機(jī)器人末端工具組的多功能性研究進(jìn)展

陳育強(qiáng)

（廈門工學(xué)院 柔性制造裝備集成福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廈門工學(xué)院），廈門 361021）

隨著“中國(guó)智造”戰(zhàn)略的實(shí)施，工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著應(yīng)用場(chǎng)景逐漸復(fù)雜，機(jī)器人需要完成的任務(wù)類型逐漸增多。在此背景下，末端工具快換裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，成為滿足任務(wù)多樣性需求的重要研究領(lǐng)域。即使是同一類任務(wù)，也可能需要換裝不同規(guī)格的機(jī)械手爪，使用不同外形尺寸的零件進(jìn)行裝配[1]。基于此，機(jī)器人末端工具組的多功能性成為研究熱點(diǎn)。本文綜合考慮國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展，回顧機(jī)器人末端工具組多功能性相關(guān)的文獻(xiàn)，以全面了解機(jī)器人工具快換裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，為提高機(jī)器人工作效率和應(yīng)用水平提供參考。

1 機(jī)器人末端工具組研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)智造成為我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的重大部署之一。《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略中提出“加快工業(yè)機(jī)器人等在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用”。“十四五”規(guī)劃明確提出智能生產(chǎn)，大大推動(dòng)了機(jī)器人的相關(guān)研究在各行的實(shí)際應(yīng)用。工信部也將工業(yè)機(jī)器人列入《首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄》，進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。億歐智庫(kù)2020中國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究報(bào)告顯示，中國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模具備極大的發(fā)展空間[2]。

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人多用于大批量生產(chǎn)制造。隨著機(jī)器人末端工具的發(fā)展，在小批量和個(gè)性化生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人應(yīng)用逐漸增多。末段工具的多功能性和末端快換裝置的智能化，使得工業(yè)機(jī)器人具備復(fù)合型功能，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣的工作場(chǎng)景。因此，機(jī)器人末端工具組的多功能性實(shí)現(xiàn)成為研究的熱點(diǎn)，并獲得了不斷更新與發(fā)展。

2 機(jī)器人末端工具組的多功能性

2.1 機(jī)器人末端工具

機(jī)器人末端工具是指連接在機(jī)器人邊緣（關(guān)節(jié)），能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的外圍設(shè)備，屬于機(jī)器人的附件裝置，也稱為機(jī)器人末端執(zhí)行器。機(jī)器人末段工具的種類眾多，可實(shí)現(xiàn)多種功能，也被稱為末端工具組[3]。常見(jiàn)的末段工具主要有機(jī)器人抓手、工具快換裝置、碰撞傳感器、旋轉(zhuǎn)連接器、壓力工具、順從裝置、噴涂槍、毛刺清理工具、弧焊焊槍以及電焊焊槍等。

2.2 機(jī)器人末端工具的分類

根據(jù)末端工具的不同，可將其分為不同的類別。比如，按照機(jī)械結(jié)構(gòu)，它可分為電動(dòng)（電磁）式、液壓式、氣動(dòng)式以及綜合式等。液壓和氣動(dòng)夾持工具一般應(yīng)用于大型工程和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域。電動(dòng)夾持工具一般應(yīng)用于科研領(lǐng)域[4]?？梢钥闯觯瑱C(jī)器人末端工具組的工具具有多樣性和多用途性，能夠應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

2.3 機(jī)器人末端工具多功能性的實(shí)現(xiàn)原理

廣義的機(jī)器人末端工具主要包括主盤和工具盤2個(gè)部分。主盤固定在機(jī)器人手臂末端。由于機(jī)器人工作場(chǎng)景和具體功能的多樣性，同一個(gè)主盤可以配置多個(gè)工具盤及其連接的末端執(zhí)行器。這些工具盤及其末端執(zhí)行器都放置在快換工具放置架上[5]。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入工作場(chǎng)景時(shí)，會(huì)根據(jù)具體需求選擇合適的末端執(zhí)行器。在更換末端執(zhí)行器時(shí)，需要移動(dòng)機(jī)械臂，將原有末端執(zhí)行器放置到指定的快換工具放置架上，并將其移動(dòng)到所需要的末端執(zhí)行器位置進(jìn)行更換，流程如圖1所示。

圖1 機(jī)器人末段工具多功能性實(shí)現(xiàn)流程

3 機(jī)器人末端工具組多功能性的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 機(jī)器人末端工具組的功能現(xiàn)狀

國(guó)外針對(duì)機(jī)器人末端工具的研究起步較早，多通過(guò)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的末段工具和自動(dòng)換裝裝置來(lái)提高機(jī)器人的工作效率。不管是工具組和快換技術(shù)，還是快換工具放置架，都取得了很多研究成果。國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器人末端工具組的研究起步較晚，但隨著科研投入增大和創(chuàng)新實(shí)力的增強(qiáng)，眾多廠商也在末段工具組及其快換技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展。

