人形机器人的传感“芯”商机

来源:爱集微 #人形机器人# #传感器# #具身智能# #机器视觉#
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(文/陈炳欣)复盘最近一周的大事,人形机器人成为科技领域当仁不让的焦点。无论是英伟达将在GTC2024大会上宣布的机器人技术新成果,还是马斯克持续升级人形机器人Optimus,都吸引了人们的目光。作为“具身智能”的最佳载体,人形机器人在进行感知、决策、执行的过程中,都要与周围环境进行大量数据交互,需要应用到种类数量繁多的传感器,从光学编码器、电流传感器到惯性传感器、摄像头以及激光雷达等。随着人形机器人逐渐进入商业化应用阶段,相关市场规模将不断扩大,必将形成传感器的新商机。

人形机器人将成传感器下一个新市场

从历史来看,人形机器人可以溯源到20世纪30年代,至今已经发展近百年。以1927年美国西屋公司制造出世界上第一台人形机器人“Televox”为代表,到1963年NASA推出机动多关节假人,可以视为人形机器人的探索起步阶段。这个阶段人形机器人无论智能还是运动能力都非常原始,甚至外形与人类的差别都有较大差别。从20世纪70年代到新世纪初,随着人们在电机、软件、运动控制等方面的进步,人形机器人进入自主运动研发阶段,这个阶段的人形机器人开始具备一定的运动能力,但受限于智能处理与传感技术,这些运动能力均为被动运动,而非主动运动。进入21世纪之后,在人工智能与传感技术得到飞跃发展之下,人形机器人在智能化人机互动、运动控制方面也得到进步。比如,2013年波士顿动力推出可以“后空翻”的Atlas;2022年特斯拉推出的Optimus。

随着人形机器人技术趋向成熟,其市场应用也开始展现出光明前景。根据高盛的预测,人形机器人2035年市场规模将达1520亿美元,届时将与电动汽车市场旗鼓相当,相当于2021年智能手机市场规模的三分之一。而由于智能化的提升,人形机器人与周围环境的数据交互将呈爆发式增长,其对传感器需求量也将持续提升。人形机器人有望成为传感器产业下一个最具希望的新商机。

传感器通常由敏感元件、转换元件及基本转换电路组成,能够感受到被测量的信息,并将感受到的信息按照一定规律转换成电信号等其他形式信息输出的器件。具体到人形机器人方面,传感器根据检测对象不同又分为外部传感器和内部传感器。内部传感器用来感受机器人自身状态,比如位置、速度、加速度、力觉传感器等;外部传感器用来检测机器人所处环境以及状况,比如接近觉、听觉、嗅觉、视觉、触觉传感器等。在这其中,力矩传感器与视觉传感器无论是重要性还是市场前景,都是最具代表性。

六维力矩传感器精度更高、潜力更大

由于人形机器人需要完成的操作越来越复杂和精细,相应地也需要传感器为其提供力和运动控制信息,以保证关节运动控制的柔顺化、智能化,因此推进了力矩传感器在人形机器人中的应用。力矩传感器是一种可将力的量值转换为电信号的器件,可以检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力等力学量,是工程机械、工业自动化系统中不可缺少的核心部件。

按照测量方式,力矩传感器可以分为一维到六维力矩传感器。其中,一维、三维和六维力矩传感器较为常见。一般而言,在应用设备中,如果力的方向和作用点固定,此时可以选择一维力矩传感器进行测量;如果力的方向随机变化,但力的作用点不变,并且与传感器的标定参考点重合,可以采用三维力矩传感器;如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化,此时则应该选择六维力矩传感器。六维力矩传感器可同时测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩。

当前,全球力矩传感器市场持续增长。2022 年全球力矩传感器市场规模为26亿美元。根据 Research and Markets 预测,2028 年全球力矩传感器市场规模将达到35亿美元,2022-2028 年间的复合年增长率预计为5.08%。对工厂自动化和制造过程高精度的需求不断上升是推动市场增长的关键因素之一。但随着智能制造和人形机器人产业的发展,精度更高的六维力矩传感器将体现出更大的潜在市场空间。

视觉传感器从2D走向3D

为机器植入“人眼与大脑”,对机器人进行行动导航,使机器可以代替人工对物品进行测量与判断,是机器视觉技术与视觉传感器在人形机器人中应用的底层逻辑。当前,机器视觉技术已逐渐从2D走向3D。3D视觉的处理对象是三维立体空间中的物体和场景,其对物体和场景的理解更加准确和全面,可以通过深度图或点云数据来获取物体的距离和三维坐标信息。

目前机器视觉的技术路线大致包括主动式的结构光法、TOF技术、雷达技术等和被动式的单目/双目/多目视觉法、区域/特征视觉法、机器学习法等。根据GGII预测,至2025年我国机器视觉市场规模将达到468.74亿元。其中,2D视觉市场规模将超过360亿元,3D视觉市场规模将超过100亿元。

未来随着人形机器人的落地,整体市场有望维持较高增速。根据投资机构测算,预计每台人形机器人使用2个视觉传感器,一个视觉传感器按2000元计算,目前人形机器人视觉传感器市场约为0.85亿元。考虑人形机器人量产的增加以及视觉传感器成本的下降,预计至2030 年全球人形机器人视觉传感器市场空间为82亿元。

除力矩传感器与视觉传感器外,人形机器人中还大量应用到编码器、触觉传感器、语音传感器、温度传感器,以及位置、速度、加速度等传感器。在“具身智能”的浪潮下,机器人的智能水平和工作效率进一步提升,可以完成更加复杂和泛化的任务,对传感器的数量、性能都将提出更高的要求。

责编: 张轶群
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