機器人手腕的係列分享之二自由度手腕

二自由度旋轉運動的係列腕部機構隻有兩種組合，即轉動鏈（RR）或萬向（U）關節(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麼常見，但市麵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。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於中性位置。其他商用腕關節假體通過使用受約束的球形關節來實現被動的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於調節接頭上的摩擦力，以提供更大的扭矩抵抗力。

身體驅動串行2自由度：由於肌腱驅動係統的性質，隨著假肢係統中自由度的增加，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/解鎖並控製腕部的內旋和彎曲，其他電纜需要更多的線束以及相應的獨特運動來“選擇”並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係統開始重疊的點，類似的設計可用於經橈骨/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，一些主動設計隻是簡單地將兩個1自由度的主動單元串聯起來。假腕是由一個旋前關節和一個屈曲關節以這種方式組合而成。由於2自由度運動無法完全複製人類腕部的功能，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。隨後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複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%女性手臂的形狀範圍內，它利用位於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台的研究設備（特別是用於肌電控製係統），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“桌麵”大小的NAO類人機器人，旨在模仿人類的運動和手勢，但必須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高減速齒輪級實現旋前和手腕屈曲。

除了平麵連杆機構外，許多平行機構的研究和設計都集中於創建具有兩個或更多自由度的機構。當這些機構為非平麵機構時，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，都可稱為空間連杆機構。隨後提出的並行機製都是有源設備。盡管無源並行機製可能會在其他情況下找到其用途，但在手腕設備中，隻有主動手腕似乎已合並了此類機製。

主動並聯2自由度：為了在並聯機構中實現2自由度旋轉運動，可以將被動U型關節與具有不同關節拓撲的多個致動支腿平行放置。被動U形關節限製了被致動腿的運動，這些腿通常是每個自由度串聯的高架連動裝置，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並聯機構，U型關節將手部連接到機器人前臂，PSU連接通過P關節驅動，差分驅動屈曲和徑向偏移；太陽跟蹤係統也采用了相同的機械結構。此機製的兩個應用程序之間的工作空間、打包約束和優化目標是不同的。