柔性弯曲传感器和多关节弯曲角度测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种用于软体臂弯曲状态检测的柔性弯曲传感器和由多个柔性弯曲传感器组成的多关节弯曲角度测量装置。


背景技术：

2.传统的商用弯曲传感器主要采用pet薄片或聚酰亚胺薄片作为基底，当待测关节弯曲时，根据传感器表层材料电阻率的变化测量关节弯曲，但传统的弯曲传感器没有弹性，不能适应由于关节弯曲带来的表面拉伸效应。只能用于测量无弹性形变的表面关节。而软体机械臂通常采用硅胶等弹性软材料作为外层结构体，在其弯曲过程中通常伴随有弹性形变，例如弯曲外侧表面产生的弹性伸长。因此传统的弯曲传感器不能用于软体机械臂的测量。基于此，亟需一种能够精确测量软体机械臂的弯曲传感器。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供柔性弯曲传感器和多关节弯曲角度测量装置，用于测量软体机械臂的弯曲角度信息。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
5.一种柔性弯曲传感器，所述传感器包括第一弹性体和第二弹性体，所述第一弹性体的两端分别与所述第二弹性体的两端连接，所述第一弹性体和所述第二弹性体之间形成空腔，所述第一弹性体贴附于待测关节的可延展弯曲的表面，以所述空腔为内，所述第一弹性体的内曲面贴附有双面柔性电路板，所述第二弹性体中的内曲面贴附有铜箔贴附层，自然状态下，所述双面柔性电路板和所述铜箔贴附层之间留有间隙；在所述待测关节弯曲时，所述双面柔性电路板和所述铜箔贴附层相互贴合，所述双面柔性电路板用于根据贴合面积确定所述待测关节的弯曲角度。
6.本实用新型还提供一种多关节弯曲角度测量装置，所述装置由多个所述柔性弯曲传感器组成，多个所述柔性弯曲传感器分别贴附于不同的待测关节，多个所述柔性弯曲传感器并联形成总电路，所述总电路的电容值的位数与所述柔性弯曲传感器的个数相同，所述电容值的每一位数值代表一个待测关节的弯曲角度。
7.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
8.本实用新型所提供的柔性弯曲传感器，包括第一弹性体和第二弹性体，第一弹性体的两端分别与第二弹性体的两端连接，且在第一弹性体和第二弹性体之间形成空腔，在第一弹性体的内曲面贴附双面柔性电路板，第二弹性体的内曲面贴附铜箔贴附层，当待测关节弯曲时，第一弹性体和第二弹性体跟随待测关节弯曲，进而带动第一弹性体内曲面的双面柔性电路板和第二弹性体内曲面的铜箔贴附层逐渐贴合。在双面柔性电路板的内表面设置多个金属铜片，多个金属铜片平行且间隔排布于第一弹性体的两端之间，因此，双面柔性电路板和铜箔贴附层的逐渐贴合体现为双面柔性电路板上的多个金属铜片与铜箔贴附层逐渐贴合，在双面柔性电路板的外表面设置多个定值贴片电容，且每一定值贴片电容对
应一个金属铜片，每一所述金属铜片与对应的定值贴片电容的一个电极连接，因此当铜箔贴附层与金属铜片贴合时，与金属铜片对应的定值贴片电容与铜箔贴附层连接，多个定值贴片电容的另一个电极串联连接，且连接至传感器的第一测量端，铜箔贴附层连接至第二测量端，通过测量两测量端的电容值即可得知连接到电路中的定值贴片电容数量，根据定值贴片电容的数量确定贴合的金属铜片的数量，进而根据金属铜片的数量计算出贴合面积，最终确定待测关节的弯曲角度。
9.本实用新型所提供的柔性弯曲传感器具有灵敏度和量程的调整范围大，适应性强的优点，当改变双面柔性电路板中金属铜片或定值贴片电容的数量，或改变第一弹性体和第二弹性体的曲率时，贴合面积随待测关节的弯曲角度信息改变。
10.本实用新型所提供的多关节弯曲角度测量装置，通过将多个柔性弯曲传感器分别贴附于不同的待测关节，并将多个柔性弯曲传感器并联形成总电路，设置总电路的电容值的位数与柔性弯曲传感器的个数相同，且电容值的每一位数值代表一个待测关节的弯曲角度，从而根据总电路的电容值得到每一待测关节的弯曲角度信息，实现双引线多关节测量。
附图说明
11.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1为本实用新型实施例1提供的柔性弯曲传感器整体结构示意图；
13.图2为本实用新型实施例1提供的柔性弯曲传感器整体结构侧视图；
14.图3为本实用新型实施例1提供的双面柔性电路板内表面结构示意图；
