CN112912687A - 多弯曲传感器 - Google Patents

Abstract

多弯曲传感器能以能够减轻误差传播的方式来提供关于传感器弯曲数据的信息。参考条带和滑动条带通过间隔件彼此分开。电极位于参考条带和滑动条带上。多弯曲传感器的弯曲将被反映在滑动条带相对于参考条带的移位和从电极获得的测量中。

Description

多弯曲传感器

本申请要求于2018年10月22日提交的美国临时申请第62/748,984号的权益，该临时申请的内容通过引用并入本文。本申请包括受著作权保护的材料。著作权所有者不反对任何人对本专利公开进行影印，就像它出现在专利和商标局文件或记录中，但在别的方面保留所有著作权。

技术领域

所公开的装置和方法涉及感测领域，并且具体地涉及使用传感器提供定位的准确确定。

背景技术

过去，已经采用感测手套来检测手势。一个示例是在美国专利序列号第5,097,252号中提出的数据手套(Dataglove)，该数据手套采用沿着手指的光学弯曲传感器来检测手指位置。任天堂的力量手套(Power Glove)使用了类似设计，但具有电阻式弯曲传感器。在这两种情况下，弯曲传感器都不是非常敏感，仅为每个弯曲传感器提供整体弯曲的单个测量。

弯曲传感器用于除了手指和手部感测之外的应用中。通常采用弯曲传感器以更一般地理解人类运动。另外，弯曲传感器用于机器人、感测结构中的变形和太空服监测。

为了更好地理解具有多个关节的系统的位置，一些系统已经在每个关节或在每个铰接点处使用弯曲传感器。这种方法具有限制其实用性的挑战。例如，弯曲传感器必须针对关节之间的间隔进行定制装配。由于人的尺寸变化，因此就跟踪人类运动而言，对间距的配合的需要可能是有问题的。

另外，存在来自关节测量的级联误差问题。例如，手指的每个连续区段的角度可被确定为对该区段的关节角度之和。因此，对于先前关节中的每个关节采取的角度测量中的任何误差会累积。这就是为什么机器人臂使用极其高精度的角编码器来找到适度精确的位置。不幸的是，廉价的弯曲传感器具有差的角度精度，使得它们不足以用于理解级联关节误差的影响。

系统已经尝试通过使用相机和其他感测技术以直接测量手指位置来克服该缺点。基于相机的技术受到找到好的视点(从该视点观察正在发生什么)的困难的挑战。其他位置传感器系统可能体积庞大和/或昂贵。可以使用惯性跟踪，但惯性跟踪具有严重的漂移问题。

另外，存在允许沿着光纤束的长度测量弯曲并且能够恢复特定几何形状的详细形状的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)传感器。这些传感器难以制造并且需要大量的、庞大的仪器和复杂的校准。此外，对于大多数应用，它们是昂贵且不切实际的。

因此，需要用于通过使用传感器来准确地确定弯曲的改进的方法和装置。

附图说明

从以下对附图中所示的各实施例的更为具体的描述中，本公开的前述的及其他目标、特征、和优点将变得显而易见，在附图中，附图标记贯穿各个视图指代相同部分。附图不一定按比例绘制，而是着重于图示所公开的实施例的原理。

图1示出了传感器条带的俯视图。

图2示出了传感器条带的仰视图。

图3是滑动和参考传感器条带的示意图。

图4是示出围绕间隔件缠绕的参考条带的示图。

图5是围绕间隔件缠绕的参考条带的另一示图。

图6是由滑动条带和参考条带形成的传感器条带的另一视图。

图7是示出区段的计算的示图。

图8是示出针对曲线使用线性段分析的示图。

图9是示出线性段分析中的角度的确定的示图。

图10是示出间隔开的电极的示图。

图11是示出多平面多弯曲传感器的示图。

图12是采用三角形电极和矩形电极的多弯曲传感器的示图。

图13是进一步示出连接的采用三角形电极和矩形电极的多弯曲传感器的另一示图。

图14是采用三角形电极和矩形电极的多弯曲传感器的示图。

图15是采用三角形电极和矩形电极的多弯曲传感器的另一示图。

图16是采用三角形电极和矩形电极的多弯曲传感器的另一示图。

图17是示出具有相机芯片的平行条带的使用的示图。

图18是示出能够确定缠绕的传感器的电极图案的示图。

图19是机械多弯曲传感器的示图。

具体实施方式

本申请描述了被设计成用于准确地确定传感器的弯曲的传感器的各种实施例。多弯曲传感器检测沿传感器的长度的多个弯曲并且使用所取得的测量结果来创建传感器的当前形状的准确确定。在实施例中，多弯曲传感器包括两个平坦的柔性条带。如本文中和贯穿本申请所使用的，“条带”意味着通常在一个维度上比其宽度更长的一片材料。条带可以是矩形形状、圆筒形形状、或通常具有无定形形状，只要一个维度比另一个维度长。条带中的一者是参考条带，并且另一个条带是滑动条带。尽管条带被称为参考条带和滑动条带，但是应当理解，参考条带和滑动条带的作用是可互换的。参考条带和滑动条带由间隔件分开，并且在一端上机械地接合。参考条带和滑动条带的长度基本上相同。多个保持器可确保条带保持压靠在间隔件上，使得在被使用时条带之间的距离保持基本上恒定。在沿着参考条带的测量点处，可测量滑动条带上的对应位置，所述测量点可通过各种不同方式来确定。当多弯曲传感器是直的时，条带对齐。

例如，当条带未弯曲时，参考条带上的距离附接端1cm的测量点将与滑动条带上的也在1cm处的对应点对齐。但是如果多弯曲传感器被弯曲成圆弧或其他弯曲形状，则条带将相对于彼此滑动。弧中的内条带将沿着比外条带更小的半径。尽管条带是相同长度，但是它们将覆盖不同的角度范围。在条带在一端上联接的情况下，弧越紧，另一端将相对于彼此滑动更多，使条带的自由端移动得更分开。多弯曲传感器通过使用电容电极或其他合适的测量方法在沿着传感器的许多点处测量这些相对移位来工作。通过使用在弯曲事件期间由测量方法获取的数据，确定多弯曲传感器的形状是可能的。即使在沿着多弯曲传感器的多个弯曲的情况下，这也是如此。

