《Advanced Materials》：应用于智能机器人的自驱动高精度角度新型传感器

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角度传感器作为精准运动测量的主要部件，在机器人，工业控制，人工智能以及个性化康复等诸多领域均发挥着重要的作用。在过去数十年里，角度传感技术得到了长足的发展，涌现出了包括光电式，电磁式，惯性测量单元在内的多种类型的角度传感器。但这些角度传感器不同程度地存在功耗高、体积大、测量精度有限等问题。而随着微纳米技术的发展，通过对新材料、新原理的运用，大量的传感器技术不断涌现。其中，自驱动传感技术是基于麦克斯韦位移电流的纳米发电机的重要应用之一，具有高精度、低功耗、轻薄等突出优势，是面向未来更加信息化的物联网时代，和更加智能化的个人健康护理所不可或缺的核心技术。

近日，来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究团队借助摩擦纳米发电机 (TENG)技术设计了一款可实现纳弧 (nanoradian)级分辨率的自驱动角度传感器 (Self-Powered Angle Sensor, SPAS)。通过在结构上引入同轴排列的两组存在一定角度差的TENG，SPAS可将旋转运动转换为一组具有相位差的电压信号输出。在经过结构优化后，SPAS输出的信号的峰峰值可达~120 V，信噪比为98.69 dB，因此SPAS不仅不需要额外的电能供应，而且不用集成信号放大电路，大大简化了器件的整体结构。对SPAS产生的的信号进行分析处理后，可实现1°的角度分辨率，同时在其线性敏感区内可实现高达2.03 纳弧的极限角度分辨率，通过微纳加工工艺制备更为精细的电极结构或研制更为高效的起电材料还可将SPAS的角度分辨率进一步提高。此外SPAS还具有轻 (11.1 g)、薄 (1.87 mm)的优点，使得SPAS可以轻松地嵌入多种器件同时不影响它们的正常运动。在机器人领域，作者展示了将SPAS与机械臂结合后，能够利用SPAS将机械臂书写“Nano”这一单词时的实时角度数据记录下来，随后将这些角度数据反馈给机械臂运动即可将前述书法过程精准地复现。同时作者还展示了SPAS在个人骨科康复领域的应用：将SPAS与常见的医疗支具结合后可对测试者的膝盖弯曲角度进行实时监测，通过微处理器将监测结果以蓝牙的方式发送至移动端APP上进行实时数据记录及动画展示，相关数据可以便于医生分析患者当前的康复情况，为后续康复计划的个性化制定提供可靠依据。该项研究为智能机器人的传感与控制，智慧医疗/主动健康领域等带来了新原理和新思路，具有广阔应用前景。

图1. SPAS的应用，结构以及工作原理示意图: (a) 将SPAS在机器人领域应用的示意图; (b) SPAS的结构示意图; (c) TENG A的工作原理示意图; (d) TENG B的工作原理示意图。

图2. SPAS的结构优化: (a) SPAS逆时针旋转时的电压分布仿真结果; (b) 不同α下SPAS顺时针旋转产生的电压信号仿真结果; (c) 不同α下SPAS信号幅值与每圈脉冲数仿真结果; (d) 不同α与γ/α比值下 SPAS电压仿真结果归一化对比; (e) ~(g) 不同β/α比值下SPAS波形图仿真结果; (h) ~(j) 针对(e)~ (g)中的仿真结果进行相应的实验验证。

图3. SPAS的表征: (a) 角速度恒定为1°/s时，SPAS旋转不同角度产生的信号波形图; (b) 旋转角度恒定为80°时，以不同角速度旋转时SPAS产生的信号波形图; (c) 以不同的角速度旋转不同角度下SPAS的信号波形图; (d) ~(f): 以(a) ~(c)图中的数据计算得到的角速度与时间的关系; (g) ~(i) 以(a) ~(c)图中的数据计算得到的总旋转角度与时间的关系。

图4. SPAS信号的细节分析: (a) 当SPAS先逆时针旋转后顺时针旋转采集到的波形图; (b) 不同角速度下，SPAS信号缝宽的统计分析; (c) SPAS在不同角速度下的每转脉冲数测试以及循环稳定性测试; (d) SPAS的信号具有良好的周期重复性; (e) 以0.05°为步进的步进旋转运动下SPAS的信号图谱; (f) 在线性敏感区域内，0.01°的旋转步长可被清晰地分别，插入图为噪音波形图。

图5. SPAS在机器人领域的应用: (a) SPAS嵌入机械臂运动轴的照片; (b) 利用SPAS数据复现书法过程示意图; (c) 过程1中采集到的多通道信号; (d) 图(c)的选区放大示意图; (e) 利用极坐标展示如何将一个周期内SPAS的信号与旋转角度建立一一对应的关系; (f) 原始书法结果; (g) 将SPAS记录的数据反馈执行得到的书法结果; (h) 通过重叠来对比两次书法结果的差异，插入图为字母n拐角的放大，比例尺200 μm。

图6. SPAS在个性化骨科康复领域的应用: (a) 将SPAS与个人支具结合后的照片; (b) 结合后的横截面示意图; (c) 为便携式测量开发的单片机的照片; (d) 不同旋转方向下单片机采集到的SPAS的输出信号波形图; (e) 主动式关节弯曲角度测量系统的工作原理示意图; (f) SPAS监测试验者膝盖弯曲角度的展示。

以上相关成果发表在Advanced Materials上。论文第一作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生王子铭与博士生安杰，通讯作者为王中林院士与唐伟研究员。

论文链接：Ziming Wang, Jie An, Jinhui Nie, Jianjun Luo, Jiajia Shao, Tao Jiang, Baodong Chen, Wei Tang*, Zhong Lin Wang*. A Self‐Powered Angle Sensor at Nanoradian‐Resolution for Robotic Arms and Personalized Medicare, Advanced Materials, 202001466,2020. 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001466

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