2024人形机器人三大核心传感器梳理

Ai机器人网2024-09-10 23:32:3084

传感器是人形机器人的核心零部件，当前传感器在人形机器人中的用量大且成本占比相对较高。以特斯拉的Optimus机器人为例，各类传感器的成本占比高达近30%。

人形机器人传感器应用位置：

资料来源：yole、GGII

传感器使人形机器人通过触觉、视觉和听觉等感知方式与外部环境进行交互，还能使其感知自身的实时状态。

目前国内的人形机器人整机厂商包括优必选、达阀、智元、傅利叶、宇树、追觅和小米等，各家厂商使用的传感器方案，包括触觉传感器、视觉传感器、力传感器、IMU传感器等在各家机器人上均部分得到应用。

部分人形机器人厂商传感器方案：

资料来源：BFT 机器人、传感器专家网、行行查

01 触觉传感器

机器人的触觉传感系统是通过物理接触来探测和衡量物体特征的方式。

触觉传感器能够直接检测机器人与环境之间的相互作用，如接触力、温度物体的材质硬度和柔软度等特性。

作为视觉传感的重要补充，触觉传感器可以使机器人通过触摸来感知物体的形状和质地等物理特性，从而进行精确的抓取操作。

触觉传感器广泛应用于机器人的关节、柔性皮肤等领域。

在工作原理上，触觉传感器阵列将各种物理波形信号转换为电流或电压波形，随后通过数字电路进行处理，并以电磁波的形式进行传输。在接收端，另一个传感器会捕获这些信号，并将其转换回所需的信息形式。

触觉传感器主要分为柔性、和刚性（MEMS为主）。

柔性触觉传感器往往具有更高的价值。

根据原理不同，柔性传感器又分为电容、电感、压阻等5种，目前压阻式相对主流。

Optimus的每只手指均配备柔性触觉传感器：

资料来源：Optimus官网

柔性触觉传感的壁垒主要在材料和制造两方面。

材料端：柔性触觉传感器对材料要求较高，需解决柔性化和多维力检测兼容性的问题。

柔性触觉传感器材料的选择包括敏感材料，如半导体、有机聚合物、碳纳米管、石墨烯等，以及柔性基底材料。

柔性基底材料需要具有轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质，材质一般为硅橡胶、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

制造端：须确保传感器在拉伸、挤压和扭转变形等情况下仍能正常识别力矩、温度等关键参数。目前由于定制化程度高，使用面积差异化明显，因此制造成本高居不下。

触觉传感器图形处理示例：

资料来源：帕西尼

触觉传感器目前处于发展早期，以Canatu、Sensel、Flexpoint等海外企业为主。国内布局相对领先的主要有汉威科技子公司能斯达、奥迪威及帕西尼等。

柔性传感器市场格局方面，全球领先的厂商包括Novasentis、Tekscan、JDI等。

国内柔性传感器主要应用于消费电子领域，人形机器人领域的应用目前尚处于验证和测试阶段，尚未实现大规模应用。

柔性触觉传感器相关布局厂商包括汉威科技、申昊科技、帕西尼感知、柯力传感、苏试试验、中科纳芯、墨现科技、康斯特、力感科技和钛深科技等。

02 视觉传感器

机器视觉是人工智能最重要的前沿技术之一，其底层逻辑在于为机器植入“人眼与大脑”，使机器可代替人工来对被检测物品做测量与判断。

机器视觉工作原理主要为通过包括工业相机与工业镜头的机器视觉产品捕捉被检测物品的图像，并将其信息转换为图像信号，随后将传送至图像处理系统的亮度、颜色以及尺寸等信息转化为数字信号。机器视觉系统最后将此类信号进行计算以抽取目标特征并利用其运算结果控制现场设备。

传统机器人例如工业机器人等都是配备模块化视觉设备，光源和相机分开，相机和镜头及图像采集卡分开，各个部件体积较大使得整体体积大、成本高，无法广泛用于机器人视觉中。

当前机器视觉向机器人视觉不断进化。人形机器人视觉方案目前主要以结构光、双目或多目RGB、TOF 等的组合方案为主。

优必选人形视觉方案：

资料来源：优必选官网

全球机器视觉市场以美国康耐视和日本基恩士为代表的厂商占据全球超 50%的市场份额。

国内机器视觉行业整体的品牌竞争力有望持续提升。以海康威视、大恒科技、天准科技、凌云光为代表的中国本土机器视觉厂商已在核心零部件技术与独立软件算法等方面进行大力投入；奥比中光在中国服务机器人 3D 视觉传感器领域市占率超过70%；奥普特拥有完整的机器视觉核心软硬件产品。

奥比中光机器人与 AI 视觉”产品矩阵：

资料来源：奥比中光

在视觉方案上，每家人形机器人主机厂选择的方案有所差异，整体来看算法基础强的厂商会采用更为简单的传感器方案，而算法相对薄弱的厂商会选择更为核心的传感器。

随着未来人形机器人出货量的增长，技术的迭代升级，未来视觉方案也将会逐步优化定型。国内厂商正加快机器视觉核心部件国产化，逐步实现进口替代。

03 力觉传感器

人形机器人的力觉主要有指、肢和关节等运动时机器人对受力的感知。

力传感器矩传感器使机器人在执行操作时能够自主调整其姿态，从而确保操作的稳定性和精确度。

根据传感器的安装位置，力控方式可分为末端力控和关节力控两种。

末端力控是在机械臂的末端安装一维或六维力传感器。

六维力传感器是维度最高的力觉传感器，能够提供最高维度的力觉信息，并给出最为全面和精准的力觉数据。

六维力矩传感器内部结构：

图片来源：南京神源生智能

力矩传感器壁垒主要在于标定&检测和数据解耦两方面。

六维标定设备多为非标，主要为实现三个正交+三个力矩方向的精确加载，因此需要六维力联合加载标定，一般为传感器厂商自研，设备难度较大。

六维力传感器技术难点最重要的是维间耦合，解耦为在一定程度上减小或消除耦合干扰。

六维传感器的多组数据在构建解耦矩阵时许充分考虑重力、重心、零偏误差等因素，从而保证测试的高精度、高准度。

由于六维力传感器中六个通道中的每一个通道中的输入信号都会对其他通道的输出信号造成影响，解除耦合相对困难。

由于技术壁垒较高，具备批量化产品供应能力的厂商仍十分有限。

六维力矩传感器品牌以欧美、日韩为主（ATI为行业龙头）。

根据MIR睿数据，2023年我国六维力传感器的出货量和市场规模分别达到9450台和2.35亿元。

竞争格局方面，中国六维力传感器CR5市场份额超50%，2023年国产化率为32%。

六维力传感器相关布局厂商包括宇立仪器、坤维科技、鑫精诚、蓝点触控、昊志机电、柯力传感、东华测试、海伯森、瑞尔特等。

整体来看，随着制造业自动化生产和人形机器人渗透率提高，叠加零部件更新替换等因素驱动，助力增加六维力传感器需求，未来国产化率有望呈加速上升趋势。

随着人形机器人进入加速发展阶段，传感器行业有望迎来广阔市场空间。

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