TW201348685A - 壓力感測器 - Google Patents

Abstract

本發明係一種壓力感測器，包括二連接元件及一感應元件，該等連接元件係位於該壓力感測器之一側，且能與一電子裝置相電氣連接；該感應元件係由導電橡膠構成，其兩端係與該等連接元件相連接，以導通該電子裝置傳來之電流，且使該電子裝置能透過該電流及該等連接元件間之電位差，計算該感應元件之阻抗值的變化，該感應元件之中段部係被彎折形成複數個感應部，該等感應部係位於該壓力感測器之另一側，在該壓力感測器受到外力擠壓的情況下，該等感應部將因該感應元件受力所產生之彈性變形，而彼此接觸。如此，由於該感應元件上之電流導通路徑係隨著各該感應部的形變而改變，故該電子裝置將能透過偵測該感應元件上阻抗值的變化，據以判斷出該壓力感測器所承受的外力大小。

Description

壓力感測器

本發明係一種壓力感測器，尤指以導電橡膠為材質之一壓力感測器，該壓力感測器係與一電子裝置相電氣連接，且具有複數個感應部，在該壓力感測器受到外力擠壓的情況下，該等感應部能產生彈性變形，以改變其阻抗值，使該電子裝置能透過阻抗值的變化，判斷該壓力感測器承受外力的大小。

按，隨著微電腦技術的精進及電子產業的高度發展，機器人(Robot)已成為一種新興產業，在當代工業中，機器人已能夠取代或協助人類進行高危險性工作，如：組裝、噴漆、焊接、高溫鑄鍛…等，甚至是醫療救援、娛樂服務、軍事保全與太空探索等領域，亦使用了諸多機器人設備，根據IFR(International Federation of Robotics)所提供的統計資料，2010年全球機器人的消費市場已達到350億美元，其中產業用機器人的銷售額約為190億美元，服務型機器人的銷售額則約為160億美元，因此，為能設計出更為適用與高效能的機器人設備，現今已出現各種機器人競賽，例如：WRO國際奧林匹克機器人大賽、FLL OIC(Open International Championship)高雄世界盃機器人大賽、PMC機器人創意競賽、香港青少年機器人世界盃(RCJHK)，且眾多業者亦紛紛針對機器人的各部位結構進行改良，以能滿足產業上的各種需求。

一般言，機器人產業的發展大抵朝向專業應用為主，但隨著 社會結構的變化，如：老年人口增加、小家庭數量上升…等，服務型機器人亦逐漸獲得業者與消費者的重視。服務型機器人的整體外觀大多被設計成近似人類，具備四肢及五官等特徵，故業者的研發重點主要著落於「靈巧手掌」、「安全感知」、「敏捷移動」、「智慧控制」等四大方面。然而，由於機器人並不具備人類的神經系統，無法依據其聽覺、觸覺及視覺進行動作上的調整，因此在前述四大方向的控制上並不理想，以機器人的「敏捷移動」要求為例，請參閱第1圖所示，傳統的雙足機器人藉由兩腳掌11、12行走於非平坦的地面10上時，若其中一腳掌11踩踏至地面10的隆起處101，由於雙足機器人之控制單元未得知該腳掌11僅有局部碰觸到該隆起處101，故當機器人抬起另一腳掌12後，雙足式機器人的全身重量將會落至該腳掌11上，由於該腳掌11絕大部分皆為懸空狀態，故會造成該雙足式機器人的重心不穩，而發生晃動甚至是摔倒等情形，不僅嚴重影響雙足式機器人於行走上的流暢性，更可能導致雙足式機器人損壞。又，除了前述地面10隆起的情況外，當地面10具有凹陷處時，在雙足式機器人的其中一腳掌11、12踩踏至凹陷處後，同樣會發生重心不穩的問題，導致雙足式機器人整體傾斜而摔倒。同理，當機器人欲以手掌抓持住一較易變形之物件(如：水杯、紙盒)時，由於機器人無法判斷出目前施力的大小是否適當，故很容易因施力過重而破壞物件，或因施力過輕而摔落物件，造成其動作上的侷限。

