正文
然而,实现三维力的测量和自解耦并非易事。这需要设计出特定的磁化方式,来构建出具有自解耦性质的三维磁场分布:当在某个方向施加力的时侯,另外两个方向的传感器输出与该方向没有耦合。
传统的触觉传感器(如基于压阻或电容的传感器)通常只能测量压力(一维信息),若测量切向力或三维力,则必须依赖复杂的传感器结构,或采用繁琐的标定方法进行解耦。举例来说,假设在每个方向取 10 个标定点,传统方法的标定次数高达 10³(10×10×10 次)。
为解决上述问题,该课题组提出了一种创新的思路:基于三维磁场信息,通过优化磁膜设计,使传感器的输出在三个方向上实现天然解耦。
这一设计使得标定流程显著简化——每个方向可独立进行,而另外两个方向不受影响,标定次数为 30 次(10+10+10 次),与此前的
10³ 相比大大降低了校准复杂度。
也就是说,
新型触觉传感器用简单的结构和标定流程,就能够达到传统传感器需要复杂结构和标定才能实现的测量精度(三维自解耦测量误差在 5% 以内)。
图丨传感器的结构与原理(来源:
Nature Machine Intelligence
)
这种触觉传感器采用类似“三明治
”的三层结构,从上至下分别是磁膜、弹性硅胶层和霍尔传感器(如上图)。
最上层是传感器的核心部件磁膜,用来提供特殊磁场分布。研究人员采用 Halbach 结构和正交叠加的方式,利用磁场的三维信息实现了三维力信息的解耦,这也是这项研究的核心优势。
“普通的磁化方式无法实现自解耦效果,而我们发现正弦磁化的 Halbach 阵列具有天然解耦的磁场性质,将其正交叠加后能够实现三维力自解耦所需的磁场分布。
”闫友璨说。
图丨Halbach 阵列的磁场正交叠加(来源:
Nature Machine Intelligence
)
中间层是弹性硅胶层,它的作用是通过改变其厚度、硬度或弹性模量,灵活调整传感器的测量范围和灵敏度。最下层是安装在印刷电路板(PCB,Printed Circuit Board)的霍尔传感器,用来测量三维磁通量变化。
那么,这种触觉传感器的结构是如何协同工作的呢?
当外力直接作用在传感器表面时,磁膜会发生变形,进而引起磁场发生变化。霍尔传感器通过测量磁场的变化,反向推算出自身变形的程度,进而进一步推算出施加的力的大小。
尽管磁场设计是关键,但能否通过简易工艺实现同样至关重要。为此,研究团队与香港大学
潘佳
教授合作,结合理论推导、仿真模拟与实验数据对比,验证了该方案的可行性。
此外,这种三层结构具备高度可扩展性,设计者可通过调整参数(如硅胶硬度或磁膜特性)灵活定制传感器的灵敏度与测量范围,以满足不同应用场景的需求。
可应用于测量三维力分布和机器人示教等领域
闫友璨指出,该技术目前最直观的应用场景是在机器人的抓取与操作、医疗与健康监测等领域。在这项研究中,研究人员在三个方面展示了该技术的应用潜力。
·测量人工膝关节的三维力分布:
尽管现有基于视觉的触觉传感器可以测量高精度的三维力分布,但由于它们的体积较大(需内置摄像头)、传感面积相对较小,难以集成到膝关节实现大面积触觉传感。基于压阻或电容等原理的其他传感器通常只能测量压力,也无法方便实现膝关节三维力分布的测量,而该技术弥补了现有传感器的不足。