手臂末端工具，或EOAT，是指机器人系统中直接与系统设计要移动、改变、抓取或以其他方式影响的产品交互的组件。EOAT通常位于机械臂的末端，典型的功能包括拾取和放置操作、焊接、保持设备和力传感器等。

 

随着自动化设备在大型制造业务中几乎无处不在，对高质量、定制设计的EOAT的需求也在增长。EOAT通常充当大规模生产的机器人系统和制造商独特的产品或工作流程之间的定制中介。

 

这种定制组件使3D打印成为创建臂端工具的理想选择。具体来说，立体光刻（SLA） 3D打印的材料多功能性以及选择性激光烧结（SLS） 3D打印的耐用性和强度使它们能够很好地创建用于工业制造场景的用途EOAT。

 

EOAT的类型和应用

模内标签（IML）装饰臂端工具（EOAT）。图片由机器人自动化解决方案提供。

EOAT通常分为三个主要类别：自动化、过程和检查或验证。在这些类别中，强大、耐用的EOAT可以成为制造商效率、生产力和盈利能力的主要驱动力。

自动化EOAT	过程EOAT	检验和验证EOAT
叨纸牙	焊接（焊枪端）	愿景

EOAT的具体设计和复杂性取决于它需要执行的应用程序，它所连接的机器人类型，以及它执行动作的物品的形状、重量、体积和数量。

 

例如，如果包裹又重又硬，那么将包裹从传送带末端移动到叉车桶中的拾取机器人可能会使用强大的可伸缩“爪”式EOAT。对于装有衬垫的信封里的一个小而轻的包裹，同样的拾取机器人可能会使用带有吸盘和加压空气的臂端工具轻轻地捡起信封，然后将其放入桶中。

真空吸盘系统的末端工具，用于拾取一个20磅，96加仑的废物容器使用四个吸盘。图片由机器人自动化解决方案提供。

真空吸盘系统臂端工具由40个定制的吸盘安装到水平补偿器。图片由机器人自动化解决方案提供。

 

虽然有许多不同的可能类型的臂端工具，但良好性能所需的特征通常是相同的-高度精准的测量，可以保持公差并成功地集成到机器人系统中，重量轻，这样机器人系统不必分配太多的功率和力给工具而不是对象，强度，这样重复的动作不会磨损工具并导致破损。

 

机器人系统需要动力，有时EOAT需要自己的电源，这样它才能独立于更大的机器人系统运动。这可以通过电动或气动、液压或通过这些方法的组合来完成。电动EOAT通常用于更轻、更精细的作业，而液压或气动EOAT则用于更重的工业应用，如自动化行业。

 

推动EOAT创新的趋势

3 d打印技术

这个由Etienne Lacroix设计和SLS 3D打印的臂端模具板优化了其轻量化强度的几何形状。

3D打印是一种理想的技术，可以为像这样的汽车机器人系统创建定制的臂端工具组件，通过称为研磨的过程使零件表面光滑。

 

3D打印行业发展迅速，与自动化和机器人行业同步发展。这两种技术相辅相成，相互支持，3D打印正越来越多地被用作制造强大、定制、轻量化的EOAT的方法。3D打印是创建EOAT的理想选择，因为它在需要按需更换零件或定制增强功能的应用中表现出色。

 

随着SLS和MJF等更耐用的技术的普及，3D打印机本身也变得更适合满足这些要求，而且随着材料科学的进步，尼龙、聚丙烯或TPU等材料也可以3D打印成复杂的定制形状。

 

也许机器人系统在工业规模上应用，汽车工业，也支持3D打印，这两种技术经常在汽车制造和装配应用中一起部署。3D打印可以帮助制造商为每个新品牌、新型号或新一代汽车重新配置价值数百万美元的机器人系统，从而避免了昂贵的金属工具或CNC加工的需要。

 

3D打印EOAT的主要原因

当一个企业需要更换一个末端工具时，他们需要立即更换，因为在所有可能的情况下，缺乏合适的工具会导致生产停止并花费他们的钱。3D打印，特别是易于访问的内部解决方案，如Formlabs Form SLA系列或Fuse SLS系列，是这些场景中的制造方法。速度，材料的通用性以及构建体积和几何形状的范围使企业可以轻松地为其损坏或磨损的EOAT组件设计1:1的替代品，3D打印，并在数小时内进行更换。

