TW202024558A

TW202024558A - 多彎曲感測器

Info

Publication number: TW202024558A
Application number: TW108138131A
Authority: TW
Inventors: 保羅亨利達伊茲
Original assignee: 美商塔切爾實驗室公司
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-07-01
Also published as: WO2020086457A1; US11221202B2; US20200124397A1; KR20210064390A; CN112912687A; EP3870931A1; EP3870931A4; JP2022505121A

Abstract

本發明揭示一種多彎曲感測器，其能夠以能夠緩解誤差傳播之一方式提供關於感測器資料之彎曲之資訊。一參考條帶及一滑動條帶由一間隔件彼此分離。電極定位於該參考條帶及該滑動條帶上。該多彎曲感測器之該彎曲將被反映在該滑動條帶相對於該參考條帶之移位及自該等電極獲得之量測中。

Description

多彎曲感測器

所揭示設備及方法係關於感測之領域且特定言之，係關於使用一感測器提供定位之準確判定。

在過去，已採用感測手套來偵測手勢。一實例係在美國專利第5,097,252號中闡述之Dataglove，其沿著手指採用光學彎曲感測器以偵測手指位置。Nintendo之Power Glove使用一類似設計，但具有電阻式彎曲感測器。在兩個情況中，彎曲感測器並不非常靈敏，僅提供各彎曲感測器之整體彎曲之一單一量測。

彎曲感測器亦用於手指及手感測之外之應用。其等通常用於更普遍地理解人類運動。另外，彎曲感測器用於機器人、感測結構中之變形及太空衣監測中。

為了更佳理解具有多個關節之系統之位置，一些系統已每一關節或在關節之各點處使用一彎曲感測器。此方法存在限制其實用性之挑戰。例如，彎曲感測器必須針對關節之間之間隔客製化適配。由於人之體型變動，對於針對間隔適配之需要對於追蹤人類運動可存在問題。

另外，存在來自關節量測之級聯誤差之問題。例如，一手指之各連續片段之角度可經判定為與該片段之關節角度之總和。因此，針對各先前關節進行之角度量測中之任何誤差累積。此係機器人臂使用極高精確性角度編碼器以尋找一適度精確位置之原因。不幸地，便宜的彎曲感測器具有不良角度精確性，從而使其等不足以理解級聯關節誤差之影響。

系統已嘗試藉由使用相機及其他感測技術來直接量測手指位置而克服此缺點。基於相機之技術存在難以找到觀察正在發生的事情之良好視點的挑戰。其他位置感測器系統可係體積大及/或昂貴的。可使用慣性追蹤，但其具有嚴重的漂移問題。

另外，存在光纖布拉格(Bragg)光柵感測器，其等允許量測沿著一光纖束之長度之彎曲且可恢復一特定幾何形狀之詳細形狀。此等感測器難以製造且需要大量、體積大的儀器及複雜校準。此外，其等昂貴且對於大多數應用不實際。

因此，需要用於透過使用感測器而準確地判定彎曲之一經改良方法及設備。

根據本發明之一個態樣，本發明提供一種多彎曲感測器，其包括：一參考條帶，其中該參考條帶具有經放置於其上之第一複數個電極，其中該第一複數個電極之各者傳輸一信號，其中該參考條帶經調適以在至少一個維度上可撓性地移動；一滑動條帶，其中該滑動條帶具有經放置於其上之第二複數個電極，其中該滑動條帶經固定至該參考條帶之一部分，其中該滑動條帶經調適以在該參考條帶移動時在與該參考條帶相同之方向上在至少一個維度上可撓性地移動；及電路，其可操作地連接至該第一複數個電極及該第二複數個電極，其中自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測用於判定關於該多彎曲感測器之彎曲之資訊。

根據本發明之另一態樣，本發明提供一種感測器，其包括：一參考條帶，其中該參考條帶具有放置於其上之第一複數個電極；一滑動條帶，其中該滑動條帶具有放置於其上之第二複數個電極，其中該滑動條帶經固定至該參考條帶之一部分；及電路，其可操作地連接至該第一複數個電極及該第二複數個電極，其中自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測用於判定關於該感測器之彎曲之資訊。

相關申請案之交叉參考

本申請案描述經設計用於準確地判定一感測器之彎曲之感測器之各項實施例。多彎曲感測器偵測沿著感測器之長度之多個彎曲且使用所進行之量測以產生其當前形狀之一準確判定。在一實施例中，多彎曲感測器包括兩個平坦、可撓性條帶。如本文中且在整個申請案中使用，「條帶」意謂在一個維度上比其寬度通常更長之一塊材料。一條帶可係矩形、圓柱形或通常具有一不定形形狀，只要一個維度長於另一維度。條帶之一者係一參考條帶且另一條帶係一滑動條帶。雖然將條帶稱為參考條帶及滑動條帶，但應理解，參考條帶及滑動條帶之角色係可互換的。參考條帶及滑動條帶由一間隔件分離且在一個端上經機械地接合。參考條帶及滑動條帶之長度實質上相同。複數個保持器可確保條帶在被使用時保持壓抵於間隔件，使得條帶之間之距離保持實質上恆定。在可藉由各種不同方法判定之沿著參考條帶之量測點處，可量測滑動條帶上之對應位置。當多彎曲感測器係筆直時，條帶對齊。

例如，當條帶未彎曲時，在距附接端1 cm之一參考條帶上之一量測點將與亦在1 cm處之滑動條帶上之一對應點對準。但若將多彎曲感測器彎曲成一圓弧或其他彎曲形狀，則條帶將相對於彼此滑動。弧形中之內條帶將係沿著小於外條帶之一半徑。即使條帶之長度相同，其等仍將覆蓋一不同角度範圍。在條帶在一個端上連結之情況下，弧形愈緊密，其他端將相對於彼此滑動愈多，從而移動條帶之自由端分開愈遠。多彎曲感測器藉由使用電容式電極或另一適合量測方法量測在沿著感測器之許多點處之此等相對移位而工作。藉由使用在彎曲事件期間由量測方法獲取之資料，可判定多彎曲感測器之形狀。即使在沿著多彎曲感測器之多個彎曲之情況下仍係如此。

