Способ измерения силы нажатия методом оптической анизотропной диффузионной тензометрии и датчик для измерения силы нажатия Российский патент 2024 года по МПК G01L1/24 

Группа изобретений относится к способам измерения механических усилий и может быть применена в медицинской промышленности, в частности в области протезирования конечностей.

В качестве прототипа выбраны способ измерения силы нажатия датчиком и датчик для измерения силы нажатия, при этом способ включает деформацию среды упруго деформируемого светопроницаемого пористого наполнителя путем приложения к нему внешнего усилия, определение модулем обработки данных интенсивности оптического излучения, распространяющегося от источника оптического излучения к приемнику в среде деформированного наполнителя, и измерение силы нажатия модулем обработки данных с учетом величины интенсивности оптического излучения, а датчик для измерения силы нажатия содержит источник и приемник оптического излучения, упруго деформируемый светопроницаемый пористый наполнитель и модуль обработки данных, выполненный с возможностью определения величины интенсивности оптического излучения и измерения силы нажатия, при этом датчик выполнен таким образом, чтобы обеспечивалась возможность передачи оптического излучения от источника к приемнику через наполнитель [JP 5722259 B2, дата публикации: 20.05.2015 г., МПК: G01L1/24; G01L5/16].

Недостатком прототипа является низкая точность датчика, обусловленная способом измерения силы нажатия. Известно, что интенсивность оптического излучения, распространяющего в наполнителе, зависит от его светопроницаемости. В случае пористого наполнителя его светопроницаемость зависит не только от светопоглощения, которое увеличивается за счет изменения плотности при деформации наполнителя, но и от направления деформации пор, которое приводит к анизотропному светорассеянию, вследствие чего изменяется средняя траектория света между источником и приемником оптического излучения. Измерение модулем обработки данных силы нажатия без учета анизотропного светорассеяния в порах при деформации наполнителя приводит к неоднозначной интерпретации измеренных усилий, что снижает точность измерения и делает невозможным измерение малых усилий нажатия, вследствие чего существенным образом ухудшаются эксплуатационные характеристики датчика.

Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик датчика для измерения силы нажатия.

Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности датчика для измерения силы нажатия.

Дополнительный технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в расширении динамического диапазона измеряемой силы нажатия.

Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Способ измерения силы нажатия датчиком для измерения силы нажатия включает деформацию среды упруго деформируемого светопроницаемого пористого наполнителя путем приложения к нему внешнего усилия, определение модулем обработки данных величины интенсивности оптического излучения, распространяющегося от источника оптического излучения к приемнику в среде деформированного наполнителя, и измерение силы нажатия модулем обработки данных с учетом величины интенсивности оптического излучения. В отличие от прототипа измерение силы нажатия модулем обработки данных осуществляется с учетом параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации.

Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Датчик для измерения силы нажатия содержит источник и приемник оптического излучения, упруго деформируемый светопроницаемый пористый наполнитель и модуль обработки данных, выполненный с возможностью определения величины интенсивности оптического излучения и измерения силы нажатия, при этом датчик выполнен таким образом, чтобы обеспечивалась возможность передачи оптического излучения от источника к приемнику через наполнитель. В отличие от прототипа модуль обработки данных выполнен с возможностью учета параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации при измерении силы нажатия.

Источник оптического излучения обеспечивает генерацию оптического излучения для его передачи через среду упруго деформируемого светопроницаемого пористого наполнителя к приемнику. Оптическое излучение может быть представлено ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным спектром излучения. Источник может быть подключен к источнику питания напрямую, например, подключен к контактной сети или аккумуляторной батарее, или через модуль обработки данных при помощи средств электрического соединения. Источник может быть представлен известными средствами, например, светодиодами различной конструкции или другими источниками ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения.

