鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空經(jīng)濟發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 鄭州 450015

可穿戴上肢機械臂如圖1所示，指在特殊工程作業(yè)條件下能夠綜合應(yīng)用傳感、識別、通信、測繪、交互等功能，并配備獨立信息智能處理系統(tǒng)的特種依附式機器人?？纱┐魃现珯C械臂的可用性設(shè)計技術(shù)指被融合進可穿戴上肢機械臂設(shè)計任務(wù)中，以可用性為目標(biāo)，以確保機械臂與其各項功能具有較強實用價值的技術(shù)，是目前高端復(fù)雜依附式機器人研發(fā)的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)［1］。

▲圖1 可穿戴上肢機械臂

1 特征分析

1.1 設(shè)備特征

可穿戴上肢機械臂屬于人體外骨骼依附式機器人，依托人類智力與機器設(shè)備動力的高度融合，強調(diào)人的智力與肢體直接參與機器人的控制，并通過相關(guān)技術(shù)的結(jié)合來完成工程制造和生產(chǎn)生活中單靠人體上肢無法完成的作業(yè)?？纱┐魃现珯C械臂可以代替手持工具或其它復(fù)雜多人聯(lián)合使用的特殊器械［2］，主要特征包括實現(xiàn)工具的獨立應(yīng)用、用戶服務(wù)互動交流、生產(chǎn)技術(shù)規(guī)劃管理、特殊作業(yè)即時監(jiān)測、工作人員安全保障等。

1.2 用戶特征

可穿戴上肢機械臂針對特定用戶而進行定制［3］，因此需要對用戶特征進行分析。用戶特征見表1。

表1 可穿戴上肢機械臂用戶特征

對于可穿戴上肢機械臂而言，其用戶群體較為固定，且作為一種高科技產(chǎn)品，目前正處于探索階段，因此對用戶特征進行分析是必備的環(huán)節(jié)。

2 可用性設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

基于可用性設(shè)計要求［4］，設(shè)定可穿戴上肢機械臂的設(shè)計目標(biāo)。

（1）經(jīng)濟性。相對于其它機器人，可穿戴上肢機械臂屬于特種依附式機器人，用戶多為理性消費群體，此部分消費者較看重產(chǎn)品品質(zhì)及功能性，希望以最實惠的價位購買到最具有實用功能的產(chǎn)品。因此在對可穿戴上肢機械臂進行可用性設(shè)計時，要著重考慮可穿戴上肢機械臂的可用性和經(jīng)濟性，以最實用的功能、最精簡的設(shè)計為用戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)［5］。

（2）安全性。使用戶能夠安全、迅速、方便地對可穿戴上肢機械臂進行代入式操作，并基于人的心理特征及上肢的生理特征，在整個過程中杜絕由于人為原因出現(xiàn)的失誤或由機械臂自身故障所引起的計算錯誤，從而全面提高可穿戴上肢機械臂的安全性［6］。

（3）人機性?；谔囟ㄊ褂萌巳旱淖鳂I(yè)行為、能力、認知、操作習(xí)慣等，應(yīng)用人機工程學(xué)在外觀比例、功能結(jié)構(gòu)、造型材料等方面進行綜合設(shè)計，真正實現(xiàn)可穿戴上肢機械臂的可用性。

（4）適用性。由于作業(yè)環(huán)境不同，可穿戴上肢機械臂在可用性設(shè)計時，需充分考慮使用環(huán)境對用戶的影響，總結(jié)出使用可穿戴上肢機械臂進行作業(yè)時需滿足的基本環(huán)境及各類其它要求。

2.2 設(shè)計原則

分析可穿戴上肢機械臂的用戶特征，以可用性為中心，基于經(jīng)濟性、安全性、人機性、適用性等設(shè)計目標(biāo)，確定可穿戴上肢機械臂的設(shè)計原則［7］，見表 2。

表2 可穿戴上肢機械臂設(shè)計原則

3 設(shè)計實例

3.1 原型機

通過對可穿戴上肢機械臂及用戶特征的綜合分析，并依據(jù)可用性設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計原則及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［8］，設(shè)計出的可穿戴式上肢機械臂原型機，如圖2所示。

