CN203705097U

CN203705097U - 一种柔性三维接触力矩阵传感装置

Info

Publication number: CN203705097U
Application number: CN201320752254.XU
Authority: CN
Inventors: 白殿春; 杨俊友; 温明亮; 胡俊; 孙柏青
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2023-11-22

Abstract

一种柔性三维接触力矩阵传感装置，包括硅胶材质的柔性导向装置及制备方法，公共端导线，ITO薄膜，柔性导向装置，固定导电胶，PCB电路板。柔性PCB板位于传感器的最上端，与外部施加力物体接触。在柔性基板槽的内侧贴有ITO薄膜。由于施加的外力使得ITO薄膜接触面积发生变化,从而电阻发生变化。通过检测不同连接点之间电阻值变化，确定X,Y,Z方向力。若干测力单元组成测力矩阵，实现测量三维接触力。本实用新型是一种线性度好、可靠性高、处理电路简单的三维触力矩阵传感器。

Description

一种柔性三维接触力矩阵传感装置

技术领域：本实用新型属于传感器领域，具体涉及一种应用于压力分布检测的接触力传感器。

背景技术：压力分布检测可广泛的应用于汽车座椅舒适度分析，足部对地面压力分析，患者行走时的支撑力分析等领域。可在汽车及康复医疗领域利用分析的数据优化设计座椅形状，预测患者行走状态，改进患者康复训练策略。已有的国内200810018554.9公开了基于导电橡胶的柔性接触力矩阵传感器。导电橡胶材料是将炭黑、金属粉末等导电物质掺杂到橡胶中，外力变化改变分散在橡胶中导电粒子的密度从而改变电阻。其电阻变化呈非线性趋势，且在外力的影响下变化幅度较大，通常应用于开关量检测。

实用新型内容：

本实用新型提出一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其目的是解决以往的方式所存在的线性度差和可靠性低的问题。

技术方案：

一种三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：该装置主要由上层柔性PCB连接板，下层PCB连接板，x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置构成；柔性PCB连接板位于装置的上端，工作时与外部施加力物体接触，下层PCB连接板设置在装置的下端，x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置设置在上层柔性PCB连接板与下层PCB连接板之间，x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置均为两块面状结构搭接在一起的人字形屋脊状结构，x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置的顶端均通过公共导线与上层柔性PCB连接板连接，x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置的底端通过导电粘合剂固定在下层PCB连接板上；x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置之间排列方向为相互垂直的正交布置；在x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置的内侧贴有ITO薄膜；x方向柔性导向装置与其内侧的ITO薄膜组成x方向柔性测力单元,y方向柔性导向装置与其内侧的ITO薄膜组成y方向柔性测力单元。

多个x方向柔性测力单元排列在同一直线上组成x轴线测力部分，多个y方向柔性测力单元也排列在同一直线上组成y轴线测力部分，并且x轴线测力部分与y轴线测力部分正交排列，组成矩阵式测力结构，在该矩阵式测力结构中，x方向柔性测力单元与y方向柔性测力单元交替设置。

x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置由硅胶制备，ITO薄膜通过普通粘合剂固定在x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置上。

所有在同一直线上的x方向柔性测力单元和y方向柔性测力单元的顶端通过上层柔性PCB连接板连接在一起，并与后端信号调理单元连接。

x方向柔性导向装置和y方向柔性导向装置与下层PCB连接板之间的接触点与后端调理单元连接。

公共导线为去绝缘皮铜线，公共导线与ITO薄膜连接。

在ITO薄膜的顶端开有V型口。

ITO薄膜的顶端形成两个接触点，两个接触点位于V型口两侧，两个接触点通过公共导线与上层柔性PCB连接板连接。

上端左侧公共点，上端右侧公共点与相邻的ITO薄膜等效电阻组成一个测垂直于水平y方向测力单元及水平x方向测力单元；每两个底端接触点与相邻的ITO薄膜等效电阻组成一个垂直方向测力单元。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1，本实用新型采用基于硅胶材料的柔性基板作为压力形变的材料，在槽的内部贴ITO薄膜。压力的变化引起ITO薄膜接触面的变化。此种方式可使得压力与传感器电阻的变化更趋于线性化，方便调理电路设计。

