第一作者：劉靜
通訊作者：羅堅(jiān)義、陳智明
背景介紹及內(nèi)容概述：
從啟蒙時(shí)代開(kāi)始，人類(lèi)就一直在試圖開(kāi)發(fā)機(jī)器來(lái)代替人類(lèi)執(zhí)行繁重、乏味或不安全的操作。仿生機(jī)器人是機(jī)電智能的杰出代表，它融合了仿生學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、傳感和驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。仿生機(jī)器人具有與人類(lèi)相似的外形和配置，能夠適應(yīng)人類(lèi)的生活和工作環(huán)境，使用人類(lèi)使用的工具工作。傳感和智能控制技術(shù)的進(jìn)步使仿生機(jī)器人能夠通過(guò)模仿人類(lèi)簡(jiǎn)單的行走動(dòng)作來(lái)適應(yīng)外部環(huán)境。然而，仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仍然是脫節(jié)的(見(jiàn)圖1a)，缺乏人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的靈活性和自主性。
為了使仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)接近人類(lèi)，需要對(duì)人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉并轉(zhuǎn)換為數(shù)字學(xué)習(xí)模型。目前開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)有五種類(lèi)型：機(jī)械、電磁、聲學(xué)、光學(xué)系統(tǒng)和慣性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。由于機(jī)械測(cè)量設(shè)備的靈活性差、精度低、對(duì)周?chē)h(huán)境電磁波產(chǎn)生的要求高，以及超聲檢測(cè)的時(shí)延大、分辨率低等原因，機(jī)械、電磁和聲學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中很少出現(xiàn)。光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是目前最成熟、最準(zhǔn)確的動(dòng)作捕捉技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)分析、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、人機(jī)交互等領(lǐng)域。高速攝像機(jī)在光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它通過(guò)捕捉運(yùn)動(dòng)中的人體標(biāo)記并將圖像傳輸?shù)街醒胩幚砥?/span>(CPU)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合對(duì)標(biāo)記物的位置信息進(jìn)行解析，模擬人體姿態(tài)。高速攝像機(jī)安裝在運(yùn)動(dòng)空間，而不是安裝在人體上，所以人可以自由移動(dòng)。然而，運(yùn)動(dòng)空間的低亮度和不規(guī)則照明限制了光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的應(yīng)用。此外，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)只能提供關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的信息，但不能提供關(guān)于運(yùn)動(dòng)機(jī)制的深入信息，這對(duì)于仿人機(jī)器人學(xué)習(xí)人類(lèi)行為是很重要的。慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器，通過(guò)測(cè)量人體在空間坐標(biāo)系中沿X、Y、Z軸的加速速度和角速度數(shù)據(jù)來(lái)反映運(yùn)動(dòng)特性。MEMS慣性傳感器具有體積小、功耗低、信噪比高的優(yōu)良特性，在運(yùn)動(dòng)捕捉中得到了廣泛的關(guān)注。然而，MEMS慣性傳感器由于其固有的剛性，與人體皮膚的兼容性較差，從而限制了人體的運(yùn)動(dòng)自由。為增加與人體皮膚的兼容性，各類(lèi)柔性應(yīng)變傳感器被開(kāi)發(fā)用于運(yùn)動(dòng)捕捉，目前的研究已實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚拉伸和關(guān)節(jié)彎曲做出響應(yīng)，從而檢測(cè)人類(lèi)的動(dòng)作，如手勢(shì)、抓取、行走和跑步等。但這些應(yīng)變傳感器依賴(lài)于傳感材料的可拉伸性，對(duì)人體的細(xì)微應(yīng)變運(yùn)動(dòng)(如肌肉收縮)的檢測(cè)并不靈敏。因此，開(kāi)發(fā)一種高靈敏度的柔性應(yīng)變傳感器，能夠捕捉和數(shù)字化人體運(yùn)動(dòng)，使仿生機(jī)器人學(xué)習(xí)人類(lèi)行為仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)(如圖1b和1c所示)。
圖1 面對(duì)仿生機(jī)器人的數(shù)字化運(yùn)動(dòng) a)仿生機(jī)器人抓取對(duì)象的動(dòng)作分解圖；b)人體抓取對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和傳感器分布在人體上肢的位置；c)未來(lái)仿生機(jī)器人抓取物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及傳感器對(duì)應(yīng)的位置。
鑒于此，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心羅堅(jiān)義教授、陳智明博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)未來(lái)仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，開(kāi)發(fā)了一種可以將人體動(dòng)作數(shù)字化的彎曲傳感器，以建立一個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)，使仿生機(jī)器人以更接近人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)。該彎曲傳感器由碳纖維材料制成，采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有良好的定量檢測(cè)能力、高GF、低遲滯、長(zhǎng)期耐用和高頻響應(yīng)等特點(diǎn)。因此，彎曲傳感器既可以識(shí)別關(guān)節(jié)彎曲的大尺度運(yùn)動(dòng)，也可以識(shí)別肌肉收縮的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。與人手的14個(gè)指關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)的14個(gè)彎曲傳感器，可以準(zhǔn)確地識(shí)別和數(shù)字化手勢(shì)。這些多通道傳感器與另外9個(gè)彎曲傳感器相結(jié)合，全面數(shù)字化人類(lèi)上肢的抓取過(guò)程，并識(shí)別不同大小和重量的抓取物體。這些成功的應(yīng)用表明，彎曲傳感器可以將人體運(yùn)動(dòng)數(shù)字化，為仿生機(jī)器人打開(kāi)了一扇學(xué)習(xí)人類(lèi)行為的窗口。本文以“Digitizing the human motion via bending sensors toward humanoid robot”為題已發(fā)表在Advanced Intelligent Systems期刊上。
