Концевой эффектор (концевая оснастка или конечный инструмент , англ. End of arm tooling (EOAT) ) — рабочий орган робота, устройство на конце манипулятора, предназначенное для взаимодействия с окружающей средой. Характер устройства зависит от области применения, а эффектор может предназначаться для выполнения конкретной функции ( сварочная горелка ) или одновременной работы в нескольких процессах (захваты с пальцами).

В строгом определении, берущем начало от серийных роботов- манипуляторов , концевой эффектор означает последнее звено (конец) робота, на котором крепятся инструменты. В более широком смысле концевой эффектор можно рассматривать как часть робота, взаимодействующую с рабочей средой. Это не относится к колёсам мобильного робота или ногам гуманоидного робота, которые отвечают за перемещение робота и являются часть его системы мобильности.

В конечных эффекторах могут применяться электрический , гидравлический , механический или пневматический приводы , которые доступны в различных вариантах исполнения, включая угловые и параллельные. Наиболее распространены механические, либо электромеханические системы .

По функциональности рабочие органы можно разделить на захваты, инструменты и датчики .

Захваты

Категории

Применительно к роботизированным захватам можно выделить четыре общие категории :

• Импактные (ударные): челюсти или клешни, которые физически захватывают объект прямо воздействуя на него для перемещения или переориентации. Их можно спроектировать для использования в любой отрасли и для работы с любыми типами объектов. Кроме того, захват и перемещение объекта не требует большого количества программных средств управления, что, как правило, снижает стоимость системы в целом.
• Ингрессивные (проникающие): штифты , иглы или зацепы, которые физически проникают в поверхность объекта. Используются при работе с текстилем , углеродными и стеклянными волокнами, где физический захват объекта невозможен или неэффективен. Этот тип захвата требует довольно большого количества инженерных средств управления, но он существенно повышает эффективность производства, поскольку применяется в трудоёмких сферах.
• Астриктивные (притягивающие): вакуумные , магнито- или электроадгезионные захваты, которые используют силу притяжения для захвата объекта. Их применяют для перемещения продуктов с чувствительными поверхностями, таких как краска или продукты в мешках. Но астриктивные захваты начали получать распространение и в работе с мебелью, мелкими деталями, другими предметами, требующими бережного обращения.
• Контигуративные (соприкасающиеся): Захваты с применением клея, замораживания или эффекта поверхностного натяжения , которые обеспечивают адгезию . Используются, например, в пищевой и текстильной промышленностях.

Эти категории описывают физические эффекты, используемые для достижения стабильного контакта между устройством захвата и захватываемым объектом .

В промышленности могут использоваться механические, вакуумные, магнитные захваты, а также сервоприводы .

Механические захваты — самый простой тип, челюсти или пальцы для захвата объекта. Они просты, прочны и надёжны, их часто используют в операциях по сборке. Механические захваты можно дополнительно классифицировать по типу используемых губок или пальцев: параллельные или угловые захваты, захваты с двумя, тремя, четырьмя пальцами.

Вакуумные захваты используют присоски для захвата и удержания предметов. Их в основном используют при работе с плоскими, гладкими или пористыми объектами, такими как стеклянные панели или печатные платы , в автомобильной промышленности и при обработке металлических листов. Вакуумные присоски просты, имеют короткий рабочий цикл и очень надёжны. Но они могут быть непригодны в работе с грузами неправильной формы или тяжёлыми объектами.

Магнитные захваты используют магнитные поля для удержания ферромагнитных предметов, например, стальных пластин. Этот тип применяют при перемещении тяжёлых предметов или предметов неправильной формы, с которыми сложно справится другими видами захватов. Магнитные устройства надёжны, требуют минимального обслуживания и имеют короткий цикл. Но, скорее всего, они окажутся непригодными для работы с неферромагнитными материалами.

В сервозахватах применяют двигатели и редукторы для точного контроля силы захвата и позиционирования робота. Они подходят для работы, которая требует высокой точности и гибкости, например при контроле качества. Также сервозахваты обладают высокой универсальностью применения, их можно запрограммировать на регулировку силы и положения захвата в зависимости от размера и формы обрабатываемого объекта. Но подобные системы часто могут быть более дорогими и требовать более сложных систем управления .

