（8-1）传感器系统与信息获取：运动与姿态传感
本章内容围绕人形机器人传感器系统与信息获取机制展开，系统介绍了机器人对自身状态与外部环境的感知知识。首先从运动与姿态感知入手，介绍了IMU、关节编码器与力矩传感器在姿态估计、关节状态反馈及力控中的核心作用；然后讲解了外部环境传感的知识，重点分析了深度相机、激光雷达以及触觉与压力阵列在空间感知、目标识别与安全交互中的应用特点与互补关系。在此基础上，进一步探讨多传感器系统的同步与传输问题，涵盖了时钟同步机制、数据带宽与实时性约束，以及电磁干扰对信号稳定性的影响与工程对策，为构建高可靠、高实时的人形机器人感知系统奠定基础。
8.1 运动与姿态传感
运动与姿态传感是人形机器人实现稳定行走、精确操作与动态平衡控制的基础。本节主要关注机器人对自身运动状态与关节状态的感知能力，通过多类内部传感器实时获取姿态、角速度、关节位置及力学信息，为运动控制、状态估计与安全策略提供关键数据支撑。
8.1.1 IMU
MU（惯性测量单元）是人形机器人运动与姿态感知的核心中枢，通过集成陀螺仪、加速度计（部分高端型号含磁力计或气压计），实时采集机体角速度、线加速度等惯性数据，经解算输出姿态角（欧拉角、四元数）、运动状态等关键信息，直接支撑动态平衡控制、运动轨迹规划、外力扰动补偿等核心功能。
1. 核心功能与作用
IMU的核心价值在于“无外部依赖的实时姿态感知”，覆盖了如下所示的三大核心场景：
- 姿态解算：通过陀螺仪与加速度计数据融合，输出躯干、肢体的俯仰角、横滚角、偏航角，为平衡控制提供基础反馈，例如奔跑时实时修正躯干倾斜；
- 运动状态监测：通过加速度数据识别行走、奔跑、跳跃等模式，辅助控制器切换适配策略；
- 扰动感知：快速捕捉踩空、碰撞等突发状况，为毫秒级姿态调整提供数据支撑。
无论是四足还是人形机器人，IMU均是保障复杂工况下稳定性与动作精度的关键部件。IMU分布式时钟同步与数据传输架构如图8-1所示，清晰展示了IMU分布式时钟同步与数据传输的核心流程。
图8-1 IMU分布式时钟同步与数据传输架构
2. 技术选型要点
人形机器人对IMU的选型围绕“高精度、低噪声、抗振动、小型化”四大核心需求，主流采用MEMS（微机电系统）架构，关键参数需要满足：
- 陀螺仪零偏稳定性≤0.1°/h，避免长时间漂移；
- 加速度计噪声密度≤10μg/√Hz，确保动态信号纯净；
- 采样率≥500Hz（高端型号可达1kHz~2kHz），匹配高动态运动感知需求。
同时，需兼顾体积（典型尺寸≤20mm×20mm×10mm）、功耗（工作电流≤50mA）与环境适应性（-10℃~60℃工作温度），部分场景会集成磁力计或气压计，提升航向角精度与高度测量能力。
例如图8-2是HiPNUC推出的HI02 IMU/VRU产品，是一款低成本、高性能的惯性测量单元，其零偏不稳定性可达3°/h，能提供精准的姿态感知能力，适配人形机器人的关节、躯干等部位集成，可辅助实现行走平衡、运动姿态控制等功能，且设计紧凑便于小型设备部署。
图8-2 HI02 IMU/VRU产品
3. 主流机器人品牌IMU应用实践
不同品牌基于产品定位（消费级/工业级、四足/人形），在IMU选型、部署与融合策略上形成差异化方案。
（1）宇树科技（Unitree）
聚焦于四足机器人（Go1、B1）与人形机器人（H1），IMU设计以“高响应性+成本可控”为核心，适配多场景需求。在选型上采用六轴MEMSIMU（三轴陀螺仪+三轴加速度计），核心供应商为上海联影微电子与汉威科技：
- 联影微电子IMU侧重于动态响应速度，0.001秒内即可捕捉机体5°倾斜等瞬时变化，配合上海控维智能运动控制器实现快速平衡调整；
