机器人用扭矩传感器 无缝连接和扭矩传感给工业机器人带来的转变
无缝连接和扭矩传感给工业机器人带来的转变
电子发烧友网报道（文/李宁远）由于协作机器人的出现，加上控制技术、传感器技术和高速计算能力的创新，工业机器人市场正在经历一波技术进步的浪潮。重型的工业机器人已经进化到承担更重的负荷和更大的承载任务，但在更多应用场景里，小型工业机器人的数量增加得更为迅速，而且可完成的任务也更加多样。
工业机器人升级背后的无缝连接
工业机器人在技术进步中除了硬件的升级，网络架构的改变也不小。随着软硬件配置变得更加模块化，计算能力也在大幅提升使产经能够获得更好的智能特性。这种改变意味着所有的组件，从边缘传感器到云端都需要无缝连接，而不是信息孤岛。无缝连接是工业4.0的核心原则，它需要可靠、高速的数据和电力传输。这也和我们看到的越来越多OEM将连接解决方案设计为平台而不是离散的组件这一趋势相匹配。
传统的电力或者信号连接器即便可以提供极快的传输，也很难在复杂的工业场景下保证可靠和性能。因此在工业机器人领域，传统接线端子的一些功能已经被重载连接器整合代替掉了，这样有效提高了连接的可靠性，还能减少装配复杂度，有助于确保动态插入和电源连接、信号和数据连接。
能够在极端恶劣的工况下稳定传输电力、数据和信号的重载连接器混合传输，极契合现在混合型传输升级的趋势。借助模块化的配置，重载连接器可将各种不同接口的电力、信号和数据传输技术组合在一起，一替多的同时保证可靠的高速传输，大大节省了原本复杂的连接配置空间。
工业机器人很难有一个标准的工作环境，高温可能损坏连接组件、机电火花可能破坏连接组件，在严苛环境下保证机器人无缝连接是相当有挑战的。尤其是机器人上最多的电机和电机控制相关组件，很容易发生电磁干扰，这些强大的功率信号可能会影响到数据流的传输。为了使机器人在指定的参数内运行并在工厂生产，控制器需要关于机器人位置的准确、实时信息，位置数据流中断，计算机无法准确测量机器人的位置。
高可靠、高密度触点结构的重载连接，在模块化和小型化的演进中既能提供工业机器人需要的可靠，又能在有限的空间里给予无缝连接设计足够的灵活度。
工业机器人升级背后的扭矩传感
在工业机器人向协作机器人转变的途中，有一个趋势是人机协同。在很多应用里，人机协同的方案，比完全自动化解决方案或纯人工解决方案效率更高。人机协同那就需要对机械臂的控制非常精准。
机械臂关节一般包含一个扭矩传感器、一个齿轮单元/齿轮驱动器、一个电机驱动器、一个位移传感器、一个用于电机的功率转换器和几个电源。元件数量不宜太多，太多会导致复杂性提高。对于人机协同来说，需要扭矩传感足够耐用且可靠。
整个机械臂设计的应力性能和每一个元件设计都相关，因此必须针对每个协作机器人应用定制关节扭矩和安全扭矩传感器的输入和输出，同时还需要专门针对各自特定的扭矩范围、厚度和质量优化应力条件。耐用的扭矩传感器是实现人机协同的基本要求。
协作机器人中的扭矩传感器需要提供优秀的过载能力，可以反复承受两倍额定负载的能力是必须的，否则机械臂需要承载很高的横向载荷很容易产生结构失效。
温度稳定性同样是重点，因为机器人关节位于电机附近，容易受到电机高负载下温度波动的影响。扭矩传感需要降低关节对热量的敏感度，维持高水平的精确度。
小结
过去很多没有办法应用工业机器人的现场，很多没有办法负担起高昂机器人价格的场景，现在都可以使用工业机器人来实现更高水平的自动化。工业机器人在更灵活更安全特性上的进步正是由这些持续迭代的基础硬件技术推动着。
全球登上多条重磅新闻的机器人，背后已经都用了中国传感器
近日，第八届中国机器人峰会得到中央及地方级媒体广泛报道，峰会上亮相的工业机器人、协作机器人、人形机器人等多款机器人产品出现在新闻联播，成为社会热议的焦点。
