如何选择适合的机械手：原理、任务和透明性

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：在图3.142中，CIRP年报中关于全球所有主要研究机构的制造技术的出版物对特定行业的机械手原理进行了大致分类。图3.142预先选择或分配某些机械手原理应用另外一种未包含在表中的可能性是结合多种机械手原理的选择，如真空和机械夹紧式机械手。图3.143抓取任务分类的象限模型在这种情况下，机械手的选择是一个工程问题。这使在抓取原则的使用或透明性方面，机械手的快速预选成为可能。

考虑到各种各样的技术可能性，为每个自动化任务选择合适的机械手总是一个挑战，即使对专家来说也是如此。今天，可以为许多曾经被认为过于复杂或无法完成的任务找到技术解决方案。但是，重要的是要区分在实验室条件下原则上已经过可行性测试的解决方案和那些已经证明能够在恶劣环境条件下持续工作并具有高可用性的解决方案。

自从机器人和用于搬运系统的机械手出现以来，科学方法已经出现，以寻求各种可能解决问题的方法（来源：SAJJAN）。并且从机器人学的开始就很清晰，找到适合特定任务的最佳机械手实际上是任何应用的关键。

在图3.142中，CIRP年报中关于全球所有主要研究机构的制造技术的出版物对特定行业的机械手原理进行了大致分类。这给了用户一个初步的指示范围以及可能的应用程序解决方案、可在市场上选购的机械手组件。然而，工业应用的整个范围很难包含在一张表中，也有其他应用重叠，如航空航天和电子工业。虽然可以快速进行预选，但表中提供的解决方案的范围可能过于有限。

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图3.142　预先选择或分配某些机械手原理应用（来源：CIRP Annals 2014）

另外一种未包含在表中的可能性是结合多种机械手原理的选择，如真空和机械夹紧式机械手。

其他选择机械手的资源在工件特性方面更加深入，并尝试将其作为选择机械手的起点。在对工件进行初步分析之后，可以对如何对任务进行分类做出初步的决定。例如，就机械手内或机械手上的行为而言，很容易评估表面粗糙和不规则但具有很强一致性的工件。可以根据指南和参数选择机械手。然而，在项目中仍有开发成本需要考虑和澄清。例如，在多大程度上，形锁抓取可以安全地用机械手手指抓住工件的粗糙表面。

在这些情况下，成本高昂的测试通常可以被消除。只有当工件完全与标准设计和计算中的数据相矛盾时，才需要测试原型机械手。这是在研发领域，不再只涉及工程。图3.143所示的四象限模型在空间上说明了分类。如果工件位于右上象限，那么市场上通常没有标准机械手解决方案。对于左下象限中的工件，任务更简单，更直接，机械手模块可用于这些情况。这里面临的挑战是从大量组件中选择最佳解决方案。

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图3.143　抓取任务分类的象限模型

在这种情况下，机械手的选择是一个工程问题。与这些解决方案一起应用的技术通常是众所周知的，通常不需要任何预测试。

但是，如果搬运过程要在高速下进行，并且工件显示出右上象限的特征，则通常需要全新的机械手设计或内部开发。评估中未考虑其他环境影响或抓取情况的因素。但是，即使只对工件进行评估，仍存在许多的不确定性，使工程不能被固有地应用。

在这种情况下，使用计算图是不可能或非常困难的。物理引擎是一种模拟工具，在这些情况以及其他情况下变得越来越重要。该方法在计算机三维动画游戏中得到了广泛的应用，可以用来模拟物体及其物理特性。这意味着，当工件具有柔性性质时，这种柔性可以在模拟中重现，用来模仿任何形式的运动或转动惯量的变化。

图3.144显示了计算机仿真中移动物体的模型。在未来几年的现实模拟方面，预计会有进一步的进展。

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图3.144　由多个单独组件组成的对象模型，用于模拟运动行为（开源物理引擎Tokamak,来源：Wikipedia）

