基于无线脚控助残机械手臂设计分析

曲磊　高娟

摘要 无线脚控助残机械手臂是一款机械装置的假手臂，是依据通信技术中的无线遥控原理来远程遥控手臂，运用了电动驱动技术驱动机械手臂灵活运作，并且创造性地设计成主要以脚部来操控机械手臂运作。该无线脚控助残机械手臂的设计在外观上以美观小巧为理念，在质量上以结构结实、寿命长、重量轻、耐磨损为目的，在技术上以精密程度高、专业化强、实用性强、性价比高为设计追求，在设计目的和意义上以人文关怀为设计意义、以帮助“双脚健全，双手残疾”的残疾人完成他们像正常人一样自理、生活、学习、挣钱的梦想为设计初衷，在造价上以性价比高、造价成本尽量低、减轻普通家庭的购买压力为设计要求，在创新上以脚部控制、手臂温度保护、控制动作灵活度强为设计的突出特点。我们有理由相信，在可预计的未来，无线脚控助残机械手臂的发展将会更加成熟，应用会更加普遍化，技术和性能会不断被优化，性价比会越来越高，实用性会越来越强。

关键词 设计原理；该设计特点；优势；未来前景

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）17—0065—02

1无线脚控助残机械手臂的设计原理

1）电机驱动设计原理。无线脚控助残机械手臂运用了电机驱动和无线遥控原理。无线脚控助残机械手臂的结构大致可分为3个大的部分，分别是一个实现像正常人一样张手与合手的手部、一个控制手部转动方向的腕部、以及一个用于伸缩整只手臂、控制和支撑着手部和腕部的臂部。当然还有一个尤为关键的部分，也就是这款无线脚控助残机械手臂的一个重要的闪光点，既便于无双手的人使用脚部控制的脚部控制系统装置。其中的每一部分几乎都或多或少地运用了电机驱动原理。电机就是人们俗话说的马达，电机就是指的是运用电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，电机的作用简单来说就是把电能转化为机械能。而电机驱动可以比喻为一种开关，是电路控制的开关，从某种程度上来讲，有开关功能的大部分电子元器件都可以用来做成电机驱动装置。

但是，想要完成驱动除了电子元器件等硬件设施外，当然还少不了驱动元器件的动力源。在这款无线脚控助残机械手臂的设计中，它的动力源有来至于4种之多，例如，人们最熟知的电力驱动、气态压力所形成的驱动、以及液态压力所形成的驱动、还有机械驱动。这款无线脚控助残机械手臂的各个部分都运用了电机驱动原理。例如在手部设计中，采用了一个伺服电机去驱动手部的运作过程，使得手部具有灵活的张手和合手动作，达到帮助无手残疾人自己完成取物或者放下的动作。又例如在腕部装置设计中，有一个电机驱动，用于控制腕部的灵活转动，也就是腕部对手部的方位的控制，电机驱动正是使得腕部自由度得到充分地利用，达到腕部能够使手部运作范围更加宽的目的。除此之外，在无线脚控助残机械手臂的重要组成部分一臂部中也同样用到电机驱动的原理，而此时电机的电源类型是直流电源，帮助残疾人完成手臂伸缩、回转。

2）无线遥控设计原理。这款无线脚控助残机械手臂运用了电机驱动和无线遥控原理。无线遥控原理顾名思义就是通过无线电波作为中间媒介，将脚部控制装置中的发射机所发射的电信号编码转到机械手臂装置中的接收机中，在接收机中将收到的无线电波通过放大和解码变还原成原来的电信号，然后再将电信号进行功率放大来达到驱动电机装置，从而让残疾人通过脚部控制装置去控制手臂完成残疾人自己想完成的动作，这种无线遥控装置具有信号的精准接受以及准确执行的特点，这就是运用无线控制原理把脚部控制装置与手臂控制装置完好地结合在一起共同完成某个残疾人动作指令的过程。

2该设计特点与优势

这种无线脚控助残机械手臂的特点居多，就脚部无线控制方面来说，它具有脚部无线遥控手臂信号精准、动作完成准确、反应灵敏、速度适中的特点。这也是这款无线脚控助残机械手臂的创新之处。就机械手臂的各部分装置来说，具有整体手臂质量较轻、外形装上防人皮更显美观、手臂自带保暖装置系统保证系统正常运转、机械手臂各部分衔接设计十分专业化和系统化的特点。就机械手臂造价方面来说，它具有造价成本低且保证性价比高、材料来源广便于大量制造和修补等的特点。

曾经的假肢最开始只是一个手的造型，并没有制动装置以及自动功能，简单来说，就如一条按在肩上的两条死板的棍子，所具备的手臂活动范围较小、无灵活性。后来出现了简单地制动装置，但是只能完成一个或者几个简单地动作，动作的多样性和灵活性十分受限，也就使地残疾人的动作十分受限，这意味着残疾人的自理能力还是较弱，而且更重要的是老式的机械手臂很多都是通过一只正常的手来控制另一只机械手臂，那么这样便使无双臂的人无法使用，还有一种老式的机械手臂是控制装置在轮椅或者凳子上，这就更不方便出行随身携带了。而不同的是，现在这款新出的无线脚控助残机械手臂，它能够有效地解决以上老式机械手臂的种种不便和问题。

第一，它能解决死板、活动范围局限性大的问题。这款机械手臂采用多自由度电机驱动，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个，这就大大增加了该无线脚控助残机械手臂的活动范围以及活动方位的灵活转换。

第二，它能解决速度难以准确控制问题。手臂的电机驱动的电机是通过改造后的电机，这种电机可以在原来的基础上降低速度，研究组通过观察和测量人类正常手的速度来设计机械手的速度，使得机械手臂的速度保持在一个相对适中的一个速度上，这样不仅避免了可能出现的安全事故，同时也使手臂在运作时有助于提高动作的精准度。

第三，它能解决结构复杂、控制过程繁琐的问题。无线脚控助残机械手臂是采用机械驱动的结构，这种结构相对其他驱动结构来说相对简单，制造的时候也易懂易理解，控制3也简单易学，这既方便了制造方的制造，又方便了购买方残疾人学习控制，具有很大的可行性和实用性，而且更重要的是这种机械机动装置重量轻、且尺寸紧凑。

第四，它能解决人们担心普通家庭购买不起、手臂造价过高的实际性问题。那么该无线脚控助残机械手臂的制作材料是选用碳纤维结构的材料，这种碳纤维材料具有质量轻、结实、耐用、廉价、易购买、原材料来源广的特点。从而减轻了残疾人肩部承担无线脚控助残机械手臂的负担。

3未来前景

目前中国约有8500万残疾人，因各种原因致残的人口达到8296万人，占全国人口的6.34%，其中肢体残疾人有2412万人，占残疾人总数的62.1%，这表明了中国对这种手臂自动装置来帮助残疾人提高生活自理能力，帮助残疾家庭减轻经济负担，减轻残疾人在家庭中总是需要人24h照顾的困扰，在這种社会急需、残疾人要求急需、中国对老弱病残人士的关怀趋势下，不难得知，无线脚控助残机械手臂的发展会越来越速度，它在市场的需求会越来越高，随着我国经济的腾飞，机械手或机械手臂设备在国家工业方面也得到了迅猛发展。

4结论

我们有理由相信，在可预计的未来，无线脚控助残机械手臂的发展将会更加成熟、应用会更加普遍化、技术和性能会不断被优化、性价比会越来越高、实用性会越来越强。