Приемник оптического излучения обеспечивает возможность преобразования оптического излучения от источника в электрический сигнал и его передачу в модуль обработки данных. Приемник может быть подключен к модулю обработки данных и/или источнику питания при помощи средств электрического соединения. Приемник может быть представлен известными средствами, например, фототранзисторами, фотодиодами, фоторезисторами и другими фотоэлементами, которые позволяют преобразовывать оптическое излучение в электрический сигнал.

Источник и приемник могут быть расположены как внутри наполнителя, так и за его пределами таким образом, чтобы обеспечивалась возможность передачи оптического излучения от источника к приемнику через наполнитель. В случае расположения внутри наполнителя источник и приемник могут быть погружены в среду наполнителя без фиксации положения или закреплены на гибкой подложке. Наиболее предпочтительным является закрепление источника и приемника на гибкой подложке, поскольку это позволяет исключить относительное смещение источника и приемника при деформации наполнителя, а также обеспечить повторение изгиба поверхности, на которую закреплен датчик, в результате чего стабилизируется процесс передачи оптического сигнала и повышается точность датчика. Гибкая подложка может быть выполнена из любых известных материалов с высокими показателями эластичности, например, резины, силикона, полиимида, лавсана, подложек гибких печатных плат.

Источник и приемник могут быть расположены друг относительно друга в прямом, наклонном, или отраженном монтаже. Расположение в прямом монтаже подразумевает размещение источника и приемника друг напротив друга таким образом, чтобы их оптические оси совпадали. Расположение в наклонном монтаже подразумевает размещение источника и приемника друг напротив друга таким образом, чтобы их оптические оси пересекались под углом. Расположение в отраженном монтаже подразумевает размещение источника и приемника по одну сторону так, чтобы их оптические оси были параллельны. В случае если датчик выполнен в виде изогнутого канала, то источник и приемник могут быть расположены в канальном монтаже, что подразумевает их размещение на противоположных концах канала так, чтобы обеспечивалась возможность передачи оптического излучения от источника к приемнику через наполнитель по оси деформированного канала.

Деформируемый светопроницаемый пористый наполнитель представляет собой рабочую часть датчика, обеспечивающую возможность распространения оптического излучения через его структуры, а также возможность изменения интенсивности распространяемого излучения при приложении к ней внешних усилий. Наполнитель может быть представлен известными пористыми материалами с известными параметрами пористости, обладающими свойствами упругой деформации, например, пористым полиуретаном, пористым этиленвинилацетатом или пористым силиконом.

Модуль обработки данных обеспечивает получение электрического сигнала от приемника оптического излучения и его дальнейшую обработку с целью измерения силы нажатия.

Модуль обработки данных выполнен с возможностью определения величины интенсивности оптического излучения и измерения силы нажатия с учетом величины интенсивности оптического излучения. Кроме того, модуль обработки данных выполнен с возможностью учета параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации при измерении силы нажатия. Такой подход позволяет минимизировать отклонение значения силы нажатия от истинного значения в процессе ее измерения, в результате чего повышается точность датчика для измерения силы нажатия, а также становится возможным измерение нажатия при малых деформациях, вследствие чего расширяется динамический диапазон измеряемой силы. Модуль обработки данных может быть представлен вычислительным устройством, например, микроконтроллером или микропроцессором, при этом вход модуля обработки данных может быть подключен к приемнику оптического излучения, источнику питания, а выход может быть подключен к устройству вывода, например, персональному или планшетному компьютеру, а также к специализированному устройству, например, протезу конечности.

Соединение вышеперечисленных компонентов между собой может обеспечиваться при помощи средств электрического соединения. В качестве средств электрического соединения могут быть использованы провода, кабели или контактные пластины.

Для дополнительного повышения точности датчика посредством контроля светорассеяния и модуляции динамического диапазона измеряемой силы нажатия пористость наполнителя может составлять 50-90% от объема наполнителя. В случае выхода за нижнюю границу интервала анизотропное светорассеяние не оказывает существенного влияния на изменение интенсивности излучения, в результате чего точность датчика не повышается. В случае выхода за верхнюю границу интервала дальнейшее изменение пористости не оказывает влияния на интенсивность оптического излучения, что также не приводит к повышению точности датчика.

