CN110954250A - 多轴力量感测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴力量感测器，包括至少一个电容式测力单元，及至少一磁场式测力单元。该电容式测力单元包括至少一对软式电路板制作的上下电极板，并于该对电极板之间置入一硅胶介电层所组成的可变电容，一电容读取IC；该磁场式测力单元，包含置于上层的一颗磁铁，置于中层的间隔硅胶，置于下层的一磁场感测IC；该电容式测力单元与该磁场式测力单元互相叠合成复合式多轴力量感测器。

Description

多轴力量感测器

技术领域

本发明是有关于一种多轴力量感测器，特别是指一种压剪力感测装置，可以通过靠近待测物来区别其为人体、磁导物体、或非磁导物体，并且是有关于将电容式测力及磁场式测力复合作用的压剪力感测器。

背景技术

电子元件制程技术越来越成熟，促使穿戴式装置成为大家关注的议题，且多半被开发成生与机电整合型的跨领域产品。近几年来对于软性电子技术的发展日新月异，相关的产品也都相继问世。这些设计有不少采用可挠式压力感测器运用在不同地方上，透过随时穿戴，可达到连续监控，且不受空间范围限制，相比压力板技术而言更加便捷，对于一般使用者接受度也较高。本文发明针对磁感测及电容式感测器复合使用的设计与应用，开发出多用途的感测器，同时具有压力以及剪应力的感测，其中压力感测器以电容式为主，三轴应力是以磁感测技术为主，设计出可应用于各种情境的多轴力量感测器。

在T.P.Tomo,W.K.Wong,A.Schmitz,H.Kristanto,A.Sarazin,L.Jamone,S.Somlor,and S.Sugano,“A modular,distributed,soft,3-axis sensor system forrobot hands,”2016 IEEE-RAS Humanoids,pp.454–460。

T.P.Tomo,M.Regoli,A.Schmitz,L.Natale,H.Kristanto,S.Somlor,L.Jamone,G.Metta and S.Sugano“A New Silicone Structure for uSkin-a Soft,Distributed,Digital 3-axis Skin Sensor-and its Integration on the Humanoid Robot iCub”IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS,2018。

T.P.Tomo,A.Schmitz,W.K.Wong,H.Kristanto,S.Somlor,J.Hwang,L.Jamone,andS.Sugano,“Covering a Robot Fingertip With uSkin:A Soft Electronic Skin WithDistributed 3-Axis Force Sensitive Elements for Robot Hands,”IEEE ROBOTICSAND AUTOMATION,2018。

上述研究中的电子人造皮肤-uSkin，以Melexis的MLX90393芯片为基础设计的人造人体皮肤展示了一个小型3轴霍尔效应力量感测器。感测器尺寸为3x3x1mm，并具有数字输出，可通过I2C连接直接连接到微控制器。16个感测器的尺寸为26x27x6.05mm，高密度是这种方法的优势，但一旦感测器接近铁磁金属物体，它将完全失去其传感能力。

本发明改善上述公知的设计，并克服金属物体的感应干扰，加入具有电容感应技术的软性感测器，设计了一种电容式和磁感应复合多轴力量感测器，它结合了两个感测器的优点，以互补的方式达到预期的效果。

本发明同时利用人体电容对电容式感测器有很大影响，在触摸感测器之前会有明显的电容变化，将电容式感测器放在磁感测器上之后，可以在检测压力和剪切应力的同时，检测靠近以及接触是否为人体或动物体。此外，本发明在磁导体接触感测器之前，由于磁场干扰，磁感应值将发生很大变化，因此可以判断接近的物品是否为磁导体。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种同时具有压力及剪力三轴侦测的感测器，具有高分辨率、高量测范围及防水能力。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种压力剪力感测器，包括一双层软式电路板、一电容感测IC、一磁场感测IC、一圆柱形磁铁、一具有特殊机构设计导柱的硅胶。双层软式电路板包括一上层电容电极、一下层电容电极、一磁场感测周边电路、一电容感测周边电路、一磁场感测IC及一电容感测IC。上层电容电极弯折180度后，黏贴于特殊机构设计导柱的硅胶上层，特殊机构设计导柱的硅胶黏贴下层电容电极软式电路板上。圆柱形磁铁黏贴于上层电容电极软式电路板的背面。磁场感测及电容感测IC都以I2C传输模式并联，并以通讯位址作为数据传输的区隔。感测器讯号排线输出端共有四极，从左至右分别为GND、VCC、SCL、SDA。电容感测周边电路具有四个厚度高于电容及电感IC的被动元件，分别配置在四个角落以保护IC不受外力破坏。