承上，目前雖然有業者以奈米微粒層設計出用於機器人之感應器，而在醫療領域中亦已研發出可感應觸覺的電子皮膚，然而，無論是感應器或電子皮膚，其感測方式及內部結構皆過於複雜， 需要極為精密的電子控制系統，且其生產成本亦過於高昂，難以普及推廣。因此，如何設計出一種壓力感測器，除能準確地感測出機器人所受的外力，尚具備結構簡單及成本低廉等優點，即成為本發明在此亟欲解決的重要問題。

有鑑於習知機器人因缺少一觸覺感應機制，致使在動作上不夠敏捷靈巧的問題，發明人憑藉著多年的研究經驗，經過多次的實驗及測試後，終於設計出本發明之一種壓力感測器，期能用以提昇機器人在控制上的精密度及流暢度。

本發明之一目的，係提供一種壓力感測器，包括二連接元件及一感應元件，該等連接元件係位於該壓力感測器之一側，彼此間隔一第一間距，且能分別與一電子裝置(如：機器人足部控制器)相電氣連接；該感應元件之材質為導電橡膠，其兩端係分別與各該連接元件相連接，以導通該電子裝置傳來之電流，並在該等連接元件間形成一電位差，該感應元件之中段部係彎折形成複數個感應部，該等感應部係位於該壓力感測器之另一側，且彼此間分別間隔有一第二間距，在該壓力感測器受到外力擠壓時，該等感應部將因該感應元件受力所產生之彈性變形，而彼此接觸。如此，由於該等感應部產生形變時，流經該感應元件上之電流傳輸路徑將隨之改變，故該電子裝置能透過該等連接元件，據以偵測出該感應元件上阻抗值之變化，並據以判斷出該壓力感測器所 承受的外力大小，並執行相對應之動作(如：控制機器人步行)。

本發明之另一目的，乃該壓力感測器尚包括一絕緣殼體，該絕緣殼體上開設有二開孔，該等開孔係與該絕緣殼體內之一容置空間相連通，且其構型係與該感應元件之兩端相匹配，以在該感應元件定位於該容置空間中的情況下，該等開孔能與該感應元件之兩端相嵌卡，以使該絕緣殼體與該感應元件結合成一體。如此，由於該絕緣殼體能隔絕外界之水氣及塵埃，且能將該感應元件限位於該容置空間中，故除能提昇該壓力感測器之使用壽命外，尚能確保該等感應部係沿著該壓力感測器之軸線方向進行位移，使該感應元件之阻抗變化能更精確地與外力相對應。

為便 貴審查委員能進一步理解本發明之技術、結構特徵及其目的，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

本發明係一種壓力感測器，請參閱第2及3A圖所示，係本發明之第一較佳實施例，該壓力感測器2係應用於一電子裝置(如：機器人)上，包括二連接元件21及一感應元件22，該等連接元件21係位於該壓力感測器2之一側，且彼此間間隔有一第一間距M1，該等連接元件21係能與該電子裝置之電子線路相電氣連接。

復請參閱第2圖所示，該感應元件22之材質為導電橡膠，其兩端分別連接至各該連接元件21，以導通該電子裝置傳來之電流，且該感應元件22係能經彎折形成二連接部221及複數個感應部222，各該連接部221係位於鄰近該感應元件22兩端之位置， 該等感應部222則位於該等連接部221之間對應於該壓力感測器2之另一側之位置，且彼此間分別間隔有一第二間距M2，在本發明之第一較佳實施例中，該等感應部222包括一第一感應部222a、一第二感應部222b及一第三感應部222c，該等感應部222係沿著該壓力感測器2之軸線L排列，且與該軸線L相垂直，但彼此間係相互平行。

茲以第3A~3B圖為例，詳細說明該壓力感測器2實際感測方式如後：請參閱第3A圖所示，在該壓力感測器2未受外力擠壓的情況下，由於該等感應部222並未接觸，故該電子裝置之電流將依序流經第3A圖中之A1、B1、C1、D1及E1等各該傳輸部位，並在該等連接元件21之間形成一電位差，該電子裝置在偵測出流經該壓力感測器2上之電流及其兩端之電位差後，即能進一步計算出該感應元件22在未受力時的一第一阻抗值R1；請參閱第3B圖所示，在該感應元件22受較輕程度之外力擠壓時，該第一感應部222a係與該第二感應部222b相接觸，由歐姆定律可知，阻抗越低的線路，電流分佈越大，故在第3B圖中，電流的主要傳輸路徑將改為依序流經A2、B2、C2、D2及E2等傳輸部位，由於此時的傳輸路徑並未完全包括該第一感應部222a及第二感應部222b，故其傳輸距離明顯較該感應元件22未受外力時短，因此該電子裝置計算出之一第二阻抗值R2將小於該第一阻抗值R1。

