机器人如何进行智能化抓取：3D磁力触觉传感器技术分析

芝能科技出品

机器人在执行高精度抓取时，始终面临触觉缺失的问题，依靠视觉系统，即便算法再强，也无法在接触瞬间判断力的方向、大小与滑移风险。这限制了机器手在柔性材料、精密组件和动态交互场景中的性能，使得“类人操控”长期停留在实验室阶段。

3D磁力触觉传感器进行分析，如何通过创新架构、标准化封装、注塑成型与半导体级组装工艺，解决传统磁力式触觉传感器无法大规模生产、性能不一致、需要人工校准等根本性痛点。

从力学结构设计、磁体选择、弹性体工艺、电子实现，到批量制造的可重复性验证，在机器人滑移检测和智能夹具中，分析其与压阻式、光学式和传统磁力式等主流触觉方案的技术竞争格局。

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3D磁力触觉传感器

机器人触觉问题的本质，是如何在极小空间内以足够高的频率可靠感知三维力。

磁力式触觉传感器具有体积小、成本低、可检测3D力的天然优势，但其决定性弱点也十分突出：磁体与弹性体往往依靠手工装配，磁体的定位误差、固化过程中的收缩不均、封装不一致等因素导致重复性差，不适合规模化制造。

机器人产业要想真正普及触觉，必须解决一致性、可靠性和成本问题。这也是本文技术的核心价值所在。

新传感器的设计从封装层级便开始围绕“可量产”构建，采用TSSOP16封装，整体尺寸仅5×4mm²，内部包含两个独立CMOS芯片，芯片中布置四个3D磁像素，呈正方形矩阵排列。

这种布局看似简单，但为后续的差分解耦、共模磁场抑制、剪切力平衡感知奠定了基础。其关键创新并不在单一组件，而是完整地将磁体、弹性体、封装壳体与磁力计作为一个可控制造“系统”进行工程化设计。

最大的改变是传统手工嵌入磁体的工艺被完全替代。

新方案采用钐钴（Sm₂Co₁₇）磁体，通过注塑成型工艺将磁体嵌入弹性体结构中，再利用半导体级的标准化贴装方法直接将该磁体-弹性体单元固定在传感器封装顶部。

钐钴磁体的选择并非偶然，它的剩磁高达1T，且工作温度可达350℃，能够承受弹性体固化时的热加工过程。其热稳定性也使传感器在无需复杂补偿的情况下保持输出一致性。

同时，弹性体采用注塑成型，这意味着几何尺寸偏差可以控制在20μm量级，远远优于手工灌胶的随机性。

为了在不降低机械硬度的前提下提升灵敏度，设计团队在磁体下方引入了气腔结构。

气腔并非为空间而空间，而是通过改变局部的结构刚度，使磁体能在低力范围内获得更高的位移灵敏度。

该结构可根据应用需求调整深度和面积，且其加工精度可控制在100μm级别，从而形成不同力范围的产品变体，为机器人夹指、末端执行器、柔性手指等多种场景提供优化方案。

制造一致性是工业化的基础。

为提高弹性体与壳体的结合质量，传感器采用等离子体处理进行表面活化，最终剪切强度超过10N，比常规工艺高出5倍以上。

这意味着在机器人多次开合、重复抓取、撞击冲击的真实应用中，传感器结构不易脱层或性能漂移，显著提升寿命。

在电子实现层面，传感器基于MLX90423磁力计，内部可输出12路原始磁分量数据。

在调试模式下，每个像素的三维磁矢量可被直接读取，便于建立对力的多项式回归模型。实际原型受限于串行协议，目前更新率为50Hz，但已确认在重新设计数据接口后更新率可提升至1kHz级别。

