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    不要電池,工程師發明創新可穿戴設備

    2019-02-27 16:40:19 來源:EEFOCUS
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    可穿戴計算已經從利基市場發展到相當大的消費市場,近年來已經有了大量的應用。 隨著這種普及,有機會簡化對可穿戴和移動計算設備的輸入。 由于尺寸小,傳統的交互方式(例如鼠標和鍵盤)通常不太適合小型化的移動和可穿戴設備。 因此,需要開發更有效的輸入裝置,其既方便用戶又可靠地自動處理。 我們的研究重點是使用Serpentine開發這種新的輸入技術。

     

     

    Serpentine,一種自供電傳感器,是一種可逆變形的電線,能夠感應各種自然的人體輸入。 Serpentine的材料特性和結構設計使其具有柔韌性,可扭曲性,可拉伸性和可擠壓性,可實現多種表現形式的輸入方式。

     

    蛇形管制成線圈狀結構,多層同軸硅樹脂,銅和導電尼龍線。 其結構設計和材料的特定選擇允許界面的機械變形,其在導電尼龍和PVA涂覆的銅線之間產生時變電荷分布,其產生電信號。 這種信號的產生基于摩擦電納米發電機(TENG)現象,該現象在靜電感應和摩擦起電的結合上起作用。 由于變形以及因此電荷分布導致發電,因此工作原理本身消除了外部功率以感測由手勢相互作用引起的變形的需要。 然后通過實現的系統處理自生成的信號,該系統包括信號處理流水線,該流水線將它們唯一地映射到產生變形的動作。 我們的系統使我們能夠實現我們的愿景,即創建一個不僅自供電,而且對各種表達輸入模式敏感的界面。

     

    傳感器物理結構的簡單性,摩擦材料的普遍可用性(我們日常生活中可用的所有材料,如紙張,織物,PDFE,PDMS等)和DIY結構的構造允許這樣的傳感接口縮放適用于各種應用。 Serpentine消除了對身體不同部位佩戴的笨重或剛性傳感器械的需求。 它的特定材料特性,外形和物理結構提供六種自然姿勢 - 采摘,旋轉,拉伸,捏,擺動和扭曲。 Serpentine展示了通過單一物理接口同時識別這些輸入的新穎能力。

     


    自供電可拉伸線圈形振動傳感接口 - 單電極(用硅樹脂封裝的銅線作為電介質)基于TENG原理的機制

     



    自供電可拉伸線圈形振動傳感接口 - 雙電極(銅線和尼龍線用硅樹脂作為電介質封裝)基于TENG原理的機制

     

    Serpentine的操作

    Serpentine可以實現許多不同的單手和雙手操作。 為了證明Serpentine可以檢測由觸覺和縱向力產生的電信號,我們已經探索和評估了一些特定的手勢,這些手勢是適當的代表性樣本。

     

     

    電子機械測試和分析

    通過縱向位移在電輸出(開路電壓,短路電流和輸出功率)方面的傳感器表征

     

    實驗設置:

    我們進行了實驗來表征我們的傳感接口的電氣輸出,包括短路電流(Isc)電流,開路電壓(Voc)和各種輸入頻率和縱向位移(拉伸)的電功率。 首先,構造定制的塑料支架以保持線性馬達和Newport 462-XYZ-M線性平臺之間的傳感接口。 然后,傳感接口平行于地面對齊,并牢固地固定在實驗室設備之間的直線上。 通過計算機控制直線電機臂的加速,減速和位移,模擬不同頻率和相互作用的縱向位移。 通過吉時利靜電計測量界面的電輸出。 對具有不同剛度的兩個傳感器執行該過程。

     

    觀察:開路電壓

    一方面,兩個不同的接口在開路電壓中顯示出一些相似之處:1。在給定的頻率范圍內,觀察到開路電壓在5 mm位移時幾乎保持不變,以及2.隨著位移的增加,開路電壓顯示近似值與頻率成線性關系,但這種線性趨勢在20 mm和25 mm的高位移時明顯斷開。 另一方面,對頻率和相互作用位移的電響應存在顯著差異。 對于所有位移和頻率,與更硬的替代方案相比,更軟的界面產生更大的開路電壓。 這表明較軟的界面對拉伸相互作用更敏感。 此外,電壓和頻率之間的近似線性關系表示較軟的界面的陡峭斜率,這表明對于測試的位移,軟界面對頻率的靈敏度隨著位移的增加而提高。


    觀察:短路電流
    對于給定頻率,短路電流隨位移的增加而增加。 在給定的位移處,在電流偏離線性趨勢并且開始急劇增加之前,短路電流幾乎線性地隨著頻率的增加而增加到5Hz。 這種趨勢意味著就短路電流而言,電輸出對于20mm和25mm的縱向位移的相互作用頻率非常敏感。

     

