帶繩驅動機械臂設計在輪椅中的應用

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。當前市場上有不少傳統輪椅，他們的機械手驅動結構非常復雜，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的原理，克服了傳統輪椅的缺陷，研究設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構。

關鍵詞：機械臂設計;帶繩驅動;輪椅

半個多世紀的發展，傳統的機械臂已經廣泛應用家庭生活，工業生產多個領域。伴隨著人們對機械臂的進一步要求，傳統的機械臂笨重，復雜等缺點越發影響著在各個領域的應用。客服了傳統機械臂的缺點，帶繩驅動機械臂這一新穎的技術開始廣泛被研究者們青睞。

1 帶繩驅動機械臂技術

帶繩驅動結構就是依靠繩索來傳遞力與運動的一種裝置。根據繩索可以沿著任意路徑進行遠距離傳輸動力這一特性，很多研究者開始將這個技術應用在機械臂上[1]。帶繩驅動機械臂具有以下優點[2]：

（1）結構簡單，減輕重量。電機利用繩索可遠距離驅動關節，實現機械臂的運動。將關節處的電機、減速器等驅動系統后置于底座上，使得臂身部分的電子元器件使用量減少。這樣的結構大大降低了關節的重量，提高了自身承重比，避免了結構復雜。同時，這樣的機械臂更容易適用于灰塵、水下等惡劣環境下，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節驅動器。帶繩驅動機械臂降低了對昂貴的關節驅動器的依賴，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，應用領域更廣泛。

（3）增加安全性。繩索這種介質，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構的安全。帶繩驅動機械臂的應用，更能保證人機交互時的安全性。

2 在輪椅領域的應用

由于帶繩驅動機械臂較傳統機械臂具有如此多的優勢，目前人們開始廣泛的將這一技術應用于醫療、家庭、航空、工業生產、軍事研究等諸多領域。下面我們來研究它在助殘助老輪椅領域的應用。

2.1 整體結構設計

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

輪椅機械臂采用直線導軌式上下運動關節代替機械臂中的俯仰和旋轉關節，主要考慮是輪椅機械臂關節使用軟繩傳遞電機的動力來達到驅動運動，使驅動馬達與機械臂的臂體分離，上下俯仰旋轉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，從而導致側面電纜斷裂的風險，能降低繩索驅動機械臂的結構可靠性和使用穩定性。

2.2 關節的繩傳動方式

在旋轉接頭上的繩索傳動機構中，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生相對運動的內部鋼絲繩組成。該傳輸方法可以實現電力的遠距離傳輸，具有傳輸效率高，適應性強，靈活性強，無需其他中間機構的特點[3]。

輪椅機械臂的每個旋轉關節由一對繩索傳動機構組成，分別實現機械臂關節的前進和后退運動。繩索傳輸機構利用鋼絲繩穿過撓性的空心套管進行繞線，固定套管的兩端，使繩索與套管之間發生相對運動，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動輪的同步帶上，從而實現驅動馬達的旋轉動力的傳遞，從而形成套索柔性傳動系統，實現機械臂運動關節的驅動。

輪椅臂中的繩索傳動機構的驅動輪是同步帶輪，從動輪是機械臂的旋轉接頭的螺旋繩輪，螺旋繩輪和機械臂的臂體是同步帶輪。集成結構。同步皮帶輪通過鍵槽與驅動馬達相連，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節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構固定，并且套筒的其他中間位置不需要過多的固定。皮帶連接結構除了具有連接同步皮帶和傳動繩的功能外，還起到預張緊繩索的作用，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]。

當機械臂關節的驅動馬達帶動同步皮帶輪向一個方向旋轉時，同步皮帶由皮帶連接結構驅動，使鋼絲繩在殼體中運動，從而使從動的螺旋繩輪在關節處運動。 拔臂朝向相應的旋轉方向旋轉。 當驅動馬達向另一方向旋轉時，從動螺旋繩輪向相反方向旋轉，最終達到驅動機械臂的關節旋轉的目的。 基于繩索驅動的輪椅驅動機械臂的每個關節均由驅動電機單獨驅動。直接驅動以及機械臂的其他兩個旋轉關節均基于繩索傳輸結構的單獨驅動方法。因此，這兩個關節的驅動馬達安裝在輪椅后面。

2.3 末端效應器的結構

輪椅機器人手臂的末端執行器安裝在機器人手臂的最前端，是機器人手臂的任務執行機構。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，它主要用于協助用戶完成某些日常操作，例如抓取物品，喝水，打開和關閉照明燈等。手臂運動的操作要求簡單，方便，不復雜，同時應具有較高的性價比。為此，輪椅機械臂的末端執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，末端執行器由與運動配合以實現抓握動作的三個機械手指組成，并且機械指關節該機芯還使用由繩索驅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。上下手指有兩個關節，兩個手指關節之間形成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位彈簧。三根傳動繩完成驅動力的傳遞。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位彈簧的彈力完成。

3 總結

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

參考文獻：

[1]徐松.基于繩驅動機械臂的研究與設計[D].中國科學技術大學，2019.

[2]翟士民，劉榮，薛彤.繩驅動連續型機械臂設計[J].機械工程與自動化，2015（02）：34-35.

[3]張勤，王帥，范長湘.輪椅帶繩驅動機械臂結構設計[J].機械設計與制造，2014（05）：15-17.

[4]方旭.基于繩驅動的機械臂創新設計與研究[D].中國海洋大學，2015.

[5]章浩.吸煙機桌面機械臂系統的研究與設計[D].中國科學技術大學，2018.