CZ2009211A3 - Zarízení na snímání taktilní informace - Google Patents

Abstract

Zarízení na snímání taktilní informace je tvoreno taktilními senzory, které jsou usporádány ve tvaru pravidelné pravoúhlé matice. Každý taktilní senzor sestává z jádra tvoreného fólií vodivého elastomeru (3) opatreného elektrodami, smykovou vrstvou (2) mající v prícném smeru modul pružnosti rozdílný od modulu pružnosti v podélném smeru a horní a spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou (1, 6). Horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (1) prekrývá smykovou vrstvu (2). Elektrody taktilních senzoru jsou vytvoreny pouze na jedné strane vodivého elastomeru (3). U každého taktilního senzoru jsou tvoreny sestavou elektrod skládající se z kruhové elektrody (4-2) a soustredne s ní umístené elektrody (4-1) tvaru mezikruží. Smyková vrstva (2) prekrytá horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou (1) je uložená na druhé strane vodivého elastomeru (3). Spodní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (6) prekrývá na elastomeru (3) vytvorené sestavy kruhových elektrod (4-2) a elektrod (4-1) tvaru mezikruží.

Description

Zařízení na snímání taktilní informace

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízeni pro snímáni taktilní informace a jeho varianty v elastickém provedeni.

Dosavadní stav techniky

S rozvojem robotíky, automatizace a neinvazivní diagnostiky v medicíně je stále více třeba získávat informace o interakci robotu s okolním prostředím a informace o probíhajících technologických operacích. Snímaní kontaktních tlaků patři k důležitým charakteristikám vzájemného působení mezi systémy nebo jejich částmi. Např. rozložení tlaku na pneumatice v kontaktu s vozovkou, transportních pásů, jejich rovnoměrné napnutí. Velmi důležité je zjišťování rozložení tlaků v biomechanice mezi živým organismem a okolním prostředím, kdy patologické rozložení tlaků může způsobit velmi vážné zdravotní potíže. Rovněž rozložení tlaků může sloužit k neinvazivní diagnostice různých chorob, či poruch kosterně svalového systému člověka.

Současné systémy nejčastéji používají taktilní senzory, které využívají piezorezistivní materiály nebo piezorezistivní fólie. Obvykle dosahují nižší hustoty jednotlivých senzorů a jejich konstrukce neumožňuje vysoké dlouhodobé a rázové přetížení. Dále jsou používané systémy využívající vodivé eleastomery. Jedním z příkladů je například řešení podle patentu CZ 295655. Jedná se o proporcionální snímač rozloženi kontaktního tlaku, sestávající z taktilních čidel. Taktilní čidla jsou uspořádána ve tvaru pravidelné pravoúhlé matice. Každé taktilní čidlo sestává z jádra tvořeného fólií vodivého eíastomeru, opatřeného z jedné strany první páskovou elektrodou a z druhé strany druhou páskovou elektrodou orientovanou kolmo na první páskovou elektrodu. Na první páskové elektrodě je uložena smyková vrstva, která má v příčném směru modul pružnosti rozdílný od modulu pružnosti v podélném směru. Takto vytvořená sestava taktilního čidla je překryta jednak shora, ze strany smykové vrstvy, ochrannou nevodivou horni krycí vrstvou a jednak zespodu, ze strany druhé páskové elektrody, ochrannou nevodivou spodní krycí vrstvou. Tyto typy dosahuji vyšší hustoty senzorů, odolávají dlouhodobému a rázovému přetížení, nevýhodou je ale složitá vícevrstvá konstrukce senzoru se dvěma deskami elektrod na každé straně vodivého elastomeru.

