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重点内容速览:

1. 位置传感器:运动控制的基石
2. 张力传感器:绳驱灵巧手的守护者
3. 力矩传感器:赋予灵巧手“轻拿轻放”的能力
4. 触觉传感器:模拟人类皮肤的精细感知

人形机器人,作为未来智能社会的重要载体,其发展正日益加速。在众多核心技术中,灵巧手无疑是衡量机器人智能化水平的关键指标之一。人类手部拥有无与伦比的精细操作能力,能够完成从抓取重物到缝合手术线等一系列复杂任务。这种卓越的灵活性和适应性,很大程度上得益于手部高度发达的感知系统——一个能够实时获取位置、力、触觉乃至温度等多模态信息的复杂网络。因此,要赋予人形机器人以“巧手”,使其能够像人类一样与物理世界进行精细互动,就必须为其配备一套同样先进、多样化的传感器系统,作为其感知世界的“神经末梢”。

传感器系统是灵巧手实现闭环控制、环境感知和智能决策的基石。没有精确可靠的传感器反馈,机器人灵巧手将无法准确获知自身关节的位置、施加力的大小、与物体接触的状态等关键信息,从而难以实现精确、安全、智能的操作。本文将深入探讨人形机器人灵巧手所依赖的各类传感器技术,包括位置传感器、张力传感器、力矩传感器和触觉传感器,并分析其工作原理、应用现状、市场格局及未来发展趋势。

   位置传感器:运动控制的基石
位置传感器是灵巧手实现精确运动控制的基础。在机器人系统中,位置信息是最基本的控制参数,无论是关节角度的反馈控制,还是末端执行器位置的精确计算,都离不开位置传感器的精确测量。这些传感器主要安装在关节和电机位置,用于检测关节角度和电机转角,实现位置的闭环控制。根据工作原理的不同,位置传感器可分为霍尔位置传感器、磁学编码器和精密电位计等类型。

  霍尔位置传感器
霍尔位置传感器基于霍尔效应原理工作,即当电流通过置于磁场中的导体时,会在导体两侧产生一个与电流和磁场强度都垂直的电压。通过检测这个霍尔电压的变化,可以间接测量磁场强度,进而推算出位置信息。霍尔位置传感器产业链成熟,具有成本低、结构简单、非接触式测量等优点,常用于指关节的位置检测。

霍尔位置传感器产业链较为成熟,国际和国内有众多供应商提供相关产品。国际供应商主要包括英飞凌TDK(包括收购的 InvenSense 和 Micronas)、霍尼韦尔迈来芯(Melexis)和博世。国内供应商主要包括上海灿瑞科技上海矽睿科技江苏纳芯微天津美新半导体等。

  磁学编码器
磁学编码器是一种利用磁场变化进行位置测量的非接触式传感器,其工作原理基于磁阻效应或霍尔效应。与简单的霍尔位置传感器相比,磁学编码器采用了更为复杂的磁栅或磁码盘结构,能够实现更高分辨率的位置测量。

磁学编码器主要有霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)等几种技术路线。它们通常输出正弦波信号或数字脉冲信号,配合解码电路或软件算法,可以实现位置的精确测量。现代磁学编码器越来越多地采用数字输出接口(如SPI、SSI、BiSS等),直接输出角度数字量,简化了系统集成。

在灵巧手应用中,编码器安装位置的选择需要综合考虑测量精度、安装空间、成本、可靠性等多种因素。对于采用绳驱动方式的灵巧手,编码器通常安装在电机端或驱动器端,测量驱动电机的位置;而对于关节驱动方式,编码器可以安装在关节处直接测量关节角度。

供应商方面,磁编码器的国际供应商主要有Mosrac雷尼绍(Renishaw)、海德汉堡盟欧姆龙多摩川等编码器厂商。国内供应商包括上海灿瑞科技江苏纳芯微天津美新半导体等厂商。