15.图4为本实用新型实施例1提供的双面柔性电路板外表面结构示意图；
16.图5为本实用新型实施例1提供的金属铜片在双面柔性电路板上的排列方式示意图；
17.图6为本实用新型实施例2提供的多关节弯曲角度测量示意图；
18.图7为本实用新型实施例2提供的多关节测量电路的原理图。
19.符号说明：
20.1：第一弹性体；2：第二弹性体；3：双面柔性电路板；4：铜箔贴附层；5金属铜片；6：定值贴片电容；7：过孔；8：第一测量端； 9：第二测量端；10：待测关节。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.本实用新型的目的是提供柔性弯曲传感器和多关节弯曲角度测量装置，通过设置柔性弯曲传感器包括贴附双面柔性电路板的第一弹性体和贴附铜箔贴附层的第二弹性体，使得双面柔性电路板和铜箔贴附层随待测关节的弯曲而逐渐贴合，通过贴合面积得到待测
关节的弯曲角度，进而实现软体机械臂弯曲角度信息的测量。
23.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
24.实施例1
25.本实施例提供一种柔性弯曲传感器，请参阅图1，所述传感器包括第一弹性体1和第二弹性体2，第一弹性体1的两端分别与第二弹性体2的两端连接，且第一弹性体1和第二弹性体2之间形成空腔，第一弹性体1贴附于待测关节10的可延展弯曲的表面，以空腔为内，第一弹性体1的内曲面贴附有双面柔性电路板3，第二弹性体2中的内曲面贴附有铜箔贴附层4，自然状态下，双面柔性电路板3和铜箔贴附层4之间留有间隙，具体请参阅图2；在待测关节10弯曲时，双面柔性电路板3和铜箔贴附层4相互贴合，根据提前定义的贴合面积与弯曲角度的对应关系计算待测关节10的弯曲角度信息。
26.基于本实施例所述的柔性弯曲传感器用于测量软体机械臂的弯曲角度信息，因此，为实现待测关节10弯曲时，传感器能够跟随待测关节10弯曲，设置传感器的结构主体采用硅胶材料，即第一弹性体1和第二弹性体2采用硅胶材料，基于硅胶材料的高柔性特征，使得采用硅胶材质制成的传感器能够跟随待测关节10弯曲而逐渐弯曲。具体的，第一弹性体1和第二弹性体2可采用以下方法制得：首先将液体硅胶搅拌在真空容器中去除气泡，然后浇注在模具中固化成型。硅胶模具采用光敏树脂材料3d打印制成，从而使得该柔性弯曲传感器制备成本较低。
27.作为一种可选的实施方式，第一弹性体1的两端分别与第二弹性体2的两端通过触变型单组分有机硅胶粘结固定。触变型单组分有机硅胶作为一种硅胶粘接剂，可以实现硅胶与其他材料的粘接，且其固化之后仍然具有弹性，因此采用触变型单组分有机硅胶粘结固定第一弹性体1和第二弹性体2的两端，使得当待测关节10由弯曲状态恢复到初始状态时，该触变型单组分有机硅胶可以跟随第一弹性体1和第二弹性体2恢复原状，不至于形变后不可恢复。
28.关于待测关节10弯曲时，双面柔性电路板3和铜箔贴附层4的贴合面积的计算，本实施例提供一种可选的实施方式，请参阅图3，双面柔性电路板3的内表面设有多个金属铜片5，多个所述金属铜片 5平行且间隔排布于第一弹性体1的两端之间，由于在双面柔性电路板3上设置了多个金属铜片5，因此双面柔性电路板3与铜箔贴附层 4逐渐贴合的过程体现为多个金属铜片5与铜箔贴附层4逐渐贴合，贴合面积由铜箔贴附层4与金属铜片5的贴合数量确定，且待测关节 10的弯曲角度越大，铜箔贴附层4与金属铜片5的贴合数量越多，贴合面积越大。
29.双面柔性电路板3的外表面设有多个定值贴片电容6，具体请参阅图4，每一定值贴片电容6对应一个金属铜片5，每一金属铜片5 与对应的定值贴片电容6的一个电极连接，多个定值贴片电容6的另一个电极串联连接，且连接至传感器的第一测量端8；铜箔贴附层4 连接有第二测量端9，根据第一测量端8与第二测量端9之间的电容值确定贴合面积。
30.具体的，随着待测关节10的逐渐弯曲，铜箔贴附层4与位于双面柔性电路板3内表面的多个金属铜片5逐渐贴合，而每一金属铜片 5连接一个定值贴片电容6，因此，在铜箔贴附层4与多个金属铜片 5逐渐贴合过程中，不断的有定值贴片电容6连接到电路中，且有多少金属铜片5与铜箔贴附层4贴合就有多少个定值贴片电容6连接到电路中，同时，由于多个