不同于在多个点处独立地测量角度的先前系统，通过测量相对移位，可以示出，在一个点处的测量误差不影响对其他点处的角度的理解。这使得多弯曲传感器对测量误差较不敏感。通过在柔性条带弯曲成复杂样式时在许多点处测量柔性条带之间的相对移位，可以确定多弯曲传感器的形状。不同于在多个点处独立地测量角度由此累积误差的先前系统，通过测量移位，在一个点处的测量误差不影响对其他点处的绝对角度的理解。这使得本发明对测量误差较不敏感。

现在参考图1和图2，示出了多弯曲传感器10的实施例。图1示出了多弯曲传感器10的示意性侧视图。图2示出了多弯曲传感器10的顶视图和底视图。在所示实施例中，多弯曲传感器10具有滑动条带12和参考条带14。滑动条带12在参考条带14的远端16处固定到参考条带14。在所示实施例中，存在位于滑动条带12与参考条带18之间的间隔件18。另外示出了保持器22，保持器22将滑动条带12和参考条带14保持抵靠在间隔件18上。

电路系统24可操作地连接到滑动条带12和参考条带14，电路系统24适配成接收和处理发生的测量。在所示实施例中，电路系统24可包括或可操作地连接到诸如处理器、信号发生器、接收器等的部件。

滑动条带12和参考条带14可由柔性印刷电路板条带形成。尽管滑动条带12和参考条带14示出为具有特定电极图案，但是应当理解，相应条带中的每一者的作用可以改变，并且取决于特定实现，滑动条带12可用作参考条带14并且反之亦然。电极20可被放置在滑动条带12和参考条带14的表面上。电极20适配成发射和接收信号。可以以能够在滑动条带12和参考条带14的弯曲期间确定变化的任何图案来布置电极20。另外，实现在滑动条带12和参考条带14上的电极20的数量、尺寸和形状可基于特定实现而改变。

仍参考图1和图2，滑动条带12和参考条带14是柔性的并且能够移动和弯曲。另外，放置在滑动条带12与参考条带14之间的间隔件18是柔性的并且能够移动和弯曲。在实施例中，间隔件18可具有相对于滑动条带12和参考条带14的不同的柔性水平。在实施例中，滑动条带12、参考条带14和间隔件18可各自具有不同的柔性水平。在实施例中，不存在间隔件18，并且滑动条带12和参考条带14相对于彼此移动。

在实施例中使用间隔件18优选地保持条带以恒定距离间隔，而与弯曲量无关，但仍允许相对滑动。间隔件18优选地具有在存在弯曲时能够允许在滑动条带12与参考条带14的长度之间存在差异的厚度。在实施例中，可能不存在间隔件，并且滑动条带12和参考条带14可彼此相邻，然而在弯曲期间在向外的侧面之间应当仍有足够的距离以允许感测滑动条带12与参考条带14之间的相对移位。在实施例中，间隔件18可具有与滑动条带12和参考条带14相同的柔性。厚的间隔件18可提供良好的移位量，但是间隔件18本身可能由急弯改变厚度。薄的间隔件18将较少有该问题，但是可能不能提供足够的移位。在实施例中，间隔件18可由彼此相对滑动的一系列薄层制成。这允许厚的间隔件18具有相当急的弯曲而不改变总体厚度。

在参考层与滑动层之间具有已知间距有助于获取准确的数据。确保间距可通过不同方法来实现。如以上参考图1讨论的，保持器22可被附着至一个条带并向如图所示抵靠其滑动的另一条带提供压缩力。保持器22可以是向参考条带14和滑动条带12提供压缩力的塑料件或弹性件。压缩力应使得其维持距离但不抑制参考条带14和滑动条带12的移动。在实施例中，弹性体套筒可用于实现相同的任务，从而提供压缩力。

在端部16处，滑动条带12和参考条带14被固定在一起。在实施例中，滑动条带12和参考条带14被机械地附接在一起。在实施例中，滑动条带12和参考条带14被一体地固定在一起。在实施例中，滑动条带12和参考条带14在远端之外的位置处被固定。在实施例中，滑动条带12和参考条带14在条带的中间被固定。在沿着滑动条带12和参考条带14的长度的其他地方，滑动条带12和参考条带14相对于彼此滑动。滑动条带12和参考条带14还相对于彼此抵靠间隔件18滑动。保持器22确保滑动条带12和参考条带14保持压靠在间隔件18上，以便保持它们之间的恒定距离。电路系统24和在条带之间的电连接在发生弯曲的感测区域之外。在图1和图2所示的实施例中，电路系统24位于邻近端部16处，滑动条带12和参考条带14在端部16处接合。滑动条带12和参考条带14包含电极20的图案，该电极20的图案将允许电子器件通过测量来自在滑动条带12上的电极20与在参考条带14上的电极20通过间隔件18的耦合来在许多位置处检测两个条带之间的相对移位。

可使用实现来创建柔性电路的材料和技术来制造上面讨论的实施例。柔性电路可以以诸如聚酰亚胺之类的柔性绝缘基板开始。用粘合剂将薄导电层(诸如铜、银、金、碳或一些其他合适的导电材料)粘附到基板。在实施例中，使用光刻技术来图案化导电层。在实施例中，通过溅射来施加导电层。在实施例中，通过印刷来施加导电层。当通过印刷来施加时，可直接将导电油墨图案化到基板上。

类似于刚性印刷电路板(PCB)，柔性电路可被制造成包括由绝缘体分开的多个导电层。通孔可在不同层之间提供连接。像刚性PCB一样，可使用焊接或其他公知技术来将标准电气部件附着至柔性电路。然而，因为一些部件不是柔性的，因此弯曲它们的附件可能导致电连接断开。为此，柔性电路可在部件区域中采用加强件(stiffener)，使得电路区域不会明显地弯曲。出于类似的原因，柔性电路倾向于不在实际弯曲的区域中放置通孔，因为那些区域中的应力有时可能导致断裂。

