科研人员研制出机器人灵巧手指尖六维力传感器
文章导读
机器人能否像人一样“摸”清物体，关键往往卡在指尖传感器的体积与精度上。你或许以为现有的柔性电子皮肤是终极方案，却不知它们正被复杂的布线和抗冲击难题拖慢脚步。中国科大团队最新推出的OriCube，仅14毫米见方，竟能同时感知羽毛轻触与锤击冲击，彻底打破了微型化与高精度的互斥魔咒。当传统方案还在为轴间串扰头疼时，这项基于折纸线圈的新技术如何让机器人在复杂曲面实现实时触觉？那个藏在微小位移里的核心算法，究竟是如何让机器人真正拥有“手感”的？
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近日，中国科学技术大学团队研制出指尖大小六维力/力矩（F/T）传感器——OriCube。该传感器体积仅14×14×12mm3、重量4g，在23N量程下实现3mN级分辨率，并可嵌入机器人灵巧手指尖，在曲面接触中实时输出接触点位置与力矢量，能够为机器人“像人一样用手指触摸与操作”提供感知能力。
触觉是实现灵巧操作与安全人机交互的关键能力。现有指尖触觉方案多依赖阵列式分布传感单元或柔性电子皮肤，虽然信息丰富，但往往面临布线复杂、数据处理负担重、曲面适配与耐冲击性不足等问题。研究团队提出以嵌入式六轴F/T传感器为核心、结合几何模型实现内生触觉感知（ITS），以更简洁的系统实现实时接触信息感知的策略。
OriCube采用折纸式三维线圈阵列，利用电涡流耦合效应，同时测量金属外壳在六个自由度上的微小位移和转角。该结构设计降低了轴间串扰，实现了线圈与信号调理电路的小型化封装集成，便于嵌入机器人指尖。在机械设计上，OriCube使用模块化硅胶“微弹簧”弹性体，将外部力/力矩加载转换为壳体的位移与转角，并允许调节不同轴向刚度，可按需设计，实现灵敏度与量程的平衡。
标定和测试结果表明，OriCube在“指尖尺寸、低功耗、强鲁棒”约束下实现了高性能六轴力/力矩测量，具有体积小、重量轻、功耗低等特点，具备较低的轴间串扰与较高测量精度，并在6小时连续运行中保持较小漂移。此外，该传感器能够感知羽毛轻触等弱接触，可以承受锤击带来的冲击脉冲，并对外界磁场扰动表现出抑制能力，可在复杂工况下为机器人提供可靠稳定的感知信息。
团队将OriCube嵌入三维打印仿生指尖结构，结合ITS方法在指尖曲面上实现了实时触觉感知，可同时估计接触位置与接触力矢量。实验结果显示，该触觉感知方法得到的结果与外部参考力传感器一致。
这一工作提出了低成本、高鲁棒性、易集成的灵巧手触觉感知新方案，能够为机器人在不确定环境下的灵巧复杂操作提供关键的触觉感知信息。
相关研究成果发表在《IEEE/ASME机电一体化汇刊》（IEEE/ASME Transactions on Mechatronics）上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院相关项目等的支持。
基于指尖六维力传感器的内生触觉感知
六维力传感器结构设计
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