Конечный эффектор — это устройство на конце роботизированной руки , предназначенное для взаимодействия с окружающей средой. Точная природа этого устройства зависит от применения робота.
В строгом определении, которое берет начало от серийных роботизированных манипуляторов , конечный эффектор означает последнее звено (или конец) робота. В этой конечной точке крепятся инструменты. В более широком смысле конечный эффектор можно рассматривать как часть робота, которая взаимодействует с рабочей средой. Это не относится к колесам мобильного робота [1] или ногам гуманоидного робота , которые не являются конечными эффекторами, а скорее частью мобильности робота.
Конечные исполнительные органы могут состоять из захвата или инструмента.
Говоря о роботизированном захвате, можно выделить четыре основные категории роботизированных захватов: [1]
Эти категории описывают физические эффекты, используемые для достижения стабильного захвата между захватом и объектом, который необходимо захватить. [2] Промышленные захваты могут использовать механические, всасывающие или магнитные средства. Вакуумные присоски и электромагниты доминируют в автомобильной отрасли и при обработке металлических листов. Захваты Бернулли используют воздушный поток между захватом и деталью, в котором подъемная сила сближает захват и деталь (используя принцип Бернулли ). Захваты Бернулли являются типом бесконтактных захватов; объект остается заключенным в силовом поле, создаваемом захватом, не вступая с ним в прямой контакт. Захваты Бернулли были приняты при обработке фотоэлектрических элементов, обработке кремниевых пластин , а также в текстильной и кожевенной промышленности. Другие принципы реже используются в макромасштабе (размер детали >5 мм), но за последние десять лет продемонстрировали интересные применения в микрообработке. Другие принятые принципы включают: электростатические захваты и захваты Ван-дер-Ваальса, основанные на электростатических зарядах (т. е. силе Ван-дер-Ваальса ); капиллярные захваты; криогенные захваты, основанные на жидкой среде; ультразвуковые захваты; и лазерные захваты, последние два из которых являются принципами бесконтактного захвата. Электростатические захваты используют разницу зарядов между захватом и деталью ( электростатическая сила ), часто активируемую самим захватом, в то время как захваты Ван-дер-Ваальса основаны на низкой силе (все еще электростатической) атомного притяжения между молекулами захвата и молекулами объекта. Капиллярные захваты используют поверхностное натяжение жидкого мениска между захватом и деталью для центрирования, выравнивания и захвата детали. Криогенные захваты замораживают небольшое количество жидкости, при этом полученный лед обеспечивает необходимую силу для подъема и перемещения объекта (этот принцип используется также при обработке пищевых продуктов и при захвате текстиля). Еще более сложными являются ультразвуковые захваты, в которых стоячие волны давления используются для подъема детали и удержания ее на определенном уровне (примерами левитации являются как микроуровень, при работе с винтами и прокладками, так и макромасштаб, при работе с солнечными элементами или кремниевыми пластинами), и лазерный источник, который создает давление, достаточное для удержания и перемещения микрочастей в жидкой среде (в основном, клеток). Лазерные захваты также известны как лазерные пинцеты .
Особая категория фрикционных/зажимных захватов — это игольчатые захваты. Они называются интрузивными захватами, использующими как трение, так и замыкание формы, как стандартные механические захваты.
Наиболее известный механический захват может состоять из двух, трех или даже пяти пальцев.
Распространенной формой роботизированного захвата является силовое закрытие . [3]
Обычно захватный механизм выполняется захватами или механическими пальцами. Двухпальцевые захваты обычно используются для промышленных роботов, выполняющих определенные задачи в менее сложных приложениях. [ необходима цитата ] Пальцы являются сменными. [ необходима цитата ]
При захвате двумя пальцами используются два типа механизмов, которые учитывают форму захватываемой поверхности и силу, необходимую для захвата объекта.
Форму поверхности захвата пальцев можно выбирать в соответствии с формой объектов, которыми нужно манипулировать. Например, если робот предназначен для подъема круглого объекта, форма поверхности захвата может быть вогнутым отпечатком от него, чтобы сделать захват эффективным. Для квадратной формы поверхность может быть плоской.
Хотя на тело, поднятое роботизированной рукой, действуют многочисленные силы, основной силой является сила трения. Поверхность захвата может быть изготовлена из мягкого материала с высоким коэффициентом трения, чтобы поверхность объекта не была повреждена. Роботизированный захват должен выдерживать не только вес объекта, но также ускорение и движение, вызванное частым перемещением объекта. Чтобы узнать силу, необходимую для захвата объекта, используется следующая формула
где:
Более полное уравнение учитывало бы направление движения. Например, когда тело движется вверх, против силы тяжести, требуемая сила будет больше, чем сила, направленная против силы тяжести. Поэтому вводится еще один член, и формула становится:
Здесь за величину следует принимать ускорение силы тяжести и ускорение движения.
Для многих физически интерактивных задач манипуляции, таких как письмо и обращение с отверткой, критерий захвата, связанный с задачей, может быть применен для выбора захватов, которые наиболее подходят для удовлетворения конкретных требований задачи. Было предложено несколько ориентированных на задачу метрик качества захвата [4] для руководства выбором хорошего захвата, который будет удовлетворять требованиям задачи.
Конечные эффекторы, которые могут использоваться в качестве инструментов, служат различным целям, включая точечную сварку при сборке, распылительную покраску, где необходима однородность покраски, и другие цели, где условия работы опасны для человека. Хирургические роботы имеют конечные эффекторы, которые специально изготовлены для этой цели.
Конечным эффектором сборочного робота обычно является сварочная головка или краскопульт . Конечным эффектором хирургического робота может быть скальпель или другой инструмент, используемый в хирургии. Другими возможными конечными эффекторами могут быть станки, такие как дрель или фрезы . Конечный эффектор на роботизированной руке космического челнока использует схему проводов, которые закрываются, как апертура камеры, вокруг ручки или другой точки захвата. [ требуется ссылка ]