- 汉威科技IMU则通过SIP（系统级封装）技术，实现小型化（≤20mm×20mm）与低功耗（≤30mA），适配机器人轻量化设计。
- 在部署上，集中安装于躯干重心区域（骨盆上方），采样频率1kHz，通过SPI接口实时传输数据，无磁力计设计，依赖关节编码器数据修正航向漂移，支持-10℃~60℃工作温度，可应对室内外通用场景。
（2）特斯拉Optimus
作为面向工业与消费场景的人形机器人，其IMU方案以“汽车级可靠性+多模态融合”为核心，采用自研高集成度MEMSIMU模块。
- 架构：集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计与三轴磁力计，形成了九轴感知架构，陀螺仪零偏稳定性提升至≤0.05°/h，加速度计噪声密度≤5μg/√Hz，采样率达2kHz，通过特斯拉自研的“惯性-视觉-关节”多源融合算法，修了正IMU累积漂移问题。
- 部署：采用分布式布局，除躯干重心区域的主IMU外，腿部、手臂等关键肢体均配备次级IMU，实现局部姿态精准感知，配合车载级电磁屏蔽设计，抵御电机、通信总线（EtherCAT）的电磁干扰。
- 数据传输：通过特斯拉自研的高速通信协议，与机器人分布式时钟同步，时间戳误差≤5μs，支撑3m/s以上奔跑、重物搬运等高强度工况。
（3）混元机器人（HYUNDAI）
聚焦工业级人形机器人（如MEX），IMU方案主打“高精度+冗余容错”，选型上采用瑞士苏黎世仪器（Zurich Instruments）定制化IMU与Lord Microstrain 3D M-GX5-25高端型号搭配。核心参数上，采样率达1kHz~2kHz，陀螺仪零偏稳定性≤0.03°/h，加速度计噪声密度≤3μg/√Hz，支持动态零偏校准，长时间运行姿态漂移≤0.1°/h。部署上采用“主-备”冗余设计，躯干重心区域安装主IMU，腿部、腰部配备备用IMU，单个传感器故障时可无缝切换，保障系统可靠性。融合策略上，通过扩展卡尔曼滤波（EKF）整合IMU数据与激光雷达、深度相机信息，同时接入关节力矩传感器数据，实现姿态、运动状态与外力感知的协同优化，适配工业装配、复杂地形导航等高精度需求。
4. 部署与安装规范
在安装IMU时需要遵循“贴近重心、减少扰动、刚性固定”原则，具体说明如下所示。
- 安装位置优先选择躯干重心区域（如骨盆、躯干中部），避免肢体局部运动干扰；安装方式采用螺纹或卡扣刚性连接，必要时添加硅胶减振垫，过滤关节高频振动；
- 安装方向需严格校准，确保IMU坐标轴与机器人机体坐标系一致，避免解算偏差。
部署后需完成多轮校准，其中通过静态校准消除零偏误差，通过动态校准修正安装误差，通过温度校准补偿环境温度影响，确保全工况下的感知精度。
5. 性能优化与抗干扰设计
工程中通过“算法融合+硬件强化”解决IMU漂移与抗干扰问题：算法层面，宇树科技依赖“IMU+关节编码器”双源融合，特斯拉采用“惯性-视觉-关节”多模态融合，混元机器人则整合IMU与激光雷达、力矩传感器数据，均通过EKF、UKF等算法修正漂移；动态校准技术可在运动过程中自动识别匀速、静止工况，实时修正陀螺仪零偏。硬件层面，主流品牌均采用电磁屏蔽外壳、隔离式DC-DC电源供给，过滤电磁干扰与电源噪声；数据传输选用SPI、EtherCAT等高速同步接口，传输延迟控制在1ms以内，确保与控制器、执行器的实时协同。
6. 工程实践要点
