ITMI990565U1 - Dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza su una superficie - Google Patents

Description

Descrizione del Brevetto per Modello di Utilità avente per titolo:

"DISPOSITIVO SENSORE DI FORZA MINIATURIZZATO PER IL RILEVAMENTO DELLA DISTRIBUZIONE DI FORZA SU UNA SUPERFICIE"

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato ha come oggetto un dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza miniaturizzato su una superficie.

Come è noto, in molti campi si ha la necessità di potere conoscere la distribuzione delle forze che agiscono perpendicolarmente su una superficie.

In particolare, è necessario eseguire misure delle forze sotto l'impronta dei pneumatici, per esaminare l'appoggio del pneumatico alla variazione del carico statico ed il comportamento della pressione, quando il pneumatico ruota a varie velocità.

Le misure precise delle forze sotto i pneumatici sono importanti per ottimizzare il loro rendimento e la loro resistenza all'usura, dando la possibilità di esaminare varie forme e disegni del battistrada del pneumatico.

Anche in ortopedia, è necessario potere misurare la distribuzione della forza, generata da una parte del corpo su una superficie, ed in particolare modo nell'appoggio dei piedi.

E' infatti di notevole importanza poter esaminare la distribuzione del peso corporeo sulla pianta del piede, come è necessario esaminare le varie pressioni generate sulla superficie, durante la deambulazione.

Infatti, gli esami statici e dinamici dell'appoggio· dei piedi, sono fondamentali per il rilevamento di anomalie di appoggio e nei prescrivere e progettare scarpe e plantari correttivi.

Anche nel caso della riabilitazione, è necessario calcolare e visualizzare su un monitor, in tempo reale, la proiezione del baricentro del corpo sull'area di appoggio per fare esercizi, per riabilitare persone che hanno subito traumi che hanno influenzato la loro stabilità e la capacità al controllo del proprio corpo.

Per eseguire tali misure, sono attualmente previste delle pedane o superfici, che utilizzano sensori piezoresistivi o capacitivi, che non sono assolutamente in grado di offrire un'alta risoluzione spaziale, associata ad una precisione nella lettura, per cui non è possibile disegnare esattamente una corretta mappa della distribuzione degli sforzi o pressione.

li compito che si propone il presente trovato è quello di risolvere il problema sopra esposto, realizzando un dispositivo sensore di forza che dia la possibilità di definire la distribuzione delle forze in spazi miniaturizzati, avendo così la possibilità di rilevare in tempo reale una distribuzione localizzata in spazi estremamente ridotti e di grandissima precisione.

NeH'ambito del compito sopra esposto, uno scopo particolare del trovato è quello di realizzare un dispositivo sensore che sia in grado di resistere anche a sforzi notevoli, senza subire modifiche strutturali che potrebbero variare la sua precisione di funzionamento.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo che, per le sue peculiari caratteristiche realizzative, sia in grado di assicurare le più ampie garanzie di affidabilità e di sicurezza nell'uso.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di fabbricare un dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forze su una superficie, che sia facilmente ottenibile utilizzando elementi e materiali di comune reperibilità in commercio, e che, inoltre, sia competitivo da un punto di vista economico.

Il compito sopra esposto, nonché gli scopi accennati ed altri che meglio appariranno evidenziati in seguito, vengono raggiunti da un dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza su una superficie, caratterizzato dal fatto di comprendere una piastra metallica, sulla quale è applicato un circuito stampato per il supporto di una pluralità di sensori costituiti da un supporto in ceramica, su cui è stampata pasta resistiva, presentante contatti collegabili mediante saldatura ai contatti del circuito stampato per realizzare un collegamento meccanico ed elettrico.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto del presente trovato risulteranno maggiormente evidenziati attraverso un esame della descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza su una superficie, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, con l'ausilio dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 rappresenta schematicamente, in vista prospettica, il dispositivo sensore di forza, secondo il trovato;

la figura 2 rappresenta il circuito funzionale elettrico.

Con particolare riferimento ai simboli numerici delle suddette figure, il dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza su una superficie, secondo il trovato, comprende una piastra metallica spessa 1 , sulla quale viene incollato, con una colla strutturale, un circuito stampato 2, in modo che il circuito stesso non subisca deformazioni.

Sul circuito stampato vengono applicati sensori 3, che sono realizzati con la tecnologia a film spesso od a film sottile, stampando una pasta resistiva 4 su uno strato in ceramica 5.

La pasta resistiva 4 definisce dei contatti 6, che vengono connessi, mediante saldatura, a corrispondenti contatti 8, previsti sul circuito stampato.

Le saldature hanno la funzione di eseguire un ancoraggio meccanico sul circuito stampato e nel contempo, un collegamento elettrico con gli altri sensori e con il circuito esterno di interfaccia e controllo.

Le resistenze del singolo sensore sulla ceramica possono essere multiple.

