生活中，人类能够轻而易举地完成许多动作：用指尖捏起一片薄脆的薯片，将钢笔精准地插入笔帽，把满满一杯水稳稳搁在桌面，又或是拼装一块精巧的乐高积木。然而，这些人类习以为常的“本能”，对当今的机器人来说，却依然是充满挑战的复杂任务。人类双手之所以能灵活自如地执行这些精细操作，背后离不开手指皮肤与关节内那套极其精密的多模态触觉与多维力感知系统。

为了赋予机器人如人类般灵巧的“指尖触觉”，近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院王洪波研究员课题组带来了一项重要突破。他们成功研制出一种名为“OriCube”的指尖大小全集成六维力/力矩（F/T）传感器。

中国科大指尖六维力OriCube与ATI Nano17尺寸对比

该项研究工作得到了国家自然科学基金项目（52275579）、中科院引才计划青年项目、中国科学技术大学高层次人才引进计划、安徽省科技攻坚计划重大项目（202423h08050003）、人形机器人研究院重点项目以及中央高校基本业务费的支持。

这款传感器体积仅有14 × 14 × 12 mm³、重量仅为4 g，却具有突出的触觉感知能力：它在23 N的量程下，成功实现了3 mN级的分辨率！当它被嵌入机器人的灵巧手指尖时，即使面对复杂的曲面接触，也能实时输出精准的接触点位置和力大小与方向信息。这一成果，为机器人真正实现“像人一样用手指触摸与灵巧操作”提供了核心感知能力。相关成果以 “A Fingertip-Size Six-Axis Force Sensor via Origami Coil Arrays for Intrinsic Tactile Sensing” 为题，发表在机电一体化领域国际学术期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics上。

让机器人知道“摸到了哪里，用了多大力”

目前，许多主流的机器人触觉方案都依赖“电子皮肤”或阵列式传感器——这就像在机器人的体表铺上一层密集的“触觉神经元”。这类方案虽然能提供丰富的接触信息，但在实际应用中却面临诸多挑战：布线极其复杂、数据处理量庞大、难以完美贴合曲面指尖，且表面传感器易在频繁接触摩擦中损坏。

面对这些挑战，研究团队巧妙地转换了思路：与其在表面“贴膜”，不如在内部“装芯”。团队摒弃了将触觉单元密集铺满指尖表面的传统做法，而是将一颗微小的六维力/力矩传感器（OriCube）直接嵌入机器人灵巧手的指尖内部。 这样一来，当外部物体触碰指尖时，这颗内部的“感知大脑”能够捕捉到指尖内部产生的微小受力变化；随后，结合指尖的三维几何模型，算法就能瞬间“反推”出精准的接触点位置与接触力矢量（方向与大小）。

这种让机器人通过“内部受力变化”来精确判断外部接触状态的方法，在学术界被称为——内生触觉感知（Intrinsic Tactile Sensing），为真实世界中的机器人指尖触觉感知提供了一种极具潜力的解决方案。

基于指尖六维力传感器的内生触觉感知

“折纸”线圈：把三维感知塞进灵巧手指尖

OriCube的核心设计之一，是折纸式三维线圈阵列。研究团队利用柔性电路板制造平面线圈，再像折纸一样将其折叠成三维结构，使多个线圈能够在很小空间内围绕金属外壳布置。当机器人指尖受到外力时，内部金属结构会产生极其微小的位移和转动。线圈通过电涡流效应感知这些变化，从而判断外界力和力矩的大小与方向。简单来说，它就像在指尖内部安装了一套“微小位移放大镜”，能够把肉眼看不见的结构变形转化为可测量的电信号。同时，OriCube还采用了模块化硅胶微弹簧结构。外界施加到指尖上的力，会先让这些微弹簧发生形变，再带动内部结构产生微小运动。通过调节不同方向的弹性设计，传感器可以在灵敏度和量程之间取得平衡，既能感知轻微触碰，也能承受较大的接触冲击。

六维力传感器结构设计

小体积高性能：六维力感知能力验证

测试结果表明，OriCube在指尖尺寸、低功耗和高鲁棒性约束下，仍然实现了较好的六维力感知性能。该传感器功耗约45 mW，最大测量误差小于2%，最大轴间串扰约2.24%，并且在6小时连续工作中保持较小漂移。更重要的是，它不仅能够感知羽毛轻触这类微弱接触，也能够承受锤击带来的瞬时冲击脉冲。这意味着该传感器既适合精细操作场景，也具有一定的复杂环境适应能力。对于机器人而言，这类触觉传感器可以帮助其在抓取、搬运、装配和人机交互过程中更稳定地判断接触状态。

六维力传感器性能测试结果

嵌入仿生指尖：实现曲面触觉实时感知

团队将OriCube嵌入三维打印仿生指尖结构，结合 ITS 方法在指尖曲面上实现了实时触觉感知，可同时估计接触位置与接触力矢量。实验结果展示该触觉感知方法所提供的结果与外部参考力传感器匹配良好。该工作提供了一种低成本、高鲁棒性、易集成的灵巧手触觉感知新方案，可为机器人在不确定环境下的灵巧复杂操作提供关键的触觉感知信息。未来，研究团队将面向机器人灵巧手应用，推动OriCube在灵巧手指尖中的集成与验证。通过将指尖大小六维力/力矩传感器嵌入灵巧手末端，机器人可在抓取和操作过程中实时获取接触位置、接触力方向与大小以及指尖受力状态，这将有助于机器人从“完成抓取”进一步走向“感知抓取”和“精细操作”。