同理，請參閱第3C圖所示，在該壓力感測器2承受較大之外力擠壓時，該第一感應部222a、第二感應部222b及第三感應部222c將會全部抵靠接觸，使電流的傳輸路徑改為依序流經A3、B3、C3、D3及E3，且此時該電子裝置計算之第三阻抗值R3將小於之 前計算之阻抗值R1、R2。在此要特別一提者，復請參閱第2圖所示，雖然在本實施例中，該等感應部222係透過彼此之相互接觸與否，以改變該壓力感測器2上之阻抗，惟，在本發明之其他較佳實施例中，該等感應部222之阻抗變化並無須限定於需相互接觸，此乃因彈性橡膠係為一彈性材質，故在該壓力感測器2受外力擠壓時，各該感應部222之厚度M3亦將隨外力擠壓而產生形變，而各該感應部222之厚度M3的變化，即能使電流傳輸路徑縮短，進而改變各該感應部222之阻抗上。意即，前述第3A~3C圖中，係為了特別凸顯該等感應部222在受壓時電流傳輸路徑之明顯變化，故始將各該感應部222繪製為相互接觸，惟，在實際施作上，各該感應部222並無需相互接觸，僅需受力形變，即可使該壓力感測器2之阻抗產生變化，進而供電子裝置判斷出該外力之大小，合先陳明。

復請參閱第2圖所示，如此，該電子裝置僅需依據該等阻抗值R1~R3之變化，即能正確地得知該壓力感測器2目前承受的外力大小，進而執行相對應之動作，例如：業者能將複數個壓力感測器2裝設於一機器人之腳掌，以透過該等壓力感測器2，得知機器人之腳掌是否完全踩實，或腳掌上各個部位的受力是否平均，使機器人能更精確、穩定地行走。此外，該壓力感測器2之受力方向並不以該感應元件22之底側(即，第3A圖中之正下方)為限，無論該壓力感測器2之受力部位為該連接部221、該連接部221及該第一感應部222a之交接處，該感應元件22均能藉由彈性變形改變其阻抗，以提昇該壓力感測器2之感測範圍、敏銳度及其實用性。

復請參閱第2~3C圖所示，在前述實施例中，該等感應部222間雖保持相同之第二間距M2，惟，該等感應部222之間距係可依業者之需求進行調整，或該等感應部222間亦能間隔極小或甚至相互貼靠，由於該感應元件22係具有彈性，故該等感應部222將能朝彼此方向迫緊，以改變該等感應部222之整體厚度，如此，該電子裝置之電流的導通路徑亦將隨著該等感應部222的壓縮而減短，進而改變該感應元件22之阻抗值，達成相同的壓力感測效果。

另，請參閱第2及4圖所示，係本發明之第二較佳實施例，該壓力感測器2尚包括一絕緣殼體23，該絕緣殼體23係由絕緣之彈性材質構成，且其內部設有一容置空間231，該容置空間231之構型係略大於該感應元件22，以供容置該感應元件22，且包覆住該等感應部222，該感應元件22之兩端係能穿過該絕緣殼體23之頂部，使該等連接元件21外露於該絕緣殼體23外，使該連接元件21、感應元件22及該絕緣殼體23結合成一體。如此，該絕緣殼體23不僅能隔絕外界之水氣及塵埃，以提昇該壓力感應器2之使用壽命，且由於該感應元件22係被限位於該絕緣殼體23中，故尚能確保該感應元件22在受外力擠壓時，該等感應部222能沿著該軸線L之方向位移(或沿著該軸線L之方向產生形變)，使該感應元件22之阻抗變化能更精確地與外力大小相對應。