Inoltre vengono previsti degli elementi di appoggio 10 sul circuito stampato, in modo che si faciliti la deformazione della ceramica.

Infatti, applicando una forza sul sensore, la ceramica si deforma causando lallungarsi della resistenza e quindi cambiando il suo valore.

La variazione della resistenza è linearmente proporzionale con la forza applicata sul singolo sensore.

I sensori, formati da una singola resistenza, sono organizzati in una matrice di colonne e di righe e sono collegati sul circuito stampato.

I segnali rilevati dai sensori vengono portati all'esterno, tramite connettori definiti sul circuito stampato.

L'elettronica di funzionamento, come è illustrato in figura 2, comprende sostanzialmente un microcontrollore 20, che ha il compito di gestire l'acquisizione dei dati, ed è connesso, tramite un convertitore analogico-digitale 21 , ad un primo multiplexer 22, al quale sono connessi gli amplificatori operazionali 23, che sono associati alle varie righe, costituenti la matrice di sensori, e che rilevano una tensione variabile in funzione della resistenza del sensore.

Risulta previsto un secondo multiplexer 25, che attiva una colonna alla volta dei sensori.

Il microcontrollore 20 è associato ad una memoria 27, per la memorizzazione dei dati, ed inoltre risulta prevista una interfaccia 28 per la connessione ad un PC 29.

L'elettronica munita di microcontrollore, oltre ad acquisire e memorizzare i valori di forza della matrice, ha un protocollo di comunicazione seriale o verso un computer esterno.

Il software sul computer visualizza le mappe di forza sul piano della matrice ed il circuito di interfaccia provvede all'isolamento tra le celle, in modo che ogni singolo sensore senta unicamente la forza applicata sulla propria superficie.

La tensione di riferimento, utilizzata dagli amplificatori operazionali, può variare da 100 mV fino a 10 V, in funzione del circuito di amplificazione successivo e dell'alimentazione.

Il microcontrollore attiva una colonna alla volta con il comando del secondo multiplexer.

All'uscita degli amplificatori sarà quindi presente la tensione di quella colonna attivata.

I) microcontrollore converte il segnale di un amplificatore alla volta ed i dati convertiti vengono poi memorizzati in memoria locale.

Il protocollo di comunicazione con il computer gestisce la trasmissione di questi dati al computer, per essere elaborati e visualizzati, nonché memorizzati nella memoria di massa del computer.

L'elettronica sul computer provvede a compensare gli errori iniziali dei singoli sensori ed esegue la correzione della discrepanza nella risposta dinamica dei singoli sensori.

I sensori, collegati ed organizzati in questo modo, hanno lo scopo di fornire una mappa di distribuzione delle forze perpendicolari sulle superfici, risultando particolarmente idonei nell'applicazione in vari campi come, ad esempio, nel caso delle forze sotto impronta dei pneumatici, e nel caso di applicazioni in ortopedia.

Da quanto in precedenza descritto si vede quindi come il trovato raggiunga gli scopi proposti.

In particolare si sottolinea che viene realizzato un dispositivo sensore, particolarmente pratico e funzionale.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i particolari costruttivi potranno essere sostituiti da altri elementi, tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.

Claims (7)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1 . Dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza su una superficie, caratterizzato dal fatto di comprendere una piastra metallica, sulla quale è applicato un circuito stampato per il supporto di una pluralità di sensori, costituiti da un supporto in ceramica, su cui è stampata pasta resistiva presentante contatti collegabili per saldatura a quelli del circuito stampato per la realizzazione di un collegamento meccanico ed elettrico.
2. 2. Dispositivo sensore di forza, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere punti di appoggio tra i sensori ed il circuito stampato per ridurre la forza di taglio sul punto di saldatura, diminuendo così l'isteresi meccanica.
3. 3. Dispositivo sensore di forza, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i suddetti sensori sono disposti a matrice.
4. 4. Dispositivo sensore di forza, secondo una o più rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che esso comprende un circuito elettronico per l'elaborazione dei dati rilevati presentante un microcontrollore, operativamente associato ad un primo multiplexer per acquisire il segnale dalle singole righe di sensori e che il microcontrollore è connesso ad una memoria, tramite l'interposizione di un convertitore analogico-digitale; è inoltre previsto un secondo multiplexer per la scansione per colonne dei vari sensori.
5. 5. Dispositivo sensore di forza, secondo una o più rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere amplificatori operazionali, la cui tensione di uscita è in funzione della resistenza del sensore.
6. 6. Dispositivo sensore di forza, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suddetto microcontrollore è connesso ad un computer per la gestione dei dati e per la visualizzazione in tempo reale della distribuzione di forze.
7. 7. Dispositivo sensore di forza miniaturizzato per il rilevamento della distribuzione di forza su una superficie, secondo una o più rivendicazioni precedenti, il tutto come più ampiamente descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.