CN107532878A - 柔性多区角位移和应变传感器 - Google Patents

柔性多区角位移和应变传感器 Download PDF

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Abstract

一种设备包含具有中心轴的柔性材料的股束。所述设备进一步包含连接到所述股束的多区角位移传感器。所述多区角位移传感器包含所述股束的第一感测区中的第一角位移单元。所述第一角位移单元用于响应于所述第一角位移单元的变形而确定第一角位移。所述多区角位移传感器还包含设置在所述股束的第二感测区中的第二角位移单元。所述第二角位移单元用于响应于所述第二角位移单元的变形而确定第二角位移。

Description

柔性多区角位移和应变传感器
背景技术
在工程领域，用于检测、测量和监控环境事件或变化的传感器无处不在。传感器可以响应于检测、测量以及监控到环境事件或变化而提供对应的输出。存在多种传感器并且包含温度传感器、压力传感器、超声波传感器、应变传感器、光传感器、屈曲和弯曲传感器、角位移传感器以及其它传感器。传感器可以使用不同类型的感测元件，例如电容性感测元件、电阻性感测元件、光子感测元件或其它类型的感测元件，来感测环境变化。
附图说明
在附图的图中通过实例而非限制地说明本公开。
图1A是根据一些实施例的简化的角位移单元的图解。
图1B是根据一些实施例的图1A的简化的角位移单元的一部分的图解。
图2说明根据一些实施例的多区角位移传感器的不同配置。
图3A说明根据其它实施例的多区角位移传感器的不同配置。
图3B说明根据一些实施例的多区角位移传感器的不同配置。
图4说明根据一些实施例的多区角位移传感器的应用。
图5说明根据一些实施例的多区角位移传感器的俯视图。
图6说明根据一些实施例的用于确定角位移的向量。
图7A说明根据一些实施例的角位移单元的透视图。
图7B和图7C说明根据一些实施例的具有不同电极配置和电极放置的角位移单元的横截面。
图8说明根据其它实施例的角位移单元的横截面的侧视图。
图9是根据一些实施例的多区应变传感器的图解。
图10A和图10B分别说明根据一些实施例的具有不同配置的多区应变传感器的侧视图和俯视图。
图11说明根据一些实施例的使用多区角位移传感器来测量用户的解剖学关节的移动的方法的流程图。
图12A说明根据另一实施例的角位移单元。
图12B说明根据另一实施例的图12A的角位移单元的另一视图。
图13说明根据另一实施例的角位移单元。
图14说明根据一个实施例的用于分析关于角位移的数据的系统的各种组件的示意图。
图15说明根据一些实施例的感测网络。
图16说明根据一些实施例的多轴多区角位移传感器。
图17说明根据一些实施例的多轴多区角位移传感器。
图18说明根据一些实施例的多区角位移传感器。
图19说明根据一些实施例的呈计算机系统的示例性形式的机器的图解表示。
具体实施方式
用于感测位置和移动的传感器系统可以在一个、两个或三个旋转自由度上感测关于一点的移动。每个旋转自由度可以通过在与界定其它两个旋转自由度的平面正交的平面内发生的角位移来描述。测量角位移的传感器系统的传感器可以在沿着传感器的多个点处变形，并且在三维空间中的任何方向上(即，在三个旋转自由度上)变形。测量角位移的传感器系统的传感器可能会反复地经历大的角位移，例如90度或更大的角位移。一些传感器系统可能不具有承受此类变形的弹性。其它传感器系统在反复地经受大的角位移的情况下可能会引发临时或永久的变形或损坏。其它系统可能具有较差的可重复性和准确性。测量不同区(例如，人体的不同关节)的角位移的传感器系统会遇到以上挑战以及其它挑战。举例来说，人体包含在不同方向上并且沿着不同和多个轴移动的众多关节。测量不同关节的移动可能会提供其它挑战。传感器的弹性、不同传感器的互连、传感器的放置、不同区的角位移的独立测量以及其它因素形成了测量不同区的角位移的传感器系统的挑战。
本公开的实施例通过提供一种多区角位移传感器来解决上文描述的不足之处和其它不足之处，所述多区角位移传感器包含在空间上不同的多个感测区(还被称为“感测区”)。感测区可以包含用于确定与特定感测区相关联的角位移的角位移单元。感测区的角位移可以独立于多区角位移传感器的另一感测区的角位移来确定。角位移单元可以在第一端与第二端之间拉伸，并且可以沿着第一角位移单元的长度和多区角位移传感器的长度在三维空间中的任何方向上弯曲。
在一个实施例中，多区角位移传感器可以连接到柔性材料的股束(还被称为“股束”、“主体”、“细长主体”)，当所述股束处于线性和非弯曲位置时，所述股束的中心轴沿着所述股束的长度定向并且垂直于所述股束的宽度定向。所述股束可为可以沿着所述股束的所述长度拉伸并且可为可以沿着所述股束的所述长度在三维空间中的任何方向上弯曲的。所述股束可以是弹性体材料，例如橡胶。所述股束可以包含多个感测区。感测区可以是由角位移单元或所述股束的感测区内的其它感测单元界定的区域。角位移单元可以包含从所述股束的所述中心轴偏移的一个或多个柔性电容器，其中所述柔性电容器连接到所述股束(例如，柔性基体)(例如，连接在所述股束的顶部上、部分嵌入所述股束中，或完全嵌入所述股束中)。柔性电容器可以沿着从中心轴的部分偏移的线延伸，其中中心轴的所述部分可以是相应的角位移单元的角位移轴。第一感测区可以包含第一角位移单元。第一角位移单元包含界定第一向量的第一端和界定第二向量的第二端。可以响应于第一角位移单元的变形来确定在沿着所述中心轴的所述第一部分延伸并且正交于第一角位移单元的宽度的第一平面内的在所述第一向量与所述第二向量之间的角位移。变形可以指物体(例如，角位移单元)的大小或形状的由于来自另一物体的所施加的力而引起的任何变化。可以通过功而不是通过热、化学反应、湿度等来传递变形能量。在一个实例中，所述变形可以来自拉力(例如，拉动)、压缩力(例如，推动)、剪切力、弯曲力和/或扭转力(例如，扭转)。第一角位移单元可为可以在第一端与第二端之间拉伸并且可以沿着第一角位移单元的长度在三维空间中的任何方向上弯曲的。所述多个感测区中的其它感测区可以包含类似于上文描述的第一角位移单元的角位移单元。相应感测区的每个角位移单元可以独立于其它感测区来测量所述相应感测区的角位移。在一个实例中，可以使用多区角位移传感器来测量人体的关节的角位移以确定移动。举例来说，可以使用多区角位移传感器来测量人类的手的关节的角位移以确定人类的手的移动。
图1A是根据一些实施例的简化的角位移单元的图解。角位移单元100被说明为具有端106和端108。曲率102、k(L)沿着角位移单元100的长度(L)改变(例如，其中长度(L)从端106延伸到另一端108)。角位移单元100可以在端106与端108之间拉伸并且可以沿着角位移单元100的长度(L)在三维空间中的任何方向上弯曲。举例来说，角位移单元100可以与橡皮筋类似地表现。角位移单元100可以沿着所述长度沿着多个点拉伸和弯曲。在沿着所述长度的任何点处，角位移单元100可以在三维空间中的任何方向上弯曲90度或更大角度。举例来说，角位移单元100可以折叠在自身上多次和/或扭转。
角位移104(还被称为弯曲)可以是相对于轴(例如，中心轴110)或中心平面(即，与中心轴相交并且与角位移单元的宽度共面的平面)并且围绕与所述轴相交并且正交于角位移单元(例如，角位移单元100)的宽度的平面的角度的变化(即，Δ(Θ))。应注意，如图1A中说明，中心轴110示出当角位移单元100处于线性和非弯曲位置时的中心轴110。角位移单元100的中心轴11O将随着角位移单元100成曲形和弯曲而成曲形或弯曲，如图1B中说明。通过对沿着角位移单元100的长度(L)的曲率102、k(L)进行积分以产生指示角位移104的变化的值(即，Δ(Θ))来确定角位移104。角位移单元100的外来弯曲可能影响不到端106和108(还被称为传感器端)的角位移104的测量，因为外来的正曲率可以抵消沿着角位移单元100的长度(L)的外来的负曲率。中心轴110可以是相对于角位移单元100的一个或多个感测元件(例如，图1B的感测元件114)(还被称为“感测元件”)而界定的任意轴。举例来说，当角位移单元100处于线性和非弯曲位置时，角位移单元100与中心轴110对准。中心轴11O可以定位在相对于角位移单元100的感测元件的某一位置处，如图1B中说明。端106和端108可以界定角位移单元100的两个相应向量。向量可以是从其中中心轴在角位移单元100的端处与第一平面相交的第一点并且穿过第二平面内含有的与角位移单元100的端相距无穷小距离的第二点的线，其中所述第一平面垂直于所述中心轴，其中所述第二平面正交于所述第一平面并且通过沿着角位移单元100的感测元件的长度将所述感测元件平分而贯穿所述中心轴。可以至少关于图6进一步描述向量。
图1B是根据一些实施例的图1A的简化的角位移单元的一部分150的图解。角位移单元100可以包含一个或多个感测元件，例如感测元件114。在另一实施例中，角位移单元100可以包含在Z方向上从中心轴110偏移并且平行于感测元件114而定向的另一感测元件(未示出)。在一个实例中，感测元件114是柔性电容器，例如弹性体电容器。在一个实例中，感测元件114可以由三个弹性体层组成。两个层可以各自为由传导性填充物(例如，传导性碳纳米管或弹性体复合物)制成的电极层。应了解，还可以实施其它电极配置，如至少关于图7B进一步描述。传导性填充物可以响应于小和大的应变而在小和大的变形下维持传导性。非传导介电层可以在所述两个电极层之间。柔性电容器的电容可以使用以下等式近似为平行板电容器：
C是电容，K是相对介电常数，ε0是自由空间的介电常数，A是电极的面积，并且D是电介质的厚度。
应变和拉伸描述事物如何弹性地变形。可以将应变(ε)描述为其中1是变形的材料的总长度，并且L０是由于变形导致的长度的变化。可以将拉伸(λ)描述为可以使用术语应变来描述小的变形(例如，张力下的金属杆)，而可以使用拉伸来描述更大的变形(例如，张力下的橡皮筋)。应变可以是三维量度(εx，εy，εz)或一维值，其中沿着伸张应变的轴来测量应变。在拉紧状态下，应变为正。在压缩状态下，应变为负。本文可以同义地使用拉伸和应变，除非另有描述。当处于伸长率(λ)并且假设泊松比为O.5(如弹性体，相对不可压缩)时，可以通过以下等式描述以下电容-应变关系：
c(λ)＝c0λ
c0是处于无应变状态的电容，λ是上文界定的拉伸(或应变)，并且c(λ)是应变下的电容。应注意，c(λ)是应变的线性函数，并且对于小的和大的应变(即，对于上文界定的应变和拉伸)都有效。