主流机器人IMU应用均关注三大核心细节：一是冗余设计，特斯拉、混元机器人通过分布式部署或主备切换，提升故障容错能力；二是数据同步，IMU采样时钟与通信总线分布式时钟对齐，时间戳误差≤10μs，为多传感器融合奠定基础；三是维护校准，定期进行零偏校准与性能检测，尤其在剧烈碰撞或长期停机后需重新动态校准。目前，宇树科技IMU可支撑四足机器人跳跃、人形机器人平稳行走，特斯拉Optimus与混元机器人IMU则已实现高动态奔跑、工业级高精度操作，验证了方案的工程实用性。
8.1.2 关节编码器
关节编码器是人形机器人关节运动控制链路中的核心传感部件，其核心功能是将关节的机械转动量（转角、位移、转速等）精准转换为电信号（数字信号或模拟信号），为运动控制器提供实时、可靠的关节状态反馈，是实现关节运动闭环控制、姿态精准调控、动作平稳性保障的基础。它直接串联起关节的机械执行机构与电控系统，性能参数（如精度、分辨率、响应速度等）直接决定机器人关节的运动精度、动态响应能力及运行稳定性，广泛应用于机器人腿部、手臂、颈部、手部等各类活动关节。
例如图8-3是海德汉ECI/EBI/EQI1100系列无轴承绝对值旋转编码器，是适配人形机器人关节的小型高精度传感部件，主要特点如下。
- 直径约35mm的紧凑尺寸搭配单端开口中空轴结构，轴向公差可达±0.4mm，能灵活嵌入机器人腿部、手臂等空间受限的关节；
- 采用坚固的电感扫描技术，定位精度达±120″、分辨率为524288位置/转，还支持最多65536圈多圈功能，工作温度最高达115℃，抗干扰性与环境适应性突出；
- 配合EnDat接口的稳定信号输出，可实时精准反馈关节转角，是保障人形机器人关节运动闭环控制、姿态调控平稳性的核心部件之一。
图8-3 海德汉ECI/EBI/EQI1100系列无轴承绝对值旋转编码器
1. 核心定义与系统作用
从技术本质来看，关节编码器是一种“机械量-电信号”的转换装置，通过与关节输出轴或传动机构刚性连接，同步采集关节的转动信息，经内部信号处理单元（放大、滤波、模数转换等）处理后，输出符合控制器接口规范的信号。在人形机器人系统中，其核心作用体现在如下三个维度：
- 一是“状态感知核心”，为运动控制算法提供实时的关节位置、速度数据，是实现“指令下发-状态反馈-偏差修正”闭环控制的前提；
- 二是“精度保障关键”，通过高精度角度检测，确保关节运动轨迹与预设指令的偏差控制在允许范围内，保障机器人动作的精准性；
- 三是“安全防护基础”，通过监测关节运动参数的异常变化（如超程、卡滞、转速骤变等），配合安全控制模块实现紧急停机，避免机械结构损坏或运动失控。
2. 核心功能
关节编码器的功能围绕“精准感知、实时反馈、辅助防护”展开，各核心功能的技术实现与应用价值如下：
（1）绝对位置检测
该功能可输出关节在全行程转动范围内的唯一绝对位置信息，无需依赖初始零点校准，且断电后位置信息不会丢失，机器人重启后可直接获取当前关节位置，无需重新执行回零流程。其技术核心是通过内部集成的编码盘（光学或磁性）记录唯一的位置编码（如格雷码、二进制码），检测单元读取编码信息后直接转换为绝对位置数值。这种功能特性大幅提升了机器人的启动效率，避免了回零过程中可能出现的定位偏差，尤其适用于对启动速度和定位精度要求高的核心关节。
（2）相对位移与速度测量
实时采集关节相对于初始零点的增量位移，并通过位移信号的时间差分计算关节转动速度。技术上多采用脉冲计数方式，编码盘转动时产生周期性脉冲信号，控制器通过计数脉冲数量获取位移信息，通过单位时间内的脉冲频率计算转速。该功能是实现关节动态运动控制的关键，能为控制器提供实时的运动速度反馈，确保关节加速、减速过程平稳，避免出现冲击或卡顿。
（3）角加速度推算
