Design of a Wearable Real-Time Hand Motion Tracking System Using an Array of Soft Polymer Acoustic Waveguides

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作者
Yuan Lin,Peter B. Shull,Jean-Baptiste Chossat
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:11 (2): 282-295 被引量:2
标识
DOI:10.1089/soro.2022.0091
摘要

Robust hand motion tracking holds promise for improved human–machine interaction in diverse fields, including virtual reality, and automated sign language translation. However, current wearable hand motion tracking approaches are typically limited in detection performance, wearability, and durability. This article presents a hand motion tracking system using multiple soft polymer acoustic waveguides (SPAWs). The innovative use of SPAWs as strain sensors offers several advantages that address the limitations. SPAWs are easily manufactured by casting a soft polymer shaped as a soft acoustic waveguide and containing a commercially available small ceramic piezoelectric transducer. When used as strain sensors, SPAWs demonstrate high stretchability (up to 100%), high linearity (R2 > 0.996 in all quasi-static, dynamic, and durability tensile tests), negligible hysteresis (<0.7410% under strain of up to 100%), excellent repeatability, and outstanding durability (up to 100,000 cycles). SPAWs also show high accuracy for continuous finger angle estimation (average root-mean-square errors [RMSE] <2.00°) at various flexion-extension speeds. Finally, a hand-tracking system is designed based on a SPAW array. An example application is developed to demonstrate the performance of SPAWs in real-time hand motion tracking in a three-dimensional (3D) virtual environment. To our knowledge, the system detailed in this article is the first to use soft acoustic waveguides to capture human motion. This work is part of an ongoing effort to develop soft sensors using both time and frequency domains, with the goal of extracting decoupled signals from simple sensing structures. As such, it represents a novel and promising path toward soft, simple, and wearable multimodal sensors.
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