摘要：【目的】針對傳統(tǒng)剛性輪椅機(jī)械臂體積大、質(zhì)量重、人機(jī)交互存在安全等問題，設(shè)計(jì)了一種6自由度繩驅(qū)動(dòng)柔性輪椅機(jī)械臂?！痉椒ā吭摍C(jī)械臂采用一種柔性平動(dòng)結(jié)構(gòu)，在改變末端位置的同時(shí)可以保持末端姿態(tài)不變，實(shí)現(xiàn)了位置與姿態(tài)的解耦，同時(shí)可有效提高柔性機(jī)械臂剛度；基于常曲率建模方法建立了柔性機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)空間、關(guān)節(jié)空間、操作空間之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及各柔性關(guān)節(jié)間的解耦分析；建立了基于Adams虛擬樣機(jī)的仿真模型。【結(jié)果】通過與Matlab軟件的數(shù)值仿真結(jié)果對比，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柔性機(jī)械臂；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；輪椅機(jī)械臂；Adams虛擬樣機(jī)

中圖分類號：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 012

0 引言

隨著人口老齡化的加劇，老年人護(hù)理問題日益突出；同時(shí)，每年也有大量因故造成肢體殘疾的人，研究幫助他們提高自理能力的輔助機(jī)器人具有重要意義[1]。電動(dòng)輪椅只能解決他們的代步問題，具有較大局限性。因此，本文設(shè)計(jì)了一種智能輪椅機(jī)器人，在電動(dòng)輪椅上安裝柔性機(jī)械臂，這樣既可以解決代步問題，又可以幫助他們獨(dú)立生活[2]。受使用工況的限制，輪椅機(jī)械臂必須滿足結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、人機(jī)交互安全等要求。

目前，國內(nèi)外已研究設(shè)計(jì)了多種輪椅機(jī)械臂。荷蘭Exact Dynamics 公司生產(chǎn)的6 自由度通用MA?NUS手臂[3]的重型電動(dòng)機(jī)不在機(jī)械臂本身，通過齒形帶傳輸動(dòng)力，故該手臂質(zhì)量較輕，消耗能量少。德國不萊梅大學(xué)研發(fā)的FRIENDⅡ[4]輪椅機(jī)器人配備有智能托盤以及語音控制功能，其機(jī)械臂是AMTECRobotic GmbH公司設(shè)計(jì)的7自由度機(jī)械手臂[5]，手臂由一系列分別具有垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和萬向關(guān)節(jié)組成，具有較好的避障能力。ALQASEMI等[6]設(shè)計(jì)了一款7自由度的輪椅機(jī)械手臂，手臂由直流伺服電動(dòng)機(jī)和諧波齒輪減速器驅(qū)動(dòng)， 手臂質(zhì)量較大。YA?MANOBE等[7]研發(fā)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械臂操作培訓(xùn)系統(tǒng)，可為上肢殘疾的人提供培訓(xùn)練習(xí)以及學(xué)習(xí)如何操作機(jī)械臂。日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所研發(fā)了一款名為RAPUDA的7自由度機(jī)械臂[8-10]，采用樹脂作為手臂基本材料，機(jī)械臂安裝有傳感器，可以完成任務(wù)規(guī)劃導(dǎo)航與抓取物品。

國內(nèi)對輪椅機(jī)械臂的研究也取得了一定進(jìn)展。楊軍等開發(fā)了一種輪椅機(jī)器人[11-12]，其機(jī)械臂有6個(gè)自由度，安裝有光電限位器等傳感器，具有較高的安全性。王旭等[13]設(shè)計(jì)了一種助老助殘輪椅用繩傳動(dòng)機(jī)械臂，具有較小的體積、質(zhì)量和能耗。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的輕型仿人機(jī)械臂有6個(gè)關(guān)節(jié)自由度，長1. 1 m，負(fù)載15 N，集成了輕型作業(yè)臂、人機(jī)交互系統(tǒng)、人體健康監(jiān)測與理療系統(tǒng)、避障傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)等模塊[14]。重慶郵電大學(xué)研究的輪椅用4自由度機(jī)械手臂，可通過遙控系統(tǒng)、語音、肌電等控制方式協(xié)助用戶控制手臂完成抓取動(dòng)作[15-16]。

上述輪椅機(jī)械臂多采用傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，質(zhì)量較大，較為笨重，導(dǎo)致輪椅容易偏心；轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大會影響機(jī)械臂的控制，并且剛性機(jī)械臂人機(jī)交互存在一定安全問題。本文針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種柔性輪椅機(jī)械臂。該機(jī)械臂體積小、質(zhì)量輕，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂分離，具有良好的柔順性，人機(jī)交互更加安全。對該機(jī)械臂進(jìn)行了位姿解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及關(guān)節(jié)解耦分析；建立了數(shù)值仿真模型和虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了柔性輪椅機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的準(zhǔn)確性。