中国科大研制出指尖级六维力传感器 赋予机器人类人触觉感知

近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院王洪波研究员课题组传来重大突破，成功研制出一款指尖大小的六维力/力矩（F/T）传感器——OriCube。该传感器体积小巧、性能优越，可嵌入机器人灵巧手指尖，为机器人实现“像人一样用手指触摸与操作”提供了关键感知支撑，相关成果已以“A Fingertip-Size Six-Axis Force Sensor via Origami Coil Arrays for Intrinsic Tactile Sensing”为题，发表在国际权威期刊《IEEE/ASME 机电一体化汇刊》（IEEE/ASME Transactions on Mechatronics）上。

触觉是机器人实现灵巧操作与安全人机交互的核心能力，也是当前人形机器人研发领域的关键瓶颈。据悉，现有机器人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，虽能获取丰富信息，但普遍存在布线复杂、数据处理负担重、曲面适配性差及耐冲击性不足等问题，难以满足机器人精细操作的实际需求。

为破解这一困境，研究团队创新提出以嵌入式六轴F/T传感器为核心，结合几何模型实现内生触觉感知（ITS）的技术策略，用更简洁的系统架构实现了实时接触信息的精准感知。此次研发的OriCube传感器，在微型化与高性能上实现了双重突破：其体积仅为14×14×12mm³，重量仅4g，相当于一枚普通纽扣的大小，可轻松嵌入机器人灵巧指尖；在23N量程下，能实现3mN级的超高分辨率，可精准捕捉羽毛轻触等微弱接触信号，同时具备极强的抗冲击能力，能承受锤击带来的冲击脉冲，对外界磁场扰动也表现出良好的抑制能力。

该传感器的核心优势源于其独特的结构设计。OriCube采用基于柔性电路板（FPC）一体制造并折叠成三维结构的折纸式三维线圈阵列，利用电涡流耦合效应，可同时测量金属外壳在六个自由度（平移与转动）上的微小位移和转角，有效降低了轴间串扰，同时实现了线圈与信号调理电路的小型化封装集成。在机械设计上，传感器配备12个模块化硅胶“微弹簧”弹性体，能将外部力/力矩加载转换为壳体的位移与转角，且可根据需求调节不同轴向刚度，实现灵敏度与量程的精准平衡，适配不同应用场景的需求。

严格的标定和测试结果显示，OriCube传感器在“指尖尺寸、低功耗、强鲁棒”的约束下，展现出卓越的综合性能：不仅体积小、重量轻、功耗低（仅45mW），还具备较低的轴间串扰（约2.24%）和较高的测量精度（最大误差＜2%），在6小时连续运行中可保持较小漂移（＜0.2% F.S.），能在复杂工况下为机器人提供可靠稳定的感知信息。

为验证传感器的实用性，研究团队将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，可同时精准估计接触位置与接触力矢量。实验结果表明，该触觉感知方法得出的结果与外部参考力传感器高度一致，充分证明了其可靠性和实用性。

业内专家表示，OriCube传感器提出了一种低成本、高鲁棒性、易集成的灵巧手触觉感知新方案，不仅填补了国内高性能微型六维力传感器领域的相关空白，更将推动机器人技术从“能干活”向“干巧活”跨越。未来，该传感器可广泛应用于工业精密装配、医疗手术辅助、家庭服务机器人等领域，为机器人在不确定环境下的灵巧复杂操作提供关键支撑，助力人形机器人更快走进千行百业。