 

为了通过微调和定制附加组件来提高功能或生产力，增强手臂末端工具和机器人系统，3D打印也表现出色。软3D打印材料，如Formlabs的SLS TPU 90A粉末或SLA硅酮40A树脂，在制造软夹持器或夹持器覆盖物时很有用，可以减少在取放或工作保持操作过程中对物体的损坏。其他增强功能可能是保护机器人本身免受损坏和磨损。Formlabs的客户斯特兰提斯（Stellantis）打印了小笼子，以保护喷漆机器人上的软管免受过度摩擦。这个小零件需要很高的尺寸精度和强度，并被改装到喷漆机器人上，使3D打印成为减少车间成本和更换的理想解决方案。

 

3D打印EOAT的好处

像ARMA这样的3D打印EOAT抓手可以通过去除侧面的材料作为晶格图案的一部分来优化几何结构，从而实现轻量化强度。

 

3D打印臂端工具为制造辅助，快速工具或用途部件提供类似3D打印的好处，但具有制造轻量级设计的重要的附加能力。

 

1.轻量级的设计

 

2.敏捷性和响应性

 

3.定制、设计复杂性

 

4.成本效率

 

3D打印的EOAT可以很坚固，并且具有复杂的几何形状，在某些方向上针对强度和刚度进行了优化，而不会给工具本身增加不必要的重量或体积。此外，内部3D打印EOAT的能力大大提高了制造商的敏捷性和响应能力，并帮助他们避免了外包零件的长交付周期或从机器人系统的原始设备制造商那里获得替换。在定制方面，某些EOAT的设计是为了使其能够便宜地成型或容易地加工，而不是为了功能和性能而设计。3D打印使得设计每个夹具，夹具，焊机，手臂，支架等成为可能，以合理方式完成它需要执行的工作。按需设计的好处是，制造商可以减少运营成本，避免昂贵的工具或加工过程，相反，他们可以根据需要在自己的工作空间中3D打印EOAT。

 

3D打印手臂末端工具的例子

海德堡是较大的胶印机制造商，尽管印刷机的概念听起来可能是历史悠久的，但海德堡制造胶印机的方法与汽车或航空航天工厂的制造方法一样现代。他们引入3D打印是为了通过减少成本和交货时间来优化原型设计和产品开发，但今天他们在批量生产中使用3D打印部件，并将其作为大型机器人系统的末端工具。

自回归滑动平均

在ARMA，日本制造商FITCo的机器人分公司。他为一系列行业的制造商开发机器人系统。他们利用3D打印来取代传统的金属EOAT，主要是抓手，用尼龙制成的3D打印EOAT并打印在Fuse系列上。

Tessy塑料

一种定制的螺丝刀配件工具用于从气动推接配件中移除橡胶管。SLS部件的强度允许在构思的几天内创建定制工具并在地板上使用。安装工具可以更容易地拆卸橡胶管，减少对配件的损坏，如果需要更换，每个配件的成本可能在20到30美元之间。

 

 

谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMRC）

谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMRC）的复合材料研究人员开发并打印了高度复杂的支架，以取代机器人磨损的压缩空气夹持器。网格设计和柔韧的SLA树脂提供了适量的弹性，以准确地挑选和放置碳纤维层。

拉克鲁瓦Etienne

Etienne Lacroix的塑料制造部门MPM公司使用Formlabs Fuse系列SLS 3D打印机来创建定制的轻质臂端工具（EOAT），该工具可以拾取加热的金属插入件。一个有32个下颚的机器人通过光纤控制这些部件。抓手是3D打印的保险丝系列和尼龙12粉末。

 

传感器创新及其对EOAT的影响

传感器技术的进步使复杂的类人机器人系统成为可能，这些系统可以通过接触、光敏电阻、声音等进行感知和反应。

 

