Многоточечный тактильный датчик

Область техники
Полезная модель относится к способам или устройствам для измерения силы, механического напряжения, в том числе для измерения геометрии поверхности контакта и места контакта с объектом.
Предлагаемое устройство может быть использовано для проведения анализа напряженно-деформированного состояния стопы человека при ходьбе (например, форма стопы, диаграмма нагрузки на стопу), в качестве тактильного покрытия с функцией обратной связи для рабочих узлов манипуляторов, в качестве тактильной перчатки на руку для различных систем мониторинга и управления. Также полезная модель может быть использована для проведения прикладных и научных исследований в области анализа напряженно-деформированного состояния различных объектов, (например, бетонных конструкций), в частности анализа состояния высоко-деформируемых объектов (например, эластомерные узлы в деталях высоконагруженных механизмов).
Описание уровня техники
Из уровня техники известно устройство для определения давления рук водителя на рулевое колесо транспортного средства (RU190175U1, опубл. 24.06.2019). Устройство представляет собой перчатку со встроенными датчиками давления, отличающуюся тем, что датчики давления состоят из эластичных водостойких капсул, заполненных токопроводящей жидкостью, причем на противоположных сторонах капсулы размещены гибкие электроды, к которым прикреплены электрические проводники.
Данное устройство обладает следующими недостатками: капсулы с жидким проводником требуют подвода твердотельных проводников, которые установлены со стороны приложения усилия, что может приводить к их быстрому износу и опасности обрыва при эксплуатации. Также для точного определения места контакта и величины усилия требуется большое количество капсул, что неизбежно приведет к большому количеству подводимых к капсулам проводников со стороны приложения давления, что может сказаться как на показаниях датчиков, так и на надежности самого устройства. Для работы датчиков требуется переменный электрический ток высокого напряжения, что делает устройство опасным при эксплуатации.
Также известно устройство, предназначенное для определения кривизны изгиба (US2013312541, опубл. 28.11.2013). Устройство представляет собой гиперэластичную мембрану с каналами, заполненными эвтектическим сплавом индий-галлия. По изменению электрического сопротивления индий-галлия определяется кривизна изгиба.
Данное устройство позволяет определять только кривизну изгиба и не может быть использовано для измерения усилия при контакте, а также определения места контакта объекта с устройством (в том числе геометрии контактирующей поверхности объекта).
Известна широко используемая на данный момент технология многоточечного сенсорного экрана, US 2006097991, опубликовано 05.11.2006, патент выдан компании Apple. Данная технология позволяет определять несколько касаний к прозрачной емкостной среде.
Данное устройство обладает рядом недостатков: устройство не гибкое и не выдерживает деформации более 1%.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является решение, описанное в патенте US 20180243924 «Тактильные датчики и методы изготовления тактильных датчиков», опубл. 08.09.2018. Датчик представляет собой эластичную мембрану, в теле которой проходит одиночный канал, наполненный токопроводящей жидкостью. К концам канала подводятся электроды, электрически соединенные с токопроводящей жидкостью. Датчик способен растягиваться более чем на 50% по меньшей мере в двух осевых направлениях от состояния покоя к состоянию растяжения. Измерение деформаций происходит за счет изменения сопротивления токопроводящей жидкости в канале вследствие сужения канала или областей канала. Также, одним из возможных вариантов устройства является мембрана, в которой проходят две группы каналов в двух параллельных плоскостях. В каждой группе каналы параллельны друг другу. Каналы из одной группы проходят над каналами другой группы под прямым углом.
Описанное устройство обладает следующими недостатками: использование одного канала на всю мембрану не позволяет определить место приложения усилия, или места приложения нескольких одновременных усилий; использование массива из двух групп параллельных каналов, проходящих в двух параллельных плоскостях под прямым углом, позволяет определить место контакта, форму поверхности контактирующего объекта, но приводит к вынужденному утолщению мембраны, что очень критично при использовании мембраны в качестве тактильной поверхности.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в областях измерения силы, механического напряжения, а также измерения геометрии поверхности контакта и места контакта с объектом.
Технический результат, достигаемый при реализации представленной полезной модели, заключается в расширении возможностей по измерению силы, механического напряжения, больших деформаций (более 1%), а также расширение возможностей в области создания тактильных систем (тензометрические стельки, тактильные перчатки, тактильные насадки на рабочие органы манипуляторов, тактильное покрытие протезов), что достигается за счет того, что:
датчик выполнен из гиперэластичного материала;
толщина датчика ограничена только диаметром канала;
рабочими элементами датчика являются каналы, наполненные токопроводящей жидкостью, которая при деформации материала матрицы сохраняет проводимость, не образует разрывов и меняет электрическое сопротивление;
возможно применение плотного массива каналов с проводящей жидкостью, позволяющих с большой точностью определять место приложения усилия;
отсутствуют твердотельные проводники в области проведения измерения;
возможно изготовление датчика с заранее заданными свойствами для большого диапазона измерения усилий.
Сущность полезной модели объясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображен вариант исполнения устройства. На Фиг 2. Приведен пример работы устройства.
Описание устройства:
Устройство представляет собой гиперэластичную мембрану (Фиг. 1, 1), в теле которой расположены наполненные токопроводящей жидкостью каналы (Фиг. 1, 2). К концам каналов подведены твердотельные проводники, частично погруженные в токопроводящую жидкость (Фиг. 1, 3). Концы каналов герметично заклеены. Каналы в теле расположены так, что образуют единую проводящую сетку. В качестве проводящей жидкости может быть использован любой сплав или металл (гель, полимер, проводящий пластилин, гранулированные среды), который при температуре эксплуатации датчика имеет жидкую фазу. Например, сплав индий и галлия, который при комнатной температуре ведет себя как жидкость.
При растяжении датчика или нажатии (Фиг. 2) на описанный датчик происходит деформация каналов (сужение/расширение/изменение геометрии сечения), что приводит к увеличению и/или уменьшению электрического сопротивления каналов. Так как каналы образуют сетчатую структуру, то измерение изменения сопротивления на каждом канале позволяет определить место или места приложения усилия, в том числе величину прикладываемого усилия.