当机器人有了“触觉”：人形机器人灵巧手触觉传感器全解析

不可或缺的 “触觉”

触觉传感器，堪称人形机器人的 “感知心脏”，是其与外界交互的关键媒介。在复杂的真实世界中，视觉和听觉虽然重要，但仅靠它们远远不够。就像人类在黑暗中，仅凭双手触摸也能感知物体、辨别方向。人形机器人也需要这样的 “触觉”，才能在没有视觉辅助的情况下完成任务 。

想象一下，在一个光线昏暗的仓库里，人形机器人要搬运货物。如果没有触觉传感器，它可能会因为抓握力度不当，导致货物掉落损坏；或者在拿起易碎物品时，用力过猛而将其捏碎。而有了触觉传感器，机器人就能实时感知物体的质地、形状和重量，调整抓握的力度和方式，确保搬运过程安全、稳定。

再以特斯拉第二代 Optimus 为例，它在手指部分搭载了触觉传感器，这一改进使其在抓取物体时更加准确和安全。视频中，Optimus 二代可以轻松准确地抓取、拿起、放下鸡蛋，中间不会掉下来，左手转右手的整个过程也极为连贯，显示出 Optimus 二代精准的物体操控能力。这一成果的背后，触觉传感器功不可没。它让机器人能够感知到鸡蛋的脆弱，从而以恰到好处的力度完成抓取动作，避免了鸡蛋的破损。

技术大揭秘

（一）工作原理

触觉传感器的底层原理，是将压力转为电信号，进而估算力和剪切力 。当传感器与物体接触时，压力使内部敏感元件产生物理变化，如电阻、电容或电压的改变，这些变化被转化为电信号，再经算法处理，就能让机器人感知到外界的压力、形状和纹理等信息。 就如同人类皮肤中的神经末梢，在感受到外界刺激时，会将信号传递给大脑，从而产生触觉感知。

（二）主流技术路线

1、力 / 力矩传感器

：技术成熟，是目前应用较为广泛的一种触觉传感器。它主要用于测量力和力矩的大小和方向，能够为机器人提供精确的力反馈。在机器人的指尖和腕部，常常能看到力 / 力矩传感器的身影，帮助机器人实现精准的抓握和操作。比如在一些精密装配任务中，力 / 力矩传感器可以让机器人感知到零件之间的微小作用力，从而准确地完成装配工作。

2、柔性传感器

：作为近年来的研究热点，柔性传感器具有独特的优势。它能够贴合各种复杂形状的表面，实现大面积的触觉感知，就像给机器人穿上了一层 “电子皮肤”。柔性传感器还具有良好的柔韧性和可拉伸性，能够适应机器人在不同环境下的运动需求。虽然目前柔性传感器的技术还在不断发展中，但已经在一些特定领域得到了应用，如医疗康复机器人、可穿戴设备等。在医疗康复领域，柔性传感器可以帮助假肢使用者更好地感知外界物体，提高假肢的使用效果和舒适度。

3、MEMS 传感器

：基于微机电系统（MEMS）技术制造的传感器，具有体积小、成本低、功耗低、灵敏度高等优点。MEMS 传感器的工艺成熟，适合批量生产，因此在人形机器人领域具有广阔的应用前景。它可以集成多种功能，如压力、加速度、温度等感知，为机器人提供更全面的环境信息。在一些小型人形机器人中，MEMS 传感器可以帮助机器人实现自主导航和避障功能。

（三）多种技术方案

1、压阻式

：压阻式触觉传感器基于压阻效应工作，当外力作用于敏感材料时，其电阻值会发生变化，通过检测电阻的变化来测量压力。这种传感器具有抗干扰性强、成本低、结构简单和鲁棒性高等优点，被广泛应用于各类场景。但其在宽量程压力范围内（极低压力和极高压力）信号一致性不佳 。在工业机器人的抓手部位，常常使用压阻式触觉传感器来检测抓取物体的力度，确保抓取的稳定性。

2、电容式

：电容式触觉传感器利用电容的变化来测量接触力。当受到法向力时，其上下电极板的间距发生改变，导致传感器的电容值发生变化；当受到切向力时，上下电极的重合面积发生变化，也会导致电容值改变，因此便于测量三维力的大小。这类传感器灵敏度高、响应速度快，空间分辨率和灵敏度比电阻式高，常用于手机屏幕等对触摸精度要求较高的场景。不过，其信号采集电路比电阻式复杂，需要电磁屏蔽结构去除外部干扰。

3、压电式

：压电式触觉传感器基于压电效应，当晶体受到法向力时，内部产生电极化现象，撤掉外力时，晶体又恢复到不带电状态。将其连接到电荷放大器和测量电路上，采集与所受外力相关的电信号，从而实现触觉检测。它在宽量程内（极低压力和极高压力），信号的线性度高，常用于测量振动、脉冲信号等间断信号，在连续信号的测量上则受一定限制，无法静态测力，主要用于特定场景，如检测心跳、振动等高频动态力。

4、光学式

：光学式触觉传感器将所受压力映射为光信号强度、波长等性质的变化，通过检测光学信号来检测压力，能实现非接触式测量，精度高。主流方案 Gelsight 传感机制是通过摄像头采集图像，内置的摄像头在 LED 灯光辅助下捕捉接触物体后凝胶发生的形变，再通过视觉算法将凝胶形变与触觉信息映射。但该方案算法复杂，面临量产成本和小型化的挑战，难以大规模应用。