在一个实施例中，角位移单元100可以包含嵌入柔性材料(例如，弹性体基体)的股束112内的感测元件114，使得感测元件114从股束112的中心轴110偏移120距离Z。应了解，在其它实施例中，感测元件114可以部分嵌入股束112中或者连接到股束112(例如，连接到股束112的外表面)。偏移120可以是与中心轴110相距距离Z。当角位移单元100弯曲时，可以在感测元件114中诱发曲率102(即，k(L))。所述曲率可以导致在感测元件114中在外面的正伸张应变εt(与中心轴110相距距离+Z)，并且导致在感测元件(未示出)上在里面的负压缩应变εc(与中心轴110相距距离-Z)。对于相对于所述曲率的小Z值，所述曲率可以与感测元件114中的应变线性相关，并且通过以下等式来估计(单位为1/距离)：
应注意，当角位移单元包含围绕中心轴或中心平面偏移和相映的两个共面柔性电容器时，可以使用以上等式。对于具有围绕中心轴或中心平面偏移和相映的一个柔性电容器的角位移单元，可以从所述等式移除负压缩应变εc。
虽然在图1B中说明一个感测元件114，但可以在角位移单元100中使用两个或更多个感测元件。在一个实例中，使用围绕中心轴110平行和相映的两个感测元件可以减少共模噪声和/或增加信噪比。当在角位移单元100中使用平行定向的两个或更多个感测元件时，可以作出差分电容测量。举例来说，两个单独的电容测量之间的差可以是差分电容测量。在另一实例中，感测元件114可以与另一感测元件共享接地平面(例如，相对接地电位)，并且两个单独的电容测量之间的差可以是差分电容测量。应注意，通过连接股束112中的垂直于感测元件114的一个或多个额外的感测元件，角位移单元100可以测量两个正交平面中以及所述两个正交平面内的任何点中的角位移。应了解，股束112中的额外感测元件可以处于除了垂直于感测元件114之外的位置，使得角位移单元100可以测量关于其它平面的角位移。还应了解，以螺旋方式连接一个或多个感测元件可以允许测量围绕中心轴110的扭转。
感测元件114可以是包含至少两个电极(例如，柔性电极)的柔性电容器，其中柔性电介质设置在所述两个电极之间。所述电极还可以界定厚度或深度(例如，Z方向)，使得柔性电容器的所述两个电极可以包含在约10微米至500微米的范围内的类似的厚度或深度。设置在所述电极之间的柔性电介质可以界定约10微米至200微米的厚度或深度。另外，所定位的柔性材料层36的股束112可以包含在约0.5mm至8mm或更大的范围内的深度。
柔性电容器的电极可以是部分传导性材料(和基于弹性体的材料)以便传导电荷或电流。电极之间的柔性电介质可以是非传导的或略微具传导性(例如，比电极的传导性小)并且由与股束112类似的材料形成。所述电极可以形成为具有传导性填充物(作为传导性或金属纳米颗粒)的基于弹性体的材料的层。纳米颗粒可以包含碳纳米管、碳纳米纤维、镍纳米股束、银纳米线、炭黑、石墨粉、石墨烯纳米片晶和/或其它纳米颗粒。在另一实施例中，传导性填充物可以是与纳米颗粒相同或类似的材料的微颗粒。在一个实施例中，可以使用传导性填充物的离子实施方案将纳米颗粒嵌入(例如)到弹性体中来制造柔性应变感测元件的电极。
在一个实施例中，使用最少量的传导性填充物颗粒，因为过量的填充物浓度可能会更改弹性体的弹性行为。过多的传导性填充物颗粒可能会限制角位移单元100有效地弯曲的能力，并且导致电路由于弯曲角位移单元100而折断。此外，可以使用固有传导性弹性体或其它柔性材料，例如具有自由电荷载流子的ionogel和弹性体或聚合物或类似物。
股束112(例如，弹性体基体)可以是热固性或热塑性弹性体。此外，股束112可以是电介质材料并且非传导。股束112可以包含以下结构特性：大于20％并且优选大于500％的高失效伸长率、优选处于60邵氏A级的低硬度，但可以是在邵氏A级上1至90的范围内的任何硬度。另外，股束112可以包含1％至30％的低压缩变形。在一个实施例中，热固性弹性体可以包含锡或铂固化的硅胶弹性体和/或聚氨酯弹性体组件或任何其它合适的弹性体材料。在另一实施例中，热塑性弹性体可以包含以下成分：苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)、苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯(SBS)，和/或聚氨酯或任何其它合适的热塑性弹性体。
图2说明根据一些实施例的多区角位移传感器的不同配置。多区角位移传感器200包含具有不同配置的多区角位移传感器的若干视图。应注意，关于多区角位移传感器200而描述的特征适用于多区角位移传感器200A-200D，除非另有描述。多区角位移传感器200说明多区角位移传感器200A的俯视图、多区角位移传感器200B的侧视图的横截面、另一多区角位移传感器200C的侧视图的另一横截面，以及另一多区角位移传感器200D的侧视图的横截面。
多区角位移传感器200(或股束212A)具有多个感测区201，所述多个感测区包含感测区201A、感测区201B和感测区201C。虽然描述了三个感测区，但两个或更多个感测区可以包含在多区角位移传感器200中。感测区201A包含角位移单元220A，感测区201B包含角位移单元220B，并且感测区201C包含角位移单元220C。应了解，与角位移单元220一起说明所有感测区201，一些感测区201可以含有其它感测单元，例如应变单元或压力单元或扭转单元。
角位移单元220包含两个端，其中每个端界定角位移的向量。角位移单元220A包含端240A和240B，角位移单元220B包含端240C和240D，并且角位移单元220C包含端240E和240F。相对于中心轴210(还被称为角位移轴)来界定与端240相关联的向量。将中心轴210说明为是多区角位移传感器200的所有角位移单元220共有的。应了解，对于角位移单元220中的一者或多者或角位移单元220的一个或多个柔性电容器(例如，柔性电容器270)，中心轴210可不同。举例来说，角位移单元220A的端240A和端240B在中心轴210A的部分211之间延伸。中心轴210A的对应于角位移单元220A的相应部分211是角位移单元220A的角位移轴。中心轴210A的对应于角位移单元220B的相应部分是角位移单元220B的角位移轴。中心轴210A的对应于角位移单元220C的相应部分是角位移单元220C的角位移轴。应了解，每个角位移单元220可以具有与其它角位移单元的其它中心轴独立的相应中心轴(例如，中心轴的部分)。举例来说，角位移单元220B可以旋转90度，使得端240C和端240D垂直定向。与旋转过的角位移单元220B相关联的中心轴可以与中心轴210A成90度。
多区角位移传感器200可以连接到柔性材料(例如，弹性体基体)的股束212(例如，股束212A、212B、212C和212D)。在一个实施例中，多区角位移传感器200嵌入股束212中。在另一实施例中，多区角位移传感器200部分嵌入股束212中。在另一实施例中，多区角位移传感器200连接在股束212的外表面上。可以通过相应的附接区202连接感测区201。举例来说，感测区201A和感测区201B物理地连接到附接区202A，感测区201B和感测区201C物理地连接到附接区202B。附接区可以是任何材料。在一个实施例中，附接区202可为可以拉伸的并且由柔性材料(例如，弹性体基体)制成。在另一实施例中，附接区可以由无弹性或弹性比股束212A更小的材料制成。为了说明的目的，将多区角位移传感器200示出为嵌入柔性材料的单个股束212A中。然而，应了解，可以实施其它配置。举例来说，可以在通过附接区202连接的独立的股束上实施一个或多个角位移单元220。附接区202可以是从0厘米开始的任何长度。在一些实施例中，不实施附接区202。
每个角位移单元220连接到一个或多个迹线230。角位移单元220A连接到迹线230A和230B。角位移单元220B连接到迹线230A和230C。角位移单元220C连接到迹线230A和230D。迹线230可以是能够与股束212类似地变形的柔性传导性材料。在一个实施例中，迹线230是由类似于柔性电容器270的弹性体制成。在另一实施例中，迹线230由弹性体制成但具有不同于柔性电容器270的组成。举例来说，迹线230可以使用与柔性电容器270不同的传导性填充物和/或与柔性电容器270不同量的传导性填充物。迹线230可为可以沿着迹线230的长度拉伸的，同时维持连接性和传导性。迹线230可为可以在三维空间中的任何方向上弯曲的并且维持连接性和传导性。迹线230可以处于与角位移单元220的电极相同的平面上，如通过连接到角位移单元220B的迹线230C所说明。迹线230可以处于与角位移单元220的电极不同的平面上，如通过穿过通孔250A连接到角位移单元220A的迹线230B所说明。通过与多区角位移传感器200A相关联的黑点(例如，通孔250A)以及关于多区角位移传感器200B-200C说明的垂直线来说明额外的通孔。通孔，例如通孔250A，可以由众多材料制成，例如柔性传导性材料。
多区角位移传感器200还可以包含连接区203。连接区203可以是用于一根或多根迹线的电连接区域或端子区域。连接区可以由任何材料制成。在一个实施例中，连接区203是股束212的部分。在另一实施例中，连接区可以是柔性或硬电路板。连接区203可以将多区角位移传感器200连接到其它电路、电源和/或其它多区角位移传感器。连接区203可以包含电极衬垫以有助于电连接。
多区角位移传感器200B说明多区角位移传感器200的侧视图的横截面。多区角位移传感器200B包含角位移单元220，角位移单元220各自包含远离中心轴210B偏移260A距离“t”并且沿着从中心轴210B偏移的线216(例如，线216A、线216B和线216V)的柔性电容器270。多区角位移传感器200B的角位移单元220A包含柔性电容器270A。多区角位移传感器200B的角位移单元220B包含柔性电容器270B。多区角位移传感器200B的角位移单元220C包含柔性电容器270C。柔性电容器270包含两个电极。举例来说，柔性电容器270A包含电极272A和电极272B以及插在其间的电介质。应了解，虽然将角位移单元220(和角位移单元220的柔性电容器270)说明为矩形，但角位移单元220和相关联的柔性电容器270可以是圆形、椭圆形或任何其它形状。
在每个感测区201中，正曲率将诱发相应感测区201的角位移单元220中的正应变，其将增加相应感测区201中的柔性电容器270的电容。所述电容可以是由相应角位移单元220的端240界定的两个向量之间的角位移的线性函数。
每个感测区201的角位移可以与其它感测区的角位移独立地确定。在一个实施例中，响应于感测区201A中的股束212A的变形(例如，弯曲或角位移)的角位移单元220A的电气特性的变化独立于响应于感测区201B中的股束212A的变形的角位移单元220B的电气特性的变化，并且独立于响应于感测区201C中的股束212A的变形的角位移单元220C的电气特性的变化。举例来说，响应于感测区201A中的弯曲的柔性电容器270A的电容的变化(或指示电容的电信号)分别独立于与感测区201B和201C相关联的柔性电容器270B和270C的电容的变化。
