狭缝调节的3D刺绣传感器结构对智能手套中基于接触面积变化的应变传感性能的影响

摘要

准确感知手指关节角度是可穿戴运动传感系统在康复应用中的关键目标，这要求传感器具备高可靠性和高精度。然而，传统的基于纺织材料的应变传感器通常可靠性较低，表现为基线漂移以及在重复变形过程中出现双峰现象。这些限制主要归因于基于长度变化的传感机制——重复变形会导致传感器长度和形状的变化，从而引发信号不稳定。为了解决这些问题，本研究采用了一种基于接触面积变化的传感机制，该机制能够有效减少传感器在重复变形过程中长度和形状变化所产生的噪声。研究人员开发了一种集成在手套中的刺绣式应变传感器，并系统地研究了影响传感可靠性的三个关键结构设计因素：缝隙的存在、有效导电接触点的数量以及刺绣针脚的密度。研究采用了非参数统计分析方法，包括斯皮尔曼等级相关系数（Spearman’s rank correlation）和曼-惠特尼U检验（Mann–Whitney U test）。带有缝隙的传感器（S1）在所有手指上的峰值检测率达到了100%，而无缝隙的传感器（S0）的检测效果则不稳定。传感器的一致性从r = 0.818提高到了r = 0.972，信号幅度增加了五倍（约15–80 mV），基线漂移降低到了1%以下，双峰现象也得到了抑制。该传感器在经过20,000次马丁代尔磨损测试后仍能保持其性能。在所有研究的设计因素中，缝隙结构被确定为影响传感可靠性的最主要因素。这些结果表明，引入缝隙结构可以为基于纺织材料的可穿戴系统提供可靠的传感基础，并支持手指关节角度测量的可行性。未来，这一研究框架将扩展应用于其他关节角度的传感领域。