DE102016007964A1

DE102016007964A1 - Kraftmessung eines Objektes mittels schaltbarer und variabler Sensoren

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Publication number: DE102016007964A1
Application number: DE102016007964.9A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-03
Filing date: 2016-07-03
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, bspw. einer organischen oder künstlichen Haut.

Description

Die Neuheit beschreibt einen Sensor zur Messung von mechanischen Kräften. Bisherige Polymerdrucksensoren bspw. der Force Sensing Resistor (FSR) der Firma Interlink Electronics, Inc. erlauben nur einen eingeschränkten Messbereich, je nach Größe des Sensors.
Die in diesem Dokument vorgestellten Klassen von neuartigen Polymerdrucksensoren, Schaltbarer Resitiver Sensor (SRS) und Variabler Resitiver Sensor (VRS), umgehen diese Limitierungen, indem zum einem mehrere Sensoren bzw. Messbereiche auf der selben Fläche untergebracht werden (SRS) und zum anderem, indem durch elektrische Induzierung die Empfindlichkeit des druckempfindlichen Polymer eingestellt wird.
Die Verwendung von SRS- bzw. VRS-Sensoren erlaubt eine hoch genaue Messung von Kräften, bei gleichzeitig günstigen Anschaffungskosten.
Die geringen Anschaffungskosten eröffnen ein breites Spektrum an Anwendungen. Zum einen können Messgeräte zur einmaligen Anwendung hergestellt werden. Dies ist z. B. im medizinischen Bereich interessant. Zum anderen können große Flächen mit Sensoren ausgefüllt werden. Dies erlaubt die Verarbeitung der Sensoren als Fliesen, wodurch Überwachungsaufgaben realisiert werden können.
Des Weiteren werden bisher undenkbare Anwendungen ermöglicht. Eine Anwendung, bei der in Zukunft diese Sensoren eine besondere Rolle spielen könnten, ist Ausstattung von Robotern, bzw. Androiden mit einem Tastsinn. Dies bedeutet eine flächenhafte Verteilung von Sensoren auf der Oberfläche des Androiden, so zu sagen einer Haut. Anhand dieser Schrift soll im Folgenden die Vorrichtung und das Verfahren, sowie der Nutzen und die Vorteile dieser neuartigen Sensorenklassen für einen Patentantrag offenbart werden.
Sensoren sind technische Bauteile, die bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften messen können.
Die Messwerte werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgewandelt.
Sensoren vermessen Zustände und sind ein Mittel, um bspw. Handlungsfolgen zu veranlassen.
Sensoren erkennen einzelne oder ständig wiederkehrende kontinuierliche Messungen als Grundbestandsaufnahmen auch gegenüber von Grenzwerten.
Nach Umwandelung und Aufbereitung der Meßergebnisse für Mensch oder Maschine, folgen meist auslösende Handlungen.
In Fahrzeugen informieren Sensoren den Menschen bzw. die Maschine über Austemperaturen oder Temperaturen im Motor zur Betriebsbereitschaft.
Drucksensoren prüfen und regulieren Systeme, um vor Überbelastung und Zerstörung zu schützen.
Beim Menschen erkennen Sensoren wenn das Herz gefährliche Arhythmien aufweist oder zum Stillstand kommt um Handlungsfolgen einzuleiten. Hierbei kann es sich um eine Weiterleitung des Zustands als Information an Dritte Personen handeln, eine Speicherung des Sachstandes, oder eine Handlung auslösen wie die Bereinigung der Arhythmien/Vorhofflimmern durch einen oder mehrere elektrische Stromschläge durch einen Herzschrittmacher oder Defibrillator.
Um die richtigen Handlungen zur richtigen Zeit auch autonom durchführen zu können, übermitteln Sensoren den gemessenen Wert als Informationen an die Recheneinheit. Die Recheneinheit prüft bspw. den gemessenen Grenzwert, indem Logiken und Algorithmen die Auswertung vornehmen. Das System löst anschließend die erforderlichen Handlungen aus.
Seit vielen Jahren werden mit Hilfe von unterschiedlichsten Sensoren einfache und auch komplexe Geräte und Anlagen autonom oder auch bedienerfreundlich für den Menschen eingesetzt.
Das Internet und die mobilen Smartphone Geräte dynamisieren den Einsatz von Sensoren seit einigen Jahren.
Mobile Endgeräte wie bspw. ein Smartphone verfügt selbst über eine Vielzahl von Sensoren. Smartphone Geräte können aber auch externe Sensoren und somit auch nicht verbundene Geräte und Anlagen managen.
Sensoren werden für den Einsatz angepasst. Der Meßbereich erstreckt sich meist nach der Nutzung und den möglichen Erfordernissen.
Je nach Art des Sensors sind diese Meßbereiche nicht nur aus technischer Sicht eingegrenzt. Die Kosten eines Sensors spielen für den jeweiligen Anwendungs- und Meßbereich ein entscheidende Rolle.
Die Auswahl eines Sensors wird für die jeweilige Aufgabe somit definiert, um wirtschaftlich, einfach und effizient zu wirken.
Sensoren zur Messung von Masse können sich stark in ihrer Art unterscheiden.
Balken- oder Federwaagen waren bis vor ein paar Jahren noch die vorherrschende Art. Beispielsweise wurde für das abwiegen von Kartoffeln oder Personen Balkenwaagen verwendet. Beim Arzt findet man diese auch heute noch. Beim Boxen werden die Kämpfer ebenfalls noch herkömmlich-traditionell so gewogen.
In den letzen Jahren wurde jedoch auch für die Messung von Masse FSR Sensoren von der Firma Interlink genutzt.
Bei dieser Art von Messung werden bspw. resistive Sensoren eingesetzt, die den Widerstand messen und so das Gewicht ermitteln. Diese können sehr klein verbaut werden und sind gegenüber herkömmlichen Balken- oder Federwaagen extrem kostengünstig zu fertigen.
Der Nachteil dieser Gewichtsmessung besteht jedoch in den eingegrenzten Meßbereichen.
Die Neuheit beschreibt einen Sensors der unterschiedliche variable Sensorklassen erfüllt und folgende sensorische Eigenschaften im Bereich der Kraftmessung aufweist wie die beliebige Einstellbarkeit des Messbereichs, Einstellbarkeit des Bereichs mit höchster Auflösung, Einstellbarkeit des Bereichs mit höchster Genauigkeit, mehrere Messbereiche, welche nicht zwingender Maßen überlappend sind.
