УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ПИШУЩЕГО УЗЛА
MEASURING DEVICE OF PENPOINT MOVEMENT PARAMETERS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров перемещения пишущего узла при записи рукописного текста, и предназначено для статистических исследований рукописных текстов при проведении почерковедческой экспертизы.
В следственной практике в целях решения розыскных и идентификационных задач используются устойчивые частные признаки почерка: форма движений при выполнении и соединении букв; направление движений при написании; протяженность движений; связность движений;
относительное размещение точек начала, окончания, пересечения и соединения движений и некоторые другие. Из их числа выбирают наиболее характерные, редко встречающиеся устойчивые признаки - обычно шесть-восемь.
Проведенный авторами анализ [1, 2] показал, что современная почерковедческая экспертиза - это в большей мере искусство, требующее большого опыта и таланта исполнителей, больших затрат времени и средств, чем рутинная техническая операция.
Таким образом, на основании вышеизложенного для обеспечения достоверности факсимильного распознавания необходима разработка современных инновационных методов и технических средств с использование аппарата прикладных статистических исследований.
Известно «Звуковое перо для считывания рукописной информации» (SU №460552 от 27.03.75, G06K 9/00), содержащее корпус, в котором укреплены излучатель и пишущий узел. Невысокая точность этого устройства в силу физических проблем распространения звуковых колебаний не позволяет использовать его для считывания рукописной информации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Перо для ввода рукописных символов» (SU №638988 от 28.12.78 г., G06K 9/00), содержащее корпус с размещенным в нем пишущим стержнем, пьезоэлектрическими пластинами, расположенными вдоль стержня, инерционными элементами для учета ускорения движения устройства. Недостатком устройства является то, что снимаемый сигнал отражает интегральную характеристику движения пера, но не фиксирует особенности почерка, а именно частные признаки почерка, в том числе и усилие давления на пишущий узел.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, за счет непрерывного измерения составляющих движения пишущего узла при написании рукописного текста.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров движения пишущего узла, содержащем корпус, силоприемный элемент, пишущий узел, чувствительный элемент с пьезозодатчиками, включенными в электрическую схему, силоприемный элемент выполнен из двух продольно соединенных упругих стержней разной жесткости, соединенных торцами посредством шарового шарнира, на котором размещен элемент передачи усилий в виде шарикоподшипника, установленного внутренним кольцом в зоне наибольшего прогиба, причем первый стержень малой жесткости защемлен в резьбовой опоре корпуса с возможностью осевого перемещения, а второй стержень, скрепленный с первым стержнем с помощью шарового шарнира с возможностью радиальных перемещений, шарнирно закреплен в выходной части корпуса с помощью цанги, упомянутый элемент передачи усилий выполнен в виде установленных на силовоспринимающем элементе внутреннего кольца подшипника с конической наружной поверхностью и подпружиненного в осевом направлении сепаратора, в отверстиях которого размещены шарики, опирающиеся на коническую поверхность внутреннего кольца и контактирующие с чувствительным элементом радиального перемещения, который выполнен в виде деформируемого внешнего кольца шарикоподшипника, расположенного концентрично внутреннему кольцу, на внутренней поверхности деформируемого кольца выполнены окна для размещения пьезоэлементов, причем сепаратор подшипника фиксирован от кольцевого перемещения относительно внутреннего кольца так, что каждый шарик подшипника соприкасается с рабочей поверхностью пьезоэлемента, при этом центры шариков совпадают с направлением радиальных перемещений; дополнительно в него введен для измерения давления пишущего узла элемент передачи осевого усилия в виде сферы шарового шарнира, контактирующего с датчиком давления, в качестве которого использован пьезодатчик прямого эффекта перемещений, причем ось чувствительности датчика совпадает с продольной осью пишущего узла.
На фиг.1 представлено устройство в разрезе, на фиг.2 - структурно-функциональная схема устройства.
