1 前言

负责任地处理报废产品包括再利用、回收或再制造产品或部件。这些工艺在环境和经济上都是有益的。最大限度地减少浪费，同时回收有价值的组件和材料。拆解是报废处理过程的主要步骤之一，涉及从产品中提取和分离所需的碎片、零件或材料。拆解有助于处理废弃产品，并使产品的维修和维护成为可能。拆卸过程看起来要复杂得多。这是冰箱的一般拆卸，特别是其垫圈的拆除(图1)。必须考虑具有高度可变性的各种因素，主要包括制冷机的特性、磁性垫片的特性以及其提取步骤本身的顺序。机械和化学因素都会影响密封垫在门上的附着。此外，也没有标准垫片侧写。它们所具有的簧片、它们如何密封到门上以及它们由于环境条件(例如湿度)而产生的硬度都是需要考虑的方面。初步测试表明，磁性垫片拆除过程由一组拉起和切割操作组成，这些操作可以重复几次，直到轻松拆除垫片。然而，只有机器人-人类协作方法才能处理冰箱/门垫圈。

再制造，特别是拆卸中，由于人类在处理EOL产品的特性和高度可变性方面的优势(如感知、敏捷性和智能)，传统劳动力上比自动化更受青睐。人类和机器人可以以不同的方式一起工作。他们可以通过安全装置分开工作，或在同一环境中没有互动(共存)。此外，他们可以在同一工作空间但在不同的时间(同步)，在不同的任务(合作)或同时在同一任务(协作)。复杂任务的流程可以依靠人类，而更繁琐和危险的流程可以由机器人来完成。然而，协作HRI要求遵守以下安全标准:ISO/TS 15066:2016标准规定了如何设计、编程、操作和维护协作工业机器人系统，ISO 10218-1和ISO 10218-2规定了一般工业机器人的安全要求。特别是，ISO 10218-2标准描述了末端执行器的要求(机械臂末端的工具)以及与其操作相关的可能危险。

在拆卸任务中，手爪是最常见的末端执行器，是安装在协作机器人末端的元件，也是与物体交互的元件。在工业中，抓具的可能应用中，抓取是最常见的任务之一，但在抓取产品时，也可以集成刀片或剪刀进行切割。

通常，夹持器由三部分组成:机械结构、致动器和传感器。促动器分为两大类:外部促动或通过影响机械结构的结构材料促动。外部致动器通常会产生相对较高的力，并且需要与工作环境接触的机械结构。该组中有带气动或液压致动器和电动致动器的夹具，带或不带电缆驱动的钢筋束。

夹持器也可以根据材料进行分类，定义为硬夹持器或软夹持器。硬夹持器实现高速度和力，具有有限的自由度(DoF)和适应性。它们需要很高的精度，并且它们的重量和成本都很高。虽然柔性抓取器由具有可变属性的柔性和弹性材料制成，具有更高的自由度，但是它们可以在未知环境中操作。它们的重量和成本很低，并且它们具有高水平的生物灵感。但是，它们不能承受很高的精度，也不能达到很高的速度或力。

机器人手爪的轻质设计对于改善动态性能和提高有效载荷效率具有战略意义。减轻质量可以通过以下几种方法实现，最常用的方法是:

(1)用轻质复合材料代替传统材料;

(2)设计复杂的几何形状;

(3)将轻质材料与先进设计相结合。

机械工程师高度赞赏聚合物基复合材料的高比刚度和强度、振动阻尼能力和耐腐蚀性等。轻质设计可有效利用材料，以最少的结构冗余材料实现预期功能。对于没有直接可用先例的复杂设计场景来说，挑战尤其严峻，因为解决方案对于单纯的直觉和传统设计技术来说变得过于复杂。

