[论文解读] 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 4

一句话总结

WiForce 提出了一种无线、无电池的触觉传感器，通过背向散射射频信号感知一维连续体上的接触力大小和位置。通过利用柔性导电轨迹结构中的梁弯曲效应调制信号相位，该传感器在包括仿生组织在内的多种环境中实现了 0.3 N 的力测量精度和 0.6 mm 的定位精度。

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.

研究动机与目标

• 解决机器人和医疗应用中密集触觉传感器阵列布线复杂性的挑战。
• 实现在连续表面的无缆、低功耗力传感，以支持手术机器人和 AR/VR 人机交互等应用。
• 开发一种无源传感机制，将机械力转换为可测量的射频相位偏移，无需主动电子元件。
• 在真实环境中实现高精度的力和位置感知，包括在软组织替代物中。

提出的方法

• 采用双导电轨迹的微带线式结构，结合柔性聚合物梁，构建一种受力时缩短的力敏接口。
• 利用梁弯曲力学模型，分析短路长度随施加力和接触位置的变化规律。
• 通过调制传感器表面入射射频信号的反射，将机械形变转换为射频相位偏移。
• 通过测量传感器两端的相位差，估算有效短路长度，并推断力的大小和位置。
• 应用射频传输线理论和阻抗匹配原理，将相位积累与接触点位置关联。
• 利用背向散射 RFID 标签无线反射调制信号，实现无电池运行和远程信号读取。

实验结果

研究问题

• RQ1 无源、无线传感器能否在连续表面上准确感知接触力的大小和空间位置？
• RQ2 在背向散射系统中，施加力引起的机械形变如何可靠地映射为可测量的射频信号相位变化？
• RQ3 该方法在复杂环境（如软组织模拟物或多径丰富的环境）中能保持多高的精度？
• RQ4 在无缆触觉传感设计中，传感器外形尺寸、空间分辨率与测量精度之间存在何种权衡？

主要发现

• WiForce 在包括仿生组织在内的多种测试环境中均实现了 0.3 N 的力感知精度。
• 该系统对接触点的定位精度达到 0.6 mm，表明在一维连续体上具有高空间分辨率。
• 传感器在多径环境中表现出鲁棒性能，优于依赖信号强度的传统应变传感方法。
• 基于背向散射的转换机制实现了无电池、无缆运行，且硬件极简——仅需一个天线、一个标签和一个力敏表面。
• 将梁弯曲模型与射频传输线理论相结合，可基于相位测量准确推断力和位置。
• 该设计具有可扩展性和适应性，可通过集成电路和柔性印刷电路板制造技术实现微型化。