機器人末端執行器快換放置架設計研究

吳超群，張 波，于聯周，李洪鵬

（沈陽城市建設學院，遼寧沈陽 110167）

0 引言

機器人行業是現階段國家大力扶持的前瞻戰略性技術，前景廣闊，隨著人工智能等前沿技術的發展，機器人結構、功能愈發完善。近年來，各行各業紛紛開展自動化、智能化改革，而在此期間，部分產業產生了機器人需求，尤其是工業產業的機器人需求較大，且部分生產線已實現了機器人自動化。為提升機器人性能，應對機器人末端執行器進行優化調整，使末端執行器的轉換更為靈敏準確。

1 機器人末端執行器

目前，我國機器人產業發展迅速且穩定，已研發出工業機器人、空間機器人、水下機器人等，其中工業機器人具備了裝配、點焊、弧焊、噴漆、沖壓、注塑、搬運等功能，并已在制造業形成了機器人自動化生產線，且部分機器人技術已達到世界領先水平。

工業機器人最初是應用在汽車制造業，隨著機器人產業的發展，現已逐漸被應用到化工、建筑、機械、礦山開采、船舶、輕工等領域，同時，工業機器人的作業場景逐漸呈現出多樣化特點，如流水線、物流分揀等。工業機器人能夠實現多功能、多場景應用。快換裝置是機器人更換工具的中間構件，工業機器人作業期間，需在快換裝置作用下更換末端執行器工具，以完成不同操作。現階段大部分機器人通常將末端執行器替換下來的工具置于桌面或地面，但機器人作業期間通常涉及多種工具，直接置于桌面或地面，將造成空間浪費，同時工具放置期間延長了末端執行器工具更換時間，因此，為提升機器人性能，需設計研究放置裝置。

2 國內外現有快換放置架分析

2.1 國外多規格放置架

國外機器人產業發展較快，早已認識到快換放置架在機器人作業中的作用，為更好地應對不同規格、功能的機器人，已研制了不同型號的快換放置架，并分為大型、中型、小型3 個規格，此外，根據末端執行器快換放置方式，又細分為掛鉤放置架、銷和托架工具放置架、V 形板水平放置架、銷和襯套放置架，用戶可結合機器人末端執行器大小尺寸及作業所需更換的工具數量，選擇不同規格的快換放置架。

（1）掛鉤放置架。安裝工具掛鉤，當末端執行器更換工具后，可將工具掛至掛鉤放置架上，相較于其他放置架方式，該形式具有占用位置小、負重小的優勢。

（2）銷和托架工具放置架。該快換放置架可安裝至機器人立柱或水平橫梁上，工具可在過渡盤幫助下固定放置在放置架托架上，此外，在氣孔支柱作用下，氣動快換工具同樣可以放置。

（3）V 形板水平放置架。該類型放置架使用時必須設置過渡盤，且用于放置末端執行器的槽位呈V 形，能夠使過渡盤支撐柱順利進入槽位，繼而實現工具的放置。

（4）銷和襯套放置架。將其作為外設塊安裝至機器人立柱或水平橫梁上，兩個位置均可安裝兩個放置架，用戶可根據實際需求調整放置架安裝間距，或安裝過渡盤輔助放置過程，通過銷孔定位方式將末端執行器置于快換放置架上[1]。

2.2 國外焊槍快換放置架

焊接機器人作業工業生產中應用廣泛的機器人種類，為確保焊槍從末端執行器換下后得到妥善放置，現已出現同時放置4 個焊槍工具的快換放置架，并可以采用PLC 控制方式進行模塊集成控制，設置傳感器加以監測，放置效果優異，但僅在焊接機器人中應用，適用場景較少。

2.3 國內快換放置架形式

近年來，國家對機器人行業大力支持，國內已出現了優秀的機器人企業，并結合機器人末端執行器快換放置架的需求，研發出了大、中、小型快換放置架。其中中、小型快換放置架采用限位銷、托架方式完成支撐，輔以過渡盤實現工具固定，而大型快換放置架，則通過銷孔定位方式及過渡盤實現工具放置[2]。此外，在長期發展中，現已出現了無需安裝過渡盤的快換放置架，其運用銷孔定位方式固定工具，同時對工具盤開設孔位，在避免過渡盤的同時減少了工具側重量，為工具快換創造了良好條件。