Neben diesen Anforderungen an die sensorischen Eigenschaften werden folgende weitere Eigenschaften erfüllt:
Verwendung verschiedener Messbereiche auf der selben Fläche, flexibles Design zur Anpassung des Sensors auf Oberflächen, gleichzeitige Verwendung vieler Sensoren um Orts-aufgelöste Messungen zu ermöglichen.
Die SRS Sensoren sind eine Entwicklung ähnlich eines Polymerdrucksensors. Bei einem Polymerdrucksensors wird der Effekt ausgenutzt, dass bestimmte elektrisch leitfähige Polymere unter Druck ihren elektrischen Widerstand ändern, oder durch Belastung einen besseren elektrischen Kontakt zu Metallen ausbilden.
Der Aufbau eines solchen herkömmlichen Sensors ist in 1 Seite 22 dargestellt.
Hierbei wird eine flexible Leiterplatte so präpariert, dass offen liegende Leitungen vorliegen. Diese Leitungen werden so angelegt, dass mehrere ineinander greifende Finger vorliegen. Dabei sind die einzelnen Finger jeweils abwechselnd mit den beiden Kontakten des Sensors verbunden.
Diese Kontakte werden mit einer Polymerfolie bedeckt, die unter Druckbelastung den Stromkreis schließt.
Entscheidend für den zu messenden Kräftebereich ist die Auswahl des Polymeres und der Abstand der Finger zueinander.
Aus einer solchen Ausführung folgen folgende Limitationen:
Der Kraftmessbereich ist fest vorgegeben.
Die Größe des Sensors ist bei gleicher Polymerfolie abhängig von der zu erwartenden Kraft. Das bedeutet, je größer die zu erwartende Kraft umso größer muss der Sensor dimensioniert werden. Siehe 1 Seite 22
Die 1 Seite 22 zeigt eine schematische Darstellung des bisher verwendeten Polymerdrucksensoren. Abbildung a) zeigt einen Polymerdrucksensor. Hierbei greifen offen liegende Leiterbahnen ineinander. Diese sind abwechselnd mit den einzelnen Kontakten verbunden. Dabei ist der Abstand zwischen den Leiterbahnen konstant. Abbildung b) zeigt den Sensor in einem typischen Messaufbau. Der Sensor bildet mit einem festen Messwiderstand einen Spannungsteiler. Die über den Messwiderstand abfallende Spannung ist das Messsignal.
Um diese Limitationen zu umgehen werden bei den SRS Sensoren zwei Strategien verfolgt:
Hinzufügen von weiteren Leiterbahnen, wodurch ein variabler Abstand der aktiven Leiterbahnen zur Messzeit gewählt werden kann, für die Wahl eines Messbereichs.
Teilweises Abdecken der offen liegenden Leiterbahnen mit nicht leitenden Lack, um den Kraftmessbereich der einzelnen Messbereiche einzustellen.
Bei den VRS Sensoren wird neben den gleichen Strategien zusätzlich das Polymer durch eine elektrische Induzierung in seiner Empfindlichkeit verändert. Die Messbereichswahl erfolgt beliebig durch den Grad der elektrischen Induzierung.
Die SRS Sensoren umgehen die Limitation des Kräftebereichs, indem der Abstand zwischen den Leiterbahnen variiert werden kann. Durch das Hinzuschalten bzw. Nichtschalten weiterer Leiterbahnen kann der Abstand zwischen den aktiven Leiterbahnen verändert werden. Damit ändert sich auch die Strecke im Polymer in dem der Strom fließen muss.
In der 2 Seite 22 sind verschiedene Beispiele von neuartigen schaltbaren und variablen Sensoren gezeigt.
2 Seite 22 zeigt verschiedene neuartige schaltbare Bauarten von Polymer-Druck-Sensoren des Typs SRS. Spalte a) zeigt runde Sensoren mit je nach Baugröße beliebig vielen Messbereichen. Spalte b) zeigt quadratische Sensoren, bei denen die Leiterbahnen schneckenförmig angeordnet sind. Der oberste Sensor in der Spalte verfügt über drei Messbereiche, welche sich überschneiden. Der zweite von oben zeigt einen Sensor mit einem Messbereich und einer zweiten Leiterbahn als Referenzsensor. Der dritte Sensor hat zwei Messbereich mit deutlich unterschiedlichen Messbereichen. Ferner kann auch die Dimension an die Messaufgabe angepasst werden (4. von oben). Die Sensoren der Spalte c) zeigen verschiedene Varianten von ineinander greifenden Leiterbahnarrangements. Der oberste kann, je nach Kontaktierung, als Sensor mit zwei Messbereichen oder als Sensor mit integrierten Referenzsensor verwendet werden. Der 2. und der 3. Sensor zeigen verschiedene Varianten mit drei bzw zwei Messbereichen. In Spalte d) ist demonstriert, dass die Sensorform auch komplexer gestaltet werden kann. Dabei ist die Sechseckform besonders geeignet um eine größere Fläche möglichst lückenfrei abzudecken.
Hierbei gilt, je kürzer die zu überbrückende Strecke im Polymer ist umso kleiner ist der Messbereich.
Diese Anordnung erlaubt die Messung unterschiedlicher Kräfte auf der gleichen Fläche. Bei der Verwendung vieler Sensoren auf einer Fläche kann somit eine hohe Ortsauflösung bei gleichzeitigem großen Kraftmessbereich erreicht werden. In 3 Seite 23 ist exemplarisch ein SRS Sensor mit zwei Messbereichen dargestellt. Zu erkennen sind drei verschiedene Leiterbahnen, welche die herkömmlichen frei liegenden Leiterbahnen ersetzen. Auf diese neue Anordnung von Leiterbahnen wird eine Polymerfolie aufgebracht. Wird zwischen „Elektrode 1” und „Elektrode 2 (Modi 1)” gemessen kann ein kleinerer Messbereich gemessen werden, als zwischen „Elektrode 1” und „Elektrode 2 (Modi 2)”. Die Anordnung der Leiterbahnen kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Dabei entscheidend ist, dass der Abstand zwischen zwei zu Leiterbahnen konstant ist und das mehrere Abstände, durch die Wahl der aktiven Leiterbahnen gewählt werden können.
3 Seite 23 zeigt die schematische Darstellung eines SRS Sensors mit zwei Messbereichen. Der Messbereich wird ausgewählt, indem entweder zwischen „Elektrode 1” und „Elektrode 2 (Modi 1)” oder zwischen „Elektrode 1” und „Elektrode 2 (Modi 2)” gemessen wird. Durch die Veränderung des Abstandes zwischen den aktiven Leiterbahnen ändert sich der Messbereich. Aus einem größeren Abstand folgt ein größerer Messbereich.
