（8-2）传感器系统与信息获取：外部环境传感

8.2 外部环境传感

外部环境传感是机器人感知周边物理世界的核心系统，核心定位是全面捕获环境的三维空间信息、物体属性、动态变化及潜在风险，为机器人路径规划、目标识别、避障决策、人机协作提供数据支撑。其核心目标是解决机器人"环境感知盲区"问题，实现对复杂场景的精准认知与自适应响应，适配工业自动化、服务机器人、户外移动、医疗辅助等多场景对"环境可知、决策可控、交互安全"的需求，是机器人脱离固定场景、实现自主运行的关键技术基础。

8.2.1 深度相机

深度相机是外部环境传感的核心设备，核心定位是通过光学原理获取场景的三维深度信息与二维图像信息，同步输出"像素-距离"映射数据，构建环境的三维点云模型，让机器人具备"空间测量"与"立体感知"能力。其核心目标是解决传统2D相机"缺乏深度维度"的局限，实现对物体位置、尺寸、姿态、运动轨迹的精准捕获，适配从工业工件定位到服务机器人避障、从户外导航到人机协作安全监控等多场景需求，是机器人实现环境认知的核心视觉设备。

1. 核心设计要点

深度相机的设计需围绕"感知精度、环境适配、数据效率、集成灵活"四大核心问题展开，需要兼顾不同场景的环境特性与感知需求。

（1）感知精度与范围：匹配不同场景的空间测量需求

深度相机的精度与测距范围直接决定环境认知的可靠性，需要按场景分级设计：

1. 测距精度需分场景定义，工业精密定位场景（如工件抓取、装配引导）测距误差≤±1%@2m，服务机器人避障场景≤±3%@3m，户外导航场景≤±5%@10m；
2. 测距范围需覆盖应用场景需求，近距离作业（如桌面操作机器人）测距范围0.1~3m，中距离交互（如家庭服务机器人）0.3~10m，远距离导航（如户外移动机器人）1~50m，部分工业场景支持多量程切换；
3. 空间分辨率需保障细节捕获，点云密度≥100万点/帧，二维图像分辨率≥1920×1080（RGB图像），确保对小型物体（如电子元件）、精细结构（如工件轮廓）的精准识别；
4. 姿态测量精度需适配目标定位需求，对静态物体的姿态角误差（滚转/俯仰/偏航）≤±0.5°，动态物体跟踪误差≤±1°，支持机器人对运动目标的实时跟随。

（2）环境适应性：抵御复杂光照与恶劣工况影响

深度相机需在不同光照、天气、工况下稳定工作，避免环境干扰导致感知失效：

1. 光照适应性需覆盖全场景，支持0~100000lux光照范围，强光（户外正午）下测距误差增幅≤±1%，弱光（室内昏暗环境，≤10lux）下无失明现象，具备主动补光模块（红外补光，补光距离≥5m）；
2. 防护等级需匹配应用环境，工业场景≥IP65（防尘、防溅油、防焊接火花），户外场景≥IP67（防水浸泡、防沙尘），潮湿环境（如厨房、浴室服务机器人）需具备防雾功能；
3. 温度适应范围需覆盖极端工况，工业场景-20~60℃，户外场景-40~85℃，低温环境下启动时间≤3秒，高温环境下连续工作24小时无性能衰减；
4. 抗干扰能力需达标，工业场景可抵御电磁干扰（EMI）、金属反光干扰，户外场景可抵御雨滴、雪粒遮挡影响，通过算法补偿减少干扰导致的点云缺失。

（3）数据处理与集成：保障数据实时性与兼容性

深度相机需快速处理海量三维数据，并与机器人系统无缝集成：

1. 数据输出帧率需满足动态感知需求，静态场景≥30fps，动态场景（如跟踪移动目标）≥60fps，工业高速作业场景≥120fps，避免因帧率不足导致目标漏检或轨迹偏移；
2. 数据处理支持多模态融合，可同步输出RGB图像、深度图、点云数据，部分高端型号集成AI加速模块，支持实时目标分割、语义识别（如区分行人、障碍物、工件），推理延迟≤20ms；
3. 接口兼容性需标准化，支持USB3.0、GigE、MIPI等数据接口，通信协议支持ROS、Profinet、EtherCAT，可直接对接机器人控制系统、边缘计算单元，数据传输延迟≤5ms；
4. 点云优化算法需完善，内置去噪（去除离散噪点）、空洞填充（修补遮挡导致的点云缺失）、降采样（减少数据量，提升传输效率）功能，确保输出点云的完整性与实用性。

