CN108871628B - 用于检测力的大小及方向的柔性装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于检测力的大小及方向的柔性装置。该装置包括：顶盖、底座、第一压阻部件、多个第二压阻部件和电极引线。底座的上表面和顶盖的内壁之间形成第一腔体，顶盖下表面设置有对应多个第二压阻部件的多个凸出部；底座的上表面设置有支撑部，支撑部的高度等于第一腔体的高度，支撑部上设置有凹槽；第一压阻部件位于凹槽中；多个第二压阻部件固定于底座的上表面，每个第二压阻部件分别位于对应的凸出部和支撑部之间；电极引线连接到第一压阻部件和第二压阻部件，以通过电极引线对第一压阻部件和/或第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果确定装置所受到的力的大小和方向。该装置结构简单，且可以简单快捷地确定装置受力的大小和方向。

Description

用于检测力的大小及方向的柔性装置

技术领域

本公开涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种用于检测力的大小及方向的柔性装置。

背景技术

随着科技的进步，触觉传感器作为重要的传感器被广泛应用在可穿戴设备、假肢和机器人上，使其能够更加逼近人类皮肤触觉功能，更加贴近科技发展的需要。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。但相关技术中，触觉传感器进行受力检测的方式单一、检测的精度低，需要经过复杂的处理才能获得所需的数据，无法满足用户日益提高的使用需求。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种用于检测力的大小及方向的柔性装置。

根据本公开的一方面，提供了一种用于检测力的大小及方向的柔性装置，包括：顶盖、底座、第一压阻部件、多个第二压阻部件和电极引线，

所述底座的上表面和所述顶盖的内壁之间形成第一腔体，

所述顶盖的下表面设置有对应所述多个第二压阻部件的多个凸出部；

所述底座的上表面设置有支撑部，所述支撑部的高度等于所述第一腔体的高度，所述支撑部上设置有凹槽；

所述第一压阻部件位于所述凹槽中，所述第一压阻部件的上下表面分别与所述顶盖的下表面和所述凹槽的底面连接，所述第一压阻部件的侧面与所述凹槽的内壁之间存在间隙；

所述多个第二压阻部件固定于所述底座的上表面，每个第二压阻部件分别位于对应的凸出部和所述支撑部之间；

所述电极引线连接到所述第一压阻部件和所述第二压阻部件，以通过所述电极引线对所述第一压阻部件和/或所述第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果确定所述装置所受到的力的大小和方向；

其中，在所述装置的顶盖受到压力时，所述顶盖在法向方向发生形变，挤压所述第一压阻部件，以使所述第一压阻部件的阻值发生变化；

在所述装置的顶盖受到剪切力时，所述顶盖在切向方向发生形变，对应所述剪切力的方向的凸出部的端部在形变的作用下发生移动，挤压对应的第二压阻部件，以使对应的第二压阻部件的阻值发生变化，

所述顶盖和所述底座的材料为柔性材料。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述装置受到的力的大小和/或方向，包括：

所述顶盖所受到的压力的大小；

所述顶盖所受到的剪切力的大小和方向。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述顶盖与所述底座之间通过范德华力和/或粘结剂连接。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，每个凸出部的高度小于所述第一腔体的高度，每个第二压阻部件的高度小于所述第一腔体的高度，且每个第二压阻部件以及对应的凸出部的高度之和大于所述第一腔体的高度。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，连接到每个第二压阻部件的电极引线的数量为2，两条电极引线分别与所述第二压阻部件的下底面的前后或左右两侧连接，所述电极引线为蛇形结构。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述电极引线通过银胶与第二压阻部件连接。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述多个第二压阻部件和多个凸出部的数量均为4，所述多个第二压阻部件位于同一圆周上，每个第二压阻部件之间的夹角为90°。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述第二压阻部件与对应的凸出部之间的距离小于或等于距离阈值。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

检测模块，与所述电极引线连接，对所述第一压阻部件和/或所述第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果确定所述装置所受到的力的大小和方向。

本公开实施例所提供的用于检测力的大小及方向的柔性装置，结构简单，适用范围广，加工难度低，通过对第一压阻部件和/或第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果便可以简单快捷地确定装置所受到的力的大小和方向，对无须进行复杂处理。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的结构示意图；

图2示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的结构示意图；

图3示出根据本公开一实施例的碳纳米纤维泡沫的电阻相对变化图；

图4a示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的顶盖的主视图；

图4b示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的顶盖的仰视图；

图4c示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的顶盖的结构示意图；

图5a示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的底座的主视图；

图5b示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的底座的俯视图；

图5c示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的底座的结构示意图；

图6a示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的电极引线的示意图；

图6b示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的电极引线的示意图；

图7示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置中第二压阻部件的位置示意图；

图8示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的结构示意图。图2示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的结构示意图。如图1、图2所示，该装置包括顶盖1、底座2、第一压阻部件3、多个第二压阻部件4和电极引线(未示出)。

