DE112018002989T5

DE112018002989T5 - Sensorsystem, das in einen Handschuh integriert ist

Info

Publication number: DE112018002989T5
Application number: DE112018002989.1T
Authority: DE
Inventors: Keith A. McMillen; Kyle Lobedan; Gregory Wille; Florian Muller; Maxime Stinnett
Original assignee: BeBop Sensors Inc
Current assignee: BeBop Sensors Inc
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2020-02-27
Also published as: JP2020523690A; WO2018231570A1

Abstract

Es werden Sensorsysteme beschrieben, die entworfen sind, um in Handschuhe für die menschliche Hand integriert zu werden. Ein Array von Sensoren erkennt Kräfte, die mit einer Aktion einer Hand in dem Handschuh assoziiert sind, und die assoziierte Schaltung erzeugt entsprechende Steuerinformationen, die verwendet werden können, um eine große Vielzahl von Prozessen und Vorrichtungen zu steuern.

Description

VERBUNDENE ANWENDUNGSDATEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 15/621,935 mit dem Titel Sensor System Integrated With a Glove, eingereicht am 13. Juni 2017 (Attorney Docket Nr. BBOPP007X1), die eine Continuation-in-Part der US-Patentanmeldung Nr. 14/928,058 mit dem Titel Sensor System Integrated with a Glove ist, die am 30. Oktober 2015 eingereicht wurde (Attorney Docket Nr. BBOPP007) und deren Priorität unter 35 U.S.C. 120 beansprucht, wobei es sich um eine nichtprovisorische Fassung der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/072,798 mit dem Titel Flexible Sensors and Applications, eingereicht am 30. Oktober 2014 (Attorney Docket Nr. BBOPPOO4P3) handelt, die deren Priorität unter 35 U.S.C. 119(e) beansprucht. US-Patentanmeldung Nr. 14/928,058 ist ebenfalls eine Continuation-in-Part of der US-Patentanmeldung Nr. 14/671,821 mit dem Titel Flexible Sensors and Applications, eingereicht am 27. März 2015 (Attorney Docket Nr. BBOPP004X2) und beansprucht deren Priorität unter 35 U.S.C. 120, wobei es sich um eine Continuation-in-Part der US-Patentanmeldung Nr. 14/299,976 mit dem Titel Piezoresistive Sensors and Applications, eingereicht am 9. Juni 2014 (Attorney Docket Nr. BBOPP004) handelt, die deren Priorität unter 35 U.S.C. 120 beansprucht. Die gesamte Offenbarung jeder der obigen Anmeldungen ist hierin durch Verweis zu allen Zwecken vollständig eingeschlossen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Bedarf an Technologien, die die Lücke zwischen Rechnervorrichtungen und der physischen Welt schließen, steigt schnell an. Diese Schnittstellen verlangen üblicherweise eine Art von Sensortechnologie, die Informationen von der physischen Domäne in die digitale Domäne übersetzen. Das „Internet der Dinge“ betrachtet die Verwendung von Sensoren in einem annähernd unbegrenzten Anwendungsbereich, wobei sich für viele davon konventionelle Sensortechnologie nicht gut eignet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach verschiedenen Umsetzungen sind Sensoren und Anwendungen für Sensoren bereitgestellt. Nach einigen Umsetzungen umfasst ein Sensorsystem ein flexibles Substrat für die Ausrichtung oder Integration in einen Abschnitt eines Handschuhs. Mehrere leitfähige Tracegruppen, die direkt auf dem Substrat an Sensororten gebildet sind, entsprechend mindestens einigen Fingergelenken einer menschlichen Hand. Jede der leitfähigen Tracegruppen umfasst zwei oder mehr leitfähige Traces. Der Widerstand zwischen den leitfähigen Traces in jeder der leitfähigen Tracegruppen variiert mit der Kraft auf dem piezoresistiven Material in Kontakt mit der leitfähigen Tracegruppe. Schaltungen sind konfiguriert, ein Signal von jeder der leitfähigen Tracegruppen zu empfangen und Steuerinformationen in Reaktion darauf zu erzeugen. Die Steuerinformationen umfassen die Kraft auf dem piezoresistiven Material in Kontakt mit jeder der leitfähigen Tracegruppen.
Nach einer bestimmten Klasse der Umsetzungen ist das flexible Substrat ein Dielektrikum, und das piezoresistive Material besteht aus mehreren Patches. Jeder Patch aus piezoresistivem Material steht mit einer entsprechenden der leitfähigen Tracegruppen an den Sensororten in Kontakt. Nach einer genaueren Umsetzung ist das Dielektrikum ein Thermoplast, und das Sensorsystem umfasst ein zweites flexibles Substrat des Thermoplasts. Das flexible Substrat, auf dem die leitfähigen Tracegruppen gebildet sind, die Patches des piezoresistiven Materials und das zweite flexible Substrat sind thermal miteinander verbunden, sodass die Patches des piezoresistiven Materials in Kontakt mit den entsprechenden leitfähigen Tracegruppen gesichert sind.
Nach einer anderen klasse Umsetzungen ist das flexible Substrat das piezoresistive Material, das beispielsweise ein piezoresistiver Stoff sein kann.
Ein weiteres Verständnis der Art und Vorteile kann durch Verweis auf die verbleibenden Abschnitte der Vorgaben und Zeichnungen erreicht werden.
Figurenliste

1 zeigt Beispiele der Tracestrukturen, die in ein flexibles Substrat integriert sein können.
2 zeigt Beispiele verschiedener Arten von Verzerrungen eines flexiblen Substrats.
3 zeigt eine bestimmte Umsetzung eines Sensorarrays.
4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Sensorschaltungen, das sich für die Verwendung mit verschiedenen Umsetzungen eignet.
5 zeigt Beispiele von Beziehungen unter einem piezoresistiven Substrat, leitfähigen Traces und anderen leitfähigen Elementen in einseitigen und zweiseitigen Sensorumsetzungen.
6 zeigt eine andere Umsetzung eines Sensorarrays.
7 zeigt eine andere Umsetzung eines Sensorarrays.
8 zeigt ein Beispiel eines Querschnitts einiger der Komponenten eines Sensorsystems.
9 zeigt ein Beispiel eines Sensorarrays, die in einen Handschuhrohling integriert ist.
10 zeigt eine andere Umsetzung eines Sensorarrays.
11 zeigt eine andere Umsetzung eines Sensorarrays.
12 bis 14C zeigen eine andere Umsetzung eines Sensorsystems.
15 und 16 zeigen eine andere Umsetzung eines Sensorsystems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Sensoren und Sensorsysteme, die piezoresistive Materialien einschließen, sind in dieser Offenbarung beschrieben. Insbesondere sind Sensorsysteme zur Integration in Handschuhe für die menschliche Hand beschrieben. Spezifische Umsetzungen sind hierin beschrieben, einschließlich der besten betrachteten Modi. Beispiele dieser Umsetzungen sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Der Umfang dieser Offenbarung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Umsetzungen begrenzt. Stattdessen soll diese Offenbarung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente dieser Umsetzungen abdecken. In der folgenden Beschreibung sind spezifische Details dargelegt, um ein ausführliches Verständnis der beschriebenen Umsetzungen zu erlauben. Einige Umsetzungen können ohne einige oder alle dieser spezifischen Details ausgeführt werden. Außerdem werden bekannte Merkmale möglicherweise nicht ausführlich beschrieben, um die Klarheit zu fördern.
Piezoresistive Materialien umfassen eines aus einer Klasse von Materialien, die eine Änderung des elektrischen Widerstands in Reaktion auf eine mechanische Kraft oder einen Druck aufweisen, die/der auf das Material aufgebracht wird. Eine Klasse von Sensorsystemen, die hierin beschrieben ist, umfasst leitfähige Traces, die direkt auf einem flexiblen Substrat aus piezoresistivem Material, z. B. einem piezoresistivem Stoff oder einem anderen flexiblen Material gebildet oder anderweitig darin integriert sind. Eine andere Klasse von Sensorsystemen, die hierin beschrieben sind, umfasst leitfähige Traces, die direkt auf einem flexiblen dielektrischen Substrat mit flexiblem piezoresistivem Material gebildet oder anderweitig darin integriert sind, das eng in das dielektrische Substrat integriert ist und mit Abschnitten der Traces in Kontakt steht. Wenn Kraft oder Druck auf ein solches Sensorsystem ausgeübt wird, ändert sich der Widerstand zwischen Traces, die durch das piezoresistive Material verbunden sind, in einer zeitvariierenden Weise, die repräsentativ für die aufgebrachte Kraft ist. Ein Signal, das die Größe der aufgebrachten Kraft darstellt, wird basierend auf der Änderung des Widerstands erzeugt. Das Signal wird über die leitfähigen Traces (z. B. als eine Spannung oder ein Strom) erfasst, digitalisiert (z. B. über einen Analog-Digital-Konverter), verarbeitet (z. B. durch einen assoziierten Prozessor, Controller oder eine geeignete Steuerschaltung), und (z. B. durch den assoziierten Prozessor, Controller oder die Steuerschaltung) einer Steuerfunktion zugeordnet, die in Verbindung mit annähernd jeder Art von Prozess, Vorrichtung oder System verwendet werden kann. Die Ausgabesignale von solchen Sensorsystemen können auch verwendet werden, eine Vielzahl von Verzerrungen und/oder Verformungen des Substrats/der Substrate, auf dem/denen sie gebildet oder in die sie integriert sind, sind, zu erkennen, wie etwa beispielsweise Biegungen, Streckungen, Torsionen, Rotationen usw.
