人形機(jī)器人三大核心傳感器梳理

羅宋湯的味道 2024-09-11 發(fā)布于青海

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傳感器是人形機(jī)器人的核心零部件，當(dāng)前傳感器在人形機(jī)器人中的用量大且成本占比相對(duì)較高。以特斯拉的Optimus機(jī)器人為例，各類傳感器的成本占比高達(dá)近30%。

人形機(jī)器人傳感器應(yīng)用位置：

資料來(lái)源：yole、GGII

傳感器使人形機(jī)器人通過(guò)觸覺(jué)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等感知方式與外部環(huán)境進(jìn)行交互，還能使其感知自身的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

目前國(guó)內(nèi)的人形機(jī)器人整機(jī)廠商包括優(yōu)必選、達(dá)閥、智元、傅利葉、宇樹、追覓和小米等，各家廠商使用的傳感器方案，包括觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、力傳感器、IMU傳感器等在各家機(jī)器人上均部分得到應(yīng)用。

部分人形機(jī)器人廠商傳感器方案：

資料來(lái)源：BFT 機(jī)器人、傳感器專家網(wǎng)、行行查

01 觸覺(jué)傳感器

機(jī)器人的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)是通過(guò)物理接觸來(lái)探測(cè)和衡量物體特征的方式。

觸覺(jué)傳感器能夠直接檢測(cè)機(jī)器人與環(huán)境之間的相互作用，如接觸力、溫度物體的材質(zhì)硬度和柔軟度等特性。

作為視覺(jué)傳感的重要補(bǔ)充，觸覺(jué)傳感器可以使機(jī)器人通過(guò)觸摸來(lái)感知物體的形狀和質(zhì)地等物理特性，從而進(jìn)行精確的抓取操作。

觸覺(jué)傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)、柔性皮膚等領(lǐng)域。

在工作原理上，觸覺(jué)傳感器陣列將各種物理波形信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓波形，隨后通過(guò)數(shù)字電路進(jìn)行處理，并以電磁波的形式進(jìn)行傳輸。在接收端，另一個(gè)傳感器會(huì)捕獲這些信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換回所需的信息形式。

觸覺(jué)傳感器主要分為柔性、和剛性（MEMS為主）。

柔性觸覺(jué)傳感器往往具有更高的價(jià)值。

根據(jù)原理不同，柔性傳感器又分為電容、電感、壓阻等5種，目前壓阻式相對(duì)主流。

Optimus的每只手指均配備柔性觸覺(jué)傳感器：

資料來(lái)源：Optimus官網(wǎng)

柔性觸覺(jué)傳感的壁壘主要在材料和制造兩方面。

材料端：柔性觸覺(jué)傳感器對(duì)材料要求較高，需解決柔性化和多維力檢測(cè)兼容性的問(wèn)題。

柔性觸覺(jué)傳感器材料的選擇包括敏感材料，如半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物、碳納米管、石墨烯等，以及柔性基底材料。

柔性基底材料需要具有輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)，材質(zhì)一般為硅橡膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

制造端：須確保傳感器在拉伸、擠壓和扭轉(zhuǎn)變形等情況下仍能正常識(shí)別力矩、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。目前由于定制化程度高，使用面積差異化明顯，因此制造成本高居不下。

觸覺(jué)傳感器圖形處理示例：

資料來(lái)源：帕西尼

觸覺(jué)傳感器目前處于發(fā)展早期，以Canatu、Sensel、Flexpoint等海外企業(yè)為主。國(guó)內(nèi)布局相對(duì)領(lǐng)先的主要有漢威科技子公司能斯達(dá)、奧迪威及帕西尼等。

柔性傳感器市場(chǎng)格局方面，全球領(lǐng)先的廠商包括Novasentis、Tekscan、JDI等。

國(guó)內(nèi)柔性傳感器主要應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚處于驗(yàn)證和測(cè)試階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

柔性觸覺(jué)傳感器相關(guān)布局廠商包括漢威科技、申昊科技、帕西尼感知、柯力傳感、蘇試試驗(yàn)、中科納芯、墨現(xiàn)科技、康斯特、力感科技和鈦深科技等。

02 視覺(jué)傳感器

機(jī)器視覺(jué)是人工智能最重要的前沿技術(shù)之一，其底層邏輯在于為機(jī)器植入“人眼與大腦”，使機(jī)器可代替人工來(lái)對(duì)被檢測(cè)物品做測(cè)量與判斷。

機(jī)器視覺(jué)工作原理主要為通過(guò)包括工業(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭的機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品捕捉被檢測(cè)物品的圖像，并將其信息轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，隨后將傳送至圖像處理系統(tǒng)的亮度、顏色以及尺寸等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)最后將此類信號(hào)進(jìn)行計(jì)算以抽取目標(biāo)特征并利用其運(yùn)算結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

傳統(tǒng)機(jī)器人例如工業(yè)機(jī)器人等都是配備模塊化視覺(jué)設(shè)備，光源和相機(jī)分開(kāi)，相機(jī)和鏡頭及圖像采集卡分開(kāi)，各個(gè)部件體積較大使得整體體積大、成本高，無(wú)法廣泛用于機(jī)器人視覺(jué)中。