底座2的上表面和顶盖1的内壁之间形成第一腔体6。顶盖1的下表面设置有对应多个第二压阻部件4的多个凸出部11。底座2的上表面设置有支撑部21，支撑部21的高度等于第一腔体6的高度，支撑部21上设置有凹槽211。第一压阻部件3位于凹槽211中，第一压阻部件3的上下表面分别与顶盖1的下表面和凹槽211的底面连接，第一压阻部件3的侧面与凹槽211的内壁之间存在间隙。多个第二压阻部件4固定于底座2的上表面，每个第二压阻部件4分别位于对应的凸出部11和支撑部21之间。电极引线连接到第一压阻部件3和第二压阻部件4，以通过电极引线对第一压阻部件3和/或第二压阻部件4的阻值进行检测，根据检测结果确定装置所受到的力的大小和方向。

其中，在装置的顶盖1受到压力时，顶盖1在法向方向(如图1所示垂直于顶盖的y方向)发生形变，挤压第一压阻部件3，以使第一压阻部件3的阻值发生变化。在装置的顶盖1受到剪切力时，顶盖1在切向方向(如图1所示与顶盖处于同一水平方向的x方向)发生形变，对应剪切力的方向的凸出部11的端部111在形变的作用下发生移动，挤压对应的第二压阻部件4，以使对应的第二压阻部件4的阻值发生变化。顶盖1和底座2的材料为柔性材料.

在本实施例中，顶盖和底座可以使用相同的材料，其所使用的材料可以是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)的有机硅胶等柔性材料，本公开对此不作限制。第一压阻部件和第二压阻部件所使用的材料可以是碳纳米纤维泡沫等具有多孔结构的压阻材料。该具有多孔结构的压阻材料的阻值能够随所受到的压力和/或剪切力的变化而发生变化。

在本实施例中，碳纳米纤维泡沫是通过静电纺丝和高温炭化后得到的，是一种多孔结构的压阻材料，其电阻能够随着泡沫的变形发生变化，即在受到侧向挤压和法向挤压的时候均能引起电阻的变化。图3示出根据本公开一实施例的碳纳米纤维泡沫的电阻相对变化图。如图3所示，以一个横截面为5mm*5mm的碳纳米纤维泡沫为例，其在同面电极引线时在万能拉伸试验机法向加载的情况下，测得其相对电阻(其中，R_相对为相对电阻，ΔR＝R₀-R，R为检测到的电阻值，R₀为初始电阻值)随法向压力变化的情况如图3所示。可以通过标定方式得到施加在顶盖的压力或剪切力的大小。

在本实施例中，底座和顶盖的连接处可以是相同的形状，也可以是不同的形状。例如，底座和顶盖可以是如图2所示的圆柱状，二者在连接处的直径可以相同。这样便于将二者连接在一起，且可以增强装置的可靠性。本领域技术人员可以根据实际需要对顶盖和底座进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，可以采用模塑成型的方法制造底座和顶盖。例如，将制造底座或顶盖的材料浇筑仅通过预先加工形成的金属模具中，固化后取出，形成所需的底座或顶盖。本领域技术人员可以根据实际需要对制造底座和顶盖的方式进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，图4a示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的顶盖的主视图，图4b示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的顶盖的仰视图，以及图4c示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的顶盖的结构示意图。如图4a、图4b和图4c，设置在顶盖下表面的凸出部可以是顶盖本身的一部分，在制造顶盖的过程中直接模压成形获得。顶盖上的凸出部还可以是单独的部分，通过胶黏剂等将凸出部固定在顶盖的下表面的。

在本实施例中，图5a示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的底座的主视图，图5b示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的底座的俯视图，以及图5c示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的底座的结构示意图。如图5a、图5b和图5c，设置在底座上表面的支撑部可以是底座本身的一部分，在制造底座的过程中直接模压成形获得。底座上的支撑部还可以是单独的部分，通过胶黏剂等将支撑部固定在底座的上表面。

