人形机器人所使用的核心传感器技术有哪些？

人形机器人要实现复杂的运动、感知和交互功能，需要依赖多种核心传感器技术。这些传感器大致可以分为感知机器人自身状态的内部传感器和感知外部环境的外部传感器两大类。以下是一些关键的核心传感器技术：

一、 内部状态感知传感器 (感知机器人本体)

惯性测量单元：

• 功能：测量机器人的加速度和角速度。
• 核心作用：提供姿态信息（俯仰、滚转、偏航），是维持平衡和稳定行走的关键。通常包含加速度计和陀螺仪，高级的还包括磁力计（用于航向角）。
• 重要性：几乎是所有人形机器人的必备核心传感器。

关节位置/角度传感器：

• 功能：精确测量机器人各个关节的转动角度或位置。
• 核心作用：提供运动反馈，实现闭环控制。确保机器人按照指令精确地移动肢体。
• 实现方式：常用编码器（绝对式、增量式）、电位器、旋转变压器等。

关节力矩/力传感器：

• 功能：测量关节输出轴或末端执行器（如手、脚）所施加或承受的力和力矩。
• 核心作用：实现柔顺控制和安全交互。让机器人能够感知与环境的接触力（如抓取物体时施加合适的力、行走时感知地面反作用力），避免伤害人或损坏物体。
• 实现方式：常在关节驱动器处集成应变片式扭矩传感器，或在手腕/脚踝处使用六维力/力矩传感器。

电机电流传感器：

• 功能：测量驱动电机的工作电流。
• 核心作用：间接估算关节输出扭矩（因为扭矩与电流成正比），提供一种成本较低的力矩感知方式（但精度通常不如直接力传感器），也用于电机保护。

二、 外部环境感知传感器 (感知周围世界)

视觉传感器：

• 功能：获取环境的图像信息。
• 核心作用：环境感知、物体识别、导航、避障、手势识别、人脸识别、场景理解等。
• 实现方式：
  • 摄像头：单目、双目（立体视觉，可计算深度）、多目。
  • 深度摄像头：如结构光、飞行时间、双目深度相机。直接提供深度信息（点云），对空间感知至关重要。
  • 事件相机：一种新型传感器，响应亮度变化而非传统帧率，具有高动态范围、低延迟特性，适合高速运动场景。

激光雷达：

• 功能：通过发射激光束并接收反射光，测量与周围物体的距离，生成环境的点云模型。
• 核心作用：高精度的三维建图、定位、导航、避障（尤其是在室外或光线变化大的环境）。常与视觉传感器融合使用。
• 类型：单线、多线（如16线、32线、64线）、固态激光雷达。

听觉传感器：

• 功能：采集声音信号。
• 核心作用：语音交互（语音识别、语音合成）、声源定位（判断声音来源方向）、环境声音识别（如识别警报声）。
• 实现方式：通常使用麦克风阵列，利用多个麦克风的空间分布进行声源定位和降噪。

触觉/接近传感器：

• 功能：
  • 触觉传感器：测量接触点的压力、形状、纹理、温度等。
  • 接近传感器：探测近距离内非接触物体的存在（如红外、超声波）。
• 核心作用：实现精细操作（如灵巧抓取、物体操控）、安全碰撞检测（在接触前感知物体避免碰撞）。
• 实现方式：常集成在机器人皮肤或末端执行器上，如电容式、压阻式、光学式传感器阵列。接近传感器则多用于身体外围检测。

三、 其他重要传感器与系统

• 全球定位系统：主要用于室外大范围定位。
• 温度传感器：监测机器人内部关键部件（如电机、控制器）和外部环境温度，防止过热。
• 电池监测传感器：监测电池电压、电流、温度、剩余电量，确保能源管理。

总结

人形机器人是高度复杂的系统，其核心传感器技术涵盖了感知自身运动状态和感知外部环境的各个方面。IMU、关节编码器、力/力矩传感器、视觉传感器（尤其是深度视觉）和激光雷达通常是最核心和关键的。这些传感器产生的海量数据需要通过强大的计算平台进行传感器融合处理，才能让机器人实时理解自身状态和周围环境，并做出智能决策和动作。

随着技术的发展，传感器正朝着小型化、集成化、低成本、高精度、高鲁棒性的方向发展，同时多模态融合和智能感知（在传感器端进行初步处理）也是重要的趋势。