多区角位移传感器200C示出多区角位移传感器200的侧视图的横截面。每个角位移单元220包含围绕中心轴210C相映的两个柔性电容器：柔性电容器270和271。第一柔性电容器270(参看多区角位移传感器200B)从中心轴210C偏移260A距离‘t’。第二柔性电容器271在相对的方向上从中心轴210C偏移距离‘t’。多区角位移传感器200C的角位移单元220A包含柔性电容器270A和271A。多区角位移传感器200C的角位移单元220B包含柔性电容器270B和271B。多区角位移传感器200C的角位移单元220C包含柔性电容器270C和271C。柔性电容器271包含两个电极。将多区角位移传感器200C说明为嵌入股束212C中。
可以通过组合围绕中心轴210C相映的两个柔性电容器(例如，柔性电容器270和271)来增加多区角位移传感器200C的灵敏度。围绕中心轴210C相映的柔性电容器270和271有助于抑制由于噪声和伸张应变而产生的共模信号。在每个感测区201中，柔性电容器270和271之间的电容的差与相应感测区的曲率成比例。
多区角位移传感器200D示出多区角位移传感器200的侧视图的横截面。类似于多区角位移传感器200C，多区角位移传感器200D的每个角位移单元220包含围绕中心轴210D相映的两个柔性电容器：柔性电容器270和271。多区角位移传感器200D的柔性电容器270和271包含三个电极：电极272A、电极272B和272C。电极272A设置在电极272B和272C之间。电极272B和272C可以耦合到相对接地电位并且充当抵制噪声或其它寄生效应的屏蔽物。将多区角位移传感器200D说明为嵌入股束212D中。
应了解，提供图2是为了说明而不是限制。应进一步了解，本文描述的特征可以与本文描述的其它特征组合、混合或消除。举例来说，多区角位移传感器200可以包含具有非矩形形状(例如，V状或分裂形状)的感测区201或角位移单元220。多区角位移传感器200可以包含沿着不同的轴定向的角位移单元220。举例来说，如上文所论述，角位移单元220可以垂直于中心轴210或者在任何其它定向上定向。角位移单元220可以在任何任意定向上定向以测量沿着任意轴的角位移，和或可以包含任何任意数目的额外测量平面。另外，柔性电容器270和/或271可以包含一个或多个电极配置。举例来说，柔性电容器的第一电极可以完全被第二电极封闭。在另一实例中，柔性电容器的电极可以在股束212中的表面上(或部分嵌入所述股束中)，以帮助屏蔽噪声和其它寄生信号。至少关于图7B来论述其它电极配置。多区角位移传感器200或股束212可以包含由比周围的区更软的柔性材料制成的柔性区，或由具有切口的材料制成的柔性区以用于减小柔性，或由与周围的区相比具有减小的厚度的材料制成的柔性区。在一些实施例中，迹线230可以由柔性传导性材料制成并且嵌入股束212中。在其它实施例中，多区角位移传感器200可以包含一个或多个感测区，所述一个或多个感测区包含具有其它感测元件(例如，柔性应变传感器、柔性压力传感器或柔性电极(例如，用于测量皮肤表面生物电位或皮肤传导性))的感测单元。举例来说，包含具有柔性应变传感器的感测区201的多区角位移传感器200可以测量一个或多个感测区201中的角位移和一个或多个感测区201中的应变。
图3A说明根据其它实施例的多区角位移传感器的不同配置。多区角位移传感器300包含具有不同配置的多区角位移传感器的若干视图。应注意，关于多区角位移传感器200而描述的特征适用于多区角位移传感器300，除非另有描述。多区角位移传感器300说明多区角位移传感器300A和300B的俯视图、多区角位移传感器300C、300D和300E的侧视图的横截面。多区角位移传感器300B说明具有角位移单元330的感测区201C，所述角位移单元包含分裂形状的感测元件，例如分裂形状的柔性电容器。在一些实施例中，可以使用分裂形状的柔性电容器来测量手关节的角位移，并且可以形成为在轮廓周围配合或者在内部具有空切，以便在突出的关节周围配合的同时仍然测量角位移。多区角位移传感器300C-300E示出作为拉伸区的附接区202。拉伸区可以响应于拉力而拉伸，并且防止将全部或一些拉力传递到感测区201。减少传递到感测区201的拉力可以允许角位移单元220更好地检测基础物体的角位移(例如，弯曲)。
在一个实施例中，多区角位移传感器300E是被制造成具有迹线和通孔的多区单轴角位移传感器。多区角位移传感器300E包含股束(例如，柔性细长部件)，其具有嵌入内部的柔性迹线。多区角位移传感器300E可以具有多个感测区。每个感测区可以具有拥有三电极柔性电容器的角位移单元(例如，第一三电极柔性电容器)，所述三电极柔性电容器具有两个在内部电极上方和下方的外部电极。外部电极可以使用由传导性弹性体制成的通孔而连接到接地。应了解，三电极柔性电容器可以被称为二电极柔性电容器，其中第一电极的第一部分在第二电极上方，并且第一电极的第二部分在第二电极下方。三电极柔性电容器从中心轴偏移。角位移单元还包含围绕中心轴相映的另一三电极柔性电容器(例如，第二三电极柔性电容器)。每个感测区可以测量相应区的角位移。每个感测区可以通过柔性迹线而连接到连接区。电介质弹性体(用于柔性电容器和/或股束的电介质)是硬度为10A至60A的热固性硅胶弹性体。三电极柔性电容器的传导性弹性体是内部分散有传导性微颗粒或纳米颗粒(例如炭黑或碳纳米管)的硬度为10A至60A的热固性硅胶弹性体。可拉伸区与感测区相比具有减小的厚度。应了解，多区角位移传感器300A说明当前实施例的俯视图。使用差分电容测量电路来测量每个感测区的角位移，借此抵消共模噪声和信号(例如伸张应变)。
图3B说明根据一些实施例的多区角位移传感器的不同配置。多区角位移传感器350包含具有不同配置的多区角位移传感器的若干视图。应注意，关于多区角位移传感器200而描述的特征适用于多区角位移传感器350，除非另有描述。多区角位移传感器350说明多区角位移传感器350A、350B和350C的俯视图、多区角位移传感器350D和350E的侧视图的横截面。多区角位移传感器350A包含在共同平面上的柔性电容器和迹线。多区角位移传感器350A的感测区201C说明在共同平面上的分裂电极配置(例如，分裂开的两个相应的柔性电容器)。多区角位移传感器350B示出三个柔性电容器，在每个感测区201中有一个柔性电容器，并且具有在共同平面上的相关联的迹线。多区角位移传感器350C示出附接区202中的切口(例如，空隙)。在一个实施例中，切口可以增加附接区202中的柔性(例如，拉伸)，并且还可以用于使感测区在关节(例如，手关节)上居中。多区角位移传感器350D示出或者在共同平面上的柔性电容器和迹线的多区角位移传感器的侧视图。此配置经过优化以在伸张应变最小时测量多个区中的角位移。多区角位移传感器350E示出具有感测区201的多区角位移传感器的侧视图，所述感测区201包含一对柔性电容器，所述对柔性电容器中的每一者和相关联的迹线在不同并且平行的共同平面上，所述多区角位移传感器经过优化以用于减少共模噪声和信号，例如伸张应变。
在一个实施例中，多区角位移传感器350A包含三个感测区201。每个感测区201包含共面并且围绕中心轴或中心平面相映的两个柔性电容器。柔性电容器连接到与柔性电容器的电极在平面内的迹线。柔性电容器的电极包含通过非传导电介质弹性体分离的两个传导性弹性体的图案化层，使得使用在相同平面(例如，层)上图案化的迹线将每个角位移单元路由到连接区。电介质弹性体是硬度为10A至60A的热固性硅胶弹性体。传导性弹性体是内部分散有传导性微颗粒或纳米颗粒(例如炭黑或碳纳米管)的硬度为10A至60A的热固性硅胶弹性体。多区角位移传感器350E可以是当前实施例的侧视图。使用差分电容测量电路来测量每个感测区的角位移，借此抵消共模噪声和信号(例如伸张应变)。
图4说明根据一些实施例的多区角位移传感器的应用。为了说明的目的而非为了限制，在图4中说明的多区角位移传感器400的应用是手套(用于手)的部分，其中一根或多根手指可以含有一个或多个多区角位移传感器。应了解，可以在多个应用中使用多区角位移传感器400来感测角位移。本文描述的多区角位移传感器中的任一者可以用作多区角位移传感器400。图4说明单根手指。然而，应了解，可以将一个或多个多区角位移传感器400(具有或不具有拉伸区)应用于整个手的一些或全部关节。
多区角位移传感器400示出三个不同的角位移角度401(即，角度401A、角度401B和角度401C)，所述三个不同的角位移角度界定了四个椭圆形刚性主体的角定向。在角度401是非零时，它们将诱发感测区201内的曲率并且诱发附接区202内的应变(例如，拉伸)。随着角度401增加，沿着椭圆形刚性主体的顶部的附接区202的长度也将增加。将附接区202说明为拉伸区。在其它实施例中，一些或所有附接区202可以不是拉伸区。因为感测区201比附接区202更硬，所以感测区201将主要由于弯曲而在曲率上变形，而附接区202将促进长度的增加。在一个实施例中，具有附接区202的多区角位移传感器400可以在使用星号指定的五个附接点408处附接到链接的椭圆形刚性主体。附接点408可以有助于维持感测区201在弯曲的关节上的位置并且有助于向附接区202传输拉伸。举例来说，附接点408可以连接到在多区角位移传感器400下方的基础手套。应了解，可以通过任何数目的方式实施附接点408，例如通过粘到基础椭圆形脊状主体的粘合衬底，可以是配合在椭圆形脊状主体周围的带子。在一些实施例中，不实施附接点。在其它实施例中，实施相同、更少或更多的附接点。对于每个感测区201，可以依据电容的变化来测量角位移(即，角度401A、角度401B和角度401C)，其中角位移是由感测区201的端部(例如，感测区201的角位移单元)界定的两个向量之间的角度。每个感测区201的角位移可以与另一感测区独立地确定。将感测元件(例如，柔性电容器)示出为多区角位移传感器400的上表面上的粗黑线，将迹线示出为多区角位移传感器400的下表面上的黑线，柔性材料的股束是灰色的，并且所链接的椭圆形刚性主体在多区角位移传感器400下方。在一个实例中，附接区202可以由与柔性材料的股束相同的材料(例如，弹性体基体)制成，和/或可以具有与感测区201的柔性材料的股束不同的厚度。在另一实例中，附接区202的材料可以是与多区角位移传感器400的感测区201不同的材料，例如氨纶或其它弹性材料。
图5说明根据一些实施例的多区角位移传感器的俯视图。多区角位移传感器500包含六个感测区501：感测区501A、501B、501C、501D、501E和501F。感测区501可以使用单个连接区，例如连接区503。所有或一些感测区501可以共享连接区503。感测区501可以包含更少、相同或更多的感测区。
