本文档报道了一项原创性研究，属于类型a。以下是根据要求撰写的学术报告。
基于折纸线圈阵列的指尖尺寸六轴力传感器实现本征触觉感知
一、 研究团队与发表信息
本研究的作者为Yingao Xu, Houping Wu, Yunfei Xie, Jiayuan Zhang以及Hongbo Wang（IEEE会员）。所有作者均来自中国科学技术大学精密机械与精密仪器系。该研究成果以论文形式发表于《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》期刊。根据文末信息，论文于2026年1月28日被接受发表，并将在该期刊的未来一期中正式刊出。
二、 研究背景与目的
本研究属于机器人感知与传感器技术领域，具体聚焦于用于机器人灵巧手的六轴力/力矩（Six-Axis Force/Torque, F/T）传感器和本征触觉感知（Intrinsic Tactile Sensing, ITS）。触觉感知对于机器人安全、有效地执行复杂操作任务至关重要，是实现类人灵巧操作的关键一环。尽管柔性传感器和电子皮肤技术取得了进展，但在机器人指尖实现高性能、鲁棒且易于集成的触觉感知仍然是一个挑战。
当前，机器人指尖触觉传感的主流方法包括在表面分布式布置传感单元阵列（如电容式、磁式、电阻式）或使用柔性可拉伸电子皮肤。这些方法虽然能提供丰富的触觉信息，但通常面临布线复杂、数据处理量大、难以贴合复杂曲面、以及抗冲击和磨损能力有限等问题。视觉触觉传感器则受限于相机模块的尺寸。另一种有前景的解决方案是本征触觉感知（ITS），该方法通过在机器人指尖内部嵌入一个六轴F/T传感器，结合指尖表面的几何信息，实时解算出外部接触点的位置和施加的力矢量。这种方法结构紧凑、数据处理相对简单，且传感器受到保护。然而，要将六轴F/T传感器集成到指尖，必须满足尺寸紧凑、重量轻、电子集成度高、性能优异、鲁棒性强以及易于批量制造等苛刻要求。
现有的六轴F/T传感器技术（如基于应变片、电容、霍尔效应、光纤光栅等）各有优缺点，但往往在尺寸、集成度、抗干扰性或成本方面难以同时满足指尖集成的需求。例如，应变片传感器需要复杂的粘贴工艺和较大的信号调理电路；电容传感器易受环境湿度、灰尘和油污影响；磁传感器则易受外部磁场干扰。
因此，本研究旨在开发一种新型的、满足指尖集成所有要求的六轴F/T传感器。研究者们提出了名为“OriCube”的传感器，其核心创新在于利用折纸（Origami）结构将平面线圈阵列折叠成三维正交构型，结合涡流（Eddy-Current）位移传感原理，实现了自解耦（Self-Decoupled） 的六轴力/力矩测量。本研究的目标是制造一个指尖尺寸、全集成、轻量化、高性能的传感器原型，并通过将其嵌入仿生指尖，验证其实现本征触觉感知的能力。
三、 研究详细工作流程
本研究的工作流程系统性地涵盖了从原理设计、仿真验证、结构优化、制造组装、校准测试到应用演示的全过程。
1. 传感器工作原理与设计流程： * 核心原理：OriCube的核心测量原理是将力/力矩转换为金属外壳的位移/旋转，再通过涡流效应进行检测。传感器采用一个中空的铝制金属外壳作为加载板和涡流目标靶，其内部是一个由柔性印刷电路（FPC）制成的折纸线圈阵列。该阵列包含八个平面线圈（顶部四个，侧面四个），它们通过FPC技术一体化制造，并折叠固定在聚醚醚酮（PEEK）底座上，形成一个紧凑的立方体结构。在金属外壳与线圈阵列之间，布置了12个由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的独立硅胶弹簧作为弹性体。 * 工作流程：当力或力矩施加于金属外壳时，硅胶弹簧发生变形，导致金属外壳相对于线圈阵列产生微小的位移（dx, dy, dz）或旋转（θx, θy, θz）。每个线圈的电感值会因其与金属靶之间的相对位置（距离、角度）变化而改变。通过特定的线圈排布和解耦电感方程（文中公式1），可以从八个线圈的电感变化量中分别解算出六个自由度的位移/旋转信息，进而通过校准矩阵转换为六轴力/力矩。 * 自解耦机制：研究通过仿真（COMSOL）和理论分析，详细阐述了折纸线圈阵列如何实现自解耦测量。例如，沿x轴的平移主要影响侧面垂直于x轴的两个线圈（L6, L8）且变化方向相反，而沿z轴的平移则均匀影响所有四个顶部线圈（L1-L4）。