Chwytaki składają się z zespołu napędowego i końcówek chwytnych. Do typowego wyposażenia należą także czujniki położenia, które m.in. sygnalizują stan(otwarty/zamknięty), zbliżenie do obiektu czy nacisk końcówek chwytnych na obiekt. Można też zamontować na nich pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne, pozwalające np. eliminować niedokładności ustawienia końcówek i obiektu manipulacji.

Rodzaj i konstrukcja chwytaków są zależne od zastosowania i branży, w której będą wykorzystywane. Posiadają one napęd mechaniczny, pneumatyczny, hydrauliczny, elektromagnetyczny lub adhezyjny. Dzieli się je również ze względu na układ przeniesienia (nożycowe, szczypcowe, imadłowe, opasujące) i układ wykonawczy (dwuszczękowe, trójszczękowe, wieloszczękowe oraz chwytaki obrotowe). Końcówki chwytne dobiera się w zależności od potrzeb użytkownika. Chwytaki można montować zarówno na ramieniu robota, jak i na końcu łańcucha kinematycznego manipulatora (na tzw. kiści).

Dobierając chwytak, należy brać pod uwagę jego funkcjonalność, wagę i gabaryty, specyfikę aplikacji, typ detalu, którym będzie operować (kształt, materiał, rozmiar i rodzaj powierzchni). Wartość udźwigu robota musi być większa od sumy wagi zaprojektowanego chwytaka wraz z okablowaniem oraz wagi manipulowanego elementu. Przy projektowaniu należy brać pod uwagę także działanie sił zewnętrznych i przyspieszenia wynikającego z ruchu samego robota. Najczęściej w przypadku robotów o niewielkim udźwigu zamontowany jest jeden chwytak, który przenosi jeden element. W bardziej skomplikowanych zastosowaniach, w robotach o dużym udźwigu, na jednej głowicy montuje się kilka chwytaków, dzięki czemu można skrócić cykl roboczy manipulatora.

Technologiczny kamień milowy
Jednym z liderów w produkcji innowacyjnych systemów chwytakowych jest firma SCHUNK. Jej rozwiązania zdobyły już wiele nagród, w tym w 2017 r. jedną z najbardziej prestiżowych na świecie – Hermes, przyznawaną podczas targów Hannover Messe. Nagrodzono chwytak współpracujący JL1, który jest inteligentnym, modułowym, samouczącym systemem, zdolnym do bezpośredniej interakcji i komunikacji z operatorem. Uważa się go za technologiczny kamień milowy na drodze współpracy człowieka z robotem.

Chwytak JL1 wyposażony jest w system czujników monitorujących otoczenie (w celu uniknięcia bezpośredniego kontaktu z człowiekiem), dwie kamery skanujące otoczenie w trzech wymiarach (pomagające w wykrywaniu przeszkód) oraz w czujniki dotyku, dzięki którym palce chwytaka są elastyczne i łatwo się dostosowują. Chwytak może złapać i utrzymać obiekty o prawie dowolnym kształcie i swobodnie nimi operować, a jego palce potrafią zmierzyć siłę chwytającą.

System ten nagrodzono nie tylko za innowacyjność rozwiązania, ale także za możliwość bezpiecznej i pozbawionej barier współpracy ludzi i robotów w ramach Przemysłu 4.0. Posiada on bowiem elastyczną powłokę zewnętrzną z zaokrąglonymi krawędziami i zintegrowaną ochroną przed utratą detalu. Chwytaki wyposażone są także w panel LED używany jako interfejs do komunikacji z człowiekiem. Znajdują zastosowanie w wielu branżach, np. w automotive przy wspólnym montażu ciężkich podzespołów. Robot wyposażony w chwytak współpracujący EGP przenosi adaptery silników do bloku silnika, ustawia je i utrzymuje w pozycji podczas montażu śrub. Końcowe dopasowanie i montowanie śrub wykonuje już pracownik. W branży elektronicznej natomiast zakres współpracy obejmuje montaż podzespołów mechatronicznych.

Kolejnym przykładem inteligentnego rozwiązania firmy SCHUNK jest chwytak równoległy EGL Profinet. To pierwszy na świecie uniwersalny chwytak z certyfikatem. Posiada solidną aluminiową obudowę, stabilne prowadnice i bezszczotkowy serwomotor. W przypadku awarii zasilania elektrycznie uruchamiany hamulec zapewnia zachowanie położenia palców chwytaka i trzymanie detalu. Firma ma w swojej ofercie także chwytak EGP-C, czyli całkowicie bezpieczny chwytak przemysłowy, certyfikowany i zatwierdzony do współpracy z człowiekiem przez niemieckie ubezpieczenie DGUV (od następstw nieszczęśliwych wypadków). Ten kompaktowy dwupalczasty chwytak równoległy, wyposażony w ochronę antykolizyjną, można stosować zarówno do montażu małych elementów w elektronice, jak i w przemyśle motoryzacyjnym.

