編輯按：當(dāng)前，具身智能/人形機(jī)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(yīng)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)要求。

近日，我國權(quán)威電子媒體《中國電子報(bào)》，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(diǎn)文章——《如何做好人形機(jī)器人的“五官”與“皮膚”？丨具身智能機(jī)器人高質(zhì)量發(fā)展》，文中全面介紹了人形機(jī)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(jī)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(xué)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(wù)副理事長；北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院首席專家、智能感知戰(zhàn)略委常務(wù)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(xué)、華東理工、北京郵電等大學(xué)兼職教授。

當(dāng)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(yīng)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(xué)理念主導(dǎo)下的技術(shù)實(shí)踐，而仿生技術(shù)的基礎(chǔ)需要有大量數(shù)據(jù)支撐，來實(shí)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(jī)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(jì)，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(jī)器人智能化程度或性能的優(yōu)劣。猶如機(jī)器的“五官”與“皮膚”，承擔(dān)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(jī)器人能效水平的標(biāo)志之一。因此，未來人形機(jī)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(jī)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(shí)具有人所不能及的獨(dú)特優(yōu)勢和場景適應(yīng)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(dá)±0.01毫米，通過發(fā)射激光束并測量反射時(shí)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(dá)±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(yīng)用于安防監(jiān)控、物流分揀等場景。

立體視覺通過兩個(gè)或多個(gè)攝像頭模擬雙目視差，讓機(jī)器人可以感知物體的深度和距離，在機(jī)器人導(dǎo)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(biāo)檢測精度達(dá)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(jī)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(yuǎn)超人類，某些能力可達(dá)人眼的數(shù)十倍。

聽覺傳感器

人形機(jī)器人中主要有以下幾種類型：首先是由多個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，可精準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)陣列能將聲音定位精度控制在±3°左右，而人耳在復(fù)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(xué)檢測設(shè)備、超聲波等領(lǐng)域，其振動檢測分辨率可達(dá)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、耳機(jī)等消費(fèi)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(dǎo)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(yīng)用廣泛，其成本相對較低，響應(yīng)時(shí)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(xué)型嗅覺傳感器檢測精度較高，可達(dá)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(dǎo)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(diǎn)，檢測精度同樣能達(dá)到ppm級，被廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)的氣體分析中。

熱釋電傳感器能感應(yīng)氣體溫度變化，在一些需要實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體溫度的工業(yè)場景以及部分科研實(shí)驗(yàn)中有應(yīng)用，它的響應(yīng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)味道識別，成本較低，在食品粗篩領(lǐng)域應(yīng)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(dá)5%左右，響應(yīng)迅速，一般在幾十毫秒至數(shù)秒間，常用于食品精準(zhǔn)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(yán)苛的場景。

觸覺傳感器

觸覺感知場景復(fù)雜、功能繁多、技術(shù)要求高，所以其機(jī)理繁雜、種類繁多?；诓牧咸匦苑诸悾?br />

一是柔性傳感器。它是以導(dǎo)電聚合物作為敏感材料，當(dāng)受到壓力時(shí)，導(dǎo)電聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率變化，具備良好柔韌性和較高靈敏度，檢測精度可達(dá)0.1N左右，響應(yīng)時(shí)間在10~20毫秒之間。常用于可穿戴電子設(shè)備、機(jī)器人皮膚等場景，能精準(zhǔn)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(xué)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(dá)0.01N甚至更低。響應(yīng)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(jī)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(shí)會產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。響應(yīng)速度極快，通常在微秒級，適合檢測高頻動態(tài)力，精度能達(dá)到0.5N左右。在醫(yī)療超聲探頭、智能假肢等領(lǐng)域應(yīng)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(shí)會發(fā)生遷移，從而引起電學(xué)性能改變，實(shí)現(xiàn)觸覺感知。具有良好的柔韌性和自修復(fù)能力，檢測精度在0.2N左右，響應(yīng)時(shí)間在15~25毫秒。在可重構(gòu)機(jī)器人、智能皮膚等前沿領(lǐng)域具有很大的應(yīng)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(yīng)時(shí)間在20~30毫秒。常用于消費(fèi)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(yīng)原理，當(dāng)有物體靠近或施加壓力時(shí)，會改變傳感器內(nèi)部的磁路，導(dǎo)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(dá)微米級。但響應(yīng)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(jī)器人抓取操作等領(lǐng)域應(yīng)用較多。

與人類觸覺相比，目前的柔性多點(diǎn)觸覺傳感器雖取得一定進(jìn)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(xué)、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(jī)器人的觸覺更接近人類水平。

人形機(jī)器人傳感器“內(nèi)”“外”兼修

人形機(jī)器人中傳感器涉及物理量、化學(xué)量、生物量三大敏感機(jī)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(jī)器人內(nèi)部性能感知部件。

一是加速度傳感器。當(dāng)機(jī)器人在直線軌道上加速或減速運(yùn)動時(shí)，加速度計(jì)能夠精確測量各個(gè)方向上的加速度變化值，并同步反饋給控制系統(tǒng)，使機(jī)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(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)身、扭動、轉(zhuǎn)彎等動作時(shí)，精準(zhǔn)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(yùn)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(jī)器人各個(gè)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(shí)時(shí)、精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂等部件運(yùn)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(dāng)執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)，力傳感器能夠?qū)崟r(shí)感知抓取作用力和反作用力的大小?；谶@些數(shù)據(jù)，機(jī)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(shí)采取應(yīng)對措施，保護(hù)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(jī)械結(jié)構(gòu)件、電機(jī)以及控制器電路板等關(guān)鍵部件的溫濕度狀況。長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，電路元件和機(jī)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。控制系統(tǒng)可依據(jù)數(shù)據(jù)信息和故障模型適時(shí)調(diào)整運(yùn)行功率和狀態(tài)，或采取相應(yīng)的散熱、除濕措施。

六是磁傳感器。根據(jù)磁場變化實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航功能。特別在特殊、復(fù)雜場景下，能夠精準(zhǔn)識別自身方位，合理規(guī)劃運(yùn)動路徑。

當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行轉(zhuǎn)身等各種復(fù)雜動作時(shí)，需要加速度計(jì)、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。控制系統(tǒng)基于采集到的海量數(shù)據(jù)，運(yùn)用精密復(fù)雜算法，實(shí)時(shí)下達(dá)運(yùn)動指令，確保機(jī)器人動作自然、流暢、安全、精準(zhǔn)，并可提供故障范圍量化數(shù)據(jù)發(fā)出警報(bào)，方便技術(shù)人員及時(shí)展開針對性的維護(hù)與調(diào)整，為長期穩(wěn)定運(yùn)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(jī)器人的技術(shù)水平、作業(yè)能力。

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

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(jī)器人才能更好地適應(yīng)各種應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更智能的服務(wù)功能。

具身智能傳感器發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?/strong>