Датчик дополнительно может содержать светоотражающий элемент, покрывающий наполнитель с одной или нескольких сторон, например с боковых сторон и/или со стороны, противоположной гибкой подложке (в случае ее наличия), что позволяет снизить риск распространения оптического излучения за пределы датчика, в результате чего повышается точность датчика для измерения силы нажатия.

Деформация среды наполнителя приводит к увеличению плотности и уменьшению размера пор в месте деформации, в результате чего изменяется средняя траектория света между источником и приемником и изменяется интенсивность оптического излучения.

Определение интенсивности оптического излучения осуществляется модулем обработки данных за счет получения электрического сигнала от приемника оптического излучения.

Измерение силы нажатия осуществляется модулем обработки данных с учетом интенсивности оптического излучения, определенной на прошлом этапе. Модуль обработки данных сопоставляет полученные значения электрического сигнала от приемника со значениями калибровочной таблицы и на основании результатов этого сопоставления определяет значение силы нажатия.

Калибровочная таблица содержит данные о параметрах датчика, которые влияют на его физические и оптические свойства. В качестве таких параметров могут быть представлены жесткость наполнителя, светопроницаемость и светопоглощение как самого наполнителя, так и гибкой подложки и светоотражающего элемента, геометрические характеристики и размеры датчика, пористость наполнителя и параметры взаимного месторасположении источника и приемника.

Калибровочная таблица может быть изначально заложена в память модуля обработки данных или рассчитана в процессе измерения силы нажатия на основе вышеперечисленных параметров согласно заданному в модуле обработки данных алгоритму. Кроме того, возможна комбинация описанных выше методов: в случае, если в калибровочной таблице отсутствует значение интенсивности оптического излучения, то модуль обработки данных проводит вычисления для определения силы нажатия.

Определение силы нажатия на основании результатов сопоставления может быть реализовано как путем простого присвоения значения силы нажатия, заданного в калибровочной таблице, так и математически путем умножения исходного значения электрического сигнала на результирующий коэффициент из калибровочной таблицы.

Измерение силы нажатия модулем обработки данных осуществляют с учетом параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации. Учет анизотропного изменения светорассеяния осуществляется на этапе сопоставления значений электрического сигнала с калибровочной таблицей, поскольку эти параметры заложены в калибровочную таблицу. Это позволяет учесть анизотропное светорассеяние, возникающее при деформации пор, и более точно отразить величину силы нажатия, в результате чего повышается точность датчика, а также расширится динамический диапазон измеряемой силы нажатия.

Для дополнительного повышения точности путем расширения признакового пространства состояний датчика оптическое излучение, генерируемое источником, может быть модулировано по частоте в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц с возможностью измерения интенсивности и фазы излучения. Это позволяет как компенсировать излучение внешних источников освещения, не связанных с измерением приложенных к наполнителю внешних усилий, так и проводить измерения амплитудно- и фазочастотных характеристик проходящего излучения.

Для дополнительного повышения точности датчика может осуществляться подбор светопроницаемости наполнителя под конкретное расположение источника и приемника оптического излучения. Подбор может быть осуществлен таким образом, чтобы в недеформируемом состоянии наполнителя интенсивность оптического излучения, получаемая приемником, падала не менее чем в 1/е раз по отношению к интенсивности оптического излучения, получаемого приемником при полностью прозрачном наполнителе. Это может быть достигнуто путем добавления красителей нужной концентрации в состав наполнителя.

Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что измерение силы нажатия модулем обработки данных осуществляется с учетом параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации. Это позволяет учесть нелинейные отклики светопроницаемости пористого наполнителя, вызванные анизотропным изменением светорассеяния при деформации пор в направлении приложения усилия, путем учета этих параметров в калибровочной таблице, что приводит к уменьшению отклонения измеряемой величины силы нажатия от истинного значения.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности датчика для измерения силы нажатия, а также становится возможным измерение нажатия при малых деформациях, в результате чего расширяется динамический диапазон измеряемой силы нажатия, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики датчика измерения силы нажатия.

Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известен способ измерения силы нажатия на датчик и датчик для измерения силы нажатия, при этом способ включает этап деформации наполнителя, этап определения величины интенсивности оптического излучения на основе изменения плотности наполнителя и этап измерения силы нажатия с учетом величины интенсивности оптического излучения, а датчик содержит источник и приемник оптического излучения, пористый наполнитель и модуль обработки данных, выполненный с возможностью определения величины интенсивности оптического излучения и измерения силы нажатия.

Однако из уровня техники не известен способ измерения силы нажатия, в котором измерение силы нажатия осуществляется с учетом параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации, а также не известен датчик, модуль обработки данных которого выполнен с возможностью измерения силы нажатия с учетом параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации.

Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что при помощи датчика измерения силы нажатия реализуется способ измерения силы нажатия, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».

Группа изобретений поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Датчик измерения силы нажатия с гибкой подложкой и светоотражающей пластиной в отраженном монтаже, поперечный разрез.

Фиг. 2 - Схематическое изображение расположения источника и приемника в датчике при наклонном монтаже, поперечный разрез.

Фиг. 3 - Схематическое изображение расположения источника и приемника в датчике при прямом монтаже, поперечный разрез.

Фиг. 4 - Схематическое изображение расположения источника и приемника в датчике при канальном монтаже, поперечный разрез.

Фиг. 5 - Схематическое изображение механизма светорассеяния путем преломления оптического излучения на порах наполнителя до и во время деформации в случаях продольного и поперечного приложения усилия.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Датчик измерения силы нажатия включает гибкую подложку 1, в которой на расстоянии 10 мм установлены источник 2 инфракрасного излучения, выполненный в виде светодиода и подключенный к аккумуляторной батарее, и приемник 3, выполненный в виде фототранзистора и подключенный к модулю обработки данных, светоотражающую пластину 4, а также упруго деформируемый светопроницаемый наполнитель 5, заполняющий пространство между подложкой 1 и пластиной 4. При этом наполнитель 5 представлен в виде вспененного этиленвинилацетата с общей пористостью 80% и размером микропор в диапазоне от 10 до 1000 мкм. Модуль обработки данных выполнен в виде микроконтроллера и подключен к персональному компьютеру (не показан на фигурах).

Группа изобретений работает следующим образом.

Пользователем осуществляется нажатие на пластину 4, в результате чего происходит поперечная деформация наполнителя 5 и изменение интенсивности излучения между источником 2 и приемником 3. При поперечной деформации наполнителя 5 его поры также деформируются в направлении приложенного усилия и за счет уменьшения объема воздушного пространства увеличивается плотность деформированного участка. Изменение плотности приводит к увеличению светопоглощения наполнителем 5, а деформация пор приводит к анизотропному изменению светорассеяния за счет изменения преломления оптического излучения при прохождении через поры в деформированном состоянии.

Механизм прохождения оптического излучения через поры в деформированном состоянии изображен на фиг.5:

(а) показывает преломление оптического излучения на поре в недеформированном состоянии;

(б) показывает преломление оптического излучения на поре в состоянии поперечной деформации;

(в) показывает преломление оптического излучения на поре в состоянии продольной деформации.

Таким образом, при деформации поры в направлении приложенного усилия уменьшается угол преломления оптического излучения, что позволяет уменьшить светорассеяние в направлении деформации.

Одновременное уменьшение светорассеяния и увеличение светопоглощения наполнителя 5 в направлении приложенной силы приводит к существенному изменению траектории движения фотонов. Вследствие этого изменение свойств деформированной среды приводит к нелинейным откликам светопроницаемости на деформацию.

