顺应性材料的角位移传感器制造技术

本文公开了一种包括柔性基体的装置，其具有在第一末端与第二末端之间延伸的伸长结构，所述伸长结构是柔性的并且可从线性非弯曲位置弯曲至多个可弯曲位置的顺应性材料。所述传感器装置可包括嵌入顺应性材料内并沿所述伸长结构的纵向长度在所述第一末端与所述第二末端之间延伸的第一顺应性应变感知元件。所述第一顺应性应变感知元件包括柔性并且可弯曲的第二顺应性材料，其中所述第一顺应性应变感知元件的电性质与施加于所述伸长结构上的应变成比例变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
在工程领域，用于测量物体的应变的传感器是无所不在的。一种类型的已知传感器是电容式应变传感器，由夹在两个顺应性导电层之间的不导电的顺应性介电层组成(在本文中也被称为“顺应性电极”)。该布置形成了电容器，其电容部分地依赖于导电性层之间的距离以及实施顺应性导电层表面积的变化。所述介电层的应变和/或压缩改变传感器的电容，该电容的改变可通过传感系统检测出来。当梁元弯曲时，在弯曲梁元的外侧上引起了拉伸应变，并且在弯曲梁元的内侧引起了压缩应变。如果将一种或多种顺应性电容式应变传感器插入所述梁元之前使它们被布置偏离所述梁元的中央轴线，则由弯曲引起的应变导致可沿所述梁元的长度检测出的电容改变。该电容改变与弯曲梁元的曲率成比例。进而，该曲率与由梁元的末端限定的两个矢量之间的角位移成比例。附图说明在附图的图中，本公开通过示例的方式而不是通过限制的方式来描述。图1A是根据本公开的一个实施方案的传感器系统的示意部分的侧视图。图1B是沿图1A的截面线1B得到的截面图，其描绘了根据本公开的另一个实施方案的传感器系统的角位移传感器的组件。图1C是沿图1A的截面线1C得到的截面图，其描绘了根据本公开的另一个实施方案的传感器系统的弹簧电极。图2A是传感器系统的侧视图，描绘了根据本公开的一个实施方案的角位移传感器的角位移。图2B是沿图2A的截面线2B得到的角位移传感器的截面图，其描绘了沿根据本公开的另一个实施方案的角位移传感器的轴线延伸并且与所述角位移传感器的顺应性电容器的宽度正交的平面。图3是传感器系统的侧视图，其描绘了根据本公开的另一个实施方案的基本相对于彼此平行延伸的角位移传感器的刚性末端。图4是传感器系统的侧视图，描绘了根据本公开的一个实施方案的角位移传感器的挠性。图5A是耦接于腿的解剖关节上的传感器系统的侧视图，描绘了根据本公开的另一个实施方案的具有用于附接于腿的记录构件的传感器系统的刚性末端。图5B是根据本公开的另一个实施方案耦接于臂的解剖关节上的传感器系统的侧视图。图6是传感器系统的侧视图，其描绘了从根据本公开的角位移传感器的刚性构件延伸的记录构件的另一个实施方案。图7是根据本公开另一实施方案的传感器系统的示意图。图8A、8B和8C是图表，根据本专利技术的另一个实施方案描绘了示出为角-时间图的计算信息的例子。图9A是传感器系统的透视图，描绘了根据本公开的另一个实施方案的感知第一平面和第二平面的角位移传感器系统。图9B是沿图9A的截面线9B得到的角位移传感器的截面图，其描绘了根据本公开的另一个实施方案的包括用于感知第一平面和第二平面中的角位移的第一和第二顺应性电容器组的角位移传感器。图9C是根据本公开的另一个实施方案耦接于踝关节上的传感器系统的侧视图。图10A是角位移传感器的简化的部分透视图，描绘了根据本公开的另一个实施方案的包括用于感知角位移传感器的扭转或扭矩运动的螺旋形或漩涡形顺应性电容器组的角位移传感器。图10B是根据本公开的另一个实施方案耦接于肩关节上的传感器系统的侧视图。图10C是根据本公开的另一个实施方案耦接于髋关节上的传感器系统的侧视图。图11是根据本公开另一个实施方案的用于感知两个矢量之间的角位移的传感器系统的另一个实施方案。图12描述了根据一些实施方案的传感器系统的另一个实施方案，包括两个安装的耦接至角位移传感器的记录构件。图13描述了根据一些实施方案的传感器系统的另一个实施方案，包括一个或两个安装的可用于检测身体部位运动的记录构件。图14是根据本公开的另一个实施方案耦接于解剖关节上的传感器系统的侧视图。图15描述了根据一些实施方案的具有可移除的角位移传感器的运动感知系统。图16描述了根据一些实施方案的连接的运动测量系统。图17描述了根据一些实施方案的计算机系统的示例形式中的机器的图示表示。具体实施方式本文描述了多个用于具有一个、两个或三个旋转自由度的关节的位置和运动，其中每个旋转自由度可由发生于与限定另外两个旋转自由度的平面正交的平面上的角位移来描述。