抓住“良机”：机器人抓手技术发展与厂商巡礼
- 来源：e-works 杨培
- 2023/4/3 13:19:42
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机器人抓手，即机器人的手部、夹爪，也被称为机器人末端执行器(End of Arm Tooling，简称EOAT)。它是装在机器人手臂上直接抓握工件或执行作业的部件，使机器人能够抓住、握紧、拿起、搬运和放下物体，或实现工件的自动化加工。作为机器人自动化系统的一部分，机器人抓手通过机器人手臂连接到机器人，使机器人能够从事搬运、码垛、上下料等工作，从而提高生产效率和质量，降低工人劳动强度，并代替工人从事一些危险和重复性的工作，保障其人身安全。
受益于机器人产业的发展带动，作为工业机器人重要组成部分的机器人抓手，近年来逐渐为业界所关注。本文将介绍机器人抓手的主要分类及发展趋势，并盘点国内外主要的机器人抓手厂商。
机器人抓手的主要分类
机器人抓手的分类多种多样。本文主要从驱动方式、抓取方式、形态特征、功能用途四种分类方式，对其分类进行介绍。
按照驱动方式分类
根据驱动方式的不同，机器人抓手主要可分为液压抓手、气动抓手和电动抓手。
液压抓手采用液压传动方式，通过液压系统产生液压力，然后系统将压力转化为机械能，从而使机器人抓手能够像人手一样抓取物品。其优点是结构紧凑、调速范围大且调速方便、传动平稳、动作灵敏、响应速度快、负载刚性大、功率重量比大，适用于抓取重量较大的物品。缺点在于工作性能易受温度变化影响，不宜在很高或很低的温度条件下工作；液压元件制造精度要求较高，成本较高；液压传动出现故障时不易追查原因，不易迅速排除故障。
气动抓手利用压缩空气作为动力来夹取或抓取工件，是目前应用最为广泛的机器人抓手类型。根据功能特性的不同，气动抓手又可分为平行抓手、摆动抓手(Y形抓手)、旋转抓手和三点抓手等。气动抓手的主要特点包括：结构简单、轻便，安装维护简单，使用成本低；气源方便，排气处理简单，不污染环境；反应速度快，且便于实现自动化控制；型号和抓取力多样，可以适应不同的应用；
环境适应强，可在恶劣的环境(高温、强磁、辐射、振动等)中工作；可靠性高，使用寿命长等。其不足之处在于可实现抓取点位单一，对力的控制不够精细，难以满足一些多功能抓取的需求；气源气压的不稳定输出会导致夹持力不稳定，使得抓取物易脱落。
电动抓手即由电力驱动的机器人抓手，是近年来兴起的机器人抓手类型。它的兴起很大程度得益于以协作机器人为代表的柔性化生产工具发展的带动。电动抓手可以进行数字化控制，做到速度、位置以及夹持力度的精准控制，具备高柔性的特点，更加适配于产线对柔性制造的需求。
按照抓取方式分类
根据抓取和夹持的方式不同，可以将机器人抓手分为内撑式抓手、外夹式抓手，以及内外夹持式抓手。
内撑式抓手，就是采用内部夹持方式的抓手。在某些应用中，由于物体几何形状的原因，例如有孔洞的物体，需要从内部抓取夹持物体。这种情况下，抓手通过扩张力来抓取和夹持物体。
外夹式抓手也就是采用外部夹持方式的抓手。这种情况下，抓手通过施加夹紧力来抓取和夹持物体。由于外部夹持是较为普遍的夹持物体的方式，因此外夹式抓手比较常用。
当然，这只是根据抓取方式来划分，部分机器人抓手既支持内部抓取方式，也支持外部抓取方式。此外，还有内外夹持式抓手，它可以同时结合内部夹持和外部夹持两种方式，来抓取和夹持物体。
按照形态特征分类
按照形态特征的不同，机器人抓手主要可分为无指抓手和仿人手抓手等。
无指抓手即不像人手那样具有手指的抓手。这其中，吸盘是典型的无指抓手。按照工作原理的不同，吸盘又可分为磁力吸盘、真空吸盘、静电吸盘和范德华力吸盘等。