    手勢數據集:時域和頻域分析
    頻率響應分析

    我們分析了在相同物理環境中收集的6個不同用戶的數據頻域。 數據在下圖中可視化,其中信號的幅度被歸一化,使得來自每個手勢的最大幅度為1.該圖表示我們在頻域中的6個測試手勢的清晰度。 對于“拔除”手勢,在25至45Hz的頻率范圍內觀察到良好的響應,其對應于在給定傳感器的采集部分的長度的情況下位于一次諧波頻率的頻率范圍。 這種采取手勢的響應承諾將來在弦樂器中應用自供電拾音器。

    在除拉伸和拔除之外的所有姿勢中,人們注意到60Hz處的峰值,這是由無處不在的電力傳輸線引起的。 采集和拉伸中的信號幅度遠高于從60Hz電力線截取的信號,因此當數據被標準化時,60Hz信號在可視化中被抑制。

     

    頻率響應分析:
    收集的數據演示了每個手勢的頻率響應。 每個手勢為6個用戶說明每個用戶25個樣本,用于修改分類算法的頻譜圖。

    在調試和改進機器學習分類的過程中,我們繪制了不同手勢的譜圖,以觀察使用該特征最佳區分哪些手勢。 頻譜圖也影響了我們關于是否應該將手勢保持在可用于該類型的第一次研究的可區分手勢集中的決定。 因此,可視化特征影響手勢設計,反之亦然。 我們不斷改進我們的分類算法,以增加第一組6個手勢中的手勢數量。

     


    擺動





    伸展


    采摘

     

    數據收集和分類管道
    數據收集管道

    我們使用Adafruit Feather M0 MCU轉向Digilent Analog Discovery 2,以便從傳感器采集數據。 由于“dwf”Python API允許通過Analog Discovery 2設備更簡單,更準確地處理采樣率,因此它比先前測試的MCU更適合數據收集。

     

    數據分類管道

    使用Analog Discovery 2設備獲取分類數據。 它通過頻域能量計算進行分段,并進行平滑處理以抑制數據中的隨機誤差。 同時,如果信號超過閾值能量水平,則分類器在該分段數據中查找信號。 正如在MCU的情況下所確定的,實驗上看到隨機森林分類器表現最佳。

     

    “PyAudioAnalysis”Python庫用于計算頻域和時域特征,并根據特征計算統計數據。 因此,建立了穩定且準確的數據處理管道,成功地區分了6個手勢。 所需的代碼在github中可用,其使用說明在Build Instruction部分中有說明。

     

    注意:

    本系統使用Digilent Analog Discovery 2這是一種昂貴的設備,我們不建議將蛇形作為可穿戴設備成功運行。 Digilent設備用于證明傳感接口和數據分類算法運行良好,并準備與MCU集成。 我們正在進行的研究旨在通過最新上傳中提供的分段和分類算法實現從MCU(通過以前上傳的MCU的Python代碼)通過WiFi進行數據采集的這種集成。 

     

    下一步:自供電無線通信
    由螺旋導體組成,我們的傳感器也可用作天線。 為了探索其天線特性,我們通過實驗測量了從30MHz到10GHz的S11天線特性(由于測量設備的限制而選擇上限)并將結果繪制在阻抗史密斯圓圖上。 在最初幾次實驗之后獲得的最佳S11參數值在10.0GHz時為0.2072,這意味著傳遞到天線的大約80%的功率被傳輸出去或在內部用完。 我們正在進行的研究是優化蛇形天線的這種天線性質,并構建一個自供電傳感和自供電無線通信系統。


    使用Serpentine不僅可以作為自供電傳感接口,還可以作為通信的自供電天線,可以徹底改變人類與計算設備交互的方式。 相互作用本身應足以產生用于感測和同時無線通信的電信號,而無需外部電源或傳感和通信儀器。


    今天,電池在用于感測和通信的計算設備中無處不在。 然而,電池更換和處理會給環境帶來負擔,并且這種電池的使用是不可持續的。


    盡管如此,通過Serpentine,我們將很快消除對這種外部電源的需求,從而開發出一種環境清潔的自我維持系統,并且可以將其整合到普適計算設備中。

     

    如果你對這個項目感興趣,想獲取完整信息請訪問:
    https://hackaday.io/project/160713-serpentine

     

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    有人說硬件技術將很快達到極限,而在我們看來,硬件創新,尤其是中國硬件工程師的創新,還遠未走到盡頭,而只是剛剛開始。作為致力于為全球硬件開發者提供技術共享服務的平臺,與非網母公司SupplyFrame旗下最大的全球硬件開發者社區Hackaday.com已連續五年舉辦全球硬件開發者大賽Hackadayprize,有超過3000多個硬件團隊在這個賽事中互動交流、切磋技藝。

     

     

     

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    作者簡介
    李昭
    李昭

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