用于多弯曲传感器的许多电极图案可受益于在弯曲区域中使用层间连接。

已经开发了明确地设计用于承受重复弯曲的特殊导电油墨。然而，也可使用其他合适的柔性导电油墨。这些油墨可实现在本文讨论的多弯曲传感器中。柔性油墨允许导电层之间的柔性连接，从而起到通孔的作用。应当注意，这些柔性导电油墨与宽范围的基板(包括织物)兼容。这允许构造直接集成到衣物中的多弯曲传感器。另外，在实施例中，衣物由用作多弯曲传感器的纤维制成。在实现多弯曲传感器纤维时，可添加加强件以便限制多弯曲传感器纤维的移动。

现在参考图3-5，当多弯曲传感器围绕物体缠绕成圆形时，两个条带中内条带符合该圆形，而由于间隔件18的厚度，外条带符合略大的圆形。₁因为两个条带具有不同的曲率半径，所以未约束的端部将不会彼此对齐。通过知道条带(滑动条带12和参考条带14)的长度以及间隔件18的厚度，可以直接计算半径。如果在许多位置处测量两个条带之间的相对移位，则可以构造作为一系列的圆弧的弯曲的模型。与传统传感器相反，这提供了对弯曲的形状的更好的理解。

仍参考图3-5，为了说明多弯曲传感器工作的方式，采用两个长度为L的条带，由厚度为t的间隔件18分开的滑动条带12和参考条带14。滑动条带12和参考条带14在一端处接合在一起并且在该端处不能相对于彼此移动。当如图4所示参考条带14缠绕成半径r的圆时，参考条带14将具有为r的曲率半径，而滑动条带12将具有为r-t的较小半径。

圆的周长是2πr。长度为L的参考条带14覆盖圆的一部分：

用弧度表示，该条带对向(subtend)的角度为：

如图所示，当沿厚度测量t的方向卷绕时，滑动条带12最终以较小的曲率半径在内侧上。较紧的缠绕意味着滑动条带12中的一些延伸超过参考条带14的端部。如果这沿着相同半径的圆继续，则滑动条带12对向的角度为：

参考条带14的端部与内滑动条带12上的对应点对齐。为了给出更精确的定义，这是滑动条带12上的与穿过参考条带14的端点构造的法线的相交点。

可通过找出两个弧的角度范围的差、找出延伸长度s_s并将延伸长度s_s从总长度L中减去来在滑动条带12上找到该点。

可通过将以弧度为单位的角度范围除以2π以找到圆的分数并乘以周长来找到延伸超过滑动条带12的滑动条带12的区段s_s的长度。

针对半径r求解这些等式得出：

通过测量条带之间的相对移位，可使用该简单等式来计算跨长度的曲率半径。

现在考虑弯曲在顺时针方向上发生的情况，如图5所示。

分析的进行大体与之前一样，但是现在滑动条带在外侧上，具有为r+t的曲率半径。

如前所述，目标是定位在滑动条带12上的对应于参考条带14的端点的点。然而，因为滑动条带12在外侧上并且因此对向较小的角度，所以需要继续该弧以找到相交点。通过找到滑动条带上对向的角度和对应的长度来计算s_s。

这是与在逆时针情况下获得的结果相同的结果。这里的区别在于，在第一情况中s_s是滑动条带12延伸超过参考条带14的量，并且在该情况中，s_s是到达参考条带14的端部所需的额外量。

为了结合这两种情况，将曲率半径考虑为带符号的量，其中正的r指示在逆时针方向上前进的弧而负的r指示顺时针方向。

新变量L_s被定义为沿着滑动条带12的与参考条带14的端部对齐的总长度。带符号的曲率半径为：

在图4中，L_s<L，给出正的曲率半径。在图5中，L_s>L，给出负的曲率半径。带符号的曲率半径随后用于找出参考条带的带符号的角度范围。

在下文中，所有角度和曲率半径都是有符号的。

从移位测量结果重建曲线

在实施例中，多弯曲传感器模型成形为一系列不同半径的圆弧以允许复杂的曲线。通过测量沿着条带的许多点处的相对移位，可以快速地确定每个区段的曲率。

图6中示出的多弯曲传感器10包括滑动条带12和参考条带14。目标是找出参考条带14的形状。在沿着参考条带的固定间隔处测量沿着滑动条带12的对应的移位位置。“对应的”意味着使用相对于曲率半径的共同中心处于相同角度处的点。换言之，如果在测量点处构造参考条带14的曲线的法线，则将在该法线与滑动条带12相交处进行测量。

L_r[n]是参考条带14到测量点n的长度。L_s[n]是滑动条带12到测量点n的长度。

作为示例，提供了在参考条带14和滑动条带12两者上的跨越n到n+1的区段。在参考条带14的侧面上，区段开始于L_r[n]并结束于L_r[n+1]。类似地，对应的滑动条带12从L_s[n]延伸到L_s[n+1]。可找到参考条带14区段的带符号的曲率半径和带符号的角度范围。

回想到：

可以看出：

现在已知了具有已知的长度、角度范围和曲率半径的一系列圆弧。可将该系列拼接在一起以建模参考条带14的完整曲线。

考虑如图7所示的单个弧。可确定起始角度φ[n]和结束角度φ[n+1]，起始角度φ[n]和结束角度φ[n+1]与其端点处的弧正切。可以假定连续区段平滑连接，即，导数在连接点处是连续的。这就是为什么用单个正切角来描述连接点。

弧开始于已知起始点(x[n],y[n])并在初始已知角度φ[n]处，并且前进到未知结束点(x[n+1],y[n+1])，在未知结束角度φ[n+1]处。从起始点到结束点的角度变化恰为区段角度的转向。