2，本实用新型中柔性支持材料、ITO导电薄膜和柔性电路板均为弹性材料，允许按实际需求弯曲，其结构可以按照不同曲面弯曲检测不同曲面的三维接触力。

3，本实用新型接触力检测通过若干个接触力检测单元组成，方便裁剪成不同面积的接触力传感器。

4，本实用新型每个接触力检测单元都可以实现三维接触力解耦。即使是对针对曲面检测也可以实现对曲面切向方向的接触力检测。

5，本实用新型通过调节槽形状，硅胶材料固化剂掺杂比例及薄膜切割V槽（14）角度，获得不同柔性基板受力形变量，适应性强。

附图说明

图1为本实用新型的传感器三维结构示意图

图2为本实用新型的传感器Y方向分解前视图

图3电阻网络等效电阻俯视示意图

图4电阻网络等效电阻侧视示意图

图5传感器受到压力变化示意图

图6ITO薄膜形状与导线位置示意图

图7柔性导向装置模具三维示意图

具体实施方式

如图1和2所示，一种三维接触力矩阵传感装置，该装置主要由上层柔性PCB连接板1，下层PCB连接板2，x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b构成；x方向柔性导向装置也就是横向柔性导向装置，y方向柔性导向装置也就是纵向柔性导向装置；柔性PCB连接板1位于装置的上端，工作时与外部施加力物体接触，下层PCB连接板2设置在装置的下端，x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b设置在上层柔性PCB连接板1与下层PCB连接板2之间，x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b均为两块面状结构搭接在一起的人字形屋脊状结构，x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b的顶端均通过公共导线4与上层柔性PCB连接板1连接，x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b的底端通过导电粘合剂5固定在下层PCB连接板2上；x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b之间排列方向为相互垂直的正交布置；在x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b的内侧贴有ITO薄膜6；x方向柔性导向装置3a与其内侧的ITO薄膜组成x方向柔性测力单元8a,y方向柔性导向装置3b与其内侧的ITO薄膜组成y方向柔性测力单元8b。每一个ITO薄膜为一个等效电阻。x方向柔性测力单元8a通过底部连接点7a和导电粘合剂5与下层pcb板2连接，y方向柔性测力单元8b的底端通过底部连接点7和导电粘合剂5与下层pcb板2连接。

多个x方向柔性测力单元8a排列在同一直线上组成x轴线测力部分10a，多个y方向柔性测力单元8b也排列在同一直线上组成y轴线测力部分10b，并且x轴线测力部分10a与y轴线测力部分10b正交排列，组成矩阵式测力结构，在该矩阵式测力结构中，x方向柔性测力单元8a与y方向柔性测力单元8a交替设置。

x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b由硅胶制备，ITO薄膜6通过普通粘合剂固定在x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b上。

所有在同一直线上的x方向柔性测力单元8a和y方向柔性测力单元8b的顶端12通过上层柔性PCB连接板1连接在一起，并与后端信号调理单元连接。

x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b与下层PCB连接板2之间的接触点7与后端调理单元连接。

公共导线4为去绝缘皮铜线，公共导线4与ITO薄膜6连接。

在ITO薄膜6的顶端12开有V型口14。

ITO薄膜6的顶端12形成两个接触点15a,15b，两个接触点 15a,15b位于V型口14两侧，两个接触点15a,15b通过公共导线4与上层柔性PCB连接板1连接。

如图3所示，每两个接触点7与相邻的ITO薄膜6电阻组成一个测垂直于水平向的Z方向测力单元A；每一个接触点7与相邻的2个ITO薄膜6电阻组成一个测水平正交X和Y方向力点单元B、C。

检测力需施加在柔性上层柔性PCB连接板1上。如图5为x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b的形状变化,虚线为初始形状,实体为受到压力后形变后形状。下层PCB连接板2固定在平台上（如地面，移动平台等）。

当本实用新型的传感器上层柔性PCB连接板1受到垂直的Z方向力时，外力引起x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b形状变化，从而导致贴于柔性导向装置的ITO薄膜接触面积变化。此刻下端接触点7两端的等效电阻发生变化，受力越大接触面积越大，电阻越小。当受到图6中所示,的Y方向水平方向力分量时，顶端接触点15a附近的接触面积会大于顶端接触点15b附近的接触面积，从而导致接触点15a，15b与下端接触点7之间的电阻变化，受力越大15a-7与15b-7之间的电阻差值越大。

本实用新型的三维柔性力传感器由若干个x轴线测力部分10a和y轴线测力部分10b组成，x轴线测力部分10a和y轴线测力部分10b之间成正交分布且为矩阵式排列。每一个x轴线测力部分10a和y轴线测力部分10b由若干个测力单元组成,每一个测力单元由顶端接触点及底端接触点与相邻的ITO薄膜电阻组成测力单元的电阻，随外界力变化而变化。每一个测力单元可实现垂直及水平三维力检测。

参见图4,图中上端左侧公共点15a，上端右侧公共点15b与相邻的ITO薄膜等效电阻R5a,R5b组成一个测垂直于水平y方向测力单元A及水平x方向测力单元B；每两个底端接触点7a,7b与相邻的ITO薄膜等效电阻R5b,R5c组成一个垂直方向测力单元F。

参见图3，图中是四个单元的等效电路图，方框内的部分为图1的单元等效电路，在实际测量中通过实时扫描方法检测导线AEa、BHb、CGc、DFd间电阻的变化，由公式（1）计算压力与电阻及面有效位移间的关系。

计算公式如下：

f_n∝ΔR=ρs

其中，f_n、ρ、ΔR、s、分别为径向压力、校正系数、导电薄膜在受到径向压力后面电阻的变化量、导电薄膜渐进接触最大有效位移。该图中30为单元的上层引线，31为导电薄膜等效电阻，32一个等效单元。