Podstata vynálezu

Výše uvedenou nevýhodu, konstrukci senzoru s dvěma vrstvami elektrod, odstraňuje zařízení pro snímání taktilní informace sestávající z taktilních senzorů, podle předkládaného řešení. Senzor může být proveden jako pevný nebo jako elastický. Taktilní senzory jsou uspořádány ve tvaru pravidelné pravoúhlé matice. Každý taktilní senzor sestává z jádra tvořeného fólií vodivého elastomeru opatřeného elektrodami, smykovou vrstvou, která má v příčném směru modul pružnosti rozdílný od modulu pružnosti v podélném směru a horní a spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou. Horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva překrývá smykovou vrstvu. Podstatou nového řešení je, že elektrody taktilních senzorů jsou vytvořeny pouze na jedné straně vodivého elastomeru a jsou u každého taktilního senzoru tvořeny sestavou elektrod skládající se z kruhové elektrody a soustředně s ní umístěné elektrody tvaru mezikruží. Smyková vrstva překrytá horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou je uložená na druhé straně vodivého elastomeru. Spodní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva pak překrývá na elastomeru vytvořené sestavy kruhových elektrod a k nim příslušejících elektrod tvaru mezikruží.

Ve výhodném provedení jsou kruhové elektrody a k nim příslušející elektrody tvaru mezikruží vytvořeny na nevodivém nosiči.

V dalším možném provedeni je na spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvu upevněna tuhá deska.

Další možností je, že na spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvu je upevněn vyztužovací box s příhradovou konstrukcí.

Jinou modifikací je, že kruhové elektrody a k nim příslušející elektrody tvaru mezikruží jsou vytvořeny na nevodivém tuhém nosiči. Kruhové elektrody a knim příslušející elektrody tvaru mezikruží mohou být také vytvořeny na nevodivém nosiči, kde nosič (5) je elastický.

V dalším provedení jsou tuhá deska nebo vyztužovací box překryty elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou , což má tu výhodu, že senzor je lépe chráněn proti rázovému přetíženi.

Další možností je, že mezi spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou a na elastomeru vytvořenými sestavami kruhových elektrod a jim příslušejících elektrod tvaru mezikruží je vložena elastická mezivrstva, což má tu výhodu, že senzor je lépe chráněn proti rázovému přetíženi.

Ve výhodném provedení kterékoli z uvedených variant je smyková vrstva sendvičové konstrukce. Rovněž tak je pro oba případy vhodné, jsou-li horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva a/nebo spodní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva a/nebo mezi spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou a sestavou taktilního senzoru umístěná elastická ochranná nevodivá krycí vrstva antistatické vrstvy. To umožní zvýšit odolnost proti dlouhodobému a rázovému přetíženi a zvýšit ochranu proti rušení.

Výhodou uvedeného senzoru je, že se zjednodušuje konstrukce senzoru oproti stávajícím senzorům s dvěma vrstvami elektrod, dále je odolný proti přetíženi a rázovým silám, které vznikají při dynamickém provozu. Umožňuje dosáhnout oproti stávajícím senzorům jednodušší konstrukce, větší hustoty senzorů a až 25-ti násobného rázového přetížení. Dá se očekávat, že by vyhověl provozu i v náročných prostředích. Senzor podle vynálezu poskytuje nejen informaci o tom, že objekt okolního prostředí je v kontaktu se senzorem, ale i informaci o místě dotyku, tlaku a jeho rozložení na ploše senzoru. Konstrukce senzoru podle vynálezu umožňuje při překročeni sil, vedoucích dříve k deformacím, účinnou ochranu vodivého elastomeru. Navíc senzor neobsahuje žádný pohyblivý mechanický element.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny v popisu příkladu jeho provedení podle přiloženého výkresu, kde obr. 1 znázorňuje schematicky v nárysu řezu celkové řešeni elastického zařízeni pro snímáni taktilni informace podle vynálezu a na obr.2 je schematicky uvedeno, v pohledu, provedení kruhových elektrod zařízení pro snímáni taktilní informace. Na obr.3 je schematicky uvedeno, v nárysu řezu, provedení zařízení pro snímání taktilní informace.

