芯耀
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2019 Hackadayprize 中國區(qū)賽事正在火熱報(bào)名 ing，我們將為大家介紹在過去幾屆 Hackadayprize 中獲獎(jiǎng)的作品，希望能給你帶來啟發(fā)！快點(diǎn)來報(bào)名參賽，12.5 萬美元的終極大獎(jiǎng)在等你認(rèn)領(lǐng)：https://www.cirmall.com/hackadayprize_2019
可穿戴計(jì)算已經(jīng)從利基市場(chǎng)發(fā)展到相當(dāng)大的消費(fèi)市場(chǎng)，近年來已經(jīng)有了大量的應(yīng)用。 隨著這種普及，有機(jī)會(huì)簡(jiǎn)化對(duì)可穿戴和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的輸入。 由于尺寸小，傳統(tǒng)的交互方式（例如鼠標(biāo)和鍵盤）通常不太適合小型化的移動(dòng)和可穿戴設(shè)備。 因此，需要開發(fā)更有效的輸入裝置，其既方便用戶又可靠地自動(dòng)處理。 我們的研究重點(diǎn)是使用 Serpentine 開發(fā)這種新的輸入技術(shù)。
Serpentine，一種自供電傳感器，是一種可逆變形的電線，能夠感應(yīng)各種自然的人體輸入。 Serpentine 的材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有柔韌性，可扭曲性，可拉伸性和可擠壓性，可實(shí)現(xiàn)多種表現(xiàn)形式的輸入方式。
蛇形管制成線圈狀結(jié)構(gòu)，多層同軸硅樹脂，銅和導(dǎo)電尼龍線。 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的特定選擇允許界面的機(jī)械變形，其在導(dǎo)電尼龍和 PVA 涂覆的銅線之間產(chǎn)生時(shí)變電荷分布，其產(chǎn)生電信號(hào)。 這種信號(hào)的產(chǎn)生基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）現(xiàn)象，該現(xiàn)象在靜電感應(yīng)和摩擦起電的結(jié)合上起作用。 由于變形以及因此電荷分布導(dǎo)致發(fā)電，因此工作原理本身消除了外部功率以感測(cè)由手勢(shì)相互作用引起的變形的需要。 然后通過實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)處理自生成的信號(hào)，該系統(tǒng)包括信號(hào)處理流水線，該流水線將它們唯一地映射到產(chǎn)生變形的動(dòng)作。 我們的系統(tǒng)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)我們的愿景，即創(chuàng)建一個(gè)不僅自供電，而且對(duì)各種表達(dá)輸入模式敏感的界面。
傳感器物理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，摩擦材料的普遍可用性（我們?nèi)粘Ｉ钪锌捎玫乃胁牧?，如紙張，織物，PDFE，PDMS 等）和 DIY 結(jié)構(gòu)的構(gòu)造允許這樣的傳感接口縮放適用于各種應(yīng)用。 Serpentine 消除了對(duì)身體不同部位佩戴的笨重或剛性傳感器械的需求。 它的特定材料特性，外形和物理結(jié)構(gòu)提供六種自然姿勢(shì) - 采摘，旋轉(zhuǎn)，拉伸，捏，擺動(dòng)和扭曲。 Serpentine 展示了通過單一物理接口同時(shí)識(shí)別這些輸入的新穎能力。
自供電可拉伸線圈形振動(dòng)傳感接口 - 單電極（用硅樹脂封裝的銅線作為電介質(zhì)）基于 TENG 原理的機(jī)制
自供電可拉伸線圈形振動(dòng)傳感接口 - 雙電極（銅線和尼龍線用硅樹脂作為電介質(zhì)封裝）基于 TENG 原理的機(jī)制
Serpentine 的操作
Serpentine 可以實(shí)現(xiàn)許多不同的單手和雙手操作。 為了證明 Serpentine 可以檢測(cè)由觸覺和縱向力產(chǎn)生的電信號(hào)，我們已經(jīng)探索和評(píng)估了一些特定的手勢(shì)，這些手勢(shì)是適當(dāng)?shù)拇硇詷颖尽?/p>
電子機(jī)械測(cè)試和分析
通過縱向位移在電輸出（開路電壓，短路電流和輸出功率）方面的傳感器表征
實(shí)驗(yàn)設(shè)置：