德國(guó)SCHUNK公司的機(jī)器人五指靈巧手是其核心的精密夾持工具之一，能夠?qū)崿F(xiàn)大部分人手功能。它共有9個(gè)驅(qū)動(dòng)器，支持機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）開發(fā)平臺(tái)。德國(guó)Weiss Robotics公司的機(jī)器人夾爪和六維力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用，可以兼容所有優(yōu)傲機(jī)器人。

美國(guó)Soft Robotics公司以氣體作為動(dòng)力源，主要研究抓取異形和易碎物體的末段工具。美國(guó)Barrett Technology公司主要進(jìn)行微型伺服驅(qū)動(dòng)器和人機(jī)協(xié)作智能機(jī)械臂的研究與制造，其中三指夾持器支持ROS開發(fā)平臺(tái)，具有良好的適用性。

中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國(guó)宇航局合作，研發(fā)出五指靈巧手的末段工具，具備力矩、指尖力等傳感器反饋。北京軟體機(jī)器人（Secure Reliable Transport，SRT）由北京航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)有名的異形和易碎物體抓取末端工具的供應(yīng)商。

丹麥OnRobot是全球最有名的機(jī)械臂末端廠商。它推出的一系列末端工具，能夠與協(xié)作機(jī)械臂如優(yōu)傲機(jī)器人（UR）、庫(kù)卡（KUKA）、發(fā)那科（FANUC）、不二越（NACHI）以及安川（Yaskawa）等無(wú)縫連接，無(wú)須電纜，就能夠快速轉(zhuǎn)換，減少了等待和停工時(shí)間[6]。

3.2 機(jī)器人末端工具組的快換裝置與技術(shù)

美 國(guó) ATI（Array Technology Industry） 是 全 球最早研究機(jī)器人快換工具的公司。針對(duì)不同型號(hào)的末端工具，ATI進(jìn)行工具支架模塊化設(shè)計(jì)，允許客戶基于使用數(shù)量和放置方向等要求建立自己的工具存放系統(tǒng)，大致分為小型工具支架、中型工具支架以及大型工具支架，如圖2所示?；诳鞊Q工具的放置方式，它又可分為銷和襯套工具支架、銷和托架工具支架、V形板水平安裝工具支架以及工具掛鉤支架。

圖2 ATI的3類工具支架

德國(guó)ABICOR BINZEL集團(tuán)主要研究機(jī)器人焊接領(lǐng)域的快換工具支架，開發(fā)的焊槍更換工作站采用模塊化設(shè)計(jì)，最多可以設(shè)置4個(gè)焊槍放置位置，且可以通過(guò)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）或更換站獨(dú)有模塊集成到現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)集成傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊槍。該公司還提出了槍頸交換系統(tǒng)ATS-Rotor，可以在一個(gè)旋轉(zhuǎn)槍架上提供5把備用焊槍。焊絲通過(guò)切絲臺(tái)可自動(dòng)剪到合適長(zhǎng)度。焊接機(jī)器人可在同一位置完成槍頸更換，降低了機(jī)器人編程的復(fù)雜度，提高了焊接效率。

4 機(jī)器人末段工具組多功能性的應(yīng)用

4.1 工業(yè)領(lǐng)域

機(jī)器人的快換裝置可讓機(jī)器人自動(dòng)更換不同的末端工具，如點(diǎn)焊焊槍、抓手、真空工具、氣動(dòng)和電動(dòng)馬達(dá)等，使機(jī)器人的應(yīng)用更具柔性?？鞊Q裝置與技術(shù)是機(jī)器人體現(xiàn)多功能性、適應(yīng)小批量以及個(gè)性化智能化生產(chǎn)需求的重要保障。一臺(tái)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)多樣化和復(fù)合型功能，快換工具將是機(jī)器人完成多功能的良好選擇。為適應(yīng)這一趨勢(shì)，快換工具放置架也要隨之優(yōu)化。

隨著科研實(shí)力的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)廠商如上海橋田智能設(shè)備公司、鄭州領(lǐng)航機(jī)器人公司以及中建科技公司等，也在機(jī)器人末端工具領(lǐng)域中不斷取得技術(shù)突破，在國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)領(lǐng)域的份額逐漸擴(kuò)大。上海橋田智能設(shè)備的中小型快換工具放置架多采用托架和限位銷的方式，配合工具盤上安裝的過(guò)渡盤，可實(shí)現(xiàn)工具盤及其執(zhí)行工具的位置固定。大型快換工具放置架采用銷和孔結(jié)構(gòu)，利用在工具盤上安裝過(guò)渡盤實(shí)現(xiàn)執(zhí)行工具的固定放置。鄭州領(lǐng)航機(jī)器人設(shè)計(jì)的快換工具架多采用限位銷和孔的方式進(jìn)行快換工具固定，在工具盤上直接安裝限位銷或開設(shè)孔可避免安裝過(guò)渡盤，減輕工具側(cè)的重量。中建科技集團(tuán)通過(guò)分析不同末端執(zhí)行器的重心位置，對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器快換放置架進(jìn)行優(yōu)化，使工具盤及其執(zhí)行工具分布更合理，同時(shí)使整個(gè)快換放置架更加緊湊，占用空間更小。

