小型機器人的智慧夾持器

為小型精密設備提供合適的馬達絕非易事。

隨著協作機器人的發展和普及，對於各種抓手和末端執行器的需求也逐漸增加。其中一種特別具有挑戰性的應用是小型零件的自動化量測。這類設備必須能夠提供解析精度低至 2.5 微米的超精密定位功能，才得以連續用於自動化應用中的決策軟體。這也是 New Scale Technologies 公司的 New Scale Robotics（NSR）部門決定設計和製造他們最新的一款夾持器的原因。

精密並聯夾持器 NSR-PG-10-20 專為最小型協作機器人打造，是一套機電整合系統，將馬達、感應器、精密軸承導件、驅動模組和控制電子設備，以及內建自動化韌體整合至一臺設備中。在設計過程中，NSR 決定夾持器必須具有隨插即用整合機制，以便能在幾分鐘的時間內就可安裝到 Universal Robotics (UR) 的小型協作機器人系列上。NSR-PG-10-20 體型和質量極小，卻能為使用者帶來最高精度。所有功率和控制電路都經由機器人工具連接埠和滑環來定位，因此不需使用外部纜線或電路板。安裝夾持器時，只需將夾持器裝到 UR 機器人工具法蘭上，再將單條纜線接到 UR 工具 I/O 連接埠。運動指令經由機器人的 8 接腳工具 I/O 介面傳送至夾持器。不需使用任何外部纜線或獨立的電子裝置，因此 UR 機器人手腕可以 360 度自由無限旋轉，完全沒有纜線的牽絆。

NSR-PG-10-20 精密並聯夾持器採用 maxon EC-20 Flat 盤式馬達執行高精度作業

精密並聯夾持器內部採用一個專用於自動化度量衡應用的絕對位置感應器，能夠精準執行複雜精細的小型零件搬運、測量、分類和組裝置等任務。夾持器必須能夠在長壽命週期之內不斷地重複快速精準的動作。

精密運動控制

在設計過程中，NSR 深入研究了他們的精密並聯夾持器需求，最後選擇了由 maxon 設計和製造的 EC-20 Flat 無刷 DC 馬達（BLDC）。這顆馬達可提供多達五種繞組類型以及內建式編碼器。除了有多個功率輸出之外，還具有穩定度高且運行安靜等特性。選擇此款馬達的主要原因在於其僅 15 公克的超低質量，以及可連續輸出 3.75 mN-m 的高轉矩。馬達所帶來的完美轉矩質量比，使得 NSR-PG-10-20 在使用適當減速比 16:1 的同時能夠達到 10 ±3 N 的夾持力。夾持器裡採用一個 20 mm 對稱正時皮帶驅動模組。此外，工作電壓、電流和轉矩都與機器人內部電源相配。

BLDC 旋轉馬達驅動減速正時皮帶，將旋轉運動轉換為直線運動。一個獨立的角度感應器用來測量馬達軸角度，獨立的數位電子裝置則用來產生運行所需的三相驅動電流。這個機制提供夾持器在抓取和鬆開小型零件時必須用來開闔雙指的線性運動。視應用的具體需求，夾指可以由零件內部或外部進行夾取。透過上述的內建感應器，夾持器的線性零件量測解析度為 2.5 微米。夾持器的開闔速率為每秒 20 mm，開闔範圍則是 20 mm。

根據 NSR 執行長 David Henderson 表示：「在設計方面，最棘手的是必須維持夾持器的小尺寸、高度和低重量，同時還要具有閉環位置和快速等特性。另一個挑戰則是必須找到低功率和低電流的馬達，作為機器人的內部電源。」maxon EC-20 Flat 盤式馬達讓 NSR 找到所需平衡點——為客戶提供最需要的產品，同時仍然易於安裝和操作。機械整合是最簡單的部分。公司使用一顆沒有角度感應器的 EC-20 Flat，並以他們自己的角度感應器來執行換向。「在未來，我們希望擴大我們的產品範圍，其中將包括具有更高夾力的夾持器——亦即相對更大的重量和功率馬達，以及更大的抓取範圍，還有內建的力感應器，以改善力的控制。」Henderson 先生說道。

maxon EC-20 Flat 盤式馬達尺寸非常小，卻能提供最符合 NSR-GP-10-20 精密並聯夾持器需求的轉矩

夾持器配備了可更換的夾指。NSR-PG 出廠時已安裝夾指，使用者收到後可以立即開始工作。若使用於 Universal Robotics 的 UR3、UR5、UR10 機器人和公司的 UR3e、UR5e 和 UR10e 等最新 eSeries 系列機器人，還可以教導夾持器的夾指位置。手動將夾指移動到所需位置，然後用教導器加以設定——任何曾經使用過 UR 機器人教導模式的人都很熟悉這個程序。位置重複精度達 0.01 mm。使用者可以根據工件尺寸來設定夾指的開闔位置，藉此儘可能減小夾指的運動（行程），進而節省時間和能源。整體來說，NSR-PG-10-20 讓使用者能夠將重複性且勞力密集的量測與品管工作自動化，因此也使得 UR 協作機器人成為計量應用的有力工具。

為這類特殊應用尋找合適的馬達非常艱難。能夠取得如此小型但卻包含最新科技的馬達，讓 NSR 順利滿足客戶的需求。在設計與製造方面，maxon 的 EC-20 Flat 盤式馬達是 NSR-PG-10-20 精密並聯夾取器的關鍵組件。

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