磁力吸盘的原理是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住，适用于吸附铁磁材料制成的工件。磁力吸盘可分为电磁吸盘、永磁吸盘和电永磁吸盘等。电磁吸盘的特点是工件的吸脱由开关控制，操作效率高，容易实现和机械动作联动的自动化，吸力大小可进行电气控制，吸盘可设计成大型化。永磁吸盘的特点是不需要电源，无停电之忧，吸着状态可长时间保持不使用电力,不会引起工件的热变形。电永磁吸盘的特点为工件的吸脱由开关控制，仅吸脱时瞬时用电，无需连续通电；在停电或断电时也能保持吸力。
真空吸盘的原理是通过真空设备的抽吸，让吸盘产生负气压，从而将物体吸住，适用于铁板、铝板、钢板、石板等板材的搬运，各类玻璃的搬运，以及其它表面较平整、形状较规则的物料搬运。真空吸盘一般由橡胶材料所造，易使用、易损耗，无污染，吸取和放下工件不会对工件造成损伤。常见的真空吸盘有扁平吸盘、波纹吸盘、椭圆吸盘和特殊吸盘等。
静电吸盘是通过静电感应来吸附物体。静电吸盘产生的吸附作用源自在整个吸附面上均匀产生的电流的力量，因此具备不易对工件施加物理压力的优点，在需要吸附固定薄型纤细工件(半导体晶圆、玻璃、金属箔、薄膜等)的先进电子产品的生产现场应用较多。如果工件润湿以及工件厚度较厚且发生了翘曲，静电吸附固定就存在困难。
范德华力吸盘源自于对壁虎脚掌微观特征的观测和模仿。范德华力又称为分子间作用力，是一种存在于分子间的电性吸引力。壁虎脚掌上微小的刚毛与墙面之间也能产生范德华力，虽然每根刚毛产生的力量微不足道，但累积起来就相当可观。范德华力吸盘通过特殊材料与物体间的范德华力实现吸附，适用于吸附平板类微器件，可应用于3C电子行业。
仿人手抓手，也就是模仿人类手部的抓取能力，像人手一样具有手指，可以执行更精细的动作。根据手指数量分类，可分为二指抓手、三指抓手、四指抓手、五指抓手等。其中，二指抓手应用较多；当二指抓手不适合处理工件时，三指、四指以及五指抓手可以提供更好的抓取支持和稳定性。按照操作原理分类，仿人手抓手又可细分为2指平行抓手、2指张角抓手、2指水平旋转抓手、2指长行程平行抓手、3指定心抓手、3指长行程定心抓手、四指定心抓手、仿人五指灵巧手等。
按照功能用途分类
根据功能和用途的不同，机器人抓手主要可分为搬运用抓手、加工用抓手、测量用抓手等。
搬运用抓手主要通过夹持、吸附等方式，完成工件的自动化搬运，主要包括抓取式抓手、夹板式抓手、吸盘和磁力抓手等。抓取式抓手广泛用于各类软袋包装物的码垛，如袋装化肥、饲料、粮食、化工原料等。夹板式抓手主要用于整箱或规则盒装包装物品的搬运、码放，如周转箱、纸箱等。吸盘适用于塑料玻璃等表面细致光滑、结构稳定牢固的物品的搬运、码放；磁力抓手适用于钢材、铁片等导磁材料的工件搬运。
加工用抓手带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具，用来完成切割、焊接、抛光、打磨、喷涂等工作，实现工件的自动化加工。
测量用抓手是装有测量头或传感器的附加装置，不参与搬运、加工等工作，主要用来进行测量及检验作业。
机器人抓手的发展趋势
工业机器人作为一种能够自动执行各种工业任务的智能装备，在现代化工厂中发挥着非常重要的作用，且应用范围和功能也在不断扩展和提升。伴随着机器人应用领域的不断拓展，机器人抓手市场需求也随之释放，并在越来越多的领域当中得到应用。而且，在科学技术进步、市场需求升级的带动下，当前机器人抓手正朝着“电动化、柔性化、仿生化、灵巧化、智能化”等方向发展。
电动化
