一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法

技术领域

本发明属于剪切力大小与方向识别技术领域，涉及一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法。

背景技术

柔性剪切力传感器可以与不规则曲面顺应性集成，且具有实时监测的能力，因而在人机交互、智能机器人、健康监测和其他相关领域获得了极大的关注。剪切力传感器的应用范围广泛，可以应用于流体动力学(气流、水流)、滑动触摸(纹理识别、滑移监测)等识别，为生物医学、智能感应等领域的发展提供了有力的保证。随着应用领域的进一步发展，研究人员逐步意识到在不同应用环境中，剪切力的方向和大小所指代的信息内容各不相同但同样重要。其方向分量包含了两个接触物体之间的相对运动信息但却常常被研究者忽略。例如，血管中血流对血管壁的剪切应力方向的改变可能预示着血栓等疾病的发生，空气压力的方向代表了风的方向,义肢与残肢之间摩擦产生的剪切力的大小和方向对验证义肢的配合度起着至关重要的作用，流体中剪切力的大小和方向可以提供流动状态、粘度和速度等相关信息。这种对剪切力的大小和方向的灵敏识别对信号的精确测量是非常重要的，它被称为“解耦”，对于更加精准的确定物体在检测环境的各项属性有着举足轻重的作用。

然而，由于传感器机制和设计具有无法区分的性能，因而在一个传感系统中同时检测剪切力大小、方向的研究鲜有报道。为此，有些研究人员开发了各向异性结构的柔性力传感器，以实现对特殊方向的识别，但其方向分辨率相对有限，只能分辨两个方向，无法解耦三元或是更复杂体系的力与方向的变化(Chen,D.；Liu,Z.；Li,Y.；Sun,D.；Liu,X.；Pang,J.；Liu,H.；Zhou,W.,Unsymmetrical Alveolate PMMA/MWCNT Film as a PiezoresistiveE-Skin with Four-Dimensional Resolution and Application for Detecting MotionDirection and Airflow Rate.Acs Appl Mater Inter 2020)。并且目前存在的现有技术阵列传感器在面对耦合剪切力大小、方向这一传感检测技术问题时，所需传感器制造成本增加，电气元件连接繁琐，引入潜在的干扰点，影响测试的准确性。

而磁基传感器因其矢量特性、无线无源优势已成为同时解耦剪切力大小和方向的有潜力途径之一。纤毛在自然界中是一种高灵敏结构，能使生物体灵敏地感受外界环境微弱的变化。受此启发，有研究者将柔性磁性纤毛阵列与电磁感应线圈结合，制备为高灵敏的无线、自供电的磁传感装置，应用于三维形貌识别和大容量通信等领域(Zhou,Q.；Ji,B.；Hu,F.；Dai,Z.；Ding,S.；Yang,H.；Zhong,J.；Qiao,Y.；Zhou,J.；Luo,J.；Zhou,B.,Magnetized Microcilia Array-Based Self-Powered Electronic Skin for Micro-Scaled 3DMorphology Recognition and High-capacity Communication.AdvancedFunctional Materials 2022,2208120)。这种柔性磁性纤毛阵列的检测原理是根据磁性纤毛的弯曲、偏转程度而导致电磁感应线圈内产生感应电动势，弯曲程度越大、感应电动势越大；但此装置无法判断磁性纤毛的受力方向。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法，从而解决现有技术中无法同步识别剪切力大小与方向的技术问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法，包括以下步骤：

获取施加剪切力后柔性磁化纤毛薄膜上的纤毛位移变化引起的空间磁场信号变化；

根据所述空间磁场信号变化获取所述施加剪切力的大小与方向。

优选的，所述空间磁场信号变化包括x轴上的空间磁场信号变化、y轴上的空间磁场信号变化以及z轴上的空间磁场信号变化；通过z轴上的空间磁场信号变化获取剪切力的大小，通过x轴上的空间磁场信号变化或者y轴上的空间磁场信号变化获取剪切力的方向。

