3D磁力触觉传感器助力机器人实现智能抓取
由芝能科技发布
在机器人执行高精度抓取任务时，触觉感知的缺失一直是一个关键挑战。尽管视觉系统在识别物体形状方面表现优异，但在接触瞬间无法精准判断力的方向、大小以及滑移风险。这一限制削弱了机器人在处理柔性材料、精密组件及动态交互中的能力，也使得“类人操控”长期停留在实验室阶段。
3D磁力触觉传感器的出现，为解决这一难题提供了新的技术路径。通过创新的结构设计、标准化封装、注塑成型与半导体级的制造工艺，该传感器有效应对了传统磁力触觉传感器难以批量生产、性能不稳定、依赖人工校准等核心问题。
从力学结构、磁体选型、弹性体制备、电子集成到批量制造的可重复性，3D磁力触觉传感器在滑移检测和智能夹具应用中展现出独特优势。其技术路线在与压阻式、光学式及传统磁力式等主流触觉方案的对比中，逐渐形成清晰的竞争格局。
3D磁力触觉传感器的工作原理与创新设计
机器人触觉感知的核心在于如何在有限空间内，以高频率和高精度的方式稳定地检测三维力。磁力式传感器在体积小、成本低、支持3D力检测等方面具有天然优势，但其手工装配的局限性也导致磁体定位误差大、封装不一致，从而影响重复性和规模化生产。
为提升制造一致性与可靠性，新传感器从封装阶段便引入“可量产”理念。采用TSSOP16标准封装，整体尺寸仅5×4mm2，内部集成两颗CMOS芯片，每颗芯片包含四个3D磁像素，呈正方形阵列布局。
这一设计并非简单的组件堆叠，而是将磁体、弹性体、封装壳体与磁力计作为一个整体系统进行工程化设计。关键创新在于彻底替代传统手工嵌磁工艺，采用钐钴（SmCo）磁体，结合注塑成型工艺将磁体嵌入弹性体结构，并通过半导体级贴装技术将其固定在封装顶部。
钐钴磁体具有高达1T的剩磁强度和350℃的工作温度上限，能够有效适应弹性体固化过程中的热应力。其高热稳定性也避免了复杂的温度补偿机制，从而提高输出一致性。
弹性体采用注塑成型，使尺寸偏差控制在20μm以内，大幅优于手工灌胶方式带来的随机误差。磁体下方引入的气腔结构则在不牺牲硬度的前提下提升了灵敏度，通过改变局部刚度，使传感器在低力范围内能捕捉更细微的变化。
气腔的深度与面积可根据应用场景灵活调整，制造精度可达100μm级别，从而形成适用于机器人夹指、末端执行器和柔性手指等多样化的传感器变体。
为增强结构强度，传感器在制造过程中引入等离子体表面活化工艺，使弹性体与壳体的结合强度超过10N，较常规工艺提升五倍以上。这一改进显著提高了传感器在高频率抓取、撞击与重复使用场景下的稳定性与寿命。
在电子实现方面，传感器基于MLX90423磁力计，可输出12路原始磁场数据。调试模式下支持像素级三维磁矢量读取，便于建立力的多项式回归模型。尽管当前受限于串行通信协议，更新频率为50Hz，但通过优化接口设计，有望提升至1kHz，接近刚性压阻式传感器。
为抑制外部磁场干扰，传感器采用四像素差分设计，通过均值减法消除共模噪声。这意味着无需额外屏蔽结构，也能在工业环境中抵御马达、电磁阀等设备的磁场影响。片上集成的温度传感器进一步优化了温漂补偿机制，确保在高温工况下仍能稳定输出。
迈向机器人智能化抓取的关键一步
3D磁力触觉传感器在尺寸、响应速度、重复性与抗干扰能力等方面表现出色，使其在机器人抓取、精密操作和滑移检测中具备显著优势。其紧凑的设计（5mm × 4.4mm × 4.6mm）与多数3D力传感器相比体积最小，兼容性高，且比基于视觉的触觉方案体积小近四倍。
传感器的小型化不仅便于贴合机械爪指尖，还可布置成阵列，以提升触觉分辨率，为多点力场重建与复杂接触识别提供支持。
在力学性能方面，传感器的法向检测范围可达5N，剪切力检测范围±1.5N，覆盖了工业抓取中的常见力区间。其噪声水平仅0.75mN，较早期磁力原型提升4倍，能够精准捕捉微小接触变化，对滑移预警尤为关键。
实验数据显示，在经历30万次压缩循环后，传感器的机械和电学性能未发生退化，批量样品中弹性体与磁体的高度偏差分别控制在18μm和14μm以内，充分验证了工艺的稳定性与可重复性。
值得一提的是，多颗传感器可共享同一校准参数，实现“盲校准”，将校准时间从数小时压缩至几分钟，从而显著降低量产成本。
在滑移检测实验中，传感器集成于Schunk EGI-040夹具，启用5kHz高速采样模式，成功捕捉到物体滑移前的微小振动信号。滑移从微动到完全脱离之间约有400ms的预警时间，足够机器人通过闭环控制提升夹持力，避免物体掉落。
传感器对剪切力的高灵敏度，使其能清晰反映摩擦极限现象，为自动抓取稳定性提供数据支撑。
与现有触觉技术相比，该传感器的性能接近刚性压阻式，但具备3D力感知能力，体积小、可规模化生产；相较光学式方案，其封装更坚固、无需复杂光学处理；相较传统磁力式，则在抗干扰、更新率与制造一致性方面更具优势。
随着人工智能推动机器人从编程控制向自适应控制演进，触觉感知正由“可选”变为“必备”。无论是电商分拣、柔性材料处理，还是电子制造中的精密插装，机器人对“抓得准、抓得稳、不损坏”的要求愈发严格。
总结
3D磁力触觉传感器通过注塑成型与半导体封装工艺替代手工装配，从根本上解决了磁力触觉传感器难以量产的行业难题。其创新设计包括气腔结构、钐钴磁体、四像素差分、共模抑制与温漂补偿机制，实现了高精度、稳定的三维力检测。
在批量一致性、耐久性、尺寸精度方面，该传感器已接近成熟工业传感器标准。在滑移检测中展现出的微弱信号捕捉能力，为机器人闭环控制与安全抓取提供了坚实基础。
原文标题：机器人如何进行智能化抓取：3D磁力触觉传感器技术分析