φ[n+1]＝φ[n]+θ_r[n]

为了找到x、y平移，在弧上的x和y的增量被添加到先前的点。为了方便起见，弧的曲率半径的中心被认为是在原点处并用于计算端点位置。这些的差随后被施加到已知起始点。

对于该计算，形成弧的相对于中心的角度是已知的。φ[n]的法线是

对于正的曲率半径的弧，这给出了从曲率半径的中心指出的角度。如果曲率半径为负，则指向相反方向。这导致通过使用带符号的曲率半径来校正的符号翻转。随后可以经由这些等式迭代地找到端点：

可使用三角恒等式来稍微简化这些等式。

x[n+1]＝x[n]+r[n](sin(φ[n+1])-sin(φ[n]))

y[n+1]＝y[n]+r[n](cos(φ[n])-cos(φ[n+1]))

这些等式描述对弯曲进行建模的一系列圆弧。通常通过圆弧的中心(C_x[n],C_y[n])、圆弧的曲率半径r[n]、起始角度和角度范围θ_r[n]来描述圆弧。

可通过开始于(x[n],y[n])并遵循半径到达弧中心(C_x[n],C_y[n])来找到弧段的中心。从点(x[n],y[n])处的法线找到起始角度，该起始角度为

则中心为：

注意，有符号的曲率半径的使用确保遵循法线到达中心。

起始角度为：

如果弧顺时针前进，则需要符号以翻转角度。弧的范围是θ_r[n]，这也是有符号的值。

对测量误差的灵敏度

移位的任何实际测量将是不完美的，使得理解测量误差如何影响所建模曲线的精度是重要的。在关节臂中，关节角度的噪声测量快速累积，导致末端执行器的最终位置的显著误差。多弯曲传感器中的测量误差更为宽容。

考虑在第n点处的单个移位测量误差的情况。与理想情况相比，移位的点将导致两个相邻区段的曲率半径的误差。在一个区段上的误差将是一个方向，而在另一区段上的误差将在相反的方向上，趋于将各项抵消为一阶。区段误差趋于产生一些补偿误差的这种特性一般成立，并且是给出到该点的总的积累移位的移位测量的结果。

为了示出对误差的灵敏度，采用具有以下坐标的两个连续区段的示例：

(x[0]＝0,y[0]＝0),(x[1],y[1]),(x[2],y[2])

给出了L_r[n]和L_s[n]的理想测量结果。然而，L_s[1]将受到为δ的测量误差的扰动。随后发现该误差如何传播到(x[2],y[2])。

在未扰动的情况下(并且注意，φ[0]＝0)：

x[1]＝x[0]+r[n](sin(φ[1])-sin(0))＝x[0]+r[n]sin(φ[1])

y[1]＝y[0]+r[n](cos(0)-cos(φ[1]))＝y[0]+r[n](1-cos(φ[1]))

φ[n+1]＝φ[n]+θ_r[n]

假定测量点以1单位距离相等地间隔开。

L_r[n+1]-L_r[n]＝1对于所有n

使用撇号来指示在L_s[1]处具有测量误差δ的情况的变量。这允许得到具有和不具有中点测量误差的结果角度。

φ[0]＝0

这示出了两个弧之后的结束角不受到中间点中的误读的影响。角度误差不会传播。

考虑点位置的误差。

x[n+1]＝x[n]+r[n](sin(φ[n+1])-sin(φ[n]))

y[n+1]＝y[n]+r[n](cos(φ[n])-cos(φ[n+1]))

使用这些等式，可以绘制在不同条件下的端点误差。清楚的是，在第一区段的端部处的位置误差在下一区段中由带相反符号的误差稍微补偿。

尽管以上讨论的实施例和示例在执行分析中使用弧，但是可以采用其他测量技术和分析。在实施例中，椭圆用于近似曲线。在实施例中，可使用抛物线来执行分析。在实施例中，样条(spline)用于近似曲线。在实施例中，多项式函数用于近似曲线。在实施例中，本文讨论的所有方法被用于近似曲线。

曲线的另一可能模型是将曲线表示为一系列连接的直的线性段。

参考图8和图9，对于分段的线性模型，弯曲被假定为完全尖锐，并且仅在参考条带84上以固定间隔发生。滑动条带82将被假定为符合与参考条带84相距固定距离。这将针对参考条带84的每个弯曲产生对应的尖锐弯曲。朝向参考条带84的弯曲将意味着需要滑动条带82上的额外长度以符合新的形状。类似地，朝向滑动条带82的弯曲将花费较少的长度来符合。

通过计算对于给定朝向参考条带84的弯曲、在滑动条带82上所需的额外长度来开始计算。参见图9，多弯曲传感器具有角度A的弯曲。垂直相对的角度也是A。滑动条带82的符合弯曲所需的额外长度被示出为2s。两个弯曲点平分弯曲角度。垂直相对的角度也是A/2。使用直角构造，通过减去直角找到A-90角。最终与s相对的角度被计算为A/2-(A-90)。该角度的正切值等于对侧边长度(s)除以邻边长度(t)。

tan(A/2-(A-90))＝s/t

s＝t*tan(90-A/2)

s＝t*cot(A/2)

并且对于所添加的总长度：

2s＝2t*cot(A/2)

对于当弯曲角度超过180度时，此公式也是正确的，并且朝向滑动条带82向上弯曲。在此情况下，附加的长度的负的。

为了方便起见，可相对于为0的没有弯曲来定义弯曲角度B。

B＝180-A

A＝180-B

代入：

s＝t*tan(90-B/2)＝t*tan(90-(180-B)/2)＝t*tan(B/2)

2s＝2t*tan(B/2)

给定移位的测量结果，计算出引起这一情况的角度。

B＝2arctan(s/t)其中s是一半移位。

与圆弧模型一样，该分段线性模型仍具有在一个移位测量结果中的测量误差将在下一个移位测量结果中产生互补误差、从而部分地抵消潜在的加性误差的影响的一般行为。

考虑理想测量结果相比在第一区段中存在测量误差的情况下的测量结果。

理想测量结果：s1和s2

具有误差的测量结果：s1+d,s2-d

B1＝2arctan(s1/t)

