基于無線腳控助殘機械手臂設計分析

曲磊　高娟

摘要 無線腳控助殘機械手臂是一款機械裝置的假手臂，是依據(jù)通信技術中的無線遙控原理來遠程遙控手臂，運用了電動驅(qū)動技術驅(qū)動機械手臂靈活運作，并且創(chuàng)造性地設計成主要以腳部來操控機械手臂運作。該無線腳控助殘機械手臂的設計在外觀上以美觀小巧為理念，在質(zhì)量上以結(jié)構結(jié)實、壽命長、重量輕、耐磨損為目的，在技術上以精密程度高、專業(yè)化強、實用性強、性價比高為設計追求，在設計目的和意義上以人文關懷為設計意義、以幫助“雙腳健全，雙手殘疾”的殘疾人完成他們像正常人一樣自理、生活、學習、掙錢的夢想為設計初衷，在造價上以性價比高、造價成本盡量低、減輕普通家庭的購買壓力為設計要求，在創(chuàng)新上以腳部控制、手臂溫度保護、控制動作靈活度強為設計的突出特點。我們有理由相信，在可預計的未來，無線腳控助殘機械手臂的發(fā)展將會更加成熟，應用會更加普遍化，技術和性能會不斷被優(yōu)化，性價比會越來越高，實用性會越來越強。

關鍵詞 設計原理；該設計特點；優(yōu)勢；未來前景

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）17—0065—02

1無線腳控助殘機械手臂的設計原理

1）電機驅(qū)動設計原理。無線腳控助殘機械手臂運用了電機驅(qū)動和無線遙控原理。無線腳控助殘機械手臂的結(jié)構大致可分為3個大的部分，分別是一個實現(xiàn)像正常人一樣張手與合手的手部、一個控制手部轉(zhuǎn)動方向的腕部、以及一個用于伸縮整只手臂、控制和支撐著手部和腕部的臂部。當然還有一個尤為關鍵的部分，也就是這款無線腳控助殘機械手臂的一個重要的閃光點，既便于無雙手的人使用腳部控制的腳部控制系統(tǒng)裝置。其中的每一部分幾乎都或多或少地運用了電機驅(qū)動原理。電機就是人們俗話說的馬達，電機就是指的是運用電磁感應定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，電機的作用簡單來說就是把電能轉(zhuǎn)化為機械能。而電機驅(qū)動可以比喻為一種開關，是電路控制的開關，從某種程度上來講，有開關功能的大部分電子元器件都可以用來做成電機驅(qū)動裝置。

但是，想要完成驅(qū)動除了電子元器件等硬件設施外，當然還少不了驅(qū)動元器件的動力源。在這款無線腳控助殘機械手臂的設計中，它的動力源有來至于4種之多，例如，人們最熟知的電力驅(qū)動、氣態(tài)壓力所形成的驅(qū)動、以及液態(tài)壓力所形成的驅(qū)動、還有機械驅(qū)動。這款無線腳控助殘機械手臂的各個部分都運用了電機驅(qū)動原理。例如在手部設計中，采用了一個伺服電機去驅(qū)動手部的運作過程，使得手部具有靈活的張手和合手動作，達到幫助無手殘疾人自己完成取物或者放下的動作。又例如在腕部裝置設計中，有一個電機驅(qū)動，用于控制腕部的靈活轉(zhuǎn)動，也就是腕部對手部的方位的控制，電機驅(qū)動正是使得腕部自由度得到充分地利用，達到腕部能夠使手部運作范圍更加寬的目的。除此之外，在無線腳控助殘機械手臂的重要組成部分一臂部中也同樣用到電機驅(qū)動的原理，而此時電機的電源類型是直流電源，幫助殘疾人完成手臂伸縮、回轉(zhuǎn)。

2）無線遙控設計原理。這款無線腳控助殘機械手臂運用了電機驅(qū)動和無線遙控原理。無線遙控原理顧名思義就是通過無線電波作為中間媒介，將腳部控制裝置中的發(fā)射機所發(fā)射的電信號編碼轉(zhuǎn)到機械手臂裝置中的接收機中，在接收機中將收到的無線電波通過放大和解碼變還原成原來的電信號，然后再將電信號進行功率放大來達到驅(qū)動電機裝置，從而讓殘疾人通過腳部控制裝置去控制手臂完成殘疾人自己想完成的動作，這種無線遙控裝置具有信號的精準接受以及準確執(zhí)行的特點，這就是運用無線控制原理把腳部控制裝置與手臂控制裝置完好地結(jié)合在一起共同完成某個殘疾人動作指令的過程。