参见图5，为传感器受到压力变化示意图，可以看出在施加一定力的情况下，ITO薄膜接触面积发生变化。

参见图6，ITO薄膜形状与导线位置示意图。

柔性导向装置的制备方法：x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b根据检测目标力的不同，选用邵氏硬度为15-50的硅胶材料。以单元检测力最大为50牛为例，采用型号为HY-E650的硅胶，把A,B两组按照重量1：1混合搅拌均，经过去气泡处理后浇注到模具20中，28度固化24小时。后将硅胶与模具分离，测试邵氏硬度约为42。

ITO薄膜4选用的材料面电阻可为25-2000欧姆/平方厘米。以型号为ITO-005为例，面电阻为40欧姆/平方厘米

三维接触力检测机理:

三维接触力检测装置固定在地面或者支撑平台上，接触力施加于上层柔性PCB连接板1上。以人行走在检测装置为例，鞋对本实用新型的三维接触力检测装置是面接触，且不同区域施加的接触力是不同的。分布于柔性基板上的x方向柔性导向装置3a和y方向柔性导向装置3b，由于外力的变化发生形变，柔性导向装置的形状发生变化，其表面ITO薄膜由于柔性导向装置形状的变化引起接触点之间及接触点与公共导线与电阻变化。垂直方向由于形变造成ITO薄膜接触面积不同，导致两接触点之间的电阻变化，如图3电阻R1发生变化，设定图中点E为上端公共接触点15，中心方块abcd为下端用导电胶固定的ITO薄膜的四个相邻边；水平方向由于形变造成ITO薄膜接触面积不同导致接触点与公共导线之间的电阻之差发生变化，如图3电阻，R5a，R5b,如图4，上端公共点15a,15b及下端连接点7。在接触点与接触点之间，及接触点与公共导线之间分布施加电压激励，检测电压变化值，通过与标定的力-电阻变化曲线相比较得出当前单元的接触力大小。若干个矩阵式接触力单元组成了接触力检测平面，可实现对鞋底压力平面的精确检测。

传感器标定:

按常规的标定方式，提取和处理检测区域中呈阵列排布的每个传感单元在三维接触力作用下输出的X、Y、Z方向的电压信号，由于传感器的结构使得X、Y、Z的力已经实现了解耦，因此只需要建立三维接触力与输出电压信号的关系就可以实现对传感器的标定。

本实用新型线性度好，可靠性高，可用于压力平面检测的三维接触力传感器。

Claims

1.一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：该装置主要由上层柔性PCB连接板（1），下层PCB连接板（2），x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）构成；柔性PCB连接板（1）位于装置的上端，工作时与外部施加力物体接触，下层PCB连接板（2）设置在装置的下端，x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）设置在上层柔性PCB连接板（1）与下层PCB连接板（2）之间，x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）均为两块面状结构搭接在一起的人字形屋脊状结构，x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）的顶端均通过公共导线（4）与上层柔性PCB连接板（1）连接，x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）的底端通过导电粘合剂（5）固定在下层PCB连接板（2）上；x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）之间排列方向为相互垂直的正交布置；在x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）的内侧贴有ITO薄膜（6）；x方向柔性导向装置（3a）与其内侧的ITO薄膜组成x方向柔性测力单元(8a),y方向柔性导向装置（3b）与其内侧的ITO薄膜组成y方向柔性测力单元(8b)。

2.根据权利要求1所述的一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：多个x方向柔性测力单元(8a) 排列在同一直线上组成x轴线测力部分(10a)，多个y方向柔性测力单元(8b)也排列在同一直线上组成y轴线测力部分(10b)，并且x轴线测力部分(10a)与y轴线测力部分(10b)正交排列，组成矩阵式测力结构，在该矩阵式测力结构中，x方向柔性测力单元(8a)与y方向柔性测力单元(8a)交替设置。

3.根据权利要求1所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）由硅胶制备，ITO薄膜（6）通过普通粘合剂固定在x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）上。

4.根据权利要求2所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：所有在同一直线上的x方向柔性测力单元(8a)和y方向柔性测力单元(8b)的顶端（12）通过上层柔性PCB连接板（1）连接在一起，并与后端信号调理单元连接。

5.根据权利要求1所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：x方向柔性导向装置（3a）和y方向柔性导向装置（3b）与下层PCB连接板（2）之间的接触点（7）与后端调理单元连接。

6.根据权利要求1所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：公共导线（4）为去绝缘皮铜线，公共导线（4）与ITO薄膜（6）连接。

7.根据权利要求6所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：在ITO薄膜（6）的顶端（12）开有V型口（14）。

8.根据权利要求7所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：ITO薄膜（6）的顶端（12）形成两个接触点（15a,15b），两个接触点（15a,15b）位于V型口（14）两侧，两个接触点（15a,15b）通过公共导线（4）与上层柔性PCB连接板（1）连接。

9.根据权利要求1所述一种柔性三维接触力矩阵传感装置，其特征在于：上端左侧公共点（15a），上端右侧公共点（15b）与相邻的ITO薄膜等效电阻(R5a,R5b)组成一个测垂直于水平y方向测力单元（A）及水平x方向测力单元（B）；每两个底端接触点(7a,7b)与相邻的ITO薄膜等效电阻(R5b,R5c)组成一个垂直方向测力单元(F)。