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(dòng)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(dòng)，而屈肌使終端設(shè)備彎曲或俯仰。被動(dòng)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(dòng)腕部裝置的鎖定也可以通過使用不可反向驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

被動(dòng)屈肌是第二類被動(dòng)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(dòng)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(dòng)，具有屈曲的OB適配器包含一個(gè)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(shí)提供彈簧加載的彎曲。

上述被動(dòng)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(gè)問題，他們在使用非接觸性對側(cè)手臂調(diào)整被動(dòng)手腕時(shí)可能會遇到更大的困難。

為減輕被動(dòng)假肢的某些問題，動(dòng)力假肢手腕采用Bowden電纜系統(tǒng)來控制手腕，人體動(dòng)力系統(tǒng)包括與線束連接的電纜，該電纜既可以用來致動(dòng)假肢手腕，也可以用來觸發(fā)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)手腕類似，主動(dòng)單自由度裝置也可分為旋轉(zhuǎn)器和屈肌。主動(dòng)旋轉(zhuǎn)器是腕部假體中最常見的動(dòng)力裝置。獨(dú)立設(shè)備包括運(yùn)動(dòng)控制電動(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)上等同于單轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)腕部相比，主動(dòng)單自由度腕部在設(shè)計(jì)中的長度要大得多，尤其是旋轉(zhuǎn)腕部。主動(dòng)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(jì)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(shí)提高了截肢機(jī)器人的扭力和主動(dòng)力。