機器人手腕的系列分享之二

由于其緊湊，機械簡單和重量輕的緣故，被動式單自由度腕關節假體已成為最常見的腕部設備。這些裝置可大致分為兩類，即旋轉器和屈肌。旋轉器用于使終端設備沿前臂的縱向放出或滾動，而屈肌使終端設備彎曲或俯仰。被動旋轉器是這兩類中的第一類，也是最常見的一類。為了增強它們的功能，這些設備通常包括附加功能。例如 OB棘輪式旋轉手腕，如圖(a)所示，被動腕部裝置的鎖定也可以通過使用不可反向驅動的機構來實現。

被動屈肌是第二類被動單自由度手腕，通常是在離散屈肌間隙鎖定的裝置。商業上可用的鎖定屈肌包括HD屈肌摩擦腕、OB肌腕經掌骨和二觸點OB肌腕。這種性質的鎖定手腕通常與身體供電的終端設備配合使用，因為驅動終端設備的電纜不會導致手腕改變其位置。為了獲得更連續的運動，具有屈曲的OB適配器包含一個摩擦盤，在有限的載荷下將手腕保持在彎曲位置。盡管在假手中有特殊的集成，但是觸摸仿生（TB）彎曲手腕在某些彎曲位置提供鎖定，并且在解鎖時提供彈簧加載的彎曲。

上述被動旋轉器都需要外力來旋轉終端設備，而且還需要獲得附加功能，對于雙側截肢者來說這可能是個問題，他們在使用非接觸性對側手臂調整被動手腕時可能會遇到更大的困難。

為減輕被動假肢的某些問題，動力假肢手腕采用Bowden電纜系統來控制手腕，人體動力系統包括與線束連接的電纜，該電纜既可以用來致動假肢手腕，也可以用來觸發運動鎖定機構。HD旋轉手腕[圖(b)]使用電纜解鎖和旋入手腕。旋前受到扭簧的阻力，扭簧傾向于旋腕，釋放拉線上的張力可重新接合鎖。諸如OB棘輪式旋轉系列中詳述的裝置都利用彈性元件使手腕在解鎖時返回中性旋前位置。因此，用戶不需要用另一只手來解鎖手腕。

主動單自由度腕部通常在假肢和機器人應用中都能找到。在假肢領域，這些系統通常與EMG系統一起使用，使用戶能夠通過肌肉信號控制旋轉。活動手腕可以是獨立的單元集成到假手中，或者集成到較大假手中的前臂中。與被動手腕類似，主動單自由度裝置也可分為旋轉器和屈肌。主動旋轉器是腕部假體中最常見的動力裝置。獨立設備包括運動控制電動旋轉器和OB腕部旋轉器，如圖(c)所示，這兩種設備都是為與許多終端設備兼容而設計的，因而得到了相對廣泛的應用。OB-Michelangelo手和TBi-Limb Quantum都使用緊湊的旋轉器，即軸旋轉和俯臥旋轉[圖(d)]，它們分別安裝在各自手的假體窩和下手掌中，主動屈肌也往往納入現有的機器人手或終端設備系統。

由于單自由度腕部在運動上等同于單轉動關節，因此并聯機構一般不用作單自由度腕部裝置。與并聯裝置相比，串聯裝置的機械簡單性超過了使用單自由度并聯機構的潛在好處。然而，單自由度并聯機構常被用于其他裝置，如踝關節假體。與被動腕部相比，主動單自由度腕部在設計中的長度要大得多，尤其是旋轉腕部。主動式單自由度手腕要么是獨立的腕關節假體，要么是手部設計中的附加功能，但是單自由度單元在所有領域的共同性就是保證體積最小化的同時提高了截肢機器人的扭力和主動力。