B2＝2acrtan(s2/t)

最后区段的结果角度简单地是到该点的角度之和。

B总＝B1+B2＝2arctan(s1/t)+2arctan(s2/t)

用测量误差重复该计算：

B总_误差＝2arctan(s1/t+d/t)+2arctan(s2/t-d/t)

这些总误差不相同，然而，经由在d＝0周围的级数展开可以示出误差被抵消为一阶。

物理实现

可使用与参考条带和滑动条带相结合的不同感测技术来实现测量具有固定间距的两个弯曲构件之间的移位的机制。

电容感测技术

电容感测可以与多弯曲传感器一起使用并且是上面参考图1-3讨论的方法。在创建参考条带和滑动条带时，可以在标准柔性印刷电路板(PCB)上图案化电极。可测量穿过间隔件的电容，并确定相对位置。例如，参见图10，交错式(interdigitated)电极20的图案允许通过比较重叠的电极20的电容以确定相对移位来执行差分测量。该测量的差分特性使其对于各种类型的误差非常不敏感。除了图10所示的电极图案，还可实现将进一步提供可帮助确定多弯曲传感器的总体移动和形状的测量结果的其他电极图案。

仍参考图10，多个电极20适配成发射信号并且多个电极20适配成接收来自发射信号的电极20的信号。在实施例中，适配成发射信号的电极20和适配成接收信号的电极20可以根据实现被切换或交替。在实施例中，适配成发射信号的电极20可以在不同时间处还适配成接收信号。使用接收的信号以便确定一个条带相对于另一条带的运动。

在实施例中，正交频分复用可以与采用适配成接收和发射正交信号的多个电极20的多弯曲传感器一起使用。在实施例中，使用唯一的频率正交信号。在实施例中，在正在发射的电极20中的每一个上发射唯一的频率正交信号。适配成接收信号的电极20可接收发射的信号并处理它们，以便获取关于参考条带相对于滑动条带的相对移位的信息。该信息随后可用于确定由多弯曲传感器形成的曲线的形状。

通常，可通过形成参考条带和滑动条带的网格来确定多个维度的曲率，其中每个多弯曲传感器确定其自身的相应曲线。在确定每个多弯曲传感器的曲线之后，可对平面的整体曲率进行建模。在实施例中，可将多个多弯曲传感器放置在三维物体上，该三维物体受到跨其3D表面的各种变形。多个多弯曲传感器可以能够在重建从多弯曲传感器中的每一个取得的曲率之后准确地确定3D物体的弯曲变形。

在另一实施例中，用在3个维度上是柔性的纤维来代替条带。随后将这些纤维包封在中心参考纤维周围，使得在弯曲时外滑动纤维相对于参考纤维移动。在实施例中，间隔件保持所有纤维之间的恒定间距。可通过各种方式来测量相对移位，包括经由沿着纤维的图案化电极。

在实施例中，传感器可由更接近地类似于柔性线的窄片形成，从而能够在平面外挠曲。如果这些器件中的两个被保持在一起、在正交方向上感测，则可测量向平面内和平面外的弯曲。

图11示出了另一实施例。该实施例提供多弯曲传感器110，多弯曲传感器110能够在多于一个平面方向上确定曲率。存在滑动平面112和参考平面114。在图11中，平面未示出在彼此顶部上，然而应理解，这是为了便于观察平面，滑动平面112和参考平面114以以上讨论的条带的定位类似的方式相对于彼此定位。电极115被放置在滑动平面112和参考平面114上。在图11中，电极115形成为行和列。在实施例中，电极形成为焊盘。在实施例中，电极形成为点天线。另外，可存在放置在滑动平面112与参考平面114之间的间隔平面，以便建立滑动平面112与参考平面114之间的距离。在实施例中，参考平面114和滑动平面112在没有间隔层的情况下实现，其中电极115放置在面向外的表面上，其中平面的基板用作间隔层。此外，尽管可存在放置在两个平面上的电极115，但是可存在放置在滑动平面112和参考平面114上的发射电极以及位于两个平面之间的间隙区域中的接收电极。而且，电极115可以是发射或接收中的任一者。

仍参考图11，滑动平面112和参考平面114是能够弯曲的柔性平面。参考平面114和滑动平面112在各种附接点处附接。附接点可位于平面之间的任何位置处，只要它们建立参考位置，通过该参考位置来确定一个平面相对于另一平面的移动。在实施例中，附接点可以是平面的中心位置。在实施例中，存在超过一个附接点，从该附接点建立平面的相对移动。在实施例中，平面在边缘处被彼此固定。在实施例中，平面在沿着边缘的多个点处被固定。在实施例中，平面在沿着边缘和在平面的区域内的点处被固定。

转到图12和图13，示出了用于测量相对移位的电容电极设计的另一实施例。虽然多层柔性电路广泛可用，但是存在对可施加的设计的某些限制。常见限制是不允许弯曲部分上的通孔。因此，有时优选在弯曲区域中不需要层间连接的图案。

图12示出了形成参考条带124的两个三角形电极120以及在滑动条带122上形成的一系列矩形电极121。通过针对滑动条带122上的矩形电极120中的每一个矩形电极120测量相对于B电极120的电容的A电极120的电容，可以确定矩形电极120的相对位置。

图12和图13中示出的此图案不需要多层连接。在参考条带124上，连接可直接由任一端制成。如图13所示，可经由总线126制造滑动条带122上的矩形电极121。在实施例中，可在矩形电极121和三角形电极120周围采用屏蔽。屏蔽可有助于减轻干扰。正发射的电极可以由接地围绕，并且接收电极可由有源屏蔽件驱动，以便减轻干扰。