Wird eine höchstgenaue Messung der Kräfte erforderlich, kann der VRS Sensortyp verwendet werden. Bei diesem Sensortyp wird ein druckempfindliches Polymer verwendet, bei welchem durch Anlegen einer Spannung die Empfindlichkeit verändert werden kann. In 4 Seite 23 ist ein solcher Sensor und die prinzipielle Anordnung mehrerer Sensoren dargestellt.
4 Seite 23, Beim VRS Sensor ist die Führung der Leiterbahnen vergleichbar zum herkömmlichen SRS (oberhalb des Polymers). Bei den Sensoren wird eine Leiterbahn nicht mehr zur diskreten Messbereichswahl verwendet, sondern als Kontakt, um eine Spannung zwischen der oberen Seite des Polymers und einer weiteren Elektrode unterhalb des Polymers anzulegen. Bei geeigneten Polymeren verändert sich die Druckempfindlichkeit je nach angelegter Spannung, der Messbereich kann kontinuierlich eingestellt werden.
Prinzipiell gibt es zwei Wirkmechanismen, durch die Polymer-Druck-Sensoren ihren Widerstand durch Druckbelastung verändern:
Eine Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen Polymer und Leiterbahnen durch Druck wird wie folgt beschrieben.
Wird eine elektrisch leitende Polymerfolie verwendet führt eine Druckbelastung zu einem besseren Kontakt zwischen den Leiterbahnen und dem Polymer. Zur Veranschaulichung kann die Polymerfolie als eine Reihe von Widerständen zwischen den Leiterbahnen angesehen werden, welche entweder hinzu oder abgeschaltet werden. Bezogen auf die Leiterbahnanordnung gibt es folgende Einstellmöglichkeiten.
Veränderung der Leiterbahnenbreite, Veränderung des Leiterbahnabstands, Veränderung der Gesamtlänge der Leiterbahnen, Veränderung der Leiterbahnendichte, Veränderung der Oberfläche der Leiterbahnen.
Dabei können diese Einstellungsmöglichkeiten nicht unabhängig voneinander gewählt werden. Soll eine Optimierung hinsichtlich eines Messbereichs erfolgen, müssen zunächst äußere Parameter festgelegt werden, wie die Größe des Sensors, das verwendete Polymer und der Energiebedarf der Anwendung.
Die Verbreiterung der Leiterbahnen führt zu einem besseren Kontakt zwischen Polymer und Leiterbahn. Dies bedeutet, dass der Kontakt zwischen Polymerfolie und Leiterbahnen leicht ermöglicht wird. Dies führt somit zu einem sensibleren Sensor unter der Einschränkung, dass die maximale Belastung kleiner wird.
Eine Vergrößerung des Leiterbahnabstands führt zu einer Vergrößerung des Widerstands zwischen zwei Leiterbahnen (im Falle von gleich langen und gleich breiten Leiterbahnen, welche gleich belastet werden). Dies bedeutet, dass der Widerstand bei Belastung weniger abnimmt und somit eine höhere Auflösung möglich ist.
Wird die Gesamtlänge der Leiterbahnen vergrößert ist dies im Prinzip das gleiche wie eine Verbreiterung der Leiterbahnen. Jedoch ist die Fläche des Sensors besser abgedeckt und die Kontaktwahrscheinlichkeit ist größer.
Für eine weitere Anpassung kann die Oberfläche der Leiterbahnen teilweise mit einem nicht leitenden Lack überzogen werden. Dies hat zur Folge, dass weniger Leiterbahnen in Kontakt mit den Polymer treten können. Dadurch wird der Messbereich vergrößert. Dies wird in der 5 Seite 24 gezeigt.
5 Seite 24 zeigt die schematische Darstellung eines SRS Sensors mit einem Meßbereich, welcher durch das Aufbringen von nicht leitenden Lack (grau) auf die offen liegenden Leiterbahnen (schwarz) an den zu erwartenden Meßbereich angepasst wurde.
Bezogen auf das Polymer ergeben sich folgende Einstellmöglichkeiten für ein leitendes Polymer.
a) Flächenwiderstand des Polymers
Erhöhung des Flächenwiderstands führt zu höherer Auflösung und kleineren Meßbereich.
b) Kontaktfähigkeit um einen elektrischen Kontakt aufzubauen
Die Kontaktfähigkeit kann durch eine raue Oberfläche oder durch eine Änderung der Elastizität des verwendeten Polymers eingestellt werden. Je besser die Kontaktfähigkeit ist, umso sensibler wird der Sensor und der Meßbereich wird kleiner. Bei der Veränderung dieser Eigenschaft muss zusätzlich darauf Acht gegeben werden, dass sich das Polymer wieder gut von der Leiterbahn löst bei Entlastung, die Qualität der Kontaktfähigkeit kann durch die evtl. vorhandene Hysterese zwischen Belastungs- uns Entlastungskurven eingeschätzt werden (vgl. bspw. 6 Seite 24.
6 Seite 24 zeigt die Kalibrationsmessung mit Kalibrationskurven für einen herkömmlichen Polymer-Druck Sensor.
Für eine Veränderung des Polymers an sich bestehen folgende Möglichkeiten.
Für ein druckempfindliches Polymer kann eine Mischung aus einem Polymer und einem leitenden Pulver verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist Graphitpulver in Latexfarbe. Durch Druck nähern sich die Teilchen des Pulvers. Dies hat zur Folge, dass im Material ein für Elektronen leitfähiger Pfad entsteht; Ein elektrischer Strom kann fließen. Wird der Druck erhöht entstehen mehr Pfade und die Leitfähigkeit steigt.
Die Einstellungen für ein mit leitendem Pulver angereicherten Polymer sind wie folgt durch die Veränderung des Volumenanteils des leitenden Pulvers, Veränderung der Elastizität des Polymers, Dicke der Polymerschicht, Leitfähigkeit des Polymers (ohne leitende Pulverteilchen), möglich.
Die Verwendung einer hohen Anzahl von Sensoren ist für viele Anwendungen interessant. Offensichtlich ist eine hohe Anzahl von Sensoren im Bereich der Überwachung notwendig. Anwendungsbeispiele sind hier Fliesen in die die Sensoren integriert sind. Diese Fliesen können bspw. in einem Gebäude ausgelegt werden, wodurch eine Aufzeichnung der Bewegungen und der Zuordnung von Personen/Haustieren möglich wird.
Ein ähnliches Beispiel ist die Integration von Sensoren in ein Spielfeld um die Positionen von Spielern und Ball zu erkennen.
