人形機(jī)器人內(nèi)部傳感器：運(yùn)動控制的“感知基石”

內(nèi)部傳感器是人形機(jī)器人運(yùn)動控制反饋系統(tǒng)的核心組件，在精細(xì)操作與柔性控制需求日益增長的背景下，對高性能傳感器的需求應(yīng)運(yùn)而生。這些高性能傳感器涵蓋慣性傳感器、編碼器以及力學(xué)傳感器等類型。

人形機(jī)器人內(nèi)部傳感器對比 來源：《人形機(jī)器人傳感器應(yīng)用綜述》

01

慣性傳感器

慣性傳感器是機(jī)器人運(yùn)動控制及導(dǎo)航的基礎(chǔ)。按被測物理量劃分，慣性傳感器可分為加速度傳感器（加速度計）和角速度傳感器（陀螺儀）。將加速度計與陀螺儀整合，可以得到最基本的六軸慣性測量單元（IMU）。六軸IMU用于測量物體三軸的角速度與加速度，一般包含三個單軸加速度計和三個單軸陀螺儀。

在人形機(jī)器人中，IMU通常布置于胯下或胸腔部位，是保障運(yùn)動穩(wěn)定性的核心。初始化階段，其輸出的姿態(tài)信息結(jié)合質(zhì)心狀態(tài)助力機(jī)器人穩(wěn)定站立；行走過程中，實(shí)時反饋?zhàn)藨B(tài)數(shù)據(jù)確保沿預(yù)定路線行進(jìn)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)原地轉(zhuǎn)彎；緊急制動時，支撐系統(tǒng)快速響應(yīng)恢復(fù)穩(wěn)定姿態(tài)。目前，特斯拉Optimus、波士頓動力Atlas、優(yōu)必選Walker X等全球主流人形機(jī)器人均內(nèi)置IMU，保障肢體動作精確控制。

IMU在人形機(jī)器人中的應(yīng)用 來源：原極科技

02

編碼器

在人形機(jī)器人的應(yīng)用場景中，編碼器的數(shù)據(jù)反饋起著舉足輕重的作用。它主要承擔(dān)著實(shí)時監(jiān)測并調(diào)控機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動位置的任務(wù)，以此確保機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精確運(yùn)動控制和精準(zhǔn)定位。

人形機(jī)器人對編碼器需求量極大，廣泛分布于全身關(guān)節(jié)。特斯拉人形機(jī)器人運(yùn)動控制模塊主要分為直線執(zhí)行模組、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組和靈巧手，每個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組具備獨(dú)立的輸出和輸入兩個編碼器，而每個直線執(zhí)行模組則配置了一個編碼器；在靈巧手模塊中，為滿足其復(fù)雜功能需求，每個空心杯電機(jī)模組均搭載了一個編碼器，單個人形機(jī)器人總計需要40個編碼器。

特斯拉人形機(jī)器人編碼器統(tǒng)計 來源：人形機(jī)器人傳感器應(yīng)用綜述

編碼器分類方式多樣：按測量類型可分為線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器；按輸出信號可分為絕對式與增量式；按技術(shù)原理可分為光電、電感和磁編碼器。

來源：《人形機(jī)器人傳感器應(yīng)用綜述》（言衛(wèi)等）

其中，電感編碼器與磁編碼器憑借體積小、重量輕、溫域?qū)挕⒖箾_擊等優(yōu)勢，契合人形機(jī)器人的應(yīng)用需求，已在埃斯頓酷卓Codroid 02、特斯拉Optimus等產(chǎn)品的關(guān)節(jié)電機(jī)中大量應(yīng)用。

03

力學(xué)傳感器

力學(xué)傳感器的性能直接決定機(jī)器人的操作精度、安全性與智能化水平，通過力反饋信號讓機(jī)器人實(shí)時感知關(guān)節(jié)與部位受力狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整動作以適應(yīng)環(huán)境。按測量維度劃分，力學(xué)傳感器可分為一維、三維和六維三類：一維傳感器測量單一軸向力或力矩，安裝于髖、膝、踝等主要關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)力控、柔性交互與碰撞檢測，成本低且技術(shù)成熟；三維傳感器檢測三軸力，可部分替代六維傳感器應(yīng)用于靈巧手抓握等基礎(chǔ)場景；六維力/力矩傳感器可同步測量三維力與三維力矩，實(shí)現(xiàn)全空間力覺感知，安裝于手腕時能感知手部與操作物體的交互力，支撐靈巧操作，安裝于腳踝時可測量足地相互作用力，為雙足步行穩(wěn)定性、步態(tài)優(yōu)化、跌倒預(yù)警提供關(guān)鍵響應(yīng)。

人形機(jī)器人六維力傳感器產(chǎn)品 來源：藍(lán)點(diǎn)觸控

按測量原理，力學(xué)傳感器可分為應(yīng)變式、壓電式、電容式和光電式，其中應(yīng)變式及其衍生的六維傳感器因成本與穩(wěn)定性優(yōu)勢，是當(dāng)前人形機(jī)器人的主流選擇。

綜上，慣性傳感器、編碼器與力學(xué)傳感器在人形機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)中各司其職、協(xié)同發(fā)力。慣性傳感器保障運(yùn)動穩(wěn)定與導(dǎo)航精準(zhǔn)，編碼器實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)動作精細(xì)調(diào)控，力學(xué)傳感器提升操作精度與環(huán)境適應(yīng)性，三者共同推動人形機(jī)器人向更高性能的精細(xì)操作與柔性控制方向發(fā)展，是人形機(jī)器人技術(shù)迭代的核心支撐。

參考來源:

各企業(yè)官網(wǎng)

言衛(wèi).人形機(jī)器人傳感器應(yīng)用綜述

陳珊.編碼器專利技術(shù)綜述