与工业和社会中新兴的大趋势一样，通过过去几年的发展，抓取和搬运技术的未来也可以被许多因素影响。图5.1没有防护栅栏的人机协作汽车制造商和其行业供应商即使作为已经高度自动化的工业领域，一方面由于汽车厂数量的增长，另一方面在质量和高成本的压力下，也会促使搬运技术迎来持续不断的销售增长，本书前面提到的机器人的销售统计数据清楚地证实了这种现象。......
2023-06-15
抓取技术的发展历程
【摘要】：用于标准机械手的技术在过去30年中经历了显著的发展和差异化。图2.1清楚地显示了早期设计轻型抓手的困难程度。有限的控制技术能力也导致了明显的磨损迹象，机器人预计携带的有效载荷越多，设备的维护就越多。首先因为电动驱动器表现出与气动能源完全不同的行为；其次是因为它为抓取技术开辟了全新的可能性。这种类型的驱动器将极大地影响抓取技术的未来。
30年前，已经有了关于选择和设计生产技术任务系统方法的实际需要，20世纪80年代的大量科学工作和出版物证明了这一事实。当时机械手成为自动化技术的重要组成部分。新开发的自动化市场上几乎完全没有标准化的机械手组件。
一个经常出现的主题仍然是针对特定任务的机械手选取。除了清晰明确的选择标准，如机械手类型或抓取力，还经常使用其他工具，尤其是那些被称为“专家系统”的工具。这些系统应该有助于选择过程，特别是当工件不仅是简单的圆柱体或块状物体时。相关企业持续就有关该主题研究项目进行合作，因为业界似乎仍然需要这些系统。
用于标准机械手的技术在过去30年中经历了显著的发展和差异化。在机器人技术发展的早期阶段，机器人制造商是机器人和机械手的主要供应商。然而，到20世纪80年代初，越来越多的组件供应商开始出现在不断变化的市场中。
这也证实成为位于德国内卡河畔劳芬镇的SCHUNK公司新产品系列的催化剂。在纽伦堡的一个贸易展览会上，当时的管理合伙人Heinz-Dieter Schunk了解了KUKA公司展出的机器人机械手的一些问题。作为夹持技术产品的制造商，SCHUNK公司肯定拥有必要的内部专业知识，以确保在一定时间内尽可能安全可靠地夹持工件。精密夹持一直是夹紧技术的重要要求，纽伦堡展出的机械手在该领域显示出很大的改进潜力。Schunk先生决定为基于夹持技术的机器人市场开发机械手抓取部件。
当把夹持技术应用于机器人搬运动作中时出现了很多难点。
“有效载荷减少”的问题仍然是动态搬运过程中的一个重要因素。机器人必须搬运的质量越低，整个应用程序的设计效率就越高。图2.1清楚地显示了早期设计轻型抓手的困难程度。
图2.1 KUKA 机器人和抓取机械手（来源：KUKA46）
图2.1有助于可视化机器人手臂当时能够携带的有效载荷类型。当这种机械手必须安装在机器人末端并随之移动时，其很快就达到了几千克的质量。有限的控制技术能力也导致了明显的磨损迹象，机器人预计携带的有效载荷越多，设备的维护就越多。
从夹持技术的角度来看，SCHUNK公司专注于开发一种机械夹具，可用作一种模块化系统，适用于市场上各种抓取情况。SCHUNK PPG系列的一些独特优势包括集成介质通道和紧凑设计。
很快就发现，除了在机器人技术方面，标准化组件可以在更多领域发挥优势。在非标准机械制造商和系统集成商的产品中出现了一个更大的市场，这些制造商和系统集成商生产用于搬运和装配的技术设备。在20世纪80年代初机器人市场太小了，正如可以忽略不计的机器人数量所展现的那样。针对自动化装配市场，各种型号大小的两指和三指机械手、线性单元和旋转模块被提供。机器制造商的目标客户来自各个不同的行业。
德国汽车行业在全球竞争环境中的生产力日益提高，是模块化抓取设备的主要应用行业之一。
