DE-102025101601-B3 - Sensorelement zur Erfassung myographischer Signale, Sensor mit ebensolchen Sensorelementen und Messsystem mit zumindest einem ebensolchen Sensor

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (100) einen Sensor (150) und ein Messsystem (170) zur Erfassung myographischer Signale. Das Sensorelement (100) umfasst: eine elektrisch nichtleitende Substratschicht (101);zumindest zwei auf einer Oberseite der Substratschicht (101) angeordnete Elektroden (102); eine elektrisch leitende Messschicht (103) aus einem elastischen ersten Material, wobei die den zumindest zwei Elektroden (102) zugewandte Unterseite der Messschicht (103) eine Strukturierung aufweist, ein erstes mechanisches Koppelelement (104) aus einem elastischen zweiten Material, und ein zweites mechanisches Koppelelement (105) aus einem elastischen dritten Material, wobei das zweite Koppelelement (105) mit seiner Unterseite auf der Oberseite der Substratschicht (101) angeordnet ist, wobei die zumindest zwei Elektroden (102) über jeweils eine elektrische Leitung, die auf und/oder in der elektrisch nichtleitenden Substratschicht (101) angeordnet sind, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (113) verbindbar sind.

Inventors

• Bernhard Vodermayer
• Mathilde Connan
• Konrad Fründ
• Heinrich Gmeiner

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250117

Claims (15)