Eine andere Anwendung ist die Verwendung der Sensoren als Haut für Roboter. Hierbei besteht die Herausforderung in einen weiten Meßbereich, bei gleichzeitiger hoher örtlicher Auflösung. Zusätzlich müssen weitere Sensoren z. B. für Temperatur oder Luftfeuchtigkeit gleichzeitig eingebaut werden. Widerstände innerhalb von leitenden Polymere sind meist Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängig. Dieser „Mangel” kann für eine Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung genutzt werden, indem Kalibrationskurven zum Material und dessen Reaktion auf Temperatur- und Feuchtigkeit in der Datenbank hinterlegt bzw. gespeichert werden.
Die Verwendung von vielen Sensoren kann auch bei Messaufgaben, bei denen keine Ortsauflösung notwendig ist, die Qualität der Messung verbessern. Werden mehrere Sensoren nebeneinander verwendet kann der Ort des besten Signals bei einer sich verändernden Kraft gefunden werden. Dies ermöglicht die Messung eines Kraftsignals ohne zuvor eine genaue Einstellung des Orts vorzunehmen. Die Wahl einer Sensoranordnung ist nach folgenden Kriterien durchzuführen. Für eine Ortsauflösung eines speziellen Signals ist die flächendeckende Sensorenbestückung nur begrenzt notwendig. Die Größe, Anordnung und Art der Sensoren ist je nach Anwendung so zu gestalten, dass die Anforderungen an einer bestimmte Menge blinde Oberfläche kalkulierbar ist. Ist die Kalkulation zu ungenau werden die blinden Oberflächen bei Bedarf mit zwei- oder auch mehrseitigem Leiterplattendesign, und damit vollflächig für die die Messaufgaben bedeckt hergestellt.
Die Art der Belastung auf die Sensoren werden durch die Logiken und Algorithmen erkannt.
Ist eine reine Druckbelastung zu erwarten, oder müssen streifende und kratzende Bewegungen erkannt werden, sind anhand von gespeicherten bzw. hinterlegten Druck und Lageprofilen diese Belastungen zu erkennen.
Für spezielle Messungen, bspw. am Menschen sind konkave oder konvexe Formen als Oberflächen der sensorischen Einheiten vorteilhaft und erwünscht. Spezielle weiche Materialen auf den die Sensoren aufgearbeitet sind, sollten der Form der Oberfläche folgen.
7 Seite 25 zeigt verschiedene Anordnungen unter Verwendung von SRS Sensoren.
7 Seite 25 zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Polymer-Druck-Sensoren des Typs SRS, unter Verwendung von einseitigen Leiterbahnstrukturen. Abbildung a) zeigt einen Ausschnitt aus einem Band aus Sensoren mit der Breite von 4 Sensoren. Durch Kopieren dieses Ausschnittes kann das Band beliebig lang entlang der Blattvertikalen verlängert werden. Abbildung b) zeigt eine Anordnung von sechseckigen Sensoren und den blinden Bereich (grau). Der blinde Bereich kann bei der Wahl von sechseckigen Sensoren am kleinsten gehalten werden (bei der Verwendung von zweiseitigen Leiterbahndesign kann der blinde Bereich nahezu auf null reduziert werden, bei flächendeckenden Formen). Abbildung c) und d) zeigen eine Anordnung mehrerer Sensoren übereinander. Abbildung c) ist eine Aufsicht und Abbildung d) ein Querschnittsbild. Wird die Anzahl der Sensoren enorm groß, muss, Aufgrund der ansonsten entstehenden Datenmenge, entschieden werden, wo eine Messung durchgeführt werden muss. Dies kann erreicht werden indem indem eine Hierarchie von Sensoren verwendet wird. Die gesamte Fläche wird mit von der Fläche her großen Sensoren abgedeckt. Auf diesen Sensoren sind mehrere kleine Sensoren verteilt. Kommt es zu einer Belastung registrieren die großen Sensoren den ungefähren Ort der Belastung, woraufhin die entsprechenden kleineren Sensoren aktiviert werden und eine Druckmessung mit hoher Ortsauflösung durchführen.
Als Beispielhafte Anwendung wird die Neuheit zur Optimierung der Anordnung von Sensoren zur Bildung einer Androidenhaut verwendet.
Um einen androiden Roboter eine haptische Wahrnehmung ähnlich zur menschlichen Haut zu verleihen muss zunächst definiert werden, über welche Eigenschaften menschliche Haut verfügt und wie diese Informationen in Bewegungshandlung umgesetzt wird. Die sensorische Eigenschaften der menschliche Haut, wie die Wahrnehmung mechanischen Drucks, Wahrnehmung von naheliegenden Objekten durch Haare, Erkennung von Oberflächeneigenschaften, Erkennung von Bewegungen auf der Haut, Erkennung von Zug- und Druckspannung in der Hautebene, Erkennung des Kontaktmodus und Größe des kontaktierenden Objekts, Erkennung von Vibrationen, Wahrnehmung von Flüssigkeiten und deren Viskosität, Wahrnehmung von Wärme und Kälte, müssen die Sensoren einer Androidenhaut nahe kommen.
Mit Hilfe dieser Sensorischen Fähigkeiten kann der menschliche Körper in vielfältiger Weise reagieren. Im Folgenden soll anhand der sensorischen Fähigkeiten der Hand notwendige Anforderungen an eine künstliche Haut gezeigt werden.
Wird ein Objekt langsam angefasst wird die Oberfläche des Objekts erkannt und mit bekannten Oberflächeneigenschaften verglichen. Es kann bspw. unterschieden werden ob es ich um ein hartes oder weiches Material handelt. Wird nun das Objekt gegriffen kann festgestellt werden, ob genügend Halt vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall wird die Kraft erhöht. Dabei wird nicht nur die Kraft zwischen Fingern und Objekt erhöht, sondern auch die Kontaktfläche. Dies erfolgt indem die Finger verformt werden.
Ein anderes Beispiel ist bspw. die Ertastung eines Pulsschlages. Hierzu wird mit dem Finger auf eine Arterie ein Druck ausgeübt. Gleichzeitig neben der Erkennung des auferlegten Druck wird der Puls erkannt. Die Erkennung feinster Veränderungen ist somit im unbelasteten Zustand, Erkennung von Oberflächenstrukturen, als auch im belasteten Zustand möglich.
Zur Messung, der auf den Körper eines Androiden wirkenden Kräfte, werden druckempfindliche Sensoren über den gesamten Körper verteilt. Dabei ist das Ziel jede Stelle des Körpers abzudecken. Je nachdem wo sich die Sensoren befinden wird deren Größen angepasst. An Greifwerkzeugen sollte die Größe der Sensoren sehr klein sein, um eine hohe örtliche Auflösung zu erreichen und um das Ertasten von Objekten zu ermöglichen. Hingegen ist an konstruktiven Elementen, wie z. B. beweglichen Armen, die vollständige Abdeckung wichtig, um Unfälle rechtzeitig zu erkennen und Personenschaden zu vermeiden. Die Größe der Sensoren kann in diesem Falle jedoch größer ausfallen.