此外，本文还描述了运行这些传感器系统以感知具有一个、两个或三个旋转自由度的关节的位置和运动的方法。已经描述了可感知应变的顺应性电容式应变传感器。一些这样的常规顺应性电容式应变传感器被限制于它们在不产生暂时性或永久性损失的情况下可受到的应变大小。暂时或永久性的损失可引起所述顺应性电容式应变传感器的顺应性电极的电阻大幅提高，甚至使这些常规顺应性电极完全丧失导电性。即使维持导电性，常规顺应性电极的电阻可提高至所述顺应性电容式应变传感器的时间响应损坏的点。存在可执行对弯曲运动的测量的顺应性电容式应变传感器，但是这些应变传感器具有抑制元件以限制弯曲从而防止由过应变导致的损坏。此外，这些应变传感器本身被配置成测量仅一个平面的弯曲运动。同样地，这样的传感器的结构性能可提供有限的弯曲和挠性，并因此可能被限制于它们的潜在用途。上述用于感知弯曲运动的常规顺应性电容式应变传感器的测量单一平面的弯曲的能力可能受到限制。第二正交平面中的弯曲和/或第三正交平面中的扭转可进一步组合常规顺应性电容式应变传感器定量具有多于一个自由度的关节的能力。本公开的实施方案通过提供可测量一个或多个正交平面上的不受约束的弯曲运动并且没有限制挠性的限制构件的角位移传感器克服了上文描述的不足以及可能常规传感器系统的其他不足。所述角位移传感器可为柔性伸长结构，或者已经嵌入可采用任何形式的应变感知元件的一般弯曲结构。本文描述的角位移传感器可包括处于顺应性材料的伸长结构内的顺应性应变感知元件，例如顺应性电容器。所述伸长结构在第一末端与第二末端之前延伸。所述顺应性材料是柔性的，并且可从线性、非弯曲位置弯曲到多个可弯曲位置。例如，所述顺应性电容器包括1)第一导电层，嵌入所述顺应性材料(compliantmaterial)内并且从所述第一末端沿所述伸长结构的纵向长度延伸至所述第二末端以形成所述顺应性材料内的所述第一顺应性电容器(compliantcapacitor)的第一电极，2)第二导电层，嵌入所述顺应性材料内并且从所述第一末端沿纵向长度延伸至所述第二末端以形成所述顺应性材料内的所述第一顺应性电容器的第二电极，以及3)在所述第一导电层与所述第二导电层之间延伸的弹性体介电层。作为另一选择，所述顺应性应变感知元件可为性质上电阻性的、性质上电容性或性质上电感性的。如本文详细描述的，无论所述顺应性应变感知元件的性质为何，所述顺应性应变感知元件的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器系统，包括：角位移传感器，所述角位移传感器包括：在第一末端与第二末端之间延伸的伸长结构，所述伸长结构是柔性的并且可从线性非弯曲位置弯曲至多个可弯曲位置的顺应性材料；以及第一顺应性电容器，其中所述第一顺应性电容器包括第一导电层，所述第一导电层嵌入所述第一末端内并沿所述伸长结构的纵向长度从所述第一末端延伸至所述第二末端以形成所述第一顺应性电容器的第一电极，第二导电层，所述第二导电层嵌入所述第一末端并沿所述纵向长度从所述第一末端延伸至所述第二末端以形成所述第一顺应性电容器的第二电极，以及在所述第一导电层与所述第二导电层的之间延伸的弹性体介电层；以及耦接至所述第一顺应性电容器的电路，所述电路测量所述第一顺应性电容器的电容以基于所述第一顺应性电容器的所述电容感知所述伸长结构的弯曲运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.17 US 61/867,047;2014.05.27 US 62/003,030;1.一种传感器系统，包括：
角位移传感器，所述角位移传感器包括：在第一末端与第二末端之间延伸的伸长结构，
所述伸长结构是柔性的并且可从线性非弯曲位置弯曲至多个可弯曲位置的顺应性材料；以
及第一顺应性电容器，其中所述第一顺应性电容器包括第一导电层，所述第一导电层嵌入
所述第一末端内并沿所述伸长结构的纵向长度从所述第一末端延伸至所述第二末端以形
成所述第一顺应性电容器的第一电极，第二导电层，所述第二导电层嵌入所述第一末端并
沿所述纵向长度从所述第一末端延伸至所述第二末端以形成所述第一顺应性电容器的第
二电极，以及在所述第一导电层与所述第二导电层的之间延伸的弹性体介电层；以及
耦接至所述第一顺应性电容器的电路，所述电路测量所述第一顺应性电容器的电容以
基于所述第一顺应性电容器的所述电容感知所述伸长结构的弯曲运动。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其进一步包括：
耦接至所述角位移传感器的所述第一末端的第一刚性构件，当所述伸长结构处于所述
