機(jī)器人手腕的系列分享之二自由度手腕

二自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系列腕部機(jī)構(gòu)只有兩種組合，即轉(zhuǎn)動(dòng)鏈（RR）或萬向（U）關(guān)節(jié)(圖1)，這兩種方法都是為了實(shí)現(xiàn)兩自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

被動(dòng)串行2自由度手腕：雖然不像單自由度被動(dòng)腕部假肢那么常見，但市面上有各種被動(dòng)鉸接的2自由度腕部。許多裝置由一個(gè)與旋轉(zhuǎn)器串聯(lián)的屈肌單元組成，形成一個(gè)U型關(guān)節(jié)。其中一種設(shè)備是OBRoboWrist ，它可以同時(shí)鎖住前旋和屈曲，當(dāng)解鎖時(shí)，還可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)手腕上的項(xiàng)圈來調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力。MC屈曲腕同樣由可鎖定的旋前和屈曲機(jī)構(gòu)組成，但使用彈性元件使手腕在解鎖時(shí)偏向于中性位置。其他商用腕關(guān)節(jié)假體通過使用受約束的球形關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的2自由度運(yùn)動(dòng)，從而選擇了更簡單，更緊湊的設(shè)計(jì)。如圖1(a)，圍繞球的圓周槽都用銷釘約束，因此僅允許彎曲和徑向偏離。圍繞套筒圓周的緊定螺釘用于調(diào)節(jié)接頭上的摩擦力，以提供更大的扭矩抵抗力。

身體驅(qū)動(dòng)串行2自由度：由于肌腱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性質(zhì)，隨著假肢系統(tǒng)中自由度的增加，身體驅(qū)動(dòng)設(shè)備變得不實(shí)用，即每個(gè)致動(dòng)的自由度都需要至少一根肌腱。因此兩條電纜被布線到腕部假體中，以分別鎖定/解鎖并控制腕部的內(nèi)旋和彎曲，其他電纜需要更多的線束以及相應(yīng)的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)來“選擇”并向特定電纜施加張力，這可能會(huì)犧牲其他自由度的激活（例如終端設(shè)備的打開和關(guān)閉）。

主動(dòng)式2自由度手腕：主動(dòng)串行2自由度手腕是假肢和機(jī)器人系統(tǒng)開始重疊的點(diǎn)，類似的設(shè)計(jì)可用于經(jīng)橈骨/跨肱骨假體和類人機(jī)器人的手臂。就像被動(dòng)的2自由度腕一樣，一些主動(dòng)設(shè)計(jì)只是簡單地將兩個(gè)1自由度的主動(dòng)單元串聯(lián)起來。假腕是由一個(gè)旋前關(guān)節(jié)和一個(gè)屈曲關(guān)節(jié)以這種方式組合而成。由于2自由度運(yùn)動(dòng)無法完全復(fù)制人類腕部的功能，因此一些腕部設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)屈曲和徑向偏差自由度之間的耦合。隨后提出的手腕設(shè)計(jì)提出了一種內(nèi)旋單元，該內(nèi)旋單元具有串聯(lián)的屈曲/偏離軸線串聯(lián)，其聯(lián)接軸線與標(biāo)稱屈曲軸線成35°，這些設(shè)計(jì)都表明了機(jī)械復(fù)雜性和擬人運(yùn)動(dòng)之間的權(quán)衡。RIC臂是一種研究性的經(jīng)肱骨假體，設(shè)計(jì)在25%女性手臂的形狀范圍內(nèi)，它利用位于前臂內(nèi)的正交擺線針輪驅(qū)動(dòng)裝置向末端裝置提供旋前和屈曲。ToMPAW是一種設(shè)計(jì)成模塊化假肢測試平臺的研究設(shè)備（特別是用于肌電控制系統(tǒng)），采用了類似的旋前和屈曲配置。人形機(jī)器人的手臂通常與經(jīng)肱骨假體相似，盡管它們的應(yīng)用可能決定其設(shè)計(jì)所需的尺寸和附加功能。例如，軟銀機(jī)器人公司生產(chǎn)的“桌面”大小的NAO類人機(jī)器人，旨在模仿人類的運(yùn)動(dòng)和手勢，但必須在一個(gè)小得多的包裝中實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，因此它使用微型馬達(dá)和高減速齒輪級實(shí)現(xiàn)旋前和手腕屈曲。

除了平面連桿機(jī)構(gòu)外，許多平行機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)都集中于創(chuàng)建具有兩個(gè)或更多自由度的機(jī)構(gòu)。當(dāng)這些機(jī)構(gòu)為非平面機(jī)構(gòu)時(shí)，無論是進(jìn)行3自由度平移運(yùn)動(dòng)還是進(jìn)行2自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，都可稱為空間連桿機(jī)構(gòu)。隨后提出的并行機(jī)制都是有源設(shè)備。盡管無源并行機(jī)制可能會(huì)在其他情況下找到其用途，但在手腕設(shè)備中，只有主動(dòng)手腕似乎已合并了此類機(jī)制。

主動(dòng)并聯(lián)2自由度：為了在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)2自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以將被動(dòng)U型關(guān)節(jié)與具有不同關(guān)節(jié)拓?fù)涞亩鄠�(gè)致動(dòng)支腿平行放置。被動(dòng)U形關(guān)節(jié)限制了被致動(dòng)腿的運(yùn)動(dòng)，這些腿通常是每個(gè)自由度串聯(lián)的高架連動(dòng)裝置，每個(gè)都有一個(gè)致動(dòng)器。這種方法在各種應(yīng)用場合的手腕中得以實(shí)現(xiàn)。美國宇航局機(jī)器人2號的腕部采用U,2PSU并聯(lián)機(jī)構(gòu)，U型關(guān)節(jié)將手部連接到機(jī)器人前臂，PSU連接通過P關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，差分驅(qū)動(dòng)屈曲和徑向偏移；太陽跟蹤系統(tǒng)也采用了相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。此機(jī)制的兩個(gè)應(yīng)用程序之間的工作空間、打包約束和優(yōu)化目標(biāo)是不同的。