01 人形機(jī)器人中有哪些傳感器？

傳感器是能夠把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路（也稱轉(zhuǎn)換電路）組成。敏感元件感受被測(cè)量的狀態(tài)，轉(zhuǎn)換元件將相應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量，而基本電路將電參量接入電路并轉(zhuǎn)換成電量。傳感器的核心部分是轉(zhuǎn)換元件，其決定了傳感器的工作原理。

圖1：傳感器基本構(gòu)成與工作原理示意圖

人形機(jī)器人由控制、感知和執(zhí)行三大部分組成，其中感知是控制和執(zhí)行的前提，因此傳感器是人形機(jī)器人中核心的感知部件，人形機(jī)器人需要通過傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界光、力、聲、電等信息的感知，為控制和執(zhí)行提供實(shí)時(shí)反饋。

多數(shù)工業(yè)或移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的傳感器相對(duì)較少，如移動(dòng)機(jī)器人使用視覺、激光雷達(dá)進(jìn)行導(dǎo)航或避障，協(xié)作機(jī)器人使用力矩傳感器做力反饋、利用視覺進(jìn)行分揀與檢測(cè)等，而人形機(jī)器人則需要綜合使用各類傳感器，對(duì)傳感器的需求量大、種類多。根據(jù)特斯拉機(jī)器人Optimus成本估算，各類傳感器占總成本比率超27%，是人形機(jī)器人主要核心零部件。

圖2：人形機(jī)器人中用到的傳感器（概覽）

傳感器種類眾多，并且可以按照輸入量、轉(zhuǎn)換原理、輸出信號(hào)、輸入和輸出的特征、能量轉(zhuǎn)化方式、應(yīng)用范圍等多種方式分類。例如，按照輸入量，可分為物理量、化學(xué)量、生物量傳感器；按照轉(zhuǎn)換原理，可分為結(jié)構(gòu)型、物性型、復(fù)合型傳感器；按照應(yīng)用范圍，可分為位置、力、液面、能耗、速度、溫度等傳感器。

圖3：傳感器的整體分類

具體到機(jī)器人身上，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為內(nèi)部傳感器（或稱為本體感知傳感器）和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器，常見如陀螺儀（用于測(cè)量和維持方向）、加速度計(jì)（測(cè)量加速度）等。

外部傳感器主要用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境及狀況的傳感器，幫助機(jī)器人檢測(cè)和識(shí)別周圍的物體、距離、溫度、光線等信息。常見如攝像頭（提供視覺數(shù)據(jù)）、雷達(dá)（檢測(cè)物體距離和速度）、激光測(cè)距儀（精確測(cè)量距離）、紅外傳感器（檢測(cè)熱源和距離）、超聲波傳感器（用于測(cè)距和避障）等。

02 內(nèi)部傳感器

內(nèi)部傳感器中，目前應(yīng)用最多和最廣泛的是慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），它是一個(gè)包含加速度計(jì)和陀螺儀的單一集成單元，典型配置通常包含三個(gè)軸向的陀螺儀和三個(gè)軸向的加速度計(jì)，可以測(cè)量物體在三維空間中的角速率和加速度，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求解輸出物體的速度、位置與姿態(tài)。根據(jù)結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體精確的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。

圖4：IMU工作原理

根據(jù)芯動(dòng)聯(lián)科招股說明書，IMU的BOM成本拆分中陀螺儀的成本最高，占比77.65%，其次為加速度計(jì)。慣性傳感組合和技術(shù)服務(wù)的成本占比較低。主要壁壘硬件端在于陀螺儀，軟件端為算法控制和軟件集成。

陀螺儀主要包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀和 MEMS陀螺儀，但對(duì)人形機(jī)器人來說最常用的解決方案是MEMS陀螺儀，相較于國(guó)內(nèi)，國(guó)外MEMS慣性技術(shù)經(jīng)二十多年的理論與實(shí)踐，技術(shù)更加成熟，眾多科研單位及公司如 Honeywell、ADI、Sensonor、Silicon Sensing、Colibrys 等公司都有成熟的商業(yè)化應(yīng)用，占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

03 外部傳感器

3.1

力矩傳感器

力矩傳感器是一種能感知力、力矩并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，包括本體單元和應(yīng)變/形變檢測(cè)系統(tǒng)兩部分。其核心原理基于霍克定律，當(dāng)有力作用于傳感器本體單元上并引起本體單元的應(yīng)變或形變時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)可感知本體的應(yīng)變或形變，通過電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓，通過測(cè)量電壓值來表征力的大小，并轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量。

按照測(cè)量原理，力矩傳感器可以分為光電式、應(yīng)變式、電容式、壓電式等多種類型。其中應(yīng)變式力矩傳感器是當(dāng)前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的類型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

而按照測(cè)量維度，力矩傳感器可以分為一至六維力矩傳感器，其中一維、三維和六維力矩傳感器最常見，六維力矩傳感器精度最高，其內(nèi)部算法會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，使對(duì)力的測(cè)量更為精準(zhǔn)。而一維與三維力矩傳感器在多方向、不同距離情況下所測(cè)數(shù)據(jù)失真。

