16、手部外骨骼系统：拓扑结构、驱动、传感与控制全解析

手部外骨骼系统：拓扑结构、驱动、传感与控制全解析

1. 手部外骨骼拓扑结构

手部外骨骼机制的拓扑结构有多种分类方式，常见的有匹配轴、远程运动中心、冗余连杆、基端到远端和柔顺拓扑这几种。以下是对这些拓扑结构的详细介绍：
- 匹配轴拓扑（Matched Axes）
- 原理：将外骨骼关节的旋转轴与人体关节的旋转轴重合，如图 8.3A 所示。
- 优势：能最直接地使外骨骼运动可预测地控制手部自由度。
- 不足：实际操作中较难实现，因为要使外骨骼的屈伸（F/E）关节与手指关节重合，外骨骼结构需位于手指侧面。而很多抓握动作中手指会相互接触，所以这种拓扑结构在多手指系统中通常不可行。不过，在所有研究的系统中，四个手指的内收/外展（A/A）运动都采用了匹配轴拓扑。
- 远程运动中心拓扑（Remote Center of Motion）
- 原理：外骨骼机制使每个连杆绕与手指关节对齐的远程运动中心旋转，如图 8.3B 所示。常见机制包括平行四边形机制和圆柱 - 棱柱关节。
- 优势：这些机制根据设计可以具有较低的外形。外骨骼通常连接到每个关节近端和远端的手部节段，使每个外骨骼关节与生物关节耦合。
- 冗余连杆拓扑（Redundant Linkage）
- 原理：将特定外骨骼关节的运动与单个手部关节耦合。系统在每个驱动的手部关节前后连接到手指，并在每个连接点之间设置额外的连杆和关节，如图 8.3C 所示。
- 优势：这些额外的关节和连杆将相邻连接点之间的手指 - 外骨骼组合系统转变为四杆或其他具有明确外骨骼与手部关节运动关系的