帶繩驅(qū)動機械臂設(shè)計在輪椅中的應(yīng)用

張嘯

摘要：目前人口老齡化是世界上許多國家都面臨著的社會問題，老年人越來越多，與此同時，世界上部分肢體殘疾的人也不少。對于行動能力缺失的老年人和殘疾人來說，輪椅是他們生活不可缺失的工具，能設(shè)計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)前市場上有不少傳統(tǒng)輪椅，他們的機械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且還存在體積龐大，自重偏大等硬件問題，本文運用了套索式繩傳動機構(gòu)的原理，克服了傳統(tǒng)輪椅的缺陷，研究設(shè)計出了一種助傳動效率高、靈活的老助殘輪椅用的繩傳動機械臂結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：機械臂設(shè)計;帶繩驅(qū)動;輪椅

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

1 帶繩驅(qū)動機械臂技術(shù)

帶繩驅(qū)動結(jié)構(gòu)就是依靠繩索來傳遞力與運動的一種裝置。根據(jù)繩索可以沿著任意路徑進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸動力這一特性，很多研究者開始將這個技術(shù)應(yīng)用在機械臂上[1]。帶繩驅(qū)動機械臂具有以下優(yōu)點[2]：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，減輕重量。電機利用繩索可遠(yuǎn)距離驅(qū)動關(guān)節(jié)，實現(xiàn)機械臂的運動。將關(guān)節(jié)處的電機、減速器等驅(qū)動系統(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，這樣的機械臂更容易適用于灰塵、水下等惡劣環(huán)境下，這樣的保障了運行中的安全性。

（2）能大幅度降低成本。機械臂的主要成本是關(guān)節(jié)驅(qū)動器。帶繩驅(qū)動機械臂降低了對昂貴的關(guān)節(jié)驅(qū)動器的依賴，可以用成本較低的拉力傳感器代替。這樣能很好的降低機械臂的成本，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。能夠在機械臂急停、意外碰撞等情況下保證機械臂結(jié)構(gòu)的安全。帶繩驅(qū)動機械臂的應(yīng)用，更能保證人機交互時的安全性。

2 在輪椅領(lǐng)域的應(yīng)用

由于帶繩驅(qū)動機械臂較傳統(tǒng)機械臂具有如此多的優(yōu)勢，目前人們開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

我們設(shè)計的繩索驅(qū)動輪椅機器人手臂是一個多自由度機械手，由3個運動關(guān)節(jié)組成。機械臂的結(jié)構(gòu)如下：第一關(guān)節(jié)是由線性導(dǎo)軌和滑塊組成的上、下移動關(guān)節(jié)。見圖1所示，輪椅機械臂是由前輪驅(qū)動的電動輪椅移動平臺和多關(guān)節(jié)操縱器組裝而成。機械臂安裝在輪椅移動平臺左驅(qū)動輪的正上方，由上下移動關(guān)節(jié)，兩個水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和具有夾緊功能的末端執(zhí)行器組成。

輪椅機械臂采用直線導(dǎo)軌式上下運動關(guān)節(jié)代替機械臂中的俯仰和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主要考慮是輪椅機械臂關(guān)節(jié)使用軟繩傳遞電機的動力來達(dá)到驅(qū)動運動，使驅(qū)動馬達(dá)與機械臂的臂體分離，上下俯仰旋轉(zhuǎn)接頭必定會由于臂的重量而使傳動繩索長時間處于拉力狀態(tài)，從而導(dǎo)致側(cè)面電纜斷裂的風(fēng)險，能降低繩索驅(qū)動機械臂的結(jié)構(gòu)可靠性和使用穩(wěn)定性。

2.2 關(guān)節(jié)的繩傳動方式

在旋轉(zhuǎn)接頭上的繩索傳動機構(gòu)中，輪椅機械臂的傳動方式是套索式柔性傳動方式，由固定的空心套筒和可與套筒產(chǎn)生相對運動的內(nèi)部鋼絲繩組成。該傳輸方法可以實現(xiàn)電力的遠(yuǎn)距離傳輸，具有傳輸效率高，適應(yīng)性強，靈活性強，無需其他中間機構(gòu)的特點[3]。

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

輪椅臂中的繩索傳動機構(gòu)的驅(qū)動輪是同步帶輪，從動輪是機械臂的旋轉(zhuǎn)接頭的螺旋繩輪，螺旋繩輪和機械臂的臂體是同步帶輪。集成結(jié)構(gòu)。同步皮帶輪通過鍵槽與驅(qū)動馬達(dá)相連，同步皮帶固定在皮帶輪上，兩端通過皮帶連接裝置對稱地連接到一對鋼絲繩上，鋼絲繩然后穿過空心軟套完成布線，然后分別沿相反的方向纏繞在機器人手臂關(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。布線分別通過套筒固定結(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繩的功能外，還起到預(yù)張緊繩索的作用，從而使傳動繩保持張緊，以確保傳動精度。螺旋繩輪上的凹槽是確保傳輸線的運動方向和傳輸精度[4]。

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

2.3 末端效應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

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

機械臂的執(zhí)行器主要由手指，手掌，彈簧，傳動繩和動力源組成。機械手指是具有一定仿生效果的靈巧手指。上下手指有兩個關(guān)節(jié)，兩個手指關(guān)節(jié)之間形成45°角以抓住物體。機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作時抓取器的位置。機械爪的每個機械指都包含一根傳動繩和一個復(fù)位彈簧。三根傳動繩完成驅(qū)動力的傳遞。機械手指的移動確保了在抓握操作期間打開爪的三個機械手指的同步，并且機械爪的夾緊作用通過復(fù)位彈簧的彈力完成。

3 總結(jié)

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

參考文獻(xiàn)：

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[3]張勤，王帥，范長湘.輪椅帶繩驅(qū)動機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2014（05）：15-17.

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[5]章浩.吸煙機桌面機械臂系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.