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可穿戴机器人需要紧凑型传感接口以监测通过附着绑带传递的力。本研究旨在将绑带紧固与力测量集成于轻量化带扣中，使绑带载荷的大小和方向能够在附着界面处被监测。所提出的带扣包含两个电容式传感单元和一种柔性结构（flexure structure），后者将施加载荷转换为
可穿戴机器人需要紧凑型传感接口以监测通过附着绑带传递的力。本研究旨在将绑带紧固与力测量集成于轻量化带扣中，使绑带载荷的大小和方向能够在附着界面处被监测。所提出的带扣包含两个电容式传感单元和一种柔性结构（flexure structure），后者将施加载荷转换为可测量的电容变化。它们的组合响应在带扣本体内提供双轴力传感。完整装置尺寸为64×45×10 mm，质量为34 g，包括其传感与信号处理电子器件。其力和角度范围分别为0–200 N和±8°。平均电容灵敏度为1.33 fF/N，力线性误差为输出满量程（full scale of output, FSO）的6.96%。在各自测试中，无力初始预载时力均方根误差（root-mean-square error, RMSE）为FSO的7.34%，在约18 N预载时为FSO的1.21–1.76%。验证角度RMSE为FSO的1.67%。力滞回和重复性分别为FSO的[原文数值未显示]和[原文数值未显示]。力和角度FSO值分别为[原文数值未显示]和[原文数值未显示]。估计带宽为[原文数值未显示]。所提出的设计为基于绑带的可穿戴机器人提供紧凑型传感接口。
论文主体解读
研究背景方面，可穿戴机器人和外骨骼通过物理附着界面向人体传递辅助作用，附着绑带所交换的载荷是评估人机交互的重要组成。现有力传感方案包括电阻式、电容式、光学式、磁式和气动式等，其安装与使用取决于待测载荷。已有研究显示，附着界面的力学行为与加载方向和界面构型有关，例如Schiebl et al.表征了上臂界面的非线性、方向相关刚度，Wang et al.发现膝关节外骨骼侧带与前後附着具有不同的准静态和动态刚度。因此，仅测标量张力不足以描述绑带附着处的局部载荷路径和方向。带扣本身已承担紧固和引导绑带、承载传递载荷的功能，是集成传感的有利位置；将力传感与带扣结合可减少额外串联传感单元及其安装件，同时保留紧固功能。该研究即针对这一需求，提出可同时监测绑带力大小和面内加载方向的传感器化带扣。
研究人员开展了带扣集成电容式力传感装置的设计、建模、制作与实验评估。装置以6061铝合金带扣本体承载绑带，中心折叠柔性结构将绑带拉伸转换为支柱与环形电极间相对位移，双侧电容传感单元输出随载荷变化；通过两通道联合校准和静力平衡关系重建等效单元载荷，进而估计轴向、横向力分量、总力和加载角。研究结论表明，该设计可在带扣形态内集成紧固、传感和信号处理，在0–200 N设计载荷范围内提供绑带力大小与面内方向估计，并支持低频穿戴力监测。其意义在于把测量位置直接放在绑带载荷路径和附着界面处，为基于绑带的可穿戴机器人提供紧凑传感接口。
关键方法概述（不超过250字）：作者设计并制作6061铝合金传感器化带扣，包含中心折叠柔性结构、双侧电容传感单元、微控制器单元（microcontroller unit, MCU）与柔性印刷电路板（flexible printed circuit board, FPCB），采用AD7147电容-数字转换器（capacitance-to-digital converter, CDC）采集信号；建立偏心圆柱电容模型和静力平衡重建模型；用SolidWorks 2020进行有限元分析（finite element analysis, FEA）比较刚度；以六轴力/扭矩参考传感器AFT200和绑带加载装置进行对齐与倾斜校准；用线性导轨开展重复性和循环频率响应测试，并与现有传感器比较。无样本队列来源。
研究结果如下。
4.1 实验装置：通过将传感器安装于六轴力/扭矩参考传感器上方并由绑带施加拉伸载荷，研究人员同步记录带扣与参考传感器信号，并建立传感器坐标系与参考坐标系对应关系；对齐加载时载荷平行于带扣纵轴，倾斜加载引入横向分量。由此获得用于校准和验证的同步力/角度参考数据。