不同於獨立地量測多個點處之角度之先前系統，藉由量測相對移位，可展示，在一個點處之量測誤差不影響其他點處之角度之理解。此使多彎曲感測器對量測誤差較不敏感。藉由在將可撓性條帶彎曲成一複雜形式時在許多點處量測可撓性條帶之間之相對移位，可判定多彎曲感測器之形狀。不同於獨立地量測多個點處之角度，藉此累積誤差之先前系統，藉由量測移位，一個點處之量測誤差不影響其他點處之絕對角度之理解。此使本發明對量測誤差較不敏感。

現參考圖1及圖2，其等展示一多彎曲感測器10之一實施例。圖1展示多彎曲感測器10之一示意性側視圖。圖2展示多彎曲感測器10之一俯視圖及一仰視圖。在所展示之實施例中，多彎曲感測器10具有一滑動條帶12及一參考條帶14。滑動條帶12在參考條帶14之一遠端16處經固定至參考條帶14。在所展示之實施例中，存在定位於滑動條帶12與參考條帶14之間之一間隔件18。另外展示保持器22，其保持滑動條帶12及參考條帶14抵靠間隔件18。

經調適以接收並處理發生之量測之電路24可操作地連接至滑動條帶12及參考條帶14。在所展示之實施例中，電路24可包括組件或可操作地連接至組件，諸如處理器、信號產生器、接收器等。

滑動條帶12及參考條帶14可由可撓性印刷電路板條帶形成。雖然滑動條帶12及參考條帶14經展示為具有特定電極圖案，但應理解，各自條帶之各者之角色可改變且取決於特定實施方案，滑動條帶12可用作參考條帶14且反之亦然。電極20可經放置於滑動條帶12及參考條帶14之表面上。電極20經調適以傳輸及接收信號。電極20可以能夠判定滑動條帶12及參考條帶14之彎曲期間之一改變之任何圖案配置。另外，可基於一特定實施方案改變實施於滑動條帶12及參考條帶14上之電極20之大小及形狀。

仍參考圖1及圖2，滑動條帶12及參考條帶14係可撓性的且能夠移動並彎曲。另外，經放置於滑動條帶12與參考條帶14之間之間隔件18係可撓性的且能夠移動並彎曲。在一實施例中，間隔件18可相對於滑動條帶12及參考條帶14具有不同位準之可撓性。在一實施例中，滑動條帶12、參考條帶14及間隔件18可各具有不同位準之可撓性。在一實施例中，不存在間隔件18且滑動條帶12及參考條帶14相對於彼此移動。

實施例中使用之間隔件18較佳使條帶保持隔開一恆定距離而無關於彎曲之量，但仍允許相對滑動。間隔件18較佳具有能夠在存在彎曲時，允許滑動條帶12與參考條帶14之長度之間存在差異之一厚度。在一實施例中，可不存在間隔件且滑動條帶12及參考條帶14可彼此毗連，然而，在朝外側之間仍應存在足夠距離以允許在一彎曲期間感測滑動條帶12與參考條帶14之間之相對移位。在一實施例中，間隔件18可具有與滑動條帶12及參考條帶14相同之可撓性。一厚間隔件18將提供大量移位，但間隔件18自身可隨著一緊密彎曲而改變厚度。一薄間隔件18將較不具有此問題，但可不提供足夠移位。在一實施例中，間隔件18可由抵靠彼此滑動之一系列薄層構成。此容許一厚間隔件18具有相當緊密彎曲而不改變整體厚度。

具有參考層與滑動層之間之一已知間隔有助於獲得準確資料。可藉由不同方法完成確保間隔。如上文關於圖1論述，保持器22可附接至一個條帶且將壓縮力提供至抵靠其滑動之另一條帶，如展示。保持器22可係將一壓縮力提供至參考條帶14及滑動條帶12之塑膠或彈性件。壓縮力應係使得其維持距離但不抑制參考條帶14與滑動條帶12之移動。在一實施例中，可使用彈性套筒以達成相同任務，從而提供壓縮力。

在端部分16處，滑動條帶12及參考條帶14經固定在一起。在一實施例中，滑動條帶12及參考條帶14經機械地附接在一起。在一實施例中，滑動條帶12及參考條帶14經一體地彼此固定在一起。在一實施例中，滑動條帶12及參考條帶14在除遠端之外之一位置處固定。在一實施例中，滑動條帶12及參考條帶14在條帶之中間固定。沿著滑動條帶12及參考條帶14之長度之其他處，滑動條帶12及參考條帶14相對於彼此滑動。滑動條帶12及參考條帶14亦抵靠間隔件18相對於彼此滑動。保持器22確保滑動條帶12及參考條帶14保持壓抵於間隔件18以便保持其等之間之一恆定距離。電路24及條帶之間之電連接在發生彎曲之感測區域外部。在圖1及圖2中展示之實施例中，電路24接近滑動條帶12及參考條帶14經接合之端部分16定位。滑動條帶12及參考條帶14含有將容許電子器件藉由量測自滑動條帶12上之電極20及參考條帶14上之電極20透過間隔件18之耦合而偵測兩個條帶之間在許多位置處之相對移位之電極20之圖案。

可使用經實施以產生可撓性電路之材料及技術製造上文論述之實施例。可撓性電路可以一可撓性、絕緣基板(諸如聚醯亞胺)開始。一薄導電層(諸如銅、銀、金、碳或某一其他適合導電材料)使用一黏著劑黏著至基板。在一實施例中，使用光微影技術圖案化導電層。在一實施例中，藉由濺鍍施覆導電層。在一實施例中，藉由列印施覆導電層。當經由列印施覆時，可將導電油墨直接圖案化至基板上。

類似於剛性印刷電路板(PCB)，可撓性電路可經製造以包含藉由絕緣體分離之多個導電層。通孔可提供不同層之間之連接。如同剛性PCB，可使用焊接及其他熟知技術將標準電組件附接至可撓性電路。然而，由於一些組件係非可撓性的，故撓曲其等附件可導致斷裂之電連接。出於此原因，可撓性電路可在組件之區域中採用加強件，使得電路之區域不明顯地撓曲。出於類似原因，可撓性電路趨於不在實際上彎曲之區域中放置通孔，此係因為該等區域中之應力有時可能導致斷裂。