Drucken, Screening, Abscheiden oder anderweitiges Bilden leitfähiger Traces direkt auf flexiblen Substraten erlaubt die Bildung eines Sensors oder Sensorarrays, das zu einer beliebigen Form oder einem Volumen passt. Das piezoresistive Material, auf dem die Traces gebildet sind, oder mit dem die Traces in Kontakt stehen, können jedes aus einer Vielzahl gewobener und nicht gewobener Stoffe sein, die piezoresistive Eigenschaften aufweisen. Es können auch Umsetzungen betrachtet werden, bei denen das piezoresistive Material aus jedem einer Vielzahl von flexiblen, streckbaren oder anderweitig verformbaren Materialien gebildet ist (z. B. Gummi, oder einem streckbaren Stoff wie Elasthan oder Stoffe mit offenem Gewebe), die piezoresistive Eigenschaften aufweisen. Die leitfähigen Traces können auf dem piezoresistivem Material oder einem flexiblen dielektrischen Substrat unter Verwendung einer Vielzahl leitfähiger Tinten oder Farben gebildet werden. Es werden auch Umsetzungen betrachtet, in denen die leitfähigen Traces unter Verwendung eines flexiblen leitfähigen Materials gebildet werden, das auf einem flexiblen Substrat gebildet werden kann. Es sollte sich daher verstehen, dass
zwar spezifische Umsetzungen mit Verweis auf spezifische Materialien und Techniken beschrieben werden, der Umfang dieser Offenbarung aber nicht darauf beschränkt ist.
Einseitige und zweiseitige Umsetzungen werden betrachtet. Z. B. können leitfähige Traces auf eine oder beide Seiten des flexiblen Substrats gedruckt werden. Wie sich versteht, können zweiseitige Umsetzungen einen Mechanismus zum Verbinden leitfähiger Traces an einer Seite des Substrats mit denen an der anderen Seite umfassen. Einige Umsetzungen verwenden Durchkontaktierungen, in denen leitfähige Tinte oder Farbe durch die Durchkontaktierungen fließt, um die Verbindungen herzustellen. Alternativ dazu können Metalldurchkontaktierungen oder Nieten Verbindungen durch das flexible Substrat herstellen.
Ein- und doppelseitige Umsetzungen können isolierende Materialien verwenden, die über leitfähigen Traces gebildet sind. Dies erlaubt das Stapeln oder Schichten der leitfähigen Traces und Signalleitungen, z. B. um das Routing der Signalleitung an isolierte Strukturen in einer Weise zu erlauben, die den verschiedenen Schichten einer Leiterplatte entspricht.
Routing von Signalen auf das und von dem flexiblen Substrat kann in einer Vielzahl von Wegen erreicht werden. Eine bestimmte Umsetzungsklasse verwendete elastomere Verbinder (z. B. ZEBRA®-Verbinder), die leitfähigen und nichtleitfähigen Gummi mit einer Dichte abwechseln, die üblicherweise eine Größenordnung höher ist als die Breite der leitfähigen Traces, mit denen sie sich verbinden (z. B. An der Kante des Substrats). Alternativ dazu kann eine Platine (möglicherweise aus einem flexiblen Material wie Kapton bestehend), oder ein Leiterbündel an das Substrat genietet sein. Die Verwendung von Nieten kann auch eine mechanische Verstärkung für die Verbindung bereitstellen.
Passende leitfähige Traces oder Pads an dem flexiblen Substrat und einer Platine können sich jeweils gegenüberstehend hergestellt werden. Eine Schicht aus leitfähigem Klebstoff (z. B. ein leitfähiges Epoxid wie Masterbond EP79 von Masterbond, Inc. aus Hackensack, New Jersey) kann auf eine der Flächen aufgebracht und dann mit der anderen Fläche verbunden werden. Die leitfähigen Traces oder Pads können auch mit weiteren mechanischen Elementen zusammengehalten werden, wie etwa durch Kunststoffultraschallschweißen oder Nieten. Wenn leitfähige Nieten verwendet werden, um die elektrischen Verbindungen mit den leitfähigen Traces des flexiblen Substrats herzustellen, ist möglicherweise kein leitfähiger Klebstoff notwendig. Leitfähige Fäden können ebenfalls verwendet werden, um die leitfähigen Traces des flexiblen Substrats mit einer externen Baugruppe zu verbinden.
Nach einer bestimmten Klasse von Umsetzungen ist das piezoresistive Material ein druckempfindlicher Stoff, der durch Eeonyx, Inc., aus Pinole, Kalifornien, hergestellt wurde. Der Stoff umfasst leitfähige Partikel, die polymerisiert sind, um sie in dem Stoff suspendiert zu halten. Das Grundmaterial ist ein Polyesterfilz, der für die Einheitlichkeit der Dichte und Dicke gewählt wurde, da dies eine bessere Einheitlichkeit der Leitfähigkeit des fertigen piezoresistiven Stoffs bietet. Das heißt, die mechanische Einheitlichkeit des Basismaterials führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der leitfähigen Partikel, wenn der Schlamm, der die leitfähigen Partikel enthält, eingeführt wird. Der Stoff kann gewoben sein. Alternativ dazu kann der Stoff ein nichtgewobener Stoff sein, wie etwa ein kalandrierter Stoff, z. B. Fasern, die durch chemische, mechanische, Wärme- oder Lösungsmittelbehandlung miteinander verbunden wurden. Für Umsetzungen, in denen leitfähige Traces auf dem piezoresistiven Stoff gebildet sind, stellt ein kalandriertes Material eine glattere Außenfläche dar, die ein genaueres Screening der leitfähigen Tinten erlaubt als ein nichtkalandriertes Material.
Die leitfähigen Partikel des Stoffs können eines aus einer großen Vielzahl von Materialien sein, einschließlich beispielsweise Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Kohlenstoff usw. Einige Umsetzungen können Kohlenstoffgraphene umfassen, die gebildet sind, den Stoff zu greifen. Solche Materialien können unter Verwendung der Techniken hergestellt werden, die in US-Patent Nr. 7,468,332 f ür Electroconductive Woven and Non-Woven Fabric beschrieben sind, das am 23. Dezember 2008 ausgestellt wurde und dessen gesamte Offenbarung hierin durch Verweis zu allen Zwecken eingeschlossen ist. Es sollte jedoch erneut angemerkt werden, dass jedes flexible Material, das eine Änderung des Widerstands oder der Leitfähigkeit ausübt, wenn eine Kraft oder ein Druck auf das Material aufgebracht wird, sich für die Umsetzung von Sensoren wie den hierein beschriebenen eignet.
Nach einer bestimmten Klasse von Umsetzungen werden leitfähige Traces, die verschiedene Leitfähigkeitspegel aufweisen, an flexiblem piezoresistivem Material oder an dem angrenzenden flexiblen dielektrischen Substrat unter Verwendet leitfähiger silikonbasierter Tinten gebildet, die beispielsweise von E.I. du Pont de Nemours and Company (DuPont) aus Wilmington, Delaware, und/oder Creative Materials aus Ayer, Massachusetts hergestellt wurden. Ein Beispiel einer leitfähigen Tinte, die sich für die Umsetzung hoch leitfähiger Traces zur Verwendung mit verschiedenen Umsetzungen eignet, ist Produkt Nummer 125-19 von Creative Materials, eine flexible, elektrisch leitfähige Hochtemperaturtinte. Beispiele leitfähiger Tinten zur Umsetzung von Traces mit geringerer Leitfähigkeit zur Verwendung mit verschiedenen Umsetzungen sind die Produktnummern 7102 und 7105 von DuPont, beides Kohlenstoffzusammensetzungen.
Beispiele von Dielektrika, die sich für die Umsetzung von Isolatoren zur Verwendung mit verschiedenen Umsetzungen eignen, sind Produktnummern 5018 und 5036 von DuPont, ein UV-härtbares Dielektrikum bzw. ein Verkapselungsmittel. Diese Tinten sind flexibel und widerstandsfähig und können Verknittern, Waschen usw. aushalten. Der Grad der Leitfähigkeit für verschiedene Traces und Anwendungen wird durch die Menge oder Konzentration leitfähiger Partikel (z. B. Silber, Kupfer, Aluminium, Kohlenstoff usw.) gebildet, die in dem Silikon suspendiert sind. Diese Tinten können siebgedruckt oder mit einem Tintenstrahldrucker aufgedruckt werden. Eine andere Klasse von Umsetzungen verwendet leitfähige Farben (z. B. Kohlenstoffpartikel, die mit Farbe gemischt sind) wie etwa die, die üblicherweise für die EMI-Abschirmung und den ESD-Schutz verwendet werden.
