用于人體動作捕捉的可穿戴傳感器為遙操作場景中的機器人控制提供了一種有前途的人機接口，機器人可以作為人類操作員的第二身體來遠程準確地完成任務。

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。

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。

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。

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。

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。