这一更新率接近刚性压阻式传感器，使磁力式方案从“低速方案”跃升至“实时触觉”的可行形态。

力计算模型中，差分设计是抑制杂散磁场干扰的关键所在。

四像素的均值减法可消除来自外部磁场的共模干扰，这让传感器不需要加装额外屏蔽结构，也无需在机器人环境中担心马达、电磁阀等工业设备产生的磁场影响。

片上的温度传感器进一步配合回归模型实现温漂补偿，使传感器可在高温工况下稳定输出。

这种从入射信号、结构设计到算法校正的全链路抵抗干扰策略，使其比传统磁力传感器在工业环境中具备更强的实际部署价值。

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走向机器人抓取智能化

的关键一跳

传感器展现出与市场现有触觉方案截然不同的综合性能组合，这使其在机器人抓取、精密操作和滑移检测中具有明显价值。其最突出优势来自尺寸、响应速度、重复性以及抗干扰能力四个维度的协同。

从体积来看，整体尺寸仅5mm×4.4mm×4.6mm，是目前多数3D力传感器中最小的之一，与标准工业夹具和机器人手指的尺寸兼容性极高，比视觉基触觉方案小近四倍。

由于体积压缩，传感器不仅可贴合机械爪的指尖，还可以布置成阵列以提升触觉分辨率，为多点力场重建、复杂接触模式识别提供可能。

在力学性能上，传感器的法向量程可达5N，剪切力检测范围在±1.5N，覆盖了大部分工业抓取动作的常用区间。噪声下限仅0.75mN，较此前磁力原型提升四倍，使其能够捕捉微小的接触变化，这对“初始滑移检测”至关重要。

实验显示，在持续进行30万次压缩循环后，传感器的机械和电学性能均无退化，批量制造样品的弹性体高度偏差仅为18μm，模塑磁体的高度偏差为14μm，这一数据充分验证了规模化注塑与标准化封装工艺的可重复性。

更重要的是，多颗传感器可共享同一校准系数，实现所谓“盲校准”，校准时间从数小时缩短到几分钟，大幅降低了量产成本。

滑移检测是机器人触觉系统最常用、也最能体现触觉价值的功能之一，传感器被集成于Schunk EGI-040机器人夹具，并启用5kHz的高速采样模式，成功捕捉到物体发生滑移前的微小振动信号。

滑移行为从初始微动到完全掉落之间约有400毫秒的预警时间，足以让机器人通过闭环控制提升夹持力，从而防止掉落。

在实际力学关系中，剪切力随负载增加线性增长，当法向力不足时剪切力下降，这是典型的摩擦极限现象。传感器的高灵敏度让这些变化清晰可见，说明其完全可用于自动稳定抓取。

在技术对比中，传感器的定位十分清晰：性能接近刚性压阻式传感器，但多了3D力感知能力，同时保持了小体积和可规模化生产的优势。

相比光学式触觉方案，其体积小了近4倍，成本更低，封装更坚固，不需要复杂的光学器件和图像处理。但相比压阻式方案，具备对剪切力的天然敏感性，是影响抓取稳定性的关键物理信号。

与传统磁力方案相比，其抗杂散磁场能力更强，更新率更高，且制造一致性从根本上得到解决，可称为“下一代工业磁力触觉”的雏形。

AI推动机器人从传统编程控制向自适应自主控制迈进，触觉将不再是可选项，而是标配组件。

无论是仓储分拣中的异形物体抓取、电商小件包裹装配、柔性材料处理，抑或是电子制造领域的精密插装作业，机器人都面临着“抓稳、抓准、不损伤”的刚性需求。

小结

3D磁力触觉传感器以注塑成型与半导体封装工艺替代手工装配，从根源上解决了磁力触觉难以量产的行业痛点；通过气腔结构、钐钴磁体、四像素差分、抗杂散磁场与温度补偿等设计，实现稳定可靠的3D力检测；在批量一致性、耐久性、尺寸精度上的表现接近成熟的工业传感器；在滑移检测中展现出对微弱信号的捕捉能力，为机器人闭环力控和安全抓取奠定基础。