碳纖維機(jī)器人終（末）端執(zhí)行器
將工業(yè)自動化納入生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最直接方法就是減輕機(jī)器人部件的重量并提高其剛度，尤其是機(jī)器人末端執(zhí)行器。輕型末端執(zhí)行器可直接提高生產(chǎn)線的速度和精度，降低電機(jī)和執(zhí)行器的負(fù)載，并提高可靠性。

什么是終端執(zhí)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(shù)發(fā)展的推動下，工業(yè)自動化的能力不斷增強(qiáng)。如今，自動化技術(shù)已融入大多數(shù)行業(yè)，并在全球工業(yè)綜合體中站穩(wěn)腳跟。工業(yè)機(jī)器人的物理尖端是末端執(zhí)行器，也稱為 “末端工具”（EOAT）。這種自動化組件是機(jī)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(dān)許多不同的功能。因此，末端效應(yīng)器通常是為特定操作而專門設(shè)計的，其多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過部署末端效應(yīng)器的機(jī)器人手臂。

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

末端執(zhí)行器有什么用途？
末端執(zhí)行器可用于工業(yè)環(huán)境中的各種任務(wù)。有執(zhí)行加工任務(wù)的末端執(zhí)行器，有用于提升、操作和放置部件的末端執(zhí)行器，還有執(zhí)行檢測或數(shù)據(jù)采集任務(wù)的機(jī)器人手臂工具。

有哪些類型的末端執(zhí)行器？
三種常見的機(jī)器人末端執(zhí)行器分別是機(jī)械手、加工工具和傳感器。其中，機(jī)械手負(fù)責(zé)處理材料，加工工具負(fù)責(zé)加工材料，而傳感器則負(fù)責(zé)測量材料的狀態(tài)。

一、機(jī)械手
機(jī)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(jù)部件的性質(zhì)，機(jī)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(jìn)行最佳操作。各種類型的機(jī)械手可以抓取像雞蛋一樣脆弱的物品，也可以操縱重達(dá)數(shù)百磅的復(fù)雜物品。機(jī)械手設(shè)計所涉及的設(shè)計因素包括：

1）抓取力： 有些應(yīng)用要求輕觸，而有些應(yīng)用則可以承受更大的力。

2）機(jī)械手行程： 如果末端執(zhí)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(qū)域無法承受與機(jī)械手的交互，則需要高精度的機(jī)械手。

4）尺寸和重量： 由于最大允許提升能力通常由機(jī)械臂設(shè)定，因此抓手末端執(zhí)行器的重量會降低系統(tǒng)的有效負(fù)載能力。因此，輕型機(jī)械手通常更受歡迎。同樣，抓手經(jīng)常需要拾取部件或?qū)⒉考湃胂浣腔蚱渌M小空間。對于這些應(yīng)用，較小的機(jī)械手是有利的，特別是如果它可以消除額外的運(yùn)動自由度。

工業(yè)自動化中使用的機(jī)械手有以下幾種不同類型：

1）機(jī)械機(jī)械手： 這些機(jī)械手使用皮帶或液壓系統(tǒng)驅(qū)動。根據(jù)任務(wù)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(jī)械手： 這種末端執(zhí)行器上的可控電磁鐵使機(jī)器能夠抓取和放下黑色金屬制成的部件。

3）真空機(jī)械手： 這種末端執(zhí)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(biāo)從傳送帶上拾取并投放到板條箱中。這種末端執(zhí)行器通常部署在協(xié)作機(jī)器人上。

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

5）氣動機(jī)械手： 這類機(jī)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(chǎn)生柔和的抓取力。

二、加工工具
另一類機(jī)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?。┑?。這些末端執(zhí)行器的工作環(huán)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(shè)計時要仔細(xì)考慮。在這些危險環(huán)境中，工業(yè)機(jī)器人具有很高的價值，因為它們可以消除員工面臨的風(fēng)險。這些機(jī)器人工具在設(shè)計上面臨的許多挑戰(zhàn)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(zhì)量的其他因素。

三、傳感器
最后，第三類機(jī)器人末端執(zhí)行器功能包括使用傳感器收集數(shù)據(jù)。雖然這一功能通常嵌入在其他兩類末端執(zhí)行器（抓取器和加工工具）中，但也有許多專用于數(shù)據(jù)收集的獨(dú)立末端執(zhí)行器，如攝像頭。末端效應(yīng)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]?；鹦擒嚈C(jī)械臂上安裝的一個著名傳感器末端效應(yīng)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(yīng)器是巖石磨損工具，屬于過程工具類別。

碳纖維在機(jī)器人末端執(zhí)行器中的優(yōu)勢
大多數(shù)工程設(shè)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(fù)合材料因其高硬度重量比（比模量）而對設(shè)計者具有吸引力。當(dāng)用于制造末端執(zhí)行器時，碳纖維復(fù)合材料的高比模量會對自動化系統(tǒng)的許多方面產(chǎn)生影響。更輕的末端效應(yīng)器不僅能增加機(jī)器人系統(tǒng)的最大有效載荷，還能提高機(jī)械臂的最大速度，進(jìn)而減少移動機(jī)械臂所需的能量和時間。這些結(jié)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(zhí)行器可使簡單的拾放操作的能耗降低 40%。

碳纖維復(fù)合材料實(shí)際上不發(fā)生反應(yīng)，這也為在腐蝕性環(huán)境中設(shè)計末端執(zhí)行器提供了一條途徑。由于工業(yè)自動化的一個主要理由是避免人類暴露在危險環(huán)境中，因此碳纖維復(fù)合材料是機(jī)器人末端機(jī)械臂工具設(shè)計的重要組成部分，其堅固性足以承受這些具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。

機(jī)器人末端執(zhí)行器中碳纖維的設(shè)計考慮因素
使用工業(yè)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(shè)計因素。以下是碳纖維復(fù)合材料的材料特性可以解決多種設(shè)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(huán)氧樹脂的玻璃化溫度較低，普通碳纖維復(fù)合材料的性能受到限制。不過，通過使用特殊的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度樹脂（如酚醛樹脂），碳纖維復(fù)合材料可以在高達(dá) 260°c的溫度下保持大部分剛度。

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

無論如何，碳纖維復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性通常被認(rèn)為是機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計中的理想選擇，尤其是那些在動態(tài)熱環(huán)境中工作的末端執(zhí)行器。在這種環(huán)境下，碳纖維復(fù)合材料末端執(zhí)行器的熱變形較小，因此應(yīng)力和螺栓連接所需的維護(hù)也較少。

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

3）各向異性和屈服強(qiáng)度
與各向同性的金屬相比，碳纖維的各向異性為設(shè)計者提供了另一個旋鈕，以盡量減少變形。此外，某些環(huán)氧樹脂的粘彈性還能賦予碳纖維復(fù)合材料阻尼特性，這在許多精密末端效應(yīng)器應(yīng)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(shè)計人員可以利用碳纖維復(fù)合材料抓手組件的這種特性獲得更高的力，還可以減少機(jī)器人末端效應(yīng)器意外碰撞時的損壞。

機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計與制造
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