CN219142067U - 一种具有成本优势的兼顾型触觉传感器、电子皮肤、脉象检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有成本优势的兼顾型触觉传感器、电子皮肤、脉象检测设备，其中传感器阵列包括第一传感器单元及第二传感器单元；每个传感器单元设有柔性多功能层，柔性多功能层的内部设有曲面弹性的上层电极，上层电极的下方设有下层电极，上层电极与下层电极之间设置绝缘层且形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；第一传感器单元中，上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少两个，且该者分布于虚线A的两侧；同样第二传感器单元中，该者分布于虚线B的两侧，其中虚线A、虚线B中的一者沿X向设置，另一者倾斜或垂直于X向。

Description

一种具有成本优势的兼顾型触觉传感器、电子皮肤、脉象检测 设备

技术领域

本实用新型涉及涉及触觉传感技术，尤其涉及一种兼顾三维力以及通道数量的触觉传感器，能够达到成本的最优化，还涉及使用该触觉传感器构成的电子皮肤、脉象传感器或脉象检测设备。

背景技术

望闻问切中的切(诊脉)是中医诊断客观化的关键难点，脉象诊断客观化和标准化对中医的传承和发展至关重要，而脉象传感器技术是脉象诊断的卡脖子技术。中医的诊脉是靠中医的手指感知患者手腕处尤其是关、寸、尺处的动脉的脉象变化，分为二十八种脉象，其中脉象变化可以归结为感知手腕处尤其是关、寸、尺处的动脉的血压变化信息。

脉象传感器的技术发展可以分为三个阶段：1.20世纪70年代至80年代出现单点刚性面压力传感器单头式传感器，但单探头脉象仪不能同时对寸、关、尺三部的脉搏信息进行采集，且存在需要反复尝试寻找对准关脉的问题，此外，单点刚性面压力传感器在仿生学上与人体触觉不符，采集到的脉搏信息较为单一；2.20世纪末出现能同时采集寸、关、尺三部脉搏信息又能单独采集寸、关、尺三部中单部脉搏信息的三头式传感器，并设计了手动垂直调节螺杆和手动径向调节螺杆来实现传感器在桡动脉径向和垂直方向的位移；3.21世纪以来，脉象仪的研制主要围绕以下3点：①设计普通阵列式压力传感器来对脉搏信息进行多点式采集；②设计在仿生学方面能够模仿人体触觉的柔性阵列式压力传感器；③构建压力传感器与光电式传感器、传声器等非接触型传感器协同采集脉搏信息的复合采集模式。

目前的脉象传感器技术中，存在的缺陷之一就是所使用的电子皮肤，尤其是其中的传感器的压力灵敏度不高，检测能力远低于中医专家人手(男性指尖的法向压力阈值平均为0.055g，女性的相应值为0.019g)。此外，由于感知系统需要大面积覆盖具有大量传感器的仿生皮肤，因此，传感器还需要符合小型化、低功耗、便于形成传感器阵列的要求。

另一方面，对于压力的检测，目前按传感原理划分，主要分为电阻式、电容式、光电式、压电式、电感式、微机电式和复合式(两种或两种以上原理复合)。其中大部分处在实验室研究阶段，还没有成熟到实用阶段，而较多的趋向是电阻式、电容式和阻容复合式，其中以电容式或阻容复合式触摸传感器最具发展前景。

电容式检测相关技术中，塔夫斯学院与麻省理工在专利CN201980023078.6中提出一个或多个电阻、压电或电容元件构建传感器阵列，由传感器阵列检测心跳周期期间动脉几何结构和力的变化；威里利生命科学有限责任公司在专利CN201880008077.X中提出触觉传感器阵列包括多个电容传感器以检测由于血流引起的手指的指动脉内的压力变化，其中该压力变化引起该触觉传感器阵列的一个或多个电容传感器的电容值的变化，该控制电路耦接到该触觉传感器阵列以从该触觉传感器阵列接收电容值，并基于该电容值确定血压；苹果公司在CN201680043825.9中提出配置测量佩戴腕戴式设备的用户的血压的电容性节点，用于测量平均动脉压的方法。上述的电容式传感器阵列，普遍存在压力传感器刚性、长期佩戴不舒适的问题，且压力传感器也难以达到类似人手的压力分辨率。

专利CN201920633712.5公开的柔性电容式三维力矢量传感器结构，通过多功能层的上层电极以及下方设置的下层电极阵列，能够实现接触觉(当感知系统即将或刚刚接触外部物体时，应能对即将或刚刚接触的外部物体进行大致的分类并判断即将接近的外部物体的速度和距离)、感知三维力大小以及方向(XYZ)的功能要求，同时兼顾高灵敏和宽检测范围的要求以及柔性接触。测试中传感器单元能够达到0.01克法向力(压力方向、Z向)分辨率，超越中医专家手指的压力分辨能力(0.019克)，可以说在脉象传感器技术的触觉传感器的构建中具备先天优势。但采用专利CN201920633712.5的柔性电容式三维力矢量传感器结构在构建传感器阵列时，但也极大地带来电极采样通道数的增加所导致的芯片通道的分配压力以及成本的提升。

