基于無線腳控助殘機(jī)械手臂設(shè)計(jì)分析

曲磊　高娟

摘要 無線腳控助殘機(jī)械手臂是一款機(jī)械裝置的假手臂，是依據(jù)通信技術(shù)中的無線遙控原理來遠(yuǎn)程遙控手臂，運(yùn)用了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂靈活運(yùn)作，并且創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)成主要以腳部來操控機(jī)械手臂運(yùn)作。該無線腳控助殘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)在外觀上以美觀小巧為理念，在質(zhì)量上以結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)、壽命長(zhǎng)、重量輕、耐磨損為目的，在技術(shù)上以精密程度高、專業(yè)化強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高為設(shè)計(jì)追求，在設(shè)計(jì)目的和意義上以人文關(guān)懷為設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)、掙錢的夢(mèng)想為設(shè)計(jì)初衷，在造價(jià)上以性價(jià)比高、造價(jià)成本盡量低、減輕普通家庭的購(gòu)買壓力為設(shè)計(jì)要求，在創(chuàng)新上以腳部控制、手臂溫度保護(hù)、控制動(dòng)作靈活度強(qiáng)為設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)。我們有理由相信，在可預(yù)計(jì)的未來，無線腳控助殘機(jī)械手臂的發(fā)展將會(huì)更加成熟，應(yīng)用會(huì)更加普遍化，技術(shù)和性能會(huì)不斷被優(yōu)化，性價(jià)比會(huì)越來越高，實(shí)用性會(huì)越來越強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 設(shè)計(jì)原理；該設(shè)計(jì)特點(diǎn)；優(yōu)勢(shì)；未來前景

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）17—0065—02

1無線腳控助殘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)原理

1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理。無線腳控助殘機(jī)械手臂運(yùn)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無線遙控原理。無線腳控助殘機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)大致可分為3個(gè)大的部分，分別是一個(gè)實(shí)現(xiàn)像正常人一樣張手與合手的手部、一個(gè)控制手部轉(zhuǎn)動(dòng)方向的腕部、以及一個(gè)用于伸縮整只手臂、控制和支撐著手部和腕部的臂部。當(dāng)然還有一個(gè)尤為關(guān)鍵的部分，也就是這款無線腳控助殘機(jī)械手臂的一個(gè)重要的閃光點(diǎn)，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(yùn)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理。電機(jī)就是人們俗話說的馬達(dá)，電機(jī)就是指的是運(yùn)用電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，電機(jī)的作用簡(jiǎn)單來說就是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以比喻為一種開關(guān)，是電路控制的開關(guān)，從某種程度上來講，有開關(guān)功能的大部分電子元器件都可以用來做成電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。

但是，想要完成驅(qū)動(dòng)除了電子元器件等硬件設(shè)施外，當(dāng)然還少不了驅(qū)動(dòng)元器件的動(dòng)力源。在這款無線腳控助殘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)中，它的動(dòng)力源有來至于4種之多，例如，人們最熟知的電力驅(qū)動(dòng)、氣態(tài)壓力所形成的驅(qū)動(dòng)、以及液態(tài)壓力所形成的驅(qū)動(dòng)、還有機(jī)械驅(qū)動(dòng)。這款無線腳控助殘機(jī)械手臂的各個(gè)部分都運(yùn)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理。例如在手部設(shè)計(jì)中，采用了一個(gè)伺服電機(jī)去驅(qū)動(dòng)手部的運(yùn)作過程，使得手部具有靈活的張手和合手動(dòng)作，達(dá)到幫助無手殘疾人自己完成取物或者放下的動(dòng)作。又例如在腕部裝置設(shè)計(jì)中，有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于控制腕部的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是腕部對(duì)手部的方位的控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)正是使得腕部自由度得到充分地利用，達(dá)到腕部能夠使手部運(yùn)作范圍更加寬的目的。除此之外，在無線腳控助殘機(jī)械手臂的重要組成部分一臂部中也同樣用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理，而此時(shí)電機(jī)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(shè)計(jì)原理。這款無線腳控助殘機(jī)械手臂運(yùn)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)所發(fā)射的電信號(hào)編碼轉(zhuǎn)到機(jī)械手臂裝置中的接收機(jī)中，在接收機(jī)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(hào)，然后再將電信號(hào)進(jìn)行功率放大來達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)作，這種無線遙控裝置具有信號(hào)的精準(zhǔn)接受以及準(zhǔn)確執(zhí)行的特點(diǎn)，這就是運(yùn)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(gè)殘疾人動(dòng)作指令的過程。

