據麥姆斯咨詢報道,近日,浙江大學楊賡研究員課題組設計了一種基于軟質聚氨酯(PU)海綿和碳納米管(CNT)的新型應變傳感器,用于人體關節的運動捕捉。PU-CNT海綿獨特的三維(3D)多孔微結構為傳感器提供了高靈敏度。為了彌補這種應變傳感器在高靈敏度和高伸縮性之間的互相制約,提出了一種優化幾何參數的菱形網格結構,結合預壓縮設計,用于應變傳感器的原型設計,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應變傳感器具有良好的傳感性能,可拉伸性高達300%,最大應變系數為3893,同時具有長期耐用性,低檢測極限和快速響應能力。最后,研究人員通過將應變傳感器部署在人體肘部來實現機械臂的遙操作,并通過機器人的數字孿生模型對其進行實時監控,從而對應變傳感器進行了驗證。
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基于菱形網格結構的PU-CNT應變傳感器的設計和應用實例
在本研究中,所提出的應變傳感器主要由柔性多孔基底、導電填料、彈性體封裝層和用于電氣互連的導線組成。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。為了提高應變傳感器的可拉伸性,將PU基底的中間區域設計為45°內角的菱形網格結構。菱形幾何形狀的可變形性賦予了傳感器預壓縮的空間。選擇導電性優異的CNT涂覆在PU海綿支架上,形成導電骨架。PU-CNT海綿經過預壓縮,進一步提高應變傳感器的可拉伸性。為了保持應變傳感器的預壓縮狀態,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壓縮的PU-CNT海綿,從而避免對所提出的應變傳感器拉伸性的影響。為了實現電氣互連,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。
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PU-CNT應變傳感器原型設計
PU-CNT應變傳感器在預壓縮狀態(0-100%應變)和拉伸狀態(100-300%)的較寬工作范圍內均具有良好的重復性和動態穩定性。此外,對微小應變的感知能力也是應變傳感器的重要指標。在1 Hz的動態負載下,該應變傳感器在0.5%應變下的傳感響應基本保持不變。相對電阻變化達到1.4%,這歸因于應變傳感器在預壓縮狀態下的高靈敏度。檢測范圍的下限賦予了應變傳感器對人體關節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重要。
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PU-CNT應變傳感器的綜合傳感性能
為了驗證所提出的PU-CNT應變傳感器作為關節可穿戴設備的應用前景,研究人員將該傳感器附著在膝關節、肘部和腕部三個典型關節上,同時在關節運動過程中實時記錄PU-CNT應力傳感器的傳感信號。實驗結果表明,當三個關節的彎曲程度增大時,傳感器輸出的信號也相應增大。該應變傳感器的響應穩定而靈敏。因此,可以基于PU-CNT應變傳感器的可分辨電阻變化來測量關節的運動。為了進一步驗證PU-CNT應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。當操作者依次彎曲肘關節30°、60°、90°、120°時,實現了對jaco2機械臂第三關節的遙操作。
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在遙操作場景中的應用
總之,研究人員提出了一種用于人體關節運動捕捉的新型應變傳感器原型。一方面,菱形網格結構與預壓縮設計相結合,為應變傳感器提供了額外的伸長率,從而實現了拉伸性能的提高。另一方面,PU海綿的多孔微結構賦予了傳感器高靈敏度。所提出的PU-CNT應變傳感器具有高達300%的拉伸性和3893的最大應變系數。值得注意的是,該應變傳感器還具有10,000次循環的長期耐用性,以及82 ms的快速響應時間,從而確保了應變傳感器穩定快速的傳感性能。最后,將所開發的傳感器部署在人體關節上進行運動檢測,證明了其在遙操作場景中的應用前景。