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氣動(dòng)離合器COREMO E4-NA1976 蝶形剎車(chē)片 水泵制動(dòng)器
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機(jī)器人抓手，即機(jī)器人的手部、夾爪，也被稱(chēng)為機(jī)器人末端執(zhí)行器(End of Arm Tooling，簡(jiǎn)稱(chēng)EOAT)。它是裝在機(jī)器人手臂上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件，使機(jī)器人能夠抓住、握緊、拿起、搬運(yùn)和放下物體，或?qū)崿F(xiàn)工件的自動(dòng)化加工。作為機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分，機(jī)器人抓手通過(guò)機(jī)器人手臂連接到機(jī)器人，使機(jī)器人能夠從事搬運(yùn)、碼垛、上下料等工作，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并代替工人從事一些危險(xiǎn)和重復(fù)性的工作，保障其人身安全。
受益于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)，作為工業(yè)機(jī)器人重要組成部分的機(jī)器人抓手，近年來(lái)逐漸為業(yè)界所關(guān)注。本文將介紹機(jī)器人抓手的主要分類(lèi)及發(fā)展趨勢(shì)，并盤(pán)點(diǎn)國(guó)內(nèi)外主要的機(jī)器人抓手廠商。
機(jī)器人抓手的主要分類(lèi)
機(jī)器人抓手的分類(lèi)多種多樣。本文主要從驅(qū)動(dòng)方式、抓取方式、形態(tài)特征、功能用途四種分類(lèi)方式，對(duì)其分類(lèi)進(jìn)行介紹。
按照驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)
根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，機(jī)器人抓手主要可分為液壓抓手、氣動(dòng)抓手和電動(dòng)抓手。
液壓抓手采用液壓傳動(dòng)方式，通過(guò)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓力，然后系統(tǒng)將壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而使機(jī)器人抓手能夠像人手一樣抓取物品。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)速范圍大且調(diào)速方便、傳動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度快、負(fù)載剛性大、功率重量比大，適用于抓取重量較大的物品。缺點(diǎn)在于工作性能易受溫度變化影響，不宜在很高或很低的溫度條件下工作；液壓元件制造精度要求較高，成本較高；液壓傳動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，不易迅速排除故障。
氣動(dòng)抓手利用壓縮空氣作為動(dòng)力來(lái)夾取或抓取工件，是目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人抓手類(lèi)型。根據(jù)功能特性的不同，氣動(dòng)抓手又可分為平行抓手、擺動(dòng)抓手(Y形抓手)、旋轉(zhuǎn)抓手和三點(diǎn)抓手等。氣動(dòng)抓手的主要特點(diǎn)包括：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，使用成本低；氣源方便，排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境；反應(yīng)速度快，且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；型號(hào)和抓取力多樣，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用；
環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)，可在惡劣的環(huán)境(高溫、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等)中工作；可靠性高，使用壽命長(zhǎng)等。其不足之處在于可實(shí)現(xiàn)抓取點(diǎn)位單一，對(duì)力的控制不夠精細(xì)，難以滿(mǎn)足一些多功能抓取的需求；氣源氣壓的不穩(wěn)定輸出會(huì)導(dǎo)致夾持力不穩(wěn)定，使得抓取物易脫落。