图6说明根据一些实施例的用于确定角位移的向量。将多区角位移传感器600示出为具有三个感测区201：感测区201A、感测区201B和感测区201C，其被说明为黑色弯曲矩形。每个感测区201具有对应的角位移单元220A、220B和220C。每个角位移单元220都具有从角位移单元220的端部指向的两个向量(箭头)。向量601可以是从其中中心轴在角位移单元220C的端处与第一平面相交的第一点602并且穿过第二平面内含有的与角位移单元220C的端相距无穷小距离的第二点603的线，其中第一平面垂直于所述中心轴，其中所述第二平面正交于所述第一平面并且通过沿着角位移单元220C的长度将角位移单元220C平分而贯穿所述中心轴。
图7A说明根据一些实施例的角位移单元的透视图。在一个实施例中，角位移单元700可以是如本文所描述的角位移单元。在另一实施例中，角位移单元700可以是角位移传感器(例如，单个感测区角位移传感器)。角位移单元700说明柔性材料的股束712。在中心轴(向量701和702大致在其处)周围偏移的柔性电容器720和柔性电容器721嵌入股束712中。向量701位于角位移单元700的端部740A处。向量702位于角位移单元700的端部740B处。向量701和702用于测量角位移745(θ)。虽然说明了两个柔性电容器，但可以实施一个或多个柔性电容器。柔性电容器720(和柔性电容器721)具有通过柔性电介质分离的两个柔性电极。将关于图7B来论述其它电极配置。另外，将关于图7B论述柔性电容器的额外放置。应了解，可以实施额外的柔性电容器来测量沿着测量的任何数目的额外放置的角位移。
图7B和图7C说明根据一些实施例的具有不同电极配置和电极放置的角位移单元的横截面。在一个实施例中，角位移单元750可以是如本文所描述的角位移单元。在另一实施例中，角位移单元750可以是角位移传感器(例如，单个感测区角位移传感器)。角位移单元750包含角位移单元750A至750M，每个角位移单元说明不同的电极配置和/或电极放置。在图7B中，角位移单元750A至750G示出沿着角位移单元的长度(例如，侧视图)的横截面。在图7C中，角位移单元750H至750M示出沿着对应的角位移单元(例如，角位移单元的端部)的宽度(例如，端视图)的横截面。
角位移单元750A示出嵌入股束755A中并且从中心轴753A偏移的单个柔性电容器751A。柔性电容器751A完全嵌入股束755A中。柔性电容器751A包含设置在电极760A和760B之间的电介质757A。角位移单元750B包含柔性电容器751B。柔性电容器751B包含设置在电极760C和760E之间的介电层757B。柔性电容器751B从中心轴753B偏移。角位移单元750B示出连接在所述股束的顶部上的柔性电容器751B。举例来说，电极760E可以粘附到股束755B。在一个实施例中，顶部电极760C可以接地并且可以有助于屏蔽噪声。在一些实施例中，柔性电容器751B的底部电极760E可以嵌入股束755B中并且顶部电极760C可以在股束755B的外部。
角位移单元750C包含柔性电容器751C。柔性电容器751C包含三个电极760F、760G和760H。介电层757C设置在电极760F和760G之间。介电层757D设置在电极760G和760H之间。柔性电容器751C从中心轴753C偏移。在一个实施例中，顶部和底部电极(例如，电极760F和760H)可以接地以有助于屏蔽。柔性电容器751C连接在股束755C的顶部上(或部分嵌入所述股束中)。
角位移单元750D包含柔性电容器751D。柔性电容器751包含三个电极760I、760J和760K。介电层757E设置在电极760I和760J之间。介电层757F设置在电极760J和760K之间。柔性电容器751D从中心轴753D偏移。在一个实施例中，顶部和底部电极(例如，电极760I和760K)可以接地以有助于屏蔽。柔性电容器751D连接在股束755D的顶部上(或部分嵌入所述股束中)。
角位移单元750E至750G示出从中心轴偏移的一对柔性电容器(例如，差分角位移单元)。所述对柔性电容器围绕中心轴相映，并且所述对的所述柔性电容器中的每一者彼此平行。可以使用所述对柔性电容器进行对角位移的差分测量。角位移单元750E的电极配置和电极放置与关于角位移单元750B所描述的类似。角位移单元750E包含围绕股束755E中的中心轴753E相映的柔性电容器751E和751F。角位移单元750F的电极配置和电极放置与关于角位移单元750C所描述的类似。角位移单元750F包含围绕股束755F中的中心轴753F相映的柔性电容器751G和751H。角位移单元750G的电极配置和电极放置与关于角位移单元750D所描述的类似。角位移单元750D包含围绕股束755G中的中心轴753G相映的柔性电容器751I和751J。
在图7C中，角位移单元750H、750I和750J说明带有具有不同的电极配置和放置的两对柔性电容器的角位移单元。与角位移单元750H、750I和750J相关联的柔性电容器分别围绕中心轴753J、753I和753J。中心轴753贯穿每个股束775的中间。可以使用与角位移单元750H、750I和750J相关联的第一对柔性电容器(即，顶部和底部)来测量围绕第一平面的角位移，所述第一平面贯穿中心轴并且将第一对柔性电容器平分。可以使用与角位移单元750H、750I和750J相关联的第二对柔性电容器(即，右边和左边)来测量围绕第二平面的角位移，所述第二平面贯穿中心轴并且将第二对柔性电容器平分。角位移单元750H的电极配置和电极放置与关于角位移单元750B所描述的类似。角位移单元750H包含连接到股束775H的柔性电容器771A、771B、771C和771D。角位移单元750I的电极配置和电极放置与关于角位移单元750C所描述的类似。角位移单元750I包含连接到股束775I的柔性电容器771E、771F、771G和771H。角位移单元750J的电极配置和电极放置与关于角位移单元750D所描述的类似。角位移单元750J包含连接到股束775J的柔性电容器771I、771J、771K和771L。
角位移单元750K、750L和750M示出具有两个电极的柔性电容器，其中一个电极环绕另一电极。角位移单元750K包含柔性电容器771M。柔性电容器771M包含被矩形第二电极781环绕的第一电极780。电极781可以包含环绕第一电极780的顶部、侧面和底部的侧面部分781A、侧面部分781B、顶部部分781C和底部部分781D。在一些实施例中，第一电极780的端部(即，面向页)不被第二电极781环绕。在其它实施例中，第一电极780的一个或多个端部至少部分地被第二电极781环绕。举例来说，角位移单元750K的电极配置可以类似于同轴电缆，其中第一电极780类似于同轴电缆的中心电缆并且第二电极781类似于环绕中心电缆的屏蔽物。第二矩形电极781可以接地并且有助于屏蔽。应了解，电极780和781可以是任何形状。举例来说，电极780可以是圆形并且电极781可以是围住电极780的更大的圆。柔性电容器771M嵌入股束775K中并且从中心轴753K和中心平面782偏移。中心平面782贯穿中心轴753K并且与柔性电容器771M共面。应了解，虽然在本文描述的每个角位移单元中未说明中心平面，但在本文描述的一些或全部角位移单元中可以包含中心平面。
角位移单元750L示出嵌入股束775L中的两个柔性电容器771N和771O。柔性电容器771N和771O可以类似于如上文描述的柔性电容器771M。柔性电容器771N和771O从中心轴753L和中心平面783偏移并且围绕中心轴753L和中心平面783相映。
角位移单元750M示出围绕中心轴753M以测量围绕两个正交平面的角位移的两对柔性电容器。角位移单元750M包含嵌入股束775M中的柔性电容器771P、771Q、771R和771S。柔性电容器771P、771Q、771R和771S可以类似于如上文描述的柔性电容器771M。与角位移单元750M相关联的第一对柔性电容器771P和771R(即，顶部和底部)从中心轴753M和中心平面784偏移并且围绕中心轴753M和中心平面784相映，并且可以用于测量围绕第一平面(例如，中心平面785)的角位移，所述第一平面贯穿中心轴753并且平分柔性电容器771P和771R。第二对柔性电容器771Q和771S(即，右边和左边)从中心轴753和中心平面785偏移并且围绕中心轴753和中心平面785相映，并且可以用于测量围绕第二平面(例如，中心平面784)的角位移，所述第二平面贯穿中心轴753M并且平分第二对柔性电容器771Q和771S。应了解，单个角位移单元上或多区角位移传感器中的电极配置和放置可以并入有本文描述的配置和或放置中的一者或多者。
图8说明根据其它实施例的角位移单元的横截面的侧视图。在一个实施例中，角位移单元800可以是如本文所描述的角位移单元。应了解，角位移单元800可以是多区角位移传感器的部分。在另一实施例中，角位移单元800可以是角位移传感器(例如，单个感测区角位移传感器)。角位移单元800说明包含角位移单元800A、800B、800C和800D的若干配置。角位移单元800A包含围绕中心轴810A偏移的一对柔性电容器820A。柔性电容器820A嵌入柔性材料(例如，柔性基体)的股束812A中。角位移单元800A连接到衬底815A。衬底(例如，衬底815A)可以是柔性材料，例如柔性弹性体或织物材料。织物衬底可以由氨纶、编织材料或非编织材料制成。在一些实施例中，衬底可以在至少一侧上具有粘合剂以连接到表面，例如关节周围的人类皮肤或其它表面。
角位移单元800B包含围绕中心轴810B偏移的柔性电容器820B。柔性电容器820B嵌入柔性材料的股束812B中。角位移单元800B连接在衬底815B的顶部上。角位移单元800C包含围绕中心轴810C偏移的柔性电容器820C。柔性电容器820C连接到柔性材料的股束812C的顶表面。角位移单元800C连接在衬底815C的顶部上。角位移单元800D包含围绕中心轴810D偏移的一对柔性电容器820D。柔性电容器820D嵌入柔性材料的股束812D中。衬底815D可以嵌入股束812中。在另一实施例中，股束812D的顶部半部可以连接到衬底815D的顶部，并且股束812D的底部半部可以连接到衬底815D的底侧。
图9是根据一些实施例的多区应变传感器的图解。多区应变传感器900可以包含与多区角位移传感器类似的特征，除非另有描述。多区应变传感器900包含多个感测区901，所述多个感测区包含感测区901A、901B和901C。每个感测区901包含应变单元920(例如，拉伸传感器)。感测区901A包含应变单元920A，感测区901B包含应变单元920B，并且感测区901C包含应变单元920B。应变单元920是柔性的并且与角位移单元类似地变形。应变单元920可以测量响应于拉力(例如，拉伸)的应变。