4.2 校准模型与估计性能：通过五组0–200 N加载序列，覆盖正倾斜、近对齐和负倾斜，并在约50、100、150和200 N四个轴向力平台加载后卸载，采用含两通道输出平方项和交叉项的二阶多项式对参考等效单元载荷进行最小二乘拟合，再由静力平衡关系重建力分量、总力和加载角。独立验证使用未变校准系数，覆盖32个加载周期，结果表明估计力分量能跟踪参考阶跃响应；总力RMSE在无初始预载时为FSO的7.34%，在约18 N预载时为FSO的1.21–1.76%，角度RMSE为FSO的1.67%，力线性误差为FSO的6.96%。加载–卸载曲线用于评估滞回和线性误差，原文给出滞回与重复性指标但具体数值在提供文本中未显示。
4.3 重复性与频率响应评估：通过电机驱动线性导轨对三个载荷水平各进行十次加载–卸载循环，结果显示加载平台稳定并在卸载后回到基线，周期均值变异系数在三个载荷水平均较小；循环加载测试通过拟合基频幅值评估频率响应，相对增益随频率变化，原文给出估计带宽并指出其相对较低，适用于缓慢变化的穿戴者传递力监测。重复安装九次验证显示逐周期力和角度误差存在组内差异；预载频率响应测试的力RMSE范围为FSO的1.21–1.76%，低于近零初始力验证记录的FSO的7.34%，提示初始张力和安装条件可能影响测量误差，但不同测试的加载幅值、速率和安装方案不同，未隔离初始张力的单独效应。
4.4 与现有传感器比较：通过表2与三种用于可穿戴和康复机器人的力传感器比较传感原理、尺寸/质量、性能和特点，结论是所提出设计的主要优势在于将绑带紧固、力测量和加载方向估计集成于一个部件，减少绑带载荷路径中独立串联力传感器及专用安装件的需求；其两个面内分量重建可区分相同力大小下的加载方向变化。与Slaughter et al.的仪器化离合器估计外骨骼助力并实现接合控制、Gong et al.的压电陶瓷六轴传感器测量界面和关节动态多轴载荷变化相比，本带扣的测量目标和传感位置不同。
讨论部分总结：重建方法假设绑带力施加几何已定义；绑带滑移、材料、初始张力及安装变化会改变该几何或载荷传递。重复安装评估量化了逐周期力和角度误差，预载测试显示较低力RMSE，支持关注初始张力和安装条件，但其个体效应未被隔离。防滑脊旨在限制滑移，定量滑移测量和绑带材料间比较仍为未来工作；还需比较固定校准与更宽加载和安装条件下的重新校准。进一步评估应量化持续加载下输出漂移、温度引起的零偏和灵敏度变化，以及扩展循环加载下传感性能和结构完整性变化。未来工作将改进机械传感结构和信号采集以提高带宽，并在更动态可穿戴条件下验证；还需表征参考传感器在更宽频率范围内的动态响应，并进行实验力–位移测量以验证刚度模型。
研究结论部分翻译：本研究开发了一种用于可穿戴机器人的传感器化带扣，将绑带紧固与双轴电容式力传感相结合。折叠铝柔性结构和双侧布置的两个传感单元将绑带载荷转换为通道输出变化。联合校准和静力平衡关系重建轴向和横向力分量，从而能够估计传递力大小和面内加载方向。该设计将这些测量与机械附着集成于64×45×10 mm、34 g的装置中，包括其传感和信号处理电子器件，设计载荷范围为0–200 N。使用未变校准系数的独立验证在32个加载周期（包括过渡和未加载区间）中得到总力RMSE为[原文数值未显示]，或200 N满量程的[原文数值未显示]。在评估的加载–卸载循环中，力滞回为200 N满量程的[原文数值未显示]。三个载荷水平的重复性测试得到最大周期均值标准差约为200 N FSO的[原文数值未显示]，表明在测试条件下重复周期的平均力响应一致。在[原文数值未显示]–[原文数值未显示] Hz的循环加载测试得到估计[原文数值未显示]带宽约为[原文数值未显示] Hz，相对于[原文数值未显示] Hz的响应。这些结果支持评估台架条件下的集成传感概念。重建假设已定义的绑带力施加几何。绑带滑移、材料、初始张力和安装变化可改变该几何或载荷传递。重复安装评估量化了逐周期力和角度误差，预载测试显示力RMSE（FSO的1.21–1.76%）低于接近零初始力的验证记录（FSO的7.34%）。这一比较支持关注初始张力和安装条件，尽管其个体效应未被隔离。防滑脊旨在限制滑移；定量滑移测量和绑带材料间比较仍为未来工作。进一步评估应比较固定校准与在更宽加载和安装条件下重新校准。进一步评估应量化持续加载下输出漂移、温度引起的零偏和灵敏度变化，以及扩展循环加载下传感性能和结构完整性变化。未来工作将研究通过改进机械传感结构和信号采集提高带宽，随后在更动态可穿戴条件下验证。进一步测量应表征参考传感器在更宽频率范围内的动态响应。还需要实验力–位移测量以验证刚度模型。这些评估将确定可穿戴机器人中长期和动态使用的工作条件。
