视觉传感器助力机器人“看到”并理解周围世界

电子发烧友网报道（文/李弯弯）机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

机器人需要用到哪些传感器

机器人要用到的传感器种类繁多，如视觉传感器，摄像头和激光雷达是视觉传感器的主要形式。它们可以帮助机器人感知周围的物体、人和环境，广泛应用于机器人导航、目标识别、人脸识别、三维重建等任务中。

距离传感器，包括超声波传感器和激光测距传感器等，用于测量机器人与周围物体之间的距离，常用于障碍物避障、自主驾驶和室内定位等应用中。

接触传感器，能够检测机器人与物体之间的接触或碰撞，以触发相应的反应。广泛应用于机器人的安全系统中，例如机器人臂的碰撞检测和紧急停止。

姿态传感器，如陀螺仪和加速度计，用于测量机器人的姿态和运动状态。在机器人的姿态控制、平衡和姿势估计等任务中发挥重要作用。

环境感知传感器，包括温度和湿度传感器，用于感知环境的温度和湿度，常用于环境监测、智能家居和农业机器人等应用中。声音传感器用于感知和识别声音，如语音识别、声源定位和声音响应等任务。气体传感器用于检测环境中的气体浓度和成分，常用于环境监测、气体泄漏检测、空气质量监测等领域。

触觉传感器，用于感知和测量物体接触力和变形，如测量物体的压力、形变、温度等参数。广泛应用于机器人抓取、物体识别、力控制等领域。

位置和位移传感器，包括位置传感器、编码器、传输时间测量（磁反射）型位移传感器等。它们用于检测机器人的位置、角度、速度等状态信息。

除此之外，还有激光传感器、力矩传感器、可见光和红外传感器等传感器，它们各自具有特定的功能和应用场景。

机器人视觉传感器的重要作用

机器人的视觉传感器是机器人技术中至关重要的一部分，它使机器人能够获取并分析周围环境的视觉信息。视觉传感器是一种使用视觉信号来获取有关周围环境信息的装置，它模拟人类的视觉系统，通过摄像头和计算机处理来实现对外部环境的测量、识别和判断。

视觉传感器通常由两个主要组件构成：摄像头和光学元件。摄像头负责捕捉外部环境，将其转化为图像和视频信号；光学元件则接收这些信号，进行处理后转化为电信号，供机器人系统进行分析和判断。

在机器人视觉传感器构成中，摄像头是机器人中最常用的视觉传感器，能够拍摄周围环境的图像并将其传输到机器人的控制中心进行处理。摄像头分为黑白和彩色两种，常用的有CMOS和CCD两种传感器。CMOS传感器具有低功耗、低噪声等优势，而CCD传感器则在图像质量上有所突出。常用的摄像头有USB摄像头、MIPI摄像头等。

激光雷达能够扫描周围环境并获取环境中物体的距离和位置等信息。激光雷达工作时会向周围发射一束光，并通过测量光的反射时间等参数来计算物体与激光雷达的距离。在机器人中，激光雷达主要应用于SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法、障碍物避障等方面。

红外线传感器能够感知周围环境中的红外线信号并将其转化为数字信号输出。机器人中常用的红外线传感器有侧重于测量距离的红外线传感器、侧重于检测物体温度的红外线传感器等。在机器人中，红外线传感器主要应用于室内导航、目标识别、人体检测等方面。

总的而言，机器人的视觉传感器是机器人感知外部环境的重要工具，它通过摄像头和计算机处理来实现对图像的采集、传输、处理、存储与理解，使机器人能够像人类一样“看到”并理解周围环境。随着技术的不断发展，视觉传感器也会在机器人领域发挥越来越重要的作用。

写在最后

可以看到，机器人是一个复杂的机器，需要用到多种类的传感器，每种传感器都有其独特的功能和应用场景。这些传感器共同构成了机器人的感知系统，使机器人能够感知和理解外部环境，从而做出决策和执行任务。

机器人视觉传感器则是通过摄像头、激光雷达和红外线传感器等组件，结合光学处理和图像处理技术，实现对周围环境的感知和识别，为机器人的智能化应用提供了重要支持。

视觉传感器详细拆解及标的梳理

答：视觉传感器（机器视觉）在人形机器人中扮演着至关重要的角色，它能帮助机器人感知并理解周围环境的各种信息。具体而言，视觉传感器利用图像识别和判断技术，在工业生产中提高效率、减少误差、降低成本，并能替代人类在某些危险或繁重环境下工作，解放人力。