每个感测区901可以包含一个或多个感测元件，例如柔性电容器，并且可以独立地感测应变。感测区901可以与所施加的应变成比例地变形。在一些实施例中，附接区(例如，a1至a4)位于所述一个或多个感测元件之间。多区应变传感器900的附接区可以类似于本文描述的关于多区角位移传感器而描述的附接区。在另一实施例中，附接区可以位于感测元件的顶部上。所述附接区可以提供附接点，多区应变传感器900可以通过所述附接点固定到表面。在一个实施例中，多区应变传感器900的附接区可以具有有限的弹性或不具有弹性，使得可以向应变单元920施加拉力。一旦经过附接，所述附接区可以提供边界，使得可以施加负荷并且在感测元件上诱发应变。举例来说，感测元件可以位于关节上，并且附接区可以固定在关节上方的位置处，并且另一附接区可以固定在所述关节下方。在所述关节屈曲时，所述屈曲诱发感测元件上而不是附接区中的应变。附接区可以由任何材料制成，例如非传导弹性体或另一非传导材料。附接区可以通过任何材料(例如，胶水、订书钉或螺纹状材料)固定到另一表面。多区应变传感器900A说明处于可忽略应变的状态的感测元件。多区应变传感器900B说明在不同量的应变(例如，30％、40％和20％)下的感测元件。应变的百分比是每个感测元件从可忽略的应变状态到应变状态的变形(即，面积的变化)的量的指示。附接区之间的距离的变化诱发感测元件内的应变。举例来说，如果每个感测区901的参考电容(不变形)是100pF，那么由所施加的应变而产生的电容(示出为多区应变传感器900的顶部上的轴上的x值)可以导致每个感测元件的电容的成比例增加。虽然多区应变传感器900说明具有三个感测区901的多区应变传感器，但应了解，多区应变传感器可以具有任何数目的感测区901。还应了解，多区传感器可以包含具有角位移单元的一个或多个感测区，具有应变单元的一个或多个感测区，和/或具有其它类型的感测单元的任何一个或多个感测区。
图10A和图10B分别说明根据一些实施例的具有不同配置的多区应变传感器的侧视图和俯视图。多区应变传感器1000可以说明关于图9而描述的多区应变传感器900的不同配置，以及包含与关于多区应变传感器900而描述的类似的特征。多区应变传感器1000包含多区应变传感器1000A、多区应变传感器1000B和多区应变传感器1000C。多区应变传感器1000包含感测区901A、901B和901C。每个感测区901包含相应的应变单元920A、920B和920C。每个多区应变传感器1000A、1000B和1000C示出相应的多区应变传感器的侧视图和俯视图。
在一个实施例(即，顶部行)中，多区应变传感器1000A包含柔性电容器的多个重叠电极，例如弹性体电极。所述电极可以被电介质(例如，弹性体电介质)分离。所述电极可以在相对于垂直轴的不同平面上分层，如多区应变传感器1000A的侧视图中所说明。柔性电容器C1是由电极e4和e3形成并且可以测量感测区901C中的应变。柔性电容器C2是由e3和e2形成并且可以测量感测区901C和感测区901B内的应变。柔性电容器C3是由e2和e1形成并且可以测量感测区901C和感测区901B和感测区901A内的应变。单个感测区901内的应变可以通过从另一感测区901减去电容来计算。在多区应变传感器1000A的侧视图中，电极是水平黑线。在多区应变传感器1000A的俯视图中，以不同的灰阶示出顶部三个电极，其中以虚线概述整个多区应变传感器1000A。
在另一实施例(即，中间行)中，多区应变传感器1000B包含在每个感测区901中形成单独的柔性电容器的两个电极层。迹线可以在与顶部电极(e2)底部电极(e1)相同的平面中。在另一实施例(例如，底部行)中，多区应变传感器1000C示出在第三平面上的穿过柔性通孔而连接到顶部电极(e2)的传导性迹线。所述迹线和通孔可以由多种材料组成，例如传导性填料和传导性弹性体。应了解，可以在多区应变传感器的配置中使用本文描述的特征的任何组合。
图11说明根据一些实施方案的使用多区角位移传感器来测量用户的解剖学关节的移动的方法的流程图。所述多区角位移传感器可以包含如本文描述的类似的组件，例如关于图2的多区角位移传感器200、关于图3A的多区角位移传感器300、关于图3B的多区角位移传感器350，和/或关于图9的多区应变传感器900。方法1100可以全部或部分地由处理逻辑执行，所述处理逻辑包括硬件(例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码)、软件(例如，在处理装置上运行以执行硬件模拟的指令)，或其组合。在一个实施例中，接口装置执行全部或部分方法1100。
方法1100包含提供具有多个感测区的多区角位移传感器。第一感测区包含第一角位移单元，第一角位移单元的端部相对于中心轴(例如，角位移轴)界定两个向量。第二感测区包含第二角位移单元，第二角位移单元的端部相对于中心轴界定两个其它向量。所述多区角位移传感器可以连接到柔性材料的股束。所述第一和第二感测区可以独立地测量角位移。
方法1100还可以包含接近用户的第一解剖学关节来定位第一感测区。方法1100可以进一步包含接近用户的第二解剖学关节来定位第二感测区。感测区可以在用户的第一和/或第二解剖学关节上方延伸或者置于所述第一和/或第二解剖学关节附近(例如，侧面)。
在框1105处的方法1100还可以包含在角位移单元经由用户移动第一解剖学关节而从线性和非弯曲位置移动到弯曲位置时测量在第一角位移单元的第一对向量之间界定的围绕第一平面的角位移。在一些实施例中，测量围绕平面(例如，第一平面)的角位移包含使用与多区角位移传感器相关联的差分测量电路进行测量。角位移单元可以包含至少一个柔性电容器，所述至少一个柔性电容器具有沿着股束的纵向长度延伸的宽度，如本文描述。在其它实施例中，测量围绕平面的角位移包含测量由角位移单元的端部界定的所述对向量之间的平面中的角位移的变化。在一个实施例中，电路装置(例如，耦合到多区角位移传感器的接口装置)可以通过测量与角位移单元的柔性电容器相关联的信号(例如，指示柔性电容器的电容的模拟信号)来确定在所述第一向量与所述第二向量之间的角位移。所述电路装置可以将所述信号转换为指示柔性电容器的电容的数字值。
在一些实施例中，方法1100还可以包含基于所测得的角位移满足输入参数而以可听通知、视觉通知和振动触觉通知中的至少一者向用户产生生物反馈信号。应注意，角位移单元可以在添加如本文论述的一个或多个柔性电容器的情况下测量围绕不同平面的角位移。
在框1110处的方法1100还可以包含在角位移单元经由用户移动第二解剖学关节而从线性和非弯曲位置移动到弯曲位置时测量在第二角位移单元的第二对向量之间界定的围绕第二平面的角位移。可以与框1105类似地执行在框1110处的方法1100。
方法1100还可以包含执行对多区角位移传感器的校准，所述校准考虑到角位移单元的端部与所测量的解剖学关节的解剖学轴之间的未对准。
在一些实施例中，在框1115处的方法1100包含将数据存储在耦合到多区角位移传感器的接口装置中。在框1120处的方法1100还可以包含将数据无线地或以其它方式传递到远程装置。接口装置可以固定到用户或物体(未示出)并且包含各种电子组件，例如微型控制器和存储器，以用于接收与角位移相关的数据，这在本文进一步详细地论述。此外，所述接口装置可以操作地耦合到远程装置，以供用户观看和分析从接口装置接收的数据。
图12A说明根据另一实施例的角位移单元。应了解，角位移单元12还可以是角位移传感器。将传感器系统10描绘为处于弯曲位置，而不是线性和非弯曲位置。传感器系统10可以包含可以是基于弹性体的材料的角位移单元12，所述角位移单元嵌入到高度柔性和/或可以弯曲的柔性材料的股束14中。传感器系统10可以包含柔性材料的股束14。股束14可以是柔性并且可以从线性、非弯曲位置弯曲到多个可弯曲位置的柔性材料。角位移单元12的第一和第二端部嵌入相应的第一和第二刚性部件16、18内或附接到所述相应的第一和第二刚性部件，所述第一和第二刚性部件可以略微细长，并且优选在角位移单元12的第一和第二端部周围对称地形成。刚性部件16、18可以完全或部分嵌入角位移传感器端部。替代地，刚性部件16、18可以部分或完全嵌入角位移传感器端部内。在其它实施例中，不实施刚性部件16、18。此外，刚性部件16、18可以采取粘合剂、螺杆、焊接的形式，或角位移单元12端部与角位移单元12附接到的衬底之间的其它附接形式。角位移单元12附接到的衬底可以包含塑料、金属、陶瓷、织物、弹性体等。在一个实施例中，第一和第二刚性部件16、18可以分别界定第一向量52和第二向量54。在另一实施例中，角位移单元12的端部可以界定第一向量52和第二向量54。在线性非弯曲位置，第一和第二向量52、54可以基本上与水平线56同轴。
在非线性和弯曲位置，第一和第二刚性部件16、18(和/或端部)可以进行位移，使得柔性材料的股束14是非线性的或者移动弯曲位置。在此弯曲位置，第一和第二向量52、54界定第一和第二刚性部件16、18(和/或端部)之间的角度，或另外在本文参考为角位移60。在一个实施例中，可以从(例如)相对于或平行于处于线性位置的角位移单元12的轴的水平线56确定从第一和第二向量52、54的交叉点58取得的角位移60。因此，角位移60可以等于第一向量角度62减去第二向量角度64，其中可以在水平线56与第一向量52之间界定第一向量角度62，并且可以在水平线56与第二向量54之间界定第二向量角度64。其它角度，例如在第二向量54与水平线56之间界定的锐角66，也受到关注，并且可能需要进行分析，所述角度可以容易被计算为参数。以此方式，传感器系统10可以提供测量数据来计算第一和第二向量52、54之间的角位移60。角位移单元12还可以提供关于角位移60随时间的变化的测量数据，以及第一和第二向量52、54之间的角位移60的变化率。
在其中角位移单元12实施两个并联柔性电容器的一个实施例中，基于沿着柔性材料的股束14或角位移单元12的长度的第一和第二柔性电容器的电容输出使用差分测量来测量角位移60以及上述角度中的每一者。通过测量第一和第二柔性电容器中的每一者的内部和外部电极之间的电容来检测角位移60。第一和第二柔性电容器的差分测量增加了灵敏度并且减少了共模噪声。在一些实施例中，第一和第二柔性电容器以并联方式间隔，使得角位移的灵敏度得以增加。第一和第二柔性电容器从中心轴偏移并且围绕中心轴相映。在其中角位移单元12包含单个柔性电容器的一些实施例中，通过测量单个柔性电容器的内部和外部电极之间的电容来检测角位移60。
在传感器系统10处于线性和非弯曲位置之后，从角位移单元12传输的测量数据将指示基本上无角位移。在第一和第二刚性部件16、18(或角位移单元12的端部)彼此并联之后就是如此，因为由于角位移单元12中的弯曲而产生的任何正/负电容将彼此抵消。另一方面，在刚性部件16、18(和/或端部)移动到非同轴或非并联的定向(例如图12A中示出的定向)之后，由角位移单元12提供的电容测量可以提供与第一和第二向量52、54之间的定向相关的角位移60。
