碳纤维机器人终（末）端执行器
将工业自动化纳入生产流程的工厂一直致力于通过提高速度和精度来提高效率。通常，实现这些目标的最直接方法就是减轻机器人部件的重量并提高其刚度，尤其是机器人末端执行器。轻型末端执行器可直接提高生产线的速度和精度，降低电机和执行器的负载，并提高可靠性。

什么是终端执行器？
在熟练劳动力短缺以及人工智能、边缘和云计算等颠覆性技术发展的推动下，工业自动化的能力不断增强。如今，自动化技术已融入大多数行业，并在全球工业综合体中站稳脚跟。工业机器人的物理尖端是末端执行器，也称为 “末端工具”（EOAT）。这种自动化组件是机器人在制造或组装部件上工作的部分。在与制造过程交互时，它可以承担许多不同的功能。因此，末端效应器通常是为特定操作而专门设计的，其多样性远远超过部署末端效应器的机器人手臂。

末端执行器的设计不仅要考虑机器人工具的工作，还要考虑末端执行器的工作将如何影响机器人手臂。机器人越来越多地与人类协同工作（这些机器人被称为 “协同机器人 ”或协作机器人），因此机械臂末端工具也必须确保安全，以适应这种互动。

末端执行器有什么用途？
末端执行器可用于工业环境中的各种任务。有执行加工任务的末端执行器，有用于提升、操作和放置部件的末端执行器，还有执行检测或数据采集任务的机器人手臂工具。

有哪些类型的末端执行器？
三种常见的机器人末端执行器分别是机械手、加工工具和传感器。其中，机械手负责处理材料，加工工具负责加工材料，而传感器则负责测量材料的状态。

一、机械手
机械手工具可在分拣、包装或装配操作中抓取和操纵部件。根据部件的性质，机器人抓手的类型将被量身定制，以便在不损坏部件的情况下对其进行最佳操作。各种类型的机械手可以抓取像鸡蛋一样脆弱的物品，也可以操纵重达数百磅的复杂物品。机械手设计所涉及的设计因素包括：

1）抓取力： 有些应用要求轻触，而有些应用则可以承受更大的力。

2）机械手行程： 如果末端执行器需要抓取大小物体，则需要较大的行程。

3）抓取精度： 如果需要以特定的空间方向抓取部件，或者部件的敏感区域无法承受与机械手的交互，则需要高精度的机械手。

4）尺寸和重量： 由于最大允许提升能力通常由机械臂设定，因此抓手末端执行器的重量会降低系统的有效负载能力。因此，轻型机械手通常更受欢迎。同样，抓手经常需要拾取部件或将部件放入箱角或其他狭小空间。对于这些应用，较小的机械手是有利的，特别是如果它可以消除额外的运动自由度。

工业自动化中使用的机械手有以下几种不同类型：

1）机械机械手： 这些机械手使用皮带或液压系统驱动。根据任务的不同，它们可以有两个相对的手指或多个手指，可以是大爪或针状抓手。

2）磁性机械手： 这种末端执行器上的可控电磁铁使机器能够抓取和放下黑色金属制成的部件。

3）真空机械手： 这种末端执行器通常用于拾取和放置纸板箱等表面平整的物品，利用吸力将目标从传送带上拾取并投放到板条箱中。这种末端执行器通常部署在协作机器人上。

4）电动机械手： 这类机械手在末端执行器上使用伺服电机或电磁致动器来提供抓取力。这类机械手通常用于精度较高的应用。

5）气动机械手： 这类机械手的手指使用压缩空气，可以是简单的爪子，也可以由各向异性的橡胶材料制成，充气后可对烘焙食品等顺从部件产生柔和的抓取力。

二、加工工具
另一类机械臂工具是改变零件的工具，如打磨、抛光、焊接、切割、涂胶、制造熔融塑料（3-D 打印）等。这些末端执行器的工作环境包括极高和极低的温度、脏污、腐蚀性和高水平的电磁干扰，因此在设计时要仔细考虑。在这些危险环境中，工业机器人具有很高的价值，因为它们可以消除员工面临的风险。这些机器人工具在设计上面临的许多挑战涉及材料兼容性、可靠性、施力的控制和一致性，以及影响最终零件质量的其他因素。