在本实施例中，支撑部中的凹槽的深度可以是小于或等于支撑部的长度的任意值。例如，如图1、图2、图5a和图5c所示的，凹槽的深度可以等于支撑部的长度。本领域技术人员可以根据实际需要对凹槽的深度进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，可以根据实际检测需要对第二压阻部件和对应的凸出部的数量进行设置，由于每个第二压阻部件所对应的方向均不同，所设置的第二压阻部件的数量越多，所能确定的剪切力的方向越多，所获得的剪切力的大小和方向的结果越准确。本领域技术人员可以根据实际需要对第二压阻部件和凸出部的数量进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，用于检测力的大小及方向的柔性装置的工作原理为：在装置的顶盖受到压力的情况下，顶盖的上下表面因压力的大小而发生不同程度的形变，形变后的顶盖的下表面会直接挤压与之相连的第一压阻部件，致使第一压阻部件的电阻发生变化。在装置的顶盖受到剪切力的情况下，顶盖自身因剪切力的作用在顶盖所在水平面的方向发生形变，进行侧向偏移，使得其上的凸出部发生侧向移动，凸出部移动后其端部挤压对应的第二压阻部件，使得第二压阻部件的电阻发生变化。

其中，由于顶盖的下表面因压力而产生的形变作用方向是垂直于顶盖的上下表面(如图1中y方向)的，不会使第二压阻部件的阻值发生变化。并且，在顶盖因剪切力而发生侧向偏移的情况下，由于有支撑部的保护，顶盖的侧向偏移不会使第一压阻部件的阻值发生变化。这样，通过第一压阻部件和第二压阻部件阻值的变化，分别对装置所受压力和剪切力进行检测，实现了对装置所受压力和剪切力的解耦。在检测到第一压阻部件的电阻发生变化的情况下，确定装置受到了垂直于顶盖的压力，根据第一压阻部件的电阻的变化情况确定压力的大小。在检测到某个第二压阻部件的电阻发生变化的情况下，确定装置受到了垂直于该第二压阻部件的方向的剪切力，根据第二压阻部件的电阻的变化情况确定剪切力的大小。这样，通过不同的部件对装置所受到的压力和剪切力进行检测，使二者互不干扰，仅需通过简单的计算就可以确定装置所受到的力的大小和方向。

本公开实施例所提供的用于检测力的大小及方向的柔性装置，结构简单，适用范围广，加工难度低，通过对第一压阻部件和/或第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果便可以简单快捷地确定装置所受到的力的大小和方向，对无须进行复杂处理。

在一种可能的实现方式中，装置受到的力的大小和方向，可以包括：顶盖1所受到的压力的大小；顶盖1所受到的剪切力的大小和方向。

在一种可能的实现方式中，顶盖1与底座2之间通过范德华力和/或粘结剂连接。

在该实现方式中，若顶盖和底座所使用的材料为聚二甲基硅氧烷，则可以通过范德华力实现二者的连接，能够简化装置的生产流程，节省资源。

在一种可能的实现方式中，每个凸出部11的高度小于第一腔体6的高度，每个第二压阻部件4的高度小于第一腔体6的高度，且每个第二压阻部件4以及对应的凸出部11的高度之和大于第一腔体6的高度。

这样，在顶盖在法向方向发生变形的过程中，由于每个第二压阻部件的高度小于第一腔体的高度，顶盖不会挤压到第二压阻部件，可以保证检测到的第二压阻部件的电阻变化均为顶盖切向方向的变形挤压引起的，保证受力检测的准确性。并且，凸出部在受顶盖挤压而上下移动时，由于每个凸出部的高度小于第一腔体的高度，使得凸出部的端部不会与底座接触，不会因挤压而变形。每个第二压阻部件以及对应的凸出部的高度之和大于第一腔体的高度，可以保证在凸出部因顶盖受剪切力发生侧向偏移而移动的情况下，凸出部可以挤压到对应的第二压阻部件。本领域技术人员可以根据实际需要对凸出部、第二压阻部件的高度进行设置，本公开对此不作限制。

图6a、图6b示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的电极引线的示意图。

在一种可能的实现方式中，如图6a、图6b所示，连接到每个第二压阻部件4的电极引线5的数量为2，两条电极引线5分别与第二压阻部件4的下底面的前后或左右两侧连接，电极引线5为蛇形结构。

其中，图6a、图6b中仅示出了第二压阻部件的电极引线的设置位置和形状结构，对第一压阻部件，可以在第一压阻部件与顶盖下表面、底座上表面的连接处分别设置一条电极引线，以通过这两条电极引线对第一压阻部件的电阻变化情况进行检测。

在该实现方式中，每一条电极引线可以包括引线和电极两个部分。连接同一第二压阻部件的两条引线可以通过处于同一平面上的同面电极与第二压阻部件连接。可以通过在聚酰亚胺等材料的薄膜上沉积金属金，然后进行光刻刻蚀后得到所需的同面电极。本领域技术人员可以根据需要对获取同面电极的方式进行设置，本公开对此不作限制。电极引线还可以按照“之”字形等任意形状设置于用于检测力的大小及方向的柔性装置中，本公开对此不作限制。按照蛇形结构设置电极引线，可以增加电极引线的延展性，提高电极引线的强度。