圖5：一維、三維、六維力矩傳感器（從左至右）作用示意圖

在機(jī)器人領(lǐng)域，力矩傳感器可用于實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)所受到的外部力和內(nèi)部受力情況，以及末端執(zhí)行器與外界環(huán)境交互的受力情況，一般安裝在機(jī)器人腳掌與踝關(guān)節(jié)之間和機(jī)械手與腕關(guān)節(jié)之間，以提供更加全面的力覺感知。

根據(jù)高工機(jī)器人數(shù)據(jù)，2022 年中國(guó)力傳感器市場(chǎng)依然以外資品牌為主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)份額低于 30%，國(guó)內(nèi)廠商主要有宇立儀器、坤維科技（國(guó)內(nèi)兩大龍頭）、柯力傳感、東華測(cè)試等，國(guó)外主要有 ADI、ST 以及 TDK 等。

3.2

視覺傳感器

視覺傳感器主要分為2D和3D兩種，其中2D通過相機(jī)拍攝平面照片再通過圖像分析或?qū)Ρ茸R(shí)別對(duì)象。而3D主要通過3D攝像頭采集視野空間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)信息，再利用算法復(fù)原獲得三維立體成像。

圖6：2D（左）和3D（右）視覺傳感器原理

由于在面對(duì)復(fù)雜的物件辨識(shí)和尺寸量度任務(wù)，以及人機(jī)互動(dòng)所需要的復(fù)雜互動(dòng)時(shí)，2D視覺在精度和距離測(cè)量上存在技術(shù)局限，因此市場(chǎng)對(duì)3D視覺的需求與日俱增。根據(jù)成像原理的不同，3D視覺感知技術(shù)可分為光學(xué)和非光學(xué)兩大類，主要包括飛行時(shí)間（ToF）法、結(jié)構(gòu)光法、激光掃描法、莫爾條紋法、激光散斑法、干涉測(cè)量法、照相測(cè)量法、激光跟蹤法、基于運(yùn)動(dòng)的形狀獲取、基于陰影的形狀獲取等多種技術(shù)。在人形機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，3D視覺傳感器可以幫助機(jī)器人高效完成人臉識(shí)別、距離感知、避障、導(dǎo)航等功能，使其更加智能化?，F(xiàn)階段，在人形機(jī)器人運(yùn)用最廣泛的依舊是光學(xué)方法。

根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，目前視覺傳感器全球競(jìng)爭(zhēng)格局仍以外資為主，2021年基恩士為行業(yè)龍頭，全球市占率超50%，其次為康耐視。國(guó)內(nèi)視覺傳感器市場(chǎng)較為分散，奧普特相對(duì)領(lǐng)先。

3.3

觸覺傳感器

機(jī)器人觸覺與視覺一樣，基本上是模擬人的感覺。利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)抓取等動(dòng)作。一般把檢測(cè)感知與外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺和壓力等信息的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器，通過將信號(hào)從其他物理波形轉(zhuǎn)換成電流或電壓波形，然后通過數(shù)字電路對(duì)波形進(jìn)行處理，并以電磁波的形式傳輸，再由另一個(gè)傳感器接收和轉(zhuǎn)換成需要的信號(hào)形式來工作。觸覺傳感器主要分為柔性和剛性（MEMS為主），但柔性傳感器是人形機(jī)器人行業(yè)的主流研究和投入方向，根據(jù)原理不同可分為電容、電感、壓阻等5種，目前壓阻式相對(duì)主流。電子皮膚（E-skin）是柔性傳感器的重要應(yīng)用，被視為未來技術(shù)發(fā)展方向，在人形機(jī)器人觸覺方案中得到較多關(guān)注。

圖7：觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

柔性觸覺傳感器目前處于發(fā)展早期，以海外企業(yè)為主，國(guó)內(nèi)布局相對(duì)領(lǐng)先的主要為漢威科技子公司能斯達(dá)（目前已有一條年產(chǎn)1000 萬支柔性傳感器的超凈印刷線和組裝線）、奧迪威及帕西尼。根據(jù)海外市場(chǎng)研究公司QY Research數(shù)據(jù)，按照銷售金額計(jì)，2022年全球前五大廠商（Novasentis、Tekscan, Inc.、Japan Display Inc.、Baumer Group、Fraba Group）占有大約 57.1%的市場(chǎng)份額。

3.4

其他傳感器

除了上述幾種基礎(chǔ)傳感器，人形機(jī)器人根據(jù)需求不同還可能存在其他多種傳感器，如用于感知和解釋在氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波的聲波傳感器，復(fù)雜程度可以從簡(jiǎn)單的聲波存在檢測(cè)到復(fù)雜的聲波頻率分析， 直到對(duì)連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯的辨別；檢測(cè)工作環(huán)境溫度的溫度傳感器；檢測(cè)某種特定氣體濃度的嗅覺傳感器；用于檢測(cè)物體的存在和測(cè)量距離的接近度傳感器，如超聲波傳感器和紅外傳感器等等，不一而足。