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假肢腕关节和机器人腕关节优缺点对比分析

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]

虽然机器人手腕的应用范围很广,但假肢和机器人手腕之间仍有很多比较。许多不同仅仅是由于假肢需要直接的人类互动来发挥功能,而机器人手腕则完全是主动的。假腕还包括外部可调节功能,如可调节摩擦或锁定;机器人手腕的任何调整通常都是在控制系统内完成的。不过,这两个类别之间仍存在一些不明显的区别。虽然机器人手腕可能是串行的、平行的或混合的设备,但所有独立的假臂手腕都是串行链,尽管在少数情况下,经桡骨和跨关节假臂可能包含平行或混合手腕。这可能表明实现与串行链性能相当的基于腕部的并行机制所需的最小空间量。

虽然主动假肢手腕看起来只是机器人手腕技术的一个子集,但两者的反向驾驶能力往往是不同的。由于假肢腕使用者还必须携带电源,因此功耗低的设备通常是有益的。使用不可反驱动的传动元件,如丝杠,是一种有效的方法,通过被动地抵抗外部负载时,电机被停用,以减少电力消耗。最小的尺寸和重量的设计目标使假肢能够合理地利用小的,虽然高度齿轮传动的旋转马达来实现一些人类水平的扭矩输出,而不是重型马达与最小的齿轮传动。这些高齿轮传动比甚至使非锁定传动相对不可倒车。当多个齿轮级串联放置时,重齿轮传动系统也引入显著的齿隙。再加上不可反向驱动的特性,这可能会使假腕在承受脉冲载荷和碰撞时变得相当脆弱。

同时一些机器人手腕也使用螺旋元件或高齿轮马达,但更宽松的尺寸限制允许使用更大的马达和更小的齿轮传动比,甚至直接驱动,然后可以在一些机器人硬件上实现反向驾驶,这样就可以通过外部的物理操作机器人来“指导”机器人的手臂。这些低齿轮传动比也可能使力感应在驱动器甚至控制。

商业手腕和研究手腕之间也存在着明显的差异。市面上的手腕可以作为独立的假肢,也可以作为工业和外科手臂的集成部分。商业假肢手腕往往是被动装置,具有离散的锁定位置,可调摩擦离合器,或弹性关节,所有这些都有可能用于操纵。研究用的手腕应用广泛,包括假肢、类人机器人、太阳能追踪器和外科机器人。设计采用串行、并行和混合机制。正如预期的那样,研究装置包含了更多种耦合方案和驱动技术。

到目前为止,似乎很难实现扭矩和速度能力的与人相当的机械手腕,同时还要保持相同的大小,重量和惯性。许多机器人系统在扭矩和速度方面都很容易超越人类的手腕,但它们使用的大电机具有高齿轮传动比,可以不考虑小型化。虽然后一点在特定需要精确定位的系统中可能不那么重要,但是,以类似于人类的方式与外部环境交互的系统通常需要一定程度的遵从性或可调节阻抗,尤其是在尝试控制力时。在假肢和仿人机器人领域,开发轻型、紧凑的执行机构和高扭矩的传动装置具有重要的意义。



  
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