通过连续采集的速度信号或位置信号，经算法处理推算关节的角加速度，为运动控制算法（如PID调节、轨迹规划）提供动态参数。部分高精度编码器内置专用信号处理芯片，可直接输出加速度信号，减少控制器的运算负荷。角加速度参数能帮助控制器预判关节运动状态变化，提前调整控制参数，进一步提升关节运动的平稳性和响应速度。
（4）故障诊断辅助
通过监测输出信号的稳定性和运动参数的合理性，识别关节卡滞、机械磨损、传动故障等异常状态。具体实现方式包括：监测脉冲信号的完整性（如脉冲缺失、幅值异常、相位错乱），判断编码器或传动机构故障；对比实测位置/速度与指令值的偏差，若偏差超过阈值，判定为关节负载异常或卡滞；部分高端型号还可监测自身工作状态（如温度、供电电压），避免因过热、欠压导致检测失效。
3. 分类（按检测原理划分）
根据核心检测原理的不同，人形机器人常用的关节编码器主要分为绝对式、增量式、霍尔式、光学式四类，各类编码器的技术细节、性能差异及适配场景各有侧重：
（1）绝对式编码器
核心技术原理是利用编码盘上的唯一位置编码实现绝对位置检测。编码盘与关节轴同步转动，盘上刻有特定的编码图案（格雷码可避免二进制码转换时的误码），检测单元（光电传感器或霍尔元件阵列）实时读取编码信息，经解码电路转换为数字信号输出。根据行程覆盖范围，可分为单圈绝对式（仅识别0-360°单圈范围内的绝对位置）和多圈绝对式（通过齿轮组或电磁计数模块实现多圈行程计数，适配大行程关节）。
其优势在于断电记忆位置、无需回零、定位精度高（通常±0.005°-±0.1°）、无累计误差；劣势是结构复杂（编码盘加工精度要求高）、成本较高（是增量式的3-5倍），多圈式的齿轮组存在长期磨损风险。在人形机器人中，主要适配腿部髋关节、膝关节、手臂肩关节等核心承重关节，这类关节直接决定机器人的行走稳定性和动作精度，对断电后快速恢复工作状态有明确需求。
（2）增量式编码器
核心技术原理是通过脉冲计数实现相对位移和速度测量。编码盘上刻有均匀分布的透光/遮光条纹（光学式）或交替排列的磁极（磁性式），关节转动时，检测单元接收交替变化的光信号或磁信号，输出A、B两相脉冲（相位差90°，可判断转动方向）和Z相零位脉冲（每圈1个，用于校准初始零点）。控制器以Z相校准的零点为基准，通过计数脉冲数计算相对位移，通过脉冲频率计算转速。
其优势是结构简单、机械磨损小、响应速度快（脉冲输出延迟≤0.1ms）、成本低廉，适合大批量应用；劣势是断电丢失位置信息，重启需回零校准，长期运行可能因脉冲计数误差累积导致定位偏差。在人形机器人中，多用于手部指关节、颈部旋转关节等辅助运动关节，这类关节运动范围有限，对断电记忆需求低，且对成本控制更敏感。
（3）霍尔式编码器
基于霍尔效应实现位置检测，核心结构为磁性编码盘（表面交替排列N、S极）和霍尔元件。当磁性编码盘随关节转动时，霍尔元件周围的磁场强度和方向周期性变化，霍尔元件输出与磁场变化对应的电压信号（模拟或数字信号），经处理后得到位置或速度信息。为提升精度，部分型号采用线性霍尔元件配合AD转换，同时集成磁场补偿模块减少外部干扰。
其优势是抗恶劣环境能力极强，可在粉尘、水汽、油污、高温（-40℃~125℃）、强振动环境下稳定工作，机械结构坚固（耐冲击）、体积小巧、功耗低；劣势是分辨率和精度低于光学式（通常±0.1°-±1°），输出信号易受外部磁场干扰，需额外增加磁屏蔽装置。在人形机器人中，适用于足部踝关节、腰部旋转关节等易受环境干扰或频繁承受冲击的关节，这类关节工作环境复杂，对传感器的环境适应性要求高于极致精度。
（4）光学式编码器