生成式设计，尤其是拓扑优化算法，可以通过识别设计空间中机械贡献最小的体积，并在迭代过程中删除它们，直到实现负载兼容设计，从而解决这些复杂问题。拓扑优化已被用于设计软抓手，而不是高强度抓手。拓扑优化的设计概念通常与传统制造方法不兼容，但可能适用于添加制造(AM)。通常是添加制造名为3D打印，最近对高度复杂的夹具产生了兴趣，这种夹具可以按需定制和制造。关于制造所用的材料，3D打印夹具非增强塑料，如PLA、ABS、PA和TPU已被广泛使用，但工程塑料复合材料，如碳纤维增强PA，尚未开发。

本论文的范围是设计和验证一种新的抓取夹具概念，使用创成式设计方法获得非直观设计，并使用碳纤维增强塑料进行添加制造。不同的拆卸参数，如拉动速度和垫圈长度，被确定为机器人/人协作环境的关键参数。切割和其他与安全相关的问题超出了本文的范围，它们将在未来的工作中进行研究。

2 方法学

2.1手爪设计和制造

该项目的主要目标是开发一种用于协同拆卸冰箱门垫圈的夹具的创成式设计。为舒克PWG-60角运动气动执行器设计了两个手指来完成目标，这两个手指被装配到库卡LBR IIWA 14机器人上。传统的夹具移动两个指状物，但是在当前的情况下，一个指状物保持固定在其位置上，该指状物用作导向件，第二个指状物进行角度运动以夹紧垫圈。

每个手指都采用拓扑优化软件单独设计，以最小化质量，最大化刚度，同时保持安全系数。这个设计过程包括几个操作和分析，直到实现满足每个应用中要求的限制的合适模型。在这种情况下，从SolidWorks中设计的基本模型开始，Altair Inspire被用于优化零件。Inspire以密度法为基础，用罚函数法(SIMP)解决基于固体各向同性材料的优化问题。SIMP方法预测了给定载荷情况、边界条件、制造约束和性能要求的给定设计空间内的最佳材料分布。设计手指时考虑了两种载荷:

(1) 垫片接触点处的垂直载荷(140 N)代表拆卸力;

(2) 夹紧力。根据[16]，必要的抓力必须是工件重量的10至20倍。考虑到建议的抓握力因子和手指的接触面积，已经定义了垂直于与物体的接触面积的1.4 MPa的压力。

熔融细丝制造(FFF)技术已经用于手指的制造。添加制造机器是Markforged Mark Two打印机，材料是用碳微纤维增强的商用Onyx聚酰胺。这种微碳填充尼龙为印刷部件提供了高强度、韧性和耐化学性。材料供应商确定Onyx的打印参数，工艺工程包括选择最佳构建方向，以最大限度地减少支撑量并缩短3D打印时间。使用的切片软件是Eiger。手指末端添加了软套，以确保有效抓握，印在提高3D Pro2双挤出机3D打印机。为此，使用了Ninjatek Cheetah TPU柔性灯丝。

2.2用万能试验机进行离线拆卸试验

离线拆卸试验是用配备有50 kN测力传感器的Hyton万能试验机进行的。测试试验在室温下进行，但有两个变量，抽取速度(50、75、100和200毫米/分钟)和垫圈长度(30、60和90毫米)。已经记录了每个速度/垫片长度组合的载荷-位移曲线。

2.3机器人负载校准

机器人负载传感器记录的信号已经使用从1n到140 N的静态负载进行了校准，从最低重量开始，逐渐增加已知质量的物体，直到最大负载。还记录了卸载顺序，以检查是否存在任何滞后现象。已经研究了两个相关的机械臂姿态，以描述工作空间的特征

结论是通过机器人获得的数据与万能试验机的数据是一致的。此外，必须考虑垫圈的夹紧面积，因为这个因素会影响测试结果。因此，在某些情况下，由于临界几何区域，已经获得了非典型值。

4 结论

结论是通过机器人获得的数据与万能试验机的数据是一致的。 此外，必须考虑垫圈的夹紧面积，因为这个因素会影响测试结果。 因此，在某些情况下，由于临界几何区域，已经获得了非典型值。一个新的概念，两指手爪拆卸冰箱门垫片的合作机器人已经开发和测试。 不是移动两个手指，而是一个固定以更好地定位机器人，第二个移动抓住垫圈。 拓扑的组合。