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