基于光的透射/反射原理实现高精度位置检测，核心结构包括光源（LED）、光栅编码盘（玻璃或金属材质，刻有高密度透光/遮光条纹）、光电传感器和信号处理电路。工作时，光源发出的平行光穿过或反射编码盘，经透镜聚焦后照射到光电传感器上，编码盘转动时，条纹交替遮挡光线，光电传感器输出周期性光电流信号，经放大、整形后转换为脉冲或编码信号。部分高端型号采用电子细分技术，可将单个脉冲细分为多个计数单位，进一步提升分辨率。
其优势是分辨率和精度极高（可达到角秒级，1角秒=1/3600°），输出信号稳定、噪声低，响应速度快（响应频率≤1MHz），适合超高精度运动控制；劣势是抗环境干扰能力弱（粉尘、水汽、振动均会影响光信号传输），机械结构精密（加工和安装精度要求高）、成本高、工作温度范围窄（-10℃~70℃）。在人形机器人中，主要应用于手部腕关节、眼部转动关节等对动作精度要求极高的精细操作关节，这类关节的运动精度直接影响机器人的交互能力（如抓取、手势表达、视觉定位）。
4. 关键性能指标解析
关节编码器的性能指标直接决定其适配场景和控制效果，核心指标包括以下几项：
（1）分辨率
指编码器可识别的最小角度变化，绝对式以“位数”表示（如16位即2¹⁶=65536个位置，最小角度≈0.0055°），增量式以“线数”表示（如2000线即每圈2000个脉冲，4倍频后最小角度=0.045°）。分辨率越高，关节运动的步进精度越高，可实现更细腻的动作控制。
（2）精度
指实测位置与真实位置的最大偏差（单位：角度），包括编码盘加工误差、安装误差、信号噪声等带来的综合误差。精度直接决定关节运动的绝对偏差，核心关节精度不足会导致机器人行走姿态偏移、抓取失败等问题。
（3）动态响应速度
以“响应频率”（最大可识别的脉冲频率）或“响应时间”（信号采集-输出的延迟）表示，反映编码器跟随关节快速运动的能力。响应速度不足会导致高速运动时信号滞后，引发关节振动、轨迹偏移。
（4）抗干扰能力与防护等级
抗干扰能力体现为抵御电磁干扰、振动的能力；防护等级遵循IP标准（如IP67表示完全防尘、可短时浸水），反映抵御粉尘、水汽的能力。人形机器人关节多处于复杂环境，抗干扰和防护能力不足会导致信号失真、检测失效。
5. 选型原则与应用适配
关节编码器的选型需结合关节功能、运动需求、环境条件和成本预算综合判断：核心承重与精准控制关节（如髋关节、肩关节）优先选择多圈绝对式光学编码器，保障高精度和断电记忆功能；辅助运动关节（如指关节、颈部）选择增量式编码器，平衡成本与基本控制需求；恶劣环境关节（如足部、腰部）选择霍尔式编码器，优先保障环境适应性；精细操作关节（如腕关节、眼部）选择高精度光学式编码器，满足极致精度要求。
8.1.3 力矩传感
力矩传感是机器人（含人形机器人、工业机器人）感知系统的核心组件，核心定位是实时、精准捕获机械关节或末端执行器的扭矩与作用力信号，将物理力学量转化为可量化的电信号，为机器人运动控制、操作反馈、安全交互提供核心数据支撑。其核心目标是解决机器人“力感知缺失”问题，实现从“位置控制”到“力-位混合控制”的升级，适配工业精密操作、服务型人机协作、医疗辅助等多场景对“力度可控、状态可知、安全可靠”的刚性需求，是机器人智能化与实用化的关键技术之一。
1. 核心设计要点
力矩传感的设计需围绕“精准感知、稳定集成、安全适配、信号可靠”四大核心问题展开，兼顾力学性能与工程实用性：
（1）传感精度与响应速度：保障信号准确性与实时性
力矩传感的精度直接决定了机器人操作控制的可靠性，需要匹配不同场景的力控需求：
- 测量精度需根据场景分级设计，工业精密装配场景（如螺栓拧紧、零件压装）精度≤±0.1%FS（满量程），服务型人机协作场景精度≤±0.5%FS，医疗辅助场景（如康复机器人）精度≤±0.05%FS；
- 响应时间需满足动态操作需求，工业高速作业场景≤1ms，协作机器人交互场景≤5ms，避免因信号延迟导致操作失误或安全风险；
