优博微享2022 | 宋宪：柔性多向运动传感器关键技术研究

编者按

浙江大学优秀博士学位论文成果展作为提升研究生学位论文质量的举措之一，重点展陈2022年校优秀博士学位论文成果，充分发挥优秀博士学位论文的示范引领作用，营造“对标一流、追求卓越”的高质量学位论文发展氛围，构建更加卓越的研究生教育体系，培养胸怀“国之大者”的高层次拔尖创新人才和领导者。浙江大学研究生教育将持续推出“优博微享”专题，介绍获奖论文、导师及作者的相关情况，以期给同学们的科研学习生涯提供经验参考。

柔性多向运动传感器关键技术研究

作者姓名：宋   宪

指导老师：彭玉鑫

所属学院：教育学院

一级学科：体育学

#1

 博士论文简介

本文在深入研究前人工作的基础上，从材料、工艺、算法三个角度，对现有的柔性运动传感器进行迭代升级，最终研制出一种具有三维结构的柔性自适应多向运动传感器，本传感器可用于感知任意关节运动时的欧拉角。这种可以精确描述人体多向运动的高界面匹配器件，能够在一定程度上扩展运动人体科学的现有研究维度，对推动柔性运动感知系统向着大规模、高泛用的目标迈进起到一定的推动作用。

#2

 导 师 说

柔性运动传感器具是解决柔性环境下运动学测量的一种重要手段，而人体运动涉及各种关节大量的多向运动，宋宪博士从材料、工艺、算法三个方面对此进行了研究，成功实现了一种具备多向感知功能的柔性运动传感器，克服了传统运动传感技术延展性差、测量维度低、精度不足等问题。在本研究过程中，宋宪博士工作细致认真，积极讨论实验进展，深入钻研研究中涉及的理论难点。同时，他还积极与多个跨学科研究团队展开合作，从材料、力学、机械、电子、计算机等不同学科的方法视角开展研究，促成了该研究多领域、多方位科学问题的解决，具有优秀的科研品质和合作精神。

#3

 作 者 说

运动人体科学的主要任务之一，是研究运动过程中人体运动规律及其适应机制，对运动人体科学的研究而言，获取高质量的运动信号是研究人体运动规律的基础。柔性可延展运动传感器可以在高隐私度的前提下，进行长时间的运动监测，已逐渐成为近年来柔性环境下运动学测量领域中的研究焦点。目前，大多数针对柔性传感器的研究均从科学理论角度出发，进行自顶向下研发，以制造具有优异机械-电学特性的高性能器件。但若欲通过柔性运动传感器促进运动科学的发展，则需要自底向上的探索，从运动实践角度出发，针对应用场景中的实际问题提出相应的解决方案。

由于绝大多数主动关节在运动时均进行多向弯曲，具有超优异机械-电学性能的柔性感知材料并不能直接测量这种高维度行为。因此，在彭玉鑫教授自底向上的思路指导下，我便开始探索如何用柔性感知单元赋能多向运动检测。当前，多维度柔性运动感知的研究接近空白，故我很大部分时间都用在了和导师讨论方向-推翻方向-讨论新方向的循环上，也让我更深刻地理解了柔性运动感知的实际应用前景与关键技术问题。最终，我从材料、工艺、算法三个角度，研制了一套匹配人体运动模式的多向柔性运动感知系统，对柔性运动感知系统向着大规模、高泛用的目标迈进起到一定的推动作用。

博士四年间，我在体育学系这一个高度交叉的科研环境中，也收获了很多知识，领悟了许多道理。这其中，我最想跟学弟学妹们分享的就是“与导师积极主动交流”。虽然研究路上遇到大小问题，导师有时也未能想出万全的解决方法，但总能提出启发性的建议或研究路线。千万不要认为导师很忙，自己的问题很简单，从而不敢交流。这样只会让自己在科研路上越走越偏，最后达不到课题预设目标，甚至完全背道而驰。

以上是我个人的研究背景、研究历程和心理感悟，希望能对领域后来者有所助益。

#4

 学术成果

适应不同关节尺寸的柔性多向运动感知系统

针对实际运动中的多维运动检测，本研究创新性地提出了一种四路应变敏感阵列，来解算人体关节的多向弯曲角度。本章首先建立了传感器的形变耦合模型，并通过消除对位共模量的方式，将俯仰与偏航两个方向的形变分离。

其后，本章利用界面形状与传感器电阻变化列出了耦合关系方程，完成了力-电解耦模型的构建。由于算法对传感单元位置较为敏感，受骰子制造工艺启发，本文进一步构建了基于预制沟道的传感器结构实现工艺，保证了各路敏感材料的位置准确性。

最后，本章通过自研标定平台验证了其机械电学性能的稳定性，并搭载在人体上进行了亚健康预防与运动康复评估测试，证明了其用于多向运动检测的有效性。

本文编辑 | 李韵淼

责任编辑 | 郭磊艳