Die Haut an sich wird flexibel gestaltet. D. h. zum einem, dass die Haut je nach Form des Körpers angepasst wird und zum anderen, dass die Haut bei Berührung nachgeben kann. Dazu besteht die Haut aus einem nachgiebigen Material, der eigentlichen Sensorschicht und einer äußeren Schicht, welche die Haptik verbessert.
Je nach geforderter Ortsauflösung am Körper kann eine hohe Datenmenge anfallen. Daher werden nur die Bereiche am Körper vermessen an denen aktuell eine Krafteinwirkung zu erkennen ist. Dies wird erreicht indem eine zweite Lage von Sensoren in die Haut eingebaut wird. Diese Sensoren weisen eine sehr große Fläche und damit eine grobe Ortsauflösung auf. Erkennt ein Sensor in dieser Lage eine Krafteinwirkung werden die höher aufgelösten Sensoren im Bereich des großen Sensors aktiviert.
Die künstliche Haut beruht auf der Verwendung von SRS Sensoren. Die Anforderungen im Bereich der Haut verlangt einen großen Meßbereich, mit höchster Genauigkeit über den gesamten Meßbereich.
In 8 Seite 25 ist ein möglicher Aufbau eines solchen Sensors und die prinzipielle Anordnung mehrerer Sensoren dargestellt.
8 Seite 25 zeigt veranschaulicht die Konstruktion einer künstlichen Haut. Abbildung a) zeigt einen Querschnitt durch die Haut. Dargestellt sind zwei kleine Sensoren (obere Leiterbahnen) und ein großer Sensor (untere Leiterbahnen). Unter jedem kleinen Sensor ist ein druckempfindliches Polymer, die einzelnen Sensoren sind durch ein nicht leitendes Polymer getrennt. Abbildung b) zeigt einen einzelnen SRS Sensor mit zwei Meßbereichen. Der Meßbereich kann ausgewählt werden indem entweder der Widerstand zwischen der gelben und der roten Leiterbahn oder zwischen der gelben und der blauen Leiterbahn gemessen wird. Abbildung c) zeigt, wie mehrere Sensoren prinzipiell zueinander angeordnet werden können. Auf der Unterseite befindet sich ein großer Sensor, welcher sich über die gesamte Fläche erstreckt. Zwischen den kleinen Sensoren auf der Oberseite befindet sich eine Polymerschicht, welche nur unterhalb der kleinen Sensoren druckempfindlich ist.
Ein Messsystem besteht aus folgenden Teilen, siehe auch 9 Seite 26 Druckempfindliche Sensoren, Meßelektronik, Übertragung der Daten, Software zum Auswerten der Daten, Software zur Darstellung der Daten
9 Seite 26 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Meßsystems zur Messung von Kräften. Das Signal vom Sensor muss zunächst durch elektronische Filter aufbereitet werden. Danach wird es digitalisiert und an ein Auswertungs- und Anzeigegerät gesendet. Das Anzeigegerät z. B. ein Smartphone übernimmt die Auswertung und Darstellung der Messdaten. Zusätzlich kann das Anzeigegerät der Meßelektronik verschiedene Aufgaben, wie z. B. die Auswahl des Sensors, des Sensorbereichs, der Wiederholungsrate usw., übermitteln.
Ein Polymer-Druck-Sensor ist im Prinzip ein Widerstand, welcher unter Druckbelastung seinen Wert verändert. Die einfachste Möglichkeit diesen Widerstand R_Se zu bestimmen ist die Spannung U_ADC, welche über den Sensor abfällt, zu messen. In Abbildung 3.10 ist ein typischer Messaufbau gezeigt. In diesem Aufbau wird der Sensor als Teil eines Spannungsteilers mit einem bekannten Messwiderstand R_M verwendet. Die Spannung U_ADC sich mit der Versorgungsspannung U₀ wie folgt:
Dies zeigt, dass ein nicht linearer Zusammenhang zwischen Belastung und Messwert folgt.
10 Seite 26 zeigt einen einfachen Aufbau zur Messung eines Polymer-Druck-Sensors und Verhalten bei Druckbelastung. Abbildung a) zeigt, wie der Sensor als Teil eines Spannungsteilers eingesetzt werden kann. Abbildung b) zeigt den theoretischen Meßwertverlauf bei Vergrößerung des Sensorwiderstands.
Für den SRS Sensor wird dieser prinzipielle Aufbau leicht abgewandelt.
In 11 Seite 27 ist dies veranschaulicht.
11 Seite 27 zeigt einen einfachen Aufbau zur Messung mit einem SRS-Sensors und Verhalten bei Druckbelastung. Abbildung a) zeigt, wie der Sensor als Teil eines Spannungsteilers eingesetzt werden kann. Abbildung b) zeigt den typischen Meßverlauf beider Meßbereiche. Aufgrund des größeren Leiterbahnabstands strebt Meßbereich 1 langsamer gegen die maximale Spannung, als Meßbereich 2 mit dem kleineren Leiterbahnabstand.
Bei dem VRS Sensor muss neben der üblichen Meßelektronik zusätzlich eine Spannung an das Polymer angelegt werden, wodurch der Meßbereich eingestellt wird. In 12 ist der prinzipielle elektronische Aufbau gezeigt. Es sei angemerkt, dass auch Kombinationen von SRS und VRS möglich sind. Also eine sehr große Meßbereichswahl durch die SRS Eigenschaften des Sensors und eine feine Meßbereichswahl durch die VRS Eigenschaften. Der elektronische Aufbau ergibt sich aus einer Kombination der prinzipiellen Aufbauten, wie sie in den 11 Seite 27 und 12 Seite 27 dargestellt sind.
12 Seite 27 ist ein prinzipieller Aufbau zur Messung mit einem VRS-Sensors und Verhalten bei Druckbelastung. Abbildung a) zeigt, wie der Sensor als Teil eines Spannungsteilers eingesetzt werden kann. Die Einstellung des Messbereichs erfolgt durch das Anlegen einer konstanten Spannung in Richtung des Polymers. Abbildung b) zeigt typische Meßverläufe bei Variation der Spannung UP.
