機器人手腕的系列分享之三自由度手腕

具有3自由度旋轉運動(dòng)能力的腕關(guān)節設計可以任意定位其末端執行器。人類(lèi)的手腕就有3自由度運動(dòng)的能力，3自由度人工手腕在某些方面優(yōu)于人類(lèi)的手腕，如運動(dòng)范圍或扭矩輸出。盡管一些假肢在設計中加入了3自由度手腕，但串行3自由度手腕設備在機器人應用中更普遍。

圖3 三自由度手腕 (a) MC MultiFlex(RU) (b) Barrett W AM Arm (RRR) (c) Kuka LBR iiwa (RRR) (d) Chirikjian球形步進(jìn)電機(S)

被動(dòng)串行3自由度：除了那些簡(jiǎn)單組合現有的單自由度假體腕部之外，很少有3自由度被動(dòng)腕部存在，然而，MC Multiflex[圖2(a)]使用了一個(gè)帶有彈性偏置U關(guān)節的單自由度旋轉器，形成了一個(gè)RU鏈，設計類(lèi)似于MC Flexion腕部。

主動(dòng)串聯(lián)3自由度：實(shí)現3自由度主動(dòng)運動(dòng)常見(jiàn)的方法是將主動(dòng)旋轉器串聯(lián)布置，軸線(xiàn)在不同方向上，這種方法被用于修復術(shù)和機器人技術(shù)。由約翰·霍普金斯大學(xué)應用物理實(shí)驗室設計的模塊化假肢，使用了一個(gè)位于旋前的旋轉器，以及兩個(gè)相同的電動(dòng)單元串聯(lián)放置，它們之間有90度的偏移，用于彎曲和偏移。

串行RRR方法在工業(yè)機械臂應用中非常普遍。許多商用工業(yè)武器，如Kuka k -16、川崎k系列、發(fā)那科M系列、DurrEcoPaint、鴻海/ Foxconnrobot arms和巴雷特WAM[圖2(b)]。這三個(gè)關(guān)節的軸在一個(gè)共同點(diǎn)上相交球形末端執行器運動(dòng)，并為機器人手臂更近端的關(guān)節提供平移運動(dòng)與球形手腕運動(dòng)解耦。當兩個(gè)“滾”軸共線(xiàn)時(shí)，這種設計常常導致在零位置出現奇異點(diǎn)。然而，在包裝約束的運動(dòng)范圍和靈活性(輥電機和齒輪系可以放置遠離旋轉中心)使這種配置吸引和適合工業(yè)武器。要注意的是，這些臂內的俯仰和其中一個(gè)滾轉角通常是通過(guò)傘齒輪差速器驅動(dòng)的，這使得電機可以沿著(zhù)腕關(guān)節的縱向放置，節省空間，并可能減少轉動(dòng)慣量。滾-槳-滾設計也用于類(lèi)人機器人、用于衛星服務(wù)的機器人手臂和外科機器人手腕，代替使用D二列滾動(dòng)關(guān)節，一些手腕設計實(shí)現3自由度的運動(dòng)通過(guò)滾動(dòng)-傾斜-偏航配置。在這種情況下，偏航軸垂直于橫搖軸和俯仰軸，對應于人手腕的徑向偏差。當偏航軸與俯仰軸和滾轉軸相交時(shí)，該機構通常被認為是一個(gè)球形腕關(guān)節，也可以被認為是一個(gè)RU鏈。除了手術(shù)臂和工業(yè)臂，因為滾-滾-滾手腕與人的手腕相似，所以也經(jīng)常用于人形或擬人化機械臂。一些系列腕設計選擇使用單一的球關(guān)節而不是串行鏈，雖然整體幾何形狀是一個(gè)球和窩接接頭，但球實(shí)際上是轉子，窩接接頭是定子。