Chwytaki drukowane
Innowacją w obszarze chwytaków jest ich wytwarzanie w technologii druku 3D. Firma RÖHM jako jedna z pierwszych wprowadziła do produkcji i sprzedaży chwytaki MRK wykonane właśnie taką techniką. Spełniają one najwyższe wymagania bezpieczeństwa i standardy norm ISO i TS. Ochronę dla operatorów stanowią zaokrąglone naroża i krawędzie oraz specjalne kołnierze i osłony. Chwytaki te charakteryzują się wysoką elastycznością i odpowiednią chropowatością palców, dzięki czemu mogą łapać wszelkie możliwe kształty o różnych średnicach. Są bardzo trwałe i odporne na uszkodzenia, wilgoć, oleje i smary. Zostały też dopuszczone do kontaktu z produktami żywnościowymi. Mogą pracować w sposób bezobsługowy nawet przez 16 mln cykli chwytających z częstotliwością do 100 cykli na minutę. Są wyjątkowo lekkie – ich ciężar własny wynosi ok. 300 g.

Z kolei propozycją firmy igus są chwytaki z trybologicznego tworzywa sztucznego iglidur I150. Usprawniają one pracę maszyn pakujących, pozwalając producentom na oszczędność nawet do 85% kosztów i 70% czasu przezbrojenia. W przypadku chwytaków wykonanych z tradycyjnych materiałów dopasowanie – przy zmianie produktu – odpowiedniego chwytaka zajmuje nawet kilka tygodni. Tymczasem igus już od 2015 r. oferuje trybologicznie zoptymalizowane filamenty do drukowania 3D.

Dysponując danymi CAD części, bez problemu można je wyprodukować w procesie wytwarzania przyrostowego, a nawet wykonać ze samosmarownych tworzyw sztucznych iglidur. Chwytaki wyprodukowane tą metodą przetestowała już firma Carecos Kosmetik. Wcześniej każda zmiana produktu wiązała się ze zmianą chwytaków, co pociągało za sobą koszty rzędu 10 tys. euro za jedną część i nawet sześć tygodni oczekiwania. Firma zdecydowała się zatem na wydrukowanie chwytaków w technologii 3D. Standardowe tworzywa sztuczne (ABS, PLA) nie spełniały oczekiwań, dlatego wybrano materiał iglidur I150, który okazał się stabilny i odporny na uderzenia. Wydrukowanie chwytaka w 3D zajęło tylko 10–12 godzin, a same urządzenia są kilkukrotnie lżejsze niż metalowe.

Docenione rozwiązania
Aż cztery wyróżnienia w konkursie iF Design Award 2018 w kategorii Industry/Skilled Trades otrzymała firma Zimmer Group. Wyróżniono pneumatyczny chwytak równoległy GPP5000 – pneumatyczny podzespół State of the art wyposażony w prowadnice ze stali nierdzewnej i kompletne uszczelnienie. Drugim nagrodzonym produktem był hybrydowy chwytak centrujący GPD5000IL, wyposażony w zintegrowany system sterowania IO-Link z zaworem pneumatycznym. Zapewnia on bardzo krótki czas reakcji i lepszą efektywność energetyczną w porównaniu z konwencjonalnymi chwytakami pneumatycznymi. Posiada też system czujników wykrywający położenie szczęk chwytaka, co umożliwia m.in. monitorowanie procesu oraz identyfikację obrabianych przedmiotów na podstawie ich średnicy.

Nagrodę otrzymał także chwytak centryczny GED5000, łączący doskonałe właściwości mechaniczne z zaawansowaną koncepcją napędu elektrycznego i nowo opracowaną platformą sterowania. Zintegrowano w nim także technologię czujników, a komunikacja odbywa się przez łącze I/O. Możliwe jest zatem przesyłanie danych o stanie parametrów roboczych do układu sterowania lub ich wizualizacja na urządzeniach mobilnych bezpośrednio w miejscu użytkowania produktu dzięki specjalnej aplikacji. Chwytaki serii 5000 mają 30 mln gwarantowanych cykli, stopień ochrony IP64, o 30% większą siłę chwytania i o 10% wyższe siły statyczne niż wyroby standardowe.

Czwartym nagrodzonym produktem był elektryczny chwytak równoległy GEP2000, który jest innowacją w segmencie średnich cen. Wyróżnia się właściwościami komunikacyjnymi i sensorycznymi charakterystycznymi dla linii chwytaków premium.