多彎曲感測器之許多電極圖案可獲益於在彎曲區域中使用層間連接。Dupont®已開發明確地經設計以經受重複撓曲之特殊導電油墨。然而，亦可使用其他適合可撓性導電油墨。此等油墨可實施於本文中論述之多彎曲感測器中。可撓性油墨允許導電層之間之可撓性連接，從而充當通孔之角色。應注意，此等可撓性導電油墨與廣泛範圍之基板(包含織物)相容。此容許直接整合至衣服中之多彎曲感測器之建構。另外，在一實施例中，衣服由用作多彎曲感測器之光纖製成。當實施多彎曲感測器光纖時，可添加加強件以限制多彎曲感測器光纖之移動。

現參考圖3至圖5，當多彎曲感測器以一圓形圍繞一物件捲繞時，兩個條帶之內部符合圓形，而歸因於間隔件18之厚度，外條帶符合一稍微較大圓形。由於兩個條帶具有不同曲率半徑，故未經約束端將不彼此對準。藉由已知條帶(滑動條帶12及參考條帶14)之長度及間隔件18之厚度，可直接計算半徑。若量測兩個條帶之間在許多位置處之相對移位，則可建構作為一系列圓弧之一彎曲模型。相對於傳統感測器，此提供彎曲之形狀之一遠更佳理解。

仍參考圖3至圖5，為了繪示多彎曲感測器工作之方式，取具有長度L 之兩個條帶，由具有厚度t 之一間隔件18分離之滑動條帶12及參考條帶14。滑動條帶12及參考條帶14在一個端處接合在一起且在該端處無法相對於彼此移動。當參考條帶14如圖4中展示般被捲繞成具有半徑r之一圓形時，參考條帶14將具有一曲率半徑r ，而滑動條帶12將具有一更小半徑r -t 。

圓形之周長係2πr 。具有長度L 之參考條帶14覆蓋圓形之一部分：

為了以弧度表示，由此條帶對向之角度係：

如圖式中展示，當在厚度量測t 之方向上捲曲時，滑動條帶12在內部結束，其具有一較小曲率半徑。較緊密捲繞意謂滑動條帶12之一些延伸超出參考條帶14之端。若此沿著具有相同半徑之一圓形繼續，則滑動條帶12對向以下角度：

參考條帶14之端與內滑動條帶12上之一對應點對齊。為了給出一更精確定義，其係滑動條帶12上與透過參考條帶14之端點建構之法線之相交點。

可藉由尋找兩個弧形之角度範圍之差異，尋找延伸長度

且將此自總長度L 減去而可在滑動條帶12上找到此點。

可藉由以弧度表示之角度範圍除以2π以尋找圓之部分且乘以周長來找到延伸超出參考條帶14之滑動條帶12之片段

之長度。

針對半徑r 對此等方程式求解給出：

藉由量測條帶之間之相對移位，可使用此簡單方程式計算跨長度之曲率半徑。

現考量其中彎曲發生於一順時針方向上之情況，如圖5中展示。

分析大致如先前般進行，但現在，滑動條帶在外側上，其具有一曲率半徑r +t 。

如先前，目標係在滑動條帶12上定位對應於參考條帶14之端點之點。然而，由於滑動條帶12在外側上且因此對向一較小角度，故弧形必須繼續以尋找相交點。藉由尋找滑動條帶上之對向角及對應長度而計算

。

此係如在逆時針情況中獲得之相同結果。此處之差係第一情況中之

係滑動條帶12延伸超出參考條帶14之量，且在此情況中，其係到達參考條帶14之端將所需之額外量。

為了組合此兩個情況，考量曲率半徑為一帶正負號之數量，其中一正r 指示在一逆時針方向上進行之一弧形且一負r 指示一順時針方向。

將一新變數

定義為沿著滑動條帶12之與參考條帶14之端對齊之總長度。帶正負號之曲率半徑係：

在圖4中，

，給出一正曲率半徑。在圖5中，

，給出一負曲率半徑。接著，使用帶正負號之曲率半徑以尋找參考條帶之帶正負號之角度範圍。

在下文中，全部角度及曲率半徑係帶正負號的。自移位量測重建曲線

在一實施例中，多彎曲感測器模型塑形為具有不同半徑之一系列圓弧以容許複曲線。藉由量測沿著條帶之許多點處之相對移位，可快速判定各片段之曲率。

圖6中展示之多彎曲感測器10包括一滑動條帶12及一參考條帶14。尋找參考條帶14之形狀係目標。在沿著參考條帶之固定間隔處，量測沿著滑動條帶12之對應移位位置。對應地，其意謂使用位於相對於曲率半徑之共同中心之相同角度處之點。換言之，若在量測點處建構相對於參考條帶14之曲線之一法線，則將在其與滑動條帶12相交之處進行一量測。

係參考條帶14至量測點n之長度。

係滑動條帶12至量測點n之長度。

提供在參考條帶14及滑動條帶12兩者上自n跨越至n+1之一片段作為一實例。在參考條帶14之側上，片段在

處開始且在

處結束。類似地，對應滑動條帶12自

延伸至

。可找到參考條帶14片段之帶正負號之曲率半徑及帶正負號之角度範圍。

回顧：

可見：

現在已知具有已知長度、角度範圍及曲率半徑之一系列圓弧。可將此系列拼湊在一起以模型化參考條帶14之完整曲線。

考量如圖7中展示之一單一弧形。可判定在弧形之端點處與其相切之一起始角

及一結束角

。可假定連續片段平滑地連接，即，導數在連接點處係連續的。此係藉由一單一正切角描述連接點之原因。

弧形在一已知起始點

處，且以一初始已知角度

開始且以一未知結束角

進行至一未知結束點

。自起始點至結束點之角度之改變僅係片段角度之轉動。

為了尋找x, y平移，將弧形上方之x及y中之增量加至先前點。為了方便起見，將弧形之曲率半徑之中心視為在原點處且用於計算端點位置。接著將此等中之差異應用至已知起始點。

為了此計算，已知自形成弧形之中心之角度。相對於

之法線係

。針對具有正曲率半徑之一弧形，此給出自曲率半徑之中心指向外之角度。若曲率半徑為負，則其指向相反方向。此導致藉由使用帶正負號之曲率半徑校正之一正負號翻轉。可接著經由此等方程式反覆地找到端點：

