碳纖維機器人終（末）端執行器
將工業自動化納入生產流程的工廠一直致力于通過提高速度和精度來提高效率。通常，實現這些目標的最直接方法就是減輕機器人部件的重量并提高其剛度，尤其是機器人末端執行器。輕型末端執行器可直接提高生產線的速度和精度，降低電機和執行器的負載，并提高可靠性。

什么是終端執行器？
在熟練勞動力短缺以及人工智能、邊緣和云計算等顛覆性技術發展的推動下，工業自動化的能力不斷增強。如今，自動化技術已融入大多數行業，并在全球工業綜合體中站穩腳跟。工業機器人的物理尖端是末端執行器，也稱為 “末端工具”（EOAT）。這種自動化組件是機器人在制造或組裝部件上工作的部分。在與制造過程交互時，它可以承擔許多不同的功能。因此，末端效應器通常是為特定操作而專門設計的，其多樣性遠遠超過部署末端效應器的機器人手臂。

末端執行器的設計不僅要考慮機器人工具的工作，還要考慮末端執行器的工作將如何影響機器人手臂。機器人越來越多地與人類協同工作（這些機器人被稱為 “協同機器人 ”或協作機器人），因此機械臂末端工具也必須確保安全，以適應這種互動。

末端執行器有什么用途？
末端執行器可用于工業環境中的各種任務。有執行加工任務的末端執行器，有用于提升、操作和放置部件的末端執行器，還有執行檢測或數據采集任務的機器人手臂工具。

有哪些類型的末端執行器？
三種常見的機器人末端執行器分別是機械手、加工工具和傳感器。其中，機械手負責處理材料，加工工具負責加工材料，而傳感器則負責測量材料的狀態。

一、機械手
機械手工具可在分揀、包裝或裝配操作中抓取和操縱部件。根據部件的性質，機器人抓手的類型將被量身定制，以便在不損壞部件的情況下對其進行最佳操作。各種類型的機械手可以抓取像雞蛋一樣脆弱的物品，也可以操縱重達數百磅的復雜物品。機械手設計所涉及的設計因素包括：

1）抓取力： 有些應用要求輕觸，而有些應用則可以承受更大的力。

2）機械手行程： 如果末端執行器需要抓取大小物體，則需要較大的行程。

3）抓取精度： 如果需要以特定的空間方向抓取部件，或者部件的敏感區域無法承受與機械手的交互，則需要高精度的機械手。

4）尺寸和重量： 由于最大允許提升能力通常由機械臂設定，因此抓手末端執行器的重量會降低系統的有效負載能力。因此，輕型機械手通常更受歡迎。同樣，抓手經常需要拾取部件或將部件放入箱角或其他狹小空間。對于這些應用，較小的機械手是有利的，特別是如果它可以消除額外的運動自由度。

工業自動化中使用的機械手有以下幾種不同類型：

1）機械機械手： 這些機械手使用皮帶或液壓系統驅動。根據任務的不同，它們可以有兩個相對的手指或多個手指，可以是大爪或針狀抓手。

2）磁性機械手： 這種末端執行器上的可控電磁鐵使機器能夠抓取和放下黑色金屬制成的部件。

3）真空機械手： 這種末端執行器通常用于拾取和放置紙板箱等表面平整的物品，利用吸力將目標從傳送帶上拾取并投放到板條箱中。這種末端執行器通常部署在協作機器人上。

4）電動機械手： 這類機械手在末端執行器上使用伺服電機或電磁致動器來提供抓取力。這類機械手通常用于精度較高的應用。

5）氣動機械手： 這類機械手的手指使用壓縮空氣，可以是簡單的爪子，也可以由各向異性的橡膠材料制成，充氣后可對烘焙食品等順從部件產生柔和的抓取力。

二、加工工具
另一類機械臂工具是改變零件的工具，如打磨、拋光、焊接、切割、涂膠、制造熔融塑料（3-D 打印）等。這些末端執行器的工作環境包括極高和極低的溫度、臟污、腐蝕性和高水平的電磁干擾，因此在設計時要仔細考慮。在這些危險環境中，工業機器人具有很高的價值，因為它們可以消除員工面臨的風險。這些機器人工具在設計上面臨的許多挑戰涉及材料兼容性、可靠性、施力的控制和一致性，以及影響最終零件質量的其他因素。