Захваты Бернулли используют воздушный поток между захватом и деталью, при этом подъёмная сила сближает захват и деталь (по принципу Бернулли ). Захваты Бернулли относятся к типу бесконтактных захватов; объект остаётся в силовом поле , создаваемом захватом, не вступая с ним в непосредственный контакт. Эта система нашла применение при обработке фотоэлементов , кремниевых пластин , а также в текстильной и кожевенной промышленности.

Другие принципы менее распространены в макромасштабе (размер детали >5 мм), но за последние десять лет продемонстрировали интересные применения в микроуправлении.

К числу таких принципов относятся: электростатические захваты и захваты Ван-дер-Ваальса , основанные на электростатических зарядах ( силе Ван-дер-Ваальса ); капиллярные захваты; криогенные захваты, основанные на жидкой среде; ультразвуковые захваты; лазерные захваты, причём последние два принципа относятся к бесконтактному захвату.

• В электростатических захватах используется разность зарядов между захватом и деталью (электростатическая сила), часто активируемая самим захватом.
• В ван-дер-ваальсовых захватах используется малая сила (всё ещё электростатическая) 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, и образующийся лёд создаёт необходимое усилие для подъёма и захвата объекта (этот принцип используется также при работе с пищевыми продуктами и при захвате текстиля).
• В ультразвуковых захватах стоячие волны давления используются для подъёма детали и её удержания на определённом уровне (пример левитации как на микроуровне, при обработке винтов и прокладок, так и на макроуровне, при обработке солнечных элементов или кремниевых пластин).
• Лазерные захваты создают давление, достаточное для захвата и перемещения микродеталей в жидкой среде (в основном в клетках ). Этот тип известен и как « лазерный пинцет ».

Особую категорию фрикционных/челюстных захватов составляют игольчатые захваты. Это так называемые интрузивные захваты, использующие как трение, так и замыкание формы, как и стандартные механические захваты. Механические захваты в зависимости от выполняемых задач могут состоять из двух, трёх и даже пяти пальцев.

Захватный механизм

Распространённой формой роботизированного захвата является принудительное (силовое) замыкание . Как правило, захват осуществляется механическими пальцами или аналогичными элементами. Двухпальцевые захваты, как правило, используются в промышленных роботах , выполняющих специфические задачи в менее сложных операциях.

Два типа механизмов, используемых в двухпальцевых захватах, учитывают форму захватываемой поверхности и силу, необходимую для захвата объекта. Форма поверхности захвата пальцев может быть выбрана в зависимости от формы объектов манипулирования. Например, у робота, поднимающего круглые предметы, форма поверхности захвата может представлять собой вогнутый отпечаток предмета. Для квадратной формы поверхность может быть плоской .

Уровни силы

Хотя на тело, поднимаемое роботизированным манипулятором, действует множество сил, основной из них является сила трения . Поверхность захвата может быть выполнена из мягкого материала с высоким коэффициентом трения, чтобы не повредить поверхность объекта. Роботизированный захват должен выдерживать не только вес объекта, но и ускорение , а также движение, возникающее при частом перемещении объекта.

Для определения силы, необходимой для захвата объекта, используется следующая формула

где:

${\displaystyle \,F}$	это	сила, необходимая для захвата объекта,
${\displaystyle \,m}$	это	масса объекта,
${\displaystyle \,a}$	это	ускорение объекта,
${\displaystyle \,\mu }$	это	коэффициент трения,
${\displaystyle \,n}$	это	количество пальцев в захвате.

Более полное уравнение учитывает направление движения. Например, при движении тела вверх, против силы гравитации , требуемая сила будет больше, чем в направлении силы гравитации.

Следовательно, вводится ещё один член, и формула приобретает вид:

Здесь значение ${\displaystyle \,g}$ следует принять за ускорение, обусловленное силой тяжести , а ${\displaystyle \,a}$ — ускорение, обусловленное движением.