透过磁场感测器拥有区分三轴磁力强度的能力，分析出磁铁受到压力或剪力时在空间中移动的变量，计算出相对应的力量值。

通过校正机台固定控制变化因素，在固定压力值量测出不同方向及不同力量的剪力值，纪录并且找出其相对应的关系曲线；再透过固定剪力值，改变压力值，纪录且找出相对应的关系曲线；最后汇整多个压力及剪力对应曲线后，即可整合成为压力剪力对应曲面。即完成该感测器压力剪力对照表格，然后量测时，再以内插法方式取得当下量测值在曲线中对应的位置，而得出当前压力剪力的强度及方向。

压力感测器需要在制造后进行校准。通过压力校准将压力值转换为电容读数值。每个校准压力感测器都内置在查找校准表中，感测器使用时由受压力时产生的电容值可通过计算得出压力值。

感测器在外层涂有硅树脂，以在使用过程中反覆施加外力时保护IC免受损坏。

附图说明

图1是本发明一实施例的压剪力感测器的立体图；

图2是图1的压剪力感测器的构件爆炸立体图；

图3是图2中含有微结构的间隔硅胶立体图；

图4是完成校正完成前批量测试设计立体图；

图5是本发明量测压力剪力方法流程图；

图6是蓝牙校正机台设计流程图；

图7是手指靠近感测器且尚未接触时的实验数据；

图8是手指向感测器施加压力时的实验数据；

图9是磁导体靠近感测器且尚未接触时的实验数据；

图10是非磁导体向感测器施加X轴负方向剪力时的实验数据；

图11是非磁导体向感测器施加Y轴负方向剪力时的实验数据；

图12是非磁导体向感测器施加X轴正方向剪力时的实验数据；

图13是非磁导体向感测器施加Y轴正方向剪力时的实验数据；

图14是手指靠近且未接触感测器，依序由第一象限移至第四象限时的实验数据；

图15是对一个感测器进行三轴方向的校正后，将其关系创建成表格。

标号说明

圆柱形磁铁 100

具微结构的间隔硅胶 110

感测器软式电路板 120

双层感测器软式电路板 120a

传输电容值软式电路板线路 120b

电容上层板 120c

感测器讯号排线输出端 120d

磁场及电容感测 IC130。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1显示本发明感测器的完整外观，当感测器受到Z轴压力，圆柱形磁铁100及电容电极上层120c受到挤压，而向下移动；通过具有高回复弹性的硅胶介电层110(可视为一弹簧)，控制受力后圆柱形磁铁100与磁场感测IC130的距离及电容电极下层120a的距离，改变电容及磁场感测IC的读值，进而换算出所受到的压力。另外当感测器受到X轴、Y轴剪力时，圆柱形磁铁100及电容电极上层120c会水平位移，而使得圆柱形磁铁100与磁场感测IC130的距离关系改变，改变磁感测器X轴、Y轴、Z轴的读值，进而换算出所受到的剪力。

图2显示本发明的感测器组合方式，双层感测器软式电路板120a感测器(上层为电容下层板，下层为IC电路走线)、传输电容值软式电路板线路120b、电容上层板120c为一体成形的软式电路板，上下层电容电路由传输电容值软式电路板线路120b感测器连接。组合方式为将硅胶介电层110贴附于双层感测器软式电路板120a上后，将电容电极上层120c反摺180度黏贴于硅胶介电层110上，在将圆柱形磁铁100固定于电容电极上层120c上。