问：机器视觉技术如何分类及其特点是什么？机 器视觉行业的定义及运作原理是什么？

答：机器视觉技术主要分为2D和3D两大类。2D技术适用于获取平面图像并在二维空间内定位目标，但缺乏物体的高度和体积信息，易受光照变化和物体运动等因素的影响。而3D技术则能提供全面的物体信息并在三维空间定位目标，能实现更为复杂的功能，如人脸识别和3D建模等。尽管3D技术在数据处理和存储上有一定挑战，但在许多应用场景下展现出独特优势。机器视觉是一种关键的人工智能技术，旨在模拟人类视觉行为，使机器具备类似人类视觉系统功能，用于对检测对象进行测量、自动评估等操作，减少人工干预。

机器视觉的运作原理包括使用工业相机或其他视觉设备捕捉待测物体图像，将其转化为数字信号输入至图像传输处理系统中，进一步分析处理信号提取特征，最终利用这些特征控制设备运行。这一过程涉及跨学科知识和技术融合，如图像处理、机械工程、光学传感算法及计算机科学等，以实现对复杂场景高效准确的识别和处理。

问：目前主流的人形机器人厂商采用哪些视觉解 决方案？

答：当前众多国产机器人厂商普遍选用3D视觉方案来确保人形机器人的环境感知与交互能力，例如深思机器人采用RGB摄像头搭配TOF深度相机，优必选使用RGBD加双目相机，复地页采用深度相机，开普勒则采用3D视觉加鱼眼环视相机，小米的Cber One配备了资源空间的视觉模组

及AI交互相机。同时，部分厂商还会结合激光雷达以增强视觉效果。尽管部分厂商如特斯拉出于特定计算模块设计选择纯摄像头方案，但随着技术发展，这些厂商也可能在未来产品中加入3D视觉传感器。

问：机器视觉在工业检测中的作用及其优势是什 么？

答：机器视觉是一种应用于工业生产过程中的先进技术，其主要功能是对工作环境、工况及产品质量进行精确测量和测试。随着现代工业发展的需求升级，尤其是对于高精度加工产业而言，传统检测手段已无法满足当前生产制造减排的需求。相比之下，机器视觉凭借其在微尺寸、大尺寸、复杂结构及异形曲面等尺寸检测方面的突出优势，在印刷电路板检查、钢板表面自动探伤、大型工件平整度和垂直度测量、容器容积或杂质测量、机器零件自动识别和分类等多个场景展现出明显优越性。

问：机器视觉产业链由哪些部分构成，并且各自 扮演什么角色？机器视觉技术的主要分类及各自 的特性是什么？

答：机器视觉产业链主要包括上游设备供应商（如光源、镜头、工业相机、工控机、图像处理软件）；中游应用系统开发商（开发检测测量、定位识别系统等视觉应用软件及集成化视觉产品），以及下游为各行业生产线提供综合解决方案的供应商。在这三个环节中，上游的核心部件如工业相机和图像采集卡因其关键性和价值量最高而在整个产业链中占据重要地位。机器视觉技术主要可分为2D视觉和3D视觉两大类别。2D视觉在过去几十年间取得了显著进步，分辨率大幅提升，图像质量和色彩还原度也随之提高，但仅限于捕捉物体表面纹理信息，无法提供物体到相机的距离和空间形态、几何尺寸以及位置信息。而3D视觉感知技术有效弥补了2D视觉的不足，使其具备更复杂和智能的功能。目前，3D视觉感知技术主要依据成像原理的不同，分为光学和非光学两大类，如飞行时间法、结构光法、激光扫描法等多种技术，并且光学方法应用更为广泛。

问：目前中国市场机器视觉行业的发展现状如 何？

答：根据GGII数据，中国机器视觉行业正处于快速增长阶段，2022年的市场规模已达到约170亿人民币以上，且预计到2027年有望突破560亿人民币。其中，2D视觉市场的规模预计超过400亿人民币，而3D视觉市场的规模则预计接近160亿人民币。随着中国经济转型升级和技术进步，本土企业如海康威视、大恒科技、天准科技等在市场份额上的表现不断提升，并在核心零部件和技术创新方面进行了大量投入，以期在未来增强自身的品牌竞争力。