Устройство содержит разъемный цилиндрический корпус 1, резьбовую опору 2, размещенную в торце корпуса с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса и фиксируемую с помощью стопорной гайки, силоприемный элемент 3, выполненный в виде составного упругого цилиндрического стержня. В своей передней части, контактирующей с силоприемным элементом 3, корпус 1 имеет цангу 4 для крепления силоприемного элемента 3 с пишущим узлом 5. Цанга 4 имеет пазы, разделяющие ее на отдельные сегменты. Продольный уклон наружной поверхности цанги составляет 6-12 градусов по отношению к продольной оси. Упругий стержень 3 выполнен из двух стержней 6, 7 разной жесткости, соединенных торцами с помощью шарового шарнира 8. Стержень 6 малой жесткости выполнен за одно целое со сферой шарнира 8. Во втулке шарнира 8 имеется гнездо для размещения пьезоэлемента осевого перемещения, причем ось чувствительности этого пьезоэлемента совпадает с продольной осью устройства. Первый стержень 6 малой жесткости защемлен в резьбовой опоре 2 корпуса с возможностью осевого перемещения. Его назначение ограничить прогиб силоприемного элемента 3 в зоне максимального прогиба с целью предотвращения разрушения пьезоэлементов радиального перемещения и обеспечить предварительное нагружение пьезоэлемента осевого перемещения. Второй стержень 7 собственно является силоприемным элементом датчика радиальных перемещений. Во внутренней полости его размещен пишущий узел 5. В крайней левой части его в зоне максимальных прогибов на цилиндрической поверхности корпуса шарового шарнира 8 размещен элемент передачи усилий к чувствительному элементу в виде шарикоподшипника качения 9, который внутренним опорным кольцом 10 с конической наружной поверхностью запрессован на левой оконечности стержня 7.
Сепаратор 11 подшипника зафиксирован в кольцевом направлении относительно опорного кольца 10 и подпружинен в осевом направлении. Его назначение - предотвратить смещение шариков 12 относительно осей чувствительности пьезоэлементов радиального перемещения. Собственно силопередающим элементом являются шарики 12 подшипника, передающие усилие от опорного кольца 10 к чувствительному элементу. Чувствительным элементом датчика является наружное деформируемое кольцо 13 подшипника, расположенное концентрично внутреннему опорному кольцу 10. Наружное деформируемое кольцо 13 состоит из внешней тонкостенной металлической втулки 14 и скрепленной с ней посредством контакта обоймы 15, из диэлектрического материала, в которой выполнены сквозные окна для размещения пьезодатчиков 16 радиального перемещения.
В качестве датчиков 16 радиальных перемещений в устройстве использованы пьезоэлементы прямого пьезоэффекта [3], включенные в измерительную схему, причем электрическая ось пьезоэлемента совпадает с силочувствительной осью, проходящей через центр каждого шарика 12, точку контакта пьезоэлемента 16 и шарика 12 до пересечения с продольной осью датчика. Пьезодатчики 16 установлены с равным шагом дискретности соосно с шариками 12 в окнах обоймы 15. При преобразовании сигналов радиального перемещения в электрические сигналы использован способ прямого пьезоэффекта, когда сигнал перемещения воздействует на пьезоэлемент и вызывает изменение электрического сигнала на выходе пьезоэлемента [4]. Для этого в конструкции датчика пьезоэлементы предварительно поджаты с помощью винтов 17, а измеряемое перемещение прикладывается через упругий преобразователь, которым является тонкостенная втулка 14. При ввинчивании регулировочного винта 17 его концевая часть прогибает оболочку тонкостенной втулки 14 и создает усилие, пропорциональное перемещению, от этого усилия в зоне соприкосновения шарика 12 и пьезоэлемента 16 возникает усилие предварительного нагружения.
Для раздельного измерения давления пишущего узла 5 в осевом направлении, в него введен пьезодатчик 18, смонтированный в корпусе шарового шарнира 8. Его предварительное нагружение осуществляется с помощью резьбовой опоры 2.
Для фиксации пространственной ориентации датчика он снабжен датчиком 19, фиксирующим нулевое расположение датчика, а точнее положение вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось устройства. Для этого в конструкции используется ртутный переключатель, выполненный в виде торового стеклянного сосуда с впаянными электродами. Количество ртути в объеме тора и геометрические размеры тора таковы, что содержание ртути обеспечивает замыкание только одной группы контактов, расположенных в одном сечении (фиг.1 разрез С-С) тора, то есть только одного датчика радиальных перемещений, который при этом определяет первый канал измерения. Это позволяет при неконтролируемых поворотах устройства относительно его продольной оси всякий раз иметь информацию о расположении самого нижнего датчика, принимаемого за точку отсчета. Таким образом, обеспечивается привязка сигналов радиальных перемещений к вертикальной плоскости и точке начала отсчета.
