柔性力传感器已广泛应用于机器人的目标探测、远程控制和人机交互等领域，研制精确测量法向力和切向力的三维力传感器对提高机器人触觉检测能力具有重要意义。当前大多数三轴力传感器依靠多个元件之间的信号分析来实现力分量，这可能需要大量的引线，限制了力角传感性能。基于以上背景，浙江大学触觉感知与微制造实验室金杰博士生提出了一种基于新型三维力重构方法的集中式柔性力传感器，可用于任意力分量的检测，并具有较高的切向角检测分辨率。相关成果发表在Advanced Intelligent Systems期刊上，题为“A Novel Flexible Centralized Force Sensor Based on Tri-Axis Force Refactoring Method for Arbitrary Force Components Measurement”。该论文研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、浙江省重点研发计划等项目的资助。

集中式柔性力传感器的分层结构主要如图1所示。传感器单元直径10 mm，主要由4层结构组成，即：顶部凸台、顶部功能层、中间圆形支撑和底部功能层。顶部凸台用于传导外部力；顶部功能层中间为上电容极板，周围为一个带缺口的环形电阻，二者均由电极线引出；中间圆形支撑用于传导外部力并产生相应运动；底部功能层主要包含中间的一个凸台电极。其中，底部功能层的凸台电极首先与顶部功能层中间的电容极板构成平行板电容，也可以与顶部功能层外围的环形电阻构成一个初始断开的电阻电路。

图1 传感器结构示意图

集中式柔性力传感器的主要工作原理如图2所示。任意三维力都可以分解为一个法向力和一个切向力，其中切向力又可以用大小和方向角两个量来表示。当传感器受到法向力作用时，平行板电容极板间距减小，测得的电容值增大。当传感器受到切向力作用时，环形电阻与凸台电极相接触而构成电阻电路，由于环形电阻的阻值随长度增加而增大，测得的初始电阻值随切向角的变化而变化。随着切向力的进一步增大，二者接触线长度增大，接入电路的有效线性阻值减小、接触电阻减小，其减小量与切向力大小密切相关。因此，传感器可以通过电容值表征法向力，并通过电阻值及其变化量同时表征切向力大小及方向，实现三维力检测。

图2 传感器三维力检测原理示意图

集中式柔性力传感器对法向力和切向力的标定测试结果分别如图3和图4所示。传感器法向力灵敏度约0.057 N⁻¹，检测范围可达12 N，且具有较好的幅值频率稳定性、可重复性和较快的动态响应性能。传感器切向力大小检测灵敏度可分解为两段，检测范围为0.5-0.67N，具有较好的幅值稳定性。当受法向力作用时，切向力检测范围会产生一定的偏移，需要结合具体标定数据进行补偿。传感器切向角阻值呈现线性变化，检测灵敏度约4.81Ω/°，最小偏差对应的切向角分辨率约7.8°，具有一定的先进性。

图3 传感器法向力标定测试结果

图4 传感器切向力标定测试结果

将集中式柔性力传感器装载于机械爪末端开展物体抓取应用实验，其结果如图5所示。当旋转机械臂角度时，物块重力对传感器产生一个方向变化的切向力，传感器信号可以较好地反映出当前的切向力方向，法向力信号也始终较好地表征了当前机械爪的抓取力大小。

图5 传感器机械爪装载应用

总的来说，本工作提出一种新的三维力重构方法，并通过一种集中式的结构设计实现三维力的准确检测，简化了三维力传感器的结构和检测电路，在机器人手操作中具有一定的应用前景。但也不能否认，传感器在切向力检测，尤其是切向力范围性能检测上具有一定的提升空间，关于该传感器的性能优化设计在未来有待进一步研究。