Beispiele von Sensoren und Sensorarrays, die mit verschiedenen Umsetzungen verwendet werden können, die durch diese Offenbarung ermöglicht werden, werden in der US-Patentanmeldung Nr. 14/299,976 mit dem Titel Piezoresistive Sensors and Applications, eingereicht am 9. Juni 2014 (Attorney Docket Nr. BBOPP004), deren gesamte Offenbarung hierein durch Verweis zu allen Zwecken eingeschlossen ist. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass Umsetzungen betrachtet werden, die eine Vielzahl anderer geeigneter Sensortechniken verwenden.
Das Bilden von Sensoren auf flexiblen Substraten ermöglicht zahlreiche nützliche Vorrichtungen. Viele dieser Vorrichtungen verwenden solchen Sensoren zum Erkennen des Auftretens von Berührungsereignissen, der Kraft oder dem Druck von Berührungsereignissen, der Dauer von Berührungsereignissen, der Stelle von Berührungsereignissen, der Richtung von Berührungsereignissen, und/oder der Geschwindigkeit der Bewegung von Berührungsereignissen. Die Ausgabesignale von solchen Sensoren können auch verwendet werden, eine Vielzahl von Verzerrungen und/oder Verformungen des Substrats, auf dem/denen sie gebildet oder in die sie integriert sind, sind, zu erkennen, wie etwa beispielsweise Biegungen, Streckungen, Torsionen, Rotationen usw. Die Informationen, die von solchen Sensoren abgeleitet sind, können verwendet werden, um eine Vielzahl von Steuerungen und/oder Wirkungen zu erzielen. Beispiele von Verzerrungen und/oder Verformungen sind nachfolgend mit Verweis auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Wie zu verstehen ist, sind die spezifischen Details, die beschrieben sind, nur Beispiele für den Zweck der Illustration des Bereichs der Techniken, die durch diese Offenbarung ermöglicht werden.
1 zeigt ein Beispiel einer Sensortracestruktur 100, die in ein flexibles Substrat 102 integriert ist. Das flexible Substrat kann ein piezoresistives Material oder ein Dielektrikum sein. Im letzteren Fall ist ein flexibles piezoresistives Material eng in das Dielektrikum integriert und in Kontakt mit der Sensortracestruktur. Die Tracestruktur 100 umfasst ein Paar leitfähiger Traces, von denen eine (Trace 104) ein Sensorsignal an assoziierte Schaltungen bereitstellt (nicht dargestellt), und die andere davon (Trace 106) mit der Erde oder einer geeigneten Referenz verbunden ist. Einige repräsentative Beispiel anderer Tracestrukturen 108 bis 116 sind dargestellt. In einigen Umsetzungen können die Traces einer Tracestruktur, z. B. durch Siebdruck oder Druck, direkt auf dem flexiblen Substrat gebildet werden, das beispielsweise ein piezoresistiver Stoff ist. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass unter anderem die Geometrien der Sensortracestruktur(en), die Anzahl der Traces, die mit jedem Sensor assoziiert sind, die Anzahl, der Abstand oder die Anordnung der Sensoren, die Beziehung der Sensoren zu dem Substrat, die Anzahl der Schichten oder Substraten, und die Art des/der Substrat(e) von Anwendung zu Anwendung beträchtlich variieren können, und dass die dargestellten Konfigurationen nur Beispiele zu illustrativen Zwecken sind.
2 zeigt Beispiele verschiedener Arten von Verzerrungen des flexiblen Substrats 102, die über die Sensortracestruktur 100 erkannt werden können. 2(a) zeigt Substrat 102 in seinem nicht verzerrten Zustand. 2(b) zeigt eine Seitenansicht des Biegens von Substrat 102; 2(c) zeigt das Strecken von Substrat 102; 2(d) stellt Substrat 102 dar, das relativ zu dem umgebenden Material gedreht wird, und 2(e) zeigt seine Seitenansicht von Substrat 102, das sich durch ein aufgebrachtes Drehmoment verdreht (d.h. Torsion). In jedem dieser Szenarios ändert sich der Widerstand des piezoresistiven Materials in Kontakt mit der Tracestruktur 100 in Reaktion auf die aufgebrachte (z. B. Verringerung oder Erhöhung durch Kompression oder erhöhte Trennung von leitfähigen Partikeln in dem piezoresistiven Material). Diese Änderung (einschließlich der Größenordnung und der über die Zeit schwankenden Art) ist über die Sensortracestruktur 100 und die assoziierte Elektronik (nicht dargestellt) erkennbar.
Nach einer bestimmten Umsetzung, die in 3 illustriert ist, werden Sensortracestrukturen auf dem streckbaren Material eines Sensorhandschuhs 300 gebildet, der beispielsweise verwendet werden kann, um die Bewegungen der Hand eines Menschen und die Interaktionen der Hand mit der physischen Welt in eine virtuelle Darstellung der Hand (oder eines anderen virtuellen Objekts) und ihre Interaktionen in einer virtuellen Umgebung zu übertragen. In einem anderen Beispiel können die Bewegungen und Interaktionen der Hand verwendet werden, um eine robotische Hand oder eine Vorrichtung in der physischen Welt zu steuern. Das Material, auf dem die Tracestrukturen gebildet sind, können ein flexibles piezoresistives Material oder ein flexibles Dielektrikum sein. Erneut ist in dem letzteren Fall ein flexibles piezoresistives Material eng in das flexible Substrat integriert, auf dem die Tracestrukturen gebildet sind und mit den Tracestrukturen an den verschiedenen Sensorstellen in Kontakt stehen (d. h. S1 bis S 19).
Wie gezeigt, sind Tracestrukturen, die einigen der Sensoren (z. B. S1 bis S5 und S14 bis S18) entsprechen, so platziert, dass sie verschiedenen Fingergelenken entsprechen (z. B. Knöchel oder Fingergelenken), um die Verzerrung und/oder Verformung des Handschuhs aufgrund von Biegen oder Beugen dieser Gelenke zu erfassen. Andere Sensoren (z. B. S6 bis S13 und S19) sind platziert, um das Strecken des Handschuhs zu erfassen, das z. B. auftritt, wenn die Finger der Hand gespreizt werden. Andere Sensoren (nicht dargestellt) können auch an der Handfläche des Handschuhs und/oder an den Fingerspitzen platziert sein, um Biege- und Beugekräfte sowie Kräfte bezüglich beispielsweise Berührung, Greifen oder anderem Kontakt mit Objekten oder Flächen zu erkennen.
Abschnitte der leitfähigen Traces, die nicht vorgesehen sind, ein Teil eines Sensors zu sein (z. B. Signalroutingtraces) können abgeschirmt oder isoliert sein, um unerwünschte Beiträge zu den Sensorsignalen zu verringern. Das heißt, die Abschnitte der leitfähigen Traces, die die Antriebs- und Sensorsignale an und von den Sensoren führen, können gegen das piezoresistive Material etwa unter Verwendung eines Dielektrikums oder nichtleitfähigen Materials zwischen dem piezoresistiven Material und den leitfähigen Traces isoliert sein. Nach einigen Umsetzungen, in denen die leitfähigen Traces auf einem flexiblen Dielektrikum gebildet sind, können isolierte Stücke von piezoresistivem Material selektiv an jeweiligen Sensororten platziert sein.
In der dargestellten Umsetzung gibt es 19 Sensoren, S1 bis S19. Jeder der Sensoren umfasst zwei aneinander angrenzende Traces, deren jeweilige Strukturen Erweiterungen umfassen, die sich abwechseln. Siehe beispielsweise die vergrößerte Ansicht des Sensors S4. Eines der Traces 301 empfängt ein Antriebssignal; die andere Trace 302 überträgt das Sensorsignal an die assoziierte Sensorschaltung (nicht dargestellt). Das Antriebssignal kann beispielsweise durch Verbinden des Trace (dauerhaft oder temporär) mit einer Spannungsreferenz, einer Signalquelle, die weitere Informationen in dem Antriebssignal enthalten kann, einem GPIO- (General Purpose Input Output) Pin eines assoziierten Prozessors oder Controllers usw. bereitgestellt werden. Und wie in dem Beispiel in 3 gezeigt, kann das Sensorsignal unter Verwendung eines Spannungsteilers erzeugt werden, in dem einer der Widerstände des Teilers den Widerstand zwischen den beiden Traces durch das dazwischenliegende piezoresistive Material umfasst. Der andere Widerstand (dargestellt durch R1) kann beispielsweise in der assoziierten Sensorschaltung enthalten sein. Wenn sich der Widerstand des piezoresistiven Materials mit der aufgebrachten Kraft oder dem Druck ändert, ändert sich auch das Sensorsignal als unterteilter Abschnitt des Antriebssignals.
Die Sensoren werden unter Energie gesetzt (über die Antriebssignale) und abgefragt (über die Sensorsignale), um ein Ausgabesignal für jeden auszugeben, das die Kraft darstellt, die auf den Sensor aufgebracht wird. Wie ebenfalls zu erkennen ist, sowie abhängig von der Anwendung, werden Umsetzungen betrachtet, die mehr oder weniger Sensoren aufweisen.