（4）安装与形态设计：适配机器人部署需求

深度相机的安装方式需要灵活适配不同类型机器人的结构特点，具体说明如下所示。

1. 形态设计分模块化、集成化、轻量化三种，模块化设计支持快速拆卸与更换（如工业机器人末端加装），集成化设计可嵌入机器人机身（如人形机器人头部、移动机器人顶部），轻量化设计重量≤200g（服务机器人专用）；

2. 安装方式支持多方位调节，提供云台式、固定支架式、磁吸式安装，云台式支持360°水平旋转、±90°垂直俯仰，满足全场景无死角感知；

3. 尺寸需小型化，模块化产品体积≤100×80×50mm，集成化产品厚度≤30mm，避免占用过多机器人空间或影响运动灵活性；

4. 需要低功耗的供电需求，工作功耗≤15W（工业级）、≤5W（服务级），支持12V/24V宽电压供电，适配机器人电源系统，避免额外供电负担。

5. 典型类型与应用场景

深度相机根据测距原理划分核心类型，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：

（1）结构光深度相机：近距离高精度场景主流选型

1. 工作原理：通过投射器发射编码结构光（如散斑、条纹）到目标场景，相机捕捉被反射的结构光图案，利用三角测距原理计算像素点深度信息；
2. 核心特点：近距离测距精度高（0.1~3m范围内误差≤±0.5%）、点云密度高、成本适中、功耗低，适合室内静态或低速动态场景，但受强光干扰较大，远距离性能衰减明显；
3. 工业场景：工件三维轮廓扫描（如电子元件尺寸检测、铸件缺陷识别）、装配引导（如机械臂抓取不规则工件的定位）、人机协作安全监控（检测人员与机器人的距离，≤50cm时触发减速）；
4. 服务场景：家庭服务机器人避障（检测家具、门槛、宠物等障碍物）、人脸识别与姿态跟踪（如迎宾机器人识别访客并跟随）、桌面操作机器人精准取物（如抓取水杯、文件）；
5. 医疗场景：康复机器人患者姿态监测（实时捕捉肢体运动轨迹）、手术机器人手术区域三维建模（辅助医生规划手术路径）。

（2）TOF（飞行时间）深度相机：中远距离动态场景优选

1. 工作原理：通过发射调制后的近红外光信号，测量光信号从相机到目标物体的往返飞行时间，结合光速计算目标距离，直接输出深度图像；
2. 核心特点：测距范围广（0.3~50m）、响应速度快（帧率≥60fps）、抗环境光干扰能力强、无运动模糊，适合中远距离动态场景，但近距离精度略低于结构光相机；
3. 工业场景：大型工件定位（如汽车车身装配引导）、车间环境三维建模（辅助机器人路径规划）、AGV/AMR避障与导航（检测通道内的动态障碍物）；
4. 服务场景：商场/机场引导机器人避障（应对人流、移动推车等动态目标）、人形机器人行走导航（检测地面台阶、凹陷）、远距离目标跟踪（如园区巡逻机器人识别远处人员）；
5. 户外场景：户外移动机器人（如配送机器人）导航（适应强光、弱光环境）、无人机地形测绘（捕捉地面三维地貌）、安防机器人周界监控（检测闯入目标）。

