[論文レビュー] WiForce: Wireless Sensing and Localization of Contact Forces on a Space Continuum

Agrim Gupta, Cédric Girerd+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Soft Robotics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

WiForceは、1次元連続体上での接触力の大きさと位置を、バックプロセスされたRF信号を用いて無線・バッテリー不要で検出するタクトイルセンサを提示する。柔軟な導電トレース構造におけるビーム曲げを活用して信号位相を変調することで、多様な環境、例えばプローブ組織を通過した場合を含め、0.3 Nの力の精度と0.6 mmの局所化精度を達成する。

ABSTRACT

Contact force is a natural way for humans to interact with the physical world around us. However, most of our interactions with the digital world are largely based on a simple binary sense of touch (contact or no contact). Similarly, when interacting with robots to perform complex tasks, such as surgery, richer force information that includes both magnitude and contact location is important for task performance. To address these challenges, we present the design and fabrication of WiForce which is a 'wireless' sensor, sentient to contact force magnitude and location. WiForce achieves this by transducing force magnitude and location, to phase changes of an incident RF signal of a backscattering tag. The phase changes are thus modulated into the backscattered RF signal, which enables measurement of force magnitude and contact location by inferring the phases of the reflected RF signal. WiForce's sensor is designed to support wide-band frequencies all the way up to 3 GHz. We evaluate the force sensing wirelessly in different environments, including through phantom tissue, and achieve force accuracy of 0.3 N and contact location accuracy of 0.6 mm.

研究の動機と目的

• ロボット工学や医療応用分野における高密度タクトイルセンサアレイにおける配線の複雑さに取り組む。
• 連続表面にワイヤーレス・低消費電力の力センシングを可能にし、手術用ロボットやAR/VRインターフェースなどの応用を支援する。
• アクティブエレクトロニクスを用いずに機械的力を測定可能なRF位相シフトに変換するパass型センシングメカニズムを開発する。
• 実環境、特にソフト組織の模擬物を通過した場合を含む、高精度な力と位置のセンシングを実現する。

提案手法

• 荷重に応じて短くなる力に敏感なインターフェースを形成するため、ソフトポリマーのビームを介して二重導電トレースのマイクロストリップ型構造を用いる。
• ビーム曲げ力学を活用して、印加力と接触位置に応じた短絡長さの変化をモデル化する。
• センサーフェースからの入射RF信号の反射を変調することで、機械的変形をRF位相シフトに変換する。
• センサー両端での位相差を測定して有効な短絡長さを推定し、力の大きさと位置を推定する。
• RF送信線路理論とインピーダンスマッチングの原則を用いて、位相累積と接触点位置との関係を関連付ける。
• バックプロセッシングRFIDタグを用いて、信号を無線で反射させ、バッテリー不要の動作と遠隔信号読み取りを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パass型でワイヤレスのセンサは、連続表面における接触力の大きさと空間的位置を正確に検出可能か？
• RQ2 印加力に起因する機械的変形を、バックプロセッシングシステムにおいて信頼性高く測定可能なRF信号位相変化にマッピングする方法は何か？
• RQ3 この手法は、ソフト組織の模擬物や多径環境など複雑な環境においても、どの程度の精度を維持できるか？
• RQ4 ワイヤーレスタクトイルセンシング設計において、センサの外形寸法、空間分解能、測定精度の間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• WiForceは、プローブ組織を通過した場合を含む、複数のテスト環境で0.3 Nの力センシング精度を達成する。
• システムは0.6 mmの精度で接触点を局所化し、1次元連続体上での高い空間分解能を示す。
• マルチパス環境でも安定した性能を維持し、信号強度に依存する従来のストレインセンシング手法を上回る。
• バックプロセッシングに基づく変換メカニズムにより、バッテリー不要・ワイヤレス動作が可能となり、アンテナ1本、タグ、力センシング表面のみで構成される最小限のハードウェアで実現できる。
• ビーム曲げモデルとRF送信線路理論の統合により、位相測定値から力と位置を高精度に推定可能である。
• 設計はスケーラブルかつ適応可能であり、集積回路およびフレキシブルPCB製造技術を用いたミニチュア化の可能性を有する。