編輯按：當前，具身智能/人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成浪潮，作為其中的關(guān)鍵零部件，傳感器的應用和技術(shù)突破，已成國家及各地方發(fā)展具身智能/人形機器人產(chǎn)業(yè)的重點要求。

近日，我國權(quán)威電子媒體《中國電子報》，發(fā)布了中國傳感器產(chǎn)業(yè)知名專家郭源生教授撰寫的最新觀點文章——《如何做好人形機器人的“五官”與“皮膚”？丨具身智能機器人高質(zhì)量發(fā)展》，文中全面介紹了人形機器人中使用的主要傳感器技術(shù)，以及相關(guān)傳感器技術(shù)面臨的發(fā)展困境和突破策略，對我國人形機器人傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有參考意義。

專家檔案

郭源生 九三學社中央科技委副主任；中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務副理事長；北京理工大學前沿技術(shù)研究院首席專家、智能感知戰(zhàn)略委常務副主任；全國3D大賽組委會副主任。智慧醫(yī)療與大健康產(chǎn)業(yè)專委會主任。原工信部電子元器件行業(yè)發(fā)展研究中心總工程師。武漢大學、華東理工、北京郵電等大學兼職教授。

當前，具身智能已成為全球技術(shù)競逐與產(chǎn)業(yè)布局的核心賽道，將以不同的形態(tài)、模式、功能應用于不同的行業(yè)、領(lǐng)域，并逐步融入大眾生活場景之中。

具身智能本質(zhì)是仿生學理念主導下的技術(shù)實踐，而仿生技術(shù)的基礎(chǔ)需要有大量數(shù)據(jù)支撐，來實現(xiàn)多參數(shù)場景刻畫能力與多維度數(shù)據(jù)融合效能。人形機器人正是這一理念下的典型產(chǎn)品，也是AI技術(shù)承載與集成的平臺和載體。通過多技術(shù)融合與協(xié)同和類人化設(shè)計，賦予其與環(huán)境自主交互和執(zhí)行的功效。

傳感器作為獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息的核心功能器件，其數(shù)據(jù)采集的量級、維度與類型，直接決定人形機器人智能化程度或性能的優(yōu)劣。猶如機器的“五官”與“皮膚”，承擔對環(huán)境數(shù)據(jù)的多維度感知與多數(shù)據(jù)融合功能。

由此可見，搭載傳感器的產(chǎn)品技術(shù)類型和數(shù)量成為判斷與衡量機器人能效水平的標志之一。因此，未來人形機器人領(lǐng)域的競爭核心是感知技術(shù)（即傳感器技術(shù)）。

仿生技術(shù)傳感器種類繁多

人形機器人中，只有大量采用不同類型的傳感器技術(shù)，才能追求類人化的意識、行為、動作、功能和生物感知特征，同時具有人所不能及的獨特優(yōu)勢和場景適應能力。

視覺傳感器

主要有激光、結(jié)構(gòu)光、紅外、熱成像、可見光、立體等多種類型。

激光視覺傳感器測量范圍通常在幾十米到上百米，精度可達±0.01毫米，通過發(fā)射激光束并測量反射時間創(chuàng)建三維模型。

結(jié)構(gòu)光視覺傳感器圖案投射精度能達±0.1毫米，通過投射特定光圖案分析變形獲取三維信息。

紅外視覺可以在低光照條件下工作，感受紅外光來獲取圖像；熱成像根據(jù)物體發(fā)出的熱輻射看到溫度分布，常用于工業(yè)故障檢測、醫(yī)療初步體溫檢測等。

可見光感知就像人眼一樣，獲取彩色圖像，廣泛應用于安防監(jiān)控、物流分揀等場景。

立體視覺通過兩個或多個攝像頭模擬雙目視差，讓機器人可以感知物體的深度和距離，在機器人導航和抓取物體方面發(fā)揮重要作用。

在不同場景中的視覺傳感器有不同要求。自動駕駛場景需至少180°廣視野，動態(tài)目標檢測精度達厘米級；工業(yè)檢測場景對分辨率要求高，能檢測出微米級瑕疵。整體而言，機器人視覺在精確測距、長距離檢測及微小瑕疵檢測等方面遠超人類，某些能力可達人眼的數(shù)十倍。

聽覺傳感器

人形機器人中主要有以下幾種類型：首先是由多個麥克風組成陣列，可精準定位聲音來源，還可降低環(huán)境噪音干擾，用于智能語音交互、會議系統(tǒng)等場景。從敏感材料角度來看，硅基麥克風性能穩(wěn)定，壓電陶瓷類具有靈敏度高，多用于各種智能終端設(shè)備；從換能原理看，常見的有動圈式和駐極體電容式；按指向性來分，有全向、單向、雙向等不同類型，能滿足不同場景下的聲音拾取需求。在定位精度方面，高端麥克風陣列能將聲音定位精度控制在±3°左右，而人耳在復雜環(huán)境中的定位精度大概在±10°~±15°。

