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机器人手腕的系列分享之二自由度手腕

来源:CAAI认知系统与信息处理专委会      编辑:创泽      时间:2020/7/9      主题:其他   [加盟]

二自由度旋转运动的系列腕部机构只有两种组合,即转动链(RR)或万向(U)关节(图1),这两种方法都是为了实现两自由度的旋转运动。

被动串行2自由度手腕:虽然不像单自由度被动腕部假肢那么常见,但市面上有各种被动铰接的2自由度腕部。许多装置由一个与旋转器串联的屈肌单元组成,形成一个U型关节。其中一种设备是OBRoboWrist ,它可以同时锁住前旋和屈曲,当解锁时,还可以通过转动手腕上的项圈来调节运动产生摩擦阻力。MC屈曲腕同样由可锁定的旋前和屈曲机构组成,但使用弹性元件使手腕在解锁时偏向于中性位置。其他商用腕关节假体通过使用受约束的球形关节来实现被动的2自由度运动,从而选择了更简单,更紧凑的设计。如图1(a),围绕球的圆周槽都用销钉约束,因此仅允许弯曲和径向偏离。围绕套筒圆周的紧定螺钉用于调节接头上的摩擦力,以提供更大的扭矩抵抗力。

身体驱动串行2自由度:由于肌腱驱动系统的性质,随着假肢系统中自由度的增加,身体驱动设备变得不实用,即每个致动的自由度都需要至少一根肌腱。因此两条电缆被布线到腕部假体中,以分别锁定/解锁并控制腕部的内旋和弯曲,其他电缆需要更多的线束以及相应的独特运动来“选择”并向特定电缆施加张力,这可能会牺牲其他自由度的激活(例如终端设备的打开和关闭)。

主动式2自由度手腕:主动串行2自由度手腕是假肢和机器人系统开始重叠的点,类似的设计可用于经桡骨/跨肱骨假体和类人机器人的手臂。就像被动的2自由度腕一样,一些主动设计只是简单地将两个1自由度的主动单元串联起来。假腕是由一个旋前关节和一个屈曲关节以这种方式组合而成。由于2自由度运动无法完全复制人类腕部的功能,因此一些腕部设计已实现屈曲和径向偏差自由度之间的耦合。随后提出的手腕设计提出了一种内旋单元,该内旋单元具有串联的屈曲/偏离轴线串联,其联接轴线与标称屈曲轴线成35°,这些设计都表明了机械复杂性和拟人运动之间的权衡。RIC臂是一种研究性的经肱骨假体,设计在25%女性手臂的形状范围内,它利用位于前臂内的正交摆线针轮驱动装置向末端装置提供旋前和屈曲。ToMPAW是一种设计成模块化假肢测试平台的研究设备(特别是用于肌电控制系统),采用了类似的旋前和屈曲配置。人形机器人的手臂通常与经肱骨假体相似,尽管它们的应用可能决定其设计所需的尺寸和附加功能。例如,软银机器人公司生产的“桌面”大小的NAO类人机器人,旨在模仿人类的运动和手势,但必须在一个小得多的包装中实现这些目标,因此它使用微型马达和高减速齿轮级实现旋前和手腕屈曲。


除了平面连杆机构外,许多平行机构的研究和设计都集中于创建具有两个或更多自由度的机构。当这些机构为非平面机构时,无论是进行3自由度平移运动还是进行2自由度旋转运动,都可称为空间连杆机构。随后提出的并行机制都是有源设备。尽管无源并行机制可能会在其他情况下找到其用途,但在手腕设备中,只有主动手腕似乎已合并了此类机制。

主动并联2自由度:为了在并联机构中实现2自由度旋转运动,可以将被动U型关节与具有不同关节拓扑的多个致动支腿平行放置。被动U形关节限制了被致动腿的运动,这些腿通常是每个自由度串联的高架连动装置,每个都有一个致动器。这种方法在各种应用场合的手腕中得以实现。美国宇航局机器人2号的腕部采用U,2PSU并联机构,U型关节将手部连接到机器人前臂,PSU连接通过P关节驱动,差分驱动屈曲和径向偏移;太阳跟踪系统也采用了相同的机械结构。此机制的两个应用程序之间的工作空间、打包约束和优化目标是不同的。


  
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