Přiklad provedení vynálezu

V prvním provedeni je vytvořeno zařízeni na snímání taktilní informace tvořené sendvičovou konstrukci podle obr. 1. Jádrem zařízení je fólie vodivého elastomeru 3, který mění svůj odpor s působícím tlakem a tvoří tak převodník tlak - elektrický signál. Tloušťka elastomeru 3 není kritická, ve skutečnosti je několik desetin mm, v uvedeném přikladu se jedná o vodivou silikonovou fólii. Elastomer 3 je umístěn mezi na jedné straně vytvořenou sestavou skládající se z kruhové elektrody 4-2 a soustředně s ni umístěné elektrody 4-1 tvaru mezikruži, které jsou vytvořeny na nevodivém nosiči 5, který je zde elastický, například polymerní, a na druhé straně smykovou vrstvou 2. Takovýto nevodivý nosič 5 je například tvořen teflonovou fólií, na níž je měděná vrstva, která se klasickou technologií plošných spojů odleptá tak, že vzniknou kruhová mezikruži, tvořící elektrodu 4-1 tvaru mezikruži a kruhovou elektrodu 4-2. V daném příkladě jsou kruhová elektroda 4-2 a elektroda 4-1 tvaru mezikruži tvořeny měděnou fólií, avšak lze použit i jiný vodivý materiál. Rovněž tak lze vytvořit kruhovou elektrodu 4-2 a elektrodu 4-1 tvaru mezikruži přímým nalepením nebo přiložením na elastomer 3 bez použití nevodivého nosiče 5. Zde tedy elastický, nevodivý nosič 5 může být tvořen například materiálem, označovaným Cuflex či Cuprexit. Kruhová elektroda 4-2 a elektroda 4-1 tvaru mezikruži mohou být z důvodů ochrany před oxidací pokoveny, nejlépe pozlaceny.. Důležitou vrstvou senzoru je smyková vrstva 2, která musí mít jiný modul pružnosti v příčném a podélném směru a umožňuje tak správný přenos rozložení tlaku mezi objektem a senzorem. Tato smyková vrstva 2, která může být například sendvičové konstrukce, odstraňuje okrajový efekt a umožňuje rovnoměrné rozloženi tlaku.

Ochrana senzoru před poškozením je zabezpečena z horní a spodní strany sendvičové konstrukce, a to horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 1, kterou tvoři například PVC fólie nebo pryžová fólie, umístěná na smykové vrstvě 2 a, spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 6, s výhodou antistatickou, stejných vlastností jako má horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva 1, umístěnou na nevodivém nosiči 5 ze strany odvrácené od kruhové elektrody 4-2 a elektrody <4 tvaru mezikruži. Konstrukci lze provést také tak, že mezi spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 6 a sestavou kruhové elektrody 4-2 a elektrody 4-1 tvaru mezikruži respektive nevodivým nosičem 5 může být vložena samostatná mezivrstva, s výhodou antistatická což není na výkrese znázorněno. Horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva 1 a spodní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva 6 musí odolávat vodě a rozpouštědlům, používaným k mytí, dezinfekci apod. a současně musí být izolantem.

Takto vytvořený senzor slouží k měření rozložení tlaku na zatížené ploše. Objekt působí přes horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvu 1 a smykovou vrstvu 2 na vlastní senzor, tvořený vodivým elastomerem 3 a na jeho spodní straně umístěnou sestavou kruhové elektrody 4-2 a elektrody 4-1 tvaru mezikruži umístěných na nevodivém nosiči 5. Správné působení tlaku je zajištěno smykovou vrstvou 2, která musí mít různé moduly pružnosti v příčném a podélném směru. Vodivý elastomer 3 je tak působícím tlakem deformován a mění svůj odpor v závislosti na velikosti působícího tlaku. Změny tohoto odporu jsou pak snímány kruhovou elektrodou 4-2 a elektrodou 4_:1 tvaru mezikruži. Ochrana vlastního senzoru proti trvalému a rázovému přetížení je zajištěna spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 6.

