面向人体运动检测的水凝胶基柔性应变传感器设计

在可穿戴电子设备迅猛发展的背景下,构建面向人体运动检测的可穿戴柔性应变传感器成为目前传感器研究的重点之一。基于聚丙烯酰胺(PAM)、纤维素纳米晶(CNCs)、单宁酸(TA)构建了一种导电水凝胶基柔性应变传感器。机械性能与电学性能测试结果表明,相较于其他柔性应变传感器,聚丙烯酰胺-纤维素纳米晶-单宁酸导电水凝胶基柔性应变传感器具有超长的拉伸范围(0%~2 900%)、较好的黏附性、快速的响应时间(280 ms)和良好的稳定性(超320次加载-卸载循环)。该传感器对人体关节弯曲的大应变与喉部活动的小应变等运动信号具备良好的检测功能,可用作人体运动检测的柔性可穿戴传感器。

用于运动状态监测的纸基柔性摩擦电传感器

为解决柔性摩擦电传感器制备流程复杂、成本高、不够环保等问题,设计了一种基于纸基导电银浆的低成本柔性摩擦电传感器。当外部压力由5 N增大至50 N时,其输出电压和输出电流逐渐增大,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力作用下,输出电压的峰值约为7.52 V。当外部压强在17~173 kPa的范围内变化时,输出电压峰值与压强呈分段线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电压保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,该传感器能够感知肘关节、腕关节的弯曲角度,并能有效区分走、快走、跑3种运动类型以及踮脚、深蹲、抱腹跳3种健身动作,计算人体行走频率与健身动作次数,在人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

基于厨余废弃物的柔性摩擦电传感器设计

为提高厨房垃圾的再利用率并解决其带来的环境问题,设计了一种基于厨余废弃物的柔性摩擦电传感器。该传感器在外部压力从10 N增大至50 N时,输出电压和电流的幅值逐渐增加,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力下,输出电压的幅值约为2.2 V。当外部压强在15~85 kPa范围内变化时,输出电压幅值与压强呈线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电流增大,输出电压幅值基本保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,能够对指关节、肘关节、腕关节的弯曲反馈不同波形的输出电压信号,并能利用输出电压幅值反馈各关节弯曲程度。同时,能够区分慢走、竞走、跑步3种运动类型。该传感器为厨余垃圾的处理与再利用提出了一种新思路,在环保与人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

基于肌电−惯性融合的人体运动估计:高斯滤波网络方法

本文研究了基于肌电(Electromyography,EMG)−惯性融合的人体运动估计问题,提出了一种序贯渐进高斯滤波网络(Sequential progressive Gaussian filtering network,SPGF-net)估计方法来形成肌电和惯性的互补性优势,以提高人体运动估计精度和稳定性.首先,利用卷积神经网络对观测数据进行特征提取,以及利用长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)网络模型来学习噪声统计特性和量测模型.其次,采用序贯融合的方式融合异构传感器量测特征,以建立高斯滤波与深度学习相结合的网络模型来实现人体运动估计.特别地,引入渐进量测更新对网络量测特征的不确定性进行补偿.最后,通过实验结果表明,相比于现有的卡尔曼滤波网络,该融合方法在上肢关节角度估计中的均方根误差(Root mean square error,RMSE)下降了13.8%,相关系数(R^(2))提高了4.36%.

双足人形机器人定位及运动规划系统的设计与实现

基于ZigBee技术和多传感器数据融合设计并实现了双足人形机器人的室内定位与运动规划控制系统,并分别对机器人运动过程建立空间模型和姿态模型,以获得机器人实时位置及姿态信息,实现自主运动规划。系统将树莓派4B和32路串口总线舵机控制板结合起来作为核心控制平台,更好地实现了对机器人的方向控制、目标导航等功能。

PVDF/BaTiO_(3)纳米纤维膜制备可穿戴传感器用于运动监测

以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮为溶剂,制备聚偏氟乙烯(PVDF)溶液,并研究不同溶液对静电纺丝行为和纳米纤维结构的影响。采用静电纺丝技术,利用具有铁电性能的钛酸钡纳米颗粒(BaTiO_(3)NPs)作为无机填料,制备了PVDF/BTO纳米复合纤维膜,以提高PVDF的压电性能。通过调整掺杂比例,发现当BTO掺杂比例为15%时,制备的PVDF/BTO复合纤维薄膜具有良好的压电输出性能。最后,以PVDF/BTO复合纤维薄膜为核心材料,使用铜作为电极,并采用PDMS进行封装,制备了能够识别不同人体运动的压电传感装置,可作为穿戴式传感器对人体运动进行实时监测。

设施猪场悬挂式轨道巡检机器人设计与试验

为解决猪场传统巡检方式成本高、效率差、智能化水平低等问题,以中小型规模设施猪场结构特点为依据,提出基于悬挂轨道的巡检方案,设计一种悬挂式智能巡检机器人,开发适用于典型猪场环境的巡检机器人运动控制系统和上位机软件,并进行现场测试。结果表明:设置实现巡检机器人常态巡检速度可大于0.15 m/s,单次运动定位误差小于2.5 mm,巡检定位误差整体小于10 mm,误差率小于0.18%,巡检机器人可进行环境数据和图像自动获取,为后续的生猪健康状况分析提供数据支撑。该研究可为巡检机器人在中小规模生猪养殖场的应用与推广提供参考。

