DE202021105263U1 - bending angle sensor - Google Patents
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Abstract
Der Biegewinklersensor enthält ein Sensorelement mit Elektroden, die mit einem Polymer verbunden sind; einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Geometrie des Polymers eine elektrische Änderung im Wandler verursacht; ein Ablesemodul, das eine elektrische Änderung erkennen kann und dadurch gekennzeichnet wird, dass ein Sensorelement zwei Kondensatoren enthält, die jeweils aus drei elastischen Schichten bestehen: zwei Elektroden und einem dazwischen liegendes Dielektrikum, wobei jede Elektrode aus Reaktoplast mit volumenhomogenisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht, der Wandler enthält einen Schalter, einen Präzisionskomparator, einen Mikrokontroller, der mit dem Schalter, dem Komparator und dem Taktgenerator mit Temperaturstabilisierung der Frequenz verbunden ist, eine rauscharme Referenzspannungsquelle mit Temperaturkompensation ist vorhanden und wobei jeder Kondensator des Sensorelements mit einem Kommutator verbunden ist, der so ausgelegt ist, dass er abwechselnd den ersten und den zweiten Kondensator mit der Stromquelle umschaltet, wobei die Kondensatoren parallel an den Eingang des Komparators angeschlossen werden, sodass die Möglichkeit besteht, den momentanen Spannungswert an den besagten Kondensatoren mit der Spannung der Referenzspannungsquelle zu vergleichen, wobei der Komparatorausgang mit den Zählerregistern des Mikrokontrollers verbunden ist, wobei eine von der Mikrokontroller-Software unabhängige Aufzeichnung der Komparatorwerte vorgesehen ist, wobei das Ablesemodul in Form eines Headsets ist mit der Möglichkeit der Übertragung von Messergebnissen an einen Computer oder ein mobiles Gerät über Wireless-Interface sowie mit der Möglichkeit der Stromversorgung des Messwandlers konstruiert. The bending angle sensor includes a sensor element with electrodes connected to a polymer; a transducer configured such that a change in geometry of the polymer causes an electrical change in the transducer; a readout module capable of detecting an electrical change and characterized in that a sensing element includes two capacitors, each consisting of three elastic layers: two electrodes and an intermediate dielectric, each electrode being made of reactoplast with volume-homogenized carbon nanotubes, the Converter includes a switch, a precision comparator, a microcontroller connected to the switch, the comparator and the clock generator with temperature stabilization of the frequency, there is a low-noise reference voltage source with temperature compensation, and each capacitor of the sensor element is connected to a commutator designed so is that he alternately switches the first and second capacitors with the current source, connecting the capacitors in parallel to the input of the comparator, so there is the possibility of connecting the instantaneous voltage value to the said Comparing capacitors with the voltage of the reference voltage source, the comparator output being connected to the counter registers of the microcontroller, recording of the comparator values independent of the microcontroller software being provided, the readout module being in the form of a headset with the Possibility of transferring measurement results to a computer or mobile device via wireless interface, as well as the possibility of powering the transducer.
Description
Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf den Bereich der Messtechnik, und zwar: es gehört zu Messgeräten - Sensoren, die in verschiedenen Bereichen der Technik verwendet werden können, in denen ein äußerst präzises räumliches Messen von Biegewinkeln erforderlich ist beziehungsweise auch dort, wo die Technologie der virtuellen Realität eingesetzt wird. Die Sensoren können in Geräten zur Regeneration der Feinmotorik bei motorischen Störungen, sowie zur Steuerung des Rehabilitationsprozesses eingesetzt werden.The utility model relates to the field of metrology, namely: it belongs to measuring devices - sensors that can be used in various fields of technology where extremely precise spatial measurement of bending angles is required or where the technology of virtual reality is used. The sensors can be used in devices to regenerate fine motor skills in the event of motor disorders and to control the rehabilitation process.