 精密电位计
精密电位计是一种通过机械位移改变电阻值来测量位置的传感器。其基本结构包括电阻元件、滑动触点(电刷)、转轴或滑杆、外壳等部件。电阻元件通常由电阻丝绕制或导电塑料制成,形成一条均匀的电阻轨道。滑动触点在电阻轨道上滑动,将输入的机械位移转换为电阻值的变化。

电位计的优点是结构简单、成本低廉、输出直观,使用方便。然而,其缺点也较为明显,包括磨损与寿命有限、分辨率受限、温度漂移以及非接触式精度较低等。

供应商方面,国际供应商主要有Vishay伯恩斯(Bourns)、Megatron等精密电位计企业。国内供应商也有不少,例如捷而瑞宝特博晨等,但在精密级产品方面与国际先进水平仍存在差距。

在选择电位计供应商的时候,需要关注产品的精度等级、寿命指标、环境适应性等参数,以及供应商的技术支持和供货能力。

   张力传感器:绳驱灵巧手的守护者
张力传感器,特别是腱绳张力传感器,是绳驱动灵巧手不可或缺的关键感知部件。绳驱方式因其结构紧凑、重量轻、传动比大、可远程驱动等优点,被广泛应用于灵巧手设计中。然而,绳驱动方式也存在一些固有问题,如张力波动、绳索蠕变、磨损等,这些问题会影响传动精度和系统可靠性。腱绳张力传感器的引入,使得系统能够实时监测腱绳张力状态,为精确的力控制和健康监测提供关键数据。

张力传感器的核心功能是实时监测绳张力,为力控制、健康监测、误差补偿提供反馈。其优点显著,包括实现力反馈闭环、监测绳索寿命、结构紧凑。其缺点也不容忽视,包括绳索材料问题(普通材料的腱绳易断、形变导致力控精度不够,高分子材料易老化,钢丝绳虽耐高温但易断且重)、维护成本高(磨损需要校准)、标定复杂(需要考虑摩擦、安装位置等),以及寿命短等问题。

供应商方面,国际供应商主要有意大利机器人公司Prensilia S.r.l.。国内企业则包括坤维科技(定制微型张力测力计)、矩侨工业(柔性纤维传感器,可感知张力)等。

   力矩传感器:赋予灵巧手“轻拿轻放”的能力
力矩传感器,尤其是六维力矩传感器,好比机器人的感官神经,能够同时感知横向、纵向、垂直方向的力和力矩,并提供最全面的力反馈。它可安装在机器人的手腕上,能让机器人懂得轻拿轻放;安装在脚踝上,可以帮助机器人实现稳健行走;安装在指尖,帮助灵巧手感知力的大小。六维力矩传感器对于实现柔顺控制、阻抗控制等高级控制策略至关重要。

从市场前景来看,据高工机器人产业研究所预测,2025年中国六维力传感器在人形机器人领域的出货量将达到1.23万台。目前六维力传感器的价格差异较大,进口品牌单价通常在2万元至10万元,国产中高端产品价格在1万元至5万元之间。

供应商方面,国际供应商主要有瑞士的ATI、德国的SCHUNK、丹麦的OnRobot,以及加拿大的Robotiq等;国内近几年发展迅速,有很多新兴企业快速涌现,有的已经有量产产品,例如蓝点触控宇立仪器坤维科技等。

图:蓝点触控六维力传感器(来源:蓝点触控)

此外,敏之捷、鑫精诚、汉威科技、东华测试、海伯森、中科米点、武汉神动、安培龙等厂商开始小批量试产;也有一些国内厂商推出了MEMS六维力传感器,例如航凯微电、柯力传感等;还有智立传感推出了AI六维力传感器,融合了力觉多模态模型,能够精准捕捉到细微力学变化,搭载了AI端侧芯片,实现了数据处理大幅提升,融合AI算法实现自校准,测量精度误差突破至0.2%满量程。

