機器人手腕的系列分享之二自由度手腕

二自由度旋轉運動的系列腕部機構只有兩種組合，即轉動鏈（RR）或萬向（U）關節(jié)(圖1)，這兩種方法都是為了實現兩自由度的旋轉運動。

被動串行2自由度手腕：雖然不像單自由度被動腕部假肢那么常見，但市面上有各種被動鉸接的2自由度腕部。許多裝置由一個與旋轉器串聯的屈肌單元組成，形成一個U型關節(jié)。其中一種設備是OBRoboWrist ，它可以同時鎖住前旋和屈曲，當解鎖時，還可以通過轉動手腕上的項圈來調節(jié)運動產生摩擦阻力。MC屈曲腕同樣由可鎖定的旋前和屈曲機構組成，但使用彈性元件使手腕在解鎖時偏向于中性位置。其他商用腕關節(jié)假體通過使用受約束的球形關節(jié)來實現被動的2自由度運動，從而選擇了更簡單，更緊湊的設計。如圖1(a)，圍繞球的圓周槽都用銷釘約束，因此僅允許彎曲和徑向偏離。圍繞套筒圓周的緊定螺釘用于調節(jié)接頭上的摩擦力，以提供更大的扭矩抵抗力。

身體驅動串行2自由度：由于肌腱驅動系統(tǒng)的性質，隨著假肢系統(tǒng)中自由度的增加，身體驅動設備變得不實用，即每個致動的自由度都需要至少一根肌腱。因此兩條電纜被布線到腕部假體中，以分別鎖定/解鎖并控制腕部的內旋和彎曲，其他電纜需要更多的線束以及相應的獨特運動來“選擇”并向特定電纜施加張力，這可能會犧牲其他自由度的激活（例如終端設備的打開和關閉）。

主動式2自由度手腕：主動串行2自由度手腕是假肢和機器人系統(tǒng)開始重疊的點，類似的設計可用于經橈骨/跨肱骨假體和類人機器人的手臂。就像被動的2自由度腕一樣，一些主動設計只是簡單地將兩個1自由度的主動單元串聯起來。假腕是由一個旋前關節(jié)和一個屈曲關節(jié)以這種方式組合而成。由于2自由度運動無法完全復制人類腕部的功能，因此一些腕部設計已實現屈曲和徑向偏差自由度之間的耦合。隨后提出的手腕設計提出了一種內旋單元，該內旋單元具有串聯的屈曲/偏離軸線串聯，其聯接軸線與標稱屈曲軸線成35°，這些設計都表明了機械復雜性和擬人運動之間的權衡。RIC臂是一種研究性的經肱骨假體，設計在25%女性手臂的形狀范圍內，它利用位于前臂內的正交擺線針輪驅動裝置向末端裝置提供旋前和屈曲。ToMPAW是一種設計成模塊化假肢測試平臺的研究設備（特別是用于肌電控制系統(tǒng)），采用了類似的旋前和屈曲配置。人形機器人的手臂通常與經肱骨假體相似，盡管它們的應用可能決定其設計所需的尺寸和附加功能。例如，軟銀機器人公司生產的“桌面”大小的NAO類人機器人，旨在模仿人類的運動和手勢，但需要在一個小得多的包裝中實現這些目標，因此它使用微型馬達和G減速齒輪級實現旋前和手腕屈曲。

除了平面連桿機構外，許多平行機構的研究和設計都集中于創(chuàng)建具有兩個或更多自由度的機構。當這些機構為非平面機構時，無論是進行3自由度平移運動還是進行2自由度旋轉運動，都可稱為空間連桿機構。隨后提出的并行機制都是有源設備。盡管無源并行機制可能會在其他情況下找到其用途，但在手腕設備中，只有主動手腕似乎已合并了此類機制。

主動并聯2自由度：為了在并聯機構中實現2自由度旋轉運動，可以將被動U型關節(jié)與具有不同關節(jié)拓撲的多個致動支腿平行放置。被動U形關節(jié)限制了被致動腿的運動，這些腿通常是每個自由度串聯的G架連動裝置，每個都有一個致動器。這種方法在各種應用場合的手腕中得以實現。美國宇航局機器人2號的腕部采用U,2PSU并聯機構，U型關節(jié)將手部連接到機器人前臂，PSU連接通過P關節(jié)驅動，差分驅動屈曲和徑向偏移；太陽跟蹤系統(tǒng)也采用了相同的機械結構。此機制的兩個應用程序之間的工作空間、打包約束和優(yōu)化目標是不同的。