Ein bekanntes Analogon ist ein Sensor zur Messung des Biegewinkels, Bestandteil intelligenter Kleidung für ambulante Registrierung menschlicher Bewegungen, -
- - ein von einer Person getragenes Kleidungsstück;
- - einen elektromagnetischen Energiestrahler;
- - einen elektromagnetischen Energieempfänger;
- - eine spiralförmige Leitung zum Transport elektromagnetischer Energie, in dem elektromagnetische Energie vom elektromagnetischen Energiestrahler zum elektromagnetischen Energieempfänger durch die Leitung fließt, die so konfiguriert ist, dass das menschliche Körpergelenk bedeckt wird. Das Strecken oder Biegen des Leitungselements führt zur Änderung eines oder einiger Parameter elektromagnetischen Energieflusses;
- - und einen Datenprozessor, der Änderungen in einem oder mehreren Parametern analysiert, damit die Bewegung eines Körpergelenks gemessen wird.
- - a garment worn by a person;
- - an electromagnetic energy emitter;
- - an electromagnetic energy receiver;
- - a helical electromagnetic energy transport conduit in which electromagnetic energy flows from the electromagnetic energy emitter to the electromagnetic energy receiver through the conduit configured to cover the human body joint. The stretching or bending of the conducting element results in a change in one or some parameters of electromagnetic energy flow;
- - and a data processor that analyzes changes in one or more parameters to measure movement of a body joint.
Der Nachteil des Analogons besteht in der Komplexität dessen Aufbaus, es ist nämlich notwendig, eine spiralförmige Leitung zum Transport elektromagnetischer Energie einzusetzen, was letztendlich die Genauigkeit der Bewegungsmessung reduziert.The disadvantage of the analog is the complexity of its structure, namely, it is necessary to use a spiral line to transport electromagnetic energy, which ultimately reduces the accuracy of motion measurement.
Ein bekannter analoger Biegewinkelsensor -
- - ein Sensorelement in Form von zwei Elektroden, die mit einem Polymer verbunden sind,
- - einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Polymergeometrie zur elektrischen Änderung im Wandler führt,
- - und eine Ableseelektronik, die mit dem Sensorelement und dem Wandler verbunden und fähig ist, eine elektrische Änderung zu erkennen.
- - a sensor element in the form of two electrodes connected to a polymer,
- - a transducer configured in such a way that a change in polymer geometry results in an electrical change in the transducer,
- - and reading electronics connected to the sensor element and the transducer and capable of detecting an electrical change.
Der Nachteil des Analogons ist eine niedrige Empfindlichkeit des Sensors sowie eine geringe Genauigkeit bei der Messung von Biegewinkeln.The disadvantage of the analogue is a low sensitivity of the sensor, as well as low accuracy when measuring bending angles.
Das technische Ergebnis des vorgeschlagenen Gebrauchsmusters ist - im Vergleich zu den Analoga - eine erhöhte Empfindlichkeit des Sensors, was eine hohe Genauigkeit der Biegewinkelmessung und die Möglichkeit der Verwendung des Sensors für die Arbeit mit virtueller Umgebung gewährleistet.The technical result of the proposed utility model is - compared to analogues - increased sensitivity of the sensor, which ensures high accuracy of measuring the bending angle and the possibility of using the sensor to work with a virtual environment.