其次是壓電傳感器，對聲音振動非常敏感，常被用于聲學檢測設(shè)備、超聲波等領(lǐng)域，其振動檢測分辨率可達納米級，能檢測到極其微小的聲音振動，相比之下，人耳對這種微小振動的分辨能力要弱很多。駐極體傳聲器具有體積小、成本低的優(yōu)點，廣泛應用于手機、電腦、耳機等消費電子產(chǎn)品中，其靈敏度在40dB~60dB之間，能清晰捕捉到正常對話音量范圍的聲音。

嗅覺傳感器

金屬氧化物半導體型嗅覺傳感器對多種氣味較為敏感，能檢測出不同氣體成分。在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測、空氣質(zhì)量檢測等場景應用廣泛，其成本相對較低，響應時間通常在幾十毫秒到幾秒，檢測精度一般在0.01~0.001不等。

而電化學型嗅覺傳感器檢測精度較高，可達到ppm級（百萬分之一濃度級別），常用于醫(yī)療領(lǐng)域檢測人體呼出氣體中的特定成分，輔助診斷疾病。環(huán)游半導體紅外氣體傳感器通過檢測氣體對紅外光的吸收來分析氣體成分，具有穩(wěn)定性好、精度較高的優(yōu)點，檢測精度同樣能達到ppm級，被廣泛應用于化工行業(yè)的氣體分析中。

熱釋電傳感器能感應氣體溫度變化，在一些需要實時監(jiān)測氣體溫度的工業(yè)場景以及部分科研實驗中有應用，它的響應速度相對較快，通常在幾十毫秒內(nèi)，但檢測精度相對沒那么高，在溫度檢測方面一般能精確到零點幾度。

味覺傳感器

常見的有電位型和電流型。電位型基于離子電位變化實現(xiàn)味道識別，成本較低，在食品粗篩領(lǐng)域應用廣泛，比如初步判斷食品的酸甜屬性。然而，其易受外界環(huán)境干擾，檢測精度約為10%，對味道成分解析能力有限，在不同濃度味道物質(zhì)檢測中易產(chǎn)生較大偏差。

電流型檢測精度較高，可達5%左右，響應迅速，一般在幾十毫秒至數(shù)秒間，常用于食品精準調(diào)味過程控制以及水質(zhì)特定味覺物質(zhì)分析等對精度要求嚴苛的場景。

觸覺傳感器

觸覺感知場景復雜、功能繁多、技術(shù)要求高，所以其機理繁雜、種類繁多。基于材料特性分類：

一是柔性傳感器。它是以導電聚合物作為敏感材料，當受到壓力時，導電聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進而導致電導率變化，具備良好柔韌性和較高靈敏度，檢測精度可達0.1N左右，響應時間在10~20毫秒之間。常用于可穿戴電子設(shè)備、機器人皮膚等場景，能精準感知輕微的觸摸和壓力等。

二是碳納米管柔性傳感器。它擁有出色的電學性能，在外力作用下，碳納米管的電阻會產(chǎn)生變化，通過測量電阻變化可獲取觸覺信息。該傳感器靈敏度極高，能夠檢測到極其微小的力，精度可達0.01N甚至更低。響應速度也很快，大約在5~10毫秒。由于制備成本高，用于高端科研設(shè)備、高精密機器人的觸覺感知等方面。

三是壓電柔性傳感器。它基于壓電材料，在受到外力時會產(chǎn)生電荷的壓電效應。響應速度極快，通常在微秒級，適合檢測高頻動態(tài)力，精度能達到0.5N左右。在醫(yī)療超聲探頭、智能假肢等領(lǐng)域應用廣泛。

四是離子凝膠柔性傳感器。它是以離子凝膠作為敏感材料，其內(nèi)部離子在受到壓力時會發(fā)生遷移，從而引起電學性能改變，實現(xiàn)觸覺感知。具有良好的柔韌性和自修復能力，檢測精度在0.2N左右，響應時間在15~25毫秒。在可重構(gòu)機器人、智能皮膚等前沿領(lǐng)域具有很大的應用潛力。

基于感知原理分類：

一是電容式柔性觸覺傳感器。它通過檢測電容變化來感知壓力或觸摸。結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，檢測精度大概在1~2N左右，響應時間在20~30毫秒。常用于消費電子產(chǎn)品的觸摸按鍵、智能家具的交互面板等場景。

二是電感式柔性觸覺傳感器。它利用電磁感應原理，當有物體靠近或施加壓力時，會改變傳感器內(nèi)部的磁路，導致電感量發(fā)生變化。其具有較高的分辨率和精度，能夠檢測到微小位移的變化，精度可達微米級。但響應速度相對較慢，一般在幾十毫秒到幾百毫秒之間。在工業(yè)自動化的精密測量、機器人抓取操作等領(lǐng)域應用較多。