图12B说明根据另一实施例的图12A的角位移单元的另一视图。在一个实施例中，沿着第一平面70或相对于第一和第二刚性部件16、18和角位移单元12的第一平面70的投影或分量并且在所述第一平面或所述投影或分量内计算角位移60。在另一实施例中，沿着第一平面70或相对于端部和角位移单元12的第一平面70的投影或分量并且在所述第一平面或所述投影或分量内计算角位移60。由于柔性材料的股束14的柔性，第一和第二刚性部件16、18和/或柔性材料的股束14可以从第一平面70延伸出，并且因此可测量的角位移60可为相对于角位移单元12的实际位置的第一平面70的投影或分量。可以将第一平面70界定为与角位移单元12的中心轴24相对应和/或沿着所述中心轴延伸并且基本上正交于角位移单元12的第一和第二柔性电容器32、34的宽度44而延伸的平面。可以将角位移单元12的宽度44界定为正交于纵向长度的尺寸，宽度44和长度尺寸在相同平面内延伸。
此外，可以单独地通过第一和第二向量52、54之间的角度来界定角位移60。传感器系统10可以提供相对于第一和第二向量52、54的角位移60的测量数据，并且对角位移单元12的路径不敏感，所述路径包含角位移单元12自身的任何皱褶、扭结、出平面弯曲等。举例来说，在图12A中，角位移单元12与“M”配置类似地弯曲。然而，如所陈述，第一和第二柔性电容器32、34的差分测量受限于第一和第二向量52、54的角位移60。
图13说明根据另一实施例的角位移单元。将传感器系统10的角位移单元12示出为在若干位置弯曲，类似于“S”配置。然而，在此“S”配置中，第一和第二向量52、54基本上彼此平行，并且因此在第一和第二向量52、54之间不存在角位移。以此方式，角位移单元12在差分测量中的正和负电容测量将彼此抵消，以提供在第一和第二向量52、54之间没有角位移的测量数据。
图14说明根据一个实施例的用于分析关于角位移的数据的系统的各种组件的示意图。在一个实施例中，主要组件可以包含传感器系统10(例如，多区角位移传感器和/或多区应变传感器)、接口装置20(全部或部分还被称为电路装置)和远程装置22。传感器系统10可以包含角位移单元12(例如，本文描述的多区角位移传感器的单个角位移单元或一个或多个角位移单元)和生物反馈装置111。接口装置20可以包含电容测量电路113、微型控制器115、生物反馈放大器116和用户接口118。微型控制器115可以包含计算电路121、存储器122以及控制和分析软件124。远程装置22可以包含显示器126和用户输入端128，并且可以包含(例如)智能电话或个人计算机的处理器和计算装置，如在本领域中已知。在其它实施例中，微型控制器115可以包含模拟和数字电路两者以执行电容测量电路113、计算电路121和生物反馈放大器116的功能性。在一些实施例中，接口装置20可以是处理装置，例如微处理器或中央处理单元、控制器、专用处理器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)或本领域技术人员已知的一个或多个其它处理装置。
在使用中，例如，在角位移单元12的弯曲移动之后，电容测量电路113测量柔性电容器(例如，角位移单元12的柔性电容器32、34)的电容。如图14中所说明，可以将电容测量电路113收容在接口装置20中并且经由电线(如通过箭头130指示)耦合到角位移单元12。可以在耦合到角位移单元12的第一和第二刚性部件(未示出)中的一者的邻近处或者与角位移单元12自身一起(如使用虚线箭头130’所指示)或者在所述第一和第二刚性部件中的一者内收容电容测量电路113。应注意，电容测量电路113可以测量柔性电容器32、34中的一者的至少两个电极之间的电容。在另一实施例中，电容测量电路113可以测量两个柔性电容器32、34的差分电容。在角位移单元12包含单个柔性电容器时，电容测量电路113可以测量所述单个柔性电容器的电极之间的单个电容。电容测量电路113可以依据电压或电流来测量所述电容或差分电容。电容测量电路113随后将电压数据或电流数据传输到微型控制器115，例如传输到计算电路121，如由箭头132指示。计算电路121计算由电容测量电路113提供的电压数据或电流数据的值，以计算第一和第二向量52、54之间的角位移60(参看图12A至图12B)。计算电路121随后可以将角度数据传输到存储器122(其随后变为日志数据)和控制和分析软件124，如由相应的箭头134、136指示。在一个实施例中，可以通过(例如)用户接口118将参数输入为角位移的最大/最小界限。用户接口118可以包含显示器和/或用户输入端，例如输入键。一旦用户已经达到传感器系统10的特定角位移，让用户知晓最大界限(和最小界限)可为有用的。因此，如果用户满足所要参数(或视情况可以是非所要的参数)，控制和分析软件124可以将信号传输到生物反馈放大器116，如由箭头138指示，所述生物反馈放大器继而可以将信号传输回到传感器系统10处的生物反馈装置111，如由箭头140指示。
生物反馈装置111随后可以向用户产生已经达到预先界定的输入参数(例如最大角位移)的通知，使得(例如)用户实时地了解与正被分析的用户的特定关节的移动相关的界限。所述通知可以是以下各者中的至少一者：视觉通知、可听通知和触觉通知，或者用于促进用户对用户的最大界限的了解的某一其它通知。替代地，所述通知可以是视觉通知、可听通知和触觉通知的任何组合。视觉通知可以呈在传感器系统1O自身或接口装置20上显示的闪烁(或各种带颜色)的光等的形式，和/或还可以在接口装置20的显示器上可视化。可听通知可以是铃声或哔哔声等，其优选可以从接口装置20可听地传输，但也可以从传感器系统10传输。触觉通知可以耦合到传感器系统10的第一和第二刚性部件16、18(图12A)中的一者或者与所述第一和第二刚性部件中的一者集成或者可以集成于接口装置20中。此类触觉通知可以呈振动或某一其它触觉通知的形式，例如压缩部件。以此方式，生物反馈装置111可以在根据预定输入参数以最大角位移延伸或收缩人的解剖学关节之后实时地向用户通知。类似地，在另一实施例中，用户可以将最小角位移的参数输入到接口装置20中以用于生物反馈通知。此外，在另一实施例中，用户可以输入最小角位移和最大角位移两者的参数。输入此类参数对于在物理治疗期间进行锻炼并且对于运动员进行训练以获得各种解剖学关节处的特定移动可为有用的。
在完成康复治疗或训练等的会话之后，例如，可以将日志数据142存储在接口装置20的存储器122或存储装置中。此类日志数据142还可为可以在用户接口118处的显示器上的接口装置20上观看的。随后可以将日志数据142传递到远程装置22，如由箭头144指示。远程装置22可以是任何已知的计算装置，例如移动装置、智能电话、平板计算机、个人计算机、游戏系统等。在一个实施例中，可以通过(例如)无线技术(例如，经由无线局域网(WLAN)，例如网络或网络)或经由本领域技术人员已知的mini-USB端口等将日志数据142传递到智能电话。在另一实施例中，可以经由端口(例如，(例如)便携式存储器装置(例如，拇指驱动器)的USB端口)将日志数据142传递到个人计算机。用户随后可以将日志数据142保存在远程装置22上以供进一步分析。如先前陈述，用户可以将日志数据142的若干会话保存到远程装置22以获得进一步分析和比较数据，从而更好地了解(例如)用户的解剖学关节的用户的角位移的进展或复原。
虽然未说明，但可以通过众多电源向在图14中描述的元件供电，所述电源包含以下各者中的一者或多者：电池、可再充电电池、有线电源、电容性存储装置和电力收集技术，例如射频(RF)电力收集，以及其它。
图15说明根据一些实施例的感测网络。将感测网络1500(还被称为“多层弹性体电容性感测网络”或“感测网络”)示出为覆盖在人的手上。感测网络1500可以是手套(未示出)的部分或包含在手套中。应了解，感测网络1500可以包含本文描述的传感器和/或特征中的一者或多者，例如多区角位移传感器(例如，图2的多区角位移传感器200)和/或多区应变传感器(图9的多区应变传感器900)。
可以使用在手的顶部上图解的感测网络1500来测量手和手指运动。在一个实施例中，感测网络1500包含覆盖在每根手指上的多区应变传感器和/或多区角位移传感器和/或其组合。多区角位移传感器和/或多区应变传感器可以包含一个或多个感测区(例如，图2的感测区201、图9的感测区901)，每个感测区包含一个或多个感测元件。可以将多区角位移传感器和/或多区应变传感器置于众多柔性衬底(例如，织物、弹性体或胶带)上。每个感测区可以与另一感测区独立地测量手指弯曲、拉伸和/或手指对物体的压力(例如，触摸)。每个感测区可以在空间上分离。多区角位移传感器和/或多区应变传感器的感测区可以使用传导性迹线连接到电连接区。传导性迹线可以是传导性弹性体迹线。多区角位移传感器和/或多区应变传感器中的一者或多者可以连接到所述电连接区。所述电连接区可以含有或连接到额外的感测电子器件。虽然在手的顶部上示出一个电连接区，但可以使用包含多个电连接区的不同实施例。
在手顶部上的感测网络1500还可以在手指之间的每个区域中包含一个或多个感测元件，例如柔性电容器，以测量手在手指之间的区域处的移动(例如，测量手指展开和收缩)。手指之间的每个区域中的一个或多个感测元件可以使用如所说明的连接迹线而耦合到电连接区。
手顶部上的感测网络1500还可以包含额外的感测元件来测量手腕关节角度和/或拇指关节角度的变化。可以使用任何数目的感测元件。也可以使用传导性迹线将额外的感测元件连接到电连接区。
在手底部上图解的感测网络1500可以向用户提供触觉反馈。触觉反馈可以是由电触觉装置产生的物理刺激。可以使用触觉反馈通过向多层弹性体感测网络的触觉感测元件施加力、振动、热或运动而为用户产生触摸的感觉。可以使用利用一个或多个触觉感测元件而产生的物理刺激在虚拟环境中产生触觉、辅助在计算机模拟中产生虚拟物体、控制此类虚拟物体，和/或增强对机器和装置的遥控。
在手底部上的感测网络1500可以包含例如电极、致动器和/或压力传感器等触觉感测元件的感测区。类似于多区应变传感器和/或多区角位移传感器，多区触觉传感器可以具有一个或多个感测区(例如，触觉感测区)，每个感测区包含一个或多个触觉感测元件。多区触觉传感器可以(例如)具有能够向手指提供触觉反馈的三个感测区。所述感测区可以在空间上分离，并且向每个感测区提供具有不同量值的独立和不同的触觉。触觉感测元件可以在多种柔性衬底上，类似于如上文描述的多区应变传感器和/或多区角位移传感器。在一个实施例中，触觉感测元件可以是柔性电极，所述柔性电极产生用于模拟用户触摸热物体的一定量热。在另一实例中，触觉感测元件可以是物理变形的致动器。触觉感测元件可以散置在手的不同区域中，并且以与上文关于手顶部上的感测网络1500所描述的类似方式通过连接到电连接区的传导性迹线进行连接。应了解，触觉感测元件可以散置或者以任何方式与其它感测元件组合。还应了解，在手顶部上示出测量运动的感测网络1500以及在手底部上示出使用触觉感测元件的感测网络1500是用于说明的目的而非限制。感测网络1500和/或多区应变/角位移/触觉传感器可以使用触觉感测元件和柔性感测元件的任何组合来测量运动和/或提供触觉反馈。
