一種仿生多功能助殘機(jī)器人設(shè)計(jì)

杜妍辰， 孫隱

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

0 引言

近年來(lái)， 隨著昆蟲(chóng)仿生學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 使得仿生助殘機(jī)器人的研究， 成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。身體的殘缺給殘障人士的生活帶來(lái)了諸多不便， 殘障人士需要獨(dú)立完成一些活動(dòng)尤其是野外的活動(dòng)很困難， 然而， 機(jī)器人的應(yīng)用使得這些困難有所改善。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)助殘機(jī)器人有了大量的研究， 姚玉峰等[1]提出了以電動(dòng)輪椅作為基礎(chǔ)單元的模塊化設(shè)計(jì)方案； 樊炳輝， 劉圭圭等[2]提出基于雙目立體視覺(jué)的人機(jī)交互方式， 達(dá)到保持手部平衡的情況下運(yùn)動(dòng)到指定位置； 唐矯燕等[3]在兩足步行椅機(jī)器人的基礎(chǔ)上,對(duì)助殘機(jī)器人人在環(huán)中控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究， 設(shè)計(jì)了一種新型的仿生多功能助殘機(jī)器人， 利用其良好的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性,使得在何種環(huán)境下都能為殘障人士所用， 因其具有較為靈敏的避障和越障能力,可以為殘障人士單獨(dú)外出安全引路[4]， 同時(shí)該機(jī)器人有較好的平衡度。

1 前肢的設(shè)計(jì)

仿生多功能助殘機(jī)器人的前肢設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于螳螂， 如圖1。螳螂兩個(gè)胸足的功能是運(yùn)動(dòng)， 作為其中之一的步行足和攀緣足的附節(jié)多帶有剛毛， 前跗節(jié)可以一定程度的彎曲， 使之更緊密地抓緊地面和樹(shù)干， 增加接觸面積， 提供更大的摩擦力。將此結(jié)構(gòu)用于助殘機(jī)器人， 將最大程度地解決存在的問(wèn)題。

圖1 螳螂下肢
Fig.1 Lower limb

圖2 本設(shè)計(jì)前肢仿真圖
Fig.2 Design product forelimb simulation

前足可以實(shí)現(xiàn)抓合和舒展， 前肢仿真圖如圖2所示。當(dāng)遇到道路崎嶇不平、 坡度較大、 路面濕滑、 障礙物情況復(fù)雜且難以通過(guò)， 普通輪子靠滾動(dòng)摩擦抓地不牢的情況下， 通過(guò)調(diào)試前附節(jié)的抓放程度， 使之抓緊地面或其他著力點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)高難度的越障功能。另外， 跗節(jié)帶有的剛刺可以刺進(jìn)物體表面， 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制奪取受力點(diǎn)， 為幫助殘障人士通過(guò)斜坡地段提供了可能。仿生機(jī)器人也可幫助上下樓梯去取一些物品。

2 三種步態(tài)的變換

2.1 平坦道路上可采用四輪著地， 后輪驅(qū)動(dòng)的形式高速行駛

平坦的道路上， 仿生多功能助殘機(jī)器人采用四輪前進(jìn)的方式進(jìn)行行走， 采用四輪變換的特點(diǎn)使其運(yùn)動(dòng)更靈活， 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性高， 極大地提高了殘疾人士的舒適度， 如圖3所示。而且此設(shè)計(jì)采用曲柄伸長(zhǎng)設(shè)計(jì)， 在保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔， 負(fù)重輕便的情況下， 最大程度為使用者增加使用空間。

圖3 三維仿真模擬四輪行走Fig.3 3D simulation simulation of four-wheeled walking

2.2 復(fù)雜道路上， 可用附節(jié)模擬昆蟲(chóng)攀爬， 低速行駛

在復(fù)雜道路上采用前足仿生昆蟲(chóng)附節(jié)設(shè)計(jì)， 提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和越障的靈活性， 此種設(shè)計(jì)由于仿生結(jié)構(gòu)的存在， 前肢的抓地力顯著提高， 保證機(jī)器人可以攀爬一些障礙物， 如圖4所示。為使其運(yùn)行平穩(wěn)， 利用攝像頭可以有效觀察路面情況， 為一些盲人殘疾人獨(dú)自出行提供可能性。

圖4 三維整體渲染圖Fig.4 3D overall rendering

2.3 機(jī)器人可通過(guò)調(diào)控攀爬樓梯等復(fù)雜情況

紅外避障傳感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)紅外)具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管， 發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)[5]， 接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)， 當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物(反射面)時(shí)， 紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收， 經(jīng)過(guò)處理之后， 通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)， 機(jī)器人即可利用紅外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化， 以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況下幫助殘疾人士的目的， 如圖5所示。

圖5 機(jī)器人爬樓梯Fig.5 Robot climbing stairs

3 三維仿真設(shè)計(jì)及模擬

三維仿真設(shè)計(jì)圖如圖6所示， 仿生多功能助殘機(jī)器人中間部分采用雙機(jī)械手的設(shè)計(jì)方式， 機(jī)械手可以代替人類(lèi)在惡劣有害、 極端環(huán)境下按程序?qū)崿F(xiàn)抓取、 搬運(yùn)、 操作工具等動(dòng)作。也可以在復(fù)雜的環(huán)境下通過(guò)自身調(diào)節(jié)調(diào)整位置、 調(diào)整姿態(tài)等。

圖6 三維仿真圖Fig.6 3D simulation

4 仿生多功能助殘機(jī)器人的應(yīng)用

將背椅機(jī)構(gòu)安裝在仿生多功能助殘機(jī)器人上可以形成一種新型的助殘輪椅， 如圖7所示。這種輪椅結(jié)構(gòu)利用仿生多功能助殘機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)， 可以有效地幫助殘疾人士進(jìn)行上下樓梯的活動(dòng)， 同時(shí)使用者只需用P2P手柄無(wú)線傳送模塊遙控利用機(jī)器手機(jī)構(gòu)幫助殘疾人方便地拿取物體。

5 總結(jié)

仿生多功能助殘機(jī)器人技術(shù)與智能檢測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)平臺(tái)的可移動(dòng)化和機(jī)器人的儀器化； 使用簡(jiǎn)單， 使用者只需用P2P手柄無(wú)線傳送模塊遙控。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 體積較小， 質(zhì)量較輕， 可活動(dòng)范圍廣， 機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單， 能精確地實(shí)現(xiàn)勘探、 避障和圖像采集， 能夠替代殘疾人士進(jìn)行一些復(fù)雜環(huán)境下的活動(dòng)、 現(xiàn)場(chǎng)信息采集以及巡視設(shè)備工作狀況等。

圖7 平臺(tái)應(yīng)用Fig.7 Platform application

仿生多功能助殘機(jī)器人前足仿生昆蟲(chóng)附節(jié)設(shè)計(jì)， 提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和越障的靈活性。 可模擬昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)了多功能野外勘探機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的多樣性， 使其對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力增強(qiáng)， 具有模塊化和可重組特點(diǎn)， 多足爬行和四輪變換的特點(diǎn)使其運(yùn)動(dòng)更靈活， 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性高。可替代人在復(fù)雜的環(huán)境下工作； 有很廣泛的市場(chǎng)需求和較高的性?xún)r(jià)比， 經(jīng)濟(jì)效益較高； 零件更換簡(jiǎn)單， 框架結(jié)構(gòu)可以降解等特點(diǎn)； 具有很高的實(shí)用性和可操作性。