图12和图13中所示的设计对参考条带124与滑动条带122之间的轻微旋转敏感。例如，如果在顶部的间距比底部的间距大，则可能导致系统误差。这可以通过校准来校正。还可以通过使用较不灵敏的图案来改善灵敏度。

图14中示出了具有降低的灵敏度的图案的示例。图14中示出的图案采用放置在参考条带144上的附加的三角形电极141。矩形电极141放置在滑动条带142上。图14中示出的电极图案关于参考条带144的中心线对称。这与图12中所示的图案相比降低了灵敏度。因为三角形电极141在一侧上更远离并且在另一侧上更接近，所以发生降低的灵敏度。该距离大致平衡掉可能存在的任何倾斜的影响。

图15示出了传感器电极的另一实施例。图15示出了参考条带154和滑动条带152的布置。参考条带154具有多个三角形电极150。滑动条带152具有多个矩形电极151。与图12所示的电极图案相比，图15中的图案复制了三角形电极150的布置。在每个测量的邻域中以比较小的尺度复制该成角度的图案以提高分辨率。图15所示的传感器图案也可以与屏蔽和对称性技术结合。

图16示出了传感器电极的另一实施例。图16示出了参考条带164和滑动条带162的布置。参考条带164具有多个三角形电极160。滑动条带162具有多个矩形电极161。与图12所示的电极图案相比，图16中的图案复制了三角形电极160的布置。在每个测量的邻域中以比较小的尺度复制该成角度的图案以便提高分辨率。图16所示的传感器图案也可以与屏蔽和对称性技术结合。当移位导致矩形电极161接近三角形电极160的端部时，可能造成一些非线性。一个解决方法是使用多组三角形电极160。这些组被移位，使得当矩形电极161接近一个三角形电极160的边缘时，矩形电极161不在另一个三角形电极160的边缘处。

光学

除了基于电容的感测，还可使用光学技术而不是电容技术来创建多弯曲传感器。替代于交错式电极，可使用光学发射器和接收器。可通过位于参考条带与滑动条带之间的透光间隔件发射信号。波导技术允许将电子器件放置在一端处，而不是使电子器件沿着传感器分布。

使用标准柔性电路技术，可以将诸如LED和光电二极管之类的标准电光部件放置在柔性条带上。然而，由于这些部件本身中和本身不是柔性的，所以可能需要在测量点处的局部加强。某些技术可用于绕开局部加强的问题。通常，可将柔性电子器件施加到多弯曲传感器的制造(例如，进行局部电场感测，并且经由共享总线报告回数据)。特别地，柔性形式的OLED和其他光学器件的可用性使得能够沿着柔性条带构建分布式光学编码器。

还可采用柔性波导以将光信号带到沿着条带分布的测量点和将光信号从沿着条带分布的测量点带回。以此方式，可以将光电器件收集在一个位置处。例如，可将光电器件放置在条带接合的端部处。在该位置处，刚性PCB可以保持电光部件。

另外，为了减少所需的光学连接数量，可采用多路复用技术。例如，每个感测位置可采用滤光器，使得不同颜色的光、不同的偏振、或这些的一些组合在沿着多弯曲传感器的不同位置处被激活，并且可在具有光电器件的端部处进行区分。

这些系统具有光从一个条带行进到另一条带的路径。这可以以若干不同方式实现。在实施例中，间隔件可由透明材料制成。在实施例中，可在测量点的领域中提供槽。在实施例中，间隔件可保持条带之间的气隙。在实施例中，光纤可具有允许光从一个线缆渗出到另一线缆的切口。在实施例中，存在捆绑在中间的光纤束，其中能够确定这些束的两端的相对移位。

参考图17，便宜的相机芯片也可用于制造多弯曲传感器。这些芯片可以在沿着条带的各个点处使用以便测量移位。仍参考图17，使用了多个平行的滑动条带172，该多个平行的滑动条带172在交错的附接点176处附接到参考条带174。随后，这些滑动条带172的端部可以延伸以由相机芯片175观察。因此，单个相机可以以高精度跟踪多个滑动条带172的运动，从而有效地给出与从不同位置处测量移位相同的结果。

尽管柔性电子器件是一个选项，但是存在沿着柔性条带分布光电器件的其他选项。在实施例中，刚性PCB可经由弹性构件附接到柔性条带。以此方式，条带仍然可以自由弯曲，而浮动电光模块看向另一柔性条带上的编码器标记。为了帮助保持对准，电光模块可被设计成具有较大的光学区域，该光学区域可通过柔性条带中的较小孔来看。即使刚性PCB相对于条带稍微摆动，但测量将总是相对于条带中的孔进行。

在感测移位时，存在在超出范围之前必须感测到多少移位的问题。参见图18中示出的接收电极182和发射电极184的布置，可以解释移位范围的示例。在这种情况下，存在放置在滑动条带上的少量接收电极182和放置在参考条带上的大量发射电极184。代替在每个发射电极184上提供唯一的信号，周期性地复用信号。经编号的发射电极184中的每一者表示不同的信号。如果移位限于一组发射电极184的区域，则可以唯一地确定位置。如果移位大于此，则移位读数不由最近的发射电极184唯一地确定。在此情况下，可能已经移位足够大以至于已经被缠绕到下一组发射电极184中。因为沿着条带进行了一系列测量，所以来自先前区段的组合移位可被看见并且很可能指示已经发生缠绕。因为可能发生增量展开，所以限制不针对保持在一组发射电极184的范围内的任何特定接收电极182。它仅受展开的能力的限制。如果已知在连续接收电极182之间的发射电极184的数量限于标称上在发射电极184之间的接收电极182的数量的+/-一半，则可以唯一地确定下一个区段的位置，因为已知哪些发射电极184可以在先前的区段的范围内。更复杂的技术可以甚至将此更进一步地扩展，例如通过做出关于更高阶导数的假设。尽管在电容传感器的上下文中解释该技术，但是相同的技术可应用于其他实施例。使用光学多条带设置而不是仅检测端部，条带可以具有被检测和分析以找到精确位置的重复的变化。可以使用具有许多边缘的校准目标以允许通过组合它们中的全部的数据来确定位置。