图16说明根据一些实施例的多轴多区角位移传感器。多轴多区角位移传感器1600可以指具有测量围绕两个轴(或者围绕关于一个轴(例如，中心轴)的两个垂直平面)的角位移的一个或多个感测区的多区角位移传感器(如本文描述)。举例来说，参看图1A至图1B，连接股束112中的垂直于感测元件114的一个或多个额外的感测元件，角位移单元100可以测量两个正交平面中以及所述两个正交平面内的任何点中的角位移。在图7C中说明多轴多区角位移传感器1600的角位移单元的示例性电极配置(参看角位移单元750H、750I、750J和750M)。参考图7C的750M，与角位移单元750M相关联的第一对柔性电容器771P和771R(即，顶部和底部)从中心轴753M和中心平面784偏移并且围绕中心轴753M和中心平面784相映，并且可以用于测量围绕第一平面(例如，中心平面785)的角位移，所述第一平面贯穿中心轴753并且平分柔性电容器771P和771R。第二对柔性电容器771Q和771S(即，右边和左边)从中心轴753和中心平面785偏移并且围绕中心轴753和中心平面785相映，并且可以用于测量围绕第二平面(例如，中心平面784)的角位移，所述第二平面贯穿中心轴753M并且平分第二对柔性电容器771Q和771S。
多轴多区角位移传感器1600示出两个感测区(例如，多轴感测区)，其中每个区具有被测量的角位移的两个轴。每个区可以包含角位移单元。第一区具有由每个角位移单元或感测区的端点界定的向量(黑点，出于清楚起见而省略向量)，所述向量具有到x-y平面上的投影，从所述投影计算第一角位移角度θ1，并且所述向量具有到x-z平面上的投影，从所述投影计算第二角位移角度θ2。第一角位移角度θ1和第二角位移角度θ2彼此正交。在右边示出类似的图，其中第二感测区也具有两个角位移角度β1和β2。中心的虚线表示两个感测区之间的边界，并且说明第一感测区的角位移独立于第二感测区的角位移。
图17说明根据一些实施例的多轴多区角位移传感器。多轴多区角位移传感器1700说明两个感测区。应了解，多轴多区角位移传感器1700可以具有任何数目的感测区。示出侧视图(底部)，其中角位移单元(黑色矩形)嵌入股束(矩形内的白色)内或在股束顶部上。将角位移单元连接到测量电路(未示出)的可拉伸导电性迹线是深灰色。薄传导性迹线用于共同接地，并且粗传导性迹线表示到每个角位移单元的所有迹线。虚线连接到多轴多区角位移传感器1700的相关联的部分的横截面视图。在所述横截面视图内，黑线表示角位移单元，深灰色圆表示共同接地迹线，而深灰色线指示每个角位移单元的迹线。在顶部上示出图例。
在一个实施例中，多轴多区角位移传感器1700包含由柔性材料制成的股束或细长部件以及多个感测区。每个感测区包含具有两对柔性电容器的角位移单元。第一对柔性电容器以共面方式定向并且从中心轴和中心平面偏移，并且围绕中心轴和中心平面相映。经由差分电容测量电路来读取第一对柔性电容器，以便提供在垂直于中心平面的平面内的角位移的测量。第二对柔性电容器正交于第一对柔性电容器，并且在连接到类似的差分电容电路时测量正交平面中的角位移。角位移单元(和其中的柔性电容器)使用位于股束内部上的迹线而电连接到连接区。电介质弹性体是硬度为10A至60A的热固性硅胶弹性体。传导性弹性体是内部分散有传导性微颗粒或纳米颗粒(例如炭黑或碳纳米管)的硬度为10A至60A的热固性硅胶弹性体。多轴多区角位移传感器1700可以测量每个感测区的两个角位移。
图18说明根据一些实施例的多区角位移传感器。所说明的多区角位移传感器1800可以测量手指角度屈/伸。多区角位移传感器1800以深灰色示出柔性材料的股束，以黑色示出角位移单元并且以白色示出切开的开口。多区角位移传感器1800A示出迹线，所述迹线是在与角位移单元的柔性电容器的电极相同的层上形成并且被直接图案化和电连接。多区角位移传感器1800B示出向与角位移单元的柔性电容器的电极不同的层或平面添加的迹线。所述迹线使用传导性通孔而连接到电极。左边的切口有助于使传感器在关节上居中，而另外两个切口增加感测区之间的柔性。
图19说明根据一些实施例的呈计算机系统的示例性形式的机器的图解表示。计算机系统1900可以存取一组指令，所述组指令在执行时致使机器执行本文论述的方法中的任何一者或多者。计算机系统1900可以对应于接口装置20、远程装置22或执行图14的控制和分析软件124的微型控制器115。计算机系统1900可以对应于IMU或与IMU通信的计算机系统，如本文描述。在本发明的实施例中，所述机器可以连接(例如，连网)到局域网(LAN)、内联网、外联网或因特网中的其它机器。所述机器可以在客户端-服务器网络环境中作为服务器或客户端机器而操作，或者在对等(或分布式)网络环境中作为对等机器而操作。所述机器可以是个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、网络设备、服务器、网络路由器、交换机或桥接器或能够执行指定将由那个机器采取的动作的一组指令(连续或以其它方式)的任何机器。此外，虽然仅说明单个机器，但术语“机器”还应被视为包含个别地或联合地执行用于执行本文论述的方法中的任何一者或多者的一组(或多组)指令的任何机器集合。
示例性计算机系统1900包含处理装置1902、主存储器1904(例如，只读存储器(ROM)、快闪存储器、动态随机存取存储器(DRAM)(例如，同步DRAM(SDRAM))、静态存储器1906(例如，快闪存储器、静态随机存取存储器(SRAM)等))，以及辅助存储器1916(例如，数据存储装置)，以上各者经由总线1908彼此通信。
处理装置1902表示一个或多个通用处理器，例如微处理器、中央处理单元等。术语“处理装置”在本文用于指包含一个或多个处理器(“如，一个或多个处理器核心)的一个或多个集成电路和/或封装的任何组合。因此，术语处理装置涵盖微控制器、单核CPU、多核CPU和包含许多互连的集成电路的大规模多核系统，所述集成电路中的每一者可以包含多个处理器核心。处理装置1902因此可以包含多个处理器。处理装置1902可以包含复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器，超长指令字(VLIW)微处理器、实施其它指令集的处理器，或实施指令集的组合的处理器。处理装置1902还可以是一个或多个专用处理装置，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。
计算机系统1900可以进一步包含一个或多个网络接口装置1922(例如，NIC)。计算机系统1900还可以包含视频显示单元1910(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置1912(例如，键盘)、光标控制装置1914(例如，鼠标)和信号产生装置1920(例如，扬声器)。
辅助存储器1916可以包含机器可读存储介质(或更具体来说，计算机可读存储介质)1924，在所述机器可读存储介质上存储有体现本文描述的方法或功能中的任何一者或多者的一组或多组指令1954。指令1954还可以在由计算机系统1900执行所述指令期间完全或至少部分驻留在主存储器1904内和/或处理装置1902内；主存储器1904和处理装置1902还构成机器可读存储介质。
虽然在示例性实施例中将计算机可读存储介质1924示出为单个介质，但术语“计算机可读存储介质”应被视为包含存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器)。术语“计算机可读存储介质”还应被视为包含能够存储或编码一组指令以供机器执行的除了载波之外的任何介质，所述组指令的执行致使所述机器执行本实施例的方法中的任何一者或多者。术语“计算机可读存储介质”因此应被视为包含(但不限于)非暂时性介质，例如固态存储器以及光学和磁性介质。
可以将本文描述的模块、组件和其它特征实施为离散硬件组件或者集成于硬件组件(例如，ASICS、FPGA、DSP或类似装置)的功能性中。另外，可以将所述模块实施为硬件装置内的固件或功能电路。此外，可以通过硬件装置和软件组件的任何组合来实施所述模块，或者仅以软件实施所述模块。
依据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现以下详细描述的一些部分。这些算法描述和表示是由数据处理领域的技术人员用来将其工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的手段。算法在此处且一般被设想为产生所要结果的步骤的自一致序列。所述步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常(但不一定)，这些量采用能够存储、传递、组合、比较并且以其它方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字等已经证明是便利的。
然而，应牢记，所有这些和类似术语将与适当的物理量相关联并且仅为应用于这些量的便利的标记。除非另有具体规定，如从以下论述显而易见的，否则应了解，在整个描述中，利用例如“识别”、“测量”、“建立”、“检测”、“修改”等术语的论述是指计算机系统的动作和过程，或将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和转变为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它此类信息存储装置、传输或显示装置内的物理量的其它数据的类似电子计算装置的动作和过程。
本公开的实施例还涉及用于执行本文操作的设备。可以特别针对所需的目的来构造此设备，或者所述设备可以包括由存储在计算机系统中的计算机程序选择性地编程的通用计算机系统。此类计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质例如为(但不限于)包含软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁盘存储介质、光学存储介质、快闪存储器装置、其它类型的机器可存取存储介质，或适合于存储电子指令的任何类型的介质，每个介质耦合到计算机系统总线。
本文所呈现的算法和显示并非固有与任何特定计算机或其它设备相关。各种通用系统可以与根据本文的教示的程序一起使用，或可为便利的是，构造更专用的设备来执行所需的方法步骤。多种这些系统的所需结构将如以上描述所陈述而显现。另外，未参考任何特定编程语言来描述本实施例。将了解，可以使用多种编程语言来实施本文描述的实施例的教导。
