假肢腕關(guān)節(jié)和機(jī)器人腕關(guān)節(jié)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

雖然機(jī)器人手腕的應(yīng)用范圍很廣，但假肢和機(jī)器人手腕之間仍有很多比較。許多不同僅僅是由于假肢需要直接的人類(lèi)互動(dòng)來(lái)發(fā)揮功能，而機(jī)器人手腕則完全是主動(dòng)的。假腕還包括外部可調(diào)節(jié)功能，如可調(diào)節(jié)摩擦或鎖定；機(jī)器人手腕的任何調(diào)整通常都是在控制系統(tǒng)內(nèi)完成的。不過(guò)，這兩個(gè)類(lèi)別之間仍存在一些不明顯的區(qū)別。雖然機(jī)器人手腕可能是串行的、平行的或混合的設(shè)備，但所有獨(dú)立的假臂手腕都是串行鏈，盡管在少數(shù)情況下，經(jīng)橈骨和跨關(guān)節(jié)假臂可能包含平行或混合手腕。這可能表明實(shí)現(xiàn)與串行鏈性能相當(dāng)?shù)幕�于腕部的并行機(jī)制所需的最小空間量。

雖然主動(dòng)假肢手腕看起來(lái)只是機(jī)器人手腕技術(shù)的一個(gè)子集，但兩者的反向駕駛能力往往是不同的。由于假肢腕使用者還必須攜帶電源，因此功耗低的設(shè)備通常是有益的。使用不可反驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)元件，如絲杠，是一種有效的方法，通過(guò)被動(dòng)地抵抗外部負(fù)載時(shí)，電機(jī)被停用，以減少電力消耗。最小的尺寸和重量的設(shè)計(jì)目標(biāo)使假肢能夠合理地利用小的，雖然高度齒輪傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些人類(lèi)水平的扭矩輸出，而不是重型馬達(dá)與最小的齒輪傳動(dòng)。這些高齒輪傳動(dòng)比甚至使非鎖定傳動(dòng)相對(duì)不可倒車(chē)。當(dāng)多個(gè)齒輪級(jí)串聯(lián)放置時(shí)，重齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)也引入顯著的齒隙。再加上不可反向驅(qū)動(dòng)的特性，這可能會(huì)使假腕在承受脈沖載荷和碰撞時(shí)變得相當(dāng)脆弱。

同時(shí)一些機(jī)器人手腕也使用螺旋元件或高齒輪馬達(dá)，但更寬松的尺寸限制允許使用更大的馬達(dá)和更小的齒輪傳動(dòng)比，甚至直接驅(qū)動(dòng)，然后可以在一些機(jī)器人硬件上實(shí)現(xiàn)反向駕駛，這樣就可以通過(guò)外部的物理操作機(jī)器人來(lái)“指導(dǎo)”機(jī)器人的手臂。這些低齒輪傳動(dòng)比也可能使力感應(yīng)在驅(qū)動(dòng)器甚至控制。

商業(yè)手腕和研究手腕之間也存在著明顯的差異。市面上的手腕可以作為獨(dú)立的假肢，也可以作為工業(yè)和外科手臂的集成部分。商業(yè)假肢手腕往往是被動(dòng)裝置，具有離散的鎖定位置，可調(diào)摩擦離合器，或彈性關(guān)節(jié)，所有這些都有可能用于操縱。研究用的手腕應(yīng)用廣泛，包括假肢、類(lèi)人機(jī)器人、太陽(yáng)能追蹤器和外科機(jī)器人。設(shè)計(jì)采用串行、并行和混合機(jī)制。正如預(yù)期的那樣，研究裝置包含了更多種耦合方案和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

到目前為止，似乎很難實(shí)現(xiàn)扭矩和速度能力的與人相當(dāng)?shù)臋C(jī)械手腕，同時(shí)還要保持相同的大小，重量和慣性。許多機(jī)器人系統(tǒng)在扭矩和速度方面都很容易超越人類(lèi)的手腕，但它們使用的大電機(jī)具有高齒輪傳動(dòng)比，可以不考慮小型化。雖然后一點(diǎn)在特定需要精確定位的系統(tǒng)中可能不那么重要，但是，以類(lèi)似于人類(lèi)的方式與外部環(huán)境交互的系統(tǒng)通常需要一定程度的遵從性或可調(diào)節(jié)阻抗，尤其是在嘗試控制力時(shí)。在假肢和仿人機(jī)器人領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)輕型、緊湊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和高扭矩的傳動(dòng)裝置具有重要的意義。