旋转运动也对应着独特的线圈电感变化模式。这种设计显著降低了轴间串扰。 * 弹性体力学设计：研究提出了模块化的硅胶弹簧设计，并进行了详细的力学建模。推导了单个弹簧在压缩、拉伸、剪切和扭转下的刚度公式，以及由多个弹簧并联构成的整体传感器在六轴载荷下的刚度模型（文中公式11-15）。该设计允许通过调整硅胶弹簧的材料、截面积或力臂长度，独立地微调每个轴向上的刚度和性能，从而适配从生物医疗设备到机器人抓取器等不同应用的需求。特别地，通过调整侧面弹簧的粘结位置，可以精调传感器在x/y轴扭矩作用下的旋转中心，使其与侧面线圈的中心对齐，这是实现自解耦测量的关键。
2. 关键参数优化与仿真： * 研究对象：传感器原型的关键几何与电磁参数。 * 处理与实验：研究者对传感间隙（d1, d2）和金属壳厚度（t1, t2）进行了优化。通过实验测量了顶部线圈电感与位移的关系曲线，并拟合出方程（文中公式2）。在此基础上，计算了在不同初始间隙和应变下，总电感变化量的峰值，最终将顶部和侧面的初始间隙均设定为0.6mm，以在灵敏度和弹性体应变之间取得平衡。金属壳厚度则根据涡流渗透深度（<34 μm）设定为远大于此值（顶部2.5mm，侧面0.9mm），以确保有效的电磁屏蔽。此外，通过有限元仿真验证了所提出的解耦电感方程的有效性，结果显示各轴间串扰很小。
3. 传感器制造与组装流程： * 制造对象：OriCube传感器原型。 * 处理流程： a. FPC线圈阵列：采用标准FPC工艺制造包含八个平面线圈和信号调理电路的一体化电路板。线圈采用四层设计以在保持FPC柔性的同时获得高Q值。 b. 结构件：通过机加工制造铝制金属外壳（并进行黑色阳极氧化处理）和PEEK底座。 c. 硅胶弹簧：浇筑PDMS（基体与固化剂比例10:1）薄片，并激光切割成2mm × 2mm × 0.6mm的小块。 d. 预折叠与组装：使用高精度模具对FPC板进行预折痕处理。将FPC板用双面胶带粘结到PEEK底座上。使用硅胶粘合剂将12个硅胶弹簧粘结到FPC板顶部和侧面的外边缘。最后，将金属外壳粘结到硅胶弹簧上。 * 最终原型：组装完成的OriCube传感器尺寸仅为14.5 × 14.5 × 12.5 mm³，重量为4克，实现了完全的电子集成。
4. 校准与性能评估流程： * 校准对象：组装好的OriCube传感器原型。 * 校准设备与方法：研究者搭建了定制的六轴校准平台。使用两个电机驱动的线性平台配合单轴力传感器（FUTEK LSB200）来施加和测量Fx, Fy, Fz以及Fz-Tx/y复合载荷。使用电机驱动的旋转平台配合参考扭矩传感器（ATI Nano43）来施加和测量Tz。通过LabVIEW程序控制平台并同步记录OriCube和参考传感器的数据。 * 数据处理与解耦：采集不同载荷下的八个线圈原始电感数据，代入解耦电感方程（1）得到六路解耦后的电感信号。使用多元三阶多项式函数（文中公式16），通过最小二乘法拟合解耦电感与实际载荷之间的关系，得到一个18×6的校准矩阵T。该方法将各轴的最大绝对误差控制在满量程（F.S.）的1.78%以内，平均绝对误差小于0.29%。 * 性能测试实验： a. 误差与串扰：在满量程内施加单轴和多轴载荷，评估校准后传感器的输出精度和轴间干扰。结果显示最大误差<2%，最大串扰<2.24%。与商用参考传感器（ATI Nano43）在随机多轴载荷下的对比也显示出良好的一致性。 b. **分辨率与稳定性**：在z轴上施加3mN、8mN、18mN的阶跃力，传感器能清晰分辨3mN的变化，分辨率达到满量程（23N）的0.013%。在6小时长期稳定性测试中，力输出漂移小于40mN（0.2% F.S.），表现出极高的稳定性。 c. **动态范围与鲁棒性**：传感器既能检测羽毛的轻微触碰，也能承受锤子10-20N的冲击力，响应时间为8ms，且卸载后能快速回零。 d. **抗磁干扰**：将大型圆柱磁铁（产生>50 mT磁场）靠近传感器，其输出不受影响。将多个小磁铁直接放在传感器上，传感器能准确测量其重量，证明了其对电磁干扰的高抵抗能力。