Для многих физически интерактивных манипуляционных задач, таких как письмо или работа с отвёрткой, могут быть применены критерии, связанные с непосредственным выполнением задачи. Они позволяют выбрать захваты, которые наиболее полно соответствуют конкретным требованиям .

Инструменты

Концевые эффекторы-инструменты используются для выполнения конкретных действий — точечной сварки , окрашивания и других. Они нужны для автоматизации процессов, работы с условиях, опасных для человека, а также для операций требующих высокой точности и стабильности.

У роботов на сборочной линии инструментальными концевыми эффекторами, как правило, являются сварочная головка или краскопульт . Другими возможными конечными эффекторами могут стать дрель , фреза , режущий или шлифовальный инструмент, дозатор для клея, герметика или смазочных материалов. Также дозаторы применяют в 3D-печати .

Рабочим органом хирургического робота может быть скальпель или другой инструмент, нужный для операции.

В концевом эффекторе роботизированной руки космического корабля используется схема из тросов, которые, подобно диафрагме камеры, смыкаются вокруг рукоятки или другой точки захвата .

Датчики

Датчики могут быть как инструментов выполнения основной функции робота, в том случае если его задача — сбор информации. Или же датчики в качестве концевого эффектора могут быть элементом системы управления роботом, помогая ему собрать информацию об окружающей среде, включая положение и ориентацию объектов вокруг него и самого робота. Это помогает автоматизированной системе решить, как взаимодействовать с пространством вокруг.

Некоторые из наиболее распространённых видов датчиков:

• Датчики приближения используют для обнаружения объектов вблизи концевого эффектора. В зависимости от типа эти датчики могут обнаруживать различные цели, от металла и пластика до жидкостей.
• Датчики силы/ крутящего момента измеряют соответствующие параметры, приложенные к роботу или к объектам взаимодействия. Эти датчики часто применяют для измерения силы, необходимой для захвата или перемещения объекта.
• Датчики технического зрения используют камеры и другие технологии обработки изображений , обеспечивая визуальную обратную связь о положении, ориентации и движении конечного эффектора и объектами взаимодействия. Эти датчики часто применяют в операциях, требующих точного позиционирования и манипуляций. Кроме того, камеры также используют для распознавания объектов, отслеживания, навигации и обхода препятствий.
• Датчики света используют для обеспечения обратной связи о положении объектов в условиях низкой освещённости.
• Магнитные датчики или датчики Холла используют для обнаружения магнитных полей . Они определяют положение и ориентацию объектов, содержащих магниты .
• Датчики дальности используют для измерения расстояния между концевым эффектором робота и объектами рядом с ним.

Приводы концевых эффекторов

Преимущества и недостатки типов приводов эффекторов различаются в зависимости от энергопотребления, размера, сложности, веса и требований конкретного проекта. Выбор подходящего EOAT обычно зависит от потребностей пользователя и компетентности интегратора. Механические и электрические приводы — сбалансированные системы без ярко выраженных особенностей.

Пневматические рабочие органы оптимально подходят для упаковочной промышленности благодаря соотношению веса к мощности. По сравнению с электрическими эффекторами их установка относительно проста, а компоненты легко найти. Пневматические эффекторы способны прикладывать значительные усилия на высоких скоростях при небольших габаритах устройства. Однако пневматический привод обеспечивают меньший контроль над силой захвата и меньшую гибкость по сравнению с электрическим EOAT. Кроме того, на их популярность повлияло внесение в расчёты рентабельности стоимость необходимого в работе сжатого воздуха (воздушных компрессоров ).

Гидравлический привод работает быстро и точно, способен создавать очень высокое усилие сжатие и поддерживать высокую скорость работы. К существенным недостаткам можно отнести только опасность загрязнения при повреждении гидравлических линий, что может привести к порче эффектора, манипулятора или всего робота. Кроме того, гидравлическим EOAT требуются компрессоры для подачи жидкости .