模拟工件，如图3.145所示的抓取糖粉袋，如今已经成为可能。图（a）清楚地显示了箱子加速过程中产生的变形。在图（b）所示的减速过程中，糖向前滑入袋子的顶端，然后在落入图（c）所示的盒子后不久再次下沉。这种工件在机械手上的行为很难预测，但仿真为未来提供了有前景的解决方案。

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图3.145　一袋糖粉在搬运过程中的行为（来源：Robomotion）

目前，这种过程的模拟对于设计特殊的机械手来说还是过于昂贵了，测试提供了一个更简单和更现实的解决方案。越来越详细的仿真和简化的仿真系统控制将使测试变得越来越有针对性和有效性，并最终被完全消除。

不同工件特征的象限模型将继续转变。技术可能性和新的工件在不断地发展。

象限模型反映了设计工程师和集成商积累的丰富经验。

在3.1.1节“工件分类”中，提出了不同类别的工件。可以根据可能的抓取原理进行大致的预选，特别是对于难以抓取的产品。在这种情况下，给出了5种不同的基本抓取原理（黏性抓取、反握抓取、带有或不带有形锁的力锁抓取和混合方式抓取）被赋予了颜色代码。红色代码表示该特性妨碍使用相应的抓取原理。绿色代码表示工件特性与所涉及的原理相适应。

图3.146所示为20℃下切肉的分类与各种抓取原理的关系。对于这种特殊应用，抓取最重要的特征可以首先从所呈现的各种工件特征中选择出来。例如，工件的表面质量、几何结构和质地或一致性对于搬运和选择切割肉类的机械手至关重要。而黏稠度又受温度的影响，因此温度也很重要。

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图3.146　抓取原理针对切肉工件特性的分配

对于给定的抓取原理，红色图标越多，表示抓取任务解决方案的可能性就越小。这使在抓取原则的使用或透明性方面，机械手的快速预选成为可能。

例如，如果在一个机械手中使用不同的原则，那么在实现过程中，这些预选项之间的界限可能会变得模糊。此方法用于与客户或用户讨论，在编写特征定义时不要忘记任何重要特征，并以尽可能清晰的方式描述工件。

正确选择机械手的另一种方法是从选择可能的机械手原理开始（图3.147）。对于这种方法，首先可以将其分为机械抓取原理和流体抓取原理。对于这些原则的子分类，根据工件的可接近性和形状进行机械手组合。原则的选择应该有助于配置，并最终形成选择正确的机械手。

该方法的重点是力的计算，根据力计算确定给定质量按照相应夹紧原理所需的夹紧力。工件上夹紧表面的可接近性是使用S1～S6进行定义的，例如用于长方体工件。可能的夹紧原理被分配到相应的表面，如工件顶部表面S1的吸力原理。表面S2和S5可以通过使用黏合摩擦的机械手手指来抓取。在一个工件上可以结合不同的夹持原理，使用这种方法可以找到清晰定义工件的抓取解决方案。

然而，该方法假设工件处于理想的可接近位置进行抓取。它也不提供或考虑任何有关放置过程中工件位置的信息。

对工件、工件环境和任务要求的所有数据的收集可以通过一步一步的方法预先概述（图3.148）。

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图3.147　基于不同机械手类型的选择方案（来源：Günthner,ten Hompel, Schaaf, Chisu）

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图3.148　用于采集机械手开发数据的序列（来源：Robomotion）

首先，收集工件数据。正如在3.1节中了解到的，这些信息包括所有工件特征。如前所述，对于特别复杂的工件，带有符号或图标的描述类型可能会有所帮助。

然后，收集抓取情况的数据。前几章介绍了许多可能的情况和抓取场景。为了进一步缩小机械手的选择范围，必须描述抓取点和放置点的情况。

在考虑抓取情形时，通常可以排除许多解决方案，因为某些原则由于可接近性等原因而不被允许。

最后，查看搬运任务及其经济限制的信息，例如，在什么节拍时间内搬运多少不同的产品。当单机械手抓取被证明不经济时，抓取设计中还应包括对搬运系统和运动过程等因素的决定。

