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全球领先的六维力传感器供应商,ABB、KUKA、安川都在用,竟然是中国企业?

关键词:六维力,ABB,KUKA,安川  作者:  发布时间:2022-04-11   浏览次数:229次

ABB、安川电机、KUKA等为代表的四大家族企业,无疑代表了当前机器人行业的顶尖水平。


但占据中国机器人产业70%以上市场份额的四大家族企业,在各个工业市场上的成就,不仅仅是独自一家企业的成功,背后上游零部件对于机器人性能的影响非常关键。


高性能传感器作用巨大


传感器就是机器人中一种重要的零部件,从原理上来说,传感器能够根据被测量的信息,通过一定规律的信号变换,将其转换成机器人所需的电信号或其他形式的信息,并完成输出,以满足信息在采集、传输、记录和控制等工业智能化过程中的要求。


力传感器就是机器人力感知的关键部件。ABB、安川、KUKA等企业的机器人,能够广泛应用于仿生、医疗、打磨、装配、抓取及人机共融等领域中,持续开发拖动示教、人机交互等功能,除开本身具备高柔性、高自动化等优点,力传感器的作用不可忽视。


以汽车车身焊缝打磨为例,该应用一直都是集成商公认的高端打磨应用,要求设备的智能化程度高、力控效果好、工作稳定可靠。



而这些汽车行业的集成商之所以大多选择四大家的机器人,很大一部分原因在于,借助高性能力传感器,ABB、KUKA等企业可以轻易实现循径精度、运动速度、周期时间、可程序设计等机器人性能的提升,大幅度提高生产的质量、效率以及可靠性。这对于汽车产线来说非常重要。


以ABB机器人为例,在类似汽车焊缝打磨应用中,ABB机器人基于机械手和环境间的交互作用,将环境力引入控制回路,提高机器人和外界可控的接触力和接触的稳定性,使得机器人可做接触运动而不发生碰撞停机现象。


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从ABB、KUKA、安川等企业类似的许多案例中,都可以发现高性能的力传感器功不可没。


那么KUKA、ABB等企业如此优秀的力传感器背后,功臣到底是谁?


四大家背后的国产品牌


得益于美的收购KUKA,一些KUKA的合作供应商逐渐浮出水面。


深挖KUKA、ABB的力传感器合作商,可以发现这家名叫SRI的企业,从企业注册资料来看,竟然是一家我国本土的企业—宇立仪器,其创始人是美国FTSS原总工黄约博士。目前,FTSS在汽车碰撞假人多维力传感器领域处于全球领导地位。


在工业机器人应用领域中,一般使用单轴力传感器、三轴力传感器和六轴力传感器三种。目前市场情况火爆的协作机器人,也是使用关节扭矩传感器和六轴力传感器。


从许多资料可以发现,单轴力传感器和单轴扭矩传感器在市场上已有很多产品,但早期因为采购量不大,并未针对机器人应用做特殊设计,因此在易用性、耐用性方面一直不强。宇立仪器(SRI)在2007成立以来,就看准了该领域,并随后持续实现了深耕。


从其官网来看,宇立仪器(SRI)多年来前后一共设计生产了9大系列,300多个型号的多轴力传感器,从一轴至六轴,都有相应的产品覆盖,可以说在这个板块扎根非常深。


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从应用领域来看,由于宇立仪器产品品类齐全,产品线覆盖各类力矩传感器、数据采集、力控打磨等。近年来随着机器人在更多的制造业细分领域发挥着越来越重要的作用,而打磨、抛光、去毛刺作为制造业中不可缺少的基础工序,所以力控打磨也逐渐进入人们的视野中。


从四大家近年来推出的许多行业应用案例来看,四大家企业早就形成了自己的力控打磨技术路线。就ABB、库卡的力控打磨套件产品分析,目前主要是六轴力传感器反馈控制和自适应打磨头两种方案。


按照宇立仪器一些已经公布的资料可以判断,借助良好的产品质量,以及纯原创从不模仿的创新性,SRI的六轴力传感器早于2012年前后,就陆续在ABB、YASKAWA、KUKA、FOXCONN等国际领先的机器人企业得到良好应用。


从宇立仪器的商品销售和缴税情况来看也确实如此,SRI这家企业的产品一度90%出口到欧、美地区。


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更深层次的领域拓展


目前宇立仪器已经是ABB全球战略合作伙伴,双方合作有十大系列的六轴力/力矩传感器和智能浮动磨头。同时,宇立也联合ABB、KUKA开发了多个标准力控产品,双方同时也一直在探索合作,正向设计开发全新的智能力控打磨解决方案。


例如在2020年,宇立仪器就助力KUKA从设计到开发合作推出了力控打磨集成应用包KUKA ready2_grinding,这是一款专门针对打磨工艺提供的易于集成的整体应用包,具有轴向的恒力浮动能力,集成了力传感器、位移传感器和倾角传感器,能时感知打磨力、浮动位置和磨头姿态等参数,能自动补偿机器人打磨姿态。


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宇立机器人及自动化用多轴力传感器,量程范围从25N至600KN,直径从15mm至1500mm,厚度从5mm至110mm,输出形式多样,包括数字及模拟量输出,适用于各种复杂工业环境,水下力测量等环境。


据宇立官网介绍,SRI的产品已在美国、德国、英国、意大利、法国、西班牙、加拿大、日本、澳大利亚、韩国、台湾及大陆等众多地区得到了良好应用。并于2015年获得了中国合格评定国家认可委员会CNAS认证。