问：结构光法的工作原理及其特点是什么？

答：结构光法是一种主动双目视觉系统，通过近红外激光器将特定结构特征（如散乱光斑、条纹光或编码结构光）投射到被摄物体上，并利用红外摄像头采集物理表面的成像畸变情况。通过对图案变形的观测获取每个像素点的视差，从而实现对物体三维结构的光学获取。其优势在于能在低光照环境中正常运行，并能扫描表面平坦无明显纹理的物体。

问：飞行时间法如何测量目标物的距离并获取深 度信息？

答：飞行时间法（Time-of-Flight， TOF）通过向目标连续发送光脉冲，通过传感器接收反射回来的光，并测量发射光脉冲与接收光之间的时间差。计算出的时间差相位差可用于确定目标物的距离和深度信息。此方法具有软件复杂性低、适应强弱光环境、功耗低、探测范围广且成本较低的特点，但室外受红外线干扰大，远距离精度难以保证。

问：飞行时间法分为哪两种类型，并分别阐述各 自的工作原理？

答：飞行时间法主要分为直接飞行时间法（Direct TOF）和间接飞行时间法（Indirect TOF）。直接飞行时间法则直接发射光脉冲并测量其往返时间差，适用于单点测量，但由于技术难度高和成本较高，目前主流方案采用SPAD配合直接飞行时间法进行精确测量和记录光子时间和空间信息。间接飞行时间法则发射调制过的光，接收反射调制光后根据相位差估算往返时间，相比直接法，仅需较少计算时间即可在像素级别实现，技术成熟且成本较低，因此逐渐成为主流研究方向。

问：工业级和消费级机器视觉产品的特点及定价 差异为何？

答：工业级机器视觉产品技术精度、稳定性和定制化程度更高，通常需要采购国外知名品牌的核心零部件，导致成本高昂。例如，艾克光电上游零部件如图像传感器和处理器采购自索尼、阿特拉斯、赛灵思等品牌，工业级线面扫描相机的平均单价接近7000元。而消费级3D视觉方案虽对精度要求较低，市场竞争激烈，因此对于成本控制更为严苛，奥比中光发布的公告显示原材料和通用感光芯片采购占比约为20%，消费级产品如结构光和间接飞行时间法产品的最新售价大约在2500至2890元左右。

问：现阶段人形机器人对视觉方案的关注点主要 体现在哪些方面？

答：现阶段，人形机器人对视觉方案的需求重点在于产能供应和成本控制上。预计今年下半年至明年，随着消费级3D视觉产品（3D视觉传感器）进入规模量产阶段，它们将成为初期需求的主流。

问：3D视觉感知行业中有哪些领先的企业值得关 注？

答：首先提到的是奥比中光，作为3D视觉感知行业的领军企业，它不仅拥有领先的技术，还在生物识别、物联网、工业消费电子及汽车等领域广泛应用其3D视觉感知技术，并且与微软、英伟达建立了深度合作关系，共同开发了3D ITop相机产品面向全球市场销售。

问：奥比中光与英伟达如何协作推进人形机器人 的视觉发展？

答：奥比中光与英伟达共同开发了一套3D开发套件，这套套件可使奥比中光的各种3D相机无缝集成到英伟达的机器人仿真开发平台上，从而让开发商能够方便地利用该平台进行工程样机设计和大规模生产，确保视觉参数和技术与奥比中光的高度契合。

问：奥比中光在中国服务机器人视觉传感器市场 中占据了怎样的地位？奥比中光与其他合作伙伴 在机器人领域的最新进展是什么？

答：目前，在中国的服务机器人视觉传感器市场中，奥比中光的市场份额已超过70%，并与多家知名机器人厂商如优必选、iRobot、斯坦德建立了业务合作关系。除了与英伟达、微软的合作外，奥比中光还与合作伙伴共同投资建立了深圳国创巨深智能机器人有限公司，并成功实现了多模态大模型在机械臂上的初步应用，将机器视觉技术和大模型结合在一起，完成了适配结合。

问：奥普特公司在机器视觉光源市场中的地位及 其发展方向如何？

答：奥普特作为机器视觉光源市场的领头羊，连续多年全球市占率稳居第二，国内更是蝉联榜首。此外，该公司通过收购股权、设立专门团队和实验室等方式不断拓展运动控制领域，并致力于工业AI的应用开发。

纪要来源：【文八股调研】小程序

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