1. Sensorelement (100) zur Erfassung myographischer Signale, aufweisend: - eine elektrisch nichtleitende Substratschicht (101); - zumindest zwei auf einer Oberseite der Substratschicht (101) angeordnete Elektroden (102); - eine unmittelbar über den zumindest zwei Elektroden (102) angeordnete Messschicht (103) aus einem elastischen ersten Material, wobei ◯ das elastische erste Material aufgrund darin eingelagerter und elektrisch leitfähiger Partikel eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, und ◯ die den zumindest zwei Elektroden (102) zugewandte Unterseite der Messschicht (103) eine Strukturierung derart aufweist, dass im Vergleich zu einem mechanisch entspannten Zustand der Messschicht (103), in einem mechanisch belasteten Zustand der Messschicht (103) eine größere Kontaktfläche zwischen der Messschicht (103) und den zumindest zwei Elektroden (102) entsteht und damit ein elektrischer Übergangswiderstand zwischen den zumindest zwei Elektroden (102) im mechanisch belasteten Zustand abnimmt; - ein erstes mechanisches Koppelelement (104) aus einem elastischen zweiten Material, wobei das erste Koppelelement (104) ◯ mit seiner Unterseite auf der Oberseite der Substratschicht (101) angeordnet ist, und ◯ auf seiner Unterseite eine Ausnehmung zur Aufnahme der zumindest zwei Elektroden (102) sowie der darüber angeordneten Messschicht (103) aufweist, und - ein zweites mechanisches Koppelelement (105) aus einem elastischen dritten Material, wobei das zweite Koppelelement (105) ◯ mit seiner Unterseite auf der Oberseite der Substratschicht (101) angeordnet ist, und ◯ auf seiner Unterseite eine Ausnehmung zur umschließenden Aufnahme des auf der Oberseite der Substratschicht (101) angeordneten ersten Koppelelements (104) aufweist, wobei die zumindest zwei Elektroden (102) über jeweils eine elektrische Leitung, die auf und/oder in der elektrisch nichtleitenden Substratschicht (101) angeordnet sind, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (113) verbindbar sind.
2. Sensorelement (100) nach Anspruch 1 , wobei die elektrisch leitfähigen Partikel zumindest zwei unterschiedliche Bereiche B1:= [D1... D2] und B2:= [D3... D4] von Durchmessern D aufweisen, wobei sich die Bereich B1 und B2 nicht überschneiden, und für D3 gilt: D3 ≥ 2 * D2.
3. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , wobei das erste mechanische Koppelelement (104) aus zwei oder mehreren aneinander gefügten ersten Teil-Koppelelementen besteht, wobei zumindest zwei der ersten Teil-Koppelelementen eine unterschiedliche Geometrie aufweisen und/oder aus unterschiedlichen zweiten Materialien bestehen.
4. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das zweite mechanische Koppelelement (105) aus zwei oder mehreren aneinander gefügten zweiten Teil-Koppelelementen besteht, wobei zumindest zwei der zweiten Teil-Koppelelemente eine unterschiedliche Geometrie aufweisen und/oder aus unterschiedlichen dritten Materialien bestehen.
5. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei das elastische dritte Material des zweiten Koppelelements (105) eine Elastomer-Matrix aufweist, in der elektrisch leitfähige Partikel verteilt sind.
6. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei das zweite mechanische Koppelelement (105) an dessen distaler Oberfläche eine elektrisch leitende Beschichtung (130) aufweist.
7. Sensorelement (100) nach Anspruch 6 , wobei die elektrisch leitende Beschichtung (130) optisch transparent ist.
8. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei das zweite mechanische Koppelelement (105) mit zumindest einer auf der Substratschicht (101) angeordneten Elektrode (110) elektrisch leitend verbunden ist.
9. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei das elastische dritte Material des zweiten Koppelelements (105) optisch transparent ist oder das zweite Koppelelement (105) zumindest einen optischen Leiter umfasst.
10. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , wobei eine distale Oberfläche des zweiten Koppelelements (105) lichtleitend mit einer auf der Substratschicht (101) angeordneten Lichtquelle (111) und einem auf der Substratschicht (101) angeordneten Lichtsensor (112) verbunden ist.
11. Sensor (150) mit mehreren auf einer Substratschicht (101) angeordneten Sensorelementen (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 .
12. Sensor (150) nach Anspruch 11 , wobei die mehreren Sensorelemente (100) derart in eine elastische, elektrisch nichtleitende Materialschicht (118) aus einem vierten Material eingebettet sind, dass die jeweiligen distalen Oberflächen der einzelnen Sensorelemente (100) diese Materialschicht (118) überragen.
13. Messsystem (170) zur Erfassung und Auswertung myographischer Signale, umfassend: - zumindest einen Sensor (150) zur Erfassung der von den einzelnen Sensorelementen (100) erfassten myographischer Signale nach einem der Ansprüche 11 oder 12 , - eine mit den zumindest zwei Elektroden (102) der einzelnen Sensorelemente (100) verbundene Auswerte- und Steuereinheit (113) zur Auswertung der erfassten myographischen Signale als Auswerteergebnisse, und - eine Schnittstelle (114) zur Ausgabe der Auswerteergebnisse.
14. Messsystem (170) nach Anspruch 13 , wobei die Auswerte- und Steuereinheit (113) dazu ausgeführt und eingerichtet ist, die Lichtquellen (111) der Sensorelemente (100) anzusteuern und die von Lichtsensoren (112) der Sensorelemente (100) erfassten Lichtsignale auszuwerten und als Auswerteergebnisse an der Schnittstelle (114) bereitzustellen.
