張嘯

摘要：目前人口老齡化是世界上許多國(guó)家都面臨著的社會(huì)問(wèn)題，老年人越來(lái)越多，與此同時(shí)，世界上部分肢體殘疾的人也不少。對(duì)于行動(dòng)能力缺失的老年人和殘疾人來(lái)說(shuō)，輪椅是他們生活不可缺失的工具，能設(shè)計(jì)出適合并幫助他們提高生活自理能力的輔助輪椅具有非常重要的意義。當(dāng)前市場(chǎng)上有不少傳統(tǒng)輪椅，他們的機(jī)械手驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且還存在體積龐大，自重偏大等硬件問(wèn)題，本文運(yùn)用了套索式繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理，克服了傳統(tǒng)輪椅的缺陷，研究設(shè)計(jì)出了一種助傳動(dòng)效率高、靈活的老助殘輪椅用的繩傳動(dòng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂設(shè)計(jì);帶繩驅(qū)動(dòng);輪椅

半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械臂已經(jīng)廣泛應(yīng)用家庭生活，工業(yè)生產(chǎn)多個(gè)領(lǐng)域。伴隨著人們對(duì)機(jī)械臂的進(jìn)一步要求，傳統(tǒng)的機(jī)械臂笨重，復(fù)雜等缺點(diǎn)越發(fā)影響著在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用?？头藗鹘y(tǒng)機(jī)械臂的缺點(diǎn)，帶繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂這一新穎的技術(shù)開(kāi)始廣泛被研究者們青睞。

1 帶繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂技術(shù)

帶繩驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)就是依靠繩索來(lái)傳遞力與運(yùn)動(dòng)的一種裝置。根據(jù)繩索可以沿著任意路徑進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸動(dòng)力這一特性，很多研究者開(kāi)始將這個(gè)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械臂上[1]。帶繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減輕重量。電機(jī)利用繩索可遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。將關(guān)節(jié)處的電機(jī)、減速器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后置于底座上，使得臂身部分的電子元器件使用量減少。這樣的結(jié)構(gòu)大大降低了關(guān)節(jié)的重量，提高了自身承重比，避免了結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時(shí)，這樣的機(jī)械臂更容易適用于灰塵、水下等惡劣環(huán)境下，這樣的保障了運(yùn)行中的安全性。

（2）能大幅度降低成本。機(jī)械臂的主要成本是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。帶繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂降低了對(duì)昂貴的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的依賴(lài)，可以用成本較低的拉力傳感器代替。這樣能很好的降低機(jī)械臂的成本，應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。

（3）增加安全性。繩索這種介質(zhì)，具有很好的柔韌性。能夠在機(jī)械臂急停、意外碰撞等情況下保證機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的安全。帶繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的應(yīng)用，更能保證人機(jī)交互時(shí)的安全性。

2 在輪椅領(lǐng)域的應(yīng)用

由于帶繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂較傳統(tǒng)機(jī)械臂具有如此多的優(yōu)勢(shì)，目前人們開(kāi)始廣泛的將這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療、家庭、航空、工業(yè)生產(chǎn)、軍事研究等諸多領(lǐng)域。下面我們來(lái)研究它在助殘助老輪椅領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的繩索驅(qū)動(dòng)輪椅機(jī)器人手臂是一個(gè)多自由度機(jī)械手，由3個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如下：第一關(guān)節(jié)是由線(xiàn)性導(dǎo)軌和滑塊組成的上、下移動(dòng)關(guān)節(jié)。見(jiàn)圖1所示，輪椅機(jī)械臂是由前輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)輪椅移動(dòng)平臺(tái)和多關(guān)節(jié)操縱器組裝而成。機(jī)械臂安裝在輪椅移動(dòng)平臺(tái)左驅(qū)動(dòng)輪的正上方，由上下移動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和具有夾緊功能的末端執(zhí)行器組成。

輪椅機(jī)械臂采用直線(xiàn)導(dǎo)軌式上下運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)代替機(jī)械臂中的俯仰和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主要考慮是輪椅機(jī)械臂關(guān)節(jié)使用軟繩傳遞電機(jī)的動(dòng)力來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與機(jī)械臂的臂體分離，上下俯仰旋轉(zhuǎn)接頭必定會(huì)由于臂的重量而使傳動(dòng)繩索長(zhǎng)時(shí)間處于拉力狀態(tài)，從而導(dǎo)致側(cè)面電纜斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，能降低繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)可靠性和使用穩(wěn)定性。

2.2 關(guān)節(jié)的繩傳動(dòng)方式

在旋轉(zhuǎn)接頭上的繩索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，輪椅機(jī)械臂的傳動(dòng)方式是套索式柔性傳動(dòng)方式，由固定的空心套筒和可與套筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部鋼絲繩組成。該傳輸方法可以實(shí)現(xiàn)電力的遠(yuǎn)距離傳輸，具有傳輸效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性強(qiáng)，無(wú)需其他中間機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)[3]。

