01 人形機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、生物）按轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置，一般由敏感元件、轉換元件和基本電路（也稱轉換電路）組成。敏感元件感受被測量的狀態(tài)，轉換元件將相應的被測量轉換成電參量，而基本電路將電參量接入電路并轉換成電量。傳感器的核心部分是轉換元件，其決定了傳感器的工作原理。

圖1：傳感器基本構成與工作原理示意圖

人形機器人由控制、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器人中核心的感知部件，人形機器人需要通過傳感器實現(xiàn)對外界光、力、聲、電等信息的感知，為控制和執(zhí)行提供實時反饋。

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

圖2：人形機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、轉換原理、輸出信號、輸入和輸出的特征、能量轉化方式、應用范圍等多種方式分類。例如，按照輸入量，可分為物理量、化學量、生物量傳感器；按照轉換原理，可分為結構型、物性型、復合型傳感器；按照應用范圍，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

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

外部傳感器主要用來檢測機器人所處環(huán)境及狀況的傳感器，幫助機器人檢測和識別周圍的物體、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（檢測物體距離和速度）、激光測距儀（精確測量距離）、紅外傳感器（檢測熱源和距離）、超聲波傳感器（用于測距和避障）等。

02 內部傳感器

內部傳感器中，目前應用最多和最廣泛的是慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），它是一個包含加速度計和陀螺儀的單一集成單元，典型配置通常包含三個軸向的陀螺儀和三個軸向的加速度計，可以測量物體在三維空間中的角速率和加速度，然后進行數(shù)據(jù)處理，求解輸出物體的速度、位置與姿態(tài)。根據(jù)結果，實時調整從而實現(xiàn)機器人本體精確的運動軌跡規(guī)劃。

圖4：IMU工作原理

根據(jù)芯動聯(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。慣性傳感組合和技術服務的成本占比較低。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，但對人形機器人來說最常用的解決方案是MEMS陀螺儀，相較于國內，國外MEMS慣性技術經(jīng)二十多年的理論與實踐，技術更加成熟，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)化應用，占據(jù)市場的主導地位。

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、力矩并轉換成可用輸出信號的傳感器，包括本體單元和應變/形變檢測系統(tǒng)兩部分。其核心原理基于霍克定律，當有力作用于傳感器本體單元上并引起本體單元的應變或形變時，檢測系統(tǒng)可感知本體的應變或形變，通過電路將其轉化為相應電壓，通過測量電壓值來表征力的大小，并轉換成輸出信號，實現(xiàn)力的測量。

按照測量原理，力矩傳感器可以分為光電式、應變式、電容式、壓電式等多種類型。其中應變式力矩傳感器是當前技術最為成熟、應用最廣泛的類型，具有結構簡單、制作容易、價格低廉等優(yōu)點。

而按照測量維度，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，其內部算法會解耦各方向力和力矩間的干擾，使對力的測量更為精準。而一維與三維力矩傳感器在多方向、不同距離情況下所測數(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

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

根據(jù)高工機器人數(shù)據(jù)，2022 年中國力傳感器市場依然以外資品牌為主導，國產(chǎn)份額低于 30%，國內廠商主要有宇立儀器、坤維科技（國內兩大龍頭）、柯力傳感、東華測試等，國外主要有 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通過相機拍攝平面照片再通過圖像分析或對比識別對象。而3D主要通過3D攝像頭采集視野空間內每個點位的三維坐標信息，再利用算法復原獲得三維立體成像。

圖6：2D（左）和3D（右）視覺傳感器原理

由于在面對復雜的物件辨識和尺寸量度任務，以及人機互動所需要的復雜互動時，2D視覺在精度和距離測量上存在技術局限，因此市場對3D視覺的需求與日俱增。根據(jù)成像原理的不同，3D視覺感知技術可分為光學和非光學兩大類，主要包括飛行時間（ToF）法、結構光法、激光掃描法、莫爾條紋法、激光散斑法、干涉測量法、照相測量法、激光跟蹤法、基于運動的形狀獲取、基于陰影的形狀獲取等多種技術。在人形機器人應用領域，3D視覺傳感器可以幫助機器人高效完成人臉識別、距離感知、避障、導航等功能，使其更加智能化?，F(xiàn)階段，在人形機器人運用最廣泛的依舊是光學方法。

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爭格局仍以外資為主，2021年基恩士為行業(yè)龍頭，全球市占率超50%，其次為康耐視。國內視覺傳感器市場較為分散，奧普特相對領先。

3.3

觸覺傳感器

機器人觸覺與視覺一樣，基本上是模擬人的感覺。利用觸覺可進一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質，從而實現(xiàn)抓取等動作。一般把檢測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器人觸覺傳感器，通過將信號從其他物理波形轉換成電流或電壓波形，然后通過數(shù)字電路對波形進行處理，并以電磁波的形式傳輸，再由另一個傳感器接收和轉換成需要的信號形式來工作。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，目前壓阻式相對主流。電子皮膚（E-skin）是柔性傳感器的重要應用，被視為未來技術發(fā)展方向，在人形機器人觸覺方案中得到較多關注。

圖7：觸覺傳感器結構

柔性觸覺傳感器目前處于發(fā)展早期，以海外企業(yè)為主，國內布局相對領先的主要為漢威科技子公司能斯達（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)海外市場研究公司QY Research數(shù)據(jù)，按照銷售金額計，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%的市場份額。

3.4

其他傳感器

除了上述幾種基礎傳感器，人形機器人根據(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，復雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復雜的聲波頻率分析， 直到對連續(xù)自然語言中單獨語音和詞匯的辨別；檢測工作環(huán)境溫度的溫度傳感器；檢測某種特定氣體濃度的嗅覺傳感器；用于檢測物體的存在和測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。