▲圖2 可穿戴上肢機械臂原型機

可穿戴上肢機械臂使用時需穿戴于工程技術(shù)人員身上，整機標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為7～7.2 kg，適合年齡18～45歲、身高170～180 cm、受過中高等教育的健康男性用戶使用。

為增強使用的安全性，防止可穿戴上肢機械臂在作業(yè)時可能造成的人體損傷，對傳力角度作如下設(shè)定：以矢狀面為基準(zhǔn)，水平方向肩關(guān)節(jié)外展-1～101°、內(nèi)收 -1～45°；以水平面為基準(zhǔn)，豎直方向肩關(guān)節(jié)上擺-1～90°、下擺-1～111°；旋轉(zhuǎn)運動時肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋-1～85°、外旋-1～45°，肘關(guān)節(jié)彎曲 -1～135°、旋前旋后-1～55°。所設(shè)計的可穿戴上肢機械臂采用上位機控制的運行模式，具有單關(guān)節(jié)獨立運動和多關(guān)節(jié)聯(lián)動兩種方式［9］。

為確保人機性與適用性，可穿戴上肢機械臂內(nèi)部的運動部件包括：①肩關(guān)節(jié)水平與旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，主要由蝸輪蝸桿、水平聯(lián)動帶、聯(lián)動盤聯(lián)動實現(xiàn)；② 肩關(guān)節(jié)上下移動機構(gòu)，主要由前臂連接、調(diào)節(jié)滑槽、液壓桿、蝸輪蝸桿聯(lián)動實現(xiàn)；③肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)屈伸運動機構(gòu)，主要由腕關(guān)節(jié)、齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)、液壓連接、肘關(guān)節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)。由于工程技術(shù)人員在使用可穿戴上肢機械臂時，需保證腕關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)能比較方便地進行運動，因此筆者將腕關(guān)節(jié)與手指部位設(shè)計為可跟隨人體手臂自由轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，運動由握控手柄、四指抓手、旋轉(zhuǎn)360°接頭、前臂固定環(huán)聯(lián)動實現(xiàn)。

可穿戴上肢機械臂整體構(gòu)型如圖3所示。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

為使可用性設(shè)計向高度智能化技術(shù)層面靠攏，依據(jù)用戶特征與可穿戴上肢機械臂功能，在硬件設(shè)計時采用兩片數(shù)字信號處理器（DSP）芯片作為可穿戴上肢機械臂控制電路核心。1號DSP芯片控制肩關(guān)節(jié)的豎直與水平運動，用戶可以選擇運動方式，設(shè)置關(guān)節(jié)運動參數(shù)。相關(guān)運動參數(shù)可以傳遞至主控設(shè)備，肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動參數(shù)還可以傳遞至2號DSP芯片。2號DSP芯片控制肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，同時根據(jù)1號DSP芯片所傳遞的旋轉(zhuǎn)運動參數(shù)進行聯(lián)合運算，將合作計算后的運動參數(shù)轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)動指令，輸出至運動電機驅(qū)動器。

以安全性與穩(wěn)定性為前提，可穿戴上肢機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計時，驅(qū)動器采用雙極性H橋驅(qū)動放大電路。為了防止因電機輸出扭矩過大對人體上肢可能造成的傷害，實時對驅(qū)動器的輸出電流進行DSP監(jiān)控反饋檢查，如出現(xiàn)輸出電流超標(biāo)情況，則及時停機處理。為避免因可穿戴上肢機械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)過度或不足對用戶造成的安全隱患或不適，引入4個光電編碼器來檢查電機的實時作業(yè)情況［10-14］。

可穿戴上肢機械臂控制系統(tǒng)如圖4所示。

▲圖3 可穿戴上肢機械臂整體構(gòu)型

▲圖4 可穿戴上肢機械臂控制系統(tǒng)

4 結(jié)論

采用可用性設(shè)計技術(shù)，對可穿戴上肢機械臂設(shè)備特征與用戶特征進行了分析，并提出了可用性設(shè)計目標(biāo)與設(shè)計原則。

在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了可穿戴上肢機械臂原型機及其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了產(chǎn)品的經(jīng)濟性、人機性、安全性和適用性。所做研究可為下一代可穿戴上肢機械臂的可用性設(shè)計提供參考。