柔性器件-受榫卯结构启发的柔性六维力传感器

WEST可穿戴电子 20220508

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  • 力传感器
  • 六维力传感器

研究背景

柔性多维力传感器能对外部不同方向的刺激进行解耦，在人机共融、微创医疗与神经假肢等领域有着深远的科学意义和广阔的应用前景。尤其在牙齿正畸应用中，精确的多轴操作对牙齿移动和旋转至关重要。尽管柔性多维力传感器的快速发展已经能够有效地感知多维力，但它们仍然面临着在单个柔性力传感器中同时实现三维力和力矩的挑战。通过感知六维力信息可成功地对多方向运动的物体进行追踪，以及完成对复杂多轴刺激的实时监测。


创新点

为实现六维力信息的有效感知，浙江工业大学的吴化平教授课题组受中国传统古建筑中榫卯结构的启发，研发了一种能精确解码x、y和z方向的力和力矩的柔性六维力传感器。在榫卯结构的作用下，六维力刺激能与传感器的电压信号建立有效的联系，并通过深度神经网络（DNN）实现对六维力信息的非线性解耦和定量感知。这种具有较小尺寸（7×7×7 mm3）和高检测精度（DNN误差低于10-4）的柔性六维力传感器可用于正畸治疗，利用正畸力的反馈进而帮助牙科医生进行精确矫正牙齿。

作者介绍：浙江工业大学为论文的唯一通讯单位，浙江工业大学吴化平教授为唯一通讯作者，2019级研究生胡家辉为论文第一作者，博士后裘烨为论文共同一作。

文章解析
图1：受中国古建筑榫卯结构启发的柔性六维力传感器。
这项工作突破了以往柔性触觉传感器的平面设计思路，通过榫卯基底将传感单元合理地分布在三维空间，使柔性六维力传感器在榫卯基底的各种变形中都能有独特的信号响应，如图1所示。当柔性六维力传感器受到不同方向的刺激时，榫基底和卯基底之间发生接触变形，挤压中间的力感应层。均匀分布在FPCB上的12个压阻式传感单元电压信号也相应的改变。这样就可以通过12个传感单元的不同信号反应特征来检测六维力，如图2所示。
图2：柔性六维力传感器的传感机制。
为了将12个传感单元对外界刺激产生的信号反应特征进行解耦，本文建立了DNN算法模型对传感器进行非线性拟合，如图3所示。将12个压阻式传感单元输出的电压值组成的列向量作为DNN算法模型的输入向量，将作用在传感器坐标原点上的六维力分量组成的列向量被用作传感器系统DNN的输出向量。用均方根误差（RMSE）来描述训练样本的输出损失，损失函数用梯度下降法来优化。当网络训练到200步时，误差幅度减少到10-4。
图3：DNN算法模型。
最后利用柔性六维力传感器检测了人工口腔下颌仿体中牙齿的正畸力，验证了传感器感知的六维力信息可以协助牙医检查正畸力是否合适，以及矫治器是否松动，及时调整不锈钢丝的变形，如图4所示。本文设计的柔性六维力传感器为柔性多维力传感器的设计提供了新的策略，为智能机器人、交互式人机界面和先进假肢的发展铺平道路。
图4：牙齿正畸流程。
读后感

作者借鉴中国古代建筑的榫卯结构，设计了一种可定量检测六维力的柔性传感器，实现了六维力感知柔性传感器方向的突破。当传感器受到六维力时，四种不同的变形机制会导致 12 个传感单元产生相应的唯一电压信号。通过标定实验得到传感器在六维力作用下的信号响应。然后经过理论计算得到传感器的标定矩阵Gc，平均线性误差不超过0.082。我们还使用 DNN 进一步优化校准精度，并将平均线性误差降低到 0.008。在正畸中，六维力传感器可以有效地检测牙齿上正畸力的大小和方向，指导牙医进行针对性的正畸。我们相信我们的研究可以为多维触觉传感器的发展提供新思路。这些多维触觉传感器可以拥有各种医疗诊断工具和人体健康检测系统，帮助机器人感知更多维度的力信息。


该项研究得到了国家自然科学基金（No.11672269、11972323、51675485、51572242和12002308）；浙江省自然科学基金（No.LQ22A020009、LR20A020002、LR18E050002、LR19E020004、LZY21E030002和D21F030003）；浙江省属高校基本科研业务费专项资金（RF-B2019004）；高等学校学科创新引智计划（No.D16004）；浙江省教育厅项目（Y202043208）。

【参考文献】

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107073

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