文章导读
三轴力传感器因其对空间力高精度的测量能力和在人机交互邻域中的应用而受到广泛关注，其基本结构通常由弹性体结构和敏感单元组成。然而，传统的三轴力传感器制造需要使用机加工将金属材料加工成特殊结构后手工粘贴金属应变片，并且在制造完成后需要使用专业设备进行复杂的标定校准实验。这种制造工艺和校准手段导致三轴力传感器存在结构臃肿、制造过程复杂、成本高且可靠性差等弊端。
近期，江南大学先进技术研究院赵军华教授团队的于培师副教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Hybrid 3D Printed Three-axis Force Sensor Aided by Machine Learning Decoupling”的论文。该研究设计了一种马耳他十字结构的新型三轴力传感器，并使用DIW和FDM结合的混合3D打印技术实现了一体化打印制造，再利用机器学习实现了空间三维力的解耦。与传统方法相比，该方法可实现三轴力传感器的灵活设计和低成本快速制造。实验表明，该三轴力传感器可以对移动加载的空间力的大小和方向进行连续测量。进一步，将此三轴力传感器应用于中医理疗领域，实现了按摩、刮痧等理疗力道的准确测量，从而为理疗手法的精准量化和智能理疗机器人的开发提供了技术支撑。
引用：
Guotao Liu, Peishi Yu, Yin Tao, Tao Liu, Hezun Liu & Junhua Zhao (2024) Hybrid 3D printed three-axis force sensor aided by machine learning decoupling, International Journal of Smart and Nano Materials, DOI: 10.1080/19475411.2024.2312356
文章内容
该三轴力传感器主要由马耳他十字梁、受力杆、结构基底和碳浆应变传感单元四部分组成。其中，前三部分材料均为商用热塑性弹性体(TPE),碳浆应变传感单元为环氧树脂-碳浆-银浆多层结构。具体制造流程如下(图1)，首先使用FDM打印制造马耳他十字梁、受力杆和结构基底。然后，翻转基底，使用DIW在马耳他十字梁底面打印传感单元。
图1. 三轴力传感器制造流程 (a) FDM打印制造基体;(b) DIW打印双组分环氧树脂; (c) DIW打印制造碳浆; (d)接线; (e) 顶视图; (f)底视图
图2. 实验和仿真 (a)有限元模型; (b)有限元模拟结果; (c)实验设备; (d)实验结果和仿真结果对比(s1-s2分别代表4个碳浆应变传感单元)
对传感单元进行灵敏系数的校准后,进行了图2所示的有限元仿真，在空间上施加不同方向的力,将其测量结果与模拟结果对比,以验证有限元模型的准确性性。然后,通过程序实现有限元模拟的批量化计算，得到大量的模拟数据用以训练机器学习模型。训练完成后的机器学习模型对x、y、z三个方向分力以及最终合力的预测结果如图3所示。结果显示，训练完毕的机器学习模型对空间力大小和方向的预测较准确。
图3.机器学习模型的验证 (a) x方向分力; (b) y方向分力; (c) z方向分力; (d)合力
图4. 三轴力传感器的应用 (a) 刮痧; (b)按摩
进一步，将此三轴力传感器用中医理疗(按摩和刮痧)的精准量化(图4)。中医理疗的疗效在很大程度上依赖于中医师对患者施加力的大小、方向和随时间的变化规律，这主要取决于中医师的个人经验和技巧。因此，对治疗过程中的“力道”进行准确测量，将中医师个人的宝贵技术和经验转化为可量化的数据库，进而可以建立一个专业、可推广的参数集。这些参数集可以用于高效率的培训新一代治疗师，甚至探索发展高技能理疗机器人的技术路线。
江南大学机械工程学院硕士生刘国涛为本文第一作者，于培师副教授为通讯作者。
课题组简介
赵军华，江南大学教授，机械工程学院院长。2008年获得南京航空航天大学博士学位，2008-2011在挪威科技大学从事博士后研究，2011-2014在德国魏玛包豪斯大学从事博士后研究并获博士学位(纳米力学方向)。主要研究方向为机械结构强度与多尺度力学。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、江苏省“333工程”重点行业领域人才项目等。以第一完成人获得江苏省科学技术二等奖。发表论文140余篇，被SCI期刊他引2000余次，授权国家发明专利20余项，美国专利1项。先后入选国家海外高层次青年人才、江苏省杰出青年基金、江苏省“333工程”二层次等。担任《机械设计与制造工程》编委、Journal of Materials Science & Technology青年编委、中国力学学会理性力学和力学中的数学方法专业委员会委员、中国力学学会微纳米力学工作组组员、中国机械工程学会材料分会青年工作委员会委员、无锡市机械工程学会理事长。
于培师，江南大学副教授，2011年于南京航空航天大学获得博士学位，2012-2014年在加拿大阿尔伯塔大学从事博士后研究。主要研究方向为机械结构强度的预测设计与监测技术。主持国家自然科学基金面上青年、面上项目等，担任中国材料研究学会疲劳分会理事、中国机械工程学会材料分会青年工作委员会委员。发表论文50余篇，被引用700余次，授权发明专利15项，美国专利1项。获江苏省科学技术二等奖、桑麻奖教金等。入选IJSNM青年编委，担任Nat. Commun.，Adv. Colloid Interface Sci.，Addit. Manuf.，Thin-Walled Struct.，Compos. Struct.，Int. J. Fatigue，Eng. Struct.，Eng. Fract. Mech.等10余种期刊审稿人。
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●IJSNM 发表王正锦教授团队最新进展：结构化可拉伸材料断裂能的试样尺寸效应
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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