Nach verschiedenen Umsetzungen können verschiedene Sätze von Sensoren selektiv aktiviert und abgefragt werden, was die Anzahl und den Gesamtbereich der Traces auf dem Substrat verringert, sowie die erforderlichen Verbindungen mit Sensorschaltungen einer assoziierten Platine (wie beispielsweise in Ausschnitt 322 platziert sein kann). In dem Sensorsystem aus 3 beispielsweise werden die 19 Sensoren über 11 Antriebssignalausgänge von der Sensorschaltung (nicht dargestellt) angetrieben, und die Sensorsignale werden über 2 Sensorsingaleingänge an der Sensorschaltung empfangen; bei 13 Verbindungen zwischen dem flexiblen Substrat, mit dem die leitfähigen Traces gebildet sind, und dem PCB in Ausschnitt 322 wie dargestellt. Der Satz Sensoren, die die Sensorsignale an einen der 2 Sensorsingaleingänge bereitstellen (z. B. S6 bis S13 in einem Satz und S1 bis S5 und S14 bis S19 in dem anderen) können in jeder geeigneten Sequenz oder Struktur aktiviert werden, sodass jedes Signal, das an dem entsprechenden Sensorsingaleingang empfangen wird, mit dem entsprechenden Sensorantriebssignal durch die Sensorschaltung korreliert werden kann.
Und da die Sensorsignale in der Umsetzung durch die Sensorschaltung über zwei verschiedene Sensorsignaleingaben empfangen werden, können zwei Sensoren gleichzeitig aktiviert werden, solange sie mit verschiedenen Sensorsingaleingängen an der Sensorschaltung verbunden sind. Dies erlaubt das Teilen der Antriebssignalleitungen. Beispielsweise teilen sich in der Umsetzung von 3 acht Paar Sensoren eine gemeinsame Antriebssignalleitung, d. h. S2 und S8, S3 und S10, S4 und S12, S6 und S14, S7 und S15, S9 und S16, S11 und S17, und S13 und S19. Das Teilen der gemeinsamen Antriebssignalleitungen kann durch Isolatoren, die es den leitfähigen Traces erlauben, sich zu überkreuzen, sowie Orte, an denen die leitfähigen Traces einfach auseinanderlaufen, ermöglicht werden. Andere geeignete Variationen dieses Themas werden durch Fachleute als in den Umfang dieser Offenbarung fallend erkannt.
Nach einigen Umsetzungen kann eine Platine mit den leitfähigen Traces des Sensorarrays wie in US-Patentanmeldung Nr. 14/671,821 mit dem Titel Flexible Sensors and Applications, eingereicht am 27. März 2015 (Attorney Docket Nr. BBOPP004X2) beschrieben werden, deren gesamte Offenbarung hierin durch Verweis zu allen Zwecken eingeschlossen ist. Nach anderen Umsetzungen kann eine aus einer Vielzahl von Techniken eingesetzt werden, um eine solche Verbindung herzustellen, einschließlich beispielsweise elastomere Verbinder (z. B. ZEBRA®-Verbinder), die leitfähigen und nichtleitfähigen Gummi mit einer Dichte abwechseln, die üblicherweise eine Größenordnung höher ist als die Breite der leitfähigen Traces, mit denen sie sich verbinden (z. B. An der Kante des Stoffs). Eine Vielzahl anderer geeigneter Alternativen steht Fachleuten auf dem Gebiet zur Verfügung.
4 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Sensorschaltung, das auf einer Platine zur Verwendung mit hierin beschriebenen Umsetzungen bereitgestellt ist. Beispielsweise könnten in der oben mit Verweis auf 3 beschriebenen Umsetzung eine solche Sensorschaltung an einer Platine in Ausschnitt 322 bereitgestellt und mit den leitfähigen Traces verbunden sein, die mit den Sensoren S1 bis S19 assoziiert sind. Wenn eine Kraft auf einen der Sensoren angewendet wird, wird ein entstehendes Signal (über die entsprechenden Traces erfasst) empfangen und digitalisiert (z. B. über Multiplexer 402 und A-D-Konverter 404) und kann örtlich verarbeitet (z. B. durch Prozessor 406) und/oder an eine verbundene Vorrichtung (z. B. über eine Bluetooth- oder eine andere drahtlose Verbindung oder sogar über eine USB-Verbindung) übertragen werden. Die Sensoren können selektiv durch die Sensorschaltung aktiviert werden (z. B. unter der Steuerung von Prozessor 406 über D-A-Konverter 408 und Multiplexer 410), um die Erzeugung der Sensorsignale zu erreichen. Der C8051F380-GM-Controller (bereitgestellt durch Silicon Labs aus Austin, Texas) ist ein Beispiel eines Prozessors, der sich für die Verwendung mit verschiedenen Umsetzungen eignet.
Neben der Übertragung von Daten an und von einer verbundenen Vorrichtung kann Energie über eine USB-Verbindung an die Sensorschaltung bereitgestellt sein. Alternativ dazu können Systeme, die Daten drahtlos (z. B. per Bluetooth) übertragen, Energie an die Sensorschaltung unter Verwendung einer Vielzahl von Mechanismen und Techniken bereitstellen, einschließlich beispielsweise der Verwendung einer oder mehrerer Batterien, Solarzelle und/oder Mechanismen, die mechanische Energie abgreifen. Der LTC3588 (bereitgestellt von Linear Technology Corporation aus Milpitas, Kalifornien) ist ein Beispiel einer enerigeabgreifenden Stromversorgung, die mit wenigstens einigen dieser verschiedene Energiequellen verwendet werden kann. Andere geeignete Variationen werden durch einen Fachmann erkannt. Und wie zu erkennen ist, ist die Sensorschaltung aus in 4 nur ein Beispiel. Eine große Auswahl an Sensorschaltungskomponeten, Konfigurationen und Funktionen werden betrachtet.
Einseitige und zweiseitige Umsetzungen werden betrachtet. Z. B. können leitfähige Traces auf eine oder beide Seiten des flexiblen Substrats gebildet werden. Wie sich versteht, können zweiseitige Umsetzungen einen Mechanismus zum Verbinden leitfähiger Traces an einer Seite des Substrats mit denen an der anderen Seite umfassen. Einige Umsetzungen verwenden Durchkontaktierungen, in denen leitfähige Tinte oder Farbe durch die Durchkontaktierungen fließt, um die Verbindungen herzustellen. Alternativ dazu oder weiterhin können Metalldurchkontaktierungen oder Nieten Verbindungen durch das Substrat herstellen. 5 illustriert die Verwendung von Durchkontaktierungen oder Nieten durch das flexible Substrat (z. B. Konfiguration 502), und die Verwendung von isolierenden Materialien zum Isolieren leitfähiger Traces von dem Substrat, wobei das Substrat ein piezoresistives Material ist (z. B. Konfiguration 504). Solche Mechanismen ermöglichen komplexe Strukturen von Traces und Routing von Signalen in einer Weise, die den verschiedenen Schichten einer Platine entspricht.
Beispielsweise können, unter der Annahme einer Umsetzung, in der die leitfähigen Traces auf piezoresistivem Material gebildet sind, und erneut mit Verweis auf 3, leitfähige Traces, die Signale an und von den Sensoren des Handschuhs 300 übermitteln, durch das isolierende Material gegen das darunterliegende piezoresistive Substrat isoliert werden. Dies wird in der Figur besonders klar durch die Isolatoren 304 und 306 illustriert, die mit dem Antrieb und den Sensorsignalleitungen assoziiert sind, die mit Sensor S4 verbunden sind. Weiterhin sind die Sensorsignalleitungen von mehreren Sensoren durch Verwendung von Durchkontaktierungen an den Stellen 310 bis 318 miteinander an der gegenüberliegenden Seite (nicht dargestellt) des Materials verbunden, das in 3 dargestellt ist.
Nach einer bestimmten Umsetzung eines Sensorhandschuhs wie dem 6 dargestellten, können Sensortracestrukturen (z. B. 601 bis 604) in grob zylindrischer Konfiguration um das Handgelenk herum platziert sein, um ein Biegen des Handgelenks in zwei Dimensionen (z. B. auf, ab, links, rechts) zu erkennen. Wenn alle vier Sensoren eine ähnliche Reaktion registrieren, könnte diese bedeuten, dass das Handgelenk verdreht wird. Diese Konfiguration stellt jedoch möglicherweise nicht ausreichend Informationen bereit, um die Richtung der Verdrehung zu bestimmen. Daher kann nach einer bestimmten Umsetzung ein äußerer Zylinder 608 an einem inneren Zylinder 610 mit mindestens zwei Stecksensoren (z. B. 612 und 614) befestigt sein. Durch Vergleich der Ausgänge dieser Stecksensoren kann die Richtung (z. B. 616) sowie die Menge der Drehung erfasst werden.