2該設(shè)計(jì)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

這種無線腳控助殘機(jī)械手臂的特點(diǎn)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(hào)精準(zhǔn)、動(dòng)作完成準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏、速度適中的特點(diǎn)。這也是這款無線腳控助殘機(jī)械手臂的創(chuàng)新之處。就機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)械手臂各部分銜接設(shè)計(jì)十分專業(yè)化和系統(tǒng)化的特點(diǎn)。就機(jī)械手臂造價(jià)方面來說，它具有造價(jià)成本低且保證性價(jià)比高、材料來源廣便于大量制造和修補(bǔ)等的特點(diǎn)。

曾經(jīng)的假肢最開始只是一個(gè)手的造型，并沒有制動(dòng)裝置以及自動(dòng)功能，簡(jiǎn)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(dòng)范圍較小、無靈活性。后來出現(xiàn)了簡(jiǎn)單地制動(dòng)裝置，但是只能完成一個(gè)或者幾個(gè)簡(jiǎn)單地動(dòng)作，動(dòng)作的多樣性和靈活性十分受限，也就使地殘疾人的動(dòng)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(jī)械手臂很多都是通過一只正常的手來控制另一只機(jī)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(jī)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(jī)械手臂，它能夠有效地解決以上老式機(jī)械手臂的種種不便和問題。

第一，它能解決死板、活動(dòng)范圍局限性大的問題。這款機(jī)械手臂采用多自由度電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(gè)，這就大大增加了該無線腳控助殘機(jī)械手臂的活動(dòng)范圍以及活動(dòng)方位的靈活轉(zhuǎn)換。

第二，它能解決速度難以準(zhǔn)確控制問題。手臂的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)是通過改造后的電機(jī)，這種電機(jī)可以在原來的基礎(chǔ)上降低速度，研究組通過觀察和測(cè)量人類正常手的速度來設(shè)計(jì)機(jī)械手的速度，使得機(jī)械手臂的速度保持在一個(gè)相對(duì)適中的一個(gè)速度上，這樣不僅避免了可能出現(xiàn)的安全事故，同時(shí)也使手臂在運(yùn)作時(shí)有助于提高動(dòng)作的精準(zhǔn)度。

第三，它能解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制過程繁瑣的問題。無線腳控助殘機(jī)械手臂是采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)其他驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)來說相對(duì)簡(jiǎn)單，制造的時(shí)候也易懂易理解，控制3也簡(jiǎn)單易學(xué)，這既方便了制造方的制造，又方便了購(gòu)買方殘疾人學(xué)習(xí)控制，具有很大的可行性和實(shí)用性，而且更重要的是這種機(jī)械機(jī)動(dòng)裝置重量輕、且尺寸緊湊。

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

3未來前景

目前中國(guó)約有8500萬殘疾人，因各種原因致殘的人口達(dá)到8296萬人，占全國(guó)人口的6.34%，其中肢體殘疾人有2412萬人，占?xì)埣踩丝倲?shù)的62.1%，這表明了中國(guó)對(duì)這種手臂自動(dòng)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(jì)負(fù)擔(dān)，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(huì)急需、殘疾人要求急需、中國(guó)對(duì)老弱病殘人士的關(guān)懷趨勢(shì)下，不難得知，無線腳控助殘機(jī)械手臂的發(fā)展會(huì)越來越速度，它在市場(chǎng)的需求會(huì)越來越高，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，機(jī)械手或機(jī)械手臂設(shè)備在國(guó)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(yù)計(jì)的未來，無線腳控助殘機(jī)械手臂的發(fā)展將會(huì)更加成熟、應(yīng)用會(huì)更加普遍化、技術(shù)和性能會(huì)不斷被優(yōu)化、性價(jià)比會(huì)越來越高、實(shí)用性會(huì)越來越強(qiáng)。