- 分辨率需适配微小力变化检测，最小可测力矩≤0.01N・m，确保对轻微接触力、负载波动的精准捕获，如服务机器人抓取易碎品时的力度微调。
（2）结构集成与防护适配：适配复杂工况与安装需求
力矩传感器需要与机器人关节、末端执行器深度集成，同时抵御恶劣环境影响：
- 结构形式需兼容不同安装场景，分为轴套式、法兰式、模块化设计，轴套式适配关节内置（如机械臂肘关节），法兰式适配末端执行器外接（如夹爪、工具端），模块化设计支持快速更换与维护；
- 材质选用需平衡刚性与传感灵敏度，核心传感单元采用高强度合金钢、钛合金或碳纤维复合材料，兼顾结构强度（可承受1.5倍额定负载无永久形变）与信号传导效率；
- 防护等级需匹配应用环境，工业场景≥IP65（防尘、防溅油），户外服务场景≥IP67（防水浸泡），医疗场景需具备生物相容性（符合ISO10993标准）与消毒耐受能力（耐酒精、高温灭菌）；
- 结构尺寸需小型化设计，集成后不超过关节/末端执行器体积的15%，重量控制在对应部件总重的10%以内，避免影响机器人运动灵活性。
（3）信号处理与校准机制：确保数据可靠性与一致性
原始力学信号易受干扰，需要通过硬件优化与算法校准保障数据质量：
- 硬件层面集成抗干扰模块，采用屏蔽线缆传输信号，内置滤波电路（低通、高通双滤波），抑制电磁干扰（EMI）、温度漂移（-40~85℃范围内漂移≤±0.2%FS）；
- 算法层面支持多维度校准，包括零点校准（开机自动校准、定时校准）、线性校准（分段线性拟合）、温度补偿校准（实时修正环境温度对信号的影响），确保全工作范围的数据一致性；
- 信号输出接口需标准化，支持模拟信号（4-20mA、0-10V）与数字信号（CAN、EtherCAT、RS485）双模式，数据更新率≥1kHz，满足不同控制系统的实时通信需求。
（4）冗余安全设计：规避感知失效风险
力矩传感作为安全关键组件，需要具备失效防护能力，避免因传感故障导致机器人误操作：
- 核心场景（如人机协作、医疗辅助）需设计双路信号采集通道，当一路通道失效时，另一路可立即接管并触发安全预警，确保力控逻辑不中断；
- 内置过载保护机制，当检测到超过额定负载1.5倍的冲击力时，自动切断高灵敏度传感单元的信号输出，切换至“粗测模式”，避免传感器物理损坏；
- 具备故障自诊断功能，可实时监测信号完整性、电路状态、结构应力，当出现异常时（如信号丢失、漂移超标），立即向机器人控制系统发送故障码，触发停机或降级运行。
2. 典型类型与应用场景
力矩传感的类型根据传感原理划分，不同类型的性能特点适配不同应用场景，核心类型与应用如下所示。
（1）应变片式力矩传感器：工业与服务场景主流选型
- 工作原理：通过在弹性体（如轴、梁结构）表面粘贴应变片，当弹性体受扭矩作用产生微小形变时，应变片电阻发生变化，通过惠斯通电桥将电阻变化转化为电压信号；
- 核心特点：测量范围宽（0.1~1000N・m）、稳定性强（长期漂移≤±0.3%FS/年）、成本适中、工艺成熟，适配大多数工业与服务场景；
- 工业装配：螺栓拧紧轴（实时监测拧紧扭矩，精度±0.01N・m，实现“拧紧-检测-反馈”闭环控制）、零件压装头（监测压装力变化，避免过压损坏工件）；
- 服务机器人：末端夹爪（抓取易碎品时动态调节夹持力，如玻璃杯抓取力控制在5~10N）、协作机器人关节（感知人机接触力，超过15N时触发减速停机）。
（2）压电式力矩传感器：高速响应场景专用选型
- 工作原理：利用压电晶体的“压电效应”，当晶体受扭矩作用时产生电荷信号，通过电荷放大器转化为可测量的电压信号；