Zimmer Group jako pierwsza wprowadziła też na rynek chwytaki współpracujące z człowiekiem MRK z własnym, całkowicie intuicyjnym, systemem sterującym Zimmer HMI. Można w nim ustawić do 3200 różnych pozycji mocowania. System rozpoznaje, czy chwytak złapał właściwą część, i wszystkie informacje zapisuje na nośniku danych. Podczas wymiany automatycznie się zgłosi i przejmie wszystkie pierwotne ustawienia, co daje obsłudze oszczędność czasu.

Chwytak jak stopa jaszczurki

Nad ulepszeniem chwytaków pracują też kolejni producenci. Na targach Automatica 2018 firma OnRobot (utworzona w wyniku połączenia trzech spółek: On Robot, OptoForce i Perception Robotics) zaprezentowała m.in. chwytak Gecko Gripper, inspirowany stopą jaszczurki gekon. Znajdują się na niej miliony cieniutkich włókien, które przyczepiają się do powierzchni detalu, wytwarzając mocne siły van der Waalsa. W rozwiązaniu Gecko Gripper skorzystano z licencji pierwotnie opracowanej w NASA Jet Propulsion Laboratory. Chwytak ten bez problemu przenosi elementy porowate, zarówno duże, jak i płaskie. Wcześniej konieczne było stosowanie w takim przypadku chwytaków podciśnieniowych i układów pneumatycznych.

Innym innowacyjnym rozwiązaniem tej firmy jest chwytak Polyskin Tactile Gripper, w którym każdy z palców może być przemieszczany niezależnie. Dodatkowo w opuszkach są wbudowane czujniki siły nacisku, dzięki którym można wyczuć kształt detalu i dostosować do niego proces chwytania.

Oprócz tych rozwiązań w portfolio firmy znajdują się też elektryczne chwytaki typu plug and play RG2 i RG6 montowane bezpośrednio na ramieniu robota (rozwiązanie spółki On Robot). Można je programować i obsługiwać z tego samego interfejsu co robota. Spółka OptoForce opracowała natomiast czujniki siły/momentu, których celem jest nadanie robotom „zmysłu dotyku”. Z kolei Perception Robotics produkuje chwytaki z wrażliwymi na dotyk gumowymi czujnikami („skórą”). Rozwiązania te są dostępne także w ofercie polskich dystrybutorów, m.in. firm Elmark Automatyka czy Enkon-Koester.

Zrobotyzowana paletyzacja
Chwytaki do robotów wykorzystuje się m.in. w branży elektronicznej, gdzie muszą sprostać trendowi miniaturyzacji. Częstym ich zastosowaniem jest także obszar paletyzacji, gdzie coraz częściej roboty wyręczają człowieka.

Firma ABB ma w swojej ofercie chwytaki do paletyzowania FlexGripper. To dwie wersje chwytaków płytowych do szybkiej paletyzacji pudeł, chwytak widłowy do szybkiego paletyzowania worków o masie do 50 kg oraz chwytak podciśnieniowy, który może przenosić jednocześnie do pięciu produktów o łącznej masie 40 kg. Chwytaki te są łatwe w montażu i programowaniu – operator korzysta z dotykowego panelu operatorskiego, ze wstępnie skonfigurowanymi sygnałami wejścia i wyjścia. Pozwala to na redukcję czasu potrzebnego na ustawienia i programowanie. Graficzny, dotykowy interfejs dodatkowo ułatwia testowanie procedur paletyzowania.

Do zadań specjalnych
Na rynku oferowane są również chwytaki specjalne, wykorzystywane w sytuacji, gdy nie jest możliwe użycie systemów podciśnieniowych z przyssawkami. Służą do przenoszenia elementów roboczych, które nie mogą być mocowane do przyssawek. Takie chwytaki ma w swojej ofercie m.in. firma Schmalz. Są to np. chwytaki bezdotykowe wykorzystywane do przenoszenia elementów papierowych, folii plastikowej, obwodów drukowanych czy płytek fotowoltaicznych i paneli solarnych. Zintegrowany generator podciśnienia działa z wykorzystaniem zasady Bernoulliego. Chwytak „pływa” ponad powierzchnią elementu roboczego na poduszce powietrznej. Do przenoszenia szorstkich blach, arkuszy perforowanych i elementów blaszanych z otworami oraz elementów o skomplikowanym kształcie służą natomiast chwytaki magnetyczne. Są one uruchamiane i wyłączane za pomocą sprężonego powietrza lub podciśnienia. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez magnes trwały, co umożliwia bezpieczne chwytanie elementów roboczych.

Do przenoszenia porowatych lub niestabilnych elementów roboczych (np. tekstylia, materiały izolacyjne, pianki, filc i wełna, dywany, filtry, materiały tkane) służą z kolei chwytaki igłowe. Igły wbijane są w element roboczy za pomocą sprężonego powietrza i wyciągane przez sprężynę lub ponownie przez sprężone powietrze. W ofercie firmy Schmalz są także specjalne chwytaki płytek fotowoltaicznych i chwytaki materiałów kompozytowych.