优选的，根据第一模型获取剪切力的大小，根据第二模型或者第三模型获取剪切力的方向；

所述第一模型为

F

所述第二模型为

所述第三模型为

式中，B

一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取系统，包括：

数据获取单元，所述数据获取单元用于获取施加剪切力后柔性磁化纤毛薄膜上的纤毛位移变化引起的空间磁场信号变化；

数据处理单元，所述数据处理单元用于根据所述空间磁场信号变化获取所述施加剪切力的大小与方向。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置，用于实现权利要求1中所述一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法，包括柔性磁化纤毛薄膜以及三轴磁传感组件，所述三轴磁传感组件设置于所述柔性磁化纤毛薄膜的磁场范围内；

所述三轴磁传感组件上电连接有单片机。

优选的，所述柔性磁化纤毛薄膜与三轴磁传感组件垂直设置，所述述柔性磁化纤毛薄膜与三轴磁传感组件之间的垂直距离小于15cm。

优选的，所述柔性磁化纤毛薄膜上的纤毛长度为0.5～5mm，长径比为(2～8):1，纤毛数量为1～50根。

上述的一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置在生物医学以及智能感应领域的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法，该方法通过将施加的剪切力作用在磁性纤毛上，导致空间磁场发生变化并被三轴传感器所捕获，根据变化的三轴磁场强度获取剪切力的大小与方向。该方法以无线、无源的方式进行三元耦合实现剪切力的方向以及大小的同步获取，方法简单、操作性强、干扰小、精确度高。

本发明还提供一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置，用于实现上述基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向的同步获取方法，包括柔性磁化纤毛薄膜以及三轴磁传感组件，所述三轴磁传感组件设置于所述柔性磁化纤毛薄膜的磁场范围内；三轴磁传感组件上电连接有单片机。该装置中柔性磁化纤毛薄膜作为磁信号的发射源，当外界剪切力作用于柔性磁化纤毛薄膜时，纤毛上的磁性物质会在空间中发生位移，纤毛中磁性材料的位移会对空间磁场造成扰动，将力信号转化为空间磁信号的变化，此变化被三轴磁传感组件所捕获并输出三轴偏置电压，通过单片机对三轴偏置电压的分析可获取三轴的磁场强度，进而可以获取施加的剪切力的大小与方向。

进一步的，所述柔性磁化纤毛薄膜与三轴磁传感组件垂直设置，所述柔性磁化纤毛薄膜与三轴磁传感组件之间的垂直距离小于15cm，可有效提高测试的灵敏度。

进一步的，所述柔性磁化纤毛薄膜上的纤毛长度为0.5～5mm，长径比为(2～8):1，纤毛数量为1～50根，可调整传感器的传感范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取方法的流程示意图；

图2为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取系统的结构示意图；

图3为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置的侧视示意图；

图4为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置的俯视示意图；

图5为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置的主视示意图；

图6为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置实现剪切力大小与方向同步获取的原理示意图；

图7为本发明中一种基于柔性磁化纤毛薄膜的剪切力大小与方向获取装置对不同大小和方向剪切力的检测结果图。

其中：1、柔性磁化纤毛薄膜，2、载物台，3、第一螺栓，4、螺母，5、壳体，6、固定孔，7、第二螺栓，8、单片机，9、三轴磁传感组件，10、显示器，11、PCB板，12、单片机引脚。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

当今传感领域所要求的测量精度、测量密度日益提升，平面传感的检测体系已经成熟，立体环境下的检测体系尚需开发创新，在此基础上，剪切力作为一种可以反映三维立体空间力学性能的关键指标，亟需一种准确、有效的测量手段来进行定量、定性的检测。然而，剪切力测定存在方向与大小二者检测不可得兼的“测不准现象”，其原因在于剪切力的大小检测关键在于细化量程，剪切力的方向检测关键在于维度判定，二者所需的检测标准相异，因而对于传感装置的检测灵敏水平要求不尽相同，在满足检测条件上体现拮抗作用。本发明基于以上问题公开了一种基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向获取方法，如图1所示，包括以下步骤：

获取施加剪切力后柔性磁化纤毛薄膜上的纤毛位移变化引起的空间磁场信号变化；

根据所述空间磁场信号变化获取所述施加剪切力的大小与方向。

具体的，所述空间磁场信号变化包括x轴上的空间磁场信号变化、y轴上的空间磁场信号变化以及z轴上的空间磁场信号变化；通过z轴上的空间磁场信号变化获取剪切力的大小，通过x轴上的空间磁场信号变化或者y轴上的空间磁场信号变化获取剪切力的方向。