Die Verwendung mehrerer Sensoren bei gleichzeitiger Verwendung von wenigen Pins am Mikrocontroller erfordert sowohl einen digitalen Demultiplexer als auch einen analogen Multiplexer. Durch die Verwendung dieser Multiplexer ist es möglich die Sensoren der Reihe nach auszulesen, unter Verwendung weniger Pins.
In 13 Seite 28 ist ein schematischer Aufbau gezeigt. Hierbei wird eine Kaskadenschaltung verwendet. Durch den digitalen Demultiplexer wird ein Teil der Sensoren aktiviert. Der analoge Multiplexer wählt von dem aktivierten Teil sowohl den aktiven Sensor, als auch den zu verwendenden Meßbereich aus. Damit ist der Stromkreis durch die ausgewählten bzw. den ausgewählten Meßbereich geschlossen und der Strom fließt vom digitalen Multiplexer über den Sensor durch den Messwiderstand. Die über den Meßwiderstand abfallende Spannung ist das Meßsignal.
13 Seite 28 zeigt eine schematische Darstellung der Kaskadenschaltung zum Auslesen von vielen SRS Sensoren. Durch die Verwendung von einem digitalen Demultiplexers können einzelne Gruppen von Sensoren aktiviert werden. Ein analoger Multiplexer wählt neben den Sensor auch den zu messenden Meßbereich aus.
Die in 13 Seite 28 dargestellte Kaskadenschaltung erlaubt es mit wenigen Pins am Mikrocontroller viele Sensoren auszulesen. Als digitaler Demultiplexer werden 3 zu 8 Demultiplexer verwendet, so sind 3 Pins für die Adresse notwendig und ein weiterer Pin für jeden Demultiplexer. Als analog Multiplexer wird ein 32 zu 1 Multiplexer verwendet. Somit kann unter Verwendung von 11 digitalen Pins (6 Adresspins für zwei 3 zu 8 Demultiplexer und 5 Adresspins für einen analogen Multiplexer) und einem analogen Pin zur Auslese 512 verschiedene Konfigurationen (16 Möglichkeiten für die aktivierten Sensorengruppen durch die Demultiplexer und 32 Meßmöglichkeiten durch den Multiplexer in jeder Sensorengruppe) gemessen werden. Werden SRS Sensoren mit zwei Meßbereichen verwendet so ergibt sich in diesem Beispiel eine maximale Sensorenanzahl von 256.
Um ein detailliertes Berührungsprofil zu erstellen, müssen die derzeit bestehenden Limitierungen durch die möglichen Auslesetechniken überwunden werden.
Dabei sind folgende Limitierungen zu gestalten.
Bei der Übertragung der Daten, z. B. nach dem Bluetooth Low Energy Standard, erfolgt eine geringe Datenübertragungsrate. Dies bedeutet, dass entweder die zeitliche Auflösung, die örtliche Auflösung oder die Genauigkeit reduziert werden muss.
Für viele Anwendungen wird ein großer Meßbereich benötigt, so dass verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Meßbereichen erforderlich sind.
Ferner kann eine hohe Vielfalt an Meßmethoden zur flächenhaften Messung der Kräfte benötigt werden, um alle möglichen Bewegungs- und Berührungsabläufe zu dokumentieren. Diese Bewegungs- und Berührungsabläufe können in folgende Kategorien mit unterschiedlichen Anforderungen aufgeteilt werden.
Ist die Belastung nicht veränderlich wird im Allgemeinen keine hohe zeitliche Auflösung benötigt. Hier spielt vielmehr die Wiederholbarkeit und die Genauigkeit eine Rolle.
Ein Anwendungsbeispiel ist eine Waage mit örtlicher Darstellung der Belastung.
Auch bei dieser Bewegung ist die zeitliche Auflösung nicht entscheidend. In diesem Fall ist es wichtig die genaue Verteilung des Gewichtes auf der gesamten Fläche zu ermitteln.
Ein Anwendungsbeispiel im Falle der Androidenhaut ist die Erkennung von Objekten durch Ertasten.
In diesem Szenario ist die zeitliche Auflösung besonders wichtig. Zur Beurteilung der Bewegung müssen die Messdaten in Intervallen kleiner als 10 ms erhoben werden. Zur Beurteilung der Bewegung ist nicht so sehr die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Daten wichtig, vielmehr ist danach gefragt, welche Sensoren besonders belastet sind.
Im Beispiel der Androidenhaut ist die Erkennung von Berührungen bei schneller Bewegung wichtig um Kollisionen rechtzeitig zu erkennen.
In diesem Fall sollen Belastungsspitzen erkannt werden. Im Falle der Kraftmessung im Überwachungsbereich bedeutet das, dass die genaue Position und zeitliche Bewegung einer Person bestimmt werden soll. Die zeitliche Auflösung und der Ort sind wichtig, die Genauigkeit der Messung ist eher zweitrangig.
Um die Limitierung durch die geringe Datenübertragungsrate, bspw. über Bluetooth Low Energy (BLE) zu umgehen, sind mehrere Strategien anwendbar. Diese Strategien beruhen darauf entweder die Anzahl der übertragenden Sensordaten zu reduzieren oder die zeitliche Auflösung zu reduzieren. Ferner ist es auch möglich die Daten weniger genau zu übermitteln.
Bei der Verwendung günstiger Analog-Digitalwandler ist ein Messwert eines Messbereichs 10 Bits groß. Neben den eigentlichen Messwerten müssen Informationen zum Sensor, Meßbereich und Werte zur Fehleranalyse übermittelt werden.
Im Folgenden wird am Beispiel der Androidenhaut veranschaulicht wie viele Daten erhoben werden können.
Die Oberfläche eine Humanoiden Roboters wird sich an der Oberfläche eines Menschen orientieren, diese kann mit 2 m² abgeschätzt werden.
Für eine grobe Orts-Auflösung werden Sensoren mit der Größe 1 cm × 1 cm veranschlagt. Des Weiteren wird bei der Verwendung von SRS Sensoren mindestens 2 Meßbereiche benötigt, um eine dem Menschen ähnliche Empfindlichkeit (nicht Hände, etc. sondern nur Empfindlichkeit z. B. am Rücken) zu ermöglichen.
Damit ergeben sich pro Meßzyklus 2000 Sensoren·2 Meßbereiche·10 bits = 39 Mbytes.
Um den Menschen ebenbürtig zu sein ist ein Meßzyklus alle 10 ms notwendig. Damit fallen pro Sekunde 390 Mbytes an.
Bei dieser Abschätzung wurden keine feiner Aufgelösten Strukturen, wie z. B. Hände berücksichtigt. Je nach geforderter Ortsauflösung werden diese Daten ein vielfaches des bisher Abgeschätzten Wertes sein.