С помощью выводов пьезодатчики соединяются с внешней электрической схемой (структурно-функциональная схема приведена на фиг.2), включающей многоканальный тензоусилитель 20 типа «Топаз-3 (4)», фильтр 21, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 22, микроконтроллер 23, преобразователь интерфейса (UART/RS - 485) 24 и ПЭВМ 25.
Устройство работает следующим образом. После сборки в единое устройство - в составе пьезодатчиков радиального перемещений 16, датчик осевой нагрузки 18 и датчик положения 19 - происходит настройка измерительной аппаратуры и тарировка пьезодатчиков. Индивидуальная тарировка каждого пьезоэлемента позволяет устранить погрешность измерений из-за технологических погрешностей сборки и отклонения параметров пьезоэлементов. Каждый канал измерений тарируется последовательно, для этого каждый пьезодатчик нагружается с помощью регулировочных винтов 17. При ввинчивании винта 17 его концевая часть прогибает оболочку тонкостенной втулки 14 и создает усилие, пропорциональное перемещению, что фиксируется регистрирующим прибором. Аналогично тарируется датчик осевой нагрузки 18, фиксирующий степень нажатия пишущего узла 5.
Устройство по всем направлениям радиальных перемещений работает идентично, поэтому подробно рассмотрим его работу в направлении одной силочувствительной оси, проходящей через центр шарика перпендикулярно плоскости пьезоэлемента (плоскость чертежа на фиг.1). При перемещении пишущего узла 5 устройства, связанного посредством контакта с плоскостью листа бумаги или любой ровной поверхности при написании произвольного текста, например, в радиальном направлении, правая консольная часть силоприемного стержня 7 совместно с пишущим узлом 5 изгибается относительно узла шарнирного закрепления в цанге 4, а элемент передачи усилия в виде подшипника 9 перемещается вверх, при этом усилие через шарик 12 передается на верхний пьезодатчик 16, который сжимается вдоль силочувствительной оси, а нижний пьезодатчик 16 разгружается относительно усилия предварительного нагружения, остальные датчики нагружаются промежуточными усилиями. При написании текста, в зависимости от особенностей почерка, все датчики радиальных перемещений 16 нагружаются по-разному, датчик осевого перемещения 18 фиксирует усилие давления на пишущий узел 5. Максимальный коэффициент преобразования достигается при приложении усилия в направлении силочувствительной оси пьезоэлемента. Нагружение пьезодатчиков вызывает появление электрических сигналов, пропорциональных радиальному перемещению и осевому давлению на пишущий узел. Пьезодатчики 16, 18, соединенные в измерительную схему, реагируют на изгиб пишущего узла 5 изменением выходного напряжения в измерительной диагонали моста (полумоста). Электрический сигнал по каждому каналу усиливается в многоканальном тензоусилителе 20 типа «Топаз-3 (4)» и попадает на вход фильтра 21, в котором подавляются высокочастотные помехи. Электрический сигнал с выхода фильтра 21 подается на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 22, в котором происходит оцифровка полезного сигнала с необходимой дискретностью во времени. Оцифрованный сигнал поступает на микроконтроллер 23 и далее через преобразователь интерфейса (UART/RS-485) 24 на ПЭВМ 25 для создания массива данных в цифровой форме для последующей обработки.
Предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ, обеспечивающих положительный эффект:
- позволяет создать малогабаритное устройство в виде пишущей ручки;
- позволяет снимать характеристики движения пишущего узла при написании символьного текста для последующей статистической обработки;
- таким же образом в память компьютер можно переносить графическую информацию в виде рисунков, графиков и схем;
- кроме того, устройство можно использовать подобно компьютерной мыши, так как все перемещения пишущего узла могут быть использованы в виде курсора.
Наряду с этим устройство сохраняет положительные свойства прототипа, а именно может быть использовано для ввода графической и символьной информации.
Таким образом, в расширении функциональных возможностей устройства за счет избирательного, по всем направлениям пространства, измерения перемещений конкретно выражается положительный эффект предлагаемого устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сасорова Е.В. Автоматизация предварительной обработки почерка и выделение признаков для идентификации с применением методов математической статистики // Проблемы правовой кибернетики. Материалы симпозиума. - М.: СПАРК, 1986. - c.177-179.
2. Ланцман P.M. Кибернетика и криминалистическая экспертиза почерка. - М.: Наука, 1968. - с.22.
3. Фесенко Е.Г. и др. Новые пьезокерамические материалы. - Ростов на Дону: изд. Ростовского ГУ, 1983. - с.18.
4. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении. - Л.: Машиностроение, 1986. - с.185.