一种人机界面传感器及其制备方法、数字孪生方法技术

本发明专利技术公开了一种人机界面传感器及其制备方法、数字孪生方法，涉及人机界面传感技术领域，解决了将摩擦纳米发电应用至人机界面传感器的技术问题，其技术方案要点是通过在每个方向设置不同数量以及不同位置的条状电极，通过0/1编码识别分辨人机界面传感器多方向信号；通过卷积神经网络增强人机界面传感器多向检测；通过Unity3D搭建虚拟场景，并且利用Arduino实现人机界面传感器和计算机通信，利用Ardity实现Arduino和Unity通信，通过手指划过人机界面传感器，实现对虚拟空间中仿生机械手的控制；最终实现基于人机界面传感器的仿生机械手数字孪生。机械手数字孪生。机械手数字孪生。

【技术实现步骤摘要】
一种人机界面传感器及其制备方法、数字孪生方法


[0001]本申请涉及人机界面传感
，尤其涉及一种人机界面传感器及其制备方法、数字孪生方法。

技术介绍

[0002]人机界面(HMIs)是在各种应用程序中提供人机交互之间的通信的重要组成部分、机器人技术、安全、虚拟现实/增强现实(VR/AR)、智能家居、智能工厂等。人机界面(HMIs)允许人类操纵和操作机器人平台和其他棘手的系统。大多数平台仅在非平台计算机上提供复杂的界面，操纵杆提供了一种与平台交互的简单方法，它们通常只作为一种使用简单命令操纵机器人的方法。随着主流电子技术的发展，现代HMIs正向两个方向发展：灵活的可穿戴设备的兼容性和自供电的能力。自摩擦电首次专利技术以来，摩擦纳米发电机(TENG)已被认为是一种很有前途的能量收集技术，它使得设备从工作环境中收集的能量可以直接为设备供电，形成自供电的系统。
[0003]在已有的可穿戴人机界面传感方法中，仿生蛛网结构的摩擦电传感器并未受到重视，而人机界面传感器发展趋于低能耗，如何将摩擦纳米发电技术应用于人机界面传感器中具有重要的应用意义。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种人机界面传感器及其制备方法、数字孪生方法，其技术目的是通过感知手指滑动方向实现单电级的多方向检测，并利用机器学习对人机界面传感器进行增强，且将其用于机器人数字孪生中。
[0005]本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]一种人机界面传感器，该人机界面传感器为基于摩擦纳米发电的人机界面传感器，该人机界面传感器包括驻极体薄膜及设置在驻极体薄膜上的电极，在驻极体薄膜的不同方向上均设有起始电极和终止电极，所述起始电极和所述终止电极之间的编码位置均相同，驻极体薄膜不同方向的编码位置上电极的整体设置不一样。
[0007]进一步地，所述人机界面传感器包括四方向传感器、六方向传感器和八方向传感器，所述四方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有两个编码位置，所述六方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有三个编码位置，所述八方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有三个编码位置。
[0008]进一步地，驻极体薄膜的每个方向上相邻编码位置之间、起始电极和编码位置之间以及终止电极和编码位置之间的距离均为6mm，起始电极、终止电极和编码位置的宽度均为4mm。
[0009]进一步地，所述驻极体薄膜的材质为PTFE，所述电极的材质为镍布。
[0010]一种人机界面传感器的制备方法，包括：
[0011]步骤1：对驻极体薄膜的不同方向进行确定；
[0012]步骤2：在驻极体薄膜的不同方向上设置起始电极和终止电极，并对起始电极和终止电极之间的编码位置进行确定；其中，不同方向的起始电极和终止电极之间的编码位置均相同；
[0013]步骤3：根据需求在不同方向的编码位置上不设置或设置条状电极，并通过0/1编码对其进行识别；其中，编码为0表示编码位置未设置条状电极，编码为1表示编码位置已设置条状电极。
[0014]一种人机界面传感器的数字孪生方法，包括：
[0015]S1：对虚拟场景进行搭建，在虚拟场景中构建仿生机械手并使其能够实现不同方向的移动；
[0016]S2：将手指划过人机界面传感器的不同方向，以产生不同的电压波形数据，将所述电压波形数据输入至卷积神经网络进行机器学习，得到增强后的电压波形数据；
[0017]S3：将增强后的电压波形数据输入至虚拟场景，所述仿生机械手根据增强后的电压波形数据进行不同方向的移动。