随着库卡被美的收购,一些合作开发的活动也被放在了国内进行。2021年4月28日,“宇立-库卡智能打磨实验室” 和“宇立-itest联合创新实验室”在上海市松江区高技路176号宇立仪器总部举行了盛大的启动仪式。


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宇立和库卡在仪式上透露,未来双方将在机器人行业从打磨工具、工艺、方法到系统,为集成商和终端客户提供整体的解决方案,推动机器人打磨行业发展。


当时参加活动的人员中,除了库卡和宇立仪器双方的代表,也还有上汽乘用车、上海机动车以及来自汽车、测试等行业的人士出席。


汽车行业嘉宾出席一家传感器企业和机器人企业的实验室合作启动仪式,并公开表示希望持续开发智能试验设备,其中透露的信息非常耐人寻味。


继续往深层次挖掘,我们可以看到,宇立仪器出口的力传感器产品,除了应用于机器人及自动化,还广泛应用在汽车碰撞测试、汽车耐久测试、生物力学和通用试验设备等多个领域。


宇立的领域为什么会覆盖到汽车领域?这要从更久的一个故事说起。


多个领域的细分领头羊


在10多年前,机器人力传感器销量不大,汽车行业才是主要客户。而力传感器最大的制约因素也在于,对于大部分应用而言,力控技术成本太高。


当时,国内在力传感器上被国外卡脖子的问题非常严重,由于在早期传感器核心制造工艺技术上的严重滞后,导致高端传感器产品难以突破。


虽然国内传感器产业有完整的产品覆盖面,但是缺乏高端市场的竞争力。许多企业规模小、产品质量差、创新能力弱,有些也只是代理国外产品或进行组装,无真正核心技术。


SRI的总裁黄约看到了这个机遇。


2007年以前的十几年间,黄约一直在美国从事六维力传感器的设计研发工作,他是全球汽车碰撞假人领军企业——美国FTSS(现Humanetics ATD)的总工。


Humanetics 当时有多牛逼呢?说它是传统汽车时代碰撞测试这一细分领域的垄断龙头毫不为过。

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为保证行驶安全,汽车往往要经过安全碰撞测试,而在测试时驾驶座上都会放置一个“假人”。这种假人主要用于获取撞击时不同部位受到冲击的数据,因此其身上遍布仿生结构、传感器。


不同重量、尺寸、设计的假人身上的传感器几十个,以当时力传感器的价格计算,一个假人价格在数百万元,比大部分被测试的汽车还要昂贵。

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在这个碰撞测试假人市场中,美国Humanetics占据垄断地位,独占90%以上的市场。


在这个很小又很不起眼的“假人”制造市场,由于其内核的高端力传感器整体性能欠缺,我国也曾一度处在被“卡脖子”的境况。


2007年,黄约博士回国创立宇立仪器,成为我国唯一具有汽车碰撞假人多轴力传感器生产能力的企业。同时将多维力传感器引入汽车耐久试验领域,与上汽、大众等车企展开合作,开启了宇立与汽车行业携手并肩的旅途,克服了被国外卡脖子的问题。


宇立仪器主营的多轴力传感器及数据采集系统,也随着中国成为机器人最大应用市场,开始不断拓展并覆盖到机器人及自动化行业,并取得了良好的效果。


从汽车领域跨到机器人产业后,宇立仪器先后推出了多款六轴力传感器、机器人关节扭矩传感器和iGrinder智能浮动磨头,在业内积累了良好的声誉。


从产品来看,宇立的研发非常具有针对性,这家企业非常擅长从需求中提炼目标。


宇立与安川合作进行打磨开发初期,时任安川电机中国总经理西川先生曾建议黄约博士只是提供六维力传感器,由安川的团队来做力控打磨算法。黄约博士婉言谢绝并一头扎进各式各样的机器人打磨应用。


通过不同项目的经验总结,宇立也体会到用机器人实现打磨的难度非常高,单纯使用力传感器的机器人很难满足这种复杂的工业需求




通过大量合作探索,最终宇立开创性地融合了力控制、位置传控制和电气伺服等技术,成功推出了iGrinder智能浮动磨头,解决了打磨的工艺难题。高精度补偿且简单易用的操控,不仅提高打磨的工艺效果,还能确保了打磨的一致性如今iGrinder智能浮动磨头也成为了宇立的“当家产品”之一。


又例如在美国智能假肢的研究应用中,宇立的六维力传感器几乎已成标配。



原因是宇立贴紧脚底仿生传感器的轻薄需求,最终研发了厚度仅有9mm的六维力传感器,这也是目前全球商业界已知最薄的六维力传感器。在医疗康复领域,全球最大的医疗设备公司Medtronic(美敦力)的手术机器人也使用了宇立生产的传感器。


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深耕力控行业技术,踏实推进乘风而起


记者访谈宇立仪器的工程师,发现他们大多不善言辞却工程思维犀利,谈到机器人六维力传感器和力控打磨总是如数家珍。专业而又精进的感觉让记者印象深刻。


正如宇立仪器总裁黄约博士在“宇立-库卡智能打磨实验室”和“宇立-itest联合创新实验室”成立仪式上所说:“我们不做ppt实验室,只做原创,从不模仿,这样才能真正地做出点事情。”


在未来,随着中国市场红利的不断放大,宇立这样扎根并专精行业领域的企业必然凭借强大的技术实力得到越来越多青睐,企业在多个领域的发展情况值得期待。


4月13日,机器人大讲堂邀请到宇立仪器工程部经理唐明福先生分享机器人智能力控打磨及应用,他将重点分析六维力传感器反馈控制和iGrinder智能浮动力控两种力控方法的特点并结合大量实际案例进行具体介绍。


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