因此，如何在实现XYZ三维力分辨的前提下，兼顾构建传感器阵列时的通道的分配压力，同时侧重成本控制，是本专利提案所要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的提出一种触觉传感器结构，适于诊脉中的关、寸、尺对准，同时，能够实现XYZ三维力的高分辨，并且达到成本的优化控制。

为此，提供一种具有成本优势的兼顾型触觉传感器，包括传感器阵列，传感器阵列包括有至少一个第一传感器单元以及至少一个第二传感器单元；每个传感器单元均设有柔性多功能层，每个柔性多功能层的内部均设置有与多功能层电连接的上层电极，上层电极为曲面弹性电极，上层电极的下方设置有下层电极，上层电极与下层电极之间设置绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖每个下层电极的部分面积，上层电极与下层电极之间形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；在第一传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少两个，且该者的各个电极分布于虚线A的两侧；在第二传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少两个，且该者的各个电极分布于虚线B的两侧；虚线A、虚线B中的一者沿坐标轴的X向设置，另一者倾斜或垂直于X向。

本实用新型中，第一第二传感器单元中的电极矩阵均由至少两个构成，且两个电极矩阵分别沿虚线A、虚线B设置于两侧，利用柔性多功能层的形变以及上下电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，可以达到XYZ方向的高分辨率，同时阵列中每个节点都具备Z方向分辨能力，便于对寸关尺的对准及压力检测，且电极矩阵的数量最低由四个降低至两个整个阵列所需的通道数量得到最大降低，成本达到最优控制。

人体动脉为管状结构，血液在动脉中的流动是周期性的，以血液流动方向为X向，压力变化反映为心脏泵血时血液在动脉管壁引起的Z向(法向)凸起信息，X向可以反映血液流动的方向类信息，Y向可以反映血管的粗细厚薄。对于血压检测而言，压力变化的信息更为重要，流动方向、血管的粗细厚薄作为辅助信息。本实用新型中，最优设置可以将虚线A、虚线B中的一者沿坐标轴的X向设置，另一者沿Y向设置，使得两者垂直，除了都具备Z向检测能力外，一者用于获取X向一者用于获取Y向且互不干扰。也可以是虚线A、虚线B中的一者沿坐标轴的X向设置，另一者倾斜，其中对于X向设置的传感器单元先采集X向数据，利用该X向数据来修正和消除另一者采集时的X向的干扰。

人体血流速度<20mm/s，在采用上述触觉传感器结构的基础上，配合芯片转换速率0.5ms以上的高转换速率芯片对各电极进行电容值采集，则20/2000＝0.01mm/ms，换言之，能够达到0.01克法向力(Z向)分辨率，超越中医专家手指的压力分辨能力，以及实现XY向上的分辨率。其中，高转换速率芯片例如可以采用R-SpiNNaker芯片，能够达到24位高速CDC，有效分辨率21.9位，转换时间0.5ms，可以支持高精度触觉信号采集和编码；函数核+SNN核架构，用小规模神经元支持复杂拟神经态计算，可以实现实时单片脉象分类；拟神经态感知、计算、执行一体化架构，单片即可支持高精度诊脉压力控制和脉象分类数据处理，详细可以参考专利资料CN202110956246.6。

在第一第二传感器单元的分布方式上，可以设置为阵列中每行每列的第一传感器单元与第二传感器单元均交替设置，由于血管为条形，交替设置的方式可以在第一传感器单元接触到血管的情况下，确保其相邻第二传感器单元中至少有一者也对血管构成接触，反之亦然。

进一步的，柔性多功能层可以设置为柔性多功能层为球形、椭球形或平行于对应虚线的条形。其中，柔性多功能层以球形或椭球形设置可以达到在XYZ方向上受力的良好形变效果，而柔性多功能层的条形影响条形延伸方向上的受力形变。对于上层电极，优选设置为和柔性多功能层一体设置，而下层电极为曲面电极或平面电极。上层电极的最优选择是与柔性多功能层形成相同形状，例如在柔性多功能层以球形或椭球形设置时上层电极同样设置球形或椭球形达到最优分辨效果，或者是柔性多功能层为条形时设置上层电极为与之平行的条形。

进一步的，以上层电极作为公共电极，下层电极具有至少两个且相互绝缘，公共电极对各个下层电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量；或者，以下层电极作为公共电极，上层电极具有至少两个且相互绝缘，公共电极对各个上层电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量。

进一步的，触觉传感器还可以设置一关联组织，关联组织为柔性材料，并连接各个传感器单元的柔性多功能层，用于将触觉传感器表面任意区域的受力关联至距受力点最近的至少两个传感器单元的柔性多功能层。通过在各个传感器单元的柔性多功能层上设置的关联组织，在关联组织表面任何区域受力都会关联到周边单元包，可以通过周边单元包的数据计算受力点的位置，解决检测盲区。其中更优选地，关联组织可以设置为一柔性覆膜，此种方案中各个传感器单元的柔性多功能层外表面通过柔性覆膜进行蒙皮，关联组织表面受力时通过柔性覆膜拉动周边单元包实现受力关联，能够改善运动干扰、去噪问题；或者，关联组织可以设置为一柔性填充，并填充至任意传感器单元的柔性多功能层之间，此时，关联组织表面受力时通过柔性填充推动周边单元包实现受力关联。还可以将上述两种方案进行结合，同时设置柔性覆膜和柔性填充，通过推拉结合实现关联以及约束。