當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)向機(jī)器人視覺(jué)不斷進(jìn)化。人形機(jī)器人視覺(jué)方案目前主要以結(jié)構(gòu)光、雙目或多目RGB、TOF 等的組合方案為主。

優(yōu)必選人形視覺(jué)方案：

資料來(lái)源：優(yōu)必選官網(wǎng)

全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)以美國(guó)康耐視和日本基恩士為代表的廠商占據(jù)全球超 50%的市場(chǎng)份額。

國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)整體的品牌競(jìng)爭(zhēng)力有望持續(xù)提升。以海康威視、大恒科技、天準(zhǔn)科技、凌云光為代表的中國(guó)本土機(jī)器視覺(jué)廠商已在核心零部件技術(shù)與獨(dú)立軟件算法等方面進(jìn)行大力投入；奧比中光在中國(guó)服務(wù)機(jī)器人 3D 視覺(jué)傳感器領(lǐng)域市占率超過(guò)70%；奧普特?fù)碛型暾臋C(jī)器視覺(jué)核心軟硬件產(chǎn)品。

奧比中光機(jī)器人與 AI 視覺(jué)”產(chǎn)品矩陣：

資料來(lái)源：奧比中光

在視覺(jué)方案上，每家人形機(jī)器人主機(jī)廠選擇的方案有所差異，整體來(lái)看算法基礎(chǔ)強(qiáng)的廠商會(huì)采用更為簡(jiǎn)單的傳感器方案，而算法相對(duì)薄弱的廠商會(huì)選擇更為核心的傳感器。

隨著未來(lái)人形機(jī)器人出貨量的增長(zhǎng)，技術(shù)的迭代升級(jí)，未來(lái)視覺(jué)方案也將會(huì)逐步優(yōu)化定型。國(guó)內(nèi)廠商正加快機(jī)器視覺(jué)核心部件國(guó)產(chǎn)化，逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。

03 力覺(jué)傳感器

人形機(jī)器人的力覺(jué)主要有指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人對(duì)受力的感知。

力傳感器矩傳感器使機(jī)器人在執(zhí)行操作時(shí)能夠自主調(diào)整其姿態(tài)，從而確保操作的穩(wěn)定性和精確度。

根據(jù)傳感器的安裝位置，力控方式可分為末端力控和關(guān)節(jié)力控兩種。

末端力控是在機(jī)械臂的末端安裝一維或六維力傳感器。

六維力傳感器是維度最高的力覺(jué)傳感器，能夠提供最高維度的力覺(jué)信息，并給出最為全面和精準(zhǔn)的力覺(jué)數(shù)據(jù)。

六維力矩傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

圖片來(lái)源：南京神源生智能

力矩傳感器壁壘主要在于標(biāo)定&檢測(cè)和數(shù)據(jù)解耦兩方面。

六維標(biāo)定設(shè)備多為非標(biāo)，主要為實(shí)現(xiàn)三個(gè)正交+三個(gè)力矩方向的精確加載，因此需要六維力聯(lián)合加載標(biāo)定，一般為傳感器廠商自研，設(shè)備難度較大。

六維力傳感器技術(shù)難點(diǎn)最重要的是維間耦合，解耦為在一定程度上減小或消除耦合干擾。

六維傳感器的多組數(shù)據(jù)在構(gòu)建解耦矩陣時(shí)許充分考慮重力、重心、零偏誤差等因素，從而保證測(cè)試的高精度、高準(zhǔn)度。

由于六維力傳感器中六個(gè)通道中的每一個(gè)通道中的輸入信號(hào)都會(huì)對(duì)其他通道的輸出信號(hào)造成影響，解除耦合相對(duì)困難。

由于技術(shù)壁壘較高，具備批量化產(chǎn)品供應(yīng)能力的廠商仍十分有限。

六維力矩傳感器品牌以歐美、日韓為主（ATI為行業(yè)龍頭）。

根據(jù)MIR睿數(shù)據(jù)，2023年我國(guó)六維力傳感器的出貨量和市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到9450臺(tái)和2.35億元。

競(jìng)爭(zhēng)格局方面，中國(guó)六維力傳感器CR5市場(chǎng)份額超50%，2023年國(guó)產(chǎn)化率為32%。

六維力傳感器相關(guān)布局廠商包括宇立儀器、坤維科技、鑫精誠(chéng)、藍(lán)點(diǎn)觸控、昊志機(jī)電、柯力傳感、東華測(cè)試、海伯森、瑞爾特等。

整體來(lái)看，隨著制造業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和人形機(jī)器人滲透率提高，疊加零部件更新替換等因素驅(qū)動(dòng)，助力增加六維力傳感器需求，未來(lái)國(guó)產(chǎn)化率有望呈加速上升趨勢(shì)。

隨著人形機(jī)器人進(jìn)入加速發(fā)展階段，傳感器行業(yè)有望迎來(lái)廣闊市場(chǎng)空間。

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來(lái)自：羅宋湯的味道 > 《研報(bào)》

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