基于视觉传感器的智能小车设计与实践

为更好地参加全国大学生智能汽车竞赛,本文提出一套以LPC54608为核心的智能小车系统,设计并制作了硬件电路系统。以单目摄像头为主要传感器,联动其他传感器对赛道情况进行系统感知,提取目标路径并进行优化,而后根据车辆结构设计控制算法来跟踪目标路径。实验测试结果表明,小车在2.4m/s的速度之下能正确识别各种赛道路径,并且在赛道上可以稳定行驶。

基于耐高温环境转速传感器的设计

随着工业的发展,转速传感器已经成为了现代工业自动化发展的重要支撑。它在汽车、机械制造和航空航天中发挥着很大的作用。高温转速传感器通常应用于高温环境下旋转机械运动状态的监测和测量,通过传感器为采集系统提供实时数据,帮助监测和预防设备故障,延长设备寿命,确保设备安全性能。本文介绍了高温磁电式转速传感器的基本原理、结构设计、材料选择,给出了测试数据,并对测试结果进行了分析,结果表明:能够实现在350℃环境下转速测量。

基于柔性传感器的绳驱动连续体机器人反馈控制

鉴于绳驱动连续体机器人独特的柔顺性使得其骨架变形难以通过传统的刚性传感器测量,另一方面,基于分段常曲率假设建立的运动学模型开环控制存在位置精度低的问题。本文以模块化设计的绳驱动连续体机器人为研究对象,利用了一种弹性磁电应变传感器并建立了多元回归模型实现机器人形状感知。通过一种运动空间映射方法实现了机器人柔性臂在三维空间内的闭环反馈控制。最终搭建了机器人样机平台并进行实验验证。结果有力地证明了基于柔性传感器的反馈控制方法的可行性和准确性。

基于TSA-SVM的老人跌倒识别算法

针对老人跌倒检测易受环境影响以及检测不够精确易出现误判的问题,提出了一种基于人体动作传感器的老人跌倒识别检测算法,采用被囊群算法(TSA)优化支持向量机(SVM)模型进行跌倒识别.针对人体动作传感器采集的数据,首先进行特征提取、降维等预处理,然后将预处理后的数据输入SVM模型进行训练,同时利用TSA算法寻找SVM最优参数,得到最优的跌倒识别模型,利用该模型即可进行跌倒识别.实验结果表明,本文所提算法的跌倒识别检测正确率可达96%以上,具有一定的优越性.

纤维基柔性传感器的应用现状及发展趋势

纤维基柔性传感器作为一种基于纤维材料的柔性器件,不仅具有纺织品的柔韧性,还兼具信号感知与处理等功能,因其结构多样性和可组合设计性的优势,受到研究人员的广泛关注,在智能服装、医疗健康、人机交互和机器人触觉等领域具有广阔的发展前景。文章结合近年来国内外纤维基柔性传感器领域的研究成果,从力敏传感、气敏传感、温敏传感、湿敏传感、生物传感等五大方面全面综述了纤维基柔性传感器的应用现状,着重分析了能够满足不同应用需求的纤维基柔性传感器的结构设计策略、性能改善途径及相应的制备方法,对相同类型的传感器从原料制备、工作机制等方面进行了比较,最后对纤维基柔性传感器未来发展所面临的挑战和机遇进行了总结与展望。未来,随着传感器灵敏度、分辨率和稳定性的不断提高,纤维基传感器将趋于向材料多元化和绿色化、功能集成化和智能化及应用领域扩大化发展。

织物基压电传感器的制备与性能研究

基于BNT陶瓷颗粒在压电领域具有的独特优势,本研究以BNT陶瓷颗粒为主要压电材料,通过旋涂法制备了一种织物基可穿戴式压电传感器,使其在外力作用下产生电信号来实现对人体运动情况的监控。该器件制备工艺简单,有望成为压力传感器规模制备和使用的可能。

纤维素基碳材料应变传感器的制备及性能

柔性应变传感器作为未来可穿戴传感设备和人机交互系统的重要组成部分,其成本控制、简易制备流程以及穿戴舒适性已成为该领域的重要关注点。以生物质α-纤维素(CA)为原料,通过简单的碳化过程将其转化为具有良好导电性的材料CAC。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将其封装成柔性应变传感器,探讨分析了该传感器的应变传感行为、可重复性以及穿戴舒适性,并将其应用于人体运动监测。测试结果表明:该传感器具有0.05%~20%的应变传感范围,最高灵敏度可达3.38,在1000次循环后仍具有稳定的信号输出,并且能够监测人体的肢体运动以及细小的生理运动。除此之外,该传感器所表现出的良好透气性对提升可穿戴设备的舒适性具有重要意义。