线性、非弯曲位置中时，所述第一刚性构件限定与所述角位移传感器的轴线对应的第一矢
量；以及
耦接至所述角位移传感器的所述第二末端的第二刚性构件，所述第二刚性构件限定与
所述角位移传感器的轴线对应的第二矢量；
其中所述电路被配置成确定第一平面内的所述第一矢量与所述第二矢量之间的角位
移，所述第一平面沿所述纵向长度限定并延伸并且正交延伸通过所述第一顺应性电容器的
宽度。
3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述角位移传感器包括嵌入所述顺应性材
料的第二顺应性电容器，所述第二顺应性电容器具有宽度并沿所述伸长结构的所述纵向长
度延伸，并以平行的方式与所述第一顺应性电容器隔开，其中所述第一和第二顺应性电容
器从所述伸长结构的中央轴线偏移，并且绕所述伸长结构的所述中央轴线反射，其中所述
电路被进一步配置成测量所述第二顺应性电容器的第二电容以感知所述伸长结构的弯曲
运动，其中所述伸长结构的所述弯曲运动引起所述第一顺应性电容器与所述第二顺应性电
容器之间的相反响应。
4.根据权利要求3所述的传感器系统，其中所述角位移传感器包括嵌入所述顺应性材
料的第二顺应性电容器对，所述第二顺应性电容器对具有宽度，并沿所述伸长结构的纵向
长度延伸，并以平行的方式彼此隔开，所述第二顺应性电容器对的宽度相对于所述第一和
第二顺应性电容器的第一对的宽度正交朝向。
5.根据权利要求4所述的传感器系统，其进一步包括：
耦接至所述角位移传感器的所述第一末端的第一刚性构件，当所述伸长结构处于所述
线性、非弯曲位置中时，所述第一刚性构件限定与所述角位移传感器的轴线对应的第一矢
量；以及
耦接至所述角位移传感器的所述第二末端的第二刚性构件，所述第二刚性构件限定与
所述角位移传感器的轴线对应的第二矢量；
其中所述电路被配置成确定第一平面内所述第一矢量与所述第二矢量之间的第一角
位移，所述第一平面沿所述纵向长度限定和延伸并正交延伸通过所述第一对的宽度，以及
确定与第二平面对应的所述第一矢量与第二矢量之间的第二角位移，所述第二平面沿所述
伸长结构的长度限定和延伸并正交延伸通过所述第二对的宽度。
6.根据权利要求4所述的传感器系统，其中所述角位移传感器包括以螺旋的方式朝向
的附加顺应性电容器，或者以共螺旋的方式朝向并延伸通过所述伸长结构的纵向长度并嵌
入所述伸长结构的顺应性材料内的附加顺应性电容器的附加对。
7.根据权利要求6所述的传感器系统，其进一步包括：
耦接至所述角位移传感器的所述第一末端的第一刚性构件，当所述伸长结构处于所述
线性、非弯曲位置中时，所述第一刚性构件限定与所述角位移传感器的轴线对应的第一矢
量；以及
耦接至所述角位移传感器的所述第二末端的第二刚性构件，所述第二刚性构件限定与
所述角位移传感器的轴线对应的第二矢量，其中所述电路被配置成确定第一平面内所述第
一矢量与所述第二矢量之间的第一角位移，所述第一平面沿所述纵向长度限定和延伸并正
交延伸通过所述第一对的宽度，与第二平面对应的所述第一矢量与第二矢量之间的第二角
位移，所述第二平面沿所述伸长结构的长度限定和延伸并正交延伸通过所述第二对的宽
度，以及当施加转矩位移至所述第一和第二刚性构件时绕所述角位移传感器轴线并且处于
与所述轴线正交的第三平面内的第三角位移，并且其中所述第三平面与所述第一和第二平
面正交。
8.根据权利要求3所述的传感器系统，其进一步包括：
耦接至所述角位移传感器的所述第一末端的第一刚性构件，当所述伸长结构处于所述
线性、非弯曲位置中时，所述第一刚性构件限定与所述角位移传感器的轴线对应的第一矢
量；以及
耦接至所述角位移传感器的所述第二末端的第二刚性构件，所述第二刚性构件限定与
所述角位移传感器的轴线对应的第二矢量；
其中所述电路包括被配置成基于所述第一顺应性电容器与所述第二顺应性电容器之
间的差异确定第一平面内的所述第一矢量与所述第二矢量之间的角位移的差异测量电路，
所述第一平面沿所述纵向长度限定并延伸并且正交延伸通过所述第一顺应性电容器的宽
度。
9.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述角位移传感器包括多个具有宽度并沿
所述伸长结构的纵...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·P·里斯，
申请(专利权)人：弯曲实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US