本文设计了一种**基于光纤布喇格光栅（FBG）的机器人腕部三维力感知传感器**，旨在解决协作机器人在复杂环境下空间三维力感知精度低、易受温度交叉干扰以及传统电类传感器体积庞大等难题。

以下是该论文的核心内容简要总结：

**1. 核心创新点与传感机制**

*   **三维力解耦感知**：创新性地采用4根FBG环形布置与1根预应力FBG中心悬空布置的结构，分别实现对空间径向力和轴向力的高灵敏度独立感知。

*   **温度与交叉敏感补偿**：结合自微分补偿法建立感知模型与温度解耦算法，有效消除了环境温度变化对测量结果的干扰，并成功排除了径向力对轴向力测量的交叉耦合影响。

**2. 结构设计与仿真验证**

*   **紧凑化设计**：传感器最大外径仅为25 mm，整体长度75 mm，具备极佳的小型化特征，易于集成于协作机器人的腕部关节。

*   **有限元仿真**：通过ANSYS三维力有限元仿真验证了力学模型的准确性，明确了径向力主要引起环形FBG的弯曲应变，而轴向力导致所有FBG产生一致的轴向应变响应。

**3. 关键实验结果**

*   **高灵敏度标定**：三维力标定平台实验测得，传感器的径向力感知灵敏度高达 **43 pm/N**；通过解耦算法得出的轴向力感知灵敏度为 **0.58489 pm/N**，两者均展现出极高的线性拟合优度。

*   **优异的抗蠕变性能**：在施加100 N载荷并保持100分钟的长期抗蠕变测试中，各FBG的波长波动范围严格控制在 **±3 pm** 以内，证明了其在连续作业中的高稳定性与可靠性。

**4. 研究结论与应用前景**

*   该传感器凭借轻量小体积、高灵敏度、抗电磁干扰及强温度鲁棒性等优势，成功实现了空间三维力的高精度、高稳定性解算。

*   研究成果为协作机器人的智能化感知、人机安全交互及复杂环境下的力控决策提供了可靠的光纤传感技术方案，在工业机器人、精密装配和智能制造领域具有广阔的工程应用前景。