Tento elastický senzor má výhodu v tom, že může sledovat vliv nerovnosti podložky vůči působícímu tlaku zatěžovaciho objektu, například rozloženi tlaku mezi sedákem židle, vozíku a podobné, a sedací částí těla sedící osoby.

Obdobným způsobem lze vytvořit zařízeni pro snímáni taktilni informace, které není elastické. Jedná se v podstatě o analogické uspořádání, kdy je zařízení pro snímání taktilni informace podle vynálezu tvořeno sendvičovou konstrukcí podle obr. 3. Jádrem zařízení pro snímáni taktilni informace je opět fólie vodivého elastomeru 3, který mění svůj odpor s působícím tlakem a tvoři tak převodník tlak - elektrický signál. Elastomer 3 je umístěn mezi na jedné straně uspořádanými elektrodami, a to kruhovou elektrodou 4-2 a elektrodou 4-1 tvaru mezikruži , které jsou vytvořeny na nevodivém nosiči 5 a na druhé straně smykovou vrstvou 2. Nevodivý nosič 5 může být polymemi a je například tvořen teflonovou fólii na niž je měděná vrstva, která se klasickou (>

technologií plošných spojů odleptá tak, že vzniknou kruhová mezikruží, tvořící kruhovou elektrodu 4-2 a elektrodu 4-1 tvaru mezikružíkteré jsou v daném příkladě tvořeny měděnou fólii, avšak lze použít i jiný vodivý materiál. Rovněž tak je lze vytvořit přímým nalepením nebo přiložením na elastomer 3 bez použití nevodivého nosiče 5. Nevodivý nosič 5 může být tvořen například materiálem, označovaným Cuflex či Cuprexit. Kruhová elektroda 4-2 a elektroda 4-1 tvaru mezikruží mohou být z důvodů ochrany před oxidací pokoveny, nejlépe pozlaceny. Nevodivý nosič 5 může být elastický nebo je pevný, i když v tomto případě mají prakticky smysl jenom elektrody pevné, neboť elastické jsou dražší a nemá smysl je používat když celá sestava je pak stejné tuhá Ochrana senzoru před poškozením je zabezpečena horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 1. Vliv nerovnosti podložky na senzor je vyloučen tim, že na spodní straně senzoru, tedy ze strany nevodivého nosiče 5, respektive sestavy kruhové elektrody 4-2 a elektrody 4-1 tvaru mezikruží,, je umístěna tuhá, například duralová, deska 7, která je v uvedeném příkladě obložena shora horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 6 a zdola další elastickou, s výhodou antistatickou, ochrannou nevodivou krycí vrstvou 8. Tato další elastická ochranná nevodivá krycí vrstva 8 není podmínkou a senzor ji nemusí být vybaven. Tuhá deska 7 může být nahrazena boxem s přihradovou konstrukci nebo jinou vyztužovací konstrukci. Uvnitř boxu může být umístěna elektronika senzoru. Důležitou vrstvou senzoru je smyková vrstva 2, která musí mít jiný modul pružnosti v příčném a podélném směru a umožňuje tak správný přenos rozloženi tlaku mezi objektem a senzorem. Tato smyková vrstva 2 může být např. sendvičové konstrukce.

Takto vytvořený senzor slouží rovněž k měření rozloženi tlaku na zatížené ploše. Funkce senzoru je tatáž jako u výše popsaného elastického typu s tim, že působení nerovnosti podložky, na níž je celý senzor rozložení kontaktního tlaku umístěn, je kompenzováno tuhou deskou 7. Ochrana vlastního senzoru proti trvalému a rázovému přetíženi je zajištěna spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 6 a elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou 8, které jsou s výhodou antistatické.

