机器人手腕的系列分享之三自由度手腕

具有3自由度旋转运动能力的腕关节设计可以任意定位其末端执行器。人类的手腕就有3自由度运动的能力，3自由度人工手腕在某些方面优于人类的手腕，如运动范围或扭矩输出。尽管一些假肢在设计中加入了3自由度手腕，但串行3自由度手腕设备在机器人应用中更普遍。

图3 三自由度手腕 (a) MC MultiFlex(RU) (b) Barrett W AM Arm (RRR) (c) Kuka LBR iiwa (RRR) (d) Chirikjian球形步进电机(S)

被动串行3自由度：除了那些简单组合现有的单自由度假体腕部之外，很少有3自由度被动腕部存在，然而，MC Multiflex[图2(a)]使用了一个带有弹性偏置U关节的单自由度旋转器，形成了一个RU链，设计类似于MC Flexion腕部。

主动串联3自由度：实现3自由度主动运动常见的方法是将主动旋转器串联布置，轴线在不同方向上，这种方法被用于修复术和机器人技术。由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计的模块化假肢，使用了一个位于旋前的旋转器，以及两个相同的电动单元串联放置，它们之间有90度的偏移，用于弯曲和偏移。

串行RRR方法在工业机械臂应用中非常普遍。许多商用工业武器，如Kuka k -16、川崎k系列、发那科M系列、DurrEcoPaint、鸿海/ Foxconnrobot arms和巴雷特WAM[图2(b)]。这三个关节的轴在一个共同点上相交球形末端执行器运动，并为机器人手臂更近端的关节提供平移运动与球形手腕运动解耦。当两个“滚”轴共线时，这种设计常常导致在零位置出现奇异点。然而，在包装约束的运动范围和灵活性(辊电机和齿轮系可以放置远离旋转中心)使这种配置吸引和适合工业武器。要注意的是，这些臂内的俯仰和其中一个滚转角通常是通过伞齿轮差速器驱动的，这使得电机可以沿着腕关节的纵向放置，节省空间，并可能减少转动惯量。滚-桨-滚设计也用于类人机器人、用于卫星服务的机器人手臂和外科机器人手腕，代替使用第二列滚动关节，一些手腕设计实现3自由度的运动通过滚动-倾斜-偏航配置。在这种情况下，偏航轴垂直于横摇轴和俯仰轴，对应于人手腕的径向偏差。当偏航轴与俯仰轴和滚转轴相交时，该机构通常被认为是一个球形腕关节，也可以被认为是一个RU链。除了手术臂和工业臂，因为滚-滚-滚手腕与人的手腕相似，所以也经常用于人形或拟人化机械臂。一些系列腕设计选择使用单一的球关节而不是串行链，虽然整体几何形状是一个球和窝接接头，但球实际上是转子，窝接接头是定子。