01 人形机器人中有哪些传感器？

传感器是能够把特定的信息（物理、化学、生物）按转换成某种可用信号输出的器件和装置，一般由敏感元件、转换元件和基本电路（也称转换电路）组成。敏感元件感受被测量的状态，转换元件将相应的被测量转换成电参量，而基本电路将电参量接入电路并转换成电量。传感器的核心部分是转换元件，其决定了传感器的工作原理。

图1：传感器基本构成与工作原理示意图

人形机器人由控制、感知和执行三大部分组成，其中感知是控制和执行的前提，因此传感器是人形机器人中核心的感知部件，人形机器人需要通过传感器实现对外界光、力、声、电等信息的感知，为控制和执行提供实时反馈。

多数工业或移动机器人应用的传感器相对较少，如移动机器人使用视觉、激光雷达进行导航或避障，协作机器人使用力矩传感器做力反馈、利用视觉进行分拣与检测等，而人形机器人则需要综合使用各类传感器，对传感器的需求量大、种类多。根据特斯拉机器人Optimus成本估算，各类传感器占总成本比率超27%，是人形机器人主要核心零部件。

图2：人形机器人中用到的传感器（概览）

传感器种类众多，并且可以按照输入量、转换原理、输出信号、输入和输出的特征、能量转化方式、应用范围等多种方式分类。例如，按照输入量，可分为物理量、化学量、生物量传感器；按照转换原理，可分为结构型、物性型、复合型传感器；按照应用范围，可分为位置、力、液面、能耗、速度、温度等传感器。

图3：传感器的整体分类

具体到机器人身上，根据检测对象的不同可分为内部传感器（或称为本体感知传感器）和外部传感器。内部传感器主要用来检测机器人本身状态，多为检测位置和角度的传感器，常见如陀螺仪（用于测量和维持方向）、加速度计（测量加速度）等。

外部传感器主要用来检测机器人所处环境及状况的传感器，帮助机器人检测和识别周围的物体、距离、温度、光线等信息。常见如摄像头（提供视觉数据）、雷达（检测物体距离和速度）、激光测距仪（精确测量距离）、红外传感器（检测热源和距离）、超声波传感器（用于测距和避障）等。

02 内部传感器

内部传感器中，目前应用最多和最广泛的是惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU），它是一个包含加速度计和陀螺仪的单一集成单元，典型配置通常包含三个轴向的陀螺仪和三个轴向的加速度计，可以测量物体在三维空间中的角速率和加速度，然后进行数据处理，求解输出物体的速度、位置与姿态。根据结果，实时调整从而实现机器人本体精确的运动轨迹规划。

图4：IMU工作原理

根据芯动联科招股说明书，IMU的BOM成本拆分中陀螺仪的成本最高，占比77.65%，其次为加速度计。惯性传感组合和技术服务的成本占比较低。主要壁垒硬件端在于陀螺仪，软件端为算法控制和软件集成。

陀螺仪主要包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和 MEMS陀螺仪，但对人形机器人来说最常用的解决方案是MEMS陀螺仪，相较于国内，国外MEMS惯性技术经二十多年的理论与实践，技术更加成熟，众多科研单位及公司如 Honeywell、ADI、Sensonor、Silicon Sensing、Colibrys 等公司都有成熟的商业化应用，占据市场的主导地位。

03 外部传感器

3.1

力矩传感器

力矩传感器是一种能感知力、力矩并转换成可用输出信号的传感器，包括本体单元和应变/形变检测系统两部分。其核心原理基于霍克定律，当有力作用于传感器本体单元上并引起本体单元的应变或形变时，检测系统可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，通过测量电压值来表征力的大小，并转换成输出信号，实现力的测量。

按照测量原理，力矩传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等多种类型。其中应变式力矩传感器是当前技术最为成熟、应用最广泛的类型，具有结构简单、制作容易、价格低廉等优点。