可藉由使用三角恆等式而稍微簡化此等方程式。

此等方程式描述模型化彎曲之該系列圓弧。一圓弧通常由其中心

、其曲率半徑

、一起始角及一角範圍

描述。

可藉由在

處起始且遵循半徑至弧形中心

而找到一弧形片段之中心。自在點

處之法線找到起始角，其係

。中心則係：

應注意，帶正負號之曲率半徑之使用確保遵循相對於中心之法線。

起始角係：

若弧形順時針進行，則需要正負號以翻轉角度。弧形之範圍係

，其亦係一帶正負號之值。對量測誤差之敏感性

移位之任何實際量測將係不完美的，使得理解量測誤差如何影響模型化曲線之準確性係重要的。在關節臂中，關節角之有雜訊量測快速累積，從而引起末端受動器之最終位置之顯著誤差。多彎曲感測器中之量測誤差係更寬容的。

考量在第n點處之一單一移位量測誤差之情況。相較於理想情況，經移位點將引起兩個鄰近片段之曲率半徑中之一誤差。一個片段上之誤差將係一個方向，而另一片段上之誤差將在相反方向上，趨於將事物抵消至一階。趨於產生某種程度之補償誤差之片段誤差之此性質通常保持且係給出至該點之總累積移位之移位量測之一結果。

為了展示對誤差之敏感性，取具有以下座標之兩個連續片段之實例：

給出

及

之理想量測。然而，

將由

之一量測誤差干擾。接著，找到此誤差如何傳播至

。

在未經干擾情況中(且應注意：

：

假定分開1個單位之相等間隔量測點。針對全部n ，

使用單引號來指示針對具有依

之量測誤差

之情況之變數。此容許具有及不具有中點量測誤差之所得角度為。

此展示兩個弧形之後之結束角不受中間點中之一誤解影響。角度誤差不傳播。

考量點位置中之誤差。

使用此等方程式，可繪製不同條件下之端點誤差。顯然，在第一片段之端處之位置誤差某種程度上由下一片段中之一帶相反符號之誤差補償。

雖然上文論述之實施例及實例使用弧形來執行分析，但可採用其他量測技術及分析。在一實施例中，使用橢圓形來近似表示曲線。在一實施例中，可使用拋物線來執行分析。在一實施例中，使用平滑曲線(spline)來近似表示一曲線。在一實施例中，使用一多項式函數來近似表示一曲線。在一實施例中，在近似表示曲線時使用本文中論述之全部方法論。

一曲線之另一可能模型係將其表示為一系列經連接筆直線性片段。

參考圖8及圖9，針對一分段線性模型，假定彎曲完全尖銳，且僅以固定間隔發生於一參考條帶84上。將假定滑動條帶82符合與參考條帶84相距一固定距離。此將產生參考條帶84之各彎曲之對應尖銳彎曲。朝向參考條帶84彎曲將意謂將在滑動條帶82上需要額外長度以符合新形狀。類似地，朝向滑動條帶82彎曲將耗費較少長度來符合。

給出朝向參考條帶84之一彎曲，藉由計算滑動條帶82上需要之額外長度而開始計算。參見圖9，多彎曲感測器具有一彎曲角A。垂直相對角亦係A。將符合彎曲所需之滑動條帶82之額外長度展示為2s。兩個彎曲點對分彎曲角。垂直相對角亦係A/2。使用直角建構，藉由減去直角而找到A-90角。最終，將與s相對之角度計算為A/2-(A-90)。此角度之切線等於相對邊長(s)除以相鄰邊長(t)。 tan(A/2-(A-90)) = s/t s = t * tan(90 - A/2) s = t * cot(A/2) 且針對經添加之總長度： 2s = 2t * cot(A/2)

當彎曲角超過180，且朝向滑動條帶82向上彎曲時，此公式亦正確。在此情況中，額外長度係負的。

為了方便起見，可相對於無彎曲為0定義彎曲角B。 B = 180 - A A = 180 - B 代入： s = t * tan(90 - B/2) = t * tan(90 - (180 - B)/2) = t * tan(B/2) 2s = 2t * tan(B/2) 給出移位之一量測，計算將引起其之角度。 B = 2 arctan(s/t)，其中s係半移位。

如同圓弧模型，此分段線性模型在一個移位量測中仍具有量測誤差之一般行為，從而在下一移位量測中產生一互補誤差，從而部分抵消潛在附加誤差之影響。

考量一理想量測對其中在第一片段中存在量測誤差之量測。理想量測：s1及s2 具有誤差之量測：s1+d、s2-d B1 = 2 arctan(s1/t) B2 = 2 arctan(s2/t) 最後片段之所得角度僅係相對於該點之角度之總和。 Btotal = B1 +B2 = 2 arctan(s1/t) + 2 arctan(s2/t) 重複具有量測誤差之計算： Btotal_err = 2 arctan(s1/t + d/t) + 2 arctan(s2/t - d/t)

然而，此等總彎曲不相同，可經由圍繞d=0之級數展開展示誤差抵消至一階。實體實施方案

量測具有固定間隔之兩個彎曲部件之間之移位之機制可使用不同感測技術結合參考條帶及滑動條帶完成。電容式感測技術

電容式感測可與一多彎曲感測器一起使用且係上文關於圖1至圖3論述之方法論。當產生參考條帶及滑動條帶時，可在標準可撓性印刷電路板(PCB)上圖案化電極。可量測通過間隔件之電容，且判定相對位置。例如，參見圖10，交叉指形電極20之一圖案容許吾等藉由比較重疊電極20之電容以判定相對移位而執行差分量測。此量測之差分性質使其對各種類型之誤差高度不敏感。除了圖10中展示之電極圖案之外，亦可實施將進一步提供可有助於判定多彎曲感測器之整體移動及形狀之量測之其他電極圖案。

仍參考圖10，複數個電極20經調適以傳輸信號且複數個電極20經調適以自傳輸信號之電極20接收信號。在一實施例中，可取決於實施方案切換或交替經調適以傳輸信號之電極20及經調適以接收信號之電極20。在一實施例中，經調適以傳輸一信號之一電極20可在一不同時間亦經調適以接收一信號。使用經接收信號以便判定一個條帶相對於另一條帶之移動。

在一實施例中，正交分頻多工可與採用經調適以接收並傳輸正交信號之複數個電極20之一多彎曲感測器一起使用。在一實施例中，使用唯一頻率正交信號。在一實施例中，在正在傳輸之電極20之各者上傳輸一唯一頻率正交信號。經調適以接收信號之電極20可接收經傳輸信號且處理其等以便獲得關於參考條帶相對於滑動條帶之相對移位之資訊。此可接著用於判定由多彎曲感測器形成之曲線之形狀。

一般言之，可藉由形成參考條帶及滑動條帶之一網而判定多個維度之曲率，其中各多彎曲感測器判定其自身之各自曲線。在判定各多彎曲感測器之曲線之後，可模型化一平面之整個曲率。在一實施例中，可將複數個多彎曲感測器放置於跨其3D表面經受各種變形之一三維物件上。複數個多彎曲感測器可能夠在重建自各多彎曲感測器獲取之曲率之後準確地判定一3D物件之彎曲變形。

在另一實施例中，使用在3個維度上可撓之光纖替換條帶。此等光纖在一中心參考光纖周圍堆積，使得在經彎曲時，外滑動光纖相對於參考光纖移動。在實施例中，間隔件維持全部光纖之間之一恆定間隔。可藉由各種手段(包含經由沿著光纖之圖案化電極)量測相對移位。

在一實施例中，感測器可由更緊密類似一可撓性導線，從而能夠在平面外撓曲之窄片形成。若將此等裝置之兩者固持在一起，則可量測在正交方向上之感測，平面內及平面外之撓曲。

在圖11中展示另一實施例。此實施例提供能夠判定在一個以上平面方向上之曲率之一多彎曲感測器110。存在一滑動平面112及一參考平面114。在圖11中，未將平面展示為在彼此上下，然而，應理解，此係為了易於觀察平面，以與定位上文論述之條帶類似之一方式將滑動平面112及參考平面114相對於彼此定位。電極115可經放置於滑動平面112及參考平面114上。在圖11中，將電極115形成為列及行。在一實施例中，將電極形成為墊。在一實施例中，將電極形成為點天線。可另外存在經放置於滑動平面112與參考平面114之間之一間隔件平面以便建立滑動平面112與參考平面114之間之一距離。在一實施例中，參考平面114及滑動平面112在不使用一間隔件層之情況下實施，其中電極115經放置於朝外表面上，其中該等平面之基板用作一間隔件層。此外，雖然可存在經放置於兩個平面上之電極115，但可存在經放置於滑動平面112及參考平面114上之傳輸電極及定位於兩個平面之間之一間隙區域處之接收電極。又，電極115可係進行傳輸或接收。

仍參考圖11，滑動平面112及參考平面114係能夠彎曲之可撓性平面。參考平面114及滑動平面112在各個附接點處附接。附接點可定位於平面之間之任何位置處，只要其等建立藉由其確定一個平面相對於另一平面之移動之一參考位置。在一實施例中，附接點可係平面之中心位置。在一實施例中，存在自其建立平面之相對移動之一個以上附接點。在一實施例中，平面在一邊緣處彼此固定。在一實施例中，平面在沿著邊緣之多個點處固定。在一實施例中，平面在沿著一邊緣之點處且在平面之區域內固定。

轉向圖12及圖13，展示用於量測相對移位之一電容式電極設計之另一實施例。雖然多層撓曲電路廣泛可用，但存在可能強加之對設計的某些限制。一常見限制係在彎曲區段上不容許通孔。因此，在彎曲區域中不需要層間連接之圖案有時係較佳的。

圖12展示形成參考條帶124之兩個三角形電極120，及形成於滑動條帶122上之一系列矩形電極121。藉由針對滑動條帶122上之各矩形電極120量測至A電極120與至B電極120之電容之相對電容，可判定矩形電極120之相對位置。

圖12及圖13中展示之此圖案不需要多層連接。在參考條帶124上，可自任一端直接製造連接。可經由匯流排126製造滑動條帶122上之矩形電極121，如圖13中展示。在一實施例中，可在矩形電極121及三角形電極120周圍採用屏蔽。屏蔽可輔助緩解干擾。進行傳輸之電極可由接地包圍且接收電極可使用一主動屏蔽驅動以便緩解干擾。

圖12及圖13中展示之設計對參考條帶124與滑動條帶122之間之輕微旋轉敏感。例如，若與底部相比，間隔在頂部上更大，則其可引起一系統誤差。此可藉由校準校正。亦可藉由使用一較不敏感圖案而改善敏感性。

在圖14中展示具有降低之敏感性之一圖案之一實例。圖14中展示之圖案採用經放置於參考條帶144上之額外三角形電極140。將矩形電極141放置於滑動條帶142上。圖14中展示之電極圖案關於參考條帶144之中心線對稱。相較於圖12中展示之圖案，此降低敏感性。經降低敏感性因為三角形電極140在一個側上較遠離且在另一側上較接近而發生。此距離大致上平衡可存在之任何傾斜之影響。

圖15展示感測器電極之另一實施例。圖15展示一參考條帶154及滑動條帶152之一配置。參考條帶154具有複數個三角形電極150。滑動條帶152具有複數個矩形電極151。相較於圖12中展示之電極圖案，圖15中之圖案複製三角形電極150之配置。在各量測附近以一較小尺度複製成角度圖案以改良解析度。圖15中展示之感測器圖案亦可與屏蔽及對稱技術組合。

圖16展示感測器電極之另一實施例。圖16展示一參考條帶164及滑動條帶162之一配置。參考條帶164具有複數個三角形電極160。滑動條帶162具有複數個矩形電極161。相較於圖12中展示之電極圖案，圖16中之圖案複製三角形電極160之配置。在各量測附近以一較小尺度複製成角度圖案以便改良解析度。圖16中展示之感測器圖案亦可與屏蔽及對稱技術組合。當移位引起一矩形電極161變得接近一三角形電極160之端時，將導致某一非線性。解決此之一方式係使用多組三角形電極160。該等組經移位使得當一矩形電極161接近一個三角形電極160上之一邊緣時，其不在另一三角形電極160上之一邊緣處。光學

除了基於電容之感測除外，亦可使用光學技術而非電容技術產生多彎曲感測器。代替交叉指形電極，可使用光學傳輸器及接收器。可透過定位於一參考條帶與滑動條帶之間之一光學透射間隔件傳輸信號。波導技術允許電極經放置於一個端處，而非沿著感測器分佈其等。

使用標準撓曲電路技術，可將標準電光組件(諸如LED及光電二極體)放置於一可撓性條帶上。然而，由於此等組件自身非可撓性，故可需要量測點處之局部加強。某些技術可用於設法克服局部加強之問題。一般言之，可將可撓性電子器件應用至多彎曲感測器之製造(例如，進行局部電場感測及經由一共用匯流排回報資料)。特定言之，呈一可撓性形式之OLED及其他光學裝置之可用性使得可沿著一可撓性條帶構建分散式光學編碼器。

亦可採用可撓性波導以往返於沿著條帶分佈之量測點載送光學信號。以此方式，光電子器件可聚集在一個位置處。例如，光電子器件可經放置於其中條帶經接合之端處。在此位置處，一剛性PCB可固持電光組件。

另外，為了減少光學連接之所需數目，可採用多工技術。例如，各感測位置可採用光學濾波器，使得不同色彩之光、不同偏振或其等之某一組合在沿著多彎曲感測器之不同位置處係作用中，且可在具有光電子器件之端處被區分。

此等系統具有供光自一個條帶行進至另一條帶之一路徑。此可以若干不同方式適應。在一實施例中，間隔件可由透明材料製成。在一實施例中，可在量測點附近提供槽。在一實施例中，間隔件可維持條帶之間之一氣隙。在一實施例中，光纖可具有允許光自一個電纜滲至另一電纜之縫隙。在一實施例中，可存在在中間繫結之光纖束，其中能夠判定束之兩個端之相對移位。

參考圖17，便宜的相機晶片亦可用於製造多彎曲感測器。此等晶片可用於沿著條帶之各個點處以便量測移位。仍參考圖17，使用在交錯附接點176處附接至一參考條帶174之多個平行滑動條帶172。此等滑動條帶172之端可接著延伸以由一相機晶片175觀察到。因此，一單一相機可以高精確度追蹤多個滑動條帶172之運動，從而有效地給出與在不同位置處量測移位相同之結果。

雖然可撓性電子器件係一選項，但存在用於沿著一可撓性條帶分佈光電子器件之其他選項。在一實施例中，一剛性PCB可經由彈性部件附接至一可撓性條帶。以此方式，條帶仍可自由地彎曲，而浮動電光學模組朝向另一可撓性條帶上之編碼器標記。為了幫助維持對準，電光學模組可經設計以具有透過可撓性條帶中之一較小孔隙查看之一較大光學區域。即使剛性PCB相對於條帶稍微搖擺，仍將始終相對於條帶中之孔隙完成量測。

當感測移位時，存在在超出範圍之前吾等必須感測多少移位之一問題。觀看圖18中展示之接收電極182及傳輸電極184之配置，可解釋移位範圍之一實例。在此情況中，存在經放置於一滑動條帶上之小數目個接收電極182及經放置於一參考條帶上之較大數目個傳輸電極184。代替在每一傳輸電極184上提供唯一信號，週期性地重用信號。編號傳輸電極184之各者表示一不同信號。若移位限於一組傳輸電極184之區域，則可唯一地判定位置。若移位大於此，則移位讀數非由最接近傳輸電極184唯一地判定。在此例項中，其可已移位許多使得已經捲繞於下一組傳輸電極184中。由於沿著條帶進行一序列量測，故自較早片段之經組合移位可見且可能指示一捲繞已發生。由於增量展開可發生，故約束不在停留在一組傳輸電極184之範圍內之任何特定接收電極182上。其僅受展開之能力限制。若已知連續接收電極182之間之傳輸電極184之數目限於標稱地介於傳輸電極184之間之接收電極182之數目之+/-一半，則吾等可唯一地判定下一片段之位置，此係因為已知哪些傳輸電極184可在先前片段之範圍內。更複雜技術可(例如)藉由作出關於較高階導數之假定而甚至進一步延伸此點。雖然在一電容式感測器之背景內容中解釋此技術，但相同技術可應用至其他實施例。使用光學多條帶設定而非僅偵測一端，條帶可具有經偵測及分析以尋找一精確位置之重複變化。可使用具有許多邊緣之校準目標以容許藉由組合全部資料而判定位置。其他方法論

在上文中，論述電容式及光學技術，然而，可採用其他機制。例如，類似於一電位計，一個條帶可用作一分散式電阻器，且另一條帶可具有在沿著電阻式條帶之數個點處進行接觸之多個滑動片(wiper)。各滑動片處之電壓可經配置以指示沿著電阻式條帶之相對位置。一電阻式條帶定位於一個條帶上，且跨其放置一電壓。此沿著條帶產生位置相依之一電壓梯度。沿著頂部條帶之滑動片與條帶進行滑動接觸，感測其等位置處之電壓。可藉由具有形成於各滑動片之區域中之一單獨電位計以容許更精確量測而達成上文論述之捲繞偵測。機械上，滑動片亦可發揮維持層之間之間隔之一作用，此係因為其等自身係間隔件。

對上文之設計之一改良係可在各滑動片附近放置單獨電阻條而非沿著條帶有一單一電阻條。接著，各較小電阻條可在一遠較小位移內具有整個電壓梯度，從而極大增加量測之解析度。應注意，至具有電阻條之條帶之連接之數目仍僅係2。

可採用其他方法以產生位移相依之電阻率改變而非機械滑動片。例如，磁阻材料在存在一磁場之情況下改變電阻。平行於一導體伸展之一電阻式跡線可在不同位置(包含此等跡線之間之磁阻式材料)處有效地橋接，可藉由另一條帶上之一磁體選擇性地使其變得更具導電性。

另一實施例採用一個條帶上之一系列磁體及另一條帶上之霍爾(Hall)效應感測器以便量測移位。時域技術亦可用於量測長度。電、光學或聲域中之時域反射量測技術可用於量測多個點處之移位。為了使用此等，量測點產生一路徑以供信號返回。亦可使用磁致伸縮位置轉換器方法以量測移位。

在一實施例中，可採用電感式近接感測。一線圈中之電感將回應於某些材料接近其等而改變。例如，在一實施例中，一個條帶承載一系列線圈，而另一條帶具有具備由線圈偵測之不同磁導率之區段。可以數個方式完成偵測，包含獨立地注意各線圈之電感之改變或尋找不同線圈之間之耦合之改變。亦可在兩個條帶上具有線圈，且量測其等之間之耦合。線性可變差分變壓器(LVDT)可直接應用至此類型之量測。

在一實施例中，可使用條帶之間之射頻(RF)耦合利用電磁耦合。

在一實施例中，多彎曲感測器經設計用於經由RF進行遠端詢問。使用一簡單儲能電路(LC)，其中L或C相依於條帶之間之相對移位。可僅使用導電材料之圖案化在條帶上產生此類型之電路。儲能電路之諧振頻率相依於相對移位，且可使用標準RFID技術遠端讀取。條帶可經設計以便容納各相依於局部相對移位之多個諧振。若諧振在頻率上合理地分離，則一遠端頻率掃描可獨立地揭露各諧振之改變。在添加主動組件之情況下，可採用其他技術(諸如時域多工)以讀取多個點上方之移位。

磁性感測器(霍爾效應、巨型磁阻等)可用於量測局部磁場。一個條帶之磁化之一圖案可在另一條帶上偵測以判定許多點處之相對移位。可採用磁路以將通量量測帶至一方便實體位置。類似於攜載電流之一導線，高磁導率材料用於引導通量。使用此等技術，數個磁性感測器可定位於條帶之連結端上，從而在沿著條帶之各個點處進行量測。

已採用磁致伸縮轉換器以在嚴酷工業環境中量測位置。藉由在一磁致伸縮元件中使電流脈衝化而判定一移動磁體之位置，此引起在磁體之區域中之元件中產生一機械脈衝。此脈衝傳播回至一量測點之時間係依據磁體之位置而變化。在一實施例中，將磁體放置於一個條帶上，且將磁致伸縮材料放置於另一條帶上。

可使用光導材料採用類似技術。滑動條帶上之光可使橋接之位置移位。此可係經安裝於條帶上之一LED或其他光源，或透過其容許一單獨光源選擇性地通過之一簡單孔隙。

多彎曲感測器之一些量測誤差傳播性質可透過機械手段在較傳統臂/編碼器系統上獲得。通常使用平行連桿組以維持兩個部件之平行性。

圖19展示確保水平線保持彼此平行之三組平行連桿組。點表示編碼器。在各編碼器處量測之角度始終係相對於頂部線。以此方式，各編碼器處之量測誤差不在於各編碼器處量測絕對出射角時傳播。可採用齒輪、皮帶及其他連桿組之各種組合以達成類似效應。

上文論述之多彎曲感測器提供沿著其長度之曲率資料。此資料可以更複雜方式使用以給出更詳細模型。例如，吾等可內插或擬合一較高階函數以模型化沿著感測器之曲率之改變，且因此產生具有有效地遠更多片段之一模型。吾等亦可將一片段之基礎模型自一圓弧改變至一不同功能形式。

多彎曲感測器之上述實施例可準確地判定一曲線或彎曲表面之形狀。此技術之一些應用可係在判定機器人系統之定位中。在一實施例中，多彎曲感測器用於柔韌介面。在一實施例中，多彎曲感測器用於人類關節運動復健。在一實施例中，多彎曲感測器用於虛擬實境中之人類關節運動。在一實施例中，多彎曲感測器用於判定一背部之曲率、一頭部之移動或腿部之彎曲。在一實施例中，多彎曲感測器用於量測複曲線。在一實施例中，多彎曲感測器用於複雜振動理解及主動控制。在一實施例中，多彎曲感測器用於汽車、輪胎及座椅變形。在一實施例中，多彎曲感測器用於姿勢監測。在一實施例中，多彎曲感測器用於表現性樂器介面。在一實施例中，多彎曲感測器用於針對諸如膨脹之變形之槽/密封氣囊監測(例如，監測飛機、潛水艇等)。

多彎曲感測器亦可用於理解一加壓系統之形狀。例如，具有加壓機艙之飛機在其等經重複地加壓及減壓時經歷顯著應力及變形。若一特定區域透過重複應力而變弱，則其將開始相對於其他區域膨脹(或收縮，取決於吾等看著哪一側)。採用多彎曲感測器以便偵測此以理解系統疲勞率及故障可即將發生之位置。潛艇、貯留槽及全部種類之加壓容器具有可獲益於多彎曲感測器之應用之類似問題。在一實施例中，當判定鑽頭之曲率時，多彎曲感測器用於輔助油氣探勘。

在負載下變形之其他機械系統亦可獲益於多彎曲感測器。上文描述之多彎曲感測器之另一優點係精確性自幾何關係而非自電性質(其等易受歸因於環境條件之改變影響且經受老化及磨損)產生，此使所揭示多彎曲感測器適用於在結構之壽命內監測橋、支撐樑等。

上文描述之多彎曲感測器之另一優點係精確性自幾何關係而非自電性質(其等易受歸因於環境條件之改變影響且經受老化及磨損)產生。此申請案之實施方案可採用在實施以下專利中揭示之正交分頻多工感測器及其他介面時使用之原理：美國專利第9,933,880號；第9,019,224號；第9,811,214號；第9,804,721號；第9,710,113號；及第9,158,411號。假定熟悉此等專利內之揭示內容、概念及命名法。以引用的方式併入以引用的方式併入本文中之該等專利及申請案之整個揭示內容。本申請案亦可採用在以下專利中揭示之快速多點觸控感測器及其他介面中使用之原理：美國專利申請案第15/162,240號；第15/690,234號；第15/195,675號；第15/200,642號；第15/821,677號；第15/904,953號；第15/905,465號；第15/943,221號；第62/540,458號；第62/575,005號；第62/621,117號；第62/619,656號及PCT公開案PCT/US2017/050547，假定熟悉其中之揭示內容、概念及命名法。該等申請案及以引用的方式併入其中之申請案的整個揭示內容以引用的方式併入本文中。

如本文中所使用且尤其在發明申請專利範圍內，諸如第一及第二之序數術語自身並不旨在暗指序列、時間或唯一性，而是用於區分一個所主張構造與另一構造。在背景內容指定之一些使用中，此等術語可暗指第一及第二係唯一的。例如，在於一第一時間發生一事件且於一第二時間發生另一事件之情況下，不旨在暗指第一時間在第二時間之前、在第二時間之後或與第二時間同時發生。然而，在於發明申請專利範圍中呈現第二時間在第一時間之後之進一步限制的情況下，背景內容將需要將第一時間及第二時間理解為唯一時間。類似地，在背景內容如此指定或允許之情況下，序數術語旨在被廣泛理解，使得兩個經識別請求項構造可具有相同特性或具有不同特性。因此，例如，一第一頻率及一第二頻率在無進一步限制之情況下可為相同頻率，例如，第一頻率係10 Mhz且第二頻率係10 Mhz；或可為不同頻率，例如，第一頻率係10 Mhz且第二頻率係11 Mhz。背景內容可以其他方式指定，例如，其中一第一頻率及一第二頻率進一步限制為彼此頻率正交，在該情況中，其等可能並非相同頻率。