[0018]本申请的有益效果在于：本申请所述的人机界面传感器及其制备方法、数字孪生方法，通过在每个方向设置不同数量以及不同位置的条状电极，通过0/1编码识别分辨人机界面传感器多方向信号；通过卷积神经网络增强人机界面传感器多向检测；通过Unity3D搭建虚拟场景，并且利用Arduino实现人机界面传感器和计算机通信，利用Ardity实现Arduino和Unity通信，通过手指划过人机界面传感器，实现对虚拟空间中仿生机械手的控制；最终实现基于人机界面传感器的仿生机械手数字孪生。
附图说明
[0019]图1为本申请所述人机界面传感器测试过程示意图；
[0020]图2为本申请实施例中四方向、六方向以及八方向的基于摩擦纳米发电机的人机界面传感器示意图；
[0021]图3为本申请实施例中四方向传感器、六方向传感器和八方向传感器的编码位置示意图；
[0022]图4为本申请实施例中八方向传感器的每个方向所测得的电压波形图；
[0023]图5a和图5b为本申请实施例中机器学习混淆矩阵示意图；
[0024]图6为本申请实施例中搭建的虚拟场景示意图；
[0025]图7a至图7d为本申请实施例中基于人机界面传感器的仿生机械手数字孪生示意图；
[0026]图8为本申请实施例中人机界面传感器的数字孪生流程图。
具体实施方式
[0027]下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
[0028]本申请所述的人机界面传感器为基于摩擦纳米发电的人机界面传感器，包括驻极体薄膜及设置在驻极体薄膜上的电极，在驻极体薄膜的不同方向上均设有起始电极和终止电极，所述起始电极和所述终止电极之间的编码位置均相同，驻极体薄膜不同方向的编码位置上电极的整体设置不一样。
[0029]本申请实施例中，人机界面传感器包括四方向传感器、六方向传感器和八方向传感器，如图2所示。所述四方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有两个编码位置，所述六方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有三个编码位置，所述八方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有三个编码位置，如图3所示。
[0030]图2中，以四方向传感器为例进行说明，四方向传感器在四个不同方向上传感器的设置不同，除了起始电极和终止电极，每个方向都有两个编码位置，一个方向的两个编码位置都设置了条状电极，一个方向的两个编码位置都没有设置条状电极，另两个方向的两个编码位置中仅有一个设置了条状电极，且是在不同的编码位置中进行设置。由于四个方向的传感器设置均不相同，进行测试时，如图1所示，当编码位置存在条状电极时，手指划过驻极体薄膜会产生相应的波峰，将其记为1；当编码位置不存在条状电极的时候，手指划过驻极体薄膜不会产生波峰，记为0。由此，该基于摩擦纳米发电机的人机界面传感器将产生时域上不同位置的峰值信号。
[0031]优选地，所述驻极体薄膜的材质为PTFE，所述电极的材质为镍布。
[0032]优选地，驻极体薄膜的每个方向上相邻编码位置之间、起始电极和编码位置之间以及终止电极和编码位置之间的距离均为6mm，起始电极、终止电极和编码位置的宽度均为4mm。具体实施过程当中，首先需在PTFE薄膜上确定条状电极位置，较为简单的方法是利用利用直尺、三角板、量角器等在纸上作图，剪取合适大小的PTFE薄膜利本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人机界面传感器，该人机界面传感器为基于摩擦纳米发电的人机界面传感器，其特征在于，该人机界面传感器包括驻极体薄膜及设置在驻极体薄膜上的电极，在驻极体薄膜的不同方向上均设有起始电极和终止电极，所述起始电极和所述终止电极之间的编码位置均相同，驻极体薄膜不同方向的编码位置上电极的整体设置不一样。2.如权利要求1所述的人机界面传感器，其特征在于，所述人机界面传感器包括四方向传感器、六方向传感器和八方向传感器，所述四方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有两个编码位置，所述六方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有三个编码位置，所述八方向传感器在不同方向的起始电极和终止电极之间均设有三个编码位置。3.如权利要求1所述的人机界面传感器，其特征在于，驻极体薄膜的每个方向上相邻编码位置之间、起始电极和编码位置之间以及终止电极和编码位置之间的距离均为6mm，起始电极、终止电极和编码位置的宽度均为4mm。4.如权利要求1所述的人机界面传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建雄，张振宙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：