Das technische Ergebnis wird im Biegewinkelsensor erzielt, der ein Sensorelement mit Elektroden enthält, die mit einem Polymer verbunden sind; einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Polymergeometrie eine elektrische Änderung im Wandler verursacht; ein Ablesemodul, das eine elektrische Änderung erkennen kann; ein Sensorelement enthält zwei Kondensatoren, die jeweils aus drei elastischen Schichten bestehen: zwei Elektroden und einem dazwischen liegendes Dielektrikum. Jede Elektrode besteht aus Reaktoplast mit volumenhomogenisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen, der Wandler enthält einen Schalter, einen Präzisionskomparator, einen Mikrokontroller, der mit dem Schalter, dem Komparator und dem Taktgenerator mit Temperaturstabilisierung der Frequenz verbunden ist, eine rauscharme Referenzspannungsquelle mit Temperaturkompensation ist vorhanden. Jeder Kondensator des Sensorelements ist mit einem Kommutator verbunden, der so ausgelegt ist, dass er abwechselnd zwischen den ersten und den zweiten Kondensator und der Stromquelle umschaltet. Die Kondensatoren werden parallel an den Eingang des Komparators angeschlossen, sodass die Möglichkeit besteht, den momentanen Spannungswert an den besagten Kondensatoren mit der Spannung der Referenzspannungsquelle zu vergleichen. Der Komparatorausgang ist mit den Zählerregistern des Mikrokontrollers verbunden, wobei eine von der Mikrokontroller-Software unabhängige Aufzeichnung der Komparatorwerte vorgesehen ist. Das Ablesemodul in Form eines Headsets ist mit der Möglichkeit der Übertragung von Messergebnissen an einen Computer oder ein mobiles Gerät über Wireless-Interface sowie mit der Möglichkeit der Stromversorgung des Messwandlers konstruiert.
Der in
Nehmen wir ein Beispiel für eine konkrete Implementierung des Beugewinkelsensors. Der Sensor wird in der Medizin als Teil eines Handbewegungsüberwachungsgerätes für den Rehabilitationsprozess der Feinmotorik eingesetzt. Der Sensor wird zur Messung der Beugewinkel der Handgelenke verwendet. Die Kondensatoren 6, 7 haben die Form von elastischen Platten, die in das Elastikgewebe 17 eingenäht sind, wie in
Jede Elektrode 2 des Kondensators 5, 6 wird mithilfe der Reaktoplast-Technologie hergestellt - die Bestandteile werden durch eine chemische Reaktion gemischt. Das Mischungsverhältnis wird ausgehend von der erforderlichen Festigheit/Härte des Endprodukts bestimmt, die Reaktion findet unter normalen Umgebungsbedingungen statt. Ein Hochgeschwindigkeitsmischer und ein spezielles Rührwerk werden zur Homogenisierung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen 8 verwendet. Danach, nach dem Backverfahren-Prinzip, erfolgt ein schichtweiser Auftrag jeder Schicht - Leiterschicht (Elektrode 2), dann Dielektrikum (Isolator 8), wie in
Damit eine höhere Empfindlichkeit des Sensors gewährleistet wird, wird als Referenzspannungsquelle 14 eine rauscharme Spannungsquelle ADR4525 verwendet, deren Ausgangsspannungsfehler ±0,02% beträgt, Temperaturkoeffizient - 1 ppm/°C, Ausgangsrauschbereich - IµV (0,1-10Hz). Als Komparator 11 wird der Präzisionskomparator LMP7300 verwendet, der folgende Eigenschaften hat: Verzögerung der Ausgangssignalbildung - 4 µs, Verschiebungsspannung - 0,3 mV, Genauigkeit der Referenzspannung - 0,25%, Gleichtaktstörunterdrückungskoeffizient - 100 dB. Als Taktgenerator 13 mit Temperaturstabilisierung wird ein temperaturkompensierter Quarzoszillator FOX924B-20.000 mit einem Grundfrequenzeinstellfehler von ±1,5ppm verwendet.In order to ensure higher sensitivity of the sensor, a low-noise voltage source ADR4525 is used as the