其他方法

以上讨论了电容技术和光学技术，然而，可采用其他机制。例如，类似于电位计，一个条带可用作分布式电阻器，并且另一条带可具有沿着电阻条带在多个点处接触的多个弧刷(wiper)。在每个弧刷处的电压可被布置成指示沿着电阻条带的相对位置。电阻条带位于一个条带上，并且跨电阻条带施加电压。这产生沿着与位置相关的电压梯度。沿着顶部条带的弧刷与条带滑动接触，从而感测弧刷位置处的电压。以上讨论的缠绕检测可通过在每个弧刷的区域中形成单独的电位计以允许更精确的测量来实现。在机械上，弧刷还可以起到维持层之间的间距的作用，因为它们是它们本身中的和它们本身的间隔件。

对以上设计的改进不是沿着条带具有单个电阻条带，而是可以将分开的电阻条带放置在每个弧刷的邻域中。随后每个较小的电阻条带可在小得多的位移上具有整个电压梯度，极大地增加测量的分辨率。应当注意，条带与电阻条带的连接数量仍然仅为二。

代替机械弧刷，可采用其他方法来产生与移位相关的电阻变化。例如，磁阻材料在存在磁场的情况下改变电阻。平行于导体铺设的电阻迹线可以在包括在这些迹线之间的磁阻材料的不同位置处有效地桥接，其中可通过在另一条带上的磁体来选择性地使得这些迹线更具导电性。

另一实施例采用在一个条带上的一系列磁体和在另一条带上的霍尔效应传感器以便测量移位。还可使用时域技术来测量长度。在电气、光学或声学域中的时域反射测量技术可用于测量多个点处的移位。为了使用这些技术，测量点产生用于信号返回的路径。磁致伸缩位置换能器方法也可用于测量移位。

在实施例中，可采用感应接近度感测。线圈的电感将响应于在线圈附近的某些材料而改变。例如，在实施例中，一个条带承载一系列线圈，而另一条带具有由线圈检测的不同磁导率的部分。可以以多种方式进行检测，包括独立地记录每个线圈的电感的变化，或者寻找不同线圈之间的耦合的变化。还可以在两个条带上都具有线圈，并且测量线圈之间的耦合。线性可变差动变压器(LVDT)可直接应用于这种类型的测量。

在实施例中，可使用条带之间的射频(RF)耦合来利用电磁耦合。

在实施例中，多弯曲传感器被设计成用于经由RF进行远程询问。使用简单振荡电路(LC)，其中L或C中任一者取决于条带之间的相对移位。这种类型的电路可仅使用导电材料的图案化来创建在条带上。振荡电路的谐振频率取决于相对移位，并且可使用标准RFID技术来远程读取。条带可被设计成包含各自取决于局部相对移位的多个谐振。如果谐振在频率上合理地分开，则远程频率扫描可以独立地揭示每个谐振的变化。在附加有源部件的情况下，可采用诸如时域复用之类的其他技术来读取多个点上的移位。

可使用磁传感器(霍尔效应、巨磁阻等)来测量局部磁场。一个条带的磁化图案可在另一条带上被检测以确定在许多点处的相对移位。可采用磁电路来将磁通量测量带到方便的物理位置。类似于携载电流的导线，高磁导率材料用于引导磁通量。使用这些技术，多个磁传感器可被定位在条带的结合端上，从而在沿着条带的各种点处进行测量。

已经采用磁致伸缩换能器用于在恶劣工业环境中测量位置。通过在磁致伸缩元件中脉冲电流来确定移动磁体的位置，这导致在磁体的区域中的元件中生成机械脉冲。该脉冲传播回到测量点的时间是磁体位置的函数。在实施例中，磁体被放置在一个条带上，并且磁致伸缩材料被放置在另一条带上。

可使用光导材料来采用类似技术。在一个滑动条带上的光可移位桥接的位置。这可以是安装在条带上的LED或其他光源，或允许单独地光源选择性地通过的简单的孔。

可通过机械手段在更传统的臂/编码器系统上获得多弯曲传感器的测量误差传播特性中的一些。通常使用平行联动装置来保持两个构件的平行性。

图19示出了确保水平线保持彼此平行的三组平行联动装置。点表示编码器。在每个编码器处测量的角度总是相对于顶部线。以此方式，在每个编码器处的测量误差在测量在每个编码器处的绝对出射角时不传播。可采用齿轮、皮带和其他联动装置的各种组合用于类似效果。

以上讨论的多弯曲传感器提供沿着多弯曲传感器长度的曲率数据。可以以更复杂的方式来使用该数据给出更详细的模型。例如，可以内插或拟合更高阶函数以对沿着传感器的曲率变化进行建模，并且因此创建具有有效地更多区段的模型。还可以将片段的底层模型从圆弧改变为不同的功能形式。

多弯曲传感器的上述实施例可精确地确定曲线或弯曲表面的形状。本技术的一些应用可以是用于确定机器人系统的定位。在实施例中，多弯曲传感器用于柔韧的接口。在实施例中，多弯曲传感器用于人类关节运动康复。在实施例中，多弯曲传感器用于虚拟现实中的人类关节运动。在实施例中，多弯曲传感器用于确定背部曲率、头部运动、或腿部弯曲。在实施例中，多弯曲传感器用于测量复杂曲线。在实施例中，多弯曲传感器用于复杂振动理解和主动控制。在实施例中，多弯曲传感器用于汽车、轮胎和座椅变形。在实施例中，多弯曲传感器用于姿势监测。在实施例中，多弯曲传感器用于表现性乐器接口。在实施例中，多弯曲传感器用于针对诸如鼓泡之类的变形的罐/压力气囊监测(例如，监测飞机、潜艇等)。

多弯曲传感器还可用于理解加压系统的形状。例如，具有加压舱的飞机在它们被反复加压和减压时经历显著的应力和变形。如果特定区域通过重复的应力而变弱，则该特定区域将开始相对于其他区域鼓泡(或取决于你在哪一侧上观察)。采用多弯曲传感器以便检测这种情况，以用于理解系统疲劳率，并且其中故障可能迫在眉睫。潜水艇、保存箱、以及所有种类的加压容器具有可受益于多弯曲传感器的应用的类似问题。在实施例中，在确定钻头的曲率时，多弯曲传感器用于协助油气勘探。

在负载下变形的其他机械系统也可受益于多弯曲传感器。上述多弯曲传感器的另一个优点是精度由几何关系得出而不是由对由于环境条件而引起的变化敏感且经受老化和磨损的电气性质得出，这使得所公开的多弯曲传感器适用于在结构的寿命期间监测桥、支撑梁等。

上述多弯曲传感器的另一个优点是精度由几何关系得出而不是由对由于环境条件而引起的变化敏感且经受老化和磨损的电气性质得出。本申请的实现可采用在以下申请中公开的在实现正交频分复用传感器和其他接口中使用的原理：美国专利第9,933,880号、第9,019,224号、第9,811,214号、第9,804,721号、第9,710,113号和第9,158,411号。假设熟悉这些专利中的公开内容、概念和命名法。这些专利以及通过引用并入其中的申请的完整公开内容通过引用并入本文。本申请还可采用在以下申请中公开的快速多点触摸传感器和其他接口中使用的原理：美国专利申请第15/162,240号、第15/690,234号、第15/195,675号、第15/200,642号、第15/821,677号、第15/904,953号、第15/905,465号、第15/943,221号、第62/540,458号、第62/575,005号、第62/621,117号、第62/619,656号和PCT公开PCT/US2017/050547，假设熟悉其中的公开内容、概念和命名法。这些申请以及通过引用并入其中的申请的完整公开内容通过引用并入本文。

如本文中使用的，并且特别是在权利要求内，诸如第一和第二的序数术语本身并不旨在意味着序列、时间或独特性，而是用于区分一个要求保护的构造与另一个要求保护的构造。在其中上下文进行了规定的一些用例中，这些术语可以暗示第一和第二是独特的。例如，在其中事件发生于第一时间且另一事件发生于第二时间的情况下，不存在以下刻意的含义：第一时间发生在第二时间之前、发生在第二时间之后、或与第二时间同时发生。然而，在其中权利要求中呈现了第二时间在第一时间之后的进一步限制的情况下，上下文将要求将第一时间和第二时间解读为独特的时间。类似地，在其中上下文如此规定的或准许的情况下，序数词旨在被广义地解释，使得两个所标识的权利要求构造可以具有相同的特性或具有不同的特性。由此，例如，没有进一步限制的第一频率和第二频率可以是相同频率(例如第一频率是10Mhz并且第二频率是10Mhz)，或可以是不同的频率(例如，第一频率是10Mhz并且第二频率是11Mhz)。上下文能以其他方式来规定，例如在其中第一频率和第二频率被进一步限制为彼此频率正交的情况下，在这种情况下，它们不可能是同一频率。

虽然已经参照本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在本发明中在形式上和细节上做出各种改变。

Claims (20)

1.一种多弯曲传感器，包括：

参考条带，其中所述参考条带上放置有第一多个电极，其中所述第一多个电极中的每一者发射信号，其中所述参考条带适配成在至少一个维度上柔性地移动；

滑动条带，其中所述滑动条带上放置有第二多个电极，其中所述滑动条带被固定到所述参考条带的一部分，其中所述滑动条带适配成在与所述参考条带移动时的所述参考条带相同的方向上的至少一个维度上柔性地移动；以及

可操作地连接到所述第一多个电极和所述第二多个电极的电路系统，其中从所述第一多个电极和所述第二多个电极确定的测量结果被用于确定关于所述多弯曲传感器的弯曲的信息。

2.如权利要求1所述的传感器，进一步包括放置在所述参考条带与所述滑动条带之间的间隔件。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考条带的所述滑动条带所固定到的所述部分是所述参考条带的远端。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，通过确定在所述参考条带和所述滑动条带的移动期间形成的弧来分析从所述第一多个电极和所述第二多个电极确定的测量结果。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，通过确定在所述参考条带和所述滑动条带的移动期间形成的线性段来分析从所述第一多个电极和所述第二多个电极确定的测量结果。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考条带是多个参考条带中的一者，并且所述滑动条带是多个滑动条带中的一者。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述多个参考条带和所述多个滑动条带形成网格结构。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述多个参考条带和所述多个滑动条带形成多个层。

9.如权利要求1所述的传感器，进一步包括将所述滑动条带和所述参考条带固定到间隔件的多个保持器。

10.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一多个电极形成为互补的三角形电极。

11.一种传感器，包括：

参考条带，其中所述参考条带上放置有第一多个电极；

滑动条带，其中所述滑动条带上放置有第二多个电极，其中所述滑动条带被固定到所述参考条带的一部分；以及

可操作地连接到所述第一多个电极和所述第二多个电极的电路系统，其中从所述第一多个电极和所述第二多个电极确定的测量结果被用于确定关于所述传感器的弯曲的信息。

12.如权利要求11所述的传感器，进一步包括放置在所述参考条带与所述滑动条带之间的间隔件。

13.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述参考条带的所述滑动条带所固定到的所述部分是所述参考条带的远端。

14.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述参考条带的所述滑动条带所固定到的所述部分位于所述参考条带的中心。

15.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，通过确定在所述传感器的弯曲期间形成的弧来分析从所述第一多个电极和所述第二多个电极确定的测量结果。

16.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述参考条带是多个参考条带中的一者，并且所述滑动条带是多个滑动条带中的一者。

17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述多个参考条带和所述多个滑动条带形成网格结构。

18.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述多个参考条带和所述多个滑动条带形成多个层。

19.如权利要求11所述的传感器，进一步包括将所述滑动条带和所述参考条带固定到间隔件的多个保持器。

20.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述第一多个电极形成为互补的三角形电极。

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