在20世纪80年代机器人销量开始增长，特别是在搬运和装配系统领域。存在一些专门讨论该专题的贸易展览会，例如，MOTEK——德国小镇辛斯海姆举办的装配技术交易会。特别是在20世纪90年代，机器人搬运系统在汉诺威展会的17号展厅展出。同时，抓取模块供应商也在展台上有很好的表现。慕尼黑的AUTOMATICA 2004标志着机器人和自动化组件联合贸易展的起点，以后每两年展出一次该行业的新产品。
早在1983年，SCHUNK公司首个有关机械手的目录就为带有接近式传感器的机械手提供了模块化系统，使其可在机器中用于重要搬运过程。与“工业机械手”匹配，还提供了用于基本几何形状抓取的手指。PPG两指平动机械手作为第一个具有恒定夹持中心的标准组件成为产品开发起点。这些机械手的100系列版本由压缩空气驱动，质量仍为1.6 kg，抓取力与质量比为1，行程为3 mm。多年来，机械手在性能和质量方面持续稳步进展。
取得这些进展的原因是引进了高强度铝合金和多齿型导轨的特殊设计，这使得机械手组件能够进一步提升其夹持力和自身质量的比值。
图2.2显示了PGN两指机械手与100系列型号的PPG两指平动机械手的对比，在2000年初PGN Plus的多齿导向的抓取力/质量比实现了重大飞跃。虽然PPG的6 mm单指行程可以达到650 N的最大力，但PGN两指机械手实际上可以达到单指行程10 mm并提供相同大小的力（550 N）。另一个重要的方面是，性能提高的同时，其自身质量减轻了50%以上。这样可以构建更轻的机械手，从而为搬运系统提供更高的节拍输出。
PGN Plus在2001年达成了下一个里程碑，当时5 mm手指行程可以实现的力量从900 N大幅增加到1 370 N。这些气动抓取模块现在已成为所有工业领域许多自动化应用的基础，从汽车制造到塑料加工。这些是精密并具有长使用寿命的模块。此外，它们还提供了传感器集成和过程监控的可能性。因此，2015年更先进的气动平动机械手PGN Plus Permanent在市场上得以推出。
这款机械手能够再次大幅提高了机械手手指长度及单指行程。
图2.2 以一个两指平动机械手为例子比较其性能
在20世纪90年代早期，SCHUNK公司在机械手模块中引入了电动驱动器。这是一个技术上的里程碑，有两个原因。首先因为电动驱动器表现出与气动能源完全不同的行为（图2.3）；其次是因为它为抓取技术开辟了全新的可能性。然而，当时电机的性能仍远远落后，这些类型的驱动器的成本仍然过高。超过25年后的今天，我们开始再次从SCHUNK看到第一个广泛使用的电动机械手系列。
这种类型的驱动器将极大地影响抓取技术的未来。作为用于抓取技术的驱动类型，电动驱动器变得越来越普遍。最初，其抓取力/质量比方面实现了巨大的飞跃。从那时起，我们一直在努力关注尺寸和能源效率，并且在接下来的几年里，我们再次看到电动驱动部件的进步。考虑能源效率因素导致工厂技术用户不仅要将投资成本纳入购买决策标准，还要考虑气动模块的高运营成本。
此外，电动驱动器的低磨损和恒定工艺参数可实现可靠的操作。均匀的能量供给是另一个优点，因为大多数受控搬运系统是电驱动的。
图2.3 以一个电动机械手为例比较其性能
其他机械手设计，如张角型机械手和三指机械手也经历了持续的发展。模块变得更加紧凑，并在附件选项方面集成。图2.4分别展示出了平动型机械手和张角型机械手的设计。
越来越多的组件扩大了客户群，并进一步扩大了应用范围。这意味着随着模块化机械手的发展，附件范围也在扩大，由此导致了非标机械手和法兰盘的设计。
部件集成商还需要越来越灵活的方法来改进机械手对工件的适配。因此，2006年AUTOMATICA首次采用增材制造方法制造了一种带有手指的抓取机械手（图2.5）。这些同斯图加特Fraunhofer研究所一起的研究发展，导致10年后创建了SCHUNK公司的互联网平台eGrip。
但是，经典的抓取技术也变得更加差异化。如今，集成商可以从组件制造商订购组件以及整个抓取系统。通过使用机电一体化组件也可以应对日益增加的应用复杂性和不同工件种类。“抓手”形式的柔性机械手越来越多地发展成为一个独立的细分市场。