電動(dòng)抓手即由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人抓手，是近年來(lái)興起的機(jī)器人抓手類(lèi)型。它的興起很大程度得益于以協(xié)作機(jī)器人為代表的柔性化生產(chǎn)工具發(fā)展的帶動(dòng)。電動(dòng)抓手可以進(jìn)行數(shù)字化控制，做到速度、位置以及夾持力度的精準(zhǔn)控制，具備高柔性的特點(diǎn)，更加適配于產(chǎn)線(xiàn)對(duì)柔性制造的需求。
按照抓取方式分類(lèi)
根據(jù)抓取和夾持的方式不同，可以將機(jī)器人抓手分為內(nèi)撐式抓手、外夾式抓手，以及內(nèi)外夾持式抓手。
內(nèi)撐式抓手，就是采用內(nèi)部夾持方式的抓手。在某些應(yīng)用中，由于物體幾何形狀的原因，例如有孔洞的物體，需要從內(nèi)部抓取夾持物體。這種情況下，抓手通過(guò)擴(kuò)張力來(lái)抓取和夾持物體。
外夾式抓手也就是采用外部夾持方式的抓手。這種情況下，抓手通過(guò)施加夾緊力來(lái)抓取和夾持物體。由于外部夾持是較為普遍的夾持物體的方式，因此外夾式抓手比較常用。
當(dāng)然，這只是根據(jù)抓取方式來(lái)劃分，部分機(jī)器人抓手既支持內(nèi)部抓取方式，也支持外部抓取方式。此外，還有內(nèi)外夾持式抓手，它可以同時(shí)結(jié)合內(nèi)部夾持和外部夾持兩種方式，來(lái)抓取和夾持物體。
按照形態(tài)特征分類(lèi)
按照形態(tài)特征的不同，機(jī)器人抓手主要可分為無(wú)指抓手和仿人手抓手等。
無(wú)指抓手即不像人手那樣具有手指的抓手。這其中，吸盤(pán)是典型的無(wú)指抓手。按照工作原理的不同，吸盤(pán)又可分為磁力吸盤(pán)、真空吸盤(pán)、靜電吸盤(pán)和范德華力吸盤(pán)等。
磁力吸盤(pán)的原理是在手部裝上電磁鐵，通過(guò)磁場(chǎng)吸力把工件吸住，適用于吸附鐵磁材料制成的工件。磁力吸盤(pán)可分為電磁吸盤(pán)、永磁吸盤(pán)和電永磁吸盤(pán)等。電磁吸盤(pán)的特點(diǎn)是工件的吸脫由開(kāi)關(guān)控制，操作效率高，容易實(shí)現(xiàn)和機(jī)械動(dòng)作聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)化，吸力大小可進(jìn)行電氣控制，吸盤(pán)可設(shè)計(jì)成大型化。永磁吸盤(pán)的特點(diǎn)是不需要電源，無(wú)停電之憂(yōu)，吸著狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間保持不使用電力,不會(huì)引起工件的熱變形。電永磁吸盤(pán)的特點(diǎn)為工件的吸脫由開(kāi)關(guān)控制，僅吸脫時(shí)瞬時(shí)用電，無(wú)需連續(xù)通電；在停電或斷電時(shí)也能保持吸力。
真空吸盤(pán)的原理是通過(guò)真空設(shè)備的抽吸，讓吸盤(pán)產(chǎn)生負(fù)氣壓，從而將物體吸住，適用于鐵板、鋁板、鋼板、石板等板材的搬運(yùn)，各類(lèi)玻璃的搬運(yùn)，以及其它表面較平整、形狀較規(guī)則的物料搬運(yùn)。真空吸盤(pán)一般由橡膠材料所造，易使用、易損耗，無(wú)污染，吸取和放下工件不會(huì)對(duì)工件造成損傷。常見(jiàn)的真空吸盤(pán)有扁平吸盤(pán)、波紋吸盤(pán)、橢圓吸盤(pán)和特殊吸盤(pán)等。
靜電吸盤(pán)是通過(guò)靜電感應(yīng)來(lái)吸附物體。靜電吸盤(pán)產(chǎn)生的吸附作用源自在整個(gè)吸附面上均勻產(chǎn)生的電流的力量，因此具備不易對(duì)工件施加物理壓力的優(yōu)點(diǎn)，在需要吸附固定薄型纖細(xì)工件(半導(dǎo)體晶圓、玻璃、金屬箔、薄膜等)的先進(jìn)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。如果工件潤(rùn)濕以及工件厚度較厚且發(fā)生了翹曲，靜電吸附固定就存在困難。
范德華力吸盤(pán)源自于對(duì)壁虎腳掌微觀特征的觀測(cè)和模仿。范德華力又稱(chēng)為分子間作用力，是一種存在于分子間的電性吸引力。壁虎腳掌上微小的剛毛與墻面之間也能產(chǎn)生范德華力，雖然每根剛毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來(lái)就相當(dāng)可觀。范德華力吸盤(pán)通過(guò)特殊材料與物體間的范德華力實(shí)現(xiàn)吸附，適用于吸附平板類(lèi)微器件，可應(yīng)用于3C電子行業(yè)。