7 illustriert eine bestimmte Klasse von Umsetzungen eines Sensorarrays 700 zur Verwendung in einem Sensorhandschuh, in dem leitfähige Traces auf einem flexiblen dielektrischen Substrat 702 gebildet werden. Der Betrieb des Sensorarrays 700 ist ähnlich wie der Betrieb des Sensorarrays des Sensorhandschuhs 300 wie oben beschrieben. Und es sollte angemerkt werden, dass die dargestellte Konfiguration der Traces auch in Umsetzungen enthalten sein können, in denen die Traces auf piezoresistivem Material gebildet sind.
Nach einer bestimmten Umsetzung kann das Substrat 702 aus einem thermoplastischen Polyurethan- (TPU) Material hergestellt sein, wie etwa beispielsweise Produkte 3415 oder 3914 von Bemis Associates Inc. aus Shirley, Massachusetts. Die leitfähigen Traces können auf das Substrat unter Verwendung einer leitfähigen flexiblen Tinte wie etwa beispielsweise leitfähigen silikonbasierten Tinten, die durch E.I. du Pont de Nemours and Company (DuPont) aus Wilmington, Delaware, oder Creative Materials aus Ayer, Massachusetts, hergestellt sind, siebgedruckt werden. Patches aus einem piezoresistiven Material (z. B. der oben besprochene Eeonyx-Stoff) werden in Kontakt mit den leitfähigen Traces an den Orten der Sensoren S1 bis S14 platziert. Siehe beispielsweise den piezoresistiven Patch 704 an Sensor S4. Ein zweites Substrat des TPU-Materials (nicht dargestellt) wird über Array 700 platziert, und die Baugruppe wird erhitzt, um thermal die Bestandteile miteinander zu verbinden und die piezoresistiven Patches in Kontakt mit ihren jeweiligen Sensortraces zu befestigen.
Die Beziehungen der Bestandteile dieser Baugruppe können mit Verweis auf 8 verstanden werden, die ein flexibles Substrat 802 zeigt, an dem ein leitfähiges Trace 804 gebildet ist. Das piezoresistive Material 806 wird durch ein zweites flexibles Substrat 808 in Kontakt mit Trace 804 gehalten. In dem dargestellten Beispiel sind die Substrate 802 und 808 TPU-Substrate und das Trace 804 ist eine leitfähige Tinte, die auf dem TPU Substrat 802 siebgedruckt ist. Nach einer bestimmten Umsetzung weist das TPU-Substrat 802 eine Klebeschichtklebstoff- (ABA) Struktur auf, die erlaubt, die Montage thermal mit einem anderen Substrat zu verbinden (z. B. zu verschmelzen), wie etwa beispielsweise einem Handschuhrohling 900 aus Stoff, wie in 9 dargestellt. Das andere TPU-Substrat 808 wird mit einer Klebebarriere- (AB) Struktur dargestellt, sodass es sich nur mit der Baugruppe verbindet. Es werden jedoch Umsetzungen betrachtet, bei denen das Substrat eine ABA-Struktur aufweist, um eine Wärmeverbindung an beiden Seiten der Baugruppe zu ermöglichen.
Nach einer genaueren Umsetzung können Versteifer (nicht dargestellt) an wenigstens einigen der piezoresistiven Patches und den entsprechenden Tracestrukturen ausgerichtet dargestellt werden, um die Signale zu verstärken, die durch die entsprechenden Sensoren erzeugt werden, z. B. durch die Kraft des Versteifers, die dem Biegen eines Gelenks widersteht und das piezoresistive Material komprimiert. Ein Versteifer kann eine Kunststofffolie sein (z. B. Polyethylenterephthalat oder PET). Alternativ dazu kann ein Versteifer ein anderes Stück Stoff sein. Als noch eine andere Alternative kann ein Versteifungsmaterial wie DuPont 5036 Dielectric Ink über Seidensiebdruck oder Druck auf eine der Komponenten auf dem Stapel aufgebracht werden. Wie zu erkennen ist, können die Versteifer an jedem Punkt in den Stapel Materialien eingebracht werden (z. B. wie in 8 dargestellt), solange die elektrische Verbindung zwischen den leitfähigen Traces und dem piezoresistiven Material nicht unangemessen verringert wird.
Erneut mit Verweis auf 7, kann ein Versteifer 706 (z. B. aus PET oder einem anderen geeigneten Material) an dem Substrat 702 in der Nähe der Anschlüsse der leitfähigen Traces befestigt werden, um das Einfügen einer Baugruppe in eine Verbindung 708 zu erlauben (siehe Explosionsansicht in der unteren rechten Ecke der Zeichnung). Wie zu erkennen ist, erlaubt diese Konfiguration mit dem Versteifer 706 und einem angemessenen Leiterabstand die Verbindung von Sensorarray 700 mit einer aus einer großen Vielzahl von Industriestandardverbindern. Nach einer bestimmten Umsetzung ist der Verbinder 708 ein Molex-ZIF-Flat-Flex-Verbinder wie etwa beispielsweise der Molex-Verbinder 52207-2860 (ein 28-Positionsverbinder) oder der Molex-Verbinder 0522710869 (ein 8-Positionsverbinder wie in 11 dargestellt).
Wie oben besprochen, werden Sensorhandschuhumsetzungen betrachtet, bei denen Sensoren auf der Handfläche des Handschuhs und/oder den Fingerspitzen platziert sind, um etwa Berührung, Greifen oder anderweitigen Kontakt mit Objekten oder Flächen zu erkennen. Ein Beispiel dafür, wie ein Sensor in ein Array integriert werden kann, ist in 10 gezeigt. In dem dargestellten Beispiel erstreckt sich das flexible Substrat 1002 über den Sensor S4 hinaus und umfasst eine Zunge 1004, an der die leitfähigen Traces von Sensor S15 gebildet sind. Die Zunge 1004 kann in dem Handschuh herumgewickelt werden (wie durch den Pfeil angezeigt), sodass sie mit der Fingerspitze des Handschuhs übereinstimmt. So werden alle Kräfte, die auf die Fingerspitze des Handschuhs wirken (z. B. dadurch, dass die Fingerspitze mit einer Fläche in Berührung kommt) durch den Sensor S15 erkannt. Wie zu erkennen ist, können solche Sensoren in ein Sensorarray für den Handrücken integriert sein, wie in 10 gezeigt. Alternativ können solche Sensoren als ein separates Array für die Handfläche und die Fingerspitzen umgesetzt werden.
11 zeigt ein alternatives Design für ein Sensorarray 1100 zur Verwendung in einem Sensorhandschuh, der nur vier verlängerte Sensoren umfasst; S1 bis S3 für die drei mittleren Finger und S4 für den Daumen. Wie zu erkennen ist, kann dieses einfachere Design leichter und/oder kostengünstiger herzustellen sein und ausreichend oder sogar noch besser für einige Anwendungen geeignet sein als die Designs, die oben mit Verweis auf 3 und 7 beschrieben sind. Dennoch funktioniert das Sensorarray 1100 ähnlich wie die beschriebenen Sensorarrays und kann unter Verwendung jedes der Ansätze gebaut werden. Nach einer bestimmten Umsetzung wird das Substrat 1102 aus einem TPU-Material aufgebaut und die leitfähigen Traces werden durch Siebdruck auf das Substrat 1102 aufgebracht, wobei eine leitfähige flexible Tinte verwendet wird, wie oben mit Verweis auf 7 und 8 beschrieben. Patches aus einem piezoresistiven Material (z. B. der oben besprochene Eeonyx-Stoff) werden in Kontakt mit den leitfähigen Traces an den Orten der Sensoren S1 bis S4 platziert. Siehe beispielsweise den piezoresistiven Patch 1104 an Sensor S3. Ein zweites Substrat des TPU-Materials (nicht dargestellt) wird über Array 1100 platziert, und die Baugruppe wird erhitzt, um thermal die Bestandteile miteinander zu verbinden und die piezoresistiven Patches in Kontakt mit ihren jeweiligen Sensortraces zu befestigen.
Wie bei Sensorarray 700 kann ein Versteifer (nicht dargestellt) an dem Substrat 1102 in er Nähe der Anschlüsse der leitfähigen Traces angehaftet werden, um das Einfügen der Baugruppe in einen Verbinder 1108 zu erlauben. Wie oben besprochen, erlaubt die Verwendung des Versteifers die Verbindung des Sensorarrays 1100 mit einem aus einer großen Vielzahl von Industriestandardverbindern, einschließlich beispielsweise dem Molex-Verbinder 0522710869. Wie oben bezüglich Sensorarray 700 besprochen, könne Versteifer (nicht dargestellt) an mindestens einigen der piezoresistiven Patches, und den entsprechenden Tracestrukturen des Sensorarray 1100 ausgerichtet platziert sein, um die Signale zu verstärken, die durch die entsprechenden Sensoren erzeugt werden.