随着工业机器人和各类民用服务机器人需求激增，中国已成为全球最大的机器人市场和增长最快的新兴市场，“机器人+”时代悄然而至。在新兴产业与机器人技术融合不断深入的当下，机器人产业走向高质量发展，我国自主机器人零部件、整机、系统集成及周边配套其实已经构建起了一体的完备产业链体系。
机器人传感器、机器视觉作为机器人应用的关键零部件，一直是行业关注的热点领域。目前我国在这些领域的创新走在世界前列，正作为我国机器人产业链上的长板领域，赋能更多的机器人应用，拓展机器人应用的深度和广度。
例如本次在新闻中频繁亮相的多款机器人产品，其实背后也有用上国产机器人传感器。
▍传感器国产化快速提升
机器人大讲堂调研了解到，第八届中国机器人峰会上展览上美的、ABB等企业的多款机器人，都用着一家名为宇立仪器的中国品牌传感器产品。
宇立仪器的业务面非常广泛，目前应用于包括汽车、机器人等多个领域，目前是国内唯一具有汽车碰撞假人多轴力传感器生产能力的企业（全球仅两家），宇立十几年前把汽车行业力传感器技术引入机器人行业，其六轴力传感器很早就在ABB、KUKA、YASKAWA、FOXCONN等 国际领先的机器人企业得到良好应用，目前也快速应用到多个国产机器人品牌上。
美的库卡也一直是宇立的合作客户，在2020年双方合作下，KUKA 面向各行各业的打磨需求，就推出了一款 KUKA ready2_grinding应用产品，该产品集成了力传感器、位移传感器和倾角传感器，能实现机器人姿态自动补偿，适用任何厚度焊缝，一个动作轻松高效完成焊缝去除工作，响应速度快，时间达5毫秒，精度10%之内。
在产品凭借恒力打磨、实时反馈和监控打磨压力大小等九大优势，在市场上取得了较好反响，后续在2021年，双方还成立了“宇立－库卡智能打磨联合实验室”，共同研发基于力控和视觉的智能打磨技术，旨在适应市场快速应用的需求，为客户提供最优化的价值。
除了工业领域的机器人客户，宇立的传感器还在人形机器人等新领域有着应用。
例如第八届中国机器人峰会上之江实验室展出最新研制的第三代仿人钢琴演奏机器人、高性能双足人形机器人原理样机受到广泛关注，其实在人形机器人足底就采用了宇立仪器的六维力传感器 ，这样才能保证机器人对于力的精准计算与控制，从而有了峰会展示中人形机器人弹奏钢琴乐曲、脚踩跷跷板等绝活。
▍更多中国传感器走向全球
不仅是本次峰会上展示的国产机器人，全球厂商对于宇立生产的传感器都有着较多的认可。
例如TOYOTA和美敦力等全球领先的厂商也应用到宇立的传感器技术，帮助实现高灵敏的交互感知，极大拓展了机器人的应用场景。
TOYOTA以汽车闻名全球，但其同时也在致力于汽车自动驾驶、机器人、机器学习、AI等新兴领域的研究。2021年丰田研究院最新的家用机器人曾展示可在清理桌面时进行自拍，同时该机器人还能识别反光或透明的物品。这其中就得益于宇立为TOYOTA提供的超高分辨率六维力传感器。
因为该六维力传感器的具有独特的体积、分辨率优势，这也是TOYOTA在全球选择了宇立产品的重要因素。 具体来看，该传感器厚度仅9.2mm，FXFY量程1200N，FZ量程2000N，MXMYMZ量程27Nm，支持EtherCAT和CAN BUS通信，最高采样率2KHZ，分辨率高达1/40000F.S，0.05N的力能清晰分辨。1000HZ采样率情况下，更是分辨率高达1/20000F.S，0.1N的力能清晰分辨。
美敦力同样采用了宇立的六维力传感器。在2019年底，美敦力（Medtronic）手术机器人Hugo RAS发布，作为达芬奇强大的挑战者，美敦力为了实现超高精度的细节还原与医疗手感传递，一台Hugo RAS机器人就使用30多个SRI的关节扭矩传感器。