可以使用这些收集的数据进行机械手的开发。除了设计工程师的创造力，市场上可用的机械手解决方案的知识也应该用于这些考虑，如前几章中的示例所述。

从抓取原理技术的可行性到疲劳强度去验证工业机械手，通常是一条漫长的道路。预先测试过的、复杂的机械手模块可覆盖各种各样的任务，并具有高水平的性能。制造商已经为快速选型，一步一步地编译了这些类型的模块。

现代机械手制造商还提供专业人员和现场支持，以协助设计工程师在综合范围内选择机械手。相比之下，互联网上几乎没有可用的技术支持和设计程序。

许多制造商没有在他们的网站上提供选型工具，或者提供确定保持力的公式，或者根本没有信息。计算中还包括不同的安全系数，这会导致不同的结果，具体取决于机械手制造商。

如果选择一个制造商提供机械手的设计，则使用的基于软件的选择工具通常基于该制造商提供的标准模块。在工件质量和加速度等参数的帮助下，从这一系列模型中确定必要的抓取力和最终的机械手模块。不同的环境条件也可以在这里发挥作用，如洁净室。这些程序通常只允许进行大致的预选，然后需要由设计工程师和应用专家进行验证。这些设计程序不评估诸如要使用的安装空间等因素。最终，无数的相关因素和无数的应用程序总是需要这些软件程序专家来处理（图3.149）。

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图3.149　基于载荷参数的机械手计算设计程序（来源：SCHUNK）

某些机械手组件制造商提供的机械手设计程序和工具只允许从各自的供应商选择部件。这意味着在选择之前，必须知道将使用哪种类型的机械手。张角型机械手是否比平动型机械手更可取并不总是清晰的。为了对搬运任务选择正确的机械手，专家知识在此又一次是必需的。

任务边界越窄，机械手就越有针对性，可以根据特殊应用情况进行开发和调整。一般来说，这意味着通用机械手在技术上不如专门设计的机械手。从经济角度来看，通常情况并非如此，因为开发成本可能远远超过机械手组件的成本。

设计理论中的经典形态盒方法可用于开发机械手。该任务可分为工件的抓取、工件的固定和工件的放置。搬运系统运动路径的原则和可能的解决方案以及要安装的驱动和能量类型可以集成。

为了提供一个很好的解决方案，可以组合或串联形态盒中显示的原理，如灰色箭头所示的示例（表3.23）。形态解涉及一个预先选择的概念，根据工件信息，具有可用的解决方案。

表 3.23 形态盒作为一种工具，用于寻求解决方案

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然而，形态学只能包含解决方案的一部分，只能部分反映搬运任务。为了开发一个有价值的抓取解决方案，还需要一个对手头的任务有一定了解的创造性开发人员。在这种情况下，技术驱动和面向应用的机械手选择策略都是可能的（图3.150）。

在科学上对机械手选择的自动化的努力仍在进行。研究人员和科学家一直在努力用广泛的标准目录分析这项复杂的任务，并对其进行相应的评估。

尽管卫生环境等设计要求对许多应用来说完全不重要，但当涉及与食品或药品的直接接触时，这些标准可以限定整个解决方案的范围。

J.Schmalz和G.Reinhardt的方法也采用了前文提到的工件、搬运系统、工艺和环境特征的策略，以从可能的解决方案中独立了解任务（表3.24）。首先，标准分析以结构化的方式确定选择机械手的最重要标准；然后，采用迭代法确定抓取力，设计工件上的操作元件。模拟方法和有限元分析的情况将在这里使用，直到一个抽象的机械手可以实现。只有这样才能创建真正的机械手。

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