12 bis 14C illustrieren eine andere Klasse Umsetzungen zur Verwendung in einem Sensorhandschuh. Mit Verweis auf die teilweise Explosionsansicht von 12 umfasst das Sensorsystem 1200 Fünf-Glieder-Baugruppen 1202 (eine pro Finger oder Glied der Hand) und Vier Abduktor-Baugruppen 1204 (eine für jeden Raum zwischen jedem Paar nebeneinander liegender Glieder). Diese Baugruppen sind mit einer Platine 1206 verbunden, an der die Schaltungen umgesetzt sind (nicht dargestellt), um Signale zu aktivieren und Signale von den Gelenksensoren und den Abduktorsensoren an jeder Baugruppe zu lesen. Gliederbaugruppen 1202 sind über das Substrat 1208 verbunden und Abduktorbaugruppen 1204 sind über das Substrat 1210 verbunden. Die Substrate 1208 und 1210 sind an gegenüberliegenden Seiten der Platine 1206 befestigt, um das Sensorsystem 1200 zu bilden. Leiter an den Substraten 1208 und 1210 stellen Verbindungen zwischen Leitern der Gliederbaugruppen 1202 und Abduktorbaugruppen 1204 und der entsprechenden Leiter an der Platine 1206 (nicht dargestellt) bereit. Das Sensorsystem 1200 ist durch das obere Gehäuse 1209 und die ergonomische Rückplatte 1211 gesichert und an dem Rücken einer Hand ausgerichtet, die in einen Sensorhandschuh 1300 geschoben wird, wie in 13 illustriert.
Jede Gliederbaugruppe 1202 umfasst zwei Gelenksensoren, wobei jeder Gelenksensor unter Verwendung eines Streifens aus piezoresistivem Material 1212 (z. B. einem Stoff) gebildet wird, das sich mit einer Gruppe Sensortraces (verdeckt durch Material 1212 in 12) an der Fläche eines flexiblen dielektrischen Substrats 1214 in Kontakt befindet. Routingtraces 1216, durch die Signale an die einzelnen Sensoren übertragen und von diesen empfangen werden, sind an die den Sensortracegruppen gegenüberliegende Fläche des Substrats 1214 (d. h. die Unterseite des Substrats 1214 in der Figur) angrenzend. Routingtraces 1216 sind mit den Sensortraces durch Substrat 1214, z. B. unter Verwendung von Durchkontaktierungen verbunden. Substrat 1214 ist als transparent dargestellt, sodass Routingtraces 1216 an seiner Unterseite mindestens teilweise sichtbar sind. Jeder Gelenksensor erzeugt ein Sensorsignal, das den Grad der Biegung des jeweiligen Gelenks darstellt.
Jede Abduktorbaugruppe 1204 umfasst einen Abduktorsensor, der unter Verwendung eines Streifens aus piezoresistivem Material 1218 (von dem nur eines in 12 gezeigt wird), z. B. einem Stoff, gebildet wird, das mit einer Gruppe Sensortraces 1219 (von denen ein Satz durch das Material 1218 verdeckt wird) an der Fläche eines flexiblen dielektrischen Substrats 1220 in Kontakt steht. Routingtraces (nicht dargestellt), durch die Signale an den Abduktorsensor übertragen und von diesen empfangen werden, sind an die die Sensortracegruppe gegenüberliegende Fläche des Substrats 1220 (d. h. die Unterseite des Substrats 1220 in der Figur) angrenzend. Die Routingtraces sind durch Substrat 1220 mit Sensortraces 1219 verbunden, z. B. unter Verwendung von Durchkontaktierungen. Jeder Abduktorsensor erzeugt ein Sensorsignal, das einen Spreizwinkel zwischen zwei aneinander angrenzenden Gliedern darstellt. Die Ausrichtung des Sensorsystems 1200 innerhalb eines Handschuhs ist mit Verweis auf 13 zu verstehen.
Wie in 13 gezeigt, erstreckt sich jede Gliederbaugruppe 1302 entlang einer Rückseite des Handschuhs und entlang eines der entsprechenden Finger (wobei der Daumen als ein Finger bezeichnet wird). Wenn sich ein bestimmter Finger biegt, ist der Grad der Biegung seines Gelenks durch die Sensorsignale dargestellt, die durch die entsprechenden Gelenksensoren dargestellt werden. Und wie aus der Figur zu sehen ist, ist, wenn die Finger der Hand zusammen liegen, der Abschnitt jeder Abduktorbaugruppe 1304, einschließlich des Abduktorsensors, um fast 180 Grad auf sich selbst zurückgebogen (z. B. Wie eine Tacoshell oder ein „v“), wobei die Mittellinie der Biegung an der Kreuzung der beiden aneinander angrenzenden Glieder liegt. Der Abduktorsensor wird in dieser Position als „in Ruhe“ betrachtet. Wenn die Finger gespreizt werden, flacht sich der Abduktorsensor ab und streckt sich, wodurch ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt wird, das den Spreizwinkel darstellt.
Die einzelnen Sensoren der Glied- und Abduktorbaugruppen können wie oben mit Verweis auf 3 beschrieben unter Verwendung einer Sensorschaltung wie der mit Verweis auf 4 beschriebenen aktiviert und abgefragt werden. Das heißt, jeder der Sensoren umfasst zwei Traces. Eines der Traces empfängt ein Antriebssignal und das andere überträgt das Sensorsignal an die Sensorschaltung. Wie oben besprochen, kann das Sensorsignal unter Verwendung eines Spannungsteilers erzeugt werden, in dem einer der Widerstände des Teilers den Widerstand zwischen den beiden Traces durch das dazwischenliegende piezoresistive Material umfasst, und das andere ist in der Sensorschaltung enthalten. Wenn sich der Widerstand des piezoresistiven Materials mit der aufgebrachten Kraft oder dem Druck ändert, ändert sich auch das Sensorsignal als unterteilter Abschnitt des Antriebssignals.
Wie zu verstehen ist, können die Reaktionen der einzelnen Sensoren in Sensorsystemen, die durch diese Offenbarung ermöglicht werden, eine Variation im Vergleich zueinander sowie zu den entsprechenden Sensoren in ähnlichen Systemen aufweisen. Nach einigen Umsetzungen werden kalibrierte Sensordaten gespeichert (z. B. in Speicher 407 von Prozessor 406), die die Reaktion auf jeden der Sensoren darstellen. Solche Daten stellen die Konsistenz und Genauigkeit in der Art der Verarbeitung und Verwendung der Sensorausgaben sicher, um die Bewegung und Artikulierung der Teile der Hand darzustellen. Während der Kalibrierung wird die Ausgabe jedes Sensors (z. B. wie durch ADC 404 erfasst) für einen Bereich bekannter Eingabekräfte gemessen, die spezifischen Positionen der Hand entsprechen. Auf diese Art wird ein Satz Datenpunkte für jeden Sensor erfasst (z. B. in einer Tabelle in Speicher 407), wobei ADC-Werte mit entsprechenden Fingerpositionen assoziiert werden. Der Datensatz für jeden Sensor kann einen Wert (oder einen Abstandswert) für viele (oder auch alle) der möglichen Werte der ADC-Ausgabe erfassen. Alternativ können weniger Datenpunkte erfasst werden und die Sensorschaltung kann die Interpolation verwenden, um Kraftwerte für ADC-Ausgaben abzuleiten, die nicht im Datensatz dargestellt sind.
Die Kalibrierungsdaten für jeden Abduktorsensor stellen einen Bereich der Spreizung des entsprechenden Paars Finger mit einem Bereich der Datenwerte dar. Die Kalibrierungsdaten für jeden Gelenksensor stellen einen Bereich der Biegung des entsprechenden Gelenks mit einem Bereich der Datenwerte dar. Nach einer bestimmten Umsetzung umfasst die Kalibrierung das Halten der Hand in verschiedenen Positionen und das Speichern der Datenwerte für diese Positionen. Beispielsweise kann der Benutzer angewiesen werden (z. B. in einem Video oder einer Animation), die Hand entspannt mit den Fingern zusammen zu halten, eine Faust zu ballen, die Finger zu spreizen usw. Datenwerte für jeden Sensor können dann für jede Position erfasst werden.
Nach einer bestimmten Umsetzung erfassen die Kalibrierungsdaten zwei Positionen des Bereichs für jeden Sensor. Diese Positionen können beispielsweise an den extremen Enden jedes Bereichs liegen. Beispielsweise können für einen Abduktorsensor die beiden Positionen (1) des Paars Finger zusammen und (2) des Paars Finger so weit wie möglich gespreizt sein. Ähnlich könnten für einen Gelenksensor die beiden Positionen (1) das Gelenk gerade und (2) das Gelenk weitestmöglich gebogen sein. Interpolation (z. B. lineare Interpolation) wird dann im Betrieb verwendet, um die Positionen in dem Bereich zwischen den Extremen für jeden Gelenk- und Abduktorsensor zu bestimmen. Diese Kalibrierungsdaten können über Sitzungen hinweg gespeichert werden. Da solche Daten Halbleiterschichten sein können, kann dies das Speichern mehrerer Sätze umfassen, also eine pro eindeutigen Benutzer. Alternativ dazu können die Kalibrierungsdaten für jede Sitzung regeneriert werden, z. B. indem der Benutzer durch die verschiedenen Handpositionen der Kalibrierungsroutine geschickt wird.