（3）双目视觉深度相机：高精度低成本场景适配

1. 工作原理：模拟人类双眼视觉，通过两个间距固定的相机同步拍摄目标场景，利用视差计算原理还原三维深度信息，需配合复杂算法实现深度测量；

2. 核心特点：成本低、无主动光源（隐蔽性好）、适合高分辨率场景，测距精度随基线长度提升（基线越长，远距离精度越高），但受光照条件影响大，弱光环境下性能下降；

3. 工业场景：中小型工件尺寸测量（如机械零件公差检测）、流水线产品分拣（识别不同尺寸的工件并分类）、印刷品质量检测（三维表面缺陷识别）；

4. 服务场景：低成本服务机器人避障（如扫地机器人检测家具、门槛）、教育机器人三维建模教学（捕捉物体轮廓并生成模型）；

5. 医疗场景：假肢适配三维扫描（捕捉残肢三维形态，辅助定制假肢）、步态分析（同步捕捉双足运动轨迹与地面距离）。

6. 关键技术要求

深度相机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：

1. 测距性能：测距范围0.1~50m（支持多量程切换），测距精度≤±1%@2m（工业）、≤±3%@3m（服务）、≤±5%@10m（户外）；

2. 图像与点云：RGB分辨率≥1920×1080，点云密度≥100万点/帧，空间分辨率≤1mm@1m；

3. 动态性能：帧率≥30fps（静态）、≥60fps（动态）、≥120fps（高速场景），运动模糊抑制≤1ms；

4. 环境适应性：光照适应范围0~100000lux，防护等级≥IP65（工业）、≥IP67（户外），工作温度-40~85℃；

5. 数据处理：支持RGB/深度图/点云同步输出，内置AI语义分割功能，推理延迟≤20ms；

6. 接口与兼容性：支持USB3.0/GigE/MIPI接口，兼容ROS/EtherCAT/Profinet协议，数据传输延迟≤5ms；

7. 安装与功耗：重量≤200g（服务级）、≤500g（工业级），工作功耗≤5W（服务级）、≤15W（工业级），支持12V/24V宽电压供电；

8. 安全性：符合IEC61010电气安全标准，激光发射功率≤1类（人眼安全），无辐射危害。

9. 典型产品

如图8-5所示，人形机器人Reachy 2搭载了奥比中光的Gemini 336立体视觉3D相机，内置了奥比中光自研的MX6800深度引擎芯片，融合主动与被动成像技术，能适应从漆黑到阳光直射的全光照场景，可输出精准可靠的三维数据，为机器人的环境感知、物体交互等任务提供核心的深度视觉支撑。

图8-5 Reachy 2搭载了奥比中光的Gemini 336立体视觉3D相机

总而言之，深度相机的核心价值是为机器人赋予"三维环境认知能力"，通过精准捕获空间深度信息，打破传统2D视觉的局限，支撑机器人完成路径规划、目标定位、避障决策等关键操作。深度相机的性能直接决定了机器人的环境感知精度、决策响应速度与应用场景拓展能力。

8.2.2 激光雷达

激光雷达是外部环境传感的高端核心设备，核心定位是通过发射激光束扫描场景，利用飞行时间或三角测距原理获取三维空间信息，输出高密度点云数据，构建精准的环境三维模型。其核心目标是解决复杂场景下"远距离、高精度、抗干扰"的感知需求，适配户外导航、工业测绘、人机协作安全监控等场景，是机器人实现自主决策的关键空间感知设备。

1. 核心设计要点

激光雷达的设计需围绕"测距精度、环境抗扰、数据效率、集成适配"四大核心问题，精简冗余设计，聚焦于核心需求。

（1）感知精度与范围：匹配场景测量核心需求

1. 测距精度分级定义，工业定位场景≤±1%@5m，户外导航场景≤±3%@20m，近距离交互场景≤±2%@3m；
2. 测距范围覆盖0.2~200m，支持近距离作业（0.2~10m）与远距离探测（10~200m）切换，满足多场景适配；
3. 点云密度≥50万点/帧，角分辨率≤0.1°，确保目标轮廓与细节的精准捕获。

（2）环境适应性：抵御复杂工况干扰

1. 光照适应范围0~100000lux，强光、弱光环境下测距误差增幅≤±1%，无失明现象；
2. 防护等级工业场景≥IP65、户外场景≥IP67，耐温范围-40~85℃，抗电磁干扰、雨雪沙尘影响；
3. 具备抗多雷达干扰功能，避免同场景多设备信号冲突。

（3）数据处理与集成：保障实时高效

1. 输出帧率≥10Hz（静态场景）、≥20Hz（动态场景），数据传输延迟≤10ms；
2. 支持点云、距离图同步输出，兼容ROS、EtherCAT协议，接口支持GigE、USB3.0；
3. 内置点云去噪、降采样算法，减少数据冗余，提升处理效率。