機(jī)器人快換工具庫(kù)的主要作用為存放備用的末端工具。機(jī)器人在更換末端工具時(shí)，需要主動(dòng)尋找末端工具位置?，F(xiàn)階段，機(jī)器人使用的工具快換放置架的各個(gè)工具放置位置固定，因此需要機(jī)器人主動(dòng)尋找更換。機(jī)器人可以移動(dòng)到工具快換放置架所需末端執(zhí)行器上方直接更換。在工具快換放置架的智能化改造上，可以參考數(shù)控加工中心刀庫(kù)的運(yùn)作模式，利用刀庫(kù)換刀完成多種工序的加工，從而大大提高加工效率，對(duì)工具快換放置架進(jìn)行智能化改造，同時(shí)提高機(jī)器人處理復(fù)雜任務(wù)的能力。

4.2 醫(yī)療領(lǐng)域

機(jī)器人重要的兩個(gè)應(yīng)用是精確運(yùn)動(dòng)定位和可擴(kuò)展操作。末端工具的機(jī)構(gòu)使機(jī)器人具有特定的功能操作能力，如末端夾持、末端多指手以及末端剪刀等。這些工具使機(jī)器人在醫(yī)學(xué)診療方面得到了發(fā)展，特別是外科手術(shù)領(lǐng)域，如眼科、骨科、腦外科以及耳外科等。通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)定位能力，可進(jìn)一步提升診療操作的精度水平。醫(yī)療領(lǐng)域的機(jī)器人末段工具最初結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功能單一，只能在探刺、穿刺以及磨削等方面應(yīng)用。隨著機(jī)器人的體積變小、運(yùn)動(dòng)精度提升和臨床適用性增大，機(jī)器人的工作范圍不斷拓展，使得末端工具開發(fā)越來(lái)越多。醫(yī)療機(jī)器人不僅能夠替代醫(yī)生的部分手動(dòng)操作，而且通過(guò)末端工具的特殊設(shè)計(jì)，能夠完成一些傳統(tǒng)手術(shù)不可實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜操作，促進(jìn)了醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。

Intuitive Surgical公司于2001年開發(fā)da Vinci微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人。該機(jī)器人操作手機(jī)械臂采用雙四連桿機(jī)構(gòu)和絲傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，能夠進(jìn)行腹腔內(nèi)任意方向的縫合和打結(jié)。該系統(tǒng)的靈活末端工具使原來(lái)很難操作的手術(shù)變得簡(jiǎn)單可行。約翰斯·霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家于2004年開發(fā)了用于喉部外科手術(shù)的蛇形機(jī)器人Snake-Like Robot，采用主從遙操作模式，靈活末端工具的夾持顎能產(chǎn)生約1 N的夾持力，可進(jìn)行喉部狹小空間的復(fù)雜操作。天津大學(xué)2008年開發(fā)了喉部外科手術(shù)機(jī)器人妙手，從操作機(jī)械臂末端工具裝有的2個(gè)自由度到目前的7個(gè)自由度，完成了支撐喉鏡狹小環(huán)境下的弧形針縫合和打結(jié)等復(fù)雜操作，擴(kuò)展了醫(yī)生在手術(shù)中的操作。這些微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人除了本體機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了專用化，末端工具也在向新構(gòu)型和高靈活度方向發(fā)展，增強(qiáng)了手術(shù)操作能力。隨著全球手術(shù)機(jī)器人時(shí)代的到來(lái)，中國(guó)的機(jī)器人手術(shù)輔助量不斷增多，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人陸續(xù)進(jìn)入臨床，并在單孔和無(wú)創(chuàng)口自然腔道手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域取得突破。2021年8月，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精鋒單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人完成注冊(cè)臨床實(shí)驗(yàn)入組。2022年1月，威高集團(tuán)的圖邁腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人獲批上市。與微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人相比，單孔腔道手術(shù)機(jī)器人可進(jìn)一步減輕或消除對(duì)患者造成的創(chuàng)傷。此類機(jī)器人的末端工具需集成本體機(jī)構(gòu)的移動(dòng)定位功能，因此要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和支撐末端工具的基體機(jī)構(gòu)具有更高的剛度和穩(wěn)定性，是單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人未來(lái)的研究重點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析機(jī)器人末端工具組多功能性，了解多功能工具快換技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。機(jī)器人多采用模塊化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)機(jī)、電及氣深度融合的多功能末端工具組設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了末端工具的快速自動(dòng)換裝，有效解決了末端工具功能單一、換裝效率低以及精度差等問(wèn)題。多功能性的末端工具組依托先進(jìn)的工具快換技術(shù)，不斷提高機(jī)器人的工作柔性和智能程度，對(duì)拓展機(jī)器人工作范圍、提升機(jī)器人工作以及推動(dòng)智能工業(yè)發(fā)展具有重要價(jià)值與意義，值得各個(gè)領(lǐng)域的專家深入研究，以期進(jìn)一步提高機(jī)器人末端工具的應(yīng)用水平。