三、傳感器
最后，第三類機器人末端執行器功能包括使用傳感器收集數據。雖然這一功能通常嵌入在其他兩類末端執行器（抓取器和加工工具）中，但也有許多專用于數據收集的獨立末端執行器，如攝像頭。末端效應器上使用的其他傳感器包括力/扭矩傳感器、接近傳感器、光傳感器和磁場傳感器[1]。火星車機械臂上安裝的一個著名傳感器末端效應器包含一個顯微成像儀和兩個不同類型的光譜儀。火星車上的另一個末端效應器是巖石磨損工具，屬于過程工具類別。

碳纖維在機器人末端執行器中的優勢
大多數工程設計的普遍原則是，在其他屬性相同的情況下，最好選擇較輕的部件。碳纖維復合材料因其高硬度重量比（比模量）而對設計者具有吸引力。當用于制造末端執行器時，碳纖維復合材料的高比模量會對自動化系統的許多方面產生影響。更輕的末端效應器不僅能增加機器人系統的最大有效載荷，還能提高機械臂的最大速度，進而減少移動機械臂所需的能量和時間。這些結果推動了操作效率的提高：一項研究表明，使用碳纖維末端執行器可使簡單的拾放操作的能耗降低 40%。

碳纖維復合材料實際上不發生反應，這也為在腐蝕性環境中設計末端執行器提供了一條途徑。由于工業自動化的一個主要理由是避免人類暴露在危險環境中，因此碳纖維復合材料是機器人末端機械臂工具設計的重要組成部分，其堅固性足以承受這些具有挑戰性的應用。

機器人末端執行器中碳纖維的設計考慮因素
使用工業自動化可以完成多種工藝和檢測操作，因此需要考慮各種設計因素。以下是碳纖維復合材料的材料特性可以解決多種設計難題的一些方法。

1）溫度
碳纖維可以承受很高的溫度，但由于其基體中環氧樹脂的玻璃化溫度較低，普通碳纖維復合材料的性能受到限制。不過，通過使用特殊的高玻璃化轉變溫度樹脂（如酚醛樹脂），碳纖維復合材料可以在高達 260°c的溫度下保持大部分剛度。

根據所使用的纖維和樹脂，碳纖維復合材料的熱膨脹系數范圍較低。盡管如此，碳纖維復合材料的尺寸穩定性通常比金屬高得多。有些碳纖維的熱膨脹系數為負，在層壓板中混合碳纖維可以制成熱膨脹系數接近零的復合材料。

無論如何，碳纖維復合材料的熱穩定性通常被認為是機器人末端執行器設計中的理想選擇，尤其是那些在動態熱環境中工作的末端執行器。在這種環境下，碳纖維復合材料末端執行器的熱變形較小，因此應力和螺栓連接所需的維護也較少。

2）導熱性
碳纖維復合材料的導熱性因配方而異。不過，與金屬材料相比，碳纖維復合材料的導熱性和導電性通常較低，而且沒有磁性。這對于部署在無電屏蔽環境或高磁場環境中的終端執行器來說是非常理想的。

3）各向異性和屈服強度
與各向同性的金屬相比，碳纖維的各向異性為設計者提供了另一個旋鈕，以盡量減少變形。此外，某些環氧樹脂的粘彈性還能賦予碳纖維復合材料阻尼特性，這在許多精密末端效應器應用中非常有利。此外，與鋼和鋁等金屬不同，碳纖維在斷裂前不會明顯屈服。例如，設計人員可以利用碳纖維復合材料抓手組件的這種特性獲得更高的力，還可以減少機器人末端效應器意外碰撞時的損壞。

機器人末端執行器的設計與制造
江蘇優培德與注塑成型、飲料和消費品行業的公司以及專門從事自動化系統設計和制造的公司合作，利用碳纖維復合材料制造技術取代金屬末端執行器。經過優化的復合材料系統可大幅減輕重量，通常可減輕 50% 或更多。

通過內部有限元分析、CAD 設計和工具制造，優培德 經常與客戶合作生產高度專業化的輕型末端執行器。如果貴公司想了解更多有關在機器人末端執行器和自動化中使用定制碳纖維復合材料制造的信息，請與我們聯系（13968211586），討論您的具體應用。