重慶大學胡陳果&中科院王中林Nano Energy: 摩擦納米發電機用于指關節屈伸運動的量化傳感

【成果簡介】

近日，重慶大學的胡陳果教授、中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（共同通訊作者）等人在Nano Energy發表了題為“Rotation sensing and gesture control of a robot joint via triboelectric?quantization sensor”的研究論文，蒲賢潔、郭恒宇、唐乾為論文共同第一作者。該論文報道了采用摩擦納米發電技術設計的關節旋轉量化傳感器（joint motion triboelectric quantization sensor, jmTQS），采用復合柵格滑動模式產生正/負脈沖分別代表手指屈/伸過程，通過對單位時間內產生的脈沖計數來量化手指屈伸的角度及速度，并以此為基礎構建了人手-機械手的同步控制系統。該研究的亮點為利用摩擦納米發電機結構的靈活設計產生正/負脈沖實現對手指屈/伸角度、速度和方向的直接量化，由于手指的任一彎曲角度均對應一個絕對數值，因此基于該傳感器的機械手同步控制系統可以在運動過程中從任意斷點恢復操作而無需回到起始位置。

【圖文導讀】

（注：以下所有插圖均來自文后文獻）

圖一：jmTQS的結構

(a) ?jmTQS的多層結構；

(b) 電極層的復合柵格結構和滑動層的復合柵格結構；

(c) 可調節的固定裝置設計、實物圖及佩戴演示。

圖二：手指關節屈伸運動通過jmTQS傳感的生理學基礎

(a) 人手指骨結構；

(b) 模擬指關節屈/伸運動的鉸鏈模型；

(c) 鉸鏈模型的驗證；

(d) 驗證指關節旋轉角度和關節處的拉伸位移間的線性關系。

圖三：jmTQS復合柵格滑動結構的工作原理

(a)和(b) 細柵格插指自由滑動部分和塊狀插指自由滑動部分的信號產生機制；

(c) 兩部分信號相耦合所得信號示意圖；

(d-f) 用COMSOL模擬相應狀態的電勢分布;

(g-i) 兩部分的真實信號及耦合后的真實信號。

圖四：jmTQS性能測試

(a) 由可編程控制器、步進電機、自制鉸鏈模型和jmTQS構成的測試系統；

(b) 當鉸鏈模型旋轉過不同角度（?θ = 20°, 40°, 60°）時產生的脈沖信號，脈沖數代表相應轉過的角度；

(c) 鉸鏈模型以不同速度（60°/s, 40°/s, 20°/s）旋轉60°時產生的脈沖信號，旋轉速度不會影響產生的脈沖數；

(d-g) 鉸鏈模型以相同速度轉過相同角度時，不同柵格寬度（1.5 mm, 1.0 mm,?0.7 mm, 0.5 mm, 標尺: 7 mm）的jmTQS產生的脈沖信號，柵格越細，脈沖數越多，量化精度越高。

圖五：基于jmTQS的人手-機械手關節動作映射及其應用

(a) 人-機自然接口和交流的愿景；

(b) 通過jmTQS產生信號同步控制機械手的平臺演示；

(c) 佩戴于食指和中指的jmTQS在單獨屈/伸和同時屈/伸時產生的信號；

(d) 演示機械手同步做勝利手勢；

(e)和(f) 通過一定的程序設定，實現通過一個手指的動作控制整個機械手的協同動作完成對物體的抓握，可應用于殘疾輔助。

文獻鏈接：Xianjie Pu, Hengyu Guo, Qian Tang, Jie Chen, Li Feng, Guanlin Liu, Xue Wang,?Yi Xi, Chenguo Hu, Zhong Lin Wang, Rotation sensing and gesture control of a robot joint?via?triboelectric?quantization?sensor.?Nano Energy 54 (2018)：453–460 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518307675

本文由重慶大學研究團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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