【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機器人研究院王洪波研究員課題組研制了一種名為“OriCube”的指尖大小六維力/力矩(F/T)傳感器。該傳感器體積僅14×14×12mm³、重量4g，在23N量程下實現(xiàn)3mN級分辨率，并可嵌入機器人靈巧手指尖，在曲面接觸中實時輸出接觸點位置與力矢量，為機器人“像人一樣用手指觸摸與操作”提供關(guān)鍵感知能力。成果以“A Fingertip-Size Six-Axis Force Sensor via Origami Coil Arrays for Intrinsic Tactile Sensing”為題發(fā)表在國際期刊《IEEE/ASME 機電一體化匯刊》(IEEE/ASME Transactions on Mechatronics)上。
觸覺是實現(xiàn)靈巧操作與安全人機交互的關(guān)鍵能力。現(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)處理負擔(dān)重、曲面適配與耐沖擊性不足等瓶頸。研究團隊提出以嵌入式六軸F/T傳感器為核心、結(jié)合幾何模型實現(xiàn)內(nèi)生觸覺感知(Intrinsic Tactile Sensing, ITS)，以更簡潔的系統(tǒng)實現(xiàn)實時接觸信息感知。
OriCube采用折紙式三維線圈陣列(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)，同時測量金屬外殼在六個自由度(平移與轉(zhuǎn)動)上的微小位移和轉(zhuǎn)角。該結(jié)構(gòu)設(shè)計顯著降低了軸間串?dāng)_，同時實現(xiàn)了線圈與信號調(diào)理電路的小型化封裝集成，便于嵌入機器人指尖。在機械設(shè)計上，OriCube 使用模塊化硅膠“微彈簧”彈性體(12 個硅膠彈簧)將外部力/力矩加載轉(zhuǎn)換為殼體的位移與轉(zhuǎn)角，并允許對不同軸向剛度進行調(diào)節(jié)，可按需設(shè)計，實現(xiàn)靈敏度與量程的平衡。
嚴(yán)格標(biāo)定和測試結(jié)果表明，OriCube在“指尖尺寸、低功耗、強魯棒”約束下實現(xiàn)了高性能六軸力/力矩測量：具有體積小(14×14×12mm³)、重量輕(4g)、功耗低(45mW)等特點；同時具備較低的軸間串?dāng)_與較高測量精度(最大誤差 <2%、最大串?dāng)_約 2.24%)，并在6小時連續(xù)運行中保持較小漂移(<0.2% F.S.)。此外，該傳感器既能感知羽毛輕觸等弱接觸，也能承受錘擊帶來的沖擊脈沖，并對外界磁場擾動表現(xiàn)出良好抑制能力，可在復(fù)雜工況下為機器人提供可靠穩(wěn)定的感知信息。
團隊將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現(xiàn)了實時觸覺感知，可同時估計接觸位置與接觸力矢量。實驗結(jié)果表明，該觸覺感知方法得到的結(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感知新方案，可為機器人在不確定環(huán)境下的靈巧復(fù)雜操作提供關(guān)鍵的觸覺感知信息。
工程科學(xué)學(xué)院精密機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、人形機器人研究院王洪波研究員為論文通訊作者。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目(52275579)、中國科學(xué)院引才計劃青年項目、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高層次人才引進計劃和安徽省科技攻堅計劃項目重大項目(202423h08050003)以及中央高校基本業(yè)務(wù)費的支持。
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