重庆大学胡陈果&中科院王中林Nano Energy: 摩擦纳米发电机用于指关节屈伸运动的量化传感

【成果简介】

近日，重庆大学的胡陈果教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（共同通讯作者）等人在Nano Energy发表了题为“Rotation sensing and gesture control of a robot joint via triboelectric quantization sensor”的研究论文，蒲贤洁、郭恒宇、唐乾为论文共同第一作者。该论文报道了采用摩擦纳米发电技术设计的关节旋转量化传感器（joint motion triboelectric quantization sensor, jmTQS），采用复合栅格滑动模式产生正/负脉冲分别代表手指屈/伸过程，通过对单位时间内产生的脉冲计数来量化手指屈伸的角度及速度，并以此为基础构建了人手-机械手的同步控制系统。该研究的亮点为利用摩擦纳米发电机结构的灵活设计产生正/负脉冲实现对手指屈/伸角度、速度和方向的直接量化，由于手指的任一弯曲角度均对应一个绝对数值，因此基于该传感器的机械手同步控制系统可以在运动过程中从任意断点恢复操作而无需回到起始位置。

【图文导读】

（注：以下所有插图均来自文后文献）

图一：jmTQS的结构

(a) jmTQS的多层结构；

(b) 电极层的复合栅格结构和滑动层的复合栅格结构；

(c) 可调节的固定装置设计、实物图及佩戴演示。

图二：手指关节屈伸运动通过jmTQS传感的生理学基础

(a) 人手指骨结构；

(b) 模拟指关节屈/伸运动的铰链模型；

(c) 铰链模型的验证；

(d) 验证指关节旋转角度和关节处的拉伸位移间的线性关系。

图三：jmTQS复合栅格滑动结构的工作原理

(a)和(b) 细栅格插指自由滑动部分和块状插指自由滑动部分的信号产生机制；

(c) 两部分信号相耦合所得信号示意图；

(d-f) 用COMSOL模拟相应状态的电势分布;

(g-i) 两部分的真实信号及耦合后的真实信号。

图四：jmTQS性能测试

(a) 由可编程控制器、步进电机、自制铰链模型和jmTQS构成的测试系统；

(b) 当铰链模型旋转过不同角度（∆θ = 20°, 40°, 60°）时产生的脉冲信号，脉冲数代表相应转过的角度；

(c) 铰链模型以不同速度（60°/s, 40°/s, 20°/s）旋转60°时产生的脉冲信号，旋转速度不会影响产生的脉冲数；

(d-g) 铰链模型以相同速度转过相同角度时，不同栅格宽度（1.5 mm, 1.0 mm, 0.7 mm, 0.5 mm, 标尺: 7 mm）的jmTQS产生的脉冲信号，栅格越细，脉冲数越多，量化精度越高。

图五：基于jmTQS的人手-机械手关节动作映射及其应用

(a) 人-机自然接口和交流的愿景；

(b) 通过jmTQS产生信号同步控制机械手的平台演示；

(c) 佩戴于食指和中指的jmTQS在单独屈/伸和同时屈/伸时产生的信号；

(d) 演示机械手同步做胜利手势；

(e)和(f) 通过一定的程序设定，实现通过一个手指的动作控制整个机械手的协同动作完成对物体的抓握，可应用于残疾辅助。

文献链接：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)：453–460https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518307675

本文由重庆大学研究团队供稿，材料人编辑部编辑。

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