輪椅機(jī)械臂的每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由一對(duì)繩索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)。繩索傳輸機(jī)構(gòu)利用鋼絲繩穿過(guò)撓性的空心套管進(jìn)行繞線(xiàn)，固定套管的兩端，使繩索與套管之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，然后將繩索的一端纏繞 圍繞從動(dòng)軸螺旋槽固定在螺旋槽中，另一端通過(guò)連接裝置連接到驅(qū)動(dòng)輪的同步帶上，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的傳遞，從而形成套索柔性傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。

輪椅臂中的繩索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪是同步帶輪，從動(dòng)輪是機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)接頭的螺旋繩輪，螺旋繩輪和機(jī)械臂的臂體是同步帶輪。集成結(jié)構(gòu)。同步皮帶輪通過(guò)鍵槽與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連，同步皮帶固定在皮帶輪上，兩端通過(guò)皮帶連接裝置對(duì)稱(chēng)地連接到一對(duì)鋼絲繩上，鋼絲繩然后穿過(guò)空心軟套完成布線(xiàn)，然后分別沿相反的方向纏繞在機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)螺旋繩輪兩端的螺旋槽中，并分別纏繞在軟套的兩端。布線(xiàn)分別通過(guò)套筒固定結(jié)構(gòu)固定，并且套筒的其他中間位置不需要過(guò)多的固定。皮帶連接結(jié)構(gòu)除了具有連接同步皮帶和傳動(dòng)繩的功能外，還起到預(yù)張緊繩索的作用，從而使傳動(dòng)繩保持張緊，以確保傳動(dòng)精度。螺旋繩輪上的凹槽是確保傳輸線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向和傳輸精度[4]。

當(dāng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)同步皮帶輪向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，同步皮帶由皮帶連接結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，使鋼絲繩在殼體中運(yùn)動(dòng)，從而使從動(dòng)的螺旋繩輪在關(guān)節(jié)處運(yùn)動(dòng)。 拔臂朝向相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)向另一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)螺旋繩輪向相反方向旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的目的。 基于繩索驅(qū)動(dòng)的輪椅驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)均由驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)以及機(jī)械臂的其他兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均基于繩索傳輸結(jié)構(gòu)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)方法。因此，這兩個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝在輪椅后面。

2.3 末端效應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

輪椅機(jī)器人手臂的末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人手臂的最前端，是機(jī)器人手臂的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它用于完成一些基本操作，例如抓取操作?？紤]到輪椅機(jī)械臂是老年人和殘疾人的生活輔助輪椅機(jī)器人，它主要用于協(xié)助用戶(hù)完成某些日常操作，例如抓取物品，喝水，打開(kāi)和關(guān)閉照明燈等。手臂運(yùn)動(dòng)的操作要求簡(jiǎn)單，方便，不復(fù)雜，同時(shí)應(yīng)具有較高的性?xún)r(jià)比。為此，輪椅機(jī)械臂的末端執(zhí)行器是由機(jī)械手掌和三個(gè)相同的機(jī)械手指組成的機(jī)械爪機(jī)構(gòu)，末端執(zhí)行器由與運(yùn)動(dòng)配合以實(shí)現(xiàn)抓握動(dòng)作的三個(gè)機(jī)械手指組成，并且機(jī)械指關(guān)節(jié)該機(jī)芯還使用由繩索驅(qū)動(dòng)的套索式柔性傳動(dòng)方法，但機(jī)芯的動(dòng)力不是直流伺服電機(jī)，而是直流電伸縮桿。通過(guò)電動(dòng)伸縮桿的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成了操縱爪的打開(kāi)和抓緊[5]。

機(jī)械臂的執(zhí)行器主要由手指，手掌，彈簧，傳動(dòng)繩和動(dòng)力源組成。機(jī)械手指是具有一定仿生效果的靈巧手指。上下手指有兩個(gè)關(guān)節(jié)，兩個(gè)手指關(guān)節(jié)之間形成45°角以抓住物體。機(jī)械手指表面上的突起可以有效地增加接觸表面的摩擦力，從而在抓握過(guò)程中增加抓握力，并且抓握接觸表面與手指之間的間隙可以減小沖擊功能，從而提高可靠性抓取動(dòng)作時(shí)抓取器的位置。機(jī)械爪的每個(gè)機(jī)械指都包含一根傳動(dòng)繩和一個(gè)復(fù)位彈簧。三根傳動(dòng)繩完成驅(qū)動(dòng)力的傳遞。機(jī)械手指的移動(dòng)確保了在抓握操作期間打開(kāi)爪的三個(gè)機(jī)械手指的同步，并且機(jī)械爪的夾緊作用通過(guò)復(fù)位彈簧的彈力完成。

3 總結(jié)

利用繩索進(jìn)行動(dòng)力傳遞和驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輪椅，具有體積小，傳動(dòng)線(xiàn)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。它可以幫助老年人或殘障人士完成簡(jiǎn)單的日常生活操作。但是繩驅(qū)動(dòng)技術(shù)中仍有尚未解決的難題，比如繩索的單向驅(qū)動(dòng)特性以及張緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，目前仍沒(méi)有成熟的方案。

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