相较于液压抓手和气动抓手，电动抓手诞生较晚，但发展迅速。这表现在：一方面，雄克(Schunk)、SMC、费斯托(Festo)、Zimmer等气动抓手巨头厂商纷纷推出电动抓手产品；另一方面，近年来也涌现了一批以电动抓手为主营产品的知名厂商。这其中，国际厂商以OnRobot、Robotiq等为代表，国内厂商以钧舵机器人、知行机器人、增广智能、大寰机器人、因时机器人等为代表。而且，电动抓手的市场份额在逐步提高，新进的电动抓手厂商也在持续增加。
这是因为，电动抓手在性能和结构上优于液压和气动抓手。相比于气动抓手，其在系统结构上用机电一体化结构代替气动抓手的气源、过滤器、电磁阀等部分，实现了结构的简化，并能用于医疗、实验室等无气源场合。相比于液压抓手，其系统维护方便，无需使用液压能源，可减小能源污染。而且，电动抓手可进行数字化控制，方便精确地控制速度、位置以及夹持力度；通过矢量控制和动力学补偿，电动夹爪可以实现高节拍下的力控，更加适应柔性化生产需求。
不过，目前机器人抓手市场仍然以气动抓手占绝对主导，且其统治地位短期内还难以撼动。根据高工机器人产业研究所(GGII)的统计及预测，目前在中国市场，电动抓手的市场份额还不到10%，预计到2025年电动抓手市场份额有望突破14%。而且，部分以电动抓手为主营产品的机器人抓手厂商，考虑到目前机器人抓手的市场现状和客户需求，也开始涉及气动抓手和吸盘类产品。
柔性化
传统的机器人抓手多为刚性抓手。刚性抓手的局限性主要在于夹持力度通常不可控，如果夹持力度过大，可能在抓取过程中会损坏物品，或在产品表面产生划痕；而且，对于一些形状不太规则，易产生形变的物品，刚性抓手以及吸盘难以有效抓取。这也推动机器人抓手走向柔性化、软体化。当前，市面上已经有厂商推出柔性抓手/软体抓手产品，并在一定程度上解决了异形、易损物品的抓取问题，弥补了刚性抓手和吸盘在某些场合无法适用的空缺。
例如，德国雄克(Schunk)作为全球抓取系统和夹持技术领导厂商之一，拥有1200多种卡爪类型，包括基爪、嵌入爪、台阶式卡爪、摆动卡爪、软爪、扇形软爪、QUENTES塑爪等。其中，QUENTES塑爪可在最大限度保护表面的情况下提供强劲的夹持力，由玻璃增强塑料制成的夹紧嵌件可实现高摩擦系数，非常适用于磨削或表面处理的部件，防止在工件表面形成夹紧痕迹。
苏州柔触机器人致力于为工业自动化和智能制造提供柔性抓手解决方案，产品主要包括柔性夹爪、气动夹爪、柔性机械手等柔触夹爪及其控制器等，并已应用于工业自动化、食品、医疗、汽车、服装、3C电子、玩具、包装物流、教育等多个领域。在实际应用中，其柔性夹爪能自适应地包覆住目标物体，而无需预先知道其准确的形状和尺寸，在实现柔性抓取的同时也不会损坏物体或在物体表面留下划痕。
美国Soft Robotics、丹麦OnRobot、北京软体机器人科技、东莞易爪机器人等厂商也都致力于柔性软体抓手的研发与应用。
仿生化
生物在与自然环境的不断对抗中，进化出生存的最优解。于是，一些厂商和科研机构也从身体柔软、灵活、高度敏捷的生物中汲取灵感，研制出模仿生物特性的机器人抓手。
例如，费斯托(Festo)作为世界著名的仿生机器人厂商，致力于将自然基本原理应用到自动化技术领域，而且在仿生机器人抓手方面也颇有造诣。Festo研制的仿生抓取助手(Bionic Handling Assistant)在结构和整体功能上模仿的是象鼻；抓手由三根自适应手指组成，作用原理来源于鱼鳍，具有Fin Ray Effect的结构像鱼鳍一样，在侧向压力下不会弯曲，而是围绕压力点弯曲。通过这种方式，手指在被抓持的材料周围轻轻地闭合，并且能够无损地抓取易碎和不同形状的物体。
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