Bei der Gewichtsmessung werden alle Sensoren ausgelesen und deren Messwerte zusammengezählt. Dieser Wert ist im Stillstand ein Messwert für das Gewicht bspw. einer Person.
Da nicht die gesamte Fläche der Fußsohle mit Sensoren einer Person abgedeckt werden kann, wird eine Teil der Gewichtskraft vorbei an den Sohlen in den Boden geleitet.
Dies kann anhand einer Kalibrierung des Gewichts umgangen werden. Der VRS Sensor erlaubt durch seinen variablen Meßbereich eine optimale Messung der Kräfte, wodurch eine auf bspw. eine Gramm genaue Messung ermöglicht wird.
Je nach zur Verfügung stehender Speicherfähigkeit des verwendeten Mikrocontrollers kann die Berechnung des Gesamtgewichts im Mikrocontroller erfolgen, oder muss am Empfangsgerät stattfinden. Für eine Ermittlung des Gewichts in Gramm wird eine Kalibrierungstabelle für jeden Meßbereich benötigt, welche je nach Genauigkeit nicht in den Speicher des Mikrokontrollers passt. In diesem Fall werden die Daten wie bereits beschrieben an das Empfangsgerät gesendet.
Bei langsamen Bewegungen soll der genaue Bewegungsablauf dokumentiert werden. Hierfür ist es nötig die Information von allen Sensoren aufzunehmen und getrennt zu übermitteln.
Die genaue Messung erfolgt indem zunächst alle Messwerte aller Sensoren aufgenommen werden und anschließend in mehreren Datenpaketen übermittelt werden. Da die Übertragung durch BLE begrenzt ist, bedeutet diese Vorgehensweise, dass nur wenige komplette Kraftverteilungen pro Sekunde übermittelt werden können. Daher ist dieser Modus nur bis zu moderaten Bewegungsgeschwindigkeiten verwendbar.
Für die Übermittlung der Daten an das Empfangsgerät müssen mehrere Pakete gesendet werden. In einem Paket wird neben dem Paketzähler der übermittelte Sensorengruppe, die Meßwerte der Sensoren in diesem Bereich und die Meßbereichsauswahl für jeden Sensor übermittelt. Zur Übermittlung der Daten werden die Sensoren in mehrere Gruppen aufgeteilt. Zur Übertragung der Gruppennummer wird eine 5 Bits Zahl verwendet, d. h. es kann maximal 32 Gruppen geben. Die Gruppierung ist dem Empfangsgerät bekannt. Zur Übertragung des Meßbereichs wird eine 2 Bits Zahl übertragen, wodurch 4 Meßbereiche Einstellungen pro Sensor übertragbar sind.
Für die Übertragung der Messwerte von 256 Sensoren werden 24 BLE Pakete benötigt.
Der Aufbau eines BLE Pakets ist in 14 Seite 28 zu sehen.
Die 14 Seite 28 zeigt den Aufbau eines BLE-Datenpaket zur Übertragung der Krafteinwirkung auf die Fußsohle. Dabei werden die Sensoren in mehrere Gruppen aufgeteilt und jede Gruppe in einem Paket übermittelt.
Für die Beurteilung eines schnellen Bewegungsprofils ist die Reduzierung der Genauigkeit der Daten oder die Reduzierung der zeitlichen Auflösung sind nicht Ziel führend.
Daher werden nur die Messdaten der Sensoren übertragen, welche die maximale Belastung aufweisen.
Für die Bestimmung des belasteten Sensoren wird eine Position übertragen. Diese Position ist die Nummer eines Sensors, zu dem wird in dieser Position der aktive Meßbereich gesendet. Bei 256 Sensoren mit 512 Meßkonfigurationen werden dafür 9 Bits benötigt.
Im Datenpaket werden neben Zähler, Position und die Daten des meist belasteten auch die umliegenden Sensoren übertragen. Die umliegenden Sensoren wurden im vor hinein für jeden einzelnen Sensor definiert. Die Vorgehensweise ist in demonstriert.
Je nach Übertragungsgeschwindigkeit werden mehrere Pakete verschickt. In jedem Paket ist das Gebiet um einen Sensor gepackt. Dabei werden die Gebiete je nach Belastung ausgewählt und mit absteigender Belastung verschickt. Der Aufbau eines BLE Datenpakets ist in 15 Seite 29 dargestellt.
15 Seite 29 zeigt den Aufbau eines BLE-Datenpaket zur Übertragung der Krafteinwirkung auf die Fußsohle am maximal belasteten Bereich.
16 Seite 29 zeigt eine mögliche Belegung einer Schuhsohle mit (53) SRS Sensoren mit jeweils 2 Meßbereichen. Jeder Sensor hat in dieser Konfiguration zwei eindeutige Nummer (blaue Zahlen). Die erste Zahl ist die Position des Sensors und bedeutet, dass der Sensor im 1 Modus verwendet wurde. Ist die Nummer um 256 erhöht bedeutet dies, dass der Sensor im zweiten Modus verwendet wurde. In einem BLE Paket können 14 Sensormesswerte übertragen werden. Daher wird der am meisten belastete Sensor ermittelt und von 13 vorher definierten umliegenden Sensoren werden die Messdaten mit verschickt. In der Abbildung ist beispielhaft der Sensor 38 am meisten belastet. Zu den Messdaten von Sensor 38 werden die Daten der umliegenden (nicht blasse) Sensoren verschickt.
Die Messung der maximalen Belastung muss sehr schnell erfolgen, um Belastungsspitzen zu erkennen. Daher wird analog zum Vorgehen im vorherigen Kapitel vorgegangen. Zunächst werden alle Sensoren abgefragt. Von den aufgenommenen Messwerten werden sieben Werte zur Übermittlung ausgewählt. Diese Werte sind die Messwerte der am meisten belasteten Sensoren, welche nicht aneinander grenzen. Dazu werden die Messwerte in eine Reihenfolge mit absteigender Belastung gebracht. Der erste Wert wird als übertragbar markiert. Die Messwerte der umliegenden Sensoren zu diesem werden als nicht übertragbar markiert. Nun wird die Reihenfolge der Messwerte weiter durchgegangen bis zum nächsten noch nicht entschiedenen Wert, dieser ist mindestens eine Sensorposition vom ersten entfernt. Dieser wird als übertragbar markiert und die umliegenden als nicht übertragbar. Auf diese Art und Weise werden sieben Sensoren ausgewählt. In 17 Seite 30 ist dies beispielsweise dargestellt.