成功集成臂端工具的另一个关键的组件是传感器系统。毕竟，如果机器人不能通过传感系统“看到”一个部件，它就不能拿起、焊接、抓握、清洁或以其他方式影响它。但传感器不仅仅是测量和传输视觉数据，传感器系统还可以收集各种信息，如可见光、声音、温度、接触和接近程度、红外线等等。

 

每种类型的传感器都受益于技术进步，使它们更强大、更精准、更一致。太阳能领域的进步和光伏电池的可靠性提高了机器人太阳能系统中使用的光传感器。接触传感器对于臂端加工功能很重要，因为它们测量物体和EOAT组件之间的速度、位置、加速度、扭矩或力的变化。近距离传感器采用磁场测量技术。为了正确执行功能，机器人系统可能需要使用所有或大部分这些传感器类型，并且很多时候，它接收到的大部分数据都是通过臂端工具组件收集或传输的。有时，EOAT的功能是充当传感器本身，并将该信息传回主系统。

 

人工智能（AI）和手臂末端工具

人工智能（AI）使自动化和机器人系统更加多产。末端工具既可以收集数据输入人工智能系统，也可以根据系统的命令执行操作。EOAT集成到机器人中并与物体交互的精度和可靠性越高，它提供给系统的数据质量就越高。

 

随着人工智能变得越来越复杂，它可以为机器人系统（以及作为这些机器人系统一部分的EOAT）创造更复杂和精准的要求。为了应对日益增加的复杂性，有必要考虑EOAT组件的尺寸精度以及执行器的平稳运行、强度、可靠性、抗蠕变性和摩擦系数。

 

EOAT设计：如何用3D打印更快地设计

3D打印使设计和制造末端执行器更容易，并实现更复杂，优化的解决方案。3D打印的EOAT可以提高效率和生产力，甚至可以加快设计过程。

 

三种主要类型的3D打印机是熔融沉积建模（FDM），立体光刻（SLA）和选择性激光烧结（SLS）。每种技术都可用于创建强大的、定制的和有效的终端工具，尽管每种技术都有其独特的优势，使其更适合某些应用程序。

 

FDM 3D打印机擅长生产快速，廉价的零件，是理想的建模和原型设计。为了制作臂端工具的模型来验证测量或工作流程，FDM是一个很好的选择，它提供了ABS等行业熟悉的材料，因此可以进行有限元分析。然而，FDM 3D打印机一层一层地挤出长丝，在Z方向层与层之间产生微小的气穴——当向该方向施加力时，这可能导致分层，并可能使FDM EOAT组件在某些情况下不适合。

 

SLA 3D打印机通过加热或光照，一层一层地固化所需形状的液体树脂层来创建零件。与FDM 3D打印机不同，固化过程产生各向同性部件，因此SLA 3D打印的EOAT可以承受多向应力。SLA 3D打印机有一系列的构建量和价格点。低成本桌面树脂打印机的价格为200美元至1000美元，而选项从2,500美元到10,000美元不等，并且构建量适合绝大多数臂端工具组件。

 

SLS 3D打印机越来越多地应用于3D打印EOAT的制造环境中。SLS 3D打印部件的强度和尼龙（常见的SLS材料）的材料特性简化了SLS 3D打印EOAT与现有机器人系统的集成。此外，像Formlabs的TPU 90A粉末这样的弹性体材料是生产定制的、几何形状复杂的软夹持器的理想选择，这是3D打印EOAT的应用之一。