Damit eine hohe Signalverarbeitungsgeschwindigkeit erzielt wird und dadurch eine hohe Empfindlichkeit des Sensors gewährleistet wird, wird der Ausgang des Komparators 11 direkt mit den Zählerregistern 16 des Mikrokontrollers 12 verbunden, sodass eine Aufzeichnung der Werte des Komparators 11 unabhängig von der Software des Mikrokontrollers 1 möglich ist. Die Ausgänge des Komparators 11 sind mit den jeweiligen Eingängen der Timer des Mikrokontrollers 12 verbunden, die so konfiguriert sind, dass bei einer Änderung des Signals vom Komparator 11 die Timer-Logikschaltung getriggert wird, die den aktuellen Wert des Timer-Zählerregisters erfasst und diesen Wert im Erfassungsregister unter Bildung des Vorzeichens „Timer-Erfassung“ speichert. Der beschriebene Vorgang der Timerwert-Erfassung wird von fester Logik des Timers ohne Beteiligung von Signalen des Mikrokontrollers 12 durchgeführt, und für die Kapazitätsmessung darf die Erfassungszeit außer Betracht gelassen werden. Das Ablesen und Verarbeiten der Ergebnisse vom Erfassungsregister 16 erfolgt in der Programmschleife des Mikrokontrollers 12, wenn der Wert des Attributs „Timer-Erfassung“ dem Wert „true“ entspricht. Die Wandlerelemente werden auf der gemeinsamen Druckplatte des Wandlers 4 platziert.In order to achieve a high signal processing speed and thereby ensure a high sensitivity of the sensor, the output of the
Das Ablesemodul 5 in Form eines Headsets ist mithilfe eines Leiters mit dem Wandler verbunden. Es ist dafür ausgelegt, Messergebnisse über Wireless-Interface an einen Computer oder ein mobiles Gerät zu übertragen, wodurch zusätzliche Geräte in der Nähe des Sensors nicht erforderlich sind, Störungen durch diese Geräte auf den Sensor verringert werden und die erforderliche Genauigkeit bei der Messung von Biegewinkeln gewährleistet wird.The
Betrachten wir ein Anwendungsbeispiel des Biegewinkelsensors. Der hier beschriebene Sensor hat mehrere Sensorelemente 1. Sie sind für die Messung der Beugewinkel der Fingergelenke eines/-e Patienten/-in ausgelegt: zwei Sensorelemente 1 pro Finger vom Zeigefinger bis zum kleinen Finger (zwei Gelenke an jedem Finger), ein Sensorelement 1 am Daumengelenk. Der hochpräzise Beugewinkelsensor löst das Problem der Messung und der Ablesung der Gliedmaßenbeugung bei einem/-e Patienten/-in in der feinmotorischen Rehabilitation. Bei der Ablesung stört der Sensor dank seiner geringen Größe den/die Patienten/-in nicht, während er/sie eine Reihe von Übungen zur Regeneration der verlorenen motorischen Funktion ausführt.Let's consider an application example of the bend angle sensor. The sensor described here has
Der Patient beugt den Finger. Dadurch wird das Sensorelement 1 gebogen, sodass das Dielektrikum 8 des Kondensators 7, wie in
Die Umrechnung von Codes in Grad, die Kompensation der Anfangsvorspannung erfolgt nach der Formel:
- α - Messwert, °,
- UkSe - Umsetzungskoeffizient des Sensorelements, [°/PF],
- UkMw - Umsetzungskoeffizient des Messwandlers, [PF/(Imp.)],
- N0 - Nullpunktversatz,
- N - Impulsanzahl gleich der Differenz der Zählerregister 16 sind.
- α - reading, °,
- UkSe - conversion coefficient of the sensor element, [°/PF],
- UkMw - conversion coefficient of the instrument transformer, [PF/(Imp.)],
- N0 - zero offset,
- N - number of pulses are equal to the difference between the counter registers 16.
Dank der hohen Empfindlichkeit des Sensors sind die Daten des Sensors gut mit dem Virtual-Reality-Bild der Hand synchronisiert und dadurch besteht die Möglichkeit, das Bild durch die Verwendung eines Biegewinkelsensors zu steuern.Thanks to the high sensitivity of the sensor, the data from the sensor is well synchronized with the virtual reality image of the hand and this gives the possibility to control the image using a bending angle sensor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 20160338644 [0002]US20160338644 [0002]
- US 6809462 [0004]US6809462 [0004]
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---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |