WO2017215086A1

WO2017215086A1 - 传感器及确定力方向的方法

Info

Publication number: WO2017215086A1
Application number: PCT/CN2016/092364
Authority: WO
Inventors: 宋明鑫; 肖华
Original assignee: 中兴通讯股份有限公司
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2017-12-21
Also published as: CN107515065A

Abstract

一种传感器及确定力方向的方法。该传感器包括：弧面空腔基体（1），在弧面空腔基体（1）的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板（2）；公共接地基体（4），在公共接地基体（4）的内壁设置一对或多对单电极电容的公用下极板（3）；其中，上极板（2）与公用下极板（3）构成电容器。解决了触觉传感器无法辨识触觉力的方向的问题。

Description

传感器及确定力方向的方法

技术领域

本发明实施例涉及但不限于传感器领域，尤指一种传感器及确定力方向的方法。

背景技术

触觉作为人们五大感官之一，在人类对事物认知历程中担当着重要角色。触觉技术是实现触觉交互的重要组成部分，通过触觉技术可以增强用户的视觉体验，比如，将压感触控功能应用于手机游戏行业，解决了当今手机触屏无法实现“轻踩油门”等动作的弊端，通过触觉互动即可提升操控手感与视觉的真实性与沉浸感。

传统人机方式往往是简单的基于X、Y轴坐标进行操控，为了扩展人机交互方式、丰富用户体验、建立更好的人机交互关系，需要更多地引入Z轴深度的交互操作，即三维交互。单一方向的触觉传感器仅能实现对触觉力大小进行表征，却无法辨识触觉力的方向。

随着“触觉交互”、“压感触控”等概念被逐渐引入手机、平板电脑等消费电子产品的研发中，触觉传感器成为国内外的研究热点之一。

针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供了一种传感器及确定力方向的方法，以至少解决相关技术中的触觉传感器无法辨识触觉力的方向的问题。

根据本发明一个实施例，提供了一种传感器，包括基体和极板，具体包括：弧面空腔基体，在所述弧面空腔基体的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板；公共接地基体，在所述公共接地基体的内壁设置所述一对或多对单电极电容的公用下极板；

其中，所述上极板与所述公用下极板构成电容器。

可选地，所述单电极电容为两对。

可选地，所述弧面空腔基体为半球形空腔基体，所述上极板为类八分之一球面形状的曲面电极。

可选地，所述弧面空腔基体为半球形空腔基体，，所述公共接地基体为与所述半球形等半径的圆形。

可选地，所述公用下极板的半径小于所述公共接地基体的半径。

可选地，所述一对或多对单电极电容的上极板中，相邻上极板之间存在间隙。

可选地，在所述上极板为偶数个的情况下，所述一对或多对单电极电容的上极板与所述公用下极板构成一对或多对差动式电容器；其中，所述上极板的数量是所述差动式电容器的数量的两倍。

可选地，所述上极板和所述公用下极板之间的介质为空气。

可选的，所述弧面空腔基体和/或所述公共接地基体的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS。

根据本发明另一个实施例，提供了一种确定力方向的方法，应用所述实施例的传感器，包括：接收三维力F；使用所述传感器确定所述三维力F的方向。

可选地，在所述传感器包括电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4时，使用所述传感器确定所述三维力F的方向包括：

通过以下公式计算所述三维力F在三维分量的输出电容值

输出电容值

和输出电容值

其中，X、Y、Z为空间维度，所述电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4的初始电容分别为

和

在所述三维力F的作用下的输出变化量分别为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄；

将所述输出电容值

输出电容值

和输出电容值

中最大值对应的方向确定为所述三维力F的方向。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述任一项的确定力方向的方法。

本发明实施例提供的技术方案，由于在弧面空腔基体的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板，以此与公共接地基体上的下极板构成一对或多对单电极电容，并分散设置在弧面空腔基体的多个各个方向，通过各个方向的电容的变化分别感应各个方向的受力，因此，解决了相关技术中的触觉传感器无法辨识触觉力的方向的问题，达到了实现三维力的触觉感知的效果。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。

附图概述

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的传感器的立体结构示意图；

图2是根据本发明实施例的确定力方向的方法的流程图；

图3是本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器俯视图；

图4是根据本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器侧视图；

图5是本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器法向受力示意图；

图6是本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器切向受力示意图。

本发明的较佳实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例1

在本实施例中提供了一种传感器，图1是根据本发明实施例的传感器的立体结构示意图，如图1所示，传感器包括：

弧面空腔基体1，在弧面空腔基体1的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板2；

公共接地基体4，在公共接地基体4的内壁设置一对或多对单电极电容的公用下极板3；

其中，上极板与公用下极板构成电容器。

通过本实施例，弧面空腔基体，在弧面空腔基体的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板；公共接地基体，在公共接地基体的内壁设置一对或多对单电极电容的公用下极板；其中，上极板与公用下极板构成电容器。由于在弧面空腔基体的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板，以此与公共接地基体上的下极板构成一对或多对单电极电容，并分散设置在弧面空腔基体的多个各个方向，通过各个方向的电容的变化分别感应各个方向的受力，因此解决了相关技术中的触觉传感器无法辨识触觉力的方向的问题，达到了实现三维力的触觉感知的效果。

如图1所示，单电极电容为两对。对应的，单电极电容的上极板2也是两对。但是，为了实现更敏感的效果，以及实现感知多个方向的力(如东南方向、西北方向等)的效果，单电极电容的个数也可以是更多对，如四对、八对等。

可选的，弧面空腔基体为半球形空腔基体，上极板为类八分之一球面形状的曲面电极。半球形可以是规则或者不规则的，或者是类半球形的形状。

弧面空腔基体为半球形空腔基体，公共接地基体为与半球形等半径的圆形。或者，公用下极板的半径小于公共接地基体的半径。

可选的，为了防止各曲面上极板两侧边之间发生彼此短接，可以将曲面上极板两侧边尺寸均有所减小，以形成间隙。多个单电极电容的上极板中，相邻上极板之间存在间隙。

可选的，在上极板为偶数个的情况下，多个单电极电容的上极板与公用下极板构成多个差动式电容器，其中，上极板的数量是差动式电容器的数量的两倍。例如4个上极板组成2对差动式电容器。

可选的，上极板和公用下极板之间的介质为空气。

可选的，弧面空腔基体和/或公共接地基体的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

实施例2

在本实施例中还提供了一种确定力方向的方法，该方法用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。尽管以下实施例所描述的方法较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图2是根据本发明实施例的确定力方向的方法的流程图，如图2所示，该装置包括：

步骤S201，接收三维力F；

步骤S203，使用传感器确定三维力F的方向。

可选的，在传感器包括电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4时，使用传感器确定三维力F的方向包括：

S11，通过以下公式计算三维力F在三维分量的输出电容值

输出电容值

和输出电容值

其中，X、Y、Z为空间维度，电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4的初始电容分别为

和

在三维力F的作用下的输出变化量分别为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄；

S12，将输出电容值

输出电容值

和输出电容值

中最大值对应的方向确定为三维力F的方向。

实施例3

本实施例是根据本发明的可选实施例，用于对本方案进行详细说明：

本实施例提出了一种差动式电容式三维力柔性触觉传感器结构，该电容的形状主要有一定弧度形状的上极板和公共接地的下极板构成，本实施例列举了球面形状的上极板，其立体结构示意图如图1所示，该三维力柔性触觉传感器结构主要由半球型空腔基体(1)、四个单电极电容的曲面上极板(2)、圆形公共接地下极板和圆形公共接地下极板基体(4)等四部分构成。

本实施例的传感器的结构包括：半球型空腔基体(1)内壁设置四个类八分之一球面形状的曲面电极，作为四个单电极电容器的曲面上极板(2)。同时，均为了防止各曲面上极板(2)两侧边之间发生彼此短接，在设计时将曲面上极板(2)两侧边尺寸均有所减小，以形成间隙。四个曲面上极板的另一底边均在同一圆形公共接地下极板基体(4)一面；

四个曲面上极板(2)与圆形公共接地下极板(3)共同构成四个曲面电容器(或两对差动式电容器)，电容器上下极板间以空气为介质；

半球型空腔基体(1)和圆形公共接地下极板基体(4)的半径相同，两者粘结后构成半球型空腔体，整个电容式三维力触觉传感器呈现空间立体结构；

可选的，为了防止四个曲面上电极(2)与圆形公共接地下极板(3)发生极板短接，在设计时圆形公共接地下极板(3)半径略小于圆形公共接地下极板基体(4)的半径。

本实施例的曲面上极板(2)与圆形公共接地下极板(3)组成力敏电容单元，在三维力作用下，四个曲面电容器的上下极板间距和有效极板面积发生变化，从而导致四个曲面电容器输出电容量发生变化，通过处理传感器的输出电容的变化解析外界施加三维力信息。

本实施例提出的差动式电容式三维力触觉传感器结构主要有一定弧度形状的上极板和公共接地的下极板构成，本实施例的球面形状的上极板，其中包括半球型空腔基体(1)、四个单电极电容的曲面上极板(2)、圆形公共接地下极板和圆形公共接地下极板基体(4)等四部分构成。半球型空腔基体(1)内壁所设置的四个类八分之一球面形状的曲面电极，作为四个单电极电容器的曲面上极板(2)。四个曲面上极板(2)与下基板圆形公共接地电极下极板(3)共同构成四个曲面电容器(C1、C2、C3和C4)，上下极板间为空气介质。

图3是本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器俯视图。如图3所示。

为了防止各曲面上极板(2)两侧边之间发生彼此短接，在设计时将曲面上极板(2)两侧边尺寸均有所减小，以形成间隙。四个曲面上极板的另一底边均在同一圆形公共接地下极板基体(4)一面；同样，为了防止四个曲面上电极(2)与圆形公共接地下极板(3)发生极板短接，在设计时圆形公共接地下极板(3)半径略小于圆形公共接地下极板基体(4)的半径。半球型空腔基体(1)和圆形公共接地下极板基体(4)的半径相同，两者粘结后构成半球型空腔体，整个电容式三维力触觉传感器呈现空间立体结构；图4是根据本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器侧视图，如图4所示，与传统电容式三维力传感器结构相比，本实施例提出的结构直接将电容曲面上极板(2)集成于半球型触头内壁，形成空间立体结构。在法向力作用下，半球型空腔基体(1)被压缩，四个电容器的极板间距减小，输出电容值增加，图5是本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器法向受力示意图，传感机理如图5所示。同理，在切向力作用下，半球型空腔发生形变，四个曲面电容器的有效极板面积发生变化，从而使两个电容输出电容增加，另外两个输出电容减小，构成两对差分结构，其切向力受力示意图如图6所示，图6是本发明实施例的差动式电容式三维力触觉传感器切向受力示意图，提升了切向触觉灵敏度。

本实施例提供了一种差动式电容式三维力柔性触觉传感器的制备方法，可以基于3D打印技术与流体成型技术。半球型空腔基体(1)和圆形公共接地下极板基体(4)均以PDMS为材质，可实现具有韧性的透明弹性体，且固化时不放热、收缩量小以及良好的耐辐射性能。四个曲面上极板(2)和圆形公共接地下极板(3)均以有机硅导电银胶为材质，室温下可自行固化，且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。

制作成的差动式电容式三维力柔性触觉传感器后，假设四个曲面电容分别用C1、C2、C3和C4表示，触觉传感器在未受力是初始电容为

和

(理论上四个初始电容值是相等的)，在三维力

作用下，四个电容的输出变化量为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄，则三维力F作用下各个分量力引起对应电容传感器输出电容值(

和

)满足公式(1-3)中关系：

通过标定

和

与三维力分量F_X、F_Y和F_Z之间的关系，即可反演出三维力信息，从而实现三维力触觉感知功能。

本实例中采用3D打印技术进行电容式三维力触觉传感器结构制备，如果想进一步降低传感器尺寸，提升集成性，可以选用MEMS工艺(Microfabrication Process)。同时，电容极板也可以选用石墨烯等高导电性材料。为了进一步提升电容初始值以便后端信号处理，可以在半球型空腔内填充高介电常数的柔性材料，比如，碳系复合材料填充海绵等。另外，可以根据触觉感知量程范围，适当调整半球型空腔基体的厚度以及杨氏模量。

本实施例提出的一种差动式电容式三维力柔性触觉传感器，电容的形状主要有一定弧度形状的上极板和公共接地的下极板构成，本专利列举了球面形状的上极板，其结构特点是将四个单电极电容的曲面上极板集成于半球型空腔内壁，形成空间立体结构，更有利于三维力的触觉感知，同时，设计为差动式结构，提升了切向力的检测灵敏度。电容器为单电极工作模式，整体结构具备良好的集成性，四个曲线上电极的电极引线可通过半球型空腔基体引至圆形公共接地下极板基体，从而与圆形公共接地下极板在同一平面，便于阵列化设计。差动式电容式三维力触觉传感器整体具备柔性特点，在可穿戴、仿生皮肤领域具备广阔的应用前景。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

工业实用性

本发明实施例提出的传感器及确定力方向的方法。其中，该传感器包括基体和极板，包括：弧面空腔基体，在所述弧面空腔基体的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板；公共接地基体，在所述公共接地基体的内壁设置所述一对或多对单电极电容的公用下极板；其中，所述上极板与所述公用下极板构成电容器。通过本发明，解决了相关技术中的触觉传感器无法辨识触觉力的方向的问题。

Claims

一种传感器，包括基体和极板，具体包括：

弧面空腔基体，在弧面空腔基体的内壁分散设置一对或多对单电极电容的上极板；

公共接地基体，在公共接地基体的内壁设置所述一对或多对单电极电容的公用下极板；

其中，上极板与公用下极板构成电容器。
根据权利要求1所述的传感器，其中，所述单电极电容为两对。
根据权利要求2所述的传感器，其中，所述弧面空腔基体为半球形空腔基体，所述上极板为类八分之一球面形状的曲面电极。
根据权利要求1所述的传感器，其中，所述弧面空腔基体为半球形空腔基体，所述公共接地基体为与所述半球形等半径的圆形。
根据权利要求4所述的传感器，其中，所述公用下极板的半径小于所述公共接地基体的半径。
根据权利要求1所述的传感器，其中，所述一对或多对单电极电容的上极板中，相邻上极板之间存在间隙。
根据权利要求1所述的传感器，在所述上极板为偶数个的情况下，所述一对或多对单电极电容的上极板与所述公用下极板构成一对或多对差动式电容器；其中，所述上极板的数量是所述差动式电容器的数量的两倍。
根据权利要求1所述的传感器，其中，所述上极板和所述公用下极板之间的介质为空气。
根据权利要求1所述的传感器，其中，所述弧面空腔基体和/或所述公共接地基体的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS。
一种确定力方向的方法，应用权1至权9任一项所述的传感器，包括：接收三维力F；

使用所述传感器确定所述三维力F的方向。
根据权利要求10所述的方法，其中，在所述传感器包括电容器 C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4时，使用所述传感器确定所述三维力F的方向包括：

通过以下公式计算所述三维力F在三维分量的输出电容值
输出电容值
和输出电容值

其中，X、Y、Z为空间维度，所述电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4的初始电容分别为
和
在所述三维力F的作用下的输出变化量分别为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄；

将所述输出电容值
输出电容值
和输出电容值
中最大值对应的方向确定为所述三维力F的方向。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求10-11任一项的确定力方向的方法。