背景介紹

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人機(jī)交互（HMI）領(lǐng)域?qū)χ庇^、自然的交互方式提出了更高的要求。智能手套作為捕捉復(fù)雜手部動(dòng)作的重要工具，逐漸成為推動(dòng)人機(jī)交互發(fā)展的關(guān)鍵方向。而基于摩擦電效應(yīng)的傳感器因其自供電、低成本、材料選擇靈活等優(yōu)勢(shì)，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。然而，由于以往信號(hào)采集電路的漏電流導(dǎo)致信號(hào)衰減并難以監(jiān)測(cè)連續(xù)變化，摩擦電傳感器在實(shí)際應(yīng)用中面臨著顯著瓶頸。因此，開發(fā)便攜的測(cè)量方案以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電荷的保持和連續(xù)信號(hào)的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，已成為亟待解決的技術(shù)難題。

文章概述

近日，清華大學(xué)機(jī)械系智能與生物機(jī)械實(shí)驗(yàn)室程嘉副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的電荷保持策略，利用基于電荷測(cè)量的信號(hào)處理電路成功解決了傳統(tǒng)電壓測(cè)量方法下摩擦電傳感器的漏電流問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)傳感信號(hào)的精準(zhǔn)捕獲。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了摩擦電-慣性雙模態(tài)傳感手套（TI-Glove）。該手套通過高度集成的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)、便攜地支持多功能人機(jī)交互。這一研究為摩擦電傳感器的便攜化應(yīng)用以及未來HMI技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。

圖文解析

圖1. 采用摩擦電-慣性雙模傳感技術(shù)的TI-Glove智能系統(tǒng)。(A)用于機(jī)器人控制、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能家居和直觀界面的多功能人機(jī)交互系統(tǒng)示意圖。(B)手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)示意圖。(C) (i)柔性摩擦電傳感器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。(ii)TI-Glove的整體結(jié)構(gòu)。(iii)通過IMU實(shí)現(xiàn)的手部方向傳感。(D)連續(xù)彎曲時(shí)摩擦電傳感器電荷采集和電壓采集方法的信號(hào)比較，電荷保持電路可防止摩擦電傳感器輸出電荷泄漏，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)采集。(E)系統(tǒng)信號(hào)流原理框圖。

圖2. 摩擦電傳感器的工作機(jī)理和特性。(A)摩擦電傳感器的工作原理。(B)摩擦電傳感器在(i)釋放和(ii)彎曲時(shí)的電勢(shì)分布模擬。(C-E)由Ecoflex、DragonSkin和帶有微結(jié)構(gòu)的DragonSkin制備的摩擦電傳感器的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)移電荷。(F) (i)平面和(ii)微結(jié)構(gòu)表面的掃描電鏡圖像。(G)不同彎曲角度下的開路電壓。(H)開路電壓的頻率依賴性。(I)連續(xù)彎曲12,000次的機(jī)械耐久性測(cè)試。(J)電壓、電流和功率輸出與外部負(fù)載電阻的關(guān)系。

圖3. 摩擦電傳感信號(hào)的分析與便攜式采集。(A)和(B)摩擦電傳感器在一個(gè)周期內(nèi)不同外部負(fù)載下的輸出電壓和電荷波形。插圖：上升階段的電荷波形放大圖。(C)TI-Glove系統(tǒng)電路圖。(D)基于電荷測(cè)量策略的摩擦電信號(hào)處理電路。(E)在傳感器彎曲過程中，通過兩種策略在不同角度、保持時(shí)間和速度下獲取的摩擦電信號(hào)比較。上圖：示波器測(cè)量的輸出電壓。下圖：增強(qiáng)型 PCB 獲取的信號(hào)。(F)步進(jìn)彎曲和釋放過程中獲取的信號(hào)比較。(G)從輸出信號(hào)中提取的彎曲運(yùn)動(dòng)的多維特征，包括彎曲角度、保持時(shí)間和彎曲速度。(H) 各種摩擦電信號(hào)測(cè)量方案比較。

圖4. TI-Glove在多功能人機(jī)交互中的演示。(A)機(jī)器人手部控制。(i)摩擦電傳感器在不同手勢(shì)下的實(shí)時(shí)信號(hào)輸出；(ii) 人類手勢(shì)和對(duì)應(yīng)機(jī)器人手部動(dòng)作的照片。(B)控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的IMU信號(hào)。(C)機(jī)器人移動(dòng)和抓取控制的綜合演示。(D) TI-Glove支持的VR互動(dòng)，包括(i)抓起并揮舞火炬，(ii)抓起蘋果并投擲。(E)燈光演示(i)平滑調(diào)節(jié)光亮度和(ii)改變燈光顏色。(F)通過手部動(dòng)作實(shí)現(xiàn)直觀界面，包括控制圖像(i)放大/縮小和(ii)水平/垂直移動(dòng)。

圖5. 人工智能支持的手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)。(A)訓(xùn)練和實(shí)時(shí)手勢(shì)語(yǔ)識(shí)別的流程。(B) CNN 整體結(jié)構(gòu)示意圖。(C)選定的 10 種手語(yǔ)手勢(shì)示意圖。上圖：只涉及基本手指彎曲的手勢(shì)。下圖：涉及手指彎曲和手掌方向的手勢(shì)。(D) 數(shù)據(jù)集中10個(gè)手勢(shì)產(chǎn)生的(i)摩擦電傳感器和(ii) IMU 輸出信號(hào)。(E) (i)僅使用手指彎曲數(shù)據(jù)和(ii)融合手指彎曲和手部方向數(shù)據(jù)識(shí)別 10 種手勢(shì)的混淆圖。

結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于摩擦電-慣性雙模態(tài)傳感的交互手套系統(tǒng)（TI-Glove），能夠同時(shí)捕捉手指彎曲和手部方位變化，從而實(shí)現(xiàn)更加直觀和自然的人機(jī)交互體驗(yàn)。該系統(tǒng)功能集成于單一手套中，相較于現(xiàn)有方案，具有更高的集成度和更廣泛的功能范圍。針對(duì)摩擦電傳感器輸出電荷泄漏的問題，設(shè)計(jì)了一種具有電荷保持功能的輕量化信號(hào)處理電路，可實(shí)現(xiàn)摩擦電傳感器信號(hào)連續(xù)變化的便攜式測(cè)量。通過結(jié)合連續(xù)摩擦電信號(hào)和慣性傳感信號(hào)的雙模態(tài)信息，TI-Glove系統(tǒng)能夠支持多種人機(jī)交互功能，如高級(jí)機(jī)器人控制、虛擬現(xiàn)實(shí)交互、照明控制以及直觀界面操作。此外，該研究還開發(fā)了一種基于人工智能的手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)，利用摩擦電和慣性傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)，顯著提升了復(fù)雜手勢(shì)的識(shí)別精度，對(duì)10種手勢(shì)的識(shí)別率達(dá)到99.38%。所提出的TI-Glove系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、成本低廉和集成度高的特點(diǎn)，其電荷保持電路為摩擦電傳感器的便攜式測(cè)量提供了新的思路。該系統(tǒng)在工業(yè)制造、娛樂、智能家居技術(shù)以及殘障輔助等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。

來源：柔性傳感及器件

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