机器人：夹具的创新|2011-06-21 |装配杂志

受自然的启发，工程师们正在开发新的抓手技术，有望使机器人更加灵活。

蜥蜴，蟑螂，木材和咖啡渣。

不，那些不是食物网络展示“切碎”的最新集中的篮子的内容。相反，它们是最近在拐角处介绍或右转的新机器人夹具的启示。这些范围从多叶夹具类似于人手到柔性，可伸展的装置，如变色龙的舌头。

今天，机器人有两种选择拾取部分：真空杯或双指夹子。这些技术的主要限制是它们不是很灵活。如果机器人必须设置一个部分并拿起不同的夹子，可能需要一个新的夹具。工程师可以通过将机器人配备自动工具更换器或在旋转执行器上安装一对夹具来绕过该问题。

在许多情况下，更好的解决方案是用夹具装备机器人，该夹具可以抓住各种形状和尺寸的部件。

其中一种装置是来自SCHUNK Inc.的新型PZH-SF大行程夹持器。夹持器有三个旋转的手指，向中心移动。每个手指的开口行程相当于113毫米的径向行程。根据夹持器的位置，夹持器可以处理直径从100毫米到430毫米不等的组件。对于更大的直径或特殊要求，三个旋转臂的长度和方向，以及手指的长度和形状，可以单独调整。

它的夹持力为1500牛顿，可以处理重达11.8公斤的部件。像传统的夹具一样，它可以配备磁场传感器或感应传感器来检测零件的存在或缺失。

其他公司也推出了模仿人手的抓手。今年3月，加拿大初创企业Robotiq在芝加哥的自动化展上推出了一款这样的设备。

s型自适应夹持器有三个关节手指。每个独立操作的手指有三个关节，夹持器有10个接触点用于抓取和保持部件(每根手指有3个接触点，加上底座)。手指及其手垫是可更换的。

类似于SCHUNK公司的SDH手和Barrett Technology Inc.的BHD-280手，该伺服驱动抓取器有四种抓取模式:
圆柱形的，三个手指围绕一个物体，如管子。
•球体，三个手指的尖端都展开来抓住一个物体。
•捏，其中所有三个手指的尖端会聚以抓住物体。
•剪刀，用两根手指的尖端握住一个物体，就像传统的两根手指的角钳。

内置的控制器和机械智能使夹持器在飞行中适应不同的部分。无传感器的抓地力检测和可控的关闭速度和抓地力允许抓地器处理微妙的部分而不压碎他们。这种夹持器可以安装在许多机器人上，并通过它们的教学吊坠进行编程。

该夹持器可抓取宽度为160毫米的物体。它的重量为2.2公斤，可以携带重量达10公斤的部件。每个手指底部的最大夹持力矩为2牛顿-米，指尖的最大夹持力为50牛顿。

虽然Robotiq手依赖于传感器和内置智能，但哈佛大学生物机器人实验室的研究人员采取了相反的方法。他们发明了一种有四根手指的机械手，这种机械手足够灵活，可以沿着物体滑行，直到将物体包裹起来，就像人举起咖啡杯一样。

“人类和机器人都很难估计自己的手和想要抓取的物体之间的关系，”实验室负责人罗伯特·d·豪解释道。“人类通过张开双手，使手指变得柔软灵活来弥补错误，这样他们就可以沿着物体的边缘滑行，然后再把物体绕起来捡起来。

“机器人技术的传统方法……是使用精密的传感器、电机和控制来处理错误。由此产生的机械手是非常复杂和昂贵的。它们的速度也很慢，因为即使是执行最简单的任务也需要大量的计算能力。”

在设计手部时，豪和他的团队从蟑螂腿中获得了灵感。蟑螂的腿灵活而有弹性，这使它能够不假思索地自动适应不平的表面。

哈佛手由四个双关联，弹簧式塑料手指组成。两个电机通过电缆和滑轮控制每双手指。

在休息时，手的关节张开25到45度。手掌的关节比手指的关节更灵活。传感器测量手指的角度，并检测手指何时接触物体。虽然手可以自动调整到较小的位置误差，但传感器使它能够补偿较大的误差。

这款机器人可以爬垂直的墙壁，这要归功于由电胶薄膜制成的坦克履带。同样的材料可以使普通的抓手能够抓取各种各样的物体。照片Courtesy Sri International

粘性手指

传统抓手的另一个问题是，当他们拿起一个物体时，抓手能不能很好地抓住它。两指夹持器上的铝制手指通常是定制的，以匹配部件的特定特征。不像人类的手指，铝表面产生的摩擦很小，没有固有的能力，以保持部分。