三、传感器
最后，第三类机器人末端执行器功能包括使用传感器收集数据。虽然这一功能通常嵌入在其他两类末端执行器（抓取器和加工工具）中，但也有许多专用于数据收集的独立末端执行器，如摄像头。末端效应器上使用的其他传感器包括力/扭矩传感器、接近传感器、光传感器和磁场传感器[1]。火星车机械臂上安装的一个著名传感器末端效应器包含一个显微成像仪和两个不同类型的光谱仪。火星车上的另一个末端效应器是岩石磨损工具，属于过程工具类别。

碳纤维在机器人末端执行器中的优势
大多数工程设计的普遍原则是，在其他属性相同的情况下，最好选择较轻的部件。碳纤维复合材料因其高硬度重量比（比模量）而对设计者具有吸引力。当用于制造末端执行器时，碳纤维复合材料的高比模量会对自动化系统的许多方面产生影响。更轻的末端效应器不仅能增加机器人系统的最大有效载荷，还能提高机械臂的最大速度，进而减少移动机械臂所需的能量和时间。这些结果推动了操作效率的提高：一项研究表明，使用碳纤维末端执行器可使简单的拾放操作的能耗降低 40%。

碳纤维复合材料实际上不发生反应，这也为在腐蚀性环境中设计末端执行器提供了一条途径。由于工业自动化的一个主要理由是避免人类暴露在危险环境中，因此碳纤维复合材料是机器人末端机械臂工具设计的重要组成部分，其坚固性足以承受这些具有挑战性的应用。

机器人末端执行器中碳纤维的设计考虑因素
使用工业自动化可以完成多种工艺和检测操作，因此需要考虑各种设计因素。以下是碳纤维复合材料的材料特性可以解决多种设计难题的一些方法。

1）温度
碳纤维可以承受很高的温度，但由于其基体中环氧树脂的玻璃化温度较低，普通碳纤维复合材料的性能受到限制。不过，通过使用特殊的高玻璃化转变温度树脂（如酚醛树脂），碳纤维复合材料可以在高达 260°c的温度下保持大部分刚度。

根据所使用的纤维和树脂，碳纤维复合材料的热膨胀系数范围较低。尽管如此，碳纤维复合材料的尺寸稳定性通常比金属高得多。有些碳纤维的热膨胀系数为负，在层压板中混合碳纤维可以制成热膨胀系数接近零的复合材料。

无论如何，碳纤维复合材料的热稳定性通常被认为是机器人末端执行器设计中的理想选择，尤其是那些在动态热环境中工作的末端执行器。在这种环境下，碳纤维复合材料末端执行器的热变形较小，因此应力和螺栓连接所需的维护也较少。

2）导热性
碳纤维复合材料的导热性因配方而异。不过，与金属材料相比，碳纤维复合材料的导热性和导电性通常较低，而且没有磁性。这对于部署在无电屏蔽环境或高磁场环境中的终端执行器来说是非常理想的。

3）各向异性和屈服强度
与各向同性的金属相比，碳纤维的各向异性为设计者提供了另一个旋钮，以尽量减少变形。此外，某些环氧树脂的粘弹性还能赋予碳纤维复合材料阻尼特性，这在许多精密末端效应器应用中非常有利。此外，与钢和铝等金属不同，碳纤维在断裂前不会明显屈服。例如，设计人员可以利用碳纤维复合材料抓手组件的这种特性获得更高的力，还可以减少机器人末端效应器意外碰撞时的损坏。

机器人末端执行器的设计与制造
江苏优培德与注塑成型、饮料和消费品行业的公司以及专门从事自动化系统设计和制造的公司合作，利用碳纤维复合材料制造技术取代金属末端执行器。经过优化的复合材料系统可大幅减轻重量，通常可减轻 50% 或更多。

通过内部有限元分析、CAD 设计和工具制造，优培德 经常与客户合作生产高度专业化的轻型末端执行器。如果贵公司想了解更多有关在机器人末端执行器和自动化中使用定制碳纤维复合材料制造的信息，请与我们联系（13968211586），讨论您的具体应用。