基于磁感应式柔性触觉传感器的三维接触力测量及力控抓取研究

来源：上海理工大学学报杂志2025年第5期北京时间：

作者：许俊豪，罗宇轩，申慧敏，杨丽红，李炳初，甘屹

单位：上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093

摘要：三维接触力感知对机器人灵巧操作和人机交互至关重要，但现有触觉传感器多局限于单维力测量，难以满足复杂交互需求。针对这一问题，设计了一种基于磁感应的柔性触觉传感器（MFFTS），能够实现高精度的三维接触力测量，并对其接触力反馈的抓取控制策略进行探索。通过有限元仿真对比6种柔性基底结构对其灵敏度的影响，结果表明，空心金字塔型结构展现出最优的综合性能，其法向灵敏度达到 1183 μT/N，切向灵敏度为113.10 μT/N。选用空心金字塔作为MFFTS结构，并研究其多维接触力解耦估计问题，通过磁-固耦合仿真揭示不同方向接触力对MFFTS输出的耦合影响，利用反向传播神经网络（BPNN）构建三维接触力解耦估计方法，对比了BPNN的实际值与估计值，验证其三维接触力测量精度。测试数据显示，该方法的法向力和切向力平均绝对误差分别为0.4049 N和 0.1111 N，均方根误差分别为0.5112 N和0.1531 N。将MFFTS部署于机械夹持器表面以进行力控抓取，构建了基于多维接触力反馈的抓取控制框架。实验表明，MFFTS可实时反映抓取过程中夹持器与抓取物的接触状态，有助于提升抓取稳定性。MFFTS结构简单，易于制备，为机器人系统大规模集成三维接触力传感器提供了探索方向。

关键词：触觉传感器;磁感应式;三维接触力;力反馈;抓取控制

基金资助：国家自然科学基金资助项目（51935007, 52205063）