还提供一种电子皮肤，包括上述的触觉传感器。

还提供一种脉象检测设备，包括上述的电子皮肤。

附图说明

图1为4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器示意图。

图2为4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器的结构展开示意图

图3为4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器的传感单元电极布局示意图。

图4为4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器的高精度传感单元受力分析示意图。

图5为4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器的下层电极整体布局示意图。

图6为4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器的高空间分辨度受力分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示，本实用新型提供了一种具备高灵敏度、高空间分辨度的4*4双向混合点阵柔性填充触觉传感器。如图2所示，本传感器包括:柔性填充绝缘软硅胶100；固定螺丝200；含有16个传感单元的多功能层300，其由导电硅胶模具成型制成；PCB电路板400，其上的覆铜层形成了下层电极阵列；CDC集成芯片500；底壳600。

如图3和图4所示，上层公共电极层的一个传感单元301是一个圆包，它与PCB板上的电极单元阵列401-1、401-2分别形成电容C01-1、C01-2。外侧半球凸起表面承收外来不同方向的作用力。内侧半球与PCB板表面相切，理论上层电极的半球与PCB表面的绝缘油墨是点接触，且接触点正好在电极401组的中心。当外侧表面受到作用力700挤压时，柔性上层电极发生形变，上层电极的半球与PCB表面的绝缘油墨由之前的点接触可以很轻易的转变成小面积接触。从而导致C01电容组变化而感知受力。所以本传感器具备很高的灵敏度。

此外，当作用力700以一定角度斜向作用在外表面时，作用力在PCB板平面不同方向上的分量701，使得内部接触面会在PCB板上相应的方向发生偏移，相应的电容C01组的2个电容量会呈现相应不同的变化规律。此时2个电容量可以表征为作用力在平行PCB板平面上2个不同方向上的分力。所以通过这2个电容量之间的关系，利用一些相关算法可以还原作用力的方向和大小。

如图5所示，下层电极每个单元依次由水平和垂直分开的两对电极组成，可以分别检测X和Z,Y和Z方向的作用力。因此对于整体传感器，可以通过传感单元的组合测量，实际X,Y,Z三维力的综合测量，同时可以达到通道数使用的最少化。

如图6所示，当作用力700作用在传感单元之间时，柔性填充硅胶在作用力的挤压下会将作用力702、703分别传递给周边的传感单元301、301，根据周边传感单元的电容组C01、C02之间的关系，可以推算出作用力700受力点的位置。实现了利用有限的传感单元达到高空间分辩度的效果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种具有成本优势的兼顾型触觉传感器，其特征在于：

包括传感器阵列，所述传感器阵列包括有至少一个第一传感器单元以及至少一个第二传感器单元；

每个传感器单元均设有柔性多功能层，每个柔性多功能层的内部均设置有与多功能层电连接的上层电极，上层电极为曲面弹性电极，上层电极的下方设置有下层电极，上层电极与下层电极之间设置绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖每个下层电极的部分面积，上层电极与下层电极之间形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；

在第一传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少两个，且该者的各个电极分布于虚线A的两侧；在第二传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少两个，且该者的各个电极分布于虚线B的两侧；所述虚线A、虚线B中的一者沿坐标轴的X向设置，另一者倾斜或垂直于所述X向。

2.根据权利要求1所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：所述柔性多功能层为球形、椭球形或平行于对应虚线的条形。

3.根据权利要求2所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：所述柔性多功能层和上层电极一体设置，和/或所述下层电极为曲面电极或平面电极。

4.根据权利要求1所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：阵列中每行每列的第一传感器单元与第二传感器单元均交替设置。

5.根据权利要求1所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：

所述上层电极或下层电极作为公共电极，公共电极对另一层的各个电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量。

6.根据权利要求1所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：还包括一关联组织，所述关联组织为柔性材料，并连接各个所述传感器单元的柔性多功能层，用于将触觉传感器表面任意区域的受力关联至距受力点最近的至少两个传感器单元的柔性多功能层。

7.根据权利要求6所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：

所述关联组织为一柔性覆膜，各个柔性多功能层外表面通过所述柔性覆膜进行蒙皮；和/或

所述关联组织为一柔性填充，并填充至任意柔性多功能层之间。

8.根据权利要求1所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：还包括R-SpiNNaker芯片，所述R-SpiNNaker芯片对各电极进行电容值采集。

9.一种电子皮肤，其特征在于：包括如权利要求1-8中任一项所述的兼顾型触觉传感器。

10.一种脉象检测设备，其特征在于：包括如权利要求9所述的电子皮肤。

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