我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來表征我們的傳感接口的電氣輸出，包括短路電流（Isc）電流，開路電壓（Voc）和各種輸入頻率和縱向位移（拉伸）的電功率。 首先，構(gòu)造定制的塑料支架以保持線性馬達(dá)和 Newport 462-XYZ-M 線性平臺(tái)之間的傳感接口。 然后，傳感接口平行于地面對(duì)齊，并牢固地固定在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備之間的直線上。 通過計(jì)算機(jī)控制直線電機(jī)臂的加速，減速和位移，模擬不同頻率和相互作用的縱向位移。 通過吉時(shí)利靜電計(jì)測(cè)量界面的電輸出。 對(duì)具有不同剛度的兩個(gè)傳感器執(zhí)行該過程。
觀察：開路電壓
一方面，兩個(gè)不同的接口在開路電壓中顯示出一些相似之處：1。在給定的頻率范圍內(nèi)，觀察到開路電壓在 5 mm 位移時(shí)幾乎保持不變，以及 2. 隨著位移的增加，開路電壓顯示近似值與頻率成線性關(guān)系，但這種線性趨勢(shì)在 20 mm 和 25 mm 的高位移時(shí)明顯斷開。 另一方面，對(duì)頻率和相互作用位移的電響應(yīng)存在顯著差異。 對(duì)于所有位移和頻率，與更硬的替代方案相比，更軟的界面產(chǎn)生更大的開路電壓。 這表明較軟的界面對(duì)拉伸相互作用更敏感。 此外，電壓和頻率之間的近似線性關(guān)系表示較軟的界面的陡峭斜率，這表明對(duì)于測(cè)試的位移，軟界面對(duì)頻率的靈敏度隨著位移的增加而提高。
觀察：短路電流
對(duì)于給定頻率，短路電流隨位移的增加而增加。 在給定的位移處，在電流偏離線性趨勢(shì)并且開始急劇增加之前，短路電流幾乎線性地隨著頻率的增加而增加到 5Hz。 這種趨勢(shì)意味著就短路電流而言，電輸出對(duì)于 20mm 和 25mm 的縱向位移的相互作用頻率非常敏感。
手勢(shì)數(shù)據(jù)集：時(shí)域和頻域分析
頻率響應(yīng)分析
我們分析了在相同物理環(huán)境中收集的 6 個(gè)不同用戶的數(shù)據(jù)頻域。 數(shù)據(jù)在下圖中可視化，其中信號(hào)的幅度被歸一化，使得來自每個(gè)手勢(shì)的最大幅度為 1. 該圖表示我們?cè)陬l域中的 6 個(gè)測(cè)試手勢(shì)的清晰度。 對(duì)于“拔除”手勢(shì)，在 25 至 45Hz 的頻率范圍內(nèi)觀察到良好的響應(yīng)，其對(duì)應(yīng)于在給定傳感器的采集部分的長(zhǎng)度的情況下位于一次諧波頻率的頻率范圍。 這種采取手勢(shì)的響應(yīng)承諾將來在弦樂器中應(yīng)用自供電拾音器。
在除拉伸和拔除之外的所有姿勢(shì)中，人們注意到 60Hz 處的峰值，這是由無處不在的電力傳輸線引起的。 采集和拉伸中的信號(hào)幅度遠(yuǎn)高于從 60Hz 電力線截取的信號(hào)，因此當(dāng)數(shù)據(jù)被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，60Hz 信號(hào)在可視化中被抑制。
頻率響應(yīng)分析：
收集的數(shù)據(jù)演示了每個(gè)手勢(shì)的頻率響應(yīng)。 每個(gè)手勢(shì)為 6 個(gè)用戶說明每個(gè)用戶 25 個(gè)樣本，用于修改分類算法的頻譜圖。
在調(diào)試和改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)分類的過程中，我們繪制了不同手勢(shì)的譜圖，以觀察使用該特征最佳區(qū)分哪些手勢(shì)。 頻譜圖也影響了我們關(guān)于是否應(yīng)該將手勢(shì)保持在可用于該類型的第一次研究的可區(qū)分手勢(shì)集中的決定。 因此，可視化特征影響手勢(shì)設(shè)計(jì)，反之亦然。 我們不斷改進(jìn)我們的分類算法，以增加第一組 6 個(gè)手勢(shì)中的手勢(shì)數(shù)量。
擺動(dòng)
捻
伸展
采摘
數(shù)據(jù)收集和分類管道
數(shù)據(jù)收集管道
我們使用 Adafruit Feather M0 MCU 轉(zhuǎn)向 Digilent Analog Discovery 2，以便從傳感器采集數(shù)據(jù)。 由于“dwf”Python API 允許通過 Analog Discovery 2 設(shè)備更簡(jiǎn)單，更準(zhǔn)確地處理采樣率，因此它比先前測(cè)試的 MCU 更適合數(shù)據(jù)收集。
數(shù)據(jù)分類管道
