中国科大研制出指尖级六维力传感器 为机器人装上 “灵敏指尖”

近日，中国科学技术大学传来科研新突破，该校工程科学学院、人形机器人研究院王洪波研究员课题组成功研制出一款名为 “OriCube” 的指尖大小六维力 / 力矩传感器。这款传感器体积小巧、性能优异，能为机器人赋予类人的触觉感知能力，助力其实现更灵巧的触摸与操作，相关研究成果已发表在国际期刊《IEEE/ASME 机电一体化汇刊》上。

触觉感知是机器人实现灵巧操作和安全人机交互的核心关键，也是当前人形机器人研发的重要攻关方向。长期以来，传统机器人指尖触觉感知方案多依赖阵列式传感单元或柔性电子皮肤，尽管能获取丰富的感知信息，却普遍存在布线复杂、数据处理成本高、曲面适配性差以及耐冲击能力不足等行业痛点，难以满足机器人在实际场景中灵活操作的需求。

为破解这一难题，王洪波研究员课题组另辟蹊径，提出以嵌入式六轴力 / 力矩传感器为核心，结合几何模型实现内生触觉感知的全新思路，用更简洁的系统架构实现机器人指尖接触信息的实时感知。此次研制的 OriCube 传感器便是这一思路的核心成果，其在设计上融合了多项创新技术：结构上采用基于柔性电路板一体制造的折纸式三维线圈阵列，通过折叠形成三维结构，利用电涡流耦合效应，可精准测量金属外壳在六个自由度上的微小位移和转角，大幅降低了轴间串扰，还实现了线圈与信号调理电路的小型化封装集成，极易嵌入机器人灵巧手指尖；机械设计方面，传感器搭载 12 个模块化硅胶 “微弹簧” 弹性体，能将外部的力 / 力矩加载精准转换为壳体的位移与转角，且支持不同轴向刚度的灵活调节，可根据实际需求平衡传感器的灵敏度与量程，适配不同应用场景。

经过严格的标定和测试，OriCube 传感器展现出远超同类产品的综合性能。这款传感器体积仅 14×14×12mm³、重量仅 4g，在 23N 的量程下可实现 3mN 级的超高分辨率，功耗也仅为 45mW，完美契合机器人指尖的小型化、低功耗需求。同时，其测量精度表现优异，最大测量误差小于 2%，最大轴间串扰约 2.24%，在 6 小时连续运行过程中，漂移量小于 0.2% 满量程，稳定性极强。该传感器的感知能力跨度大、环境适应性突出，既能精准捕捉羽毛轻触这类微弱接触，也能承受锤击带来的冲击脉冲，还能有效抑制外界磁场扰动，可在复杂工况下为机器人提供稳定、可靠的感知数据。

在实际应用测试中，研究团队将 OriCube 传感器嵌入三维打印的仿生指尖结构，结合内生触觉感知方法，成功在机器人指尖曲面上实现了实时触觉感知，可同时精准估计接触位置与接触力矢量，且测量结果与外部参考力传感器高度一致。这一成果为机器人灵巧手触觉感知提供了一种低成本、高鲁棒性、易集成的全新解决方案，能为机器人在不确定环境下完成灵巧复杂操作提供关键的触觉感知支撑，让机器人真正拥有 “灵敏的指尖”，推动人形机器人在工业操作、服务陪护、特种作业等领域的更广泛应用。