图3显示本发明所设计之间隔硅胶(介电层)110上的微结构，此种硅胶介电层在平面上有圆柱状颗粒或圆柱与圆椎平顶状颗粒，此种设计可增加本发明多轴力量感测器的灵敏度以及较大动态量测范围(dynamic range)，无论对于电容测力感测单元，或是三轴磁场式测力感测单元都能依照需求调整其弹簧常数。

图4显示本发明在校正前将八个感测器集合为一个拼板，将讯号集中在一个排线中传出，校正后再另外裁切分开。本发明在设计时，在IC电路中设置I2C多工器，透过地址跳转，一次校准8个或更多感测器，多工器同时接收8组感测器数据，并通过蓝牙模块传送给校准机。该方法可以克服感测器量产产能不足的问题。为了使用I2C连接方法，还选择了具有I2C通道的商用电容数字转换器IC。

图5显示本发明感测器感测方法流程，感测器受到压力改变可变电容的容值，透过电容感测IC读出容值，查询校正压力电容关系表格内插后得出当前所受压力值。感测器受到剪力改变磁铁与磁场感测IC相对位置，透过磁场感测IC读出三轴磁场强度，并以电容所得压力值为基准，查询校正剪力磁场关系表格内插后得出当前所受剪力值。

图6显示本发明设计校正机台的流程图，放置需校正的感测器进入校正机台后以蓝牙连接，并透过自动化程序设计，将不同的压力及剪力状态时，所收到的蓝牙读值记录成表格，并且在校正完成后储存。

此发明的感测器在未受外力影响时的读值，均稳定漂浮在误差的0.03％以内。

如图7所示，当人体(这个实验是手指)慢慢接近感测器时，距离接近1毫米然后离开，电容感测器的值显著增加30％，磁场感测IC的三个轴不变。原因是人体本身的电容会干扰电容感测器。

如图8所示，手指继续向感测器施加压力，并且磁感测器值也显著反应；当手指未接触感测器的部分被放大时，可以清楚地区分靠近人体的电容影响。

非导磁物体与感测器之间的距离约为1mm，电容和磁感应的读数值不变。非透化物体继续向感测器施加压力，并且电容和磁感测值也具有显著的响应。图9显示当导磁物体接近感测器约1mm时，磁感测器受到磁场的显著影响，而电容感测器响应程度较低。通过上述实验，这种感测器可以通过接近物体来区分人体，磁性或非磁性导体。

如图10所示，非导磁物体在X轴负方向施予剪切应力，并且可以看出，X轴磁感测值上升，Y轴磁感测值下降，Z轴磁感测值下降。感测器如图11所示，非导磁物体在Y轴负方向施予剪切应力，X轴磁感测值无明显变化，Y轴磁感测值上升，Z轴磁感测值上升。如图12所示，非导磁物体在X轴正方向施予剪切应力，X轴磁感测值下降，Y轴磁感测值上升，Z轴磁感测值上升。如图13所示，非导磁物体在Y轴正方向施予剪切应力，X轴磁感测值下降，Y轴磁感测值下降，Z轴磁感测值下降。从上述两个实验中，剪切力的方向可以通过三轴值的趋势变化来识别。

如图14所示，随着手指在四个象限中的移动，可以看出四个相对应的通道数值随之改变。

从这样的实验中得到了三个结果：1.当磁感没有变化时，电容率首先变化，并判断为人体触摸。2.当电容没有改变时，电容率首先改变，并判断磁导体是否接触。3.当电容和磁感同时变化时，判断出非磁导体接触。

本发明的感测器其实施校正的方式，可以将一次带有8个感测器的连接板放置在压剪力校准机中，7个通道的8个感测器同时以蓝牙模式连接(电容感测值有4个通道和磁感应值)。对一个感测器进行三轴方向的校正。对感测器施加0-0.4bar的正压，同时对感测器施加0-0.4bar的剪力，并将电容和磁感测器读数记录，每次间隔0.02bar，将其创建成表格，如图15。利用电容感测器将测量当前压力，将剪切校正解开磁感测器的三轴读数的相互耦合关系，计算出相应的剪切力。在将来使用感测器时，可以查询此表并进行插值以转换施加到感测器的压力。

