用于人體動作捕捉的可穿戴傳感器為遙操作場景中的機器人控制提供了一種有前途的人機接口，機器人可以作為人類操作員的第二身體來遠程準(zhǔn)確地完成任務(wù)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學(xué)楊賡研究員課題組設(shè)計了一種基于軟質(zhì)聚氨酯（PU）海綿和碳納米管（CNT）的新型應(yīng)變傳感器，用于人體關(guān)節(jié)的運動捕捉。PU-CNT海綿獨特的三維（3D）多孔微結(jié)構(gòu)為傳感器提供了高靈敏度。為了彌補這種應(yīng)變傳感器在高靈敏度和高伸縮性之間的互相制約，提出了一種優(yōu)化幾何參數(shù)的菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)合預(yù)壓縮設(shè)計，用于應(yīng)變傳感器的原型設(shè)計，這使得傳感器在拉伸過程中具有額外的伸長率。所提出的PU-CNT應(yīng)變傳感器具有良好的傳感性能，可拉伸性高達300%，最大應(yīng)變系數(shù)為3893，同時具有長期耐用性，低檢測極限和快速響應(yīng)能力。最后，研究人員通過將應(yīng)變傳感器部署在人體肘部來實現(xiàn)機械臂的遙操作，并通過機器人的數(shù)字孿生模型對其進行實時監(jiān)控，從而對應(yīng)變傳感器進行了驗證。
基于菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的PU-CNT應(yīng)變傳感器的設(shè)計和應(yīng)用實例
在本研究中，所提出的應(yīng)變傳感器主要由柔性多孔基底、導(dǎo)電填料、彈性體封裝層和用于電氣互連的導(dǎo)線組成。一種柔性PU海綿被用作多孔基底，因為它具有很大的彈性，且重量輕。為了提高應(yīng)變傳感器的可拉伸性，將PU基底的中間區(qū)域設(shè)計為45°內(nèi)角的菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。菱形幾何形狀的可變形性賦予了傳感器預(yù)壓縮的空間。選擇導(dǎo)電性優(yōu)異的CNT涂覆在PU海綿支架上，形成導(dǎo)電骨架。PU-CNT海綿經(jīng)過預(yù)壓縮，進一步提高應(yīng)變傳感器的可拉伸性。為了保持應(yīng)變傳感器的預(yù)壓縮狀態(tài)，傳感器的每個表面都覆蓋一層1 mm的硅橡膠層。值得注意的是，所采用的硅橡膠的拉伸性遠遠高于預(yù)壓縮的PU-CNT海綿，從而避免對所提出的應(yīng)變傳感器拉伸性的影響。為了實現(xiàn)電氣互連，在傳感器的頂部和底部插入直徑為0.2 mm的銅線，兩者都垂直于傳感器的拉伸方向。
PU-CNT應(yīng)變傳感器原型設(shè)計
PU-CNT應(yīng)變傳感器在預(yù)壓縮狀態(tài)（0-100%應(yīng)變）和拉伸狀態(tài)（100-300%）的較寬工作范圍內(nèi)均具有良好的重復(fù)性和動態(tài)穩(wěn)定性。此外，對微小應(yīng)變的感知能力也是應(yīng)變傳感器的重要指標(biāo)。在1 Hz的動態(tài)負載下，該應(yīng)變傳感器在0.5%應(yīng)變下的傳感響應(yīng)基本保持不變。相對電阻變化達到1.4%，這歸因于應(yīng)變傳感器在預(yù)壓縮狀態(tài)下的高靈敏度。檢測范圍的下限賦予了應(yīng)變傳感器對人體關(guān)節(jié)微小運動檢測的潛力，這對于遙操作場景中操作人員的動作捕捉至關(guān)重要。
PU-CNT應(yīng)變傳感器的綜合傳感性能
為了驗證所提出的PU-CNT應(yīng)變傳感器作為關(guān)節(jié)可穿戴設(shè)備的應(yīng)用前景，研究人員將該傳感器附著在膝關(guān)節(jié)、肘部和腕部三個典型關(guān)節(jié)上，同時在關(guān)節(jié)運動過程中實時記錄PU-CNT應(yīng)力傳感器的傳感信號。實驗結(jié)果表明，當(dāng)三個關(guān)節(jié)的彎曲程度增大時，傳感器輸出的信號也相應(yīng)增大。該應(yīng)變傳感器的響應(yīng)穩(wěn)定而靈敏。因此，可以基于PU-CNT應(yīng)變傳感器的可分辨電阻變化來測量關(guān)節(jié)的運動。為了進一步驗證PU-CNT應(yīng)變傳感器在遙操作場景中的實際性能，研究人員將傳感器固定在操作員的肘部，以遠程控制機械臂Jaco2。當(dāng)操作者依次彎曲肘關(guān)節(jié)30°、60°、90°、120°時，實現(xiàn)了對jaco2機械臂第三關(guān)節(jié)的遙操作。
在遙操作場景中的應(yīng)用
總之，研究人員提出了一種用于人體關(guān)節(jié)運動捕捉的新型應(yīng)變傳感器原型。一方面，菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與預(yù)壓縮設(shè)計相結(jié)合，為應(yīng)變傳感器提供了額外的伸長率，從而實現(xiàn)了拉伸性能的提高。另一方面，PU海綿的多孔微結(jié)構(gòu)賦予了傳感器高靈敏度。所提出的PU-CNT應(yīng)變傳感器具有高達300%的拉伸性和3893的最大應(yīng)變系數(shù)。值得注意的是，該應(yīng)變傳感器還具有10,000次循環(huán)的長期耐用性，以及82 ms的快速響應(yīng)時間，從而確保了應(yīng)變傳感器穩(wěn)定快速的傳感性能。最后，將所開發(fā)的傳感器部署在人體關(guān)節(jié)上進行運動檢測，證明了其在遙操作場景中的應(yīng)用前景。