发展现状面面观

（一）市场格局

在触觉传感器这片充满机遇的市场中，国际上，Tekscan 等海外企业凭借着先进的技术和完备的产品集成，占据着主导地位，引领着行业的发展潮流。而在国内，苏州能斯达、帕西尼等企业也不甘示弱，积极投入研发，不断提升自身技术水平和产品质量，在市场中崭露头角，逐渐赢得了一席之地 。这些国内企业各具优势，以创新为驱动，努力缩小与国际企业的差距，展现出了强大的发展潜力和竞争力。

（二）应用领域

人形机器人灵巧手触觉传感器的应用领域极为广泛，在工业自动化领域，它能助力机器人完成精密装配、物料搬运等任务，大幅提高生产效率和质量。例如，因时机器人的 FTP 系列仿人五指灵巧手，在工业场景中表现出色。其集成的触觉传感器，可实时监测机器人与物体接触的力和压力分布信息，使机器人在执行拧螺丝、操作电钻等复杂任务时，能够精准感知受力变化，即时调整力的大小，展现出高度的灵活性和协调性，成功打破了传统灵巧手在应用过程中遇到的寿命和负载能力的瓶颈，满足了工业领域对高频次、长时间操作的需求 。

在医疗手术领域，触觉传感器为手术机器人带来了更精准的操作。医生通过操作带有触觉反馈的手术机器人，能够实时感知组织的弹性、硬度等信息，就像自己的手在进行手术一样，从而更精确地进行切割、缝合等操作，有效降低手术风险，提高手术成功率。在血管介入手术机器人中，医生操作时能随时感觉到阻力，一旦感受到阻力，电脑就会自动报警，并且机器人还可感知组织的弹性和厚度，保证操作更精准、更安全，减少了医生与辐射源的接触，降低了手术难度 。

在教育科研领域，触觉传感器为科研人员提供了更多研究人类触觉感知和机器人学习的途径，有助于推动人工智能和机器人技术的发展。比如，科研人员可以通过研究触觉传感器采集的数据，深入了解人类触觉的感知机制，进而为机器人开发更智能的触觉算法，提升机器人的感知和操作能力 。

（三）市场规模预测

据 VMR 预测，2028 年全球触觉传感器市场将达到 260.8 亿美元，展现出强劲的增长势头。长江证券研报指出，预计到 2030 年，国内人形机器人电子皮肤市场规模有望达到 90.5 亿元，年复合增长率高达 64.3%。GGII 数据显示，2022 年全球柔性触觉传感器市场规模为 15.3 亿美元，预计到 2029 年将增长至 53.2 亿美元，其中，机器人触觉传感系统市场规模有望达到 4.3 亿美元，未来几年复合增长率将达到 10.2% 。这些数据充分表明，人形机器人灵巧手触觉传感器市场潜力巨大，未来发展前景十分广阔。

挑战与未来

（一）面临挑战

尽管人形机器人灵巧手触觉传感器技术取得了显著进展，但在发展过程中仍面临诸多挑战。从技术层面来看，现有触觉传感器在灵敏度、空间分辨率等方面，与人类触觉仍存在较大差距，难以满足机器人在复杂环境下的高精度操作需求。例如，在处理一些精细的任务时，如穿针引线，机器人可能无法准确感知线与针孔的位置关系，导致操作失败。传感器的抗干扰能力也有待提高，在电磁干扰较强的环境中，传感器的信号可能会受到影响，从而产生误判。

在经济层面，触觉传感器的高成本也是制约其大规模应用的重要因素。目前，先进的触觉传感器制造工艺复杂，需要使用昂贵的材料和高精度的设备，导致成本居高不下。这使得许多企业在推广人形机器人时，不得不考虑成本因素，从而限制了触觉传感器的应用范围。例如，一些小型企业可能因为无法承受高昂的成本，而放弃在机器人中使用触觉传感器 。

此外，技术落地与市场需求的匹配也是一个关键问题。虽然触觉传感器在理论上具有广泛的应用前景，但在实际应用中，还需要考虑市场需求、用户接受度等因素。一些先进的触觉传感器技术可能在实验室中表现出色，但在实际应用场景中，却面临着诸多困难，如操作复杂、维护成本高、可靠性不足等问题，导致难以实现商业化落地 。

（二）未来展望

尽管面临挑战，但人形机器人灵巧手触觉传感器的未来仍然充满希望。随着科技的不断进步，多模式和新型触觉传感器将不断涌现，它们将融合多种传感技术，实现更全面、更精准的触觉感知。例如，将压力、温度、湿度等多种感知功能集成在一个传感器中，使机器人能够更真实地感受周围环境 。

未来，触觉传感器将在人形机器人的更复杂任务场景中发挥重要作用。比如，在家庭服务场景中，机器人可以通过触觉传感器感知家庭成员的情绪和需求，提供更贴心的服务；在灾难救援场景中，机器人能够利用触觉传感器在废墟中准确地寻找生命迹象，避免对幸存者造成二次伤害。随着人工智能、大数据等技术的不断发展，触觉传感器与这些技术的融合也将进一步提升人形机器人的智能化水平，使其能够更好地理解和适应复杂的环境，为人类提供更高效、更优质的服务 。