仿人手抓手，也就是模仿人類(lèi)手部的抓取能力，像人手一樣具有手指，可以執(zhí)行更精細(xì)的動(dòng)作。根據(jù)手指數(shù)量分類(lèi)，可分為二指抓手、三指抓手、四指抓手、五指抓手等。其中，二指抓手應(yīng)用較多；當(dāng)二指抓手不適合處理工件時(shí)，三指、四指以及五指抓手可以提供更好的抓取支持和穩(wěn)定性。按照操作原理分類(lèi)，仿人手抓手又可細(xì)分為2指平行抓手、2指張角抓手、2指水平旋轉(zhuǎn)抓手、2指長(zhǎng)行程平行抓手、3指定心抓手、3指長(zhǎng)行程定心抓手、四指定心抓手、仿人五指靈巧手等。
按照功能用途分類(lèi)
根據(jù)功能和用途的不同，機(jī)器人抓手主要可分為搬運(yùn)用抓手、加工用抓手、測(cè)量用抓手等。
搬運(yùn)用抓手主要通過(guò)夾持、吸附等方式，完成工件的自動(dòng)化搬運(yùn)，主要包括抓取式抓手、夾板式抓手、吸盤(pán)和磁力抓手等。抓取式抓手廣泛用于各類(lèi)軟袋包裝物的碼垛，如袋裝化肥、飼料、糧食、化工原料等。夾板式抓手主要用于整箱或規(guī)則盒裝包裝物品的搬運(yùn)、碼放，如周轉(zhuǎn)箱、紙箱等。吸盤(pán)適用于塑料玻璃等表面細(xì)致光滑、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固的物品的搬運(yùn)、碼放；磁力抓手適用于鋼材、鐵片等導(dǎo)磁材料的工件搬運(yùn)。
加工用抓手帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具，用來(lái)完成切割、焊接、拋光、打磨、噴涂等工作，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)化加工。
測(cè)量用抓手是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，不參與搬運(yùn)、加工等工作，主要用來(lái)進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。
機(jī)器人抓手的發(fā)展趨勢(shì)
工業(yè)機(jī)器人作為一種能夠自動(dòng)執(zhí)行各種工業(yè)任務(wù)的智能裝備，在現(xiàn)代化工廠中發(fā)揮著非常重要的作用，且應(yīng)用范圍和功能也在不斷擴(kuò)展和提升。伴隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，機(jī)器人抓手市場(chǎng)需求也隨之釋放，并在越來(lái)越多的領(lǐng)域當(dāng)中得到應(yīng)用。而且，在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)需求升級(jí)的帶動(dòng)下，當(dāng)前機(jī)器人抓手正朝著“電動(dòng)化、柔性化、仿生化、靈巧化、智能化”等方向發(fā)展。
電動(dòng)化
相較于液壓抓手和氣動(dòng)抓手，電動(dòng)抓手誕生較晚，但發(fā)展迅速。這表現(xiàn)在：一方面，雄克(Schunk)、SMC、費(fèi)斯托(Festo)、Zimmer等氣動(dòng)抓手巨頭廠商紛紛推出電動(dòng)抓手產(chǎn)品；另一方面，近年來(lái)也涌現(xiàn)了一批以電動(dòng)抓手為主營(yíng)產(chǎn)品的知名廠商。這其中，國(guó)際廠商以O(shè)nRobot、Robotiq等為代表，國(guó)內(nèi)廠商以鈞舵機(jī)器人、知行機(jī)器人、增廣智能、大寰機(jī)器人、因時(shí)機(jī)器人等為代表。而且，電動(dòng)抓手的市場(chǎng)份額在逐步提高，新進(jìn)的電動(dòng)抓手廠商也在持續(xù)增加。
這是因?yàn)?，電?dòng)抓手在性能和結(jié)構(gòu)上優(yōu)于液壓和氣動(dòng)抓手。相比于氣動(dòng)抓手，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上用機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)代替氣動(dòng)抓手的氣源、過(guò)濾器、電磁閥等部分，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，并能用于醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)室等無(wú)氣源場(chǎng)合。相比于液壓抓手，其系統(tǒng)維護(hù)方便，無(wú)需使用液壓能源，可減小能源污染。而且，電動(dòng)抓手可進(jìn)行數(shù)字化控制，方便精確地控制速度、位置以及夾持力度；通過(guò)矢量控制和動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償，電動(dòng)夾爪可以實(shí)現(xiàn)高節(jié)拍下的力控，更加適應(yīng)柔性化生產(chǎn)需求。