低成本MEMS惯性器件行人运动模式识别算法

针对行人正常行走、上楼、下楼等常见运动模式识别的问题,提出了一种低成本的足部MEMS惯性器件运动模式识别算法。首先,根据MEMS惯性器件的安装关系和实际采集的数据,分析了不同运动模式下的加速度计和陀螺仪的输出特征,然后,选取x轴方向的加速度计和y轴方向的陀螺仪输出的数据,利用输出波峰波谷的先后逻辑顺序,识别正常行走、上楼、下楼3种常见的行人运动模式,最后,对4名实验人员采集的10组数据进行分析。结果表明:采用该方法,正常行走状态识别的平均成功率可达到100%,上楼状态识别的平均成功率达到97.25%以上,下楼状态识别的平均成功率达到98.99%以上。从而验证了该方法的有效性。

基于动态共价键的导电自愈性水凝胶及其用于柔性传感器在运动监测领域的研究现状

分别对传统水凝胶的缺点及引入动态共价键的水凝胶的优点进行了阐述,同时简单阐述了自愈性水凝胶的两种不同自愈机制及其优缺点。首先总结了能够制成自愈性水凝胶的四种典型动态共价键类型及其特点,包括席夫碱键、二硫键、硼酸酯键和Diels-Alder(D-A)反应。其次介绍了将动态共价键引入水凝胶中不仅可以提高水凝胶的自愈性能,还可以提高其响应能力、敏感性、力学性能和导电性。最后对基于动态共价键的水凝胶用于柔性电容式压力传感器、压电式应变传感器和电阻式应变传感器在运动监测领域的研究进展进行了介绍,并指出未来构建低成本、高性能的柔性传感器仍然是该领域的发展方向。

基于高精度传感器设计的跳汰机浮标运动特性研究

跳汰机浮标运动特性能精准反映跳汰机床层厚度且能预判洗选精煤质量,可指导跳汰选煤过程高效进行。基于超声波测距技术开发新型跳汰机床层厚度传感器,试验探究浮标位置和浮标密度对浮标运动特性的影响程度。结果表明,浮标密度对应床层厚度的最小回归参数为0.710,跳汰机浮标运动特性受浮标密度影响强烈;浮标密度的增加导致浮标运动上下位移峰值差异较大,运动位移上限为8.17~13.67 cm、下限为2.17~6.50 cm;浮标位置影响下的浮标运动位移上限值变化区间和下限制变化区间不大,浮标位置对床层厚度的最大回归参数仅为0.186,浮标运动较为稳定。在九里山矿选煤厂的实际应用中,基于浮标运动位移的监控有效地控制了洗选精煤灰分在9.02%~9.12%,灰分极差仅为0.10%,比应用前波动范围缩小45%,进一步证实自制的高精度传感器能够有效提高精煤质量,对于推进跳汰选煤自动化技术具有积极意义。

可穿戴柔性电子应变传感器进展及其应用研究

柔性应变传感器作为智能传感技术的核心,具有高柔韧性、高灵敏度、高稳定性等优势。柔性应变传感器与人工智能技术融合,可对人体生命活动所产生的信号进行全方位、多角度、多层次的数据采集,实现在医疗监护、人机交互和电子皮肤等领域的应用。综述了柔性应变传感器的类型,阐述了柔性应变传感器的传感机制以及不同微结构的传感器在检测范围、灵敏度和稳定性方面的优势,梳理了近十年来可穿戴柔性应变传感器的发展趋势和研究进展,就柔性应变传感器在人体运动检测、医疗监护、虚拟现实和电子皮肤领域的应用进行综述,总结了柔性应变传感器亟需解决的关键性问题以及未来发展的动向。

基于运动传感器的家电物流监管系统设计

针对家电物流运输过程货损比例高、监管难、追责无依据等问题,设计基于运动传感器的家电物流监管系统,该系统由监管终端和监管平台组成。监管终端基于STM32L431和运动传感器低功耗设计,通过采集并处理家电运输过程中货物的位置、温湿度、加速度、角速度等信息,生成货物跌落、倒置、倾斜等告警信息,以4G通信方式上报给监管平台进行数据处理、统计分析,形成业务数据供用户查看。试验结果表明,该系统合理可行,可对家电物流运输进行全过程监管,促使相关人员规范作业,从而有效降低货损率。

基于惯性传感器的免对准动作的人体上肢运动捕捉方法

基于惯性传感器的人体运动捕捉系统,通常在进行运动捕捉前需要执行特定的标准动作来完成对准,以获得IMU坐标系相对肢体坐标系的姿态。运动受限用户(如偏瘫患者)无法完成一些标准动作,而运动正常用户也不能保证均能正确执行标准动作,从而导致人体运动捕捉误差。为了克服现有方法的不足,研究了一种基于惯性传感器的免对准动作的人体上肢运动捕捉方法,该方法无需执行特定对准动作,佩戴IMU后即可直接进行运动捕捉。通过与“T-Pose”静态对准方案比较,验证了免对准动作方法的有效性,并且基于OpenGL的虚拟人体模型进行了上肢运动捕捉实验。实验表明,所提出的方法简便有效,在无须执行标准对准动作的情况下仍具有较好的人体运动捕捉效果,适合偏瘫患者等行动受限的用户使用。