而按照测量维度，力矩传感器可以分为一至六维力矩传感器，其中一维、三维和六维力矩传感器最常见，六维力矩传感器精度最高，其内部算法会解耦各方向力和力矩间的干扰，使对力的测量更为精准。而一维与三维力矩传感器在多方向、不同距离情况下所测数据失真。

图5：一维、三维、六维力矩传感器（从左至右）作用示意图

在机器人领域，力矩传感器可用于实时测量机器人关节所受到的外部力和内部受力情况，以及末端执行器与外界环境交互的受力情况，一般安装在机器人脚掌与踝关节之间和机械手与腕关节之间，以提供更加全面的力觉感知。

根据高工机器人数据，2022 年中国力传感器市场依然以外资品牌为主导，国产份额低于 30%，国内厂商主要有宇立仪器、坤维科技（国内两大龙头）、柯力传感、东华测试等，国外主要有 ADI、ST 以及 TDK 等。

3.2

视觉传感器

视觉传感器主要分为2D和3D两种，其中2D通过相机拍摄平面照片再通过图像分析或对比识别对象。而3D主要通过3D摄像头采集视野空间内每个点位的三维坐标信息，再利用算法复原获得三维立体成像。

图6：2D（左）和3D（右）视觉传感器原理

由于在面对复杂的物件辨识和尺寸量度任务，以及人机互动所需要的复杂互动时，2D视觉在精度和距离测量上存在技术局限，因此市场对3D视觉的需求与日俱增。根据成像原理的不同，3D视觉感知技术可分为光学和非光学两大类，主要包括飞行时间（ToF）法、结构光法、激光扫描法、莫尔条纹法、激光散斑法、干涉测量法、照相测量法、激光跟踪法、基于运动的形状获取、基于阴影的形状获取等多种技术。在人形机器人应用领域，3D视觉传感器可以帮助机器人高效完成人脸识别、距离感知、避障、导航等功能，使其更加智能化。现阶段，在人形机器人运用最广泛的依旧是光学方法。

根据华经产业研究院数据，目前视觉传感器全球竞争格局仍以外资为主，2021年基恩士为行业龙头，全球市占率超50%，其次为康耐视。国内视觉传感器市场较为分散，奥普特相对领先。

3.3

触觉传感器

机器人触觉与视觉一样，基本上是模拟人的感觉。利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质，从而实现抓取等动作。一般把检测感知与外部直接接触而产生的接触觉和压力等信息的传感器称为机器人触觉传感器，通过将信号从其他物理波形转换成电流或电压波形，然后通过数字电路对波形进行处理，并以电磁波的形式传输，再由另一个传感器接收和转换成需要的信号形式来工作。触觉传感器主要分为柔性和刚性（MEMS为主），但柔性传感器是人形机器人行业的主流研究和投入方向，根据原理不同可分为电容、电感、压阻等5种，目前压阻式相对主流。电子皮肤（E-skin）是柔性传感器的重要应用，被视为未来技术发展方向，在人形机器人触觉方案中得到较多关注。

图7：触觉传感器结构

柔性触觉传感器目前处于发展早期，以海外企业为主，国内布局相对领先的主要为汉威科技子公司能斯达（目前已有一条年产1000 万支柔性传感器的超净印刷线和组装线）、奥迪威及帕西尼。根据海外市场研究公司QY Research数据，按照销售金额计，2022年全球前五大厂商（Novasentis、Tekscan, Inc.、Japan Display Inc.、Baumer Group、Fraba Group）占有大约 57.1%的市场份额。

3.4

其他传感器

除了上述几种基础传感器，人形机器人根据需求不同还可能存在其他多种传感器，如用于感知和解释在气体（非接触感受）、液体或固体（接触感受）中的声波的声波传感器，复杂程度可以从简单的声波存在检测到复杂的声波频率分析， 直到对连续自然语言中单独语音和词汇的辨别；检测工作环境温度的温度传感器；检测某种特定气体浓度的嗅觉传感器；用于检测物体的存在和测量距离的接近度传感器，如超声波传感器和红外传感器等等，不一而足。

关键词:人形机器人 传感器

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来 源：工业产业链研究

编辑：清风

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