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。......
2023-06-15
抓取和搬运技术的未来发展
【摘要】：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。
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。
前所未有的先进的数字化生产，即我们熟知的“工业4.0”，将继续作为新兴商业模式和生产控制程序发展的驱动力。在生产过程和程序中的数据收集为创造更高效的程序设计和实现更大的柔性带来了更多新的可能性。自动化技术是从大量生产领域中实现数据导出的关键技术，所有流程步骤只有在一个自动装配的过程中通过数据的收集被检测和监控。手动的工作流程使收集生产过程中的数据参数变得艰难。对于进一步数字化和集中跟踪生产过程的渴望加强了自动化科技对许多行业的吸引力。然而当下，这些行业折射出的是大量驳杂无关的工作情境。
自动化在越来越多工业和经济领域中的扩展将为抓取和搬运技术带来更多挑战，从最多样化的工件形状和尺寸，到不同的环境条件，如在结冰区域或者清洁的室内。这也需要不断扩大机械生产中的夹具和机械手关节在标准抓取以及搬运系统中的规格范围。除此之外，那些到目前为止一直处于领先的行业（如汽车行业）将会保持它们的行业地位并持续增长（图5.1）。
图5.1 没有防护栅栏的人机协作（来源：SCHUNK）
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。
据统计，越来越多的行业开始加入自动化的行列，或正对自动化组件提出要求。在重要的工业贸易展览会上，夹具和搬运组件的制造商常常参与其中，如AUTO-MATICA、IREX、MOTEK等。机械手模块也被应用在某些特定行业中，如物流或实验室操作中。人机协作的运用正在加剧“工业4.0”关于机械手在与人类发生碰撞时不造成伤害的安全方面的辩论。
未来几年面临的挑战将是如何将这些广泛的需求在新的产品或者商业模式中实现，以及提供顾客更多的附加值，由此来承担有时高昂的研发投资成本。这也使得生产高利润的批量性产品更加困难，所谓的自动化方面的热销产品也将变得稀少。对于制造商来说，为了开拓新的市场或树立良好的口碑，应进一步寻求产品的多样化和市场细分化（图5.2）。
图5.2 机器人机械手在视频工业方面的应用（来源：Handtmann/Robomotion）
然而，对于那些有实力和产品种类丰富的制造商来说，挑战在于为新的客户群去调整自己现有的国际分销渠道并提供与新产品匹配的服务包。除此之外，与互补组件制造商建立合作关系也非常有利。这些措施可作为系统集成商在整体产品开发方面所做的努力。那些已经可以投入使用的工业机器人能够被用于开发额外的稳定的销售市场。
这些准备工作是枯燥的，且常常荆棘丛生。但随着市场的多样化，在下一次的重大变革中力争上游将变得越来越困难。除此之外，在工程行业中所有不同的国际标准、质量要求和结构也使产品的统一划分困难重重。
通用的机械手也许在技术上可行，但是由于这些工作组件的工作范围常常有限，通常在工业运用当中并不经济。只有在一些产品多样化或经济要求不那么严格的行业，机械手才可以展现出自己的优势和多功能性(图5.3)。
图5.3 机械手工作示意图
日益复杂的抓取系统将会是另外一个趋势，如图5.3所示。夹具具有的功能正在持续增加。传感器被嵌入到夹具中，它的功用由于应用过程中逐渐被重视的安全性和实用性而得以扩大。将夹具与过程力传感器相连正变得越来越普遍，尤其是在有一定自动化程度的设备上，如搬运装置上的扭矩力传感器。对于精密系统，搬运装置的自动化将是非常必要的，它的价格往往超过装有机械手的机器人（图5.4）。
但实质上，为了不忽略那些微小的发展，在一些通用的搬运科技上的追求将会愈演愈烈。这个趋势包括整个应用的电动化。这通常意味着从压缩空气向电动科技的转换。由于电子元件通常比气动驱动器更适合数据收集，这个趋势为数字化和物联网的发展提供了支持。