   触觉传感器:模拟人类皮肤的精细感知
触觉传感器赋予灵巧手类人皮肤般的触觉感知能力,能够感知接触力的大小、分布、方向,以及物体的纹理、硬度、滑动状态等信息,是灵巧手实现精细化操作的关键。伴随着人形机器人处理任务复杂度的提升,以及应用场景从工商业拓展到家庭等更多应用场景,触觉将逐步从灵巧手向手臂、足部、躯干和脸部等延伸。

不过,触觉传感器主流技术路线众多,包括了压阻、电容、压电、霍尔效应、光学、摩擦电和视触觉等。各技术路线在实际落地中均存在性能与成本端的瓶颈。其中,MEMS触觉传感器、霍尔效应触觉传感器、视触觉传感器,以及电子皮肤是目前灵巧手中采用比较多的触觉传感器类型。

  MEMS触觉传感器


MEMS传感器虽然在消费电子和工业电子领域的应用已经非常成熟了,但应用在人形机器人身上的MEMS压力传感器产业还不成熟,目前还没有看到量产的产品。主要是因为业界还有几个担忧:

  • 一是精度。灵巧手如果想要平稳地拿取鸡蛋,或者抚摸不规则物体的表面,需要传感器能够感知到极其微小的力。但现在MEMS传感器的感知精度在0.1N左右,而人类指尖能感受到0.0002N的压力,两者差距巨大。

  • 二是维度。市面上MEMS压力传感器基本上都是一维的,只能检测垂直于表面的正向压力,即法向力,无法感知切向力。

  • 三是柔性。MEMS压力传感器因为有PCB板、封装外壳等硬质材料,缺乏柔性,很难在多曲面结构上部署,更适合以阵列形式部署在掌心,或指腹等相对平坦的地方。

  • 四是环境适应性。MEMS压力传感器会受到温度、湿度、电磁干扰等影响。因为手是干活的最终端,受到的影响也是最大的。必须解决环境适应性问题才能让产品落地。

  • 五是成本。目前的MEMS压力传感器的成本还偏高,难以普及。


供应商方面,敏芯股份的MEMS压力传感器处于研发阶段;华培动力全资子公司盛美芯计划会做机器人用的MEMS压力传感器,但目前还没有明确进度和成果;北京泽声科技已经在2025年推出了MEMS应变传感器芯片ZSFS1001。其他MEMS企业,例如赛微电子、安培龙、康斯特、歌尔等目前并没有做人形机器人相关MEMS传感器的计划。


可以看到,虽然压力传感器和惯性传感器都是采用MEMS加工工艺,核心工业可以复制,但企业的投入意愿并不强烈。芯查查认为,这或许跟目前人形机器的市场还没有大规模起量有关系。


  霍尔效应触觉传感器

基于霍尔效应的触觉传感器是目前人形机器人灵巧手中,解决多维力感知和剪切力/滑移检测最前沿且最容易落地的方案之一。与智能检测法向压力的传统压阻或电容式传感器,它能像人类指尖一样,感知物体滑落的方向和切向摩擦力。


其最大的优势是天然支持三维力解耦,而且响应速度极快且无迟滞,其缺点是怕外部强磁场干扰,以及算法与标定极其复杂。


在精度方面,根据一些厂商的宣传,精度可以做到0.01N,是目前精度比较高的触觉传感器之一。

图:XELA Robotics的uSkin三轴触觉传感器(来源:XELA Robotics,芯查查)
供应商方面,据芯查查了解,日本的XELA Robotics是该领域的国际标杆,其主力产品uSkin是典型的高密度三轴触觉传感器,厚度仅为5.5mm,内置了霍尔磁性传感阵列。可以跟“创可贴”一样贴在Allegro Hand等机械手上。比利时的迈来芯(Melexis)为机器人市场设计的Tactaxis系列产品,能够以高精度和高分辨率检测法向和横向(剪切)力,精度为0.03N。

图:帕西尼第三代高精度多维触觉传感器PX6AX-GEN3(来源:帕西尼)

