*C)来确定发送引线47改变和刀片16改变之间的延迟，其中R是电阻器R的电阻值，且C 是由刀片16感测到的电容加上与刀片16相接触的任意其他电容(例如，与被具有特定密度和介电常数的织物覆盖的人体的接触)。刀片16还可以具体实现为布置在非金属物质的刀片下方的金属条，诸如，适当柔软的塑料或泡沫。
[0035]图5示出了击剑记分系统，使得击剑者X、Y将来自他们的武器的信息无线发送至电子记分装置10,此外发送至对方的武器。图5清楚地示出了在不需要大量布线和导电条来提供接地的情况下，击剑者使用根据本发明的武器而享受的移动自由度以及在几乎任意位置处设置击剑场的能力。击剑者可以使用接地条，以便经由布置在击剑者衣服内或附近并接触击剑场的配线连接，以允许使用较低功率的传感器。通过使用本发明，可以由非导电条来代替导电性击剑场，其中所述非导电条更轻且更易于运输，且甚至可以是传统地板材料。
[0036]尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不背离所附权利要求及其等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种形式和细节上的改变。
【主权项】
1.一种用于感测与物质的接触的手持设备，包括: 电容型传感器，包括细长部，所述细长部被配置为当所述细长部接触至少一个物质时产生至少一个感测信号； 处理器，用于从所述电容型传感器接收所述至少一个感测信号，处理所述至少一个感测信号以确定所述至少一个物质的性质，并产生指示器信号；以及 指示器，接收所述指示器信号并指示所述电容型传感器是否接触到所述物质。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电容型传感器的所述细长部的至少一部分还包括:接触感测引线，用于感测所述细长部的所述至少一部分的侧面与所述至少一个物质之间的接触。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述细长部还包括击剑武器的刀片。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电容型传感器还包括接触传感器，所述接触传感器实质上位于所述细长部的端点处，以用于检测所述端点接触所述至少一个物质。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述细长部还包括击剑武器。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括多个指示器，并且所述处理器还基于所确定的所述至少一个物质的性质，来确定所述多个指示器中的哪个指示器接收到指不器信号。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述处理器包含用于确定所述多个指示器中的哪个指示器接收到指示器信号的逻辑电路。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个物质的性质是材料特性。9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个物质的性质是导电性。10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个物质的性质表示目标区域上的接触。11.根据权利要求7所述的设备，其中，如果所述电容型传感器接触到目标区域，则所述处理器向所述多个指示器之一发送指示器信号，并且如果所述电容型传感器接触到除了所述目标区域之外的区域，则所述处理器向所述多个指示器中的另一指示器发送指示器信号。12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个物质的性质包括另一设备的存在。13.根据权利要求12所述的设备，其中，如果所述电容型传感器接触到另一设备，则所述处理器向多个指示器之一发送指示器信号。14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括用于感测所述设备的运动的至少一个运动传感器。15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述运动传感器感测加速度、速度和方向中的至少一个。16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述运动传感器向所述处理器发送运动信号，并且所述处理器处理所述运动信号以产生运动指示器信号。17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括用于输出指示器信号的计数值的计数器、以及用于存储所述计数值的存储器。18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述设备还包括用于显示所述计数值的显示器。19.根据权利要求1所述的设备，还包括:电源。20.根据权利要求16所述的设备，还包括:用于发送所述指示器信号和所述运动指示器信号中的至少一个的无线通信设备。21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述无线通信设备还包括用于从至少一个其他设备接收至少一个指示器信号的无线通信设备。22.—种用于对设备和至少一个物质之间的接触进行记分的系统，包括: 至少一个设备，用于感测与物质的接触，所述至少一个设备包括: 电容型传感器，被配置为当接触至少一个物质时产生至少一个感测信号； 处理器，用于从所述电容型传感器接收到所述至少一个感测信号，处理所述至少一个感测信号以确定所述至少一个物质的性质，并产生指示器信号； 指示器，接收所述指示器信号并指示所述电容型传感器是否接触到特定区域；以及 至少一个目标，包括能够由所述设备检测的至少一个物质。23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述系统包括用于感测接触的至少两个设备。24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述至少两个设备进行无线通信。
【文档编号】A63B69/02GK106029183SQ201480062579
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年11月21日
【发明人】蒂姆·摩尔豪斯, 吉姆·希翁, 凯尔·德克森, 布伦农·威廉斯
【申请人】摩尔豪斯美国创新有限责任公司, 蒂姆·摩尔豪斯