将理解，以上描述意在为说明性而非限制性的。本领域技术人员在阅读和理解以上描述之后将明白许多其它实施例。虽然已经参考特定实例描述了本实施例，但将认识到，本公开不限于所描述的实施例，而是可以与在所附权利要求书的精神和范围内的修改和更改一起实践。因此，将在说明性意义而不是限制性意义上看待说明书和附图。因此，本公开的范围应参考所附权利要求书以及所述权利要求书具有其权利的等效物的全部范围来确定。
在先前描述中，陈述了众多细节。然而，受益于本公开的本领域技术人员将明白，可以在没有这些特定细节的情况下实践本公开的实施例。在一些情况下，以框图形式而不是详细示出众所周知的结构和装置，以便避免使本公开的实施例混淆不清。

Claims (20)

1.一种设备，所述设备包括：
柔性材料的股束，当所述股束处于线性和非弯曲位置时，所述股束的中心轴沿着所述股束的长度定向并且垂直于所述股束的宽度定向；以及
多区角位移传感器，所述多区角位移传感器连接到所述股束，所述多区角位移传感器包括：
第一角位移单元，所述第一角位移单元设置在所述股束的第一感测区中，其中所述第一角位移单元从所述股束的所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的第一部分偏移的第一线延伸，其中所述第一角位移单元包括界定第一向量的第一端和界定第二向量的第二端，其中在沿着所述中心轴的所述第一部分延伸并且正交于所述第一角位移单元的宽度的第一平面内的在所述第一向量与所述第二向量之间的第一角位移是响应于所述第一角位移单元的变形来确定的；以及
第二角位移单元，所述第二角位移单元设置在所述股束的第二感测区中，其中所述第二角位移单元从所述股束的所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的第二部分偏移的第二线延伸，其中所述第二角位移单元包括界定第三向量的第三端和界定第四向量的第四端，其中在沿着所述中心轴的所述第二部分延伸并且正交于所述第二角位移单元的宽度的第二平面内的在所述第三向量与所述第四向量之间的第二角位移是响应于所述第二角位移单元的变形来确定的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一角位移单元包括在第一方向上从所述中心轴偏移的第一柔性电容器，其中所述第一柔性电容器包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间设置有介电层；以及
所述第二角位移单元包括在所述第一方向上从所述中心轴偏移的第二柔性电容器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一角位移单元进一步包括
第三柔性电容器，所述第三柔性电容器在第二方向上从所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的所述第一部分偏移的第三线延伸。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述第二角位移单元进一步包括
第四柔性电容器，所述第四柔性电容器在第二方向上从所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的所述第二部分偏移的第四线延伸。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一柔性电容器的所述第一电极设置在所述第二电极与第三电极之间，其中所述第二电极和所述第三电极接地。
6.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一电极至少部分地被所述第二电极环绕，其中所述第二电极接地。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述多区角位移传感器进一步包括
应变单元，所述应变单元设置在所述股束的第三感测区中以测量应变，其中所述应变单元包括第五柔性电容器。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一角位移单元可以在所述第一端与所述第二端之间拉伸并且可以沿着所述第一角位移单元的长度在三维空间中的任何方向上弯曲，其中响应于所述股束的变形的所述第一角位移单元的电气特性的变化反映了所述第一感测区中的第一弯曲。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述股束可以沿着所述股束的所述长度拉伸，其中所述股束可以沿着所述股束的所述长度在三维空间中的任何方向上弯曲，其中响应于所述股束的变形的所述第一角位移单元的电气特性的变化反映了所述第一感测区中的第一弯曲，并且其中响应于所述股束的变形的所述第二角位移单元的电气特性的变化反映了所述第二感测区中的第二弯曲。
10.根据权利要求1所述的设备，其中响应于所述第一感测区中的所述股束的变形的所述第一角位移单元的电气特性的变化独立于响应于所述第二感测区中的所述股束的变形的所述第二角位移单元的电气特性的变化。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一角位移单元至少部分嵌入所述股束中。
12.根据权利要求1所述的设备，进一步包括
织物材料的衬底，所述衬底与所述股束耦合。
13.一种系统，所述系统包括：
柔性材料的股束，当所述股束处于线性和非弯曲位置时，所述股束的中心轴沿着所述股束的长度定向并且垂直于所述股束的宽度定向；
多区角位移传感器，所述多区角位移传感器连接到所述股束，所述多区角位移传感器包括：
第一角位移单元，所述第一角位移单元设置在所述股束的第一感测区中，其中所述第一角位移单元从所述股束的所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的第一部分偏移的第一线延伸，其中所述第一角位移单元包括界定第一向量的第一端和界定第二向量的第二端；以及
第二角位移单元，所述第二角位移单元设置在所述股束的第二感测区中，其中所述第二角位移单元从所述股束的所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的第二部分偏移的第二线延伸，其中所述第二角位移单元包括界定第三向量的第三端和界定第四向量的第四端；以及
电路装置，所述电路装置耦合到所述多区角位移传感器以确定在所述第一向量与所述第二向量之间的第一角位移并且确定在所述第三向量与所述第四向量之间的第二角位移。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述电路装置可操作以测量与所述第一角位移单元的第一柔性电容器相关联的第一信号并且将所述第一信号转换为指示第一电容的第一数字值，并且其中所述电路装置可操作以测量与所述第二角位移单元相关联的第二信号并且将所述第二信号转换为指示第二电容的第二数字值。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一柔性电容器包括第一电极、第二电极和介电层，其中所述电路装置可操作以在将所述第二电极接地的同时测量所述第一信号。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一柔性电容器包括第一电极、第二电极、第三电极和介电层，其中所述第一电极设置在所述第二电极与所述第三电极之间，并且其中所述电路装置可操作以在将所述第二电极和所述第三电极接地的同时测量所述第一信号。
17.一种设备，所述设备包括：
柔性材料的股束，当所述股束处于线性和非弯曲位置时，所述股柔性材料的中心轴沿着所述股束的长度定向并且垂直于所述股束的宽度定向；以及
多区角位移传感器，所述多区角位移传感器至少部分嵌入到所述股束中，所述多区角位移传感器包括：
第一柔性电容器，所述第一柔性电容器设置在所述股束的第一感测区中，所述第一柔性电容器包括第一电极和第二电极，其中所述第一电极设置在沿着所述股束的所述第一感测区的长度的第一平面中，其中所述第二电极的第一部分设置在所述第一平面上方的第二平面中，并且所述第二电极的第二部分设置在所述第一平面下方的第三平面中，其中所述第一柔性电容器从所述股束的所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的第一部分偏移的第一线延伸，其中所述第一柔性电容器包括界定第一向量的第一端和界定第二向量的第二端，其中在沿着所述中心轴的所述第一部分延伸并且正交于所述第一柔性电容器的宽度的第一平面内的在所述第一向量与所述第二向量之间的第一角位移是响应于所述第一柔性电容器的变形来确定的；以及
第二柔性电容器，所述第二柔性电容器设置在所述股束的第二感测区中，所述第二柔性电容器包括第三电极和第四电极，其中所述第三电极设置在沿着所述股束的所述第二感测区的长度的第三平面中，其中所述第四电极的第一部分设置在所述第三平面上方的第四平面中，并且所述第四电极的第二部分设置在所述第三平面下方的第五平面中，其中所述第二柔性电容器从所述股束的所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的第二部分偏移的第二线延伸，其中所述第二柔性电容器包括界定第三向量的第三端和界定第四向量的第四端，其中在沿着所述中心轴的所述第二部分延伸并且正交于所述第二柔性电容器的宽度的第二平面内的在所述第三向量与所述第四向量之间的第二角位移是响应于所述柔性电容器的变形来确定的。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述多区角位移传感器进一步包括
所述第一感测区的第三柔性电容器，所述第三柔性电容器在与所述第一柔性电容器相反的方向上从所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的所述第一部分偏移的第四线延伸。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述多区角位移传感器进一步包括
第四柔性电容器，所述第四柔性电容器在与所述第二柔性电容器相反的方向上从所述中心轴偏移并且沿着从所述中心轴的所述第二部分偏移的第四线延伸。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一电极的顶部、底部、第一侧部和第二侧部被所述第二电极环绕，并且其中所述第二电极接地。
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