中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為“An ultralight, tiny, flexible six-axis force/torque sensor enables dexterous fingertip manipulations”的研究論文，報道了一種超輕 (0.30 g)、超小 (指尖大小)的柔性六維力/力矩傳感器，將傳感器用于指尖的靈巧操作，實(shí)現多維、多任務(wù)的操控以及人機協(xié)同，顯著(zhù)提高智能機器人、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的操控靈巧性。
研究背景與成果
人類(lèi)利用手指可以完成快速、穩健且靈活的操作任務(wù)，指尖被認為是極其敏感的部位，能夠快速進(jìn)行按壓、滾動(dòng)和滑動(dòng)等動(dòng)作。指尖上的多維力/力矩感知能夠為人類(lèi)或機器人提供強大的操作能力，即使對于行動(dòng)不便的人群，如殘疾人和老年人，也能通過(guò)指尖操控，靈巧地控制輪椅等生活設施。智能機器人對于多維力/力矩感知的需求尤為迫切，機器人在完成靈巧操作比如開(kāi)瓶蓋時(shí)，不僅需要法向力的感知，還需要切向力的感知。當前的六維力/力矩傳感器存在著(zhù)結構復雜、加工工藝繁瑣、體積較大、柔性程度不足等問(wèn)題，限制了六維力/力矩傳感器的廣泛應用，尤其是在指尖靈巧操作上的應用。
針對以上問(wèn)題，清華大學(xué)精儀系朱榮教授團隊提出了一種結構簡(jiǎn)單、體積?。ㄖ讣獯笮。?、重量輕（0.30 g）的柔性六維力/力矩傳感器。該傳感器利用疊層分布的薄膜熱敏電阻來(lái)感知柔性壓熱材料的空間應變，實(shí)現六維力/力矩的寬量程、高精度的柔性感知。團隊將傳感器用于機器人靈巧手的指端，實(shí)現對物品的精細操作，并將傳感器用于人類(lèi)指尖，可以實(shí)現靈巧地多維、多任務(wù)操作，例如行動(dòng)不便的殘疾人和老年人，可以通過(guò)指尖操作實(shí)現遠程遙控、人機協(xié)作的物品抓取及收納等復雜家政任務(wù)。
圖1. 超輕、超小的柔性六維力/力矩傳感器及其靈巧操作應用
成果優(yōu)勢
柔性傳感器采用緊湊的疊層設計，柔性壓熱材料的上層和下層分布有薄膜熱敏電阻，在六維力/力矩作用下，柔性壓熱材料產(chǎn)生空間應變，被分布于上層和下層的薄膜熱敏電阻檢測。由此，利用簡(jiǎn)單的熱敏檢測結合壓熱效應，即可感知空間應變，最終實(shí)現六維力/力矩的精準感知。該傳感器結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，六維力/力矩的法向力(Fz)、切向力(Fx和Fy)、力矩(Mx和My)和扭矩(Mz)的量程分別為15N，-5~5 N, -60~60 mN·m和-20~20 mN·m，均方根誤差(RMSE)分別為0.18 N, 0.15 N, 0.18 N, 0.58 mN·m, 0.62 mN·m, 0.26 mN·m，柔性傳感器通過(guò)了十萬(wàn)次重復性測試仍然保持穩定，且不受環(huán)境溫度和濕度的影響，該傳感器具有寬量程、高精度、高可靠性與高穩定性的優(yōu)勢（圖2）。
圖2. 六維力/力矩傳感器的傳感性能
團隊將多維力傳感器安置于機器人的靈巧手指尖，傳感器幫助機器人實(shí)現了藥瓶安全鎖瓶蓋開(kāi)啟過(guò)程的多維力感知（圖3），從而協(xié)助機器人靈巧操作各類(lèi)物品。多維力/力矩傳感器用于人手的指尖，通過(guò)手指的輕輕觸碰，即可實(shí)現虛擬游戲中多維運動(dòng)、多項任務(wù)的快速、精準操控，大幅提高了游戲操控的快速性、靈活性和準確性，顛覆了傳統游戲遙桿和游戲鍵盤(pán)操作不靈活的局限。
圖3. 六維力/力矩傳感器用于機器人手，開(kāi)啟帶安全鎖的瓶蓋；用于人手指尖，快速、靈巧地操控游戲的多維運動(dòng)和多項任務(wù)
團隊還將六維力/力矩傳感器用于行動(dòng)不便的殘疾人或老年人的遙操作，將傳感器放于人手指尖，通過(guò)輕輕地指尖觸碰，即可實(shí)現對智能機器人的機械臂和機械手的多維運動(dòng)操控，由此，可以利用簡(jiǎn)單靈活的指尖操控，實(shí)現對智能機器人的完全控制，可操控機器人完成物品的拾取、收納和搬運，進(jìn)一步完成家政服務(wù)（圖4）。
圖4. 六維力/力矩傳感器助力人手，通過(guò)指尖輕觸，控制機器人完成家政服務(wù)
團隊研究成果不僅大幅提升了柔性六維力/力矩傳感器的功能和性能，還極大地增強了指尖靈巧操作的能力。隨著(zhù)技術(shù)不斷成熟和完善，該柔性六維力/力矩傳感器有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)智能機器人、工業(yè)制造、家庭服務(wù)、助老助殘等領(lǐng)域的長(cháng)足發(fā)展。
該研究的完成單位為清華大學(xué)精密儀器系、精密測試技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗室，精儀系2021級博士研究生毛騫為論文的第一作者，通訊作者為精儀系朱榮教授，其他作者還包括精儀系博士研究生廖子健、助理教授柳世強、博士后袁錦烽。本研究受到北京市自然科學(xué)基金順義創(chuàng )新聯(lián)合基金項目、國家自然科學(xué)基金項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60861-8
