12、上肢外骨骼机器人肩部设计与PRISM机制解析

上肢外骨骼机器人肩部设计与PRISM机制解析

1. 现有外骨骼肩部设计特点

在现有的上肢外骨骼设计中，旋转关节可实现肩部的抬高和压低动作。盂肱（GH）关节的运动通过三个自由度（DOF）来完成，但与大多数其他外骨骼设计不同的是，其各轴之间的角度并非正交。

不同外骨骼在提供3个自由度以支持GH关节的活动范围（ROM）时，轴的方向存在明显差异。例如，在ARMin外骨骼中，肩部的内旋/外旋是第三个GH轴（GH3）；而在其他外骨骼中，内旋/外旋是通过所有三个GH轴（GH1、GH2和GH3）的组合来实现的。

第一个轴的选择和放置不仅对最终外骨骼肩部的允许活动范围有重大影响，还会影响工作空间奇异性的位置（或是否存在）。当两个轴对齐时，就会出现奇异性，这实际上会消除设备的一个自由度。奇异性在两个关节轴对齐附近和对齐时的影响很明显，因为设备的可操作性会下降。在机械系统中，奇异性可能表现为“万向节锁定”，即轴向对齐会阻止机构向特定方向移动；或者表现为约束不足的系统，即轴向对齐允许通过多种运动达到相同的结果。这两种情况都不利于末端执行器的正确控制。

在ARMin III中，将第一个GH关节（GH1）直接置于肩部上方，当手臂沿身体一侧伸直时，有可能产生三个奇异性：一个在GH1和GH3（内旋/外旋）之间，第二个在GH3和前臂旋前/旋后（PS）之间，第三个在GH1和PS之间。而在MEDARM和MGA外骨骼设计的轴向配置中，GH1和GH3之间的奇异点被放置在人体手臂工作空间边缘难以到达的位置，或完全置于工作空间之外，这将达到奇异点的风险降到最低，从而减少了奇异性对机构的负面影响，如可操作性差等问题。在HARMONY设计中，GH1和GH2之间以及GH2和GH3之间的角度不像大多数其他外骨骼那