Микроконтроллер получает электрический сигнал с приемника 3, после чего производит его сопоставление с калибровочной таблицей, учитывающей физические и оптические свойства датчика и содержащей зависимость между значением интенсивности оптического излучения и силой нажатия, после чего выводит полученное значение силы нажатия на персональный компьютер пользователя. В случае отсутствия в калибровочной таблице соответствующего значения интенсивности оптического излучения микроконтроллер осуществляет определение силы нажатия путем алгоритма экстраполяции значения по калибровочной таблице.

Учет анизотропного изменения светорассеяния приводит к более точному определению силы нажатия, в результате чего повышается чувствительность датчика при малых деформациях, что позволяет расширить динамический диапазон измеряемой силы нажатия, а также увеличить точность датчика.

Для компенсации излучения внешних источников освещения, не связанных с деформациями вещества, в целях дополнительного повышения точности и чувствительности датчика оптическое излучение, генерируемое источником 2, может быть модулировано во времени в диапазоне частот от 1 Гц до 1000 Гц.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности датчика, тем самым улучшаются его эксплуатационные характеристики.

Группа изобретений относится к способам измерения механических усилий и может быть применена в медицинской промышленности, в частности в области протезирования конечностей. Сущность группы изобретений заключается в том, что при деформации среды упругого светопроницаемого пористого наполнителя путем приложения к нему внешнего усилия, определяют модулем обработки данных величину интенсивности оптического излучения, распространяющегося от источника оптического излучения к приемнику в среде деформированного наполнителя и силу нажатия, с учетом величины интенсивности оптического излучения, при этом модуль обработки данных учитывает параметры анизотропного изменения светорассеяния пористого наполнителя в состоянии его деформации при измерении силы нажатия. Технический результат заключается в повышении точности датчика и увеличении динамического диапазона для измерения силы нажатия. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения силы нажатия датчиком для измерения силы нажатия, включающий деформацию среды упругодеформируемого светопроницаемого пористого наполнителя путем приложения к нему внешнего усилия, определение модулем обработки данных величины интенсивности оптического излучения, распространяющегося от источника оптического излучения к приемнику в среде деформированного наполнителя и измерение силы нажатия модулем обработки данных с учетом величины интенсивности оптического излучения, отличающийся тем, что измерение силы нажатия модулем обработки данных осуществляется с учетом параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют наполнитель с пористостью 50-90%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптическое излучение, генерируемое источником, модулируют по частоте в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц.

4. Датчик для измерения силы нажатия, содержащий источник и приемник оптического излучения, упругодеформируемый светопроницаемый пористый наполнитель и модуль обработки данных, выполненный с возможностью определения величины интенсивности оптического излучения и измерения силы нажатия, при этом датчик выполнен таким образом, чтобы обеспечивалась возможность передачи оптического излучения от источника к приемнику через наполнитель, отличающийся тем, что модуль обработки данных выполнен с возможностью учета параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации при измерении силы нажатия.

5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что источник и приемник закреплены на гибкой подложке.

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что содержит светоотражающий элемент, покрывающий наполнитель со стороны, противоположной гибкой подложке.

7. Датчик по п.4, отличающийся тем, что отношение интенсивности оптического излучения, получаемого приемником, составляет не менее 1/е по сравнению с интенсивностью оптического излучения, получаемого приемником при полностью прозрачном наполнителе.

8. Датчик по п.4, отличающийся тем, что источник и приемник расположены друг относительно друга в прямом монтаже.

9. Датчик по п.4, отличающийся тем, что источник и приемник расположены друг относительно друга в наклонном монтаже.

10. Датчик по п.4, отличающийся тем, что источник и приемник расположены друг относительно друга в канальном монтаже.

11. Датчик по п.4, отличающийся тем, что пористость наполнителя составляет 50-90% от объема наполнителя.