17 Seite 30 ist eine mögliche Belegung einer Schuhsohle mit (53) SRS Sensoren. Zur Übertragung der maximalen Belastung werden sieben Sensoren (nicht blass dargestellt) ausgewählt. Die Auswahl ergibt sich aus der Reihenfolge der maximal belasteten Sensoren. Wird ein Sensor ausgewählt werden die umliegenden Sensoren nicht übermittelt. Dadurch werden auch Messwerte von Sensoren in anderen Bereichen des Fußes übermittelt.
Für die Übertragung der Daten muss für jeden Sensor die Sensornummer, der gemessene Meßbereich und der Meßwert übermittelt werden. In 18 Seite 30 ist der Aufbau eines BLE Pakets zu sehen.
18 Seite 30 zeigt einen Aufbau eines BLE-Datenpaket zur Übertragung der Krafteinwirkung auf die Fußsohle an maximal belasteten Stellen. Jeden Meßwert ist eine Kombination aus Sensornummer, Meßbereich und eigentlichen Meßwert.
Zur Bewertung eines Bewegungsprofils muss die zeitliche Veränderung der Kräfteeinwirkungen auf die Fußsohle dokumentiert werden. Dieses Bewegungsprofil kann hinsichtlich Haltungs- und Bewegungsproblemen untersucht werden.
Der SRS Sensor verfügt über mehrere Meßbereiche. Daher kann der SRS Sensor verwendet werden, um vom Grammbereich bis zum Kilogrammbereich zu messen und somit die bei der Bewegung auf den Fuß einwirken Kräfte, genau zu erfassen. Zudem kann der SRS Sensor sehr klein dimensioniert werden, somit lässt sich eine hohe örtliche Auflösung der Krafteinwirkungen auf den Fuß ermitteln. Beide Eigenschaften zusammen erlauben eine Vielzahl von unterschiedlichen Meßmethoden. Je nach Anforderung kann entweder eine hoch genaue Gewichtsmessung, eine genaue Bewegungsanalyse oder eine zeitlich hochaufgelöste Bestimmung der maximal Belastung durchgeführt werden.
Für die Übertragung der Meßdaten von der Fußsohle zum Smartphone ergibt sich mit heutiger Technik der Weg über Bluetooth Low Energy. Dabei ergibt sich jedoch die Limitierung, dass nur eine geringe Datenrate möglich ist. Um die Datenrate optimal auszunutzen, bei gleichzeitiger Anforderung an eine hohe zeitliche Auflösung für eine optimale Beurteilung des Bewegungsprofils, werden nur die Daten der Sensoren übertragen, welche die höchste Belastung aufweisen.
Erst durch die Verwendung des SRS Sensor ist die Messung von Bewegungsprofilen und der dadurch resultierenden orthopädischen Beurteilung kostengünstig und bei natürlichen Bewegungsabläufen möglich.
Künftige mobile Funk- und Rechentechnik lassen weiterführende und optimierte Auswertungen und demzufolge Produkte zu.

Claims

Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, bspw. einer organischen oder künstlichen Haut.
Schaltbarer Sensor „SRS” zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken und auf der selben Meßfläche mehr als einen Sensor nutzt und mehr als einen Meßbereich misst.
Variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, und durch elektrische Induzierung die Empfindlichkeit des druckempfindlichen Polymer eingestellt wird.
Variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, und dabei die Meßbereichswahl beliebig durch den Grad der elektrischen Induzierung erfolgt.
Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, und kombinierbar in den Ansprüchen 1 bis 4 sind.
Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, und durch Anzahl, Bauform und Lage nach den Ansprüchen 1 bis 5, gestaltet sind.
Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, nach Anspruch 1 bis 6, durch Veränderung der Leiterbahnenbreite, des Leiterbahnabstands, Veränderung der Gesamtlänge der Leiterbahnen, Veränderung der Leiterbahnendichte und der Veränderung der Oberfläche der Leiterbahnen.
Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, nach Anspruch 1 bis 7 durch die Veränderung des Volumenanteils des leitenden Pulvers, Veränderung der Elastizität des Polymers, Dicke der Polymerschicht, Leitfähigkeit des Polymers (ohne leitende Pulverteilchen)
Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, nach den vorherigen Ansprüchen durch Teilweises Abdecken der offen liegenden Leiterbahnen mit nicht leitenden Lack um den Kraftmessbereich der einzelnen Meßbereiche einzustellen.
Schaltbarer Sensor „SRS”, sowie variabler Sensor „VRS”, zur Messung von Kräften die auf ein Objekt wirken, nach den vorherigen Ansprüchen durch Hinzufügen von weiteren Leiterbahnen, wodurch ein variabler Abstand der aktiven Leiterbahnen zur Meßzeit gewählt werden kann, für die Wahl eines Messbereichs.
Kraftmessungen auf einer organischen oder künstlichen Haut nach einem der vorherigen Ansprüche ist dadurch gekennzeichnet, dass schaltbare Sensoren „SRS”, sowie variable Sensoren „VRS”, optimiert angeordnet zur Bildung einer Androidenhaut dient.
Kraftmessungen, bzw. Messungen auf einer organischen oder künstlichen Haut nach einem der vorherigen Ansprüche ist dadurch gekennzeichnet, dass schaltbare Sensoren „SRS”, sowie variable Sensoren „VRS”, die Erkennung von mechanischen Druck, Oberflächeneigenschaften, Bewegungen auf der Haut, Zug- und Druckspannung in der Hautebene, Kontaktmodus und Größe des kontaktierenden Objekts, Vibrationen, Wärme und Kälte misst.
Die Neuheit ist auch dadurch gekennzeichnet das die schaltbaren Sensoren „SRS”, sowie variable Sensoren „VRS”, bestehend aus der Meßelektronik, der Übertragung der Daten, der Software zum Auswerten der Daten, der Software zur Darstellung der Daten, stationären und mobilen Geräten, wie bspw. einer Androidenhaut, einer Uhr, Armband, Textilen wie Socken, Sohlen, Handschuhe, Unterwäsche, Hut, Ringe oder auch bspw. dem Smartphone, dient.
Die Neuheit ist auch dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von vielen Sensoren Meßaufgaben, bei denen keine Ortsauflösung notwendig ist, die Qualität der Messung verbessert wird.
Die Neuheit ist auch dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von vielen Sensoren Meßaufgaben, wie die notwendig Ortsauflösung eines speziellen Meßsignals, in der Qualität der Messung verbessert wird, bzw. auch die Herkunft des Signal und die künftige Richtung des Signals gemessen sowie auch bestimmt werden kann.
Die Neuheit ist auch dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz der Sensoren nach einem der vorherigen Ansprüche der existierende Mangel, wie die Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit zur Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung nutzbar ist.