又，復請參閱第4圖所示，在本實施例中，該等連接元件21之材質亦為導電橡膠，且係與該感應元件22一體成形製成，各該連接元件21上鄰近其一端之位置尚分別凹設有一凹陷部210，該凹陷部210之構型係小於該連接元件21之兩端，但與該電子裝置 中一電路板4上的穿孔40相匹配，以在該連接元件21之一端經由形變穿過該穿孔40後，該凹陷部210能與該穿孔40相嵌卡，使該壓力感測器2穩固地定位至該電路板4上，並與該電路板4上之電子線路相電氣連接。

在此要特別一提者，復請參閱第2圖所示，該壓力感測器2除應用於機器人感測之外，尚能應用在各種不同層面，例如：業者可將該壓力感測器2裝設於住家、汽車之入口或窗戶邊，且將該壓力感測器2與一防盜設備相電氣連接，如此，在該防盜設備未被解除的情況下，若該防盜設備偵測到該壓力感測器2上產生阻抗變化，即能自動發出警報。

按，以上所述，僅為本發明之若干較佳實施例，惟，本發明之技術特徵，並不侷限於此，凡相關技術領域之人士在參酌本案之技術內容後，所能輕易思及之等效變化，均應不脫離本發明之保護範疇。

2‧‧‧壓力感測器

21‧‧‧連接元件

210‧‧‧凹陷部

22‧‧‧感應元件

221‧‧‧連接部

222‧‧‧感應部

222a‧‧‧第一感應部

222b‧‧‧第二感應部

222c‧‧‧第三感應部

23‧‧‧絕緣殼體

231‧‧‧容置空間

4‧‧‧電路板

40‧‧‧穿孔

A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E2、E3‧‧‧傳輸部位

M1‧‧‧第一間距

M2‧‧‧第二間距

M3‧‧‧厚度

L‧‧‧軸線

第1圖係習知之機器人腳掌示意圖；第2圖係本發明之壓力感測器之第一較佳實施例示意圖；第3A圖係本發明之壓力感測器之第一較佳實施例示意圖；第3B圖係本發明之壓力感測器之第一較佳實施例示意圖；第3C圖係本發明之壓力感測器之第一較佳實施例示意圖；及第4圖係本發明之壓力感測器之第二較佳實施例示意圖。

2‧‧‧壓力感測器

21‧‧‧連接元件

22‧‧‧感應元件

221‧‧‧連接部

222‧‧‧感應部

222a‧‧‧第一感應部

222b‧‧‧第二感應部

222c‧‧‧第三感應部

L‧‧‧軸線

Claims (6)

1. 一種壓力感測器，包括：二連接元件，係位於該壓力感測器之一側，該等連接元件間係間隔有一第一間距，且能與一電子裝置相電氣連接；及一感應元件，係由導電橡膠製成，該感應元件之兩端係分別與各該連接元件相電氣連接，以導通該電子裝置傳來之電流，並在該等連接元件間形成一電位差，該感應元件之中段部係彎折形成複數個感應部，該等感應部係位於該壓力感測器之另一側，且相鄰之該等感應部間分別間隔有一第二間距，在該壓力感測器受到外力擠壓的情況下，各該感應部將因該感應元件受力所產生之彈性變形，而改變該感應元件上之電流傳輸路徑以及電阻值。
2. 如請求項1所述之壓力感測器，其中該等感應部係被包覆於一絕緣殼體中。
3. 如請求項2所述之壓力感測器，其中該絕緣殼體係由彈性材質構成，其內部設有一容置空間，以供容置該感應元件，該感應元件之兩端係能穿過該絕緣殼體之頂部，使該等連接元件露出至該絕緣殼體外。
4. 如請求項3所述之壓力感測器，其中該等連接元件亦由彈性橡膠構成，且該等連接元件係與該感應元件一體成形。
5. 如請求項4所述之壓力感測器，其中各該連接元件上尚分別凹設有一凹陷部，該凹陷部之構型係小於該連接元件之兩端，但 與該電子裝置中一電路板上的穿孔相匹配，以在該連接元件之一端經由形變穿過該穿孔後，該凹陷部能與該穿孔相嵌卡，使該壓力感測器穩固地定位至該電路板上，並與該電路板上之電子線路相電氣連接。
6. 如請求項5所述之壓力感測器，其中該等感應部係沿該壓力感測器之軸線方向形變。