Nach einigen Umsetzungen umfasst die Sensorschaltung an Platine 1206 eine Trägheitsmesseinheit (IMU) (nicht dargestellt), die einen 3-Achsenbeschleuniger, ein 3-Achsengyroskop und einen 3-Achsenmagnetometer darstellt. Die Informationen aus diesen Komponenten werden durch die IMU verschmolzen, um eine Ausrichtung der Hand, z. B. Neigung, Rollen und Gier, anzugeben. Die Translation, d.h. die Bewegung der Hand in Richtung x, y und z, kann unter Verwendung von einer oder mehr Kameras (z. B. Gamingsystemkameras), einem oder mehr Ultraschallsensoren, einem oder mehr elektromagnetischen Sensoren usw. verfolgt werden, um die Position des Handschuhs im Raum zu bestimmen. So können unter Verwendung der Information, die durch das Sensorsystem erzeugt wird, die IMU und jedes Translationserkennungssystem, die Position, Ausrichtung und Fingerartikulationen der Hand des Benutzers erfasst werden. Ein Beispiel einer IMU, das mit verschiedenen Umsetzungen verwendet werden kann, ist das BN0055 von Bosch Sensortec GmbH aus Reutlingen / Kusterdingen, Deutschland. Andere Beispiele geeigneter IMUs werden von InvenSense, Inc. aus San Jose, Kalifornien, und ST Microelectronics aus Genf, Schweiz, bereitgestellt.
In der Umsetzung aus 12 umfasst auch jede Gliederbaugruppe einen haptischen Betätiger (um der Klarheit Willen nicht dargestellt), der mit einem eigenen Satz Routingtraces (teilweise sichtbar) über Pads 1224 verbunden ist. Die haptischen Betätiger sind an jeder Fingerspitze ausgerichtet, um da Gefühl zu erzeugen, dass die Fingerspitze mit einem Objekt oder einer Fläche in Kontakt steht (z. B. in einem virtuellen Raum oder an einem entfernten Ort), wodurch der Benutzer einen Sinn eines Gefühls erhält. Da das Sensorsystem 1200 an dem Handrücken ausgerichtet ist, sind die haptischen Betätiger über Leiter (nicht dargestellt), die sich um den Finger wickeln, mit Pads 1224 verbunden.
Nach einer bestimmten Umsetzung ist jeder Betätiger eine flexible Metallmembran (z. B. ein Kaptonmylarfilm), die über ein steifes Substrat gestreckt ist. Die Membran schrumpft oder erweitert sich basierend auf einer Spannung, die durch die Sensorschaltung über die Pads 1224 aufgebracht wird. Die haptischen Betätiger können als winzige „Lautsprecher“ verwendet werden, die mit verschiedenen Wellenformen angetrieben werden, um verschiedene Flächen zu simulieren, und signalisieren, dass die Finger etwas in einer virtuellen Welt oder an einem externen Ort berührt haben. Die Wellenformen für diese Kontaktereignisse hängen von der Art der Fläche ab, die simuliert wird, der Anzahl der Fingerspitzen, die die Fläche kontaktieren, der Rate der Bewegung über die virtuelle Fläche usw. In einigen Fällen kann ein begleitender Ton bereitgestellt werden, um das Gefühl des Kontakts zu verstärken. Beispiele haptischer Betätiger, die mit verschiedenen Umsetzungen verwendet werden können, umfassen die von Novasentis Inc. aus Berkeley, Kalifornien bereitgestellten.
14A bis 14C zeigen einen Stapel Bestandteile eines Sensorsystems, das die Gelenksensoren und haptischen Betätiger umfasst. Die Bestandteile, die sich auf die Abduktorsensoren beziehen, sind um der Klarheit Willen nicht dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass die Abduktorbaugruppen ähnlich wie die dargestellten Gliederbaugruppen gebildet werden können, was die Materialien und die Anordnung der Bestandteile betrifft (ohne die Bestandteile, die sich auf die haptischen Betätiger beziehen).
Mit Verweis auf 14A ist eine ergonomische Rückplatte 1402 unten an dem Stapel relativ zur Ausrichtung der Figur gezeigt. Die Rückplatte 1402 weist eine gebogene Fläche auf, die dem Rücken der Hand des Benutzers entspricht. Haptische Busleitungen 1404 (zur Verbindung mit den haptischen Betätigern, die nicht dargestellt sind) werden mit leitfähiger Tinte auf eine Seite des PET-Substrats 1406 gedruckt. Sensorbusleitungen 1408 (einschließlich Pads zur Verbindung mit der Sensorschaltungsplatine), die verwendet werden, Signale von jedem der Gelenksensoren zu aktivieren und zu lesen, werden mit leitfähiger Tinte auf der anderen Seite des PET-Substrats 1406 gedruckt.
Mit Verweis auf 14B sind PET-Substrate 1410 über Sensorbusleitungen 1408 und dem PET-Substrat 1406 platziert. Sensortraces 1412 (einschließlich einiger Traces zur Verbindung mit Busleitungen) werden in leitfähiger Tinte auf PET-Substrate 1410 (und teilweise auf PET-Substrat 1406 zur Verbindung mit den Busleitungen 1408) gedruckt. Jedes parallele Paar Traces (z. B. 1413) auf PET-Substraten 1410 entspricht einem Gelenksensor. Eine Kohlenstoffpassivierungsschicht 1414 wird über Sensortraces 1412 und offenliegenden Abschnitten der Busleitungen 1408 gedruckt, um die leitfähigen Traces vor Anlaufen und Kriechen zu schützen. Dielektrische Streifen können über Abschnitten der Bustraces platziert werden, um sie von den Sensortraces und dem piezoresistiven Material zu isolieren.
Mit Verweis auf 14C sind Streifen aus piezoresistivem Stoff 1416 in Kontakt mit jedem Paar Sensotraces 1412 platziert, um die Gelenksensoren zu bilden. Jeder Stoffstreifen 1416 weist einen PET-Streifen 1418 auf, der als ein Versteifer angewendet ist, der unter Verwendung des druckempfindlichen Klebstoffs (PSA) 1420 gesichert ist. PET 1418 macht den Stoff 1416 asymmetrisch steifer, sodass es der Biegung des Stoffs widerstand, was eine Verzerrung verursacht, wodurch das Biegesignal verstärkt wird und die gewünschte Sensorreaktion und der dynamische Bereich erreicht wird. Wie zu erkennen ist, kann eine Vielzahl von Materialien verschiedener Steife und/oder Dicke als Versteifer verwendet werden, abhängig von der gewünschten Reaktion und dem dynamischen Bereich. TPU-Streifen 1422 sind über den Gelenksensoren platziert und werden erhitzt, um die Bestandteile thermal miteinander zu verbinden, und die piezoresistiven Streifen in Kontakt mit ihren jeweiligen Sensortraces zu befestigen.
Wie oben erwähnt, werden die Sensortraces 1412 so gedruckt, dass Abschnitte der Sensortraces sich an den PET-Substraten 1410 befinden und andere Abschnitte die Busleitungen 1408 auf dem darunterliegenden PET-Substrat 1406 kontaktieren und sich damit verbinden. Verbindungen zwischen Sensortraces 1412 und Busleitungen 1408 können auch durch das PET-Substrat 1406 erfolgen, z. B. unter Verwendung von Durchkontaktierungen. Und obwohl die Gelenksensoren als zwei parallele Traces verwendend dargestellt sind, werden auch andere Tracegruppenkonfigurationen betrachtet. Beispielsweise werden Sensortraces mit Erweiterungen zwischen den Gliedern bei einigen Umsetzungen wie oben besprochen eingesetzt. Ein anderes Beispiel einer solchen Umsetzung ist in 15 und 16 zu sehen.
15 zeigt die Sensortraces und Busleitungen eines Sensorsystems 1500 ohne andere Schichten und Bestandteile, um die Details dieser Strukturen nicht zu verdecken. Jede der fünf Gliederbaugruppen 1502 umfasst vier Gelenksensoren 1504 wie an der Gliederbaugruppe angezeigt, die dem Mittelfinger entspricht. Wenn zwei Sensoren pro Gelenk vorliegen, kann dies eine feinere Erkennung und/oder Darstellung von Bewegung erlauben. Es sind auch vier Abduktorbaugruppen 1506 dargestellt.
Nach dieser Klasse der Umsetzungen und wie in 16 dargestellt, sind Busleitungen 1602 (die sowohl Sensor- und haptischen Busleitungen umfassen) mit leitfähiger Tinte auf eine Seite eines TPU-Substrats 1604 gedruckt. Sensortraces 1606 werden aus leitfähiger Tinte auf die andere Seite des TPU-Substrats 1604 gedruckt und mit den entsprechenden Busleitungen durch das TPU-Substrat 1604 verbunden, z. B. unter Verwendung von Durchkontaktierungen. Diese Baugruppe wird dann in Kontakt mit dem piezoresistiven Stoff platziert, z. B. in der Form eines Handschuhrohlings (nicht dargestellt). Diese Bestandteile werden dann erhitzt, was die Sensortraces 1606 an dem piezoresistiven Stoff sichert, aus dem ein Sensorhandschuh hergestellt wird. Abduktorbaugruppen 1608 (von denen nur die Traces zu sehen sind) können ähnlich aufgebaut sein.
