人形機器人是一種模仿人類外形和某些行為的機器人,通常設計成擁有類似于人類的外形。在服務業、醫療、教育、科研和工業領域等多個領域都有應用。人形機器人憑借其類人的感知交互能力、肢體結構和運動方式,能夠快速融入為人類設計的各種環境,用于替代人類做簡單重復勞動和危險的作業活動,同時可以輔助人類完成復雜的工作。
傳感器是人形機器人感知能力的關鍵 ,決定了機器人能否在真實世界中穩定、安全、智能地與人和環境交互。將感知到的信息傳達至中央處理單元,做出相應的反應和動作。
機器人內部與性能相關的感知能力和與外部交互相關的觸覺、視覺、聽覺能力都極為關鍵,直接影響機器人可使用的范圍。
人形機器人常用的傳感器及其作用
內部傳感器--感知自身狀態
此類傳感器主要用于監測機器人自身的運動學和動力學狀態,確保其動作的精準、穩定與安全。
關節位置/角度傳感器(編碼器):安裝在各個關節電機處,用于實時、精確地測量關節的轉動角度、位移和速度,實現高精度閉環位置控制和軌跡跟蹤的基礎。
關節扭矩傳感器:安裝在關節執行器處,直接測量電機軸的扭矩,用于負載估計、碰撞檢測和阻抗控制。
六維力/力矩傳感器:主要部署在手腕、腳踝和軀干等關鍵交互部位。能同時測量xyz三個方向的力和力矩,是實現外力辨識、柔順控制、零力示教和動態平衡的核心。
慣性測量單元(IMU):通常安裝在軀干、骨盆、頭部等位置。它通過測量角速度、線性加速度等數據,實時計算機器人的姿態(俯仰、橫滾、航向),維持機器人動態平衡與姿態控制,相當于機器人的“小腦”。
動力系統傳感器:包括溫度、電流、電壓傳感器等,部署在電機、驅動器、電池包等關鍵部件上。負責監測動力系統的運行狀態,實現過熱保護、過載保護、能耗管理和壽命預測。
壓力/應變傳感器:安裝在腳底或關鍵結構件上,用于檢測接觸壓力或結構形變,輔助機器人進行步態調整、平衡控制以及結構健康監測。
外部傳感器--感知外部環境
此類傳感器是機器人與外部世界交互的“窗口”,用于獲取環境信息、識別目標并實現人機交互。
視覺傳感器:是人形機器人的“眼睛”,主要部署在頭部或軀干。
RGB攝像頭:用于目標檢測、識別、跟蹤,以及表情與手勢交互。
深度相機:獲取環境的深度圖或點云,用于3D重建、避障、人體/手骨架估計。
激光雷達:生成高精度3D點云,主要用于大范圍環境的SLAM建圖、定位和障礙物檢測。
觸覺傳感器:成為電子皮膚,模擬人類皮膚,主要覆蓋在靈巧手(指尖、手掌)和機身表面。能感知壓力分布、溫度、剪切力、紋理等物理信息,是實現精細操作(如抓取易碎物品)與安全接觸的關鍵。
聽覺傳感器:麥克風陣列,部署在頭部或胸前,用于語音識別、聲源定位和語音增強,支持遠場語音交互。
其他場景化傳感器:根據特定應用場景定制。
服務/養老場景——配置心率、體溫、跌倒檢測等生物傳感器,用于健康監測。
工業/特種場景——配置紅外測溫、氣體檢測、防爆等傳感器,適應高溫、有毒等惡劣環境。
安防場景——配置人臉識別、移動監測等傳感器,用于身份核實和異常行為預警。
定位與導航傳感器
此類傳感器為機器人在空間中的移動提供位置和方向信息。
GNSS(如GPS/北斗):主要用于室外環境,提供全局定位和時間同步。
里程計:通過積分足端或驅動輪的運動,獲得相對位移和速度信息,常與IMU融合以提高室內或短距離導航的精度。
人形機器人依賴傳感器構成的“感知神經網絡”,實現對自身狀態和外部環境的實時、全面感知,將這些信息融合后,為機器人的決策、規劃和控制提供數據支撐,是其實現平衡行走、靈巧操作、環境理解和智能交互的物理基礎。