力矩傳感器是一種能感知力、力矩并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，包括本體單元和應(yīng)變/形變檢測系統(tǒng)兩部分。其核心原理基于霍克定律，當(dāng)有力作用于傳感器本體單元上并引起本體單元的應(yīng)變或形變時(shí)，檢測系統(tǒng)可感知本體的應(yīng)變或形變，通過電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓，通過測量電壓值來表征力的大小，并轉(zhuǎn)換成輸出信號，實(shí)現(xiàn)力的測量。

按照測量原理，力矩傳感器可以分為光電式、應(yīng)變式、電容式、壓電式等多種類型。其中應(yīng)變式力矩傳感器是當(dāng)前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的類型，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

而按照測量維度，力矩傳感器可以分為一至六維力矩傳感器，其中一維、三維和六維力矩傳感器最常見，六維力矩傳感器精度最高，其內(nèi)部算法會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，使對力的測量更為精準(zhǔn)。而一維與三維力矩傳感器在多方向、不同距離情況下所測數(shù)據(jù)失真。

圖5：一維、三維、六維力矩傳感器（從左至右）作用示意圖

在機(jī)器人領(lǐng)域，力矩傳感器可用于實(shí)時(shí)測量機(jī)器人關(guān)節(jié)所受到的外部力和內(nèi)部受力情況，以及末端執(zhí)行器與外界環(huán)境交互的受力情況，一般安裝在機(jī)器人腳掌與踝關(guān)節(jié)之間和機(jī)械手與腕關(guān)節(jié)之間，以提供更加全面的力覺感知。

根據(jù)高工機(jī)器人數(shù)據(jù)，2022 年中國力傳感器市場依然以外資品牌為主導(dǎo)，國產(chǎn)份額低于 30%，國內(nèi)廠商主要有宇立儀器、坤維科技（國內(nèi)兩大龍頭）、柯力傳感、東華測試等，國外主要有 ADI、ST 以及 TDK 等。

3.2

視覺傳感器

視覺傳感器主要分為2D和3D兩種，其中2D通過相機(jī)拍攝平面照片再通過圖像分析或?qū)Ρ茸R(shí)別對象。而3D主要通過3D攝像頭采集視野空間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)信息，再利用算法復(fù)原獲得三維立體成像。

圖6：2D（左）和3D（右）視覺傳感器原理

由于在面對復(fù)雜的物件辨識(shí)和尺寸量度任務(wù)，以及人機(jī)互動(dòng)所需要的復(fù)雜互動(dòng)時(shí)，2D視覺在精度和距離測量上存在技術(shù)局限，因此市場對3D視覺的需求與日俱增。根據(jù)成像原理的不同，3D視覺感知技術(shù)可分為光學(xué)和非光學(xué)兩大類，主要包括飛行時(shí)間（ToF）法、結(jié)構(gòu)光法、激光掃描法、莫爾條紋法、激光散斑法、干涉測量法、照相測量法、激光跟蹤法、基于運(yùn)動(dòng)的形狀獲取、基于陰影的形狀獲取等多種技術(shù)。在人形機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，3D視覺傳感器可以幫助機(jī)器人高效完成人臉識(shí)別、距離感知、避障、導(dǎo)航等功能，使其更加智能化?，F(xiàn)階段，在人形機(jī)器人運(yùn)用最廣泛的依舊是光學(xué)方法。

根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，目前視覺傳感器全球競爭格局仍以外資為主，2021年基恩士為行業(yè)龍頭，全球市占率超50%，其次為康耐視。國內(nèi)視覺傳感器市場較為分散，奧普特相對領(lǐng)先。

3.3

觸覺傳感器

機(jī)器人觸覺與視覺一樣，基本上是模擬人的感覺。利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)抓取等動(dòng)作。一般把檢測感知與外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺和壓力等信息的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器，通過將信號從其他物理波形轉(zhuǎn)換成電流或電壓波形，然后通過數(shù)字電路對波形進(jìn)行處理，并以電磁波的形式傳輸，再由另一個(gè)傳感器接收和轉(zhuǎn)換成需要的信號形式來工作。觸覺傳感器主要分為柔性和剛性（MEMS為主），但柔性傳感器是人形機(jī)器人行業(yè)的主流研究和投入方向，根據(jù)原理不同可分為電容、電感、壓阻等5種，目前壓阻式相對主流。電子皮膚（E-skin）是柔性傳感器的重要應(yīng)用，被視為未來技術(shù)發(fā)展方向，在人形機(jī)器人觸覺方案中得到較多關(guān)注。

圖7：觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

柔性觸覺傳感器目前處于發(fā)展早期，以海外企業(yè)為主，國內(nèi)布局相對領(lǐng)先的主要為漢威科技子公司能斯達(dá)（目前已有一條年產(chǎn)1000 萬支柔性傳感器的超凈印刷線和組裝線）、奧迪威及帕西尼。根據(jù)海外市場研究公司QY Research數(shù)據(jù)，按照銷售金額計(jì)，2022年全球前五大廠商（Novasentis、Tekscan, Inc.、Japan Display Inc.、Baumer Group、Fraba Group）占有大約 57.1%的市場份額。