Průmyslová využitelnost

Zařízeni pro snímáni taktilni informace je využitelné v oblasti lékařské ortopedie

-}

I a biomechaniky pro studium rozloženi tlaku na ploskách chodidel a jeho dynamických zmén během kroku. Stanovení rozloženi tlaků na ploskách chodidel a jejich časový průběh jsou cenné informace, přispívající k neinvasivni diagnostice poruch motoriky, ortopedických vad a mnohých onemocněni, k zabránění patologickým tlakům na lidském těle, a tím vzniku proleženin, např. inteligentní postel. Ve stabilometrii lze uvedené senzory použít při měření stability, ve fyzioterapií pro rehabilitaci, pro vývoj rehabilitačních pomůcek a protéz a dále při biologické zpětné vazbě, tzv. biofeedback. V pružném provedeni je senzor vhodný pro měření tlaků v protézách a jejich optimálnímu přizpůsobení pahýlu končetiny, k návrhu sedaček pro paraplegiky a k preventivní zpětné vazbě. Rovněž tak je využitelný pro návrhy anatomických tvarů sedaček a opěradel, zvláště v automobilovém a leteckém průmyslu. Praktické využité nalezne také ve sportovním lékařství a metodologii, v robotíce pro stabilitu a vyvažování robotů, pro určení pevného místa uchopeni, určeni sily apod. a v dalších průmyslových aplikacích, kde je potřebné znát rozložení tlaků, např. pneumatika - vozovka

Claims (10)

1. Zařízení na snímání taktilni informace tvořené taktilnimi senzory kde taktilní senzory jsou uspořádány ve tvaru pravidelně pravoúhlé matice, kde každý taktilní senzor sestává z jádra tvořeného fólii vodivého elastomeru (3) opatřeného elektrodami, smykovou vrstvou (2) mající v příčném směru modul pružnosti rozdílný od modulu pružnosti v podélném směru, horní a spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou (1,6), kde horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (1) překrývá smykovou vrstvu (2)vyznačující se tím, že elektrody taktilních senzorů jsou vytvořeny pouze na jedné straně vodivého elastomeru (3) a jsou u každého taktilního senzoru tvořeny sestavou elektrod skládající se z kruhové elektrody (4-2) a soustředně s ní umístěné elektrody (4-1) tvaru mezikruží a smyková vrstva (2) překrytá horní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou (1) je uložená na druhé straně vodivého elastomeru (3), přičemž spodní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (6) překrývá na elastomeru (3) vytvořené sestavy kruhových elektrod (4-2) a elektrod (4-1) tvaru mezikruží.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kruhové elektrody (4-2) a k nim příslušející elektrody (4-1) tvaru mezikruží jsou vytvořeny na nevodivém nosiči (5).

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že na spodní elastickou ochrannou i

nevodivou krycí vrstvu (6) je upevněna tuhá deska (7)

4. Zařízení podle nároku 1.vyznačující se tím, že na spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvu (6) je upevněn vyztužovací box s příhradovou konstrukci.

5. Zařízení podle nároku 3 nebo 4 vyznačující se tím, že kruhové elektrody (4-2) a knim příslušející elektrody (4-1) tvaru mezikruží jsou vytvořeny na nevodivém nosiči (5), kde nosič (5) je tuhý.

6. Zařízení podle nároku 3 nebo 4 vyznačující se tím, že kruhové elektrody (4-2) a knim příslušející elektrody (4-1) tvaru mezikruží jsou vytvořeny na nevodivém nosiči (5), kde nosič (5) je elastický.

7. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 3 až 6,vyznačujíci se tím, že tuhá deska (7) nebo vyztužovaci box jsou překryty elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou (8).

8. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že mezi spodní elastickou ochrannou nevodivou krycí vrstvou (6) a na elastomeru (3) vytvořenými sestavami kruhových elektrod (4-2) a jim příslušejících elektrod (4-1) tvaru mezikruží je vložena elastická mezivrstva.

9. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 8_; vyznačující se tím, že smyková vrstva (2) je sendvičové konstrukce.

10. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 9 vyznačující se tím, že horní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (1) a/nebo spodní elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (6) a/nebo elastická ochranná nevodivá krycí vrstva (8) jsou antistatické vrstvy.