使用 Analog Discovery 2 設(shè)備獲取分類數(shù)據(jù)。 它通過頻域能量計(jì)算進(jìn)行分段，并進(jìn)行平滑處理以抑制數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差。 同時(shí)，如果信號(hào)超過閾值能量水平，則分類器在該分段數(shù)據(jù)中查找信號(hào)。 正如在 MCU 的情況下所確定的，實(shí)驗(yàn)上看到隨機(jī)森林分類器表現(xiàn)最佳。
“PyAudioAnalysis”Python 庫用于計(jì)算頻域和時(shí)域特征，并根據(jù)特征計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。 因此，建立了穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理管道，成功地區(qū)分了 6 個(gè)手勢(shì)。 所需的代碼在 github 中可用，其使用說明在 Build Instruction 部分中有說明。
注意：
本系統(tǒng)使用 Digilent Analog Discovery 2 這是一種昂貴的設(shè)備，我們不建議將蛇形作為可穿戴設(shè)備成功運(yùn)行。 Digilent 設(shè)備用于證明傳感接口和數(shù)據(jù)分類算法運(yùn)行良好，并準(zhǔn)備與 MCU 集成。 我們正在進(jìn)行的研究旨在通過最新上傳中提供的分段和分類算法實(shí)現(xiàn)從 MCU（通過以前上傳的 MCU 的 Python 代碼）通過 WiFi 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的這種集成。?
下一步：自供電無線通信
由螺旋導(dǎo)體組成，我們的傳感器也可用作天線。 為了探索其天線特性，我們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了從 30MHz 到 10GHz 的 S11 天線特性（由于測(cè)量設(shè)備的限制而選擇上限）并將結(jié)果繪制在阻抗史密斯圓圖上。 在最初幾次實(shí)驗(yàn)之后獲得的最佳 S11 參數(shù)值在 10.0GHz 時(shí)為 0.2072，這意味著傳遞到天線的大約 80％的功率被傳輸出去或在內(nèi)部用完。 我們正在進(jìn)行的研究是優(yōu)化蛇形天線的這種天線性質(zhì)，并構(gòu)建一個(gè)自供電傳感和自供電無線通信系統(tǒng)。
使用 Serpentine 不僅可以作為自供電傳感接口，還可以作為通信的自供電天線，可以徹底改變?nèi)祟惻c計(jì)算設(shè)備交互的方式。 相互作用本身應(yīng)足以產(chǎn)生用于感測(cè)和同時(shí)無線通信的電信號(hào)，而無需外部電源或傳感和通信儀器。
今天，電池在用于感測(cè)和通信的計(jì)算設(shè)備中無處不在。 然而，電池更換和處理會(huì)給環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)，并且這種電池的使用是不可持續(xù)的。
盡管如此，通過 Serpentine，我們將很快消除對(duì)這種外部電源的需求，從而開發(fā)出一種環(huán)境清潔的自我維持系統(tǒng)，并且可以將其整合到普適計(jì)算設(shè)備中。
如果你對(duì)這個(gè)項(xiàng)目感興趣，想獲取完整信息請(qǐng)?jiān)L問：
https://hackaday.io/project/160713-serpentine
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有人說硬件技術(shù)將很快達(dá)到極限，而在我們看來，硬件創(chuàng)新，尤其是中國硬件工程師的創(chuàng)新，還遠(yuǎn)未走到盡頭，而只是剛剛開始。作為致力于為全球硬件開發(fā)者提供技術(shù)共享服務(wù)的平臺(tái)，與非網(wǎng)母公司 SupplyFrame 旗下最大的全球硬件開發(fā)者社區(qū) Hackaday.com 已連續(xù)五年舉辦全球硬件開發(fā)者大賽 Hackadayprize，有超過 3000 多個(gè)硬件團(tuán)隊(duì)在這個(gè)賽事中互動(dòng)交流、切磋技藝。
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這個(gè)《硬件改變世界》系列，我們挑選在前幾屆 Hackadayprize 大賽中獲獎(jiǎng)的優(yōu)秀作品加以展示，硬件技術(shù)可以多有意思，硬件開發(fā)者可以多有創(chuàng)意，從這些作品中你可以看到。
2019 年 3 月，Hackadayprize 中國區(qū)賽事將隆重開啟，我們很期待看到國內(nèi)的硬件開發(fā)者大開腦洞、大展技藝。你準(zhǔn)備好了沒，與來自全球的硬件開發(fā)者同臺(tái) PK？
