机器人末端工具组的多功能性研究进展

陈育强

（厦门工学院 柔性制造装备集成福建省高校重点实验室（厦门工学院），厦门 361021）

随着“中国智造”战略的实施，工业生产中的机器人应用越来越广泛。随着应用场景逐渐复杂，机器人需要完成的任务类型逐渐增多。在此背景下，末端工具快换装置的设计与实现，成为满足任务多样性需求的重要研究领域。即使是同一类任务，也可能需要换装不同规格的机械手爪，使用不同外形尺寸的零件进行装配[1]。基于此，机器人末端工具组的多功能性成为研究热点。本文综合考虑国内外相关技术的研究进展，回顾机器人末端工具组多功能性相关的文献，以全面了解机器人工具快换装置的发展现状，为提高机器人工作效率和应用水平提供参考。

随着科学技术的发展，工业智造成为我国战略发展的重大部署之一。《中国制造2025》战略中提出“加快工业机器人等在生产过程中的应用”。“十四五”规划明确提出智能生产，大大推动了机器人的相关研究在各行的实际应用。工信部也将工业机器人列入《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录》，进一步促进机器人产业的发展。亿欧智库2020中国服务机器人产业发展的研究报告显示，中国服务机器人产业规模具备极大的发展空间[2]。

传统工业机器人多用于大批量生产制造。随着机器人末端工具的发展，在小批量和个性化生产过程中，机器人应用逐渐增多。末段工具的多功能性和末端快换装置的智能化，使得工业机器人具备复合型功能，能够应对复杂多样的工作场景。因此，机器人末端工具组的多功能性实现成为研究的热点，并获得了不断更新与发展。

2.1 机器人末端工具

机器人末端工具是指连接在机器人边缘（关节），能够实现特定功能的外围设备，属于机器人的附件装置，也称为机器人末端执行器。机器人末段工具的种类众多，可实现多种功能，也被称为末端工具组[3]。常见的末段工具主要有机器人抓手、工具快换装置、碰撞传感器、旋转连接器、压力工具、顺从装置、喷涂枪、毛刺清理工具、弧焊焊枪以及电焊焊枪等。

2.2 机器人末端工具的分类

根据末端工具的不同，可将其分为不同的类别。比如，按照机械结构，它可分为电动（电磁）式、液压式、气动式以及综合式等。液压和气动夹持工具一般应用于大型工程和工业自动化生产领域。电动夹持工具一般应用于科研领域[4]。可以看出，机器人末端工具组的工具具有多样性和多用途性，能够应用于多个领域。

2.3 机器人末端工具多功能性的实现原理

广义的机器人末端工具主要包括主盘和工具盘2个部分。主盘固定在机器人手臂末端。由于机器人工作场景和具体功能的多样性，同一个主盘可以配置多个工具盘及其连接的末端执行器。这些工具盘及其末端执行器都放置在快换工具放置架上[5]。当机器人进入工作场景时，会根据具体需求选择合适的末端执行器。在更换末端执行器时，需要移动机械臂，将原有末端执行器放置到指定的快换工具放置架上，并将其移动到所需要的末端执行器位置进行更换，流程如图1所示。

图1 机器人末段工具多功能性实现流程

3.1 机器人末端工具组的功能现状

国外针对机器人末端工具的研究起步较早，多通过设计工业机器人的末段工具和自动换装装置来提高机器人的工作效率。不管是工具组和快换技术，还是快换工具放置架，都取得了很多研究成果。国内对于机器人末端工具组的研究起步较晚，但随着科研投入增大和创新实力的增强，众多厂商也在末段工具组及其快换技术方面取得了突破性进展。

德国SCHUNK公司的机器人五指灵巧手是其核心的精密夹持工具之一，能够实现大部分人手功能。它共有9个驱动器，支持机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）开发平台。德国Weiss Robotics公司的机器人夹爪和六维力传感器能够实现即插即用，可以兼容所有优傲机器人。

美国Soft Robotics公司以气体作为动力源，主要研究抓取异形和易碎物体的末段工具。美国Barrett Technology公司主要进行微型伺服驱动器和人机协作智能机械臂的研究与制造，其中三指夹持器支持ROS开发平台，具有良好的适用性。

中国哈尔滨工业大学和德国宇航局合作，研发出五指灵巧手的末段工具，具备力矩、指尖力等传感器反馈。北京软体机器人（Secure Reliable Transport，SRT）由北京航空航天大学科研团队。该团队是国内有名的异形和易碎物体抓取末端工具的供应商。

丹麦OnRobot是全球最有名的机械臂末端厂商。它推出的一系列末端工具，能够与协作机械臂如优傲机器人（UR）、库卡（KUKA）、发那科（FANUC）、不二越（NACHI）以及安川（Yaskawa）等无缝连接，无须电缆，就能够快速转换，减少了等待和停工时间[6]。

3.2 机器人末端工具组的快换装置与技术

美 国 ATI（Array Technology Industry） 是 全 球最早研究机器人快换工具的公司。针对不同型号的末端工具，ATI进行工具支架模块化设计，允许客户基于使用数量和放置方向等要求建立自己的工具存放系统，大致分为小型工具支架、中型工具支架以及大型工具支架，如图2所示。基于快换工具的放置方式，它又可分为销和衬套工具支架、销和托架工具支架、V形板水平安装工具支架以及工具挂钩支架。