- 核心特点：响应速度极快（≤0.1ms）、动态特性好、无零漂，适合高速、瞬时力矩检测，但不适用于静态或低频稳态力矩测量；
- 高速工业操作：机器人冲压、剪切等瞬时力反馈场景，实时捕获冲击扭矩，调节运动速度与力度；
- 动态人机交互：人形机器人跑步、跳跃时的关节力矩监测，快速反馈地面反作用力变化，调整步态平衡。
（3）光学式力矩传感器：高精度场景高端选型
- 工作原理：通过光学光栅、激光干涉或光纤传感技术，检测弹性体受扭矩后的微小角位移或形变，转化为力矩信号；
- 核心特点：测量精度极高（≤±0.05%FS）、抗电磁干扰能力强、无接触磨损，适合对精度要求严苛的场景，但成本较高、对安装精度要求高；
- 精密制造：微型零件装配（如电子芯片引脚焊接）、微型螺栓拧紧（扭矩范围0.01~1N・m）；
- 医疗辅助：康复机器人关节力矩检测（需精准匹配人体运动力度）、手术机器人操作力反馈（避免手术创伤）。
（4）集成式关节力矩传感器：人形机器人专用选型
- 工作原理：采用“传感器-关节一体化”设计，将传感单元嵌入机器人关节内部（如髋关节、膝关节、腕关节），直接测量关节输出扭矩；
- 核心特点：结构紧凑、集成度高、适配人形机器人轻量化需求，可同时捕获关节扭矩与运动状态，支持力-位混合控制；
- 人形机器人行走：实时监测腿部关节力矩变化，调整步幅与力度，维持行走平衡；
- 人形机器人末端操作：手臂关节力矩传感配合末端执行器，实现“抬升-抓取-放置”全流程力度可控，如搬运重物时避免关节过载。
3. 关键技术要求
力矩传感的技术指标需严格匹配机器人应用场景的标准化需求，核心指标如下所示。
- 测量范围：根据场景覆盖0.01~1000N・m，支持多量程切换（如0.1~1N・m、1~10N・m、10~100N・m）；
- 测量精度：≤±0.1%FS（工业精密场景）、≤±0.5%FS（通用场景）、≤±0.05%FS（高精度场景）；
- 响应时间：≤1ms（工业场景）、≤0.1ms（高速场景）、≤5ms（服务场景）；
- 信号特性：数据更新率≥1kHz，信噪比≥80dB，温度漂移≤±0.2%FS（-40~85℃）；
- 结构性能：额定负载下变形量≤0.01mm，过载承受能力≥1.5倍额定负载，疲劳寿命≥10⁷次循环无故障；
- 防护等级：工业场景≥IP65，户外/服务场景≥IP67，医疗场景需具备防水、防尘、耐消毒特性；
- 兼容性：支持CAN、EtherCAT、Modbus、ROS等主流通信协议，适配ABB、KUKA、FANUC、小米、vivo等主流机器人控制系统；
- 安全性：具备信号失效报警、过载保护、双路冗余采集功能，符合ISO10218（工业机器人）、ISO/TS15066（协作机器人）安全标准。
4. 典型产品
例如图8-4是华力创的PhotonR40六维力传感器（含力矩感知，适配腕关节，行业通用型），该传感器充分发挥了华力创科学首创光学六维力感知技术的异形结构优势，在行业内率先实现特殊的10mm中心通孔结构设计，打破行业各界对传感器结构设计的固有认知。凭借特殊的通孔结构设计，PhotonR40可实现简易的力觉集成，大幅降低人形机器人的腕关节力觉集成门槛，为行业带来更加易用、泛用、通用的腕关节力觉感知解决方案。
图8-4 华力创的PhotonR40六维力传感器
总而言之，力矩传感的核心价值是为机器人赋予“力感知能力”，通过精准捕获力矩信号，实现操作力度的闭环控制、设备状态的实时监测、人机交互的安全防护，推动机器人从“机械执行”向“智能决策”升级。力矩传感是机器人拓展应用边界、提升实用价值的关键核心组件，其性能直接决定机器人的操作可靠性、安全等级与智能化水平。