在一种可能的实现方式中，电极引线5通过银胶与第二压阻部件4连接。

在该实现方式中，还可以通过银系导电胶、金系导电胶、铜系导电胶和炭系导电胶等导电胶将电极引线连接到第二压阻部件，本公开对此不作限制。

图7示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置中第二压阻部件的位置示意图。

在一种可能的实现方式中，如图7所示，多个第二压阻部件4和多个凸出部11的数量均为4，多个第二压阻部件4位于同一圆周上，每个第二压阻部件4之间的夹角为90°。

这样，可以根据检测到的四个第二压阻部件的电阻变化情况，判断装置受到剪切力来自于四个方向中的哪一个，并确定受到的剪切力的大小。还可以设置更多的第二压阻部件，以细化剪切力的方向，确定其大小。例如，可以设置八个对应不同方向的第二压阻部件和八个凸出部，多个第二压阻部件位于同一圆周上，每个第二压阻部件之间的夹角为45°。本领域技术人员可以根据加工技术、检测精度等实际需要对第二压阻部件和凸出部的数量进行设置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，第二压阻部件4与对应的凸出部11之间的距离小于或等于距离阈值。这样，在由于顶盖受到剪切力而形变，凸出部也可以挤压到第二压阻部件，保证检测结果的精度。

图8示出根据本公开一实施例的用于检测力的大小及方向的柔性装置的结构示意图。如图8所示，在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括检测模块7。该检测模块7与电极引线5连接，对第一压阻部件3和/或第二压阻部件4的阻值进行检测，根据检测结果确定装置所受到的力的大小和/或方向。

这样，检测模块可以将电阻值发生变化的第一压阻部件和/或第二压阻部件所对应的方向确定为装置所受力的方向，并根据电阻值的变化情况确定装置所受力的大小。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了用于检测力的大小及方向的柔性装置如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各部分，只要符合本公开的技术方案即可。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种用于检测力的大小及方向的柔性装置，其特征在于，包括：顶盖、底座、第一压阻部件、多个第二压阻部件和电极引线，

所述底座的上表面和所述顶盖的内壁之间形成第一腔体，

所述顶盖的下表面设置有对应所述多个第二压阻部件的多个凸出部；

所述底座的上表面设置有支撑部，所述支撑部的高度等于所述第一腔体的高度，所述支撑部上设置有凹槽；

所述第一压阻部件位于所述凹槽中，所述第一压阻部件的上下表面分别与所述顶盖的下表面和所述凹槽的底面连接，所述第一压阻部件的侧面与所述凹槽的内壁之间存在间隙；

所述多个第二压阻部件固定于所述底座的上表面，每个第二压阻部件分别位于对应的凸出部和所述支撑部之间；

所述电极引线连接到所述第一压阻部件和所述第二压阻部件，以通过所述电极引线对所述第一压阻部件和/或所述第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果确定所述装置所受到的力的大小和方向，所述电极引线为蛇形结构；

其中，在所述装置的顶盖受到压力时，所述顶盖在法向方向发生形变，挤压所述第一压阻部件，以使所述第一压阻部件的阻值发生变化；

在所述装置的顶盖受到剪切力时，所述顶盖在切向方向发生形变，对应所述剪切力的方向的凸出部的端部在形变的作用下发生移动，挤压对应的第二压阻部件，以使对应的第二压阻部件的阻值发生变化，

所述顶盖和所述底座的材料为柔性材料，

所述第二压阻部件与对应的凸出部之间的距离小于或等于距离阈值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置受到的力的大小和方向，包括：

所述顶盖所受到的压力的大小；

所述顶盖所受到的剪切力的大小和方向。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述顶盖与所述底座之间通过范德华力和/或粘结剂连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个凸出部的高度小于所述第一腔体的高度，每个第二压阻部件的高度小于所述第一腔体的高度，且每个第二压阻部件以及对应的凸出部的高度之和大于所述第一腔体的高度。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，连接到每个第二压阻部件的电极引线的数量为2，两条电极引线分别与所述第二压阻部件的下底面的前后或左右两侧连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电极引线通过银胶与第二压阻部件连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个第二压阻部件和多个凸出部的数量均为4，所述多个第二压阻部件位于同一圆周上，相邻第二压阻部件之间的夹角为90°。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

检测模块，与所述电极引线连接，对所述第一压阻部件和/或所述第二压阻部件的阻值进行检测，根据检测结果确定所述装置所受到的力的大小和方向。