（4）安装与形态：适配机器人部署

1. 形态分模块化、集成化，模块化重量≤800g，集成化厚度≤50mm，体积紧凑不占用过多空间；

2. 支持固定支架、云台式安装，云台式可360°水平旋转，满足全场景无死角感知；

3. 工作功耗≤20W（工业级）、≤10W（服务级），支持12V/24V宽电压供电。

4. 典型类型与应用场景

（1）机械旋转式激光雷达：远距离高精度场景选型

1. 工作原理：通过电机驱动激光发射模块旋转扫描，全覆盖捕获环境信息；
2. 核心特点：测距远（最远200m）、点云密度高、精度稳定，但体积略大、功耗较高；
3. 典型应用：户外移动机器人导航（如自动驾驶、园区巡逻）、大型车间三维测绘、远距离障碍物检测。

（2）固态激光雷达：轻量化低功耗场景优选

1. 工作原理：无机械旋转部件，通过MEMS微振镜或相控阵技术实现激光扫描；
2. 核心特点：体积小、重量轻、寿命长（≥10⁵小时）、抗震动，适合高频次动态场景；
3. 典型应用：服务机器人避障（家庭、商场）、人形机器人行走导航、无人机地形测绘。

（3）混合固态激光雷达：平衡性能与实用场景适配

1. 工作原理：结合机械旋转与固态扫描优势，局部旋转实现大范围扫描，兼顾精度与紧凑性；

2. 核心特点：测距范围广（0.5~100m）、功耗中等、成本均衡，适配多场景；

3. 典型应用：工业AGV/AMR导航、城市配送机器人避障、中等规模场景三维建模。

4. 关键技术要求

5. 测距性能：测距范围0.2~200m，测距精度≤±1%@5m、≤±3%@20m；

6. 点云指标：点云密度≥50万点/帧，角分辨率≤0.1°；

7. 动态性能：帧率≥10Hz，运动目标跟踪误差≤±2°；

8. 环境适应性：光照0~100000lux，防护等级≥IP65，工作温度-40~85℃；

9. 接口与功耗：支持GigE/USB3.0，兼容ROS/EtherCAT，功耗≤20W；

10. 安全性：激光发射功率≤1类（人眼安全），符合IEC60825安全标准。

11. 典型产品

如图8-6所示，例如宇树科技产品H1机器人搭载的深度相机为Intel RealSense D435i，部署在其头部区域，负责捕捉环境的三维深度信息，同时与配套的3D激光雷达（LIVOX-MID360）协同工作，支撑机器人完成空间定位、障碍物检测等环境感知任务，助力其实现复杂场景下的自主交互与运动规划。

图8-6 宇树科技的H1机器人的深度相机

总而言之，激光雷达的核心价值是为机器人提供"远距离、高精度、抗干扰"的三维环境感知能力，支撑复杂场景下的路径规划、避障决策与目标定位。激光雷达是机器人拓展复杂环境应用的关键设备，其性能直接决定了机器人的环境适应能力与自主运行可靠性。

8.2.3 触觉与压力阵列

触觉与压力阵列是机器人接触式感知的核心组件，核心定位是通过分布式传感单元捕获接触面的压力分布、接触位置、受力大小及动态变化，将接触力学信号转化为量化数据，让机器人具备"触觉感知"能力。其核心目标是解决机器人"接触无反馈"的局限，实现对抓取力度、物体形态、表面材质的精准判断，适配工业精密抓取、服务人机交互、医疗康复辅助等场景，是机器人安全高效完成接触式操作的关键感知设备。

1. 核心设计要点

触觉与压力阵列的设计需围绕"感知精度、集成适配、环境耐受、信号可靠"四大核心，聚焦实用需求精简冗余：

（1）感知精度与分辨率：匹配接触式操作需求

1. 工业精密抓取≥10×10像素/cm²，服务交互场景≥5×5像素/cm²，医疗场景≥15×15像素/cm²；
2. 力敏范围覆盖0.1~50N/cm²，测量精度≤±2%FS，支持微小压力（≤0.5N）与过载压力（1.2倍额定值）的精准捕获；
3. 具备压力分布可视化能力，可实时输出接触区域的压力梯度图，辅助判断物体受力均衡性。

