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【视点】从灵巧手到自适应电爪,探寻工业用夹爪进化新思路

2018-09-10 08:54 高工机器人网 阅读:14454
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摘要随着协作机器人手臂的爆发式增长,机器人行业对于高灵巧度、适应性强的机器人夹爪的需求也在急剧增长。

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  【文/潘敏瑶】随着协作机器人手臂的爆发式增长,机器人行业对于高灵巧度、适应性强的机器人夹爪的需求也在急剧增长。

  “目前运用工业机器人完成搬运、抓取等操作的工序占到60%以上,机器人夹爪成为完成机器人抓取的重要工具”大寰机器人COO许双甲表示。

  大寰机器人成立于2016年,公司团队由IEEE Fellow,ASME Fellow,IMechEFellow,国家“千人计划”专家、长江学者、伦敦大学国王学院机器人学首席教授戴建生领衔,核心团队由具备多年机器人相关研发经验的博士、硕士组成,本科均毕业于清华大学等国内一流高校。成员参与过多个国际与国内机器人项目研发,对机器人抓取技术具备前沿理解。

  2017年到2018年,大寰机器人先后完成数百万元天使轮与千万元级Pre-A轮融资,加速产品研发与落地;大寰机器人AG-95L两指、DH-3三指、AG-90两指自适应夹爪、PG-50平行夹爪先后研发成功,并于2018年初实现量产推向市场,目前更多围绕智能抓取解决方案的产品正在测试中。

  ■“襁褓”中的中国夹爪产业

  目前来看,国内市面上大多数气动与电动末端执行器很多为项目针对性选型,或集成商进行非标定制,抓持方式单一、行程十分有限、抓持力不可调,气动方案对现场气源、附件等配套要求高,只能应用于单一工位与工作场景下。即使很多现有方案,通过加入快换装置更换不同夹具以适应不同物体,对于夹具的数量、成本、设计与现场编程等还是有很大的挑战。总体来看,不足以满足工业生产中日益增加的多样性、柔性化和智能化的抓取需求。

  相对于传统抓取方案,大行程电动夹爪对现场环境要求低、仅需电源与信号线,可同时进行精确位置控制,行程及力度可变,具有抓取反馈,可适应不同物体的抓取,在更多场景下更加适用。

  许双甲判断,随着很多行业产品迭代越来越快、订制化生产需求越来越强,对自动化产线的多样性、柔性制造能力的需求也越来越高。智能制造的时代在于降本增效,机器人与末端执行器的智能化甚至可以一定程度上精简工艺流程。所以,“易于扩展、配套要求低、功能性与场景适应能力强”等特点让这类电动夹爪的使用成为一个趋势。但目前这类电动夹爪的市场至今仍被国外品牌垄断,价格偏高,售后服务及技术支持响应不及时,国内这个细分领域市场还处于空白,因而这种“进化”的方案,还未被终端用户广泛接受。

  在他看来,机器人夹爪相关产业与细分市场仍处于婴儿期,但前景光明。“随着这类自适应、大行程电爪的产品趋于成熟,其可靠性与潜力已经被越来越多的领域认可,商业化初级产品开始推广。”

  此外,国内外各大工业机器人厂商争相入局协作机器人领域,开始寻找机器人末端执行器供应商,并且国外已有适应性大行程机器人夹爪在协作机器人领域获得了成功。

  由于国外技术的封锁,国内夹爪团队唯有投入大量精力自主研发关键部件及驱动与控制方案,保证产品性能和稳定性的同时,才可以有具备低成本的量产能力,才能在市场快速成长中实现突围。

  ■快跑中的大寰机器人

  “大寰幸混一,四海际幅员。”拥有如此深意的大寰机器人正是尝试填补国内自适应夹爪领域空白的勇者。

  大寰核心团队来源于伦敦大学机器人学实验室,继承了灵巧手与抓取规划等关键研究方向上的丰富经验。项目回国落地后,为了使夹爪更稳定、性能更好、更易于量产,研发团队对灵巧手的相应技术做“减法”,自主完成了结构、驱动、控制所有核心部分的设计,进而针对不同应用领域,相继诞生了AG-95L、DH-3、AG-90、PG-50多款两指/三指大行程机器人夹爪。

  几款通用型产品采用革新式一体化设计,是国内首款可切换手指构型与抓持模式的自适应、大行程机器人电爪,主要有几大特点:

  第一,大行程,精确位置控制,完美适应不同大小物体。手指开合行程大,手指抓取重复定位精度高于0.02mm,一个夹爪满足不同大小物体、不同场景抓取需求。

  第二,精确调节抓力,适应不同硬度物体。最大抓取力超过100N,可在最小力度到最大抓力之间以连续调整抓取力度,抓取可刚可柔。AG-90两指夹爪最小抓力可达5N,可以通过力反馈轻松抓取纸杯、鸡蛋一类软性、易碎物体。

  第三,自适应抓持,适应形状不一物体。手爪可根据物体形状,自动切换平行与包络抓持两种模式,适应更多抓取场景。

  第四,一体化设计,高度集成。手爪一体化集成电机、减速器、连杆机构与伺服驱动,控制系统集成在手爪内部无需外接,结构紧凑体积小,防护等级高。

  第五,机械自锁(AG-95L)。手爪可在掉电时保持稳定抓持,功耗低,提高了抓取安全性与稳定性,产品寿命与稳定性高,满足工业级应用需求。

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  第六,无缝集成与扩展。手爪支持TCP/IP、EtherCAT、USB、CAN等主流通信协议,可与工业、协作机器人系统无缝集成。控制上可以通过力反馈的形式,抓取不同物体,不需要对不同物体进行分别编程。

  许双甲表示:“我们很明确产品会用在工业应用中,所以非常看重产品的性能和稳定性,因而产品问市前就在这方面投入了大量的精力。”他透露,截至今年8月,多台AG-95L、AG-90两指夹爪用最大的力反复抓取的稳定性测试均已达500万次,目前还在继续运行和测试中。  

■赋予抓取更多可能

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  大寰目前主要提供AG-95L、AG-90、PG-50与DH-3这4款通用型产品。二指AG-95L、AG-90自适应与PG-50平行夹爪,可稳定用于多种工业场景下的抓取上下料、组装装配、包装、打磨等场景下;三指DH-3机器人手,具备更高灵巧度,适用于多品类抓取和移动抓取等应用场景。同时,为了拓展更多应用场景,几款产品均开发了ROS接口,方便高校和科研部门等在此基础上进行二次开发。所有产品也将在今年9月19-23日上海工博会现场亮相。产品功能性能对标国外同类产品的同时,价格仅为三分之二至一半左右。

  传统机械夹爪一般应用在固定场景,往往只能抓取同一种类物体,大寰自适应/大行程电爪可自动适应不同形状的物体抓取,无需更换手爪,实现一‘手’多用,很大提升了机器人在柔性生产各个场景的抓取和操作能力,同时会降低整体方案成本。

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  他预测,自适应夹爪首先会大量应用于工业场景中,如:机加工零件、注塑件的抓取;玻璃、手机背板、电子元器件的抓取检测;鞋业、纺织业、产品包装等生产加工上下料的各个环节。

  未来,随着协作机器人的崛起,自适应夹爪将被用于更多新兴市场。因为协作机器人主要面向轻量化、多样化环境,和夹爪的应用场景相匹配,反过来,创新的夹爪产品与技术也拓展了机器人的应用领域,打开了很多潜在应用。

  接下来,大寰将继续丰富产品线,指尖可选添加触觉传感器等,实现更精细的力控,扩展应用领域的同时,也满足在特定场景下满足更高、更精细的抓取要求,并将针对垂直行业开发一站式的智能抓取解决方案,实现在末端执行器方面的产品与技术领先。

  许双甲强调,传统电爪、气爪都是通过位置控制来抓取,在固定位置运行,一旦工件有大小偏差,手爪就有可能抓不住。而赋予了夹爪力反馈抓取后,手爪从打开到完全闭合的过程中,感应到设定大小的力就会视为抓住东西继而停住,同时给机器人以抓取成功的反馈,更为智能化,缩短整体机器人节拍,在一些配合视觉无序分拣的场合优势尤为明显。

  此外,PG-50平行夹爪与AG-90两指自适应夹爪,手指抓取运动可做速度规划,规划生成手指运动速度曲线,应用中可快速接近目标位置后减速,然后抓住物体,整体运行更为平滑,更有利于手爪对软性、易碎物体的抓取,大大提高抓取性能。

  除夹爪产品外,大寰还将丰富与抓取相关的应用层开发,如配合视觉方案与机器人运动规划、抓取规划的方案开发,针对垂直行业,提供更为完整易用的智能抓取解决方案。

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