图2.4 平动型机械手和张角型机械手的比较
图2.5 2006 AUTOMATICA上使用增材制造方式的带有接触表面的张角型机械手 （来源：REFORM DESIGN38/robomotion39）
图2.6显示了第一个抓取模块的开发，直到SCHUNK公司的第一个三指手，大约10年前，它被认为是一个真正的创新工业产品。在那之前，只有研究所和研究设施的机械手可用。SCHUNK公司将具有二维触觉传感器系统的三指手开发成标准组件。紧随其后的是2010年的高性能微型机械手，用于装配较小的部件。
随着斯图加特Fraunhofer IPA的Care-O-Bot手臂的开发，SCHUNK公司加入了有潜力的协作机器人领域，由于其先进的安全技术，可以与人类互动。客户可以使用模块化系统，对从手到手臂的设计进行定制。Powerball轻量级机械臂代表了整个系统有效载荷与质量比的又一个改进。Powerball Arm配备移动平台，可在各种生产地点运行。这允许分散的较小批量的工作位置更经济地实行自动化并且利用机器人实现物流。
五指手基于三指手做了更多扩展，并且能够执行复杂的抓取过程。在2013年引入了基于电动机械手的安全抓取技术。
这种基于三指手的五指手扩展部分可以与Powerball轻型臂一起安装在移动设备上，为应用和空间配置提供了最大的灵活性。
最终在2016年的AUTOMATICA展览会上，新的人机协作型系列机械手首次在公众视野中亮相（图2.7）。
图2.6 1983—2008年第一代机械手的发展时间表 （来源：SCHUNK40）
图2.7 从2010年至今的发展时间轴（来源： SCHUNK40）
这些机械手搭配了电动驱动、内部控制单元和可选配的传感器。人机协同的安全性通过传感器系统来保证。
因此，抓取技术包括新材料、新设计形式和最终“智能”。在本书中，我们将了解新的生产方法如何为未来的机械手做出贡献。从2000年开始，增材生产方法被证明适用于简单原型制造以及组件预制等工艺。
目前，可以通过门户网站链接快速生成标准组件和增材制造方法生产零件。这允许将标准组件集成到特定的客户环境中，甚至有可能使用增材方法生产完整的机械手和执行器。
最初的标准机械手组件已发展成为一个用于自动化的模块化系统（图2.8），为生产中的任务提供了灵活的解决方案。该领域的制造商现在提供用于旋转和补偿的模块，可以安装在运动链中的机械手后面。但是，也有足够的应用可以完全单独使用这些模块而不使用机械手。
旋转介质传导装置、快换系统以及用于测量和监控的组件通常与机械手一起使用。
约有2 550个令人印象深刻的抓取组件有助于匹配现存的工件种类。当然，1983年还有各种平动机械手（7个组件）和张角型机械手（6个组件）问世，但绝不代表客户的真正选择。这就是为什么选择正确的组件并提供给客户专家咨询已成为当今工艺的重要组成部分。使用基于软件的选择工具也将变得更加普遍，以帮助管理大量的变化。CAD系统中的数据管理和集成规划对于设计工程师来说也变得越来越重要。
设计机械结构的工程师并不是唯一参与自动化组件选择的工程师。与装配的特定功能有相关性意味着在工序过程中更频繁地咨询程序员或电气工程师。编程人员熟悉机器人程序的顺序以及如何确定运动和路径，例如，有些情况应该使用防碰撞单元进行保护。因此，程序员在参与或设计碰撞单元时是有责任的。
通过控制或传感器技术连接组件可生成可在程序过程或过程控制期间使用的数据。纯粹的机械解决方案通常不再适用于此。为这种情况创建优化的解决方案需要团队合作。
图2.8 模块化系统组件概览（来源： SCHUNK40）
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