3 設計方案

3.1 整體思路

由于不同機器人功能、操作目的均有不同，末端執行器存在較大差異，在不同功能設計及操作場景下，部分末端執行器垂出現重心不均、形狀無序、重量不統一的情況，在差異化末端執行器作用下，需針對普遍情況進行快換放置架設計。本次快換放置架設計，由主框架、導向定位銷、放置板、壓縮彈簧板系統、到位傳感器等構成，其中導向定位銷呈錐形結構，能夠與機器人末端執行器定位銷孔相匹配，當末端執行器的導正、定位放置，在實現準確定位的同時，為便捷取放奠定基礎[3]。為確保末端執行器能夠準確平穩放置于快換放置架上，需借助到位傳感器快速感應末端執行器對快換放置架的壓力情況，以此了解末端執行器工具放置是否規范穩定。設計的末端執行器快換放置架具有緊湊集成特征、占地面積小、適用于不同末端執行器工具類型同時具有放置便捷的優勢。

3.2 多類型放置

3.2.1 偏心型、懸臂型

偏心型和懸臂型（圖1）末端執行器的重心位置與定位點較遠，放置時易出現側翻，無法實現穩定放置，為此增設頂撐支座結構，用于緩解放置板承載壓力，避免末端執行器重量不均勻放置問題，使其重力均勻分攤，轉移重力，以此確保機器人末端執行器工具穩定放置于快換放置架上，避免放置架因受壓不均而受損，同時規避了工具放置時的沖擊。

圖1 懸臂型末端執行器

3.2.2 較重型

除偏心型末端執行器以及懸臂型末端執行器外，較重型末端執行器是常用類型，由于該類末端執行器較重，對快換放置架的放置板強度提出了更高的要求。本著盡可能減少快換放置架占用空間的設計思路，需確保較重型末端執行器能夠與其他末端執行器同時使用一個快換放置架，減少空間占用，實現快換放置架與空間資源的最大化利用[4]。為實現上述目的，快換支撐架增設壓縮彈簧板系統，由彈簧、下撐板、上撐板構成，當機器人末端執行器產生放置需求時，壓縮彈簧板系統憑借其彈性變形作用，對機器人末端執行器工具放置位態進行調節，以確保末端執行器工具平穩放置于快換支撐架上，減緩放置過程對快換支撐架的沖擊，繼而避免損壞支撐架結構。

3.2.3 較輕型、重心居中型

該類末端執行器在機器人結構中較為常用，其末端執行器上有定位銷孔，與導向定位銷組合，對末端執行器取放過程進行位態導正與精準定位，以此確保末端執行器工具精準放置于放置架結構上（圖2）。

圖2 輕型末端執行器

3.3 到位傳感器的設計應用

快換放置架結構內設置到位傳感器，用于檢測末端執行器對快換放置架的作用力，根據到位傳感器檢測到的數值即可了解末端執行器工具放置情況，以及時校正放置情況，實現平穩到位放置的同時，能夠以此為依據，對所設計的快換放置架結構進行調整，在不斷調整優化中，完善快換放置架設計結果[5]。

經上述不同類型的機器人末端執行器針對性分析討論，能夠確保本次設計的快換放置架適用于大多數末端執行器類型，具有一定的普適性，且在結構集成調整下減少快換放置架所占空間，更便于實際作業應用，為末端執行器工具提供了規范有序的放置裝置，改變了以往置于桌面、地面的情況。

4 應用分析

在現代各行各業發展建設中，機器人所發揮的作用越來越大，尤其在先進制造業產業中，更是扮演著關鍵支撐裝備的角色，推動產業智能化發展，在此形勢下，機器人相關產業成為國家高端制造、科技創新的標志，必須予以足夠重視。隨著機器人產業的發展，進入機器人2.0 時代后，工業機器人已具備自執行、自決策、自感知能力，智能化程度更高[6]。機器人功能愈發完善，逐漸在不同作業場景中發揮作用，這就要求機器人在末端執行器幫助下完成不同工作，要求機器人結合作業要求調整末端執行器類型或工具。本次所設計的快換放置架，為末端執行器及其工具的放置提供了平穩空間，可在多結構作用下實現穩定精準放置，且可適用于不同規格末端執行器結構及工具類型，普適性較高，此外，本次設計的末端執行器快換放置架結構緊湊，空間利用程度高，符合機器人快換需求。

5 結束語

綜上所述，機器人技術作為新時代關鍵技術之一，已在多個行業中發揮出重要作用。為適用于各類作業場景，機器人需在快換裝置作用下更換適宜末端執行器，在傳統作業中，通常將更換下的末端執行器置于桌面或地面，在一定程度上降低了機器人的作業效率，且不利于作業場地的規范管理。機器人末端執行器快換放置架的設計應用，可以滿足各類機器人快換末端執行器的需求。