科学家设计三维力自解耦触觉传感器，将数据采集流程“化繁为简”，可用于测量机器人力分布

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然而，实现三维力的测量和自解耦并非易事。这需要设计出特定的磁化方式，来构建出具有自解耦性质的三维磁场分布：当在某个方向施加力的时侯，另外两个方向的传感器输出与该方向没有耦合。

传统的触觉传感器（如基于压阻或电容的传感器）通常只能测量压力（一维信息），若测量切向力或三维力，则必须依赖复杂的传感器结构，或采用繁琐的标定方法进行解耦。举例来说，假设在每个方向取 10 个标定点，传统方法的标定次数高达 10³（10×10×10 次）。

为解决上述问题，该课题组提出了一种创新的思路：基于三维磁场信息，通过优化磁膜设计，使传感器的输出在三个方向上实现天然解耦。

这一设计使得标定流程显著简化——每个方向可独立进行，而另外两个方向不受影响，标定次数为 30 次（10+10+10 次），与此前的 10³ 相比大大降低了校准复杂度。

也就是说， 新型触觉传感器用简单的结构和标定流程，就能够达到传统传感器需要复杂结构和标定才能实现的测量精度（三维自解耦测量误差在 5% 以内）。

图丨传感器的结构与原理（来源： Nature Machine Intelligence ）

这种触觉传感器采用类似“三明治 ”的三层结构，从上至下分别是磁膜、弹性硅胶层和霍尔传感器（如上图）。

最上层是传感器的核心部件磁膜，用来提供特殊磁场分布。研究人员采用 Halbach 结构和正交叠加的方式，利用磁场的三维信息实现了三维力信息的解耦，这也是这项研究的核心优势。

“普通的磁化方式无法实现自解耦效果，而我们发现正弦磁化的 Halbach 阵列具有天然解耦的磁场性质，将其正交叠加后能够实现三维力自解耦所需的磁场分布。 ”闫友璨说。

图丨Halbach 阵列的磁场正交叠加（来源： Nature Machine Intelligence ）

中间层是弹性硅胶层，它的作用是通过改变其厚度、硬度或弹性模量，灵活调整传感器的测量范围和灵敏度。最下层是安装在印刷电路板（PCB，Printed Circuit Board）的霍尔传感器，用来测量三维磁通量变化。

那么，这种触觉传感器的结构是如何协同工作的呢？

当外力直接作用在传感器表面时，磁膜会发生变形，进而引起磁场发生变化。霍尔传感器通过测量磁场的变化，反向推算出自身变形的程度，进而进一步推算出施加的力的大小。

尽管磁场设计是关键，但能否通过简易工艺实现同样至关重要。为此，研究团队与香港大学 潘佳 教授合作，结合理论推导、仿真模拟与实验数据对比，验证了该方案的可行性。

此外，这种三层结构具备高度可扩展性，设计者可通过调整参数（如硅胶硬度或磁膜特性）灵活定制传感器的灵敏度与测量范围，以满足不同应用场景的需求。

可应用于测量三维力分布和机器人示教等领域

闫友璨指出，该技术目前最直观的应用场景是在机器人的抓取与操作、医疗与健康监测等领域。在这项研究中，研究人员在三个方面展示了该技术的应用潜力。

·测量人工膝关节的三维力分布：

尽管现有基于视觉的触觉传感器可以测量高精度的三维力分布，但由于它们的体积较大（需内置摄像头）、传感面积相对较小，难以集成到膝关节实现大面积触觉传感。基于压阻或电容等原理的其他传感器通常只能测量压力，也无法方便实现膝关节三维力分布的测量，而该技术弥补了现有传感器的不足。

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