Конечные эффекторы роботизированного соответствия требованиям силы (RFCEE)

Конечные эффекторы роботизированного соответствия требованиям силы позволяют роботам прикладывать силу к объекту в необходимом объёме, распознавать сопротивление или реакцию объекта на приложенную силу и соответствующим образом корректировать работу.

RFCEE обычно используются в задачах, где роботам необходимо взаимодействовать с объектами, которые не зафиксированы жёстко на месте и в тех случаях, когда есть неопределённость относительно местоположения или ориентации объекта. RFCEE помогут при роботу захватить и позиционировать деталь с большей точностью и аккуратностью, даже при небольшом смещении детали или недостаточно точной калибровке .

Соответствие требованиям силы может быть достигнуто различными средствами. Например, использованием пружин , гидравлических или пневматических систем.

RFCEE снижают риск повреждения манипулируемого объекта или даже самого робота, а также улучшают общую производительность при работе в сложных динамичных средах, обеспечивая более естественное и интуитивное взаимодействие с окружающей средой .

Активная и пассивная технологии

Активная совместимая технология (ACT) использует датчики и системы управления для активной адаптации к изменениям в окружающей среде или выполняемой задаче, обеспечивая большую гибкость, адаптируемость и универсальность.

Концевые эффекторы ACT обеспечивают заданный уровень жёсткости или податливости. Уровень жёсткости можно регулировать с учётом размера и веса объекта манипуляций, или желаемый уровень точности и аккуратности, чтобы обеспечить оптимальное взаимодействие с окружающей средой.

Концевые эффекторы ACT позволяют взаимодействовать с деликатными или хрупкими объектами осторожнее и точнее, чем при использовании других рабочих органов. Также их можно использовать в задачах с неизвестными параметрами местоположения или ориентации манипулируемого объекта.

Активная совместимая технология может быть особенно полезна в задачах, требующих сочетания жёстких и податливых движений. Например, роботу, выполняющему задачу по сборке, может потребоваться сначала позиционировать деталь с высокой степенью точности, а затем аккуратно прижать на выбранном месте.

Пассивная технология — использование для концевых эффекторов материалов и конструкций, обеспечивающих определённый уровень гибкости или податливости. Это позволяет адаптироваться им под изменения в окружающей среде или задаче без дополнительного контроля.

Податливость могут обеспечивать, например, пружины, резина или гибкие материалы. Эти материалы или конструкции поглощают воздействующие силы и равномерно их распределяют, снижая риск повреждения манипулируемого объекта или самого робота.

Пассивные концевые эффекторы, как правило, проще и экономичнее, чем использование активной совместимой технологии. Они также, как правило, более надёжны и требуют меньшего обслуживания из-за отсутствия электронных компонентов или датчиков.

Пассивная система особенно полезна при последовательном и предсказуемом характере необходимого уровня соответствия и в этом случае может позволить обойтись без использования датчиков или систем управления. Например, при упаковке или укладке на поддоны , где уровень силы при захвате и позиционировании объектов задан заранее .

Рынок концевых эффекторов

Весь рынок автоматизации быстро растёт, в том числе и сегмент концевых эффекторов. В 2023 году объём рынка EOAT оценили в $4.49 млрд, а к 2028 году он достигнет, по ожиданиям, $8.61 млрд. Среднегодовой темп роста в течение прогнозируемого периода составит 13.93%. Самый быстрорастущий и одновременно самый большой рынок — Азиатско-Тихоокеанский регион .

Однако, в США запущен ряд правительственных инициатив, направленных на усиление внедрения робототехники. Например, Федеральное правительство США реализует программу «Национальная инициатива по робототехнике (NRI)», направленную на расширение возможностей создания домашних роботов в стране и поощрение исследовательской деятельности в этой области.

Ещё в феврале 2021 года Национальный научный фонд (NSF) выпустил новую инициативу NRI-3.0. NRI-3.0 поддерживается несколькими агентствами федерального правительства, включая NSF, Министерство сельского хозяйства США (USDA), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Министерство транспорта (DOT), Национальные институты здравоохранения США (NIH) и Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) .

Примечания