（2）结构集成与防护：适配不同接触场景

1. 具体形态：分柔性、刚性两种，柔性阵列（厚度≤2mm）适配指尖、曲面接触（如夹爪、仿生手），刚性阵列适配平面接触（如工作台、机械臂接触面）；
2. 安装方式：有粘贴式、嵌入式，嵌入式设计不突出接触面，避免干涉操作；
3. 防护等级：工业场景≥IP65（防油污、防尘），服务场景≥IP67（防水溅），医疗场景需耐消毒（酒精、高温）、生物相容（ISO 10993标准）；
4. 材质：选用耐磨、柔性材料，柔性阵列采用硅胶基底+导电高分子，刚性阵列采用铝合金基底+传感膜，使用寿命≥10⁶次接触循环。

（3）信号处理与响应：保障实时反馈

1. 响应时间≤1ms（工业高速抓取）、≤5ms（服务交互），避免因信号延迟导致操作失误；
2. 内置信号滤波与降噪模块，抑制环境干扰（温度漂移≤±1%FS/-40~85℃），支持零点自动校准；
3. 数据输出支持并行/串行传输，兼容CAN、USB接口，通信协议适配ROS、EtherCAT，数据更新率≥100Hz。

（4）适配性设计：兼容多场景操作

1. 尺寸可定制，指尖适配型最小≥10×10mm，工作台适配型最大≤500×500mm，支持拼接扩展；

2. 柔性阵列可弯曲（弯曲半径≤5mm），适配异形接触面（如弧形夹爪、仿生指尖）；

3. 低功耗设计，工作功耗≤2W（工业级）、≤0.5W（服务级），适配机器人末端供电需求。

4. 典型类型与应用场景

（1）电阻式触觉阵列：低成本通用场景选型

1. 工作原理：通过压力导致导电层接触电阻变化感知压力，结构简单、成本低廉；
2. 核心特点：力敏范围宽、稳定性强，但响应速度中等，适合静态/低速接触场景；
3. 典型应用：工业夹爪抓取力反馈（如易碎品、异形件抓取力度均衡控制）、服务机器人接触面压力检测（如轮椅坐垫压力分布）。

（2）电容式触觉阵列：高精度动态场景优选

1. 工作原理：利用压力改变电极间距或介电常数，实现高分辨率压力感知；
2. 核心特点：响应速度快、空间分辨率高，支持动态压力捕获，但易受湿度干扰；
3. 典型应用：仿生手指尖感知（如识别物体形状、纹理）、工业精密装配（如零件贴合压力控制）、服务机器人人机交互（如握手力度调节）。

（3）压电式触觉阵列：动态冲击场景适配

1. 工作原理：通过压电材料（如PVDF）将压力转化为电信号，擅长捕获瞬时力变化；

2. 核心特点：响应时间≤0.5ms、抗过载能力强，适合高速接触与冲击检测；

3. 典型应用：高速抓取机器人（如流水线分拣）、医疗康复机器人（如步态压力监测）、工业冲压过程力反馈。

4. 关键技术要求

5. 感知指标：空间分辨率≥5×5像素/cm²，力敏范围0.1~50N/cm²，测量精度≤±2%FS；

6. 动态性能：响应时间≤5ms，数据更新率≥100Hz，温度漂移≤±1%FS/-40~85℃；

7. 环境耐受：防护等级≥IP65（工业）、≥IP67（服务），耐磨寿命≥10⁶次循环；

8. 兼容性：支持USB/CAN接口，兼容ROS/EtherCAT协议，可与机器人控制系统无缝对接；

9. 结构参数：柔性阵列厚度≤2mm、弯曲半径≤5mm，刚性阵列厚度≤5mm。

10. 典型产品

例如图8-7是是帕西尼感知科技的PX6AX-GEN3-CP-M3025-Core指腹传感器，是适配人形机器人灵巧手的触觉感知组件。它的规格为30mm×25mm×8mm，紧凑小巧的尺寸刚好匹配指腹空间，便于集成在人形机器人的手指部位。作为ITPU系列的触觉产品，它具备多维力感知能力，能精准捕捉接触时的压力、力矩等信息，可支撑机器人完成精细抓取、物体材质辨识等操作，是提升人形机器人触觉交互精度与灵巧性的核心部件之一。

图8-7 PX6AX-GEN3-CP-M3025-Core指腹传感器

总之，触觉与压力阵列的核心价值是为机器人赋予"触觉反馈能力"，通过精准捕获接触压力信息，支撑抓取力度调节、物体形态识别、交互安全控制等关键操作。不同类型的触觉阵列精准匹配接触式操作细分场景，是机器人提升操作安全性、适应性与智能化水平的关键组件。