近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制出指尖大小六維力/力矩（F/T）傳感器——OriCube。該傳感器體積僅14×14×12mm3、重量4g，在23N量程下實(shí)現(xiàn)3mN級(jí)分辨率，并可嵌入機(jī)器人靈巧手指尖，在曲面接觸中實(shí)時(shí)輸出接觸點(diǎn)位置與力矢量，能夠?yàn)闄C(jī)器人“像人一樣用手指觸摸與操作”提供感知能力。

　　觸覺是實(shí)現(xiàn)靈巧操作與安全人機(jī)交互的關(guān)鍵能力?，F(xiàn)有指尖觸覺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(fù)雜、數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)重、曲面適配與耐沖擊性不足等問題。研究團(tuán)隊(duì)提出以嵌入式六軸F/T傳感器為核心、結(jié)合幾何模型實(shí)現(xiàn)內(nèi)生觸覺感知（ITS），以更簡潔的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接觸信息感知的策略。

　　OriCube采用折紙式三維線圈陣列，利用電渦流耦合效應(yīng)，同時(shí)測量金屬外殼在六個(gè)自由度上的微小位移和轉(zhuǎn)角。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了軸間串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)了線圈與信號(hào)調(diào)理電路的小型化封裝集成，便于嵌入機(jī)器人指尖。在機(jī)械設(shè)計(jì)上，OriCube使用模塊化硅膠“微彈簧”彈性體，將外部力/力矩加載轉(zhuǎn)換為殼體的位移與轉(zhuǎn)角，并允許調(diào)節(jié)不同軸向剛度，可按需設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)靈敏度與量程的平衡。

　　標(biāo)定和測試結(jié)果表明，OriCube在“指尖尺寸、低功耗、強(qiáng)魯棒”約束下實(shí)現(xiàn)了高性能六軸力/力矩測量，具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，具備較低的軸間串?dāng)_與較高測量精度，并在6小時(shí)連續(xù)運(yùn)行中保持較小漂移。此外，該傳感器能夠感知羽毛輕觸等弱接觸，可以承受錘擊帶來的沖擊脈沖，并對外界磁場擾動(dòng)表現(xiàn)出抑制能力，可在復(fù)雜工況下為機(jī)器人提供可靠穩(wěn)定的感知信息。

　　團(tuán)隊(duì)將OriCube嵌入三維打印仿生指尖結(jié)構(gòu)，結(jié)合ITS方法在指尖曲面上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觸覺感知，可同時(shí)估計(jì)接觸位置與接觸力矢量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該觸覺感知方法得到的結(jié)果與外部參考力傳感器一致。

　　這一工作提出了低成本、高魯棒性、易集成的靈巧手觸覺感知新方案，能夠?yàn)闄C(jī)器人在不確定環(huán)境下的靈巧復(fù)雜操作提供關(guān)鍵的觸覺感知信息。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《IEEE/ASME機(jī)電一體化匯刊》（IEEE/ASME Transactions on Mechatronics）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

基于指尖六維力傳感器的內(nèi)生觸覺感知

六維力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)