雖然已尤其參考本發明之一較佳實施例展示且描述本發明，但熟習此項技術者將理解，可在本文中進行形式及細節之各種改變而不脫離本發明之精神及範疇。

10:多彎曲感測器 12:滑動條帶 14:參考條帶 16:遠端/端部分 18:間隔件 20:電極/交叉指形電極 22:保持器 24:電路 82:滑動條帶 84:參考條帶 110:多彎曲感測器 112:滑動平面 114:參考平面 115:電極 120:三角形電極 121:矩形電極 122:滑動條帶 124:參考條帶 126:匯流排 141:矩形電極 142:滑動條帶 144:參考條帶 150:三角形電極 151:矩形電極 152:滑動條帶 154:參考條帶 160:三角形電極 161:矩形電極 162:滑動條帶 164:參考條帶 172:滑動條帶 174:參考條帶 175:相機晶片 176:交錯附接點 182:接收電極 184:傳輸電極 L:長度 r:半徑/曲率半徑 t:厚度

自如隨附圖式中繪示之實施例之以下更特定描述將明白本發明之前述及其他目的、特徵及優點，其中元件符號在各個視圖各處指代相同部分。圖示不一定按比例，而是將重點放在繪示所揭示實施例之原理上。

圖1展示一感測器條帶之一俯視圖。

圖2展示一感測器條帶之一仰視圖。

圖3係滑動及參考感測器條帶之一示意圖。

圖4係繪示圍繞一間隔件捲繞之一參考條帶之圖式。

圖5係圍繞一間隔件捲繞之一參考條帶之另一圖式。

圖6係由一滑動條帶及一參考條帶形成之一感測器條帶之另一視圖。

圖7係繪示一片段之計算之一圖式。

圖8係繪示使用曲線之一線性片段分析之一圖式。

圖9係繪示線性片段分析中之角度之判定之一圖式。

圖10係繪示經間隔電極之一圖式。

圖11係繪示一多平面多彎曲感測器之一圖式。

圖12係採用三角形電極及矩形電極之一多彎曲感測器之一圖式。

圖13係採用三角形電極及矩形電極之一多彎曲感測器之另一圖式，其進一步繪示連接。

圖14係採用三角形電極及矩形電極之一多彎曲感測器之一圖式。

圖15係採用三角形電極及矩形電極之一多彎曲感測器之另一圖式。

圖16係採用三角形電極及矩形電極之一多彎曲感測器之另一圖式。

圖17係展示平行條帶與一相機晶片之使用之一圖式。

圖18係展示能夠判定捲繞之一感測器之一電極圖案之一圖式。

圖19係機械多彎曲感測器之一圖式。

10:多彎曲感測器

12:滑動條帶

14:參考條帶

16:遠端/端部分

18:間隔件

22:保持器

24:電路

Claims

一種多彎曲感測器，其包括：一參考條帶，其中該參考條帶具有經放置於其上之第一複數個電極，其中該第一複數個電極之各者傳輸一信號，其中該參考條帶經調適以在至少一個維度上可撓性地移動；一滑動條帶，其中該滑動條帶具有經放置於其上之第二複數個電極，其中該滑動條帶經固定至該參考條帶之一部分，其中該滑動條帶經調適以在該參考條帶移動時在與該參考條帶相同之方向上在至少一個維度上可撓性地移動；及電路，其可操作地連接至該第一複數個電極及該第二複數個電極，其中自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測用於判定關於該多彎曲感測器之彎曲之資訊。
如請求項1之感測器，其進一步包括經放置於該參考條帶與該滑動條帶之間之一間隔件。
如請求項1之感測器，其中該滑動條帶所固定之該參考條帶之該部分係該參考條帶之一遠端。
如請求項1之感測器，其中藉由判定在該參考條帶及該滑動條帶之移動期間形成之弧形而分析自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測。
如請求項1之感測器，其中藉由判定在該參考條帶及該滑動條帶之移動期間形成之線性片段而分析自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測。
如請求項1之感測器，其中該參考條帶係複數個參考條帶之一者且該滑動條帶係複數個滑動條帶之一者。
如請求項6之感測器，其中該複數個參考條帶及該複數個滑動條帶形成一網結構。
如請求項6之感測器，其中該複數個參考條帶及該複數個滑動條帶形成複數個層。
如請求項1之感測器，其進一步包括將該滑動條帶及該參考條帶固定至一間隔件之複數個保持器。
如請求項1之感測器，其中該第一複數個電極經形成為互補三角形電極。
一種感測器，其包括：一參考條帶，其中該參考條帶具有放置於其上之第一複數個電極；一滑動條帶，其中該滑動條帶具有放置於其上之第二複數個電極，其中該滑動條帶經固定至該參考條帶之一部分；及電路，其可操作地連接至該第一複數個電極及該第二複數個電極，其中自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測用於判定關於該感測器之彎曲之資訊。
如請求項11之感測器，其進一步包括放置於該參考條帶與該滑動條帶之間之一間隔件。
如請求項11之感測器，其中該滑動條帶所固定之該參考條帶之該部分係該參考條帶之一遠端。
如請求項11之感測器，其中該滑動條帶所固定之該參考條帶之該部分定位於該參考條帶之中心。
如請求項11之感測器，其中藉由判定在該感測器之彎曲期間形成之弧形而分析自該第一複數個電極及該第二複數個電極判定之量測。
如請求項11之感測器，其中該參考條帶係複數個參考條帶之一者且該滑動條帶係複數個滑動條帶之一者。
如請求項16之感測器，其中該複數個參考條帶及該複數個滑動條帶形成一網結構。
如請求項16之感測器，其中該複數個參考條帶及該複數個滑動條帶形成複數個層。
如請求項11之感測器，其進一步包括將該滑動條帶及該參考條帶固定至一間隔件之複數個保持器。
如請求項11之感測器，其中該第一複數個電極經形成為互補三角形電極。