論文具體內(nèi)容：
圖2 碳基柔性彎曲傳感器的結(jié)構(gòu)模型 a)碳基柔性彎曲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；b)碳基柔性彎曲傳感器工作原理。
圖3 碳基柔性彎曲傳感器的性能特點(diǎn) a)碳基柔性彎曲傳感器固定在不同曲率的圓柱體表面上，用于監(jiān)測(cè)傳感器的電阻響應(yīng)；b)電阻隨曲率(彎曲角度)變化的數(shù)據(jù)及擬合曲線(xiàn)；c)傳感器的彎曲角度與電阻變化率的關(guān)系；d)計(jì)算角度與實(shí)測(cè)角的絕對(duì)誤差圖和百分比誤差圖；e)彎曲15°和25°時(shí)傳感器應(yīng)變示意圖；f)0-10%應(yīng)變范圍下傳感器的GF值；g)加載-卸載循環(huán)過(guò)程中彎曲傳感器電阻變化率的實(shí)時(shí)變化；h)碳基柔性彎曲傳感器在60°彎曲50,000次循環(huán)下的電阻響應(yīng)；i)碳基柔性彎曲傳感器在不同響應(yīng)頻率(0-100Hz)下的電阻響應(yīng)。
圖4 碳基柔性彎曲傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng) a)人體手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)示意圖；b)手指關(guān)節(jié)彎曲時(shí)的電阻響應(yīng)變化；c)肘部彎曲時(shí)肌肉收縮和松弛示意圖；d)站立啞鈴卷曲動(dòng)作時(shí)的電阻響應(yīng)變化。
圖5 多通道碳基柔性彎曲傳感器的手勢(shì)識(shí)別和數(shù)字化 a)人手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；b)集成14個(gè)碳基柔性彎曲傳感器的可穿戴數(shù)據(jù)手套示意圖；c)從數(shù)字1到數(shù)字10手勢(shì)對(duì)應(yīng)的14個(gè)碳基柔性彎曲傳感器的電阻變化率響應(yīng)的實(shí)時(shí)演化。
圖6 多通道碳基柔性彎曲傳感器抓握過(guò)程的數(shù)字化 a)上肢數(shù)據(jù)采集設(shè)備示意圖；b)人類(lèi)上肢抓取對(duì)象的整個(gè)過(guò)程的流程圖；c)在抓取過(guò)程中14個(gè)傳感器(針織手套)對(duì)應(yīng)的電阻變化率響應(yīng)的實(shí)時(shí)演化；d)在抓取過(guò)程中9個(gè)傳感器(袖口)對(duì)應(yīng)的電阻變化率響應(yīng)的實(shí)時(shí)演化。
圖7 上肢肌肉抓取不同物體時(shí)信號(hào)的變化 a)電阻變化率與色深的映射關(guān)系；b)抓取紙杯時(shí)肌肉所對(duì)應(yīng)的HSB反應(yīng)示意圖；c)抓取不銹鋼杯時(shí)肌肉所對(duì)應(yīng)的HSB反應(yīng)示意圖；d)抓取啞鈴時(shí)肌肉所對(duì)應(yīng)的HSB反應(yīng)示意圖。
總結(jié)與展望
本文開(kāi)發(fā)了一種基于碳纖維材料、采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的柔性彎曲傳感器，用于人體運(yùn)動(dòng)數(shù)字化。該碳基柔性彎曲傳感器具有能夠定量測(cè)量彎曲角度、在小應(yīng)變下的GF高達(dá)210、低遲滯、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)彎曲耐久性和高頻響應(yīng)等優(yōu)良特性。這些特征使傳感器能夠識(shí)別關(guān)節(jié)彎曲的大范圍運(yùn)動(dòng)和肌肉收縮的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。與人手的14個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)的14個(gè)彎曲傳感器能夠識(shí)別從1到10的手勢(shì)，證明了彎曲傳感器在手勢(shì)識(shí)別和人體運(yùn)動(dòng)數(shù)字化方面的能力。將這14個(gè)彎曲傳感器與另外9個(gè)安裝在手腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和上肢最活躍的肌肉上的傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了握杯動(dòng)作的全面數(shù)字化。肌肉收縮的細(xì)微運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提供了抓取不同大小和重量物體時(shí)的運(yùn)動(dòng)反饋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，碳基柔性彎曲傳感器是實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)字化的關(guān)鍵工具，為未來(lái)仿生機(jī)器人提供了學(xué)習(xí)平臺(tái)。
作者團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：劉靜，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院材料與化工專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師, 江門(mén)市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
通訊作者：陳智明，男，工學(xué)博士，講師，碩士生導(dǎo)師。2019年畢業(yè)于華南理工大學(xué)獲博士學(xué)位，工作以來(lái)一直從事柔性傳感器的材料開(kāi)發(fā)、器件制備及其應(yīng)用研究。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
Digitizing the human motion via bending sensors toward humanoid robot.
DOI：10.1002/aisy.202200337
