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机器人手腕的系列分享之三自由度手腕

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]

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自由度主动运动最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。



  
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