如果夹持器本身有一些固有的粘性，它就可以拿起更大范围的零件，并且需要更少的力来做这件事。这就是加州门洛帕克独立非营利性研究机构SRI国际研究所的科学家开发出一种电胶塑料薄膜的动力。

科学家们开发了一种具有高压，低电源电路的聚合物薄膜。将7,500伏施加在50至100微米的电流中使塑料薄膜粘稠足以支持小负荷。关闭电流，并且粘性在几秒钟内耗散。

配备有电粘贴薄膜垫的夹具可以挑选各种物体。这部电影坚持无数表面：导电和非导电，光滑，粗糙，清洁和脏污。它将夹紧压力施加0.8至2.3磅/平方英寸。

蜥蜴是Alexis Debray，这是佳能Inc.的工程师的灵感。寻找一种方法来挑选小零件，德布雷开发了一种机器人末端效应器，它像变色龙的舌头一样延伸和收回。

变色龙有一种粘性舌头，它用来捕获昆虫。舌头可以以每秒10米的速度达到几次蜥蜴的体长度。然而，即使在这样的速度下，舌头也施加了较小的目标。那是关键，因为蜥蜴想要捕捉昆虫，而不是把它击倒。当舌头完全延长时，一位奇特般的肌肉会拉它，昆虫，回到蜥蜴的嘴里。

为了模仿该过程，耗尽，将磁铁固定为表示变色龙舌尖的磁铁，以弹力，硅氧烷基聚合物和长度的绳子。冻土可以通过圆柱形电磁铁在靶中释放磁铁。绳子和弹性体可以延长30厘米。电机在弦身上保持张力，使磁铁在目标上轻触。然后电机在串中卷曲以缩回组件。

为了提高精度，磁铁上可以安装小机翼，使其保持更长时间的飞行并引导其飞行轨迹。在未来，德布雷希望为末端执行器开发一种小型夹持器，这样它就可以拾取非磁性部件。他还在研究一种将执行器连接到视觉引导系统的方法。

德布雷在2011年6月的杂志上报道了他的研究 生物定位和生物体 ．

来自康奈尔大学、芝加哥大学和iRobot公司的研究人员用一个装满咖啡渣的乳胶气球创造了一种通用抓手。照片由康奈尔大学提供

规则还是脱咖啡因?

另一种避免创建自定义夹持手指的方法是完全去掉手指。这是康奈尔大学、芝加哥大学和iRobot公司的一个研究小组采用的方法。他们用一个装满咖啡渣的乳胶派对气球创造了他们的通用机器人抓手。

咖啡填充的球囊向下压下并围绕要拾取的物体变形。然后，真空吸出气球中的空气，固化其抓地力。当真空释放时，球囊再次变得柔软，并且夹具让我们去。

“磨碎的咖啡颗粒就像许多小齿轮，”康奈尔大学机械工程和计算机科学副教授Hod Lipson说。“当它们没有压在一起时，它们可以相互滚动并流动。当它们稍微挤压在一起时，牙齿就会相互锁住，变成固体。”

夹持器可以挑选和放置各种各样的物体，如生鸡蛋、大弹簧、硬币和玻璃杯。

这个夹板上的手指是胶合板做的。照片由SCHUNK Inc.提供。

节省重量

重量是工程师设计机器人应用程序的另一个挑战。因为抓手是机器人总有效载荷的一部分，抓手所承受的每一盎司重量都是机器人无法承受的。减少夹持器的重量也有助于机器人移动得更快更准确。更轻的重量意味着更短的稳定时间和更低的力矩负载在机器人的手腕。

为了减轻夹持器的重量，工程师们正在试验非常规材料，如碳复合材料和快速成型塑料。例如，SCHUNK去年夏天在慕尼黑Automatica贸易展上推出了一款木质夹持器。SCHUNK自动化业务部门产品管理主管Matthias Poguntke表示:“与铝制扣板相比，木头具有良好的刚性，重量也轻了三分之一。”

Poguntke还喜欢木材是一种可再生资源，而且易于加工。

Schunk使用横向胶合的胶合板来新的夹具。与实木形成对比，胶合板没有均匀的纤维方向。通过粘合剂稳定各个层，因此材料没有收缩或溶胀的风险。

然而，由于木材天然多孔，夹具由小伺服电机而不是气动学致动。出于同样的原因，夹具只能用于干燥环境。