假肢腕關(guān)節(jié)和機器人腕關(guān)節(jié)優(yōu)缺點對比分析

雖然機器人手腕的應(yīng)用范圍很廣，但假肢和機器人手腕之間仍有很多比較。許多不同僅僅是由于假肢需要直接的人類互動來發(fā)揮功能，而機器人手腕則完全是主動的。假腕還包括外部可調(diào)節(jié)功能，如可調(diào)節(jié)摩擦或鎖定；機器人手腕的任何調(diào)整通常都是在控制系統(tǒng)內(nèi)完成的。不過，這兩個類別之間仍存在一些不明顯的區(qū)別。雖然機器人手腕可能是串行的、平行的或混合的設(shè)備，但所有獨立的假臂手腕都是串行鏈，盡管在少數(shù)情況下，經(jīng)橈骨和跨關(guān)節(jié)假臂可能包含平行或混合手腕。這可能表明實現(xiàn)與串行鏈性能相當(dāng)?shù)幕�于腕部的并行機制所需的最小空間量。

雖然主動假肢手腕看起來只是機器人手腕技術(shù)的一個子集，但兩者的反向駕駛能力往往是不同的。由于假肢腕使用者還必須攜帶電源，因此功耗低的設(shè)備通常是有益的。使用不可反驅(qū)動的傳動元件，如絲杠，是一種有效的方法，通過被動地抵抗外部負(fù)載時，電機被停用，以減少電力消耗。最小的尺寸和重量的設(shè)計目標(biāo)使假肢能夠合理地利用小的，雖然高度齒輪傳動的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來實現(xiàn)一些人類水平的扭矩輸出，而不是重型馬達(dá)與最小的齒輪傳動。這些高齒輪傳動比甚至使非鎖定傳動相對不可倒車。當(dāng)多個齒輪級串聯(lián)放置時，重齒輪傳動系統(tǒng)也引入顯著的齒隙。再加上不可反向驅(qū)動的特性，這可能會使假腕在承受脈沖載荷和碰撞時變得相當(dāng)脆弱。

同時一些機器人手腕也使用螺旋元件或高齒輪馬達(dá)，但更寬松的尺寸限制允許使用更大的馬達(dá)和更小的齒輪傳動比，甚至直接驅(qū)動，然后可以在一些機器人硬件上實現(xiàn)反向駕駛，這樣就可以通過外部的物理操作機器人來“指導(dǎo)”機器人的手臂。這些低齒輪傳動比也可能使力感應(yīng)在驅(qū)動器甚至控制。

商業(yè)手腕和研究手腕之間也存在著明顯的差異。市面上的手腕可以作為獨立的假肢，也可以作為工業(yè)和外科手臂的集成部分。商業(yè)假肢手腕往往是被動裝置，具有離散的鎖定位置，可調(diào)摩擦離合器，或彈性關(guān)節(jié)，所有這些都有可能用于操縱。研究用的手腕應(yīng)用廣泛，包括假肢、類人機器人、太陽能追蹤器和外科機器人。設(shè)計采用串行、并行和混合機制。正如預(yù)期的那樣，研究裝置包含了更多種耦合方案和驅(qū)動技術(shù)。

到目前為止，似乎很難實現(xiàn)扭矩和速度能力的與人相當(dāng)?shù)臋C械手腕，同時還要保持相同的大小，重量和慣性。許多機器人系統(tǒng)在扭矩和速度方面都很容易超越人類的手腕，但它們使用的大電機具有高齒輪傳動比，可以不考慮小型化。雖然后一點在特定需要精確定位的系統(tǒng)中可能不那么重要，但是，以類似于人類的方式與外部環(huán)境交互的系統(tǒng)通常需要一定程度的遵從性或可調(diào)節(jié)阻抗，尤其是在嘗試控制力時。在假肢和仿人機器人領(lǐng)域，開發(fā)輕型、緊湊的執(zhí)行機構(gòu)和高扭矩的傳動裝置具有重要的意義。