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  角度傳感器作為精準(zhǔn)運(yùn)動測量的主要部件，在機(jī)器人，工業(yè)控制，人工智能以及個性化康復(fù)等諸多領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。在過去數(shù)十年里，角度傳感技術(shù)得到了長足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了包括光電式，電磁式，慣性測量單元在內(nèi)的多種類型的角度傳感器。但這些角度傳感器不同程度地存在功耗高、體積大、測量精度有限等問題。而隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，通過對新材料、新原理的運(yùn)用，大量的傳感器技術(shù)不斷涌現(xiàn)。其中，自驅(qū)動傳感技術(shù)是基于麥克斯韋位移電流的納米發(fā)電機(jī)的重要應(yīng)用之一，具有高精度、低功耗、輕薄等突出優(yōu)勢，是面向未來更加信息化的物聯(lián)網(wǎng)時代，和更加智能化的個人健康護(hù)理所不可或缺的核心技術(shù)。

  近日，來自中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的研究團(tuán)隊借助摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG)技術(shù)設(shè)計了一款可實(shí)現(xiàn)納弧 (nanoradian)級分辨率的自驅(qū)動角度傳感器 (Self-Powered Angle Sensor, SPAS)。通過在結(jié)構(gòu)上引入同軸排列的兩組存在一定角度差的TENG，SPAS可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為一組具有相位差的電壓信號輸出。在經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，SPAS輸出的信號的峰峰值可達(dá)~120 V，信噪比為98.69 dB，因此SPAS不僅不需要額外的電能供應(yīng)，而且不用集成信號放大電路，大大簡化了器件的整體結(jié)構(gòu)。對SPAS產(chǎn)生的的信號進(jìn)行分析處理后，可實(shí)現(xiàn)1°的角度分辨率，同時在其線性敏感區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.03 納弧的極限角度分辨率，通過微納加工工藝制備更為精細(xì)的電極結(jié)構(gòu)或研制更為高效的起電材料還可將SPAS的角度分辨率進(jìn)一步提高。此外SPAS還具有輕 (11.1 g)、薄 (1.87 mm)的優(yōu)點(diǎn)，使得SPAS可以輕松地嵌入多種器件同時不影響它們的正常運(yùn)動。在機(jī)器人領(lǐng)域，作者展示了將SPAS與機(jī)械臂結(jié)合后，能夠利用SPAS將機(jī)械臂書寫“Nano”這一單詞時的實(shí)時角度數(shù)據(jù)記錄下來，隨后將這些角度數(shù)據(jù)反饋給機(jī)械臂運(yùn)動即可將前述書法過程精準(zhǔn)地復(fù)現(xiàn)。同時作者還展示了SPAS在個人骨科康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用：將SPAS與常見的醫(yī)療支具結(jié)合后可對測試者的膝蓋彎曲角度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過微處理器將監(jiān)測結(jié)果以藍(lán)牙的方式發(fā)送至移動端APP上進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)記錄及動畫展示，相關(guān)數(shù)據(jù)可以便于醫(yī)生分析患者當(dāng)前的康復(fù)情況，為后續(xù)康復(fù)計劃的個性化制定提供可靠依據(jù)。該項研究為智能機(jī)器人的傳感與控制，智慧醫(yī)療/主動健康領(lǐng)域等帶來了新原理和新思路，具有廣闊應(yīng)用前景。

圖1. SPAS的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)以及工作原理示意圖: (a) 將SPAS在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的示意圖; (b) SPAS的結(jié)構(gòu)示意圖; (c) TENG A的工作原理示意圖; (d) TENG B的工作原理示意圖。

圖2. SPAS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化: (a) SPAS逆時針旋轉(zhuǎn)時的電壓分布仿真結(jié)果; (b) 不同α下SPAS順時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電壓信號仿真結(jié)果; (c) 不同α下SPAS信號幅值與每圈脈沖數(shù)仿真結(jié)果; (d) 不同α與γ/α比值下 SPAS電壓仿真結(jié)果歸一化對比; (e) ~(g) 不同β/α比值下SPAS波形圖仿真結(jié)果; (h) ~(j) 針對(e)~ (g)中的仿真結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3. SPAS的表征: (a) 角速度恒定為1°/s時，SPAS旋轉(zhuǎn)不同角度產(chǎn)生的信號波形圖; (b) 旋轉(zhuǎn)角度恒定為80°時，以不同角速度旋轉(zhuǎn)時SPAS產(chǎn)生的信號波形圖; (c) 以不同的角速度旋轉(zhuǎn)不同角度下SPAS的信號波形圖; (d) ~(f): 以(a) ~(c)圖中的數(shù)據(jù)計算得到的角速度與時間的關(guān)系; (g) ~(i) 以(a) ~(c)圖中的數(shù)據(jù)計算得到的總旋轉(zhuǎn)角度與時間的關(guān)系。

圖4. SPAS信號的細(xì)節(jié)分析: (a) 當(dāng)SPAS先逆時針旋轉(zhuǎn)后順時針旋轉(zhuǎn)采集到的波形圖; (b) 不同角速度下，SPAS信號縫寬的統(tǒng)計分析; (c) SPAS在不同角速度下的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)測試以及循環(huán)穩(wěn)定性測試; (d) SPAS的信號具有良好的周期重復(fù)性; (e) 以0.05°為步進(jìn)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動下SPAS的信號圖譜; (f) 在線性敏感區(qū)域內(nèi)，0.01°的旋轉(zhuǎn)步長可被清晰地分別，插入圖為噪音波形圖。

圖5. SPAS在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用: (a) SPAS嵌入機(jī)械臂運(yùn)動軸的照片; (b) 利用SPAS數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)書法過程示意圖; (c) 過程1中采集到的多通道信號; (d) 圖(c)的選區(qū)放大示意圖; (e) 利用極坐標(biāo)展示如何將一個周期內(nèi)SPAS的信號與旋轉(zhuǎn)角度建立一一對應(yīng)的關(guān)系; (f) 原始書法結(jié)果; (g) 將SPAS記錄的數(shù)據(jù)反饋執(zhí)行得到的書法結(jié)果; (h) 通過重疊來對比兩次書法結(jié)果的差異，插入圖為字母n拐角的放大，比例尺200 μm。

圖6. SPAS在個性化骨科康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用: (a) 將SPAS與個人支具結(jié)合后的照片; (b) 結(jié)合后的橫截面示意圖; (c) 為便攜式測量開發(fā)的單片機(jī)的照片; (d) 不同旋轉(zhuǎn)方向下單片機(jī)采集到的SPAS的輸出信號波形圖; (e) 主動式關(guān)節(jié)彎曲角度測量系統(tǒng)的工作原理示意圖; (f) SPAS監(jiān)測試驗(yàn)者膝蓋彎曲角度的展示。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials上。論文第一作者為中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生王子銘與博士生安杰，通訊作者為王中林院士與唐偉研究員。

  論文鏈接：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