之所以选择宇立，一方面是因为宇立的关节扭矩传感器具有结构轻薄、抗弯能力强、轴间串扰小等特征，同时刚度是谐波的4倍以上 ，另一方面，宇立的质量体系其实已经提升至医疗等级，在国内外获得了顶级高校和实验室的认可，这使得宇立的产品成为全球许多后发手术机器人产品的首选。
不仅如此，全球越来越多外骨骼机器人正都已经开始配备了力控制单元，这使得人工智能假肢的控制单元可以感知路况和体态的变化，实时为患者提供主动而非被动的动态平衡支持。
例如密歇根大学研发的智能假肢，足底就集成了厚度仅9.2mm的宇立超薄六维力传感器，而关节更是配备了宇立关节扭矩传感器。
例如上海电气研发的上肢康复外骨骼，同样采用宇立关节扭矩传感器作为力反馈原件，该产品目前已经拿到医疗设备认证。
又例如华大远程超声机器人，末端也配备了宇立的六维力传感器；上海理工大学的下肢外骨骼，也将宇立的关节扭矩传感器应用于力反馈。
从参数上来看，这些外骨骼机器人研究者选择宇立的超薄系列传感器也并不意外。这一系列包括18个型号，厚度均小于1cm，最小的仅7.5mm厚。但令人震惊的是，在极薄的设计中，这一产品型号的重量均小于0.26kg，最轻仅0.01kg。 另一性能关键指标精度指标非线性和迟滞仅为 1%，串扰小于 3%。
这毫无疑问已经是全球市场上超小，超轻、超薄传感器的典范。
▍国产化的研发突围历程
目前，传感器作为机器人等领域底层却非常关键的技术，正加快推进与新一代信息技术的融合。《福布斯》甚至将传感器被列为未来10大科技产品之首，足以证明其重要性。
但在原先，美、日、德三国的传感器三分天下，而中国90%的传感器靠进口，全球一共高达约4.8万种传感器的种类，但我国在研究的仅有6000种左右，仅占所有传感器的1/8。
作为国产自主品牌，宇立多年在激烈竞争中一步步实现了并跑、领跑，围绕传感器领域不断取得世界级影响力，并吸引了全球各国的客户。 2018年9月，宇立曾主办了第一届机器人力控技术会议，就吸引了来自全球多个国家的130余专家学者参会， 2020年9月，宇立主办了第二届机器人力控技术会议，180余专家学者参会，表明了对于宇立实力的认可。
对于一个传感器产品而言，要想在市场上站稳脚跟，必然需要在性能、品牌、价格三个方面具备突出的竞争力 ，而以宇立为代表的中国企业在这三方面做到了极致，实现了产品国产化率逐步提升。
这不仅离不开宇立多年来对于材料研发、加工工艺的不断打磨，背后还有着宇立对于技术的坚持与深耕，从而才能在核心制造工艺等方面实现突破，解决了国内传感器生产能力落后，产品质量差的问题，快速建立了产品和口碑，最终让SRI品牌走向了全球。
在全球化的发展中，宇立的国内传感器产业研发也在不断完善和升级，获得了更多商业机会。通过切入机器人等新领域，加强制造工艺和新型传感器的开发，发展具有自主知识产权的原创性技术和产品 ，还研制了一批适用于人形、外骨骼、协作机器人等新品类的新材料和新产品，打造出了六维力传感器等一大批高性能爆品，从而成功突破了国外对于高端传感器应用领域和产业的卡脖子问题。
目前，在技术方面，宇立等国产传感器企业所制造出的产品，在主要性能指标和使用寿命上和国外已经并不存在明显差距，同时，国内更多企业正努力通过把产业优势转化为技术优势，深耕新兴行业，通过“传感器+应用”带动技术突破、产品升级。
▍结语与未来
作为机器人产业链的重要组成部分，也是机器人实现自主性最重要的方式之一，多传感器融合能使机器人能够在最少的人工干预下独立移动，并完成物流配送、农业应用、测绘和探索等许多任务，做强做优核心零部件产业意义重大。
目前，中国传感器领域正在宇立等龙头企业的带领下，快速解决上下游痛点、应用堵点、创新难点，助力实现了工业机器人、协作机器人等品类的机器人+应用，未来有望让机器人更好赋能制造业升级，更好助力实体经济高质量发展。
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