	熔融沉积建模（FDM）	有限元(SLA)	选择性激光烧结（SLS）
决议	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆
精度	★★★★☆	★★★★★	★★★★★
表面光洁度	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆
吞吐量	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
复杂的设计	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
易用性	★★★★★	★★★★★	★★★★☆
优点	低成本消费机器和材料	很大的价值	强大的功能部件
缺点	有限的设计自由度	有些材料不适合长时间暴露在紫外线下	有限的材料选择
应用程序	生产艾滋病	模型和道具	采购产品医疗设备，假肢和矫形器
打印卷	高达300 x 300 x 600 mm（桌面和台式3D打印机）	高达353 x 196 x 350 mm（桌面和台式3D打印机）	高达165 x 165 x 300 mm（台式工业3D打印机）
材料	标准热塑性塑料，如ABS、PLA及其各种共混物。	树脂（热固性塑料）品种。标准，工程（类abs，类pp，柔性，耐热，硬质玻璃填充），铸造，牙科和医疗（生物相容性）。纯硅胶和陶瓷。	工程热塑性塑料。尼龙12，尼龙11，玻璃或碳填充尼龙复合材料，聚丙烯，TPU（弹性体）。
培训	对生产设置，机器操作和整理进行培训；适当的维修培训。	即插即用。对机器的安装，维护，操作和整理进行培训。	适当的安装，维护，机器操作和整理方面的培训。
设备需求	空调环境为台式机器定制通风。	台式和台式机器适用于办公环境。	车间环境，对工作台系统的空间要求适中。
辅助设备	可溶支架机器的支架移除系统（可选自动化），精加工工具。	清洗工位和后固化工位（均可自动化），精加工工具。	粉末管理和零件清洗的后处理站。
设备成本	预算FDM打印机和3D打印机套件的起价约为200美元。桌面FDM打印机的价格从2000美元到8000美元不等，工业系统的价格从15000美元起。	低成本树脂3D打印机的价格在200美元到1000美元之间，SLA 3D打印机的价格在2500美元到10000美元之间，而大幅面树脂3D打印机的价格在5000美元到25000美元之间。	台式工业SLS 3D打印机的起价不到30,000美元，整个生态系统的起价为60,000美元，包括粉末管理和清洁站。传统的工业SLS打印机起价在20万美元左右。
材料成本	大多数标准长丝为50- 150美元/公斤，支撑材料或工程长丝为100- 200美元/公斤。	大多数标准和工程树脂的价格为100- 200美元/升，生物相容性材料的价格为200- 500美元/升。	尼龙每公斤100美元。SLS不需要支撑结构，未熔化的粉末可以重复使用，减少了材料成本。
劳动力需求	手动支架拆卸（可大部分自动化的工业系统与可溶性支架）。长时间的后处理需要高质量的完成。	洗涤和后固化（两者都可以自动化）。简单的后处理，以删除支持标记。	简单和半自动化的工作流程清洗零件和回收粉末。

 

一步一步的指南设计和3D打印EOAT

确定需要改进的地方：例如，可以改变角度的油漆软管或焊接炬，需要更灵活的夹具，可以优化轻量化强度的重型部件，等等。

通过逆向工程将现有工具设计数字化，以转移到数字库存，或识别工具需求并设计新文件。

 

利用设计过程，在可能的情况下增加或减少材料/重量

利用您现有的文件，并通过生成设计、镂空或创建晶格形状来尽可能地删除权重。

SLA和SLS 3D打印机虽然不比金属薄，但无需额外加工即可实现更复杂的形状和更光滑的表面，从而提高性能并减少成本。

通过增加经历磨损或频繁摩擦的表面的重量来保护您的部件。

结合不同的装配组件，提高效率，通过活铰链，扣配合接头，和复杂的几何形状。

 

考虑模块化和人体工程学，便于安装和拆卸。手柄、轮廓或螺纹等功能可以使安装和更换更快、更容易。

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将你的设计导出到3D打印软件中，比如Formlabs的Preform，然后选择一种材料。

考虑材料要求，如重量，压力源，抗冲击性，抗紫外线性，化学暴露等。比较材料性能并评估SLA树脂和SLS粉末在您的应用中的实用性。

将您的部件发送到打印机，后处理，并安装您的EOAT组件。

 

3D打印臂端工具

EOAT对于制造系统效率、安全地操作机器人工作流程至关重要。与人工智能等其他先进技术以及视觉和传感技术的改进相结合，3D打印正在塑造自动化的未来。

 

机器人正变得越来越强大和复杂，需要定制的先进工具来匹配它们在效率上的进步。传统的EOAT由金属或注塑塑料制成，可能很重、很麻烦，或者设计简单，导致机器人系统效率低下和不必要的重量。

 

3D打印提供了制造臂端工具的传统方法的替代方案。3D打印的EOAT可以在不增加重量的情况下进行强度优化，它可以按需快速生产，从而提高灵活性并减少停机时间，并且可以迭代进行工艺改进和升级，而不会增加制造商的高工具成本。