機(jī)器人手腕的系列分享之二

由于其緊湊，機(jī)械簡單和重量輕的緣故，被動式單自由度腕關(guān)節(jié)假體已成為最常見的腕部設(shè)備。這些裝置可大致分為兩類，即旋轉(zhuǎn)器和屈肌。旋轉(zhuǎn)器用于使終端設(shè)備沿前臂的縱向放出或滾動，而屈肌使終端設(shè)備彎曲或俯仰。被動旋轉(zhuǎn)器是這兩類中的第一類，也是最常見的一類。為了增強(qiáng)它們的功能，這些設(shè)備通常包括附加功能。例如 OB棘輪式旋轉(zhuǎn)手腕，如圖(a)所示，被動腕部裝置的鎖定也可以通過使用不可反向驅(qū)動的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

被動屈肌是第二類被動單自由度手腕，通常是在離散屈肌間隙鎖定的裝置。商業(yè)上可用的鎖定屈肌包括HD屈肌摩擦腕、OB肌腕經(jīng)掌骨和二觸點(diǎn)OB肌腕。這種性質(zhì)的鎖定手腕通常與身體供電的終端設(shè)備配合使用，因?yàn)轵?qū)動終端設(shè)備的電纜不會導(dǎo)致手腕改變其位置。為了獲得更連續(xù)的運(yùn)動，具有屈曲的OB適配器包含一個摩擦盤，在有限的載荷下將手腕保持在彎曲位置。盡管在假手中有特殊的集成，但是觸摸仿生（TB）彎曲手腕在某些彎曲位置提供鎖定，并且在解鎖時提供彈簧加載的彎曲。

上述被動旋轉(zhuǎn)器都需要外力來旋轉(zhuǎn)終端設(shè)備，而且還需要獲得附加功能，對于雙側(cè)截肢者來說這可能是個問題，他們在使用非接觸性對側(cè)手臂調(diào)整被動手腕時可能會遇到更大的困難。

為減輕被動假肢的某些問題，動力假肢手腕采用Bowden電纜系統(tǒng)來控制手腕，人體動力系統(tǒng)包括與線束連接的電纜，該電纜既可以用來致動假肢手腕，也可以用來觸發(fā)運(yùn)動鎖定機(jī)構(gòu)。HD旋轉(zhuǎn)手腕[圖(b)]使用電纜解鎖和旋入手腕。旋前受到扭簧的阻力，扭簧傾向于旋腕，釋放拉線上的張力可重新接合鎖。諸如OB棘輪式旋轉(zhuǎn)系列中詳述的裝置都利用彈性元件使手腕在解鎖時返回中性旋前位置。因此，用戶不需要用另一只手來解鎖手腕。

主動單自由度腕部通常在假肢和機(jī)器人應(yīng)用中都能找到。在假肢領(lǐng)域，這些系統(tǒng)通常與EMG系統(tǒng)一起使用，使用戶能夠通過肌肉信號控制旋轉(zhuǎn)。活動手腕可以是獨(dú)立的單元集成到假手中，或者集成到較大假手中的前臂中。與被動手腕類似，主動單自由度裝置也可分為旋轉(zhuǎn)器和屈肌。主動旋轉(zhuǎn)器是腕部假體中最常見的動力裝置。獨(dú)立設(shè)備包括運(yùn)動控制電動旋轉(zhuǎn)器和OB腕部旋轉(zhuǎn)器，如圖(c)所示，這兩種設(shè)備都是為與許多終端設(shè)備兼容而設(shè)計的，因而得到了相對廣泛的應(yīng)用。OB-Michelangelo手和TBi-Limb Quantum都使用緊湊的旋轉(zhuǎn)器，即軸旋轉(zhuǎn)和俯臥旋轉(zhuǎn)[圖(d)]，它們分別安裝在各自手的假體窩和下手掌中，主動屈肌也往往納入現(xiàn)有的機(jī)器人手或終端設(shè)備系統(tǒng)。

由于單自由度腕部在運(yùn)動上等同于單轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)一般不用作單自由度腕部裝置。與并聯(lián)裝置相比，串聯(lián)裝置的機(jī)械簡單性超過了使用單自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的潛在好處。然而，單自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)常被用于其他裝置，如踝關(guān)節(jié)假體。與被動腕部相比，主動單自由度腕部在設(shè)計中的長度要大得多，尤其是旋轉(zhuǎn)腕部。主動式單自由度手腕要么是獨(dú)立的腕關(guān)節(jié)假體，要么是手部設(shè)計中的附加功能，但是單自由度單元在所有領(lǐng)域的共同性就是保證體積最小化的同時提高了截肢機(jī)器人的扭力和主動力。