假肢腕關節和機器人腕關節優缺點對比分析

雖然機器人手腕的應用範圍很廣，但假肢和機器人手腕之間仍有很多比較。許多不同僅僅是由於假肢需要直接的人類互動來發揮功能，而機器人手腕則完全是主動的。假腕還包括外部可調節功能，如可調節摩擦或鎖定；機器人手腕的任何調整通常都是在控製係統內完成的。不過，這兩個類別之間仍存在一些不明顯的區別。雖然機器人手腕可能是串行的、平行的或混合的設備，但所有獨立的假臂手腕都是串行鏈，盡管在少數情況下，經橈骨和跨關節假臂可能包含平行或混合手腕。這可能表明實現與串行鏈性能相當的基於腕部的並行機製所需的最小空間量。

雖然主動假肢手腕看起來隻是機器人手腕技術的一個子集，但兩者的反向駕駛能力往往是不同的。由於假肢腕使用者還必須攜帶電源，因此功耗低的設備通常是有益的。使用不可反驅動的傳動元件，如絲杠，是一種有效的方法，通過被動地抵抗外部負載時，電機被停用，以減少電力消耗。最小的尺寸和重量的設計目標使假肢能夠合理地利用小的，雖然高度齒輪傳動的旋轉馬達來實現一些人類水平的扭矩輸出，而不是重型馬達與最小的齒輪傳動。這些高齒輪傳動比甚至使非鎖定傳動相對不可倒車。當多個齒輪級串聯放置時，重齒輪傳動係統也引入顯著的齒隙。再加上不可反向驅動的特性，這可能會使假腕在承受脈衝載荷和碰撞時變得相當脆弱。

同時一些機器人手腕也使用螺旋元件或高齒輪馬達，但更寬鬆的尺寸限製允許使用更大的馬達和更小的齒輪傳動比，甚至直接驅動，然後可以在一些機器人硬件上實現反向駕駛，這樣就可以通過外部的物理操作機器人來“指導”機器人的手臂。這些低齒輪傳動比也可能使力感應在驅動器甚至控製。

商業手腕和研究手腕之間也存在著明顯的差異。市麵上的手腕可以作為獨立的假肢，也可以作為工業和外科手臂的集成部分。商業假肢手腕往往是被動裝置，具有離散的鎖定位置，可調摩擦離合器，或彈性關節，所有這些都有可能用於操縱。研究用的手腕應用廣泛，包括假肢、類人機器人、太陽能追蹤器和外科機器人。設計采用串行、並行和混合機製。正如預期的那樣，研究裝置包含了更多種耦合方案和驅動技術。

到目前為止，似乎很難實現扭矩和速度能力的與人相當的機械手腕，同時還要保持相同的大小，重量和慣性。許多機器人係統在扭矩和速度方麵都很容易超越人類的手腕，但它們使用的大電機具有高齒輪傳動比，可以不考慮小型化。雖然後一點在特定需要精確定位的係統中可能不那麼重要，但是，以類似於人類的方式與外部環境交互的係統通常需要一定程度的遵從性或可調節阻抗，尤其是在嚐試控製力時。在假肢和仿人機器人領域，開發輕型、緊湊的執行機構和高扭矩的傳動裝置具有重要的意義。