2該設計特點與優(yōu)勢

這種無線腳控助殘機械手臂的特點居多，就腳部無線控制方面來說，它具有腳部無線遙控手臂信號精準、動作完成準確、反應靈敏、速度適中的特點。這也是這款無線腳控助殘機械手臂的創(chuàng)新之處。就機械手臂的各部分裝置來說，具有整體手臂質(zhì)量較輕、外形裝上防人皮更顯美觀、手臂自帶保暖裝置系統(tǒng)保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)、機械手臂各部分銜接設計十分專業(yè)化和系統(tǒng)化的特點。就機械手臂造價方面來說，它具有造價成本低且保證性價比高、材料來源廣便于大量制造和修補等的特點。

曾經(jīng)的假肢最開始只是一個手的造型，并沒有制動裝置以及自動功能，簡單來說，就如一條按在肩上的兩條死板的棍子，所具備的手臂活動范圍較小、無靈活性。后來出現(xiàn)了簡單地制動裝置，但是只能完成一個或者幾個簡單地動作，動作的多樣性和靈活性十分受限，也就使地殘疾人的動作十分受限，這意味著殘疾人的自理能力還是較弱，而且更重要的是老式的機械手臂很多都是通過一只正常的手來控制另一只機械手臂，那么這樣便使無雙臂的人無法使用，還有一種老式的機械手臂是控制裝置在輪椅或者凳子上，這就更不方便出行隨身攜帶了。而不同的是，現(xiàn)在這款新出的無線腳控助殘機械手臂，它能夠有效地解決以上老式機械手臂的種種不便和問題。

第一，它能解決死板、活動范圍局限性大的問題。這款機械手臂采用多自由度電機驅(qū)動，包括手部自由度、腕部自由度以及臂部自由度，尤其臂部自由度有3個，這就大大增加了該無線腳控助殘機械手臂的活動范圍以及活動方位的靈活轉(zhuǎn)換。

第二，它能解決速度難以準確控制問題。手臂的電機驅(qū)動的電機是通過改造后的電機，這種電機可以在原來的基礎上降低速度，研究組通過觀察和測量人類正常手的速度來設計機械手的速度，使得機械手臂的速度保持在一個相對適中的一個速度上，這樣不僅避免了可能出現(xiàn)的安全事故，同時也使手臂在運作時有助于提高動作的精準度。

第三，它能解決結(jié)構復雜、控制過程繁瑣的問題。無線腳控助殘機械手臂是采用機械驅(qū)動的結(jié)構，這種結(jié)構相對其他驅(qū)動結(jié)構來說相對簡單，制造的時候也易懂易理解，控制3也簡單易學，這既方便了制造方的制造，又方便了購買方殘疾人學習控制，具有很大的可行性和實用性，而且更重要的是這種機械機動裝置重量輕、且尺寸緊湊。

第四，它能解決人們擔心普通家庭購買不起、手臂造價過高的實際性問題。那么該無線腳控助殘機械手臂的制作材料是選用碳纖維結(jié)構的材料，這種碳纖維材料具有質(zhì)量輕、結(jié)實、耐用、廉價、易購買、原材料來源廣的特點。從而減輕了殘疾人肩部承擔無線腳控助殘機械手臂的負擔。

3未來前景

目前中國約有8500萬殘疾人，因各種原因致殘的人口達到8296萬人，占全國人口的6.34%，其中肢體殘疾人有2412萬人，占殘疾人總數(shù)的62.1%，這表明了中國對這種手臂自動裝置來幫助殘疾人提高生活自理能力，幫助殘疾家庭減輕經(jīng)濟負擔，減輕殘疾人在家庭中總是需要人24h照顧的困擾，在這種社會急需、殘疾人要求急需、中國對老弱病殘人士的關懷趨勢下，不難得知，無線腳控助殘機械手臂的發(fā)展會越來越速度，它在市場的需求會越來越高，隨著我國經(jīng)濟的騰飛，機械手或機械手臂設備在國家工業(yè)方面也得到了迅猛發(fā)展。

4結(jié)論

我們有理由相信，在可預計的未來，無線腳控助殘機械手臂的發(fā)展將會更加成熟、應用會更加普遍化、技術和性能會不斷被優(yōu)化、性價比會越來越高、實用性會越來越強。