中國(guó)科大研發(fā)指尖六維力傳感器，助力機(jī)器人靈巧手觸覺(jué)感知

來(lái)源：MEMS

麥姆斯咨詢(xún)獲悉，近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員課題組研發(fā)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(shí)現(xiàn)3 mN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，為機(jī)器人“像人一樣用手指觸摸與操作”提供關(guān)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(fā)表在國(guó)際期刊《IEEE/ASME機(jī)電一體化匯刊》（

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

觸覺(jué)感知是實(shí)現(xiàn)靈巧操作與安全人機(jī)交互的關(guān)鍵能力。現(xiàn)有指尖觸覺(jué)感知方案多依賴(lài)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(xiàn)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瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)提出以嵌入式六軸六維力/力矩傳感器為核心、結(jié)合幾何模型實(shí)現(xiàn)內(nèi)生觸覺(jué)感知（Intrinsic Tactile Sensing, ITS），以更簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接觸信息感知（圖1）。

圖1 基于指尖六維力傳感器的內(nèi)生觸覺(jué)感知

OriCube采用折紙式三維線(xiàn)圈陣列（基于柔性電路板FPC一體制造并折疊成三維結(jié)構(gòu)），利用電渦流耦合效應(yīng)，同時(shí)測(cè)量金屬外殼在六個(gè)自由度（平移與轉(zhuǎn)動(dòng)）上的微小位移和轉(zhuǎn)角。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖2）顯著降低了軸間串?dāng)_，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)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（12個(gè)硅膠彈簧）將外部力/力矩加載轉(zhuǎn)換為殼體的位移與轉(zhuǎn)角，并允許對(duì)不同軸向剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可按需設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)靈敏度與量程的平衡。

圖2 六維力/力矩傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嚴(yán)格標(biāo)定和測(cè)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(cè)量：具有體積小（14 × 14 × 12 mm3）、重量輕（4g）、功耗低（45mW）等特點(diǎn)；同時(shí)具備較低的軸間串?dāng)_與較高測(cè)量精度（最大誤差<2%、最大串?dāng)_約 2.24%），并在6小時(shí)連續(xù)運(yùn)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(lái)的沖擊脈沖，并對(duì)外界磁場(chǎng)擾動(dòng)表現(xiàn)出良好抑制能力，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。

圖3 六維力/力矩傳感器各軸輸出結(jié)果

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(jué)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)果表明，該觸覺(jué)感知方法得到的結(jié)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(jué)感知新方案，可為機(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(jué)感知信息。

工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生徐迎澳為論文第一作者。工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員為論文通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52275579）、中國(guó)科學(xué)院引才計(jì)劃青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高層次人才引進(jìn)計(jì)劃和安徽省科技攻堅(jiān)計(jì)劃項(xiàng)目重大項(xiàng)目（202423h08050003）以及中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)的支持。

論文鏈接：

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

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