本发明的实施例描述了具有四个电容效应感测器和一组三轴磁效应感测器的复合式多轴力量感测器的设计，利用电极的间隙变化来检测其接收的正向力。在感测器的IC表面涂抹硬硅胶，以防止在操作过程中受到外部损坏。通过使人体或物体与所提出的感测器接触，触点是人体，磁导体或非磁导体。测试表明，当人体接触时，电容感测器优先检测电容的变化；当磁导体接触时，三轴磁效应感测器优先检测磁场的变化；当非磁性导体接触时，电容式感测器和三轴磁效应感测器同时感测到检测到的变化。

上述的实施例虽描述了具有四个电容效应测力感测器和一组三轴磁效应感测器的多轴力量感测器的设计，也可以改成一个电容效应测力感测器和一组三轴磁效应感测器的复合式多轴力量感测器的设计。

综上所述，在本发明中，磁体和磁感测器之间的距离基于板式电容器而改变，并且通过改变介电材料的结构来制造具有良好性能的感测器，其特点是成本低，工艺简单，并且轻松定制。如上所述产生用于测量前向压力的人造皮肤，并且还可以通过磁体的水平移动来测量剪切应力。所有上述感测器都可以通过自制校准机进行校准，并测量其特性。在执行校准后测量通过自制机器设备的剪切力，并通过校准内置表来测量剪切力的大小和方向，并通过实时显示手机上的压力信息，增加多功能性和适用性。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可程序设计资料处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可程序设计资料处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当程序设计的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征感测器“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、感测器“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种多轴力量感测器，其特征在于，包括：

至少一个电容式测力单元，包括至少一对软式电路板制作的上下电极板，并于该对电极板之间置入一间隔硅胶所组成的可变电容；一电容读取IC，与该上下电极板电性相连；及

至少一磁场式测力单元，包含置于上层的一颗磁铁，置于中层的间隔硅胶，置于下层的一磁场感测IC；

其中，电容式测力单元的间隔硅胶作为介电层与弹性层，磁场式测力单元的间隔硅胶作为弹性层；

其中，该电容式测力单元与该磁场式测力单元互相叠合成复合式力量感测器，可同时于电容式测力单元压力复合的多轴力量感测器。

2.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述的电容式测力单元主要用来测量压力。

3.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述磁场式测力单元主要用来同时测量压力与剪力。

4.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述间隔硅胶为电容式测力单元与磁场式测力单元所共用。

5.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述电容式测力单元与磁场式测力单元叠合的方式，由上而下为一颗磁铁、上电极板、间隔硅胶、下电极板、含有磁场感测IC与电容读取IC的基板。

6.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述电容读取IC以及磁场感测IC进一步与一微控制器电性或具有微控制器的无线通讯模块连接。

7.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述感测器可以进一步检测靠近或接触的物件是否为人体或动物体。

8.如权利要求1所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述感测器可以进一步检测接触的物件是否为磁导体或铁磁材料。

9.如权利要求1或5所述的多轴力量感测器，其特征在于，所述间隔硅胶在平面上具有微结构设计，可增加测力灵敏度与动态量测范围。

10.一种多轴力量感测器，其特征在于，包括：

至少一个电容式测力单元，包括至少一对软式电路板制作的上下电极板，并于该对电极板之间置入一间隔硅胶所组成的可变电容；一电容读取IC，与该上下电极板电性相连；其中间隔硅胶作为介电层与弹性层，在平面上具有微结构设计，可增加测力灵敏度与动态量测范围。

11.一种多轴力量感测器，其特征在于，包括：

至少一磁场式测力单元，包含置于上层的一颗磁铁，置于中层的间隔硅胶，置于下层的一磁场感测IC；

其中间隔硅胶作弹性层，在平面上具有微结构设计，可增加测力灵敏度与动态量测范围。

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