图2 ATI的3类工具支架

德国ABICOR BINZEL集团主要研究机器人焊接领域的快换工具支架，开发的焊枪更换工作站采用模块化设计，最多可以设置4个焊枪放置位置，且可以通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）或更换站独有模块集成到现场总线系统进行控制，通过集成传感器实时监测焊枪。该公司还提出了枪颈交换系统ATS-Rotor，可以在一个旋转枪架上提供5把备用焊枪。焊丝通过切丝台可自动剪到合适长度。焊接机器人可在同一位置完成枪颈更换，降低了机器人编程的复杂度，提高了焊接效率。

4.1 工业领域

机器人的快换装置可让机器人自动更换不同的末端工具，如点焊焊枪、抓手、真空工具、气动和电动马达等，使机器人的应用更具柔性。快换装置与技术是机器人体现多功能性、适应小批量以及个性化智能化生产需求的重要保障。一台机器人要实现多样化和复合型功能，快换工具将是机器人完成多功能的良好选择。为适应这一趋势，快换工具放置架也要随之优化。

随着科研实力的增强，国内厂商如上海桥田智能设备公司、郑州领航机器人公司以及中建科技公司等，也在机器人末端工具领域中不断取得技术突破，在国际国内市场领域的份额逐渐扩大。上海桥田智能设备的中小型快换工具放置架多采用托架和限位销的方式，配合工具盘上安装的过渡盘，可实现工具盘及其执行工具的位置固定。大型快换工具放置架采用销和孔结构，利用在工具盘上安装过渡盘实现执行工具的固定放置。郑州领航机器人设计的快换工具架多采用限位销和孔的方式进行快换工具固定，在工具盘上直接安装限位销或开设孔可避免安装过渡盘，减轻工具侧的重量。中建科技集团通过分析不同末端执行器的重心位置，对机器人末端执行器快换放置架进行优化，使工具盘及其执行工具分布更合理，同时使整个快换放置架更加紧凑，占用空间更小。

机器人快换工具库的主要作用为存放备用的末端工具。机器人在更换末端工具时，需要主动寻找末端工具位置。现阶段，机器人使用的工具快换放置架的各个工具放置位置固定，因此需要机器人主动寻找更换。机器人可以移动到工具快换放置架所需末端执行器上方直接更换。在工具快换放置架的智能化改造上，可以参考数控加工中心刀库的运作模式，利用刀库换刀完成多种工序的加工，从而大大提高加工效率，对工具快换放置架进行智能化改造，同时提高机器人处理复杂任务的能力。

4.2 医疗领域

机器人重要的两个应用是精确运动定位和可扩展操作。末端工具的机构使机器人具有特定的功能操作能力，如末端夹持、末端多指手以及末端剪刀等。这些工具使机器人在医学诊疗方面得到了发展，特别是外科手术领域，如眼科、骨科、脑外科以及耳外科等。通过机器人的运动定位能力，可进一步提升诊疗操作的精度水平。医疗领域的机器人末段工具最初结构简单且功能单一，只能在探刺、穿刺以及磨削等方面应用。随着机器人的体积变小、运动精度提升和临床适用性增大，机器人的工作范围不断拓展，使得末端工具开发越来越多。医疗机器人不仅能够替代医生的部分手动操作，而且通过末端工具的特殊设计，能够完成一些传统手术不可实现的复杂操作，促进了医疗技术的发展。

Intuitive Surgical公司于2001年开发da Vinci微创外科手术机器人。该机器人操作手机械臂采用双四连杆机构和丝传动驱动方式，能够进行腹腔内任意方向的缝合和打结。该系统的灵活末端工具使原来很难操作的手术变得简单可行。约翰斯·霍普金斯大学的科学家于2004年开发了用于喉部外科手术的蛇形机器人Snake-Like Robot，采用主从遥操作模式，灵活末端工具的夹持颚能产生约1 N的夹持力，可进行喉部狭小空间的复杂操作。天津大学2008年开发了喉部外科手术机器人妙手，从操作机械臂末端工具装有的2个自由度到目前的7个自由度，完成了支撑喉镜狭小环境下的弧形针缝合和打结等复杂操作，扩展了医生在手术中的操作。这些微创外科手术机器人除了本体机构实现了专用化，末端工具也在向新构型和高灵活度方向发展，增强了手术操作能力。随着全球手术机器人时代的到来，中国的机器人手术辅助量不断增多，国产机器人陆续进入临床，并在单孔和无创口自然腔道手术机器人领域取得突破。2021年8月，拥有完全自主知识产权的精锋单孔腔镜手术机器人完成注册临床实验入组。2022年1月，威高集团的图迈腹腔镜手术机器人获批上市。与微创外科手术机器人相比，单孔腔道手术机器人可进一步减轻或消除对患者造成的创伤。此类机器人的末端工具需集成本体机构的移动定位功能，因此要求驱动机构和支撑末端工具的基体机构具有更高的刚度和稳定性，是单孔腔镜手术机器人未来的研究重点。

通过分析机器人末端工具组多功能性，了解多功能工具快换技术的发展状况。机器人多采用模块化设计思想，通过机、电及气深度融合的多功能末端工具组设置，实现了末端工具的快速自动换装，有效解决了末端工具功能单一、换装效率低以及精度差等问题。多功能性的末端工具组依托先进的工具快换技术，不断提高机器人的工作柔性和智能程度，对拓展机器人工作范围、提升机器人工作以及推动智能工业发展具有重要价值与意义，值得各个领域的专家深入研究，以期进一步提高机器人末端工具的应用水平。