不過(guò)，目前機(jī)器人抓手市場(chǎng)仍然以氣動(dòng)抓手占絕對(duì)主導(dǎo)，且其統(tǒng)治地位短期內(nèi)還難以撼動(dòng)。根據(jù)高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所(GGII)的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，目前在中國(guó)市場(chǎng)，電動(dòng)抓手的市場(chǎng)份額還不到10%，預(yù)計(jì)到2025年電動(dòng)抓手市場(chǎng)份額有望突破14%。而且，部分以電動(dòng)抓手為主營(yíng)產(chǎn)品的機(jī)器人抓手廠商，考慮到目前機(jī)器人抓手的市場(chǎng)現(xiàn)狀和客戶(hù)需求，也開(kāi)始涉及氣動(dòng)抓手和吸盤(pán)類(lèi)產(chǎn)品。
柔性化
傳統(tǒng)的機(jī)器人抓手多為剛性抓手。剛性抓手的局限性主要在于夾持力度通常不可控，如果夾持力度過(guò)大，可能在抓取過(guò)程中會(huì)損壞物品，或在產(chǎn)品表面產(chǎn)生劃痕；而且，對(duì)于一些形狀不太規(guī)則，易產(chǎn)生形變的物品，剛性抓手以及吸盤(pán)難以有效抓取。這也推動(dòng)機(jī)器人抓手走向柔性化、軟體化。當(dāng)前，市面上已經(jīng)有廠商推出柔性抓手/軟體抓手產(chǎn)品，并在一定程度上解決了異形、易損物品的抓取問(wèn)題，彌補(bǔ)了剛性抓手和吸盤(pán)在某些場(chǎng)合無(wú)法適用的空缺。
例如，德國(guó)雄克(Schunk)作為全球抓取系統(tǒng)和夾持技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商之一，擁有1200多種卡爪類(lèi)型，包括基爪、嵌入爪、臺(tái)階式卡爪、擺動(dòng)卡爪、軟爪、扇形軟爪、QUENTES塑爪等。其中，QUENTES塑爪可在最大限度保護(hù)表面的情況下提供強(qiáng)勁的夾持力，由玻璃增強(qiáng)塑料制成的夾緊嵌件可實(shí)現(xiàn)高摩擦系數(shù)，非常適用于磨削或表面處理的部件，防止在工件表面形成夾緊痕跡。
蘇州柔觸機(jī)器人致力于為工業(yè)自動(dòng)化和智能制造提供柔性抓手解決方案，產(chǎn)品主要包括柔性?shī)A爪、氣動(dòng)夾爪、柔性機(jī)械手等柔觸夾爪及其控制器等，并已應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、食品、醫(yī)療、汽車(chē)、服裝、3C電子、玩具、包裝物流、教育等多個(gè)領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，其柔性?shī)A爪能自適應(yīng)地包覆住目標(biāo)物體，而無(wú)需預(yù)先知道其準(zhǔn)確的形狀和尺寸，在實(shí)現(xiàn)柔性抓取的同時(shí)也不會(huì)損壞物體或在物體表面留下劃痕。
美國(guó)Soft Robotics、丹麥OnRobot、北京軟體機(jī)器人科技、東莞易爪機(jī)器人等廠商也都致力于柔性軟體抓手的研發(fā)與應(yīng)用。
仿生化
生物在與自然環(huán)境的不斷對(duì)抗中，進(jìn)化出生存的最優(yōu)解。于是，一些廠商和科研機(jī)構(gòu)也從身體柔軟、靈活、高度敏捷的生物中汲取靈感，研制出模仿生物特性的機(jī)器人抓手。
例如，費(fèi)斯托(Festo)作為世界著名的仿生機(jī)器人廠商，致力于將自然基本原理應(yīng)用到自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，而且在仿生機(jī)器人抓手方面也頗有造詣。Festo研制的仿生抓取助手(Bionic Handling Assistant)在結(jié)構(gòu)和整體功能上模仿的是象鼻；抓手由三根自適應(yīng)手指組成，作用原理來(lái)源于魚(yú)鰭，具有Fin Ray Effect的結(jié)構(gòu)像魚(yú)鰭一樣，在側(cè)向壓力下不會(huì)彎曲，而是圍繞壓力點(diǎn)彎曲。通過(guò)這種方式，手指在被抓持的材料周?chē)p輕地閉合，并且能夠無(wú)損地抓取易碎和不同形狀的物體。
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