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，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、感知和執行三大部分組成，其中感知是控制和執行的前提，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對外界光、力、聲、電等信息的感知，為控制和執行提供實時反饋。
多數工業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，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（提供視覺數據）、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，然后進行數據處理，求解輸出物體的速度、位置與姿態。根據結果，實時調整從而實現機器人本體精確的運動軌跡規劃。
圖4：IMU工作原理
根據芯動聯科招股說明書，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化應用，占據市場的主導地位。
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據失真。
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所受到的外部力和內部受力情況，以及末端執行器與外界環境交互的受力情況，一般安裝在機器人腳掌與踝關節之間和機械手與腕關節之間，以提供更加全面的力覺感知。
根據高工機器人數據，2022 年中國力傳感器市場依然以外資品牌為主導，國產份額低于 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。現階段，在人形機器人運用最廣泛的依舊是光學方法。
根據華經產業研究院數據，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，從而實現抓取等動作。一般把檢測感知與外部直接接觸而產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的主流研究和投入方向，根據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展早期，以海外企業為主，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。根據海外市場研究公司QY Research數據，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， 直到對連續自然語言中單獨語音和詞匯的辨別；檢測工作環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。
