A Compact PCB-Integrated Inductive Six-Axis Force/Torque Sensor

Hyunbin Kim

doi:10.1109/JSEN.2026.3683368

A Compact PCB-Integrated Inductive Six-Axis Force/Torque Sensor

2026-04-17

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DOI：10.1109/JSEN.2026.3683368

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本文提出了一种基于电感位移测量的紧凑型六轴力/力矩（F/T）传感器，实现了传感与电子电路的全PCB集成。通过共设计柔性结构和导电目标板，并结合多层平面及垂直线圈，使每个力/力矩分量产生独特的电感响应。有限元分析得到6×6刚度矩阵，指导柔性结构几何设计，最终得到直径85 mm、高度36 mm的传感器，力测量范围为±890 N（Fx、Fy）、±1435 N（Fz），力矩测量范围为±27 N·m（Tx、Ty）和±45 N·m（Tz）。线圈阵列通过电感-数字转换器（LDC）和微控制器与同一PCB接口，经由控制器局域网灵活数据速率（CAN-FD）接口实现最高4 kHz的实时F/T估计，无需外部数据采集硬件。实验识别了六通道电感读数与施加力/力矩的非线性映射关系。比较了多种候选模型，包括线性、多项式、Sigmoid、高斯和有理函数模型；约束有理模型仅用五个参数即可实现最低拟合误差（均方根误差RMSE 0.0009，线性误差0.11%），并被用于标定。与商用六轴F/T传感器进行的静态实验表明，力方向最大满量程误差为0.64%，力矩方向为0.75%，交叉轴耦合低，量化级数高达55 351级。跌落冲击测试显示，传感器在1–200 Hz范围内可靠跟踪参考传感器，平均相干性为0.963。在无刷直流电机/逆变器及Wi-Fi/射频干扰下，归一化噪声增量分别低于4%和15.1%，表明所提出的电感平台能够保持稳定的嵌入式机器人关节和末端执行器传感性能。

Keyword:

Calibration

force/torque (F/T) sensors

inductive sensors

robotic sensors

A Compact PCB-Integrated Inductive Six-Axis Force/Torque Sensor

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