末端执行器

概述

末端执行器（End Effector）是机器人与环境交互的"手"，安装在机械臂末端或机器人本体上，负责抓取、操作、加工等任务。不同应用场景需要不同类型的末端执行器。

平行夹爪

工作原理

平行夹爪（Parallel Gripper）通过两个手指沿平行方向线性运动来夹持物体。

驱动方式

驱动方式	特点	典型应用
气动	速度快、力大、结构简单	工业产线
电动（丝杆）	力可控、精度高	协作机器人
电动（齿轮齿条）	速度快	通用场景

关键参数

开合行程：手指最大张开距离（如50mm/85mm/140mm）
夹持力：最大夹紧力（通常20-250N）
重复定位精度：手指位置重复性（<0.05mm）
自重：影响机械臂有效负载

夹持力计算

对于摩擦力夹持（最常见方式）：

\[ F_{grip} \geq \frac{m \cdot g \cdot n_{safety}}{2 \mu} \]

其中：

\(m\) — 工件质量
\(g\) — 重力加速度
\(\mu\) — 摩擦系数（橡胶~0.7，金属~0.2）
\(n_{safety}\) — 安全系数（通常2-3）

自适应夹爪

Robotiq 2F-85

Robotiq是协作机器人夹爪的标杆品牌：

参数	值
行程	85mm
夹持力	20-235N（可调）
闭合速度	20-150mm/s
重复精度	0.04mm
重量	0.9kg
通信	Modbus RTU / EtherNet/IP
特点	欠驱动自适应，手指可包络

自适应机制

自适应夹爪的手指由多个关节组成，通过欠驱动（underactuated）设计：

一个电机驱动多个关节
手指自动顺应物体形状
无需精确知道物体几何
可抓取不规则形状

直抓模式:          包络模式:
  ┃    ┃            ╲    ╱
  ┃ [] ┃            ╲ [] ╱
  ┃    ┃             ╲  ╱
──┛    ┗──         ───┛┗───

真空吸盘

原理

利用负压产生吸附力：

\[ F_{suction} = \Delta P \times A = (P_{atm} - P_{vacuum}) \times \frac{\pi d^2}{4} \]

其中 \(d\) 为吸盘直径，\(\Delta P\) 为压差（通常60-80kPa）。

真空产生方式

方式	原理	特点
文丘里管	压缩空气通过喉管产生负压	响应快、无电、需气源
电动真空泵	叶片泵或隔膜泵	独立工作、可调
真空发生器	多级文丘里	效率高

吸盘类型

类型	适用
扁平吸盘	光滑平面（玻璃、金属板）
波纹吸盘	曲面、不平整表面
海绵吸盘	粗糙或多孔表面
长椭圆吸盘	纸箱、袋装物品

应用

仓储物流：纸箱搬运
电子制造：PCB、芯片搬运
玻璃搬运：平板吸附

软体夹爪

气动软体夹爪

利用柔性材料（硅胶）在气压作用下变形来抓取物体：

正压驱动：充气膨胀，手指弯曲包裹物体
负压驱动（颗粒阻塞）：颗粒填充的柔性囊，抽真空后硬化定形

优势

天然顺应物体形状
不会损伤脆弱物体（如水果、食品）
无需针对不同物体更换夹爪
安全性高（人机交互友好）

局限

夹持力有限
响应速度较慢
精确控制困难
材料寿命（硅胶老化）

代表产品

产品	类型	特点
Soft Robotics mGrip	气动手指	食品级，多手指可配置
万能抓手（颗粒阻塞）	负压	适应任意形状
Festo FinGripper	仿生	模仿鱼鳍运动

清洁机构

扫地机器人等清洁机器人的核心执行器：

主刷（滚刷）

类型	结构	特点
毛刷滚筒	刷毛+V形排列	适合地毯，缠绕毛发
胶刷滚筒	橡胶叶片	适合硬地面，不缠毛发
双滚刷（对旋）	一毛一胶	兼顾两种地面

驱动方式：直流有刷电机 + 齿轮/皮带传动，转速约1000-2000rpm。

边刷

结构：3-5个刷臂，呈放射状
功能：将墙角和边缘的灰尘扫入主刷区域
驱动：小型直流电机，转速200-500rpm
数量：单边刷或双边刷

橡胶滚筒提取器

iRobot Roomba的AeroForce提取器设计：

两根无刷毛的橡胶滚筒反向旋转
产生气流将碎屑吸入集尘盒
不缠绕毛发，维护更方便
适合各种地面类型

吸力系统

\[ \text{吸力} = \Delta P \times A_{nozzle} \]

风机类型：直流无刷风机（高速，30000-100000rpm）
吸力等级：1000-5000Pa（家用扫地机器人）

工具快换装置

概述

工具快换（Tool Changer / Quick-Change）允许机器人自动更换不同末端执行器。

结构

机械臂法兰面
      │
  ┌───┴───┐
  │ 主盘   │ ← 固定在机械臂上
  │(Master)│
  ├───────┤
  │ 锁紧   │ ← 气动/电动锁紧机构
  │ 机构   │
  ├───────┤
  │ 从盘   │ ← 固定在工具上
  │(Tool)  │
  └───┬───┘
      │
  末端工具（夹爪/焊枪/吸盘等）

关键特性

特性	说明
重复精度	<0.025mm（精密级）
负载能力	取决于型号（5-500kg）
换刀时间	<1秒
通路	气路、电路、信号全部通过快换连接

典型品牌

ATI Industrial Automation：行业标准，QC系列
Schunk：SWS系列
Zimmer Group：多种规格

应用场景

焊接/切割/打磨多工序切换
多品种混线生产
研究平台测试不同末端

灵巧手

灵巧手（Dexterous Hand）模仿人手结构，具有多个手指和关节自由度。

扩展阅读

灵巧手的详细内容参见灵巧手

代表产品概览

产品	手指数	自由度	驱动方式	特点
Shadow Hand	5	24	气动肌腱	最接近人手
Allegro Hand	4	16	电机直驱	科研常用
LEAP Hand	4	16	舵机	开源低成本
Inspire Hand	5	6-12	电机+丝杆	国产商用