在本发明的一个实施例中，通过第一模型获取剪切力的大小，根据第二模型或者第三模型获取剪切力的方向；

所述第一模型为

F

所述第二模型为

所述第三模型为

式中，B

实施例2

如图2所示，本发明还公开一种基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向获取系统，其特征在于，包括：

数据获取单元，所述数据获取单元用于获取施加剪切力后柔性磁化纤毛薄膜上的纤毛位移变化引起的空间磁场信号变化；

数据处理单元，所述数据处理单元用于根据所述空间磁场信号变化获取所述施加剪切力的大小与方向。

实施例3

如图3～5所示，本发明还提供一种基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向获取装置，用于实现上述基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向获取方法，包括柔性磁化纤毛薄膜1以及三轴磁传感组件9，所述三轴磁传感组件9设置于所述柔性磁化纤毛薄膜1的磁场范围内；所述三轴磁传感组件9上电连接有单片机8。另外，为了便于对测试结果进行呈现，本发明优选的在单片机8上还连接有显示器10。其中，柔性磁化纤毛薄膜1与三轴磁传感组件9可以接触，也可以是非接触式设计，后者拓展了柔性磁化纤毛薄膜的应用场景，使得本系统可以应用于水流监测等严苛、复杂应用场景中。柔性磁化纤毛薄膜1与三轴磁传感组件9之间无电路设置。单片机8用于实现数据运算、处理，最终将剪切力的大小和方向显示在显示器上10。在部件的连接过程中，三轴磁传感组件9的SCL、SDA、3.3V、GND四个接口分别与单片机8的A5、A4、3.3V、GND四个接口相连，显示器10的VDD、GND、SCK、SDA四个接口分别与单片机8的5V、GND、A5、A4四个接口相连接。

另外，该装置为了便于柔性磁化纤毛薄膜1的固定，在柔性磁化纤毛薄膜1的底部还设有载物台2，三轴磁传感组件9与单片机8均通过焊锡与PCB板11连接，PCB板为PrintedCircuit Boards印制电路板，具体的单片机8通过单片机引脚12与PCB板11连接，另外，显示器10也通过焊锡与PCB板11连接，以实现测试结构的显示。

本发明中的柔性磁化纤毛薄膜1、三轴磁传感组件9、单片机8以及显示器10以及PCB板11等部件设置在壳体5的内部，壳体5上设有矩形孔，柔性磁化纤毛薄膜1的磁化纤毛可以通过该矩形孔伸出壳体5，便于应用。优选的，壳体5为透明的亚克力板材，其具有轻质、耐磨损、透明等优点。壳体5的尺寸优选96×61×25mm，尺寸小，便于携带使用或者与其他设备进行集成。壳体5的侧板与底板之间通过专用胶水粘接，盖板与侧板之间通过第一螺栓3和螺母4固定。

本发明中的PCB板11的两端分别通过第一螺栓3以及第二螺栓7固定在壳体5的内部，其中第一螺栓3的尺寸较长，突出壳体5设置，第二螺栓7的尺寸较短，设置在壳体5的内部。优选的，壳体5上设置有若干固定孔6，所述PCB板11通过固定孔6固定在壳体5的内部，第一螺栓3通过螺母4进行紧固。

三轴磁传感组件9优选的为三轴霍尔磁传感器，优选的，柔性磁化纤毛薄膜1与三轴磁传感组件9垂直设置，所述述柔性磁化纤毛薄膜1与三轴磁传感组件9之间的垂直距离小于15cm。该三轴磁传感组件9可以同时捕获空间内三轴的磁通密度，并进行对应解耦分析，其解耦识别区间可达到0～360°中的任意力方向以及0.7～500mN的剪切力大小。该三轴磁传感组件9可以捕获空间磁场沿x、y、z轴的信号变化，即可反推出施加在柔性磁化纤毛薄膜1上的剪切力的大小和方向。本实施例中选择的三轴磁传感组件9为迈来芯的MLX90393，通过测试该传感器空间磁场强度和三轴偏置电压的关系为：

