近日，清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授團(tuán)隊(duì)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(bào)道一種超輕 (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(xiàn)多維、多任務(wù)的操控以及人機(jī)協(xié)同，顯著提高智能機(jī)器人、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的操控靈巧性。
技術(shù)簡介 人類利用手指可以完成快速、穩(wěn)健且靈活的操作任務(wù)，指尖被認(rèn)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?yàn)槿祟惢驒C(jī)器人提供強(qiáng)大的操作能力，即使對(duì)于行動(dòng)不便的人群，如殘疾人和老年人，也能通過指尖操控，靈巧地控制輪椅等生活設(shè)施。智能機(jī)器人對(duì)于多維力/力矩感知的需求尤為迫切，機(jī)器人在完成靈巧操作比如開瓶蓋時(shí)，不僅需要法向力的感知，還需要切向力的感知。當(dāng)前的六維力/力矩傳感器存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝繁瑣、體積較大、柔性程度不足等問題，限制了六維力/力矩傳感器的廣泛應(yīng)用，尤其是在指尖靈巧操作上的應(yīng)用。 針對(duì)以上問題，清華大學(xué)精儀系朱榮教授團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小（指尖大小）、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感知柔性壓熱材料的空間應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)六維力/力矩的寬量程、高精度的柔性感知。團(tuán)隊(duì)將傳感器用于機(jī)器人靈巧手的指端，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的精細(xì)操作，并將傳感器用于人類指尖，可以實(shí)現(xiàn)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，可以通過指尖操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、人機(jī)協(xié)作的物品抓取及收納等復(fù)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(yīng)用 技術(shù)先進(jìn)性 柔性傳感器采用緊湊的疊層設(shè)計(jì)，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(yīng)變，被分布于上層和下層的薄膜熱敏電阻檢測(cè)。由此，利用簡單的熱敏檢測(cè)結(jié)合壓熱效應(yīng)，即可感知空間應(yīng)變，最終實(shí)現(xiàn)六維力/力矩的精準(zhǔn)感知。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、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，柔性傳感器通過了十萬次重復(fù)性測(cè)試仍然保持穩(wěn)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(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)（圖2）。 技術(shù)應(yīng)用 多維力傳感器可安置于機(jī)器人的靈巧手指尖，傳感器幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了藥瓶安全鎖瓶蓋開啟過程的多維力感知（圖3），從而協(xié)助機(jī)器人靈巧操作各類物品。多維力/力矩傳感器用于人手的指尖，通過手指的輕輕觸碰，即可實(shí)現(xiàn)虛擬游戲中多維運(yùn)動(dòng)、多項(xiàng)任務(wù)的快速、精準(zhǔn)操控，大幅提高了游戲操控的快速性、靈活性和準(zhǔn)確性，顛覆了傳統(tǒng)游戲遙桿和游戲鍵盤操作不靈活的局限。 圖3. 六維力/力矩傳感器用于機(jī)器人手，開啟帶安全鎖的瓶蓋；用于人手指尖，快速、靈巧地操控游戲的多維運(yùn)動(dòng)和多項(xiàng)任務(wù) 六維力/力矩傳感器還可用于行動(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，通過輕輕地指尖觸碰，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)器人的機(jī)械臂和機(jī)械手的多維運(yùn)動(dòng)操控，由此，可以利用簡單靈活的指尖操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)器人的完全控制，可操控機(jī)器人完成物品的拾取、收納和搬運(yùn)，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，通過指尖輕觸，控制機(jī)器人完成家政服務(wù) 該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(qiáng)了指尖靈巧操作的能力。隨著技術(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(jī)器人、工業(yè)制造、家庭服務(wù)、助老助殘等領(lǐng)域的長足發(fā)展。 成本與制造優(yōu)勢(shì)：簡單工藝（如橡膠壓熱材料層壓）降低生產(chǎn)復(fù)雜度，觸覺傳感手指成本百元級(jí)，遠(yuǎn)低于進(jìn)口產(chǎn)品，利于大規(guī)模量產(chǎn)。 市場(chǎng)定位精準(zhǔn)：目標(biāo)用戶為科研單位、人形機(jī)器人企業(yè)（如家庭機(jī)器人安全防護(hù)）、靈巧手夾爪企業(yè)，預(yù)計(jì)2025年底實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。 產(chǎn)業(yè)鏈整合：結(jié)合視觸融合解決方案，擴(kuò)展至工業(yè)產(chǎn)線機(jī)器人，提升商業(yè)化彈性。 該研究的完成單位為清華大學(xué)精密儀器系、精密測(cè)試技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，精儀系2021級(jí)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(qiáng)、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(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。