大多数公司在能耗方面的标准不够高，但是在指定的机器和系统上，显然正逐渐趋于这个标准。更重要的是，在评估替代系统概念下，能耗也正在成为一个决策性的重要标准。在这种情况下，由于通过文丘里管或者泵科技实现的真空发电能耗水平更高，吸力技术成为整个机械抓取技术中焦点。机械式气动机械手由于活塞运动所损失的压力并不显著（图5.5），但对于压缩气源的产生以及其较低的效率被越来越多地讨论。
压缩空气的缺点加上电动夹具和执行器的明显优势，如驱动精度、开启灵活性和集成传感器功能，这种夹持技术及其自动化组件将压缩空气驱动器逐渐推向边缘。特别是在移动机器人领域，能耗的一致性很重要，因为移动平台上的压缩机进一步减少了有用负载和电池运行时间。
图5.4 带有移动平台的机器人手臂（来源：SCHUNK）
图5.5 轮毂机械手：针对轮毂的复杂抓取系统（来源：SCHUNK）
未来几年将在不同应用领域中看到大量的发展，如食品工业。尽管在过去几年中已经取得了重大的的进展，但还可以在重量和设计上进行进一步的改进。
其次，生产科技在组件的3D打印方面的发展趋势将会在未来几年内改变现有的生产流程。新的3D打印方法将从根本上改变工业和消费品的生产（图5.6）。这也肯定会影响搬运技术，如更简化的组装需求和一件式印制的工件。
图5.6 完全3D打印的两指机械手（来源：Fraunhofer IPA）
对于机械手技术来说，新的要求将会出现在工件预加工和再加工工序中。目前，对于3D打印中的某些生产过程，一些组件必须用手彻底清洁，例如，来自粉末工艺的多余粉末。新部件的几何形状在初代生产中甚至是经济可行的，这对于夹持技术是非常理想的。3D打印将会在未来的生产和自动化进程中找到自己的发展方向。因此，对新兴的趋势和可能性发展的关注十分重要（图5.7）。
这也意味着在小批量生产的工件上也能进行高度集成的设计。以这种方式可以减少一个机器或者一个功能组中的组件数量，一些组装工序也能被完全省去。
未来，这种改变也不只局限于生产过程中。在夹具自身的制造中，3D打印技术提供的众多可能性也得以预见。如前所述，为标准模块单独生产的机械手手指能够通过门户网站被“打印”出来。这种可能出现的新的商业模式将不只改变夹具的设计，还将改变从顾客下单到交付的整个供应链。这些改变不是一朝一夕可以达成的，它首先必须被用户所接受。随着众多可能性和越来越多的应用，自动化组件生产商的潜在的销售机会也随之增长。然而，跳出固定的思考模式和舍弃传统的产品销售周期尤为重要，因为顾客也想从新的订单和服务中获利。为了估计任何潜在的破坏性发展，行业制造商的当务之急应是摆脱零部件完全依托价格竞争的销售模式。
图5.7 用于配置由3D打印制造生产的机械手手指的eGRIP平台（来源：SCHUNK）
已制作完成、可随时安装的组件由一个适配安装板、抓取模块和机械手手指组成，可在短短几天之内交付给客户。交付速度很大程度上取决于对应的供应链。交付周期在系统工程中通常作为一个决定性的标准，能够保证最短交付周期的制造商往往能够中标。
此外，减少从一个计划工具到一个工程工具的介质的中断，将进一步帮助扩大3D打印的方法，特别是对于夹具来说。仅当设计者能够通过一个工具来完成它的设计、构造、模拟和生产直到生成在线订单时，这种方式的全部潜力才会被释放并被设计者看到。这些优势伴随着越来越经济和高质量的打印科技，将确保3D打印在工业生产中占有重要的地位。
机械手将继续作为未来自动化科技中的一个重要组成部分。换言之，夹具对于机器人而言相当于应用程序对于智能手机。没有机械手，搬运系统将不能带来任何的附加值。如本书所述，这一应用的可行性首先取决于机械手。
如果该项目在技术上可行，那么下一步就是考虑经济可行性，这是与夹具选择密切相关的一个因素。许多经济问题可以阻止任何项目，例如由于夹具重量过大或需要更大的机器人而无法实现循环性能。这意味着夹具技术的选择和设计是一项复杂的任务，涉及系统工程、物流规划和安全技术的所有领域。即使是在模拟和工具的选择阶段，人员的专业知识仍是为顾客提供最佳解决方案的关键。可能性正变得越来越广泛和多样化，这使许多过去在技术上和经济上都不可行的应用成为可能。
未来10年将彻底改变整个生产世界。从人机合作的新形式，到数字化-“工业4.0”抓取和搬运科技始终是其中的关键。
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