高伸縮性、高靈敏度應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)捕捉

　　

　　據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江大學(xué)楊賡研究員課題組設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)捕捉。PU-CNT海綿獨(dú)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(bǔ)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(jì)，用于應(yīng)變傳感器的原型設(shè)計(jì)，這使得傳感器在拉伸過(guò)程中具有額外的伸長(zhǎng)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(dá)300%，最大應(yīng)變系數(shù)為3893，同時(shí)具有長(zhǎng)期耐用性，低檢測(cè)極限和快速響應(yīng)能力。最后，研究人員通過(guò)將應(yīng)變傳感器部署在人體肘部來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的遙操作，并通過(guò)機(jī)器人的數(shù)字孿生模型對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行了驗(yàn)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(jì)和應(yīng)用實(shí)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?yàn)樗哂泻艽蟮膹椥裕抑亓枯p。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(jì)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(guò)預(yù)壓縮，進(jìn)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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)壓縮的PU-CNT海綿，從而避免對(duì)所提出的應(yīng)變傳感器拉伸性的影響。為了實(shí)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(jì)

　　

　　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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。此外，對(duì)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(dòng)態(tài)負(fù)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(duì)電阻變化達(dá)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(cè)范圍的下限賦予了應(yīng)變傳感器對(duì)人體關(guān)節(jié)微小運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的潛力，這對(duì)于遙操作場(chǎng)景中操作人員的動(dòng)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(yàn)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(gè)典型關(guān)節(jié)上，同時(shí)在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄PU-CNT應(yīng)力傳感器的傳感信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)三個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲程度增大時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)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(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證PU-CNT應(yīng)變傳感器在遙操作場(chǎng)景中的實(shí)際性能，研究人員將傳感器固定在操作員的肘部，以遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂Jaco2。當(dāng)操作者依次彎曲肘關(guān)節(jié)30°、60°、90°、120°時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)jaco2機(jī)械臂第三關(guān)節(jié)的遙操作。

　　

　

　　

　　在遙操作場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(jì)相結(jié)合，為應(yīng)變傳感器提供了額外的伸長(zhǎng)率，從而實(shí)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(dá)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(zhǎng)期耐用性，以及82 ms的快速響應(yīng)時(shí)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(kāi)發(fā)的傳感器部署在人體關(guān)節(jié)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，證明了其在遙操作場(chǎng)景中的應(yīng)用前景。