5. 本征触觉感知演示流程： * 研究对象：集成有OriCube传感器的3D打印仿生指尖。 * 处理与实验：将OriCube嵌入一个尺寸与人手指尖相近（长30mm，宽20mm）的3D打印指尖内部。指尖表面为椭球体与圆柱体结合的复杂曲面。通过螺丝将曲面壳体固定到OriCube的金属外壳上，确保传感器坐标系原点与曲面几何原点对齐。 * 感知算法：应用本征触觉感知（ITS）原理。根据六轴F/T传感器测得的力矢量 F 和力矩矢量 M，结合指尖表面的隐式方程（文中公式18），利用力螺旋轴（Wrench-Axis）方法（文中公式20-22）求解接触点位置 C 和接触力矢量 P（满足 F = P 和 M = C × P）。对于混合曲面，计算两个可能的解，并选择代入表面方程残差最小的一个作为最终接触点。 * 演示实验： a. 手动按压：作者用手指在不同位置按压指尖，系统实时在指尖3D虚拟模型上显示接触点和力矢量。 b. 定量测试：使用安装在参考力传感器上的不锈钢探针，在指尖曲面三个不同位置施加力。结果显示，估计的接触位置与实际点高度吻合，OriCube测得的合力大小和方向与参考力传感器测量结果一致。
四、 主要研究结果
本研究在每个关键步骤都获得了明确的结果，并层层递进，最终验证了OriCube传感器的优越性能和其在本征触觉感知中的应用潜力。
原理设计与仿真结果：仿真结果证实了所提出的折纸线圈阵列配置能够有效实现六轴位移/旋转的自解耦测量。图4所示的仿真曲线显示，各轴间的串扰极小。例如，在θx旋转时，对ldz（用于测量Fz）的串扰很小，这主要源于非线性引起的交叉敏感性，但在小角度旋转下影响有限。这为传感器的可行性提供了理论基础。
优化与设计结果：通过实验和计算，确定了最优的初始传感间隙（0.6mm）和足够的金属壳厚度（>0.9mm）。力学模型为独立调整各轴向刚度提供了明确的指导公式，使得传感器设计具有高度的可定制性。
制造与原型结果：成功制造出完全集成的OriCube传感器原型，其尺寸（14.5 mm立方体）和重量（4g）完美满足指尖集成要求，且组装过程相对简化，得益于FPC的一体化折纸设计。
校准与性能评估结果：这是研究的核心实证部分。校准后的传感器表现出卓越的综合性能：
应用演示结果：将OriCube嵌入仿生指尖后，成功实现了实时的本征触觉感知。系统能够准确估计曲面上的接触点位置和三维力矢量（图17）。演示视频（补充材料S3）直观展示了其功能。这直接证明了OriCube作为机器人指尖触觉传感解决方案的有效性和实用性。
这些结果逻辑连贯：首先通过原理仿真验证了设计概念的可行性；然后通过优化和制造将其实现为实体原型；接着通过严格的校准和测试证明了该原型具备顶尖的性能指标；最后通过集成应用演示，将高性能的传感器转化为可用的触觉感知系统，完整地实现了研究目标。
五、 研究结论与价值
本研究成功设计、制造并验证了OriCube——一种基于折纸线圈阵列和涡流传感原理的新型指尖尺寸六轴力/力矩传感器。研究得出结论：OriCube通过其创新的折纸式一体化FPC线圈阵列设计，实现了六轴测量的自解耦、电磁屏蔽和紧凑尺寸。该传感器原型具有超高分辨率（0.01% F.S.）、卓越稳定性（6小时漂移<0.2%）、低功耗、轻量化、抗冲击和抗强磁场干扰等优异特性。更重要的是，研究通过将其嵌入机器人指尖并应用本征触觉感知算法，成功演示了在复杂曲面上实时感知接触位置和力矢量的能力。
该研究的科学价值在于提出并验证了一种全新的、基于涡流位移传感和折纸结构的六轴F/T传感器设计范式。其模块化硅胶弹簧设计和详细的力学模型为定制化传感器设计提供了理论工具。应用价值则非常直接和显著：OriCube为机器人灵巧手，特别是指尖触觉感知，提供了一种高性能、紧凑、可靠且易于集成的硬件解决方案，弥补了现有技术的诸多不足，有望推动机器人精细化操作和安全人机交互的发展。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
文中提到了未来的工作方向，包括：探索全差分设计以进一步降低串扰误差和非线性；集成微控制器（MCU）和惯性测量单元（IMU）以补偿重力和惯性效应；将OriCube部署到机器人灵巧手的指尖和关节，以促进复杂的操作、抓取任务和直观的人机交互。这些方向指出了该技术后续发展的潜在路径。此外，论文提供了丰富的补充材料（视频），直观展示了传感器检测轻触、抗磁干扰以及实时触觉感知的过程，增强了结果的可信度和表现力。