Alternativ dazu können Abduktorbaugruppen 1608 aufgrund ihrer relativ einfachen Strukturen auf dem piezoresistiven Stoff gebildet werden, z. B. unter Verwendung von leitfähiger Tinte und Isolatoren gedruckt werden (für die Busleitungen, die sich auf und von den Abduktorsensoren erstrecken).
Wie bezüglich der obigen Beschreibung zu erkennen ist, sind die Anwendungen für Sensorhandschuhe, die durch diese Offenbarung ermöglicht werden, zahlreich und vielseitig. Wie oben erwähnt, kann die Aktion einer menschlichen Hand in einem solchen Sensorhandschuh auf Steuersysteme, Vorrichtungen und Prozesse in der realen und virtuellen Welt übertragen werden. Unter Verwendung eines Sensorhandschuhs kann ein Mensch mit Objekte in einem virtuellen Raum interagieren, Handlungen in Video- und Onlinespielen sowie in Bildungs- und künstlerischen Anwendungen ausführen. Beispielsweise kann ein Sensorhandschuh verwendet werden, um ein chirurgisches Verfahren zu simulieren, ein virtuelles Musikinstrument zu spielen, ein virtuelles Orchester zu dirigieren, ein virtuelles Kunstwerk zu malen usw. Die Übertragung der Bewegungen der menschlichen Hand in die virtuelle Welt könnte realistischere computergestützte Animation unterstützen. Industrielle Anwendungen können die Fernsteuerung von Herstellungsapparaten oder Robotern umfassen, die Gefahrenstoffe handhaben. Wie aus der Vielfalt dieser Beispiele zu erkennen ist, ist der Anwendungsbereich annähernd unbegrenzt. Der Umfang dieser Offenbarung sollte daher nicht durch Verweis auf bestimmte Anwendungen eingeschränkt sein.
Es wird durch einen Fachmann auf dem Gebiet verstanden, dass Änderungen an der Form und den Details der Umsetzungen, die hierin beschrieben sind, ohne Abweichen vom Umfang dieser Offenbarung stattfinden können. Weiterhin wurden zwar verschiedene Vorteile und Aspekte bezüglich bestimmter Umsetzungen beschrieben, der Umfang dieser Offenbarung sollte jedoch nicht durch Verweis auf solche Vorteile und Aspekte eingeschränkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15621935 [0001]
US 14928058 [0001]
US 62072798 [0001]
US 14671821 [0001, 0029]
US 14299976 [0001, 0018]
US 7468332 f [0015]

Claims

Sensorsystem zur Integration in einen Handschuh, umfassend: mehrere Gliederbaugruppen, wobei jede Gliederbaugruppe konfiguriert ist, um an einem entsprechenden Finger des Handschuhs ausgerichtet zu sein, wobei jede Gliederbaugruppe ein flexibles dielektrisches Substrat, mehrere Sensortracegruppen auf dem flexiblen dielektrischen Substrat, Routingtraces, die mit jeder Sensortracegruppe verbunden sind, und mehrere Patches aus piezoresistivem Stoff umfasst, wobei jeder Patch einen Gelenksensor mit einer entsprechenden der Sensortracegruppen bildet; mehrere haptische Betätiger, wobei jeder haptische Betätiger in der Nähe eines Fingerspitzenendes einer entsprechenden der Gliederbaugruppen angeordnet und konfiguriert ist, taktile Stimulation an einer Fingerspitze in dem Handschuh bereitzustellen; und eine Platine, mit der die Gliederbaugruppen verbunden sind, wobei die Platine eine Schaltung umfasst, die konfiguriert ist, ein Gelenksignal von jedem Gelenksensor an jeder Gliederbaugruppe unter Verwendung der entsprechenden Routingtraces zu aktivieren und zu empfangen, wobei jedes Gelenksignal das Biegen eines Gelenks in dem entsprechenden Finger des Handschuhs darstellt, und die Schaltung auch konfiguriert ist, digitale Informationen unter Verwendung der Gelenksignale zu erzeugen, wobei die digitalen Informationen eine Bewegung einer Hand in dem Handschuh darstellen, und die Schaltung ebenfalls konfiguriert ist, jeden der haptischen Betätiger zu aktivieren.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei jede Gliederbaugruppe ein Thermoplast umfasst, durch das die entsprechenden Patches des piezoresistiven Stoffs thermal mit den entsprechenden Sensortracegruppen verbunden sind.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensortracegruppen jeder Gliederbaugruppe eine flexible leitfähige Tinte umfassen, die auf eine erste Fläche des entsprechenden flexiblen dielektrischen Substrats gedruckt wird, und wobei die Routingtraces jeder Gliederbaugruppe die flexible leitfähige Tinte an eine zweite Fläche des entsprechenden flexiblen dielektrischen Substrats angrenzend umfassen, wobei die zweite Fläche der ersten Fläche gegenüber liegt.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Sensortracegruppe jeder Gliederbaugruppe zwei im Wesentlichen parallele Sensortraces umfasst, die an einer Längsachse der entsprechenden Gliederbaugruppe ausgerichtet sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede Sensortracegruppe jeder Gliederbaugruppe zwei Sensortraces umfasst, die Zwischengliederweiterungen aufweisen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend mehrere Versteifer, wobei jeder Versteifer mit einem entsprechenden der Gelenksensoren assoziiert ist, wobei jeder Versteifer an dem entsprechenden Patch des piezoresistiven Stoffs ausgerichtet ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltung ferner konfiguriert ist, die digitalen Informationen unter Verwendung gespeicherter Kalibrierungsdaten zu erzeugen, die einen Bereich der Bewegung für jeden Gelenksensor darstellen.
Sensorsystem nach Anspruch 7, wobei die Schaltung konfiguriert ist, die digitalen Informationen unter Verwendung der Kalibrierungsdaten durch Interpolieren zwischen Datenwerten der Kalibrierungsdaten zu erzeugen, um Positionsbeziehung für Positionen in dem Bewegungsbereich für jeden Gelenksensor zu erzeugen.
Sensorsystem nach Anspruch 7, wobei die Schaltung konfiguriert ist, die Kalibrierungsdaten für jede Benutzersession zu erzeugen, oder wobei die Kalibrierungsdaten Halbleiterschichten sind und die Schaltung konfiguriert ist, die Kalibrierungsdaten für nachfolgende Benutzersessions zu speichern.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die digitalen Informationen für die Verwendung einer Rechnervorrichtung konfiguriert sind, um eine virtuelle Hand in einer virtuellen Umgebung zu steuern, oder wobei die digitalen Informationen zur Verwendung durch ein elektrisches System zum Steuern einer robotischen Vorrichtung konfiguriert sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend mehrere Abduktorbaugruppen, die mit der Platine verbunden sind, wobei jede Abduktorbaugruppe für die Ausrichtung an einem entsprechenden Paar der Finger des Handschuhs verbunden ist und jede Abduktorbaugruppe ein flexibles dielektrisches Substrat, eine Sensortracegruppe an dem flexiblen dielektrischen Substrat, Routingtraces, die mit der Sensortracegruppe verbunden sind und einen Patch aus piezoresistivem Stoff umfasst, wobei der Patch einen Abduktorsensor mit einer entsprechenden Sensortracegruppe bildet, wobei die Schaltung ferner konfiguriert ist, um ein Abduktorsignal von jedem Abduktorsensor an jeder Abduktorbaugruppe unter Verwendung der entsprechenden Routingtraces zu aktivieren und ein Abduktorsignal von jedem davon zu empfangen, wobei jedes Abduktorsignal das Spreizen der Glieder in dem entsprechenden Paar Finger des Handschuhs darstellt, und wobei die Schaltung konfiguriert ist, die digitalen Informationen unter Verwendung der Abduktorsignale zu erzeugen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die taktile Stimulation, die durch jeden haptischen Betätiger bereitgestellt wird, einen Kontakt zwischen der entsprechenden Fingerspitze und einem Objekt oder einer Fläche in einer virtuellen Umgebung oder an einem Ort darstellt, der von dem Sensorsystem getrennt ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei jeder haptische Betätiger eine flexible Metallmembran umfasst, die über ein steifes Substrat gestreckt ist, und wobei die flexible Metallmembran in Reaktion auf die Aktivierung durch die Schaltung schrumpft oder sich erweitert.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Schaltung konfiguriert ist, jeden haptischen Betätiger mit jeder der mehreren Wellenformen zu aktivieren, wobei jede Wellenform eines oder beides einer Art einer simulierten Fläche oder einer Bewegungsrate über die Fläche darstellt.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend eine Trägheitsmessungseinheit, die konfiguriert ist, Trägheitsdaten zu erzeugen, die eine Ausrichtung der Hand in dem Handschuh darstellen.
Sensorsystem nach Anspruch 16, wobei die Trägheitsmesseinheit einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, und ein Magnetometer umfasst, und wobei die Trägheitsdaten Neigung, Rollen und Gier der Hand in dem Handschuh darstellen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend einen drahtlosen Transceiver, der konfiguriert ist, die Kommunikation zwischen der Schaltung und einer Rechnervorrichtung zu erleichtern.
Handschuh, umfassend das Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17.