国内的帕西尼在2025年9月推出了其第三代高精度多维触觉传感器PX-6AX-GEN3,凭借其6D霍尔阵列式触觉传感技术积累,帕西尼多维触觉传感器GEN3采用了第三代自研芯片及封装技术,与AMSS全模量测量系统,能以每秒100万次的高频对多层嵌套磁场阵列分布进行高精度采样,经传感器内封装的非线性力学反演算法处理,最终可实现1kHz频率输出六维力(三维力+三维力矩)、力分布、材质、温度、回弹等15种触觉感知信息,并以0.01N的精细力识别能力与全量程<0.5%FS级重复精度,为具身智能提供类人般丰富细腻、稳定可靠的触觉交互信息。

  视触觉传感器

视触觉传感器是融合光学成像与触觉感知的传感方法。核心原理是用摄像头拍下弹性材料接触物体时的细微形变,再把这些变化转化成高清的“触觉照片”,通过摄像头观察柔软层的形变来“感受力量、纹理和滑动”。具有接近人手的动态感知与高灵敏度,适配AI与大模型的图像化数据格式,具有

易集成,抗干扰能力强的优势。


最早由东京大学研究团队于2004年提出,后经MIT CSAIL的Edward Adelson教授团队持续迭代发扬光大,并成立Gelsight公司产业化。


国内近几年也出现了不少专注于视触觉传感器的企业,例如纬钛机器人,其创始人李瑞博士师从GelSight创立者EdwardAdelson教授,延续前沿技术脉络;戴盟机器人孵化于香港科技大学科研团队;叠动科技融合MEMS工艺与视触觉技术;千觉机器人、智元机器人、帕西尼、一目科技等则通过自主研发,从多维触觉、全栈系统等方向切入视触觉传感器赛道。


  电子皮肤

在人形机器人灵巧手中,电子皮肤是触觉传感器的一种高级形态。如果说普通触觉传感器像指尖等一个“硬质按钮”,那么电子皮肤则像人类的皮肤一样,具备柔韧性、可拉伸性,并能完美贴合灵巧手复杂的曲面,实现大面积、高密度的触觉覆盖。


根据Grand View Research数据,全球电子皮肤市场在2024年规模约为107亿美元,预计到2030年将增长至370.9亿美元,未来五年复合年增长率约23%。柔性触觉传感器作为电子皮肤的核心基础,行业研究机构预测其市场规模到2026年将达到约45亿美元。人形机器人市场的快速扩张成为推动电子皮肤需求的重要动力。

图:福莱新材第3代电子皮肤(来源:福莱新材)

供应商方面,国际厂商包括美国的Inter ElectronicsTekscan等;国内厂商主要有汉威科技、福莱新材、华威科、帕西尼、他山科技、钛深科技、墨现科技、晶智感、矩侨工业等。其中,墨现科技的电子皮肤产品已经能够实现灵巧手的整体包覆;2026年初,福莱新材与灵心巧手签下了10万套触觉传感器(电子皮肤)订单,标志着电子皮肤正式从实验室定制走向规模化工业标配;晶智感在2025年推出了“高自由度全掌触觉解决方案”,实现了全域感应,其1397个触觉点分布于16个传感区域,该方案在灵心巧手的L20工业版灵巧手上已经实现应用。

   结语
人形机器人灵巧手的发展,离不开传感器技术的持续创新与突破。从精确的位置感知到细腻的触觉反馈,各类传感器共同构筑了灵巧手感知世界的完整体系。目前来看,灵巧手相关传感器将会往多模态融合、高集成度与小型化、柔性化与仿生化,以及智能化与模块化方向发展。

尽管当前仍面临精度、柔性、集成度及成本等多重挑战,但随着材料科学、微电子技术和人工智能的飞速发展,我们有理由相信,未来的灵巧手将拥有更加卓越的感知能力,使人形机器人能够更好地融入人类社会,在工业生产、医疗康复、家庭服务等领域发挥越来越重要的作用。

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作者 ab, 808