與人類觸覺相比，目前的柔性多點觸覺傳感器雖取得一定進展，但仍存在差距。人類皮膚能感知極其微小的力度變化，分辨率極高，且能在不同溫度和濕度條件下保持穩(wěn)定的觸覺感知能力。未來，隨著材料科學、電子技術(shù)和人工智能的持續(xù)發(fā)展，有望逐步縮小差距，使人形機器人的觸覺更接近人類水平。

人形機器人傳感器“內(nèi)”“外”兼修

人形機器人中傳感器涉及物理量、化學量、生物量三大敏感機理類型，以及聲、力、光、磁、氣、溫濕度等各種類別。從功能上看，主要可分為內(nèi)傳感器和外傳感器。

內(nèi)傳感器

它是機器人內(nèi)部性能感知部件。

一是加速度傳感器。當機器人在直線軌道上加速或減速運動時，加速度計能夠精確測量各個方向上的加速度變化值，并同步反饋給控制系統(tǒng)，使機器人能夠全面掌握自身的速度變化情況。陀螺儀用于測量角速度和角度，當執(zhí)行轉(zhuǎn)身、扭動、轉(zhuǎn)彎等動作時，精準捕捉角度變化，為控制系統(tǒng)提供精確的姿態(tài)信息，助力其運動過程始終保持姿態(tài)平衡和穩(wěn)定。

二是關(guān)節(jié)位置傳感器。精確測量機器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度大小值。如肩關(guān)節(jié)位置傳感器可實時、精準地向控制系統(tǒng)反饋彎曲或伸直的具體角度數(shù)值，從而實現(xiàn)對機械臂等部件運動的高精度控制。

三是力傳感器。通常安裝在關(guān)節(jié)和關(guān)鍵受力部件處。當執(zhí)行抓取任務時，力傳感器能夠?qū)崟r感知抓取作用力和反作用力的大小?；谶@些數(shù)據(jù)，機器人可以根據(jù)抓取物體的重量、材質(zhì)等特性，精確調(diào)整抓取力度。

四是電流傳感器。監(jiān)測控制電路中的電流、電壓狀況。一旦出現(xiàn)如過載或者即將發(fā)生短路等異常情況，控制系統(tǒng)及時采取應對措施，保護電路免受損害。

五是溫濕度傳感器。監(jiān)測內(nèi)部關(guān)節(jié)等機械結(jié)構(gòu)件、電機以及控制器電路板等關(guān)鍵部件的溫濕度狀況。長時間運行時，電路元件和機械部件在工作過程中會因摩擦產(chǎn)生熱量，若內(nèi)部溫度過高或濕度過大，會引發(fā)性能退變，甚至故障?？刂葡到y(tǒng)可依據(jù)數(shù)據(jù)信息和故障模型適時調(diào)整運行功率和狀態(tài)，或采取相應的散熱、除濕措施。

六是磁傳感器。根據(jù)磁場變化實現(xiàn)定位和導航功能。特別在特殊、復雜場景下，能夠精準識別自身方位，合理規(guī)劃運動路徑。

當機器人執(zhí)行轉(zhuǎn)身等各種復雜動作時，需要加速度計、陀螺儀、位置、力、電流、溫濕度等多種內(nèi)傳感器技術(shù)協(xié)同和數(shù)據(jù)深度融合?？刂葡到y(tǒng)基于采集到的海量數(shù)據(jù)，運用精密復雜算法，實時下達運動指令，確保機器人動作自然、流暢、安全、精準，并可提供故障范圍量化數(shù)據(jù)發(fā)出警報，方便技術(shù)人員及時展開針對性的維護與調(diào)整，為長期穩(wěn)定運行提供保障。

外傳感器

它是與外界交互的信息窗口。

如同人類“五官”和“皮膚”感知與交互外部世界信息。因此，配置多少數(shù)量和多少種類型的外傳感器決定機器人的技術(shù)水平、作業(yè)能力。

根據(jù)實際功能和不同應用場景，安裝不同數(shù)量的傳感器，安裝越多功能越強大，如視覺、聽覺、嗅覺、味覺傳感器一般安裝1~2只即可實現(xiàn)基本功能，而觸覺傳感器數(shù)量因功能而異，精細操作的機器人手指等部位可能分布數(shù)十，甚至上百個。

由此可見，外傳感器的類型和數(shù)量直接決定感知外部環(huán)境的能力，只有合理搭配不同類型和數(shù)量的外傳感器，機器人才能更好地適應各種應用場景，實現(xiàn)更強大、更智能的服務功能。

具身智能傳感器發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?/strong>