中國科大研發指尖六維力傳感器，助力機器人靈巧手觸覺感知

來源：MEMS

麥姆斯咨詢獲悉，近期，中國科學技術大學工程科學學院、人形機器人研究院王洪波研究員課題組研發了一種名為“OriCube”的指尖大小六維力/力矩（F/T）傳感器。該傳感器體積僅14 × 14 × 12 mm3、重量4 g，在23 N量程下實現3 mN級分辨率，并可嵌入機器人靈巧手指尖，在曲面接觸中實時輸出接觸點位置與力矢量，為機器人“像人一樣用手指觸摸與操作”提供關鍵感知能力。研究成果以“A Fingertip-Size Six-Axis Force Sensor via Origami Coil Arrays for Intrinsic Tactile Sensing”為題發表在國際期刊《IEEE/ASME機電一體化匯刊》（

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

觸覺感知是實現靈巧操作與安全人機交互的關鍵能力。現有指尖觸覺感知方案多依賴陣列式分布傳感單元或柔性電子皮膚，雖然信息豐富，但往往面臨布線復雜、數據處理負擔重、曲面適配與耐沖擊性不足等瓶頸。研究團隊提出以嵌入式六軸六維力/力矩傳感器為核心、結合幾何模型實現內生觸覺感知（Intrinsic Tactile Sensing, ITS），以更簡潔的系統實現實時接觸信息感知（圖1）。

圖1 基于指尖六維力傳感器的內生觸覺感知

OriCube采用折紙式三維線圈陣列（基于柔性電路板FPC一體制造并折疊成三維結構），利用電渦流耦合效應，同時測量金屬外殼在六個自由度（平移與轉動）上的微小位移和轉角。該結構設計（圖2）顯著降低了軸間串擾，同時實現了線圈與信號調理電路的小型化封裝集成，便于嵌入機器人指尖。在機械設計上，OriCube使用模塊化硅膠“微彈簧”彈性體（12個硅膠彈簧）將外部力/力矩加載轉換為殼體的位移與轉角，并允許對不同軸向剛度進行調節，可按需設計，實現靈敏度與量程的平衡。

圖2 六維力/力矩傳感器結構設計

嚴格標定和測試結果表明，OriCube在“指尖尺寸、低功耗、強魯棒”約束下實現了高性能六軸力/力矩測量：具有體積小（14 × 14 × 12 mm3）、重量輕（4g）、功耗低（45mW）等特點；同時具備較低的軸間串擾與較高測量精度（最大誤差<2%、最大串擾約 2.24%），并在6小時連續運行中保持較小漂移（<0.2% F.S.）。此外，該傳感器既能感知羽毛輕觸等弱接觸，也能承受錘擊帶來的沖擊脈沖，并對外界磁場擾動表現出良好抑制能力，可在復雜工況下為機器人提供可靠穩定的感知信息。

圖3 六維力/力矩傳感器各軸輸出結果

團隊將OriCube嵌入三維打印仿生指尖結構，結合ITS方法在指尖曲面上實現了實時觸覺感知，可同時估計接觸位置與接觸力矢量。實驗結果表明，該觸覺感知方法得到的結果與外部參考力傳感器高度一致。該工作提供了一種低成本、高魯棒性、易集成的靈巧手觸覺感知新方案，可為機器人在不確定環境下的靈巧復雜操作提供關鍵的觸覺感知信息。

工程科學學院精密機械與精密儀器系博士生徐迎澳為論文第一作者。工程科學學院、人形機器人研究院王洪波研究員為論文通訊作者。該項研究工作得到了國家自然科學基金項目（52275579）、中國科學院引才計劃青年項目、中國科學技術大學高層次人才引進計劃和安徽省科技攻堅計劃項目重大項目（202423h08050003）以及中央高校基本業務費的支持。

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11399261

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