剪切力的大小通过z轴数据判定，通过拟合，判定公式及相关性系数为：

F

剪切力的方向通过x或y轴的数据判定，通过拟合，判定公式及相关性系数为：

上述公式中，x、y、z分别为三轴磁传感器的三轴偏置电压读数，B

本发明的目的是提供一种基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向同步获取装置，即一种三元方向解耦剪切力大小、方向的无线无源磁传感装置。该传感装置由柔性的柔性磁化纤毛薄膜1和集成到壳体5中的三轴磁传感组件9、单片机8以及显示器9组成。柔性磁化纤毛薄膜1和其余系统之间无电气连接。其中柔性磁化纤毛薄膜1的主要制备工艺可参考申请号为202310977055.7的专利，专利名称为“一种磁场诱导自组装复合薄膜及其制备方法”，本发明中的柔性磁化纤毛薄膜1上的纤毛在无外界施加力的情况下，与水平方向呈90°，可与外侧检测环境直接接触，柔性磁化纤毛薄膜1上的纤毛长度为0.5～5mm，长径比为(2～8):1，纤毛数量为1～50根。该柔性磁化纤毛薄膜1在制备过程中选择弹性体基底，弹性体基底为高分子弹性体或弹性凝胶，优选高分子弹性体为聚二甲基硅氧烷、Ecoflex、聚氨酯等，优选弹性凝胶为丝素凝胶、聚丙烯酰胺凝胶等。该弹性体材料基底硬度可调，可以与不规则曲面保形接触。柔性磁化纤毛薄膜1中的磁性材料为包含铁、钴、镍等金属单质及其氧化物等软磁材料颗粒或软磁、硬磁，如铁氧体、钕铁硼等材料的混合颗粒，磁性材料的颗粒粒径约为1～30微米。该柔性磁化纤毛薄膜1的杨氏模量灵活可调，能够随意拉伸、与曲面保形接触，以适应不同应用场景。

另外，本发明还公开了上述一种基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向同步获取装置在生物医学以及智能感应领域的应用，具体的，可用于手指滑动触觉、气流、水流等使纤毛发生偏转的过程。

本发明采用磁场诱导磁性材料组装的方法，本装置的测试原理如图6所示，本装置的纤毛竖直直立的状态下，空间磁场处于稳定初始状态，当手指触摸使纤毛发生偏转时，对空间磁场产生实时扰动，并被下方的三轴霍尔磁传感器捕获，从而推导出纤毛所受剪切力的大小和方向。

如图7所示，将本发明中的一种基于柔性磁化纤毛的剪切力大小与方向同步获取装置用于对不同触摸方向以及大小的剪切力进行测试，包括0°、90°、180°、270°、30°以及60°，检测力大小在4mN-11mN之间，结果显示，该装置可有效实现对不同方向以及大小的剪切力的测试。

本发明选用柔性纤毛复合薄膜作为磁信号的发射源，利用力学刺激使复合薄膜中的纤毛沿特定方向发生一定程度的偏转，根据纤毛中磁性材料的位移造成空间磁场的扰动，将力信号转化为空间磁信号，操作简便、重复性好，多根纤毛之间相互间起到协同作用，形成了阵列传感结构，显著增强传感装置的灵敏度。然后将磁性纤毛复合薄膜与三轴霍尔磁传感器结合，综合设计复合箱式结构的传感体系，计算出拟合三相空间坐标的力感知公式，实现了以无线、无源的方式对复杂力学信号的三元解耦，消除了剪切力大小、方向检测拮抗所可能带来的异时空检测性，同时解耦了两种不同维度的测量属性，最终实现了灵敏度高(高出现有水平100倍)、检出限低(高出现有水平70倍)、耐用性好(复合纤毛阵列弯曲偏转可耐受超过10000次)、角度分辨率高(灵敏度可微缩至1°)、全角度覆盖(0～360°)、体积小(96×61×25mm)等检测技术效果。使传感装置可进一步适应气流、水流等复杂的应用场景。

综上，基于本发明的方法开发的装置的性能超出了当今市面上所使用的传统传感器所对应的检测能力，以无线无源、三元解耦的方式解决了现有技术中无法同时识别剪切力的大小、方向的挑战，体现了磁传感技术在测定三元空间立体体系空间力分布的全新可能。未来，将会在触摸方向识别、易碎物体抓取和流体识别等方面的应用继续展现其在智能机器人、健康监测方面的巨大潜力。

实施例4

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。