《自然·通讯》(Nature Communications)发表的一项新设计将六轴力/力矩传感的复杂多传感器组件缩减为单个单片压电陶瓷外壳，消除了传统方法的复杂性、成本和故障点。
该传感器由中国研究人员开发，采用单片（一体式）压电陶瓷外壳，在施加力或力矩时发生形变。形变在陶瓷表面产生电荷，通过测量多个电极上的电荷分布模式，系统可分别解析施加负载的所有六个分量。
关键创新在于几何结构。多轴力/力矩传感器必须区分压缩、弯曲、扭转和剪切等不同形变模式，这些模式在真实物体承受任意载荷时会以复杂方式重叠。传统设计通过使用各自对准特定轴的独立传感元件，再通过计算组合其输出来应对这一问题。
单片外壳以相反方式解决了相同问题。它不是用多个传感器测量孤立的形变，而是用一个传感器测量完整的形变场，并通过外壳的几何形状和电极的定位实现解耦。压电效应（机械应力响应下产生电荷的现象）是线性和可重复的，这意味着施加力与测量电荷之间的关系可以一次校准后可靠使用。
重要性
六轴力/力矩传感器对于机器人操作至关重要。需要将销钉插入孔中、组装组件或与人类交互的机器人手臂必须同时感知其施加的力和阻碍其运动的力矩。当前一代传感器价格昂贵、体积庞大且机械结构复杂。
可作为单片陶瓷件制造的单片传感器在成本、尺寸和可靠性方面具有优势。无需管理装配公差，没有随时间降解的粘合剂，也没有独立传感元件之间的对准问题。传感器可以做得足够薄，直接集成到机器人关节或末端执行器中而不会增加显著体积。
该论文报告了高灵敏度和解耦精度，意味着传感器能以最小串扰区分沿X轴施加的力与沿Y轴施加的力。具体数值性能指标可在完整论文中查阅。
压电传感的物理原理
压电陶瓷材料在受到机械应变时产生电荷。电荷量取决于应变的大小和方向。通过在陶瓷外壳表面 patterning 多个电极并独立测量每个电极的电荷，研究人员从电响应的空间模式重构出完整的六分量力/力矩向量。
挑战在于施加负载与电荷分布之间的关系并不直观，它取决于外壳几何形状、材料特性、电极布局和边界条件。研究人员在制造器件前使用有限元建模优化了外壳形状和电极位置。
结果是一个通过其内在机械设计而非后处理或算法校正来实现性能的传感器。进行解耦的是物理结构，而非软件。
应用领域
除了机器人技术，单片六轴传感器在精密制造（需实时监测工具力）、虚拟现实和增强现实的触觉反馈系统、需测量与组织相互作用力的生物医学设备，以及重量和可靠性至上的航空航天领域具有潜在应用。
《自然·通讯》中的演示是实验室层面的概念验证。将其转化为商业可行的传感器需要扩大制造工艺规模、证明长期稳定性，并将传感器与标准机器人接口集成。但这一原理，单个成形的陶瓷片可以取代多组件组件，预示着为需要感知自身操作的下一代机器提供更简单、更便宜、更稳健的力传感路径。
婷 翻译