可穿戴式力传感系统推动机器人感知能力升级
在科技不断进步的推动下，各种类型的力传感器被广泛研发，以满足不同应用场合下对力学参数的精准测量需求。随着市场对智能设备需求的增长，可穿戴电子设备的应用场景已超越人体监测领域，如运动科学，逐渐渗透至机器人行业。将相关传感器系统集成至特定平台，已成为行业发展的必然趋势，同时也凸显了微型化与模块化设计的关键作用。
据麦姆斯咨询报道，国立清华大学的科研团队近日推出了一款基于柔性材料与结构的电容式力传感系统。该系统不仅将整体硬件体积缩减了87%，还实现了接口的微型化，并增强了信号处理模块中力-电容转换过程的稳定性，以适应可穿戴形态的机器人应用场景。该系统主要由力传感器、信号采集集成电路（IC）、微控制器单元（MCU）、蓝牙IC和锂聚合物电池等构成。传感器部分采用高分子材料与弹性体制成，可通过腕表式传输端口与主机连接，从而实现实时无线信号采集与分析。
初步测试结果显示，该系统在响应精度方面具有良好的容差（小于2%），短期和长期运行的稳定性表现优异，变化率控制在5%以内，重复性线性决定系数达到0.9975。其腕表式设计在实际部署中展现了显著优势，模块化架构兼顾了创新性与实用性，为传统机器人提供了功能扩展的可能性。该研究成果以“Miniaturized and Modularized Wearable Force Sensing System for Functionality Expansion on Existing Robots”为题发表于《Advanced Sensor Research》期刊。
该电容式力传感器由五个独立的电容单元构成，形成紧凑型传感结构。其中，中央电容单元（C5）负责对法向力进行响应。传感器采用柔性材料制造，可与复杂曲面良好贴合，且在多次负载情况下仍能保持结构完整性。从上至下，器件结构依次为：188 µm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层，提供结构支撑和柔性；100 nm厚的溅射银（Ag）上电极层，确保良好的导电性；50 µm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层，兼具介电性能与高弹性；100 nm厚的Ag下电极层，结构对称；以及188 µm厚的下层PET衬底，保障结构稳定性。
图1 电容式力传感单元的结构示意图
传感器的制造过程经过精密控制，涵盖电极图案化、介电层成型和模块化组装等关键步骤。这些工艺不仅确保了器件的几何与结构精度，也提升了其机械鲁棒性和可重复性。
图2 所制备的4 × 4电容传感器阵列边缘和角落电极放大视图及比例标注
为了实现电容信号的实时采集，研究团队采用了电容-数字转换器，并通过I2C协议与微控制器单元（MCU）进行串行通信。传感器数据经MCU内的蓝牙低功耗（BLE）功能上传至计算机，经数据库比对后，在图形用户界面（GUI）上展示（如图3）。
图3 传输端口中传感单元与控制模块的架构及其与数据库、算法和GUI的交互关系
图4 相关模块集成在PCB上的俯视图及尺寸标注，该结构在图3控制模块中亦有呈现。
为满足机器人对集成器件轻量化和紧凑性要求，研究团队提出将PCB与电池垂直堆叠的设计策略，并设计出一款矩形腕表式外壳（如图5b）。此外，外壳两侧设有插槽，可兼容市售的Apple Watch腕带（如图5c和图5d），便于快速适配。
图5 腕表式可穿戴力传感系统的实物展示
该力传感模块专为可穿戴机器人设计，研究人员搭建了实验平台来模拟实际应用场景。实验中，传感器被安装在机械夹具的夹持端（如图6），通过程序控制夹具向目标物体靠近，并逐步加大夹持力以完成抓取操作。目标物体由粉末冶金制成，质地较为脆弱，对控制精度提出了较高要求。
图6 实验装置示意图：搭载可穿戴力传感单元的机械夹具、腕表式传输端口及与无线计算机的连接
该研究借助市售组件，提出了一种满足机器人感知需求的微型化可穿戴力传感方案，融合了信号稳定性、时间效率、成本优势与操作便捷性。该系统不仅有助于现有机器人提升辅助能力，还体现了模块化设计的核心价值。对于供应商而言，传感器模块可作为消耗品，而传输端口可视为耐用品，便于实现版本迭代和成本控制。对于用户而言，模块化架构显著降低了维护复杂度和预算压力。同时，系统数据库具备固件特性，可通过升级适配不同动态检测窗口和传感器类型，无需重构整体流程，这亦可作为增值服务的推广方向。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adsr.202500147
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