15. Messsystem (170) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 , wobei - jeder der Sensoren (150) als Glied (180) eines Armbandes ausgeführt ist, wobei die Sensoren (150) im Armband derart angeordnet sind, dass die distalen Oberflächen der einzelnen Sensorelemente (100) auf der Innenseite des Armbandes liegen, - die Glieder (180) des Armbandes über jeweils ein mechanisches Koppelelement (181) verbunden sind, das im Wesentlichen aus einem auxetischen Material (191) besteht, und - die Koppelelemente (181) jeweils die Substratschichten (101) zweier benachbarter Glieder (180) mechanisch verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Erfassung myographischer Signale, einen Sensor mit ebensolchen Sensorelementen, und ein Messsystem mit einem ebensolchen Sensor. Das offenbarte Sensorelement sowie das Messsystem eignen sich zu einer vielfältigen Erfassung vom menschlichen Körper evozierter Biosignale, welche insbesondere Auskunft über die Aktivität von Muskeln und Nerven ermöglichen. Dabei zielen Applikationen auf die Bereiche Telepräsenz bzw. Telemanipulation, also für die Bedienung von Computerspielen oder Sportgeräten sowie zur Eingabe und Steuerung von Maschinen oder Fluggeräten ab. Demnach eignet sich das offenbarte Sensorelement sowie das Messsystem insbesondere auch für industrielle Anwendungen. Darüber hinaus lässt sich das offenbarte Sensorelement sowie das Messsystem im Medizintechnikbereich für Diagnostikzwecke, Stimulation oder für die intuitive Steuerung mechatronischer Prothesen einsetzen. Im Stand der Technik sind Sensorelemente zur Erfassung von myographischen Signalen als über eine Extremität verteilte einzelne Sensorelemente bekannt. Im Stand der Technik sind Systeme bzw. Sensorelemente bekannt, die entweder elektromyographische Signale (EMG: Elektro-Signal-basierte Myographie) oder Kraft-Signal-basierte Myographie (FMG) oder Impedanz-Signal-basierte Myographie (IMG) oder Lichtsignal-basierte Myographie (LMG) zur Erfassung bspw. einer Muskelaktivität erfassen können. Solche Systeme unterstützen dabei jeweils nur eine der genannten Sensortechnologien zur gleichen Zeit und ermöglichen Messungen der verschiedenen Signale nicht gleichzeitig am selben Ort. Zum Stand der Technik wird auf folgende Dokumente verwiesen:- JIANG, Shuo [et al.]: „A novel, co-located EMG-FMG-sensing wearable armband for hand gesture recognition“ in: Sensors and Actuators A: physical, Vol. 301, 2020, Article-No. 111738, S. 1-5. ISSN 0924-4247. https://doi. org/10. 1016/J. sna. 2019. 111738- US 2023/0 210 403 A1- WO 2023/ 220 775 A1- CN 1 13616395A Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach herzustellendes, mit geringem Energieaufwand zu betreibendes Sensorelement anzugeben, das gleichzeitig EMG-Signale und FMG-Signale am selben Ort mit hoher Auflösung erfasst. Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Sensorelement zur Erfassung myographischer Signale, das erfindungsgemäß aufweist:- eine elektrisch nichtleitende Substratschicht;- zumindest zwei auf einer Oberseite der Substratschicht angeordnete Elektroden;- eine unmittelbar über den zumindest zwei Elektroden angeordnete Messschicht aus einem elastischen ersten Material, wobei das elastische erste Material aufgrund darin eingelagerter (und vorteilhaft homogen verteilter) elektrisch leitfähiger Partikel eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, wobei die den zumindest zwei Elektroden zugewandte Unterseite der Messschicht eine Strukturierung derart aufweist, dass im Vergleich zu einem mechanisch entspannten Zustand der Messschicht, in einem mechanisch belasteten Zustand der Messschicht eine größere Kontaktfläche KF zwischen der Messschicht und den zumindest zwei Elektroden entsteht und damit ein elektrischer Übergangswiderstand zwischen den zumindest zwei Elektroden im mechanisch belasteten Zustand abnimmt; und- ein erstes mechanisches Koppelelement aus einem elastischen zweiten Material, wobei das erste Koppelelement mit seiner Unterseite auf der Oberseite der Substratschicht angeordnet ist, und wobei das erste mechanische Koppelelement auf seiner Unterseite eine Ausnehmung zur (vorteilhaft umschließenden) Aufnahme der zumindest zwei Elektroden sowie der darüber angeordneten Messschicht aufweist. Vorteilhaft weist das erste mechanische Koppelelement eine geometrische Ausgestaltung derart auf und ist das zweite Material derart gewählt, dass sich bei Einwirken einer mechanischen externen Kraft K auf das erste mechanische Koppelelement (bspw. durch eine Muskelkontraktion) eine vorgegebene erste Kraftübertragung (beschrieben als Kraftübertragungsfunktion KÜF1) auf die elastische Messschicht ergibt. Vorteilhaft beschreibt die erste Kraftübertragungsfunktion KÜF1 eine vorgegebene Hysterese und/oder eine vorgegebene Dämpfung und/oder eine vorgegebene vektorielle Kraftübertragung. Die geometrische Ausgestaltung des ersten mechanischen Koppelelements kann insbesondere Einfluss auf die Übertragungsrichtung einer extern eingeleiteten Kraft haben. Die Auswahl des zweiten Materials kann insbesondere Einfluss auf eine Dämpfung und ein zeitliches Übertragungsverhalten einer extern eingeleiteten Kraft haben. Der Begriff „mechanisch entspannter Zustand der Messschicht“ bedeutet vorliegend insbesondere einen Ruhe