定值贴片电容6的另一个电极串联连接，且连接至传感器的第一测量端8，铜箔贴附层4连接另一测量端，因此，通过测量两个测量端的电容值，即可得到连接到电路中的定值贴片电容6的数量，进而得知与铜箔贴附层4贴合的金属铜片5的数量，根据与铜箔贴附层4贴合的金属铜片5的数量得到贴合面积，通过贴合面积与弯曲角度的对应关系得到待测关节10的弯曲角度信息，从而实现对软体关节弯曲角度的测量。
31.作为一种可选的实施方式，为了分辨贴合面积，任一金属铜片5 到第一弹性体1的两端之间的中心端面的距离均不同。为了使本领域技术人员更清楚的了解本实施例中多个金属铜片5在双面柔性电路板3中的排列方式，以及如何根据该排列方式来分辨贴合面积，现结合附图5进行说明。
32.请参阅图5，图中深色虚线为起始端和终止端的中心端面，图中多个小矩形代表多个金属铜片5，其中标号(1)
‑
(n)的多个金属铜片5到中心端面的距离分别为l1，l2...，l
n
，且l1≠l2≠...≠l
n
，本实施例中，l1＜l2＜...＜l
n
。需要说明的是，此处l1＜l2＜...＜l
n
仅为本是实施例列举的一种情况，主要为了具体说明在待测关节10弯曲时，金属铜片5与铜箔贴附层4的贴合顺序。本实用新型并不对每个金属铜片 5到中心端面的距离的大小关系做具体的限定，只要保证任一金属铜片5到中心端面的距离不同即可。由于任一金属铜片5到中心端面的距离不同，当待测关节10逐渐弯曲时，距离中心端面最近的金属铜片5(1)首先与铜箔贴附层4贴合，然后依次是金属铜片5(2)，金属铜片5(3)，...，金属铜片5(n)与铜箔贴附层4贴合(当金属铜片5到中心端面的距离的大小关系改变时，贴合顺序也相应改变)。由于每一金属铜片5连接一个定值贴片电容6，当有多少个金属铜片5与铜箔贴附层4贴合即有多少个定值贴片电容6连接到电路中，因此通过两测量端测得电路中的电容值，用电容值除以一个定值贴片电容6的电容量，即可得知连接到测量电路中的定值贴片电容6 的个数，进而得知与铜箔贴附层4贴合的金属铜片5的数量，根据与铜箔贴附层4贴合的金属铜片5的数量，可以对应得到最后与铜箔贴附层4贴合的金属铜片5，再根据该最后贴合的金属铜片5与中心端面的距离计算贴合面积，进一步根据贴合面积与弯曲角度的对应关系，得到待测关节10的弯曲角度信息，实现软体机械臂弯曲角度的精确测量。
33.作为一种可选的实施方式，双面柔性电路板3还包括多个过孔7，每一过孔7对应一个定值贴片电容6和一个金属铜片5，每一相互连接的定值贴片电容6和金属铜片5之间均通过对应的过孔7连接，具体请参阅图3和图4。
34.本实施例所提供的柔性弯曲传感器具有灵敏度和量程的调整范围大，适应性强的优点，当改变双面柔性电路板3中金属铜片5或定值贴片电容6的数量，或改变第一弹性体1和第二弹性体2的曲率时，贴合面积随待测关节10的弯曲角度信息改变。
35.实施例2
36.本实施例提供一种多关节弯曲角度测量装置，所述装置由多个实施例1所述的柔性弯曲传感器组成，具体请参阅图6，多个柔性弯曲传感器分别贴附于不同的待测关节10，且多个柔性弯曲传感器通过导线并联形成总电路，电路的原理图请参阅图7，在电路原理图中将双面柔性电路板3上的金属铜片5与铜箔贴附层4的贴合接通关系视为开关。为了同时得到多个测量关节的信息，在不同传感器电路中采用数量级关系的定值贴片电容6，例如，第1个测量关节采用4个1nf 的定值电容，第2个测量关节采用4个10nf的定值电容，
……
，第 n个测量关节采用4个10
n
‑1nf的定值电容，由于每个测量关节的电路相互并联，根据电容并
联相加原理，多关节弯曲角度测量装置的总电路的电容值的位数与柔性弯曲传感器的个数相同，其中，电容值的每一位数值代表一个待测关节10的弯曲角度，由此实现双引线多关节测量。
37.实施例3
38.本实施例提供一种采用柔性弯曲传感器测量关节弯曲角度的方法，本实施例所采用的柔性弯曲传感器为实施例1或实施例2所述的柔性弯曲传感器，所述方法包括：
39.获取待测关节10弯曲时两个测量端之间的电容值；
40.根据电容值计算待测关节10的弯曲角度。
41.具体的，采用实施例1所述的方案设置柔性弯曲传感器，并将其固定于待测关节10的可延展弯曲的表面，当待测关节10弯曲时，测量两个测量端之间的电容值，根据电容值计算待测关节10的弯曲角度的具体方法参见上述实施例1中的方法。
42.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
43.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。