带绳驱动机械臂设计在轮椅中的应用

张啸

摘要：目前人口老龄化是世界上许多国家都面临着的社会问题，老年人越来越多，与此同时，世界上部分肢体残疾的人也不少。对于行动能力缺失的老年人和残疾人来说，轮椅是他们生活不可缺失的工具，能设计出适合并帮助他们提高生活自理能力的辅助轮椅具有非常重要的意义。当前市场上有不少传统轮椅，他们的机械手驱动结构非常复杂，而且还存在体积庞大，自重偏大等硬件问题，本文运用了套索式绳传动机构的原理，克服了传统轮椅的缺陷，研究设计出了一种助传动效率高、灵活的老助残轮椅用的绳传动机械臂结构。

关键词：机械臂设计;带绳驱动;轮椅

半个多世纪的发展，传统的机械臂已经广泛应用家庭生活，工业生产多个领域。伴随着人们对机械臂的进一步要求，传统的机械臂笨重，復杂等缺点越发影响着在各个领域的应用。客服了传统机械臂的缺点，带绳驱动机械臂这一新颖的技术开始广泛被研究者们青睐。

1 带绳驱动机械臂技术

带绳驱动结构就是依靠绳索来传递力与运动的一种装置。根据绳索可以沿着任意路径进行远距离传输动力这一特性，很多研究者开始将这个技术应用在机械臂上[1]。带绳驱动机械臂具有以下优点[2]：

（1）结构简单，减轻重量。电机利用绳索可远距离驱动关节，实现机械臂的运动。将关节处的电机、减速器等驱动系统后置于底座上，使得臂身部分的电子元器件使用量减少。这样的结构大大降低了关节的重量，提高了自身承重比，避免了结构复杂。同时，这样的机械臂更容易适用于灰尘、水下等恶劣环境下，这样的保障了运行中的安全性。

（2）能大幅度降低成本。机械臂的主要成本是关节驱动器。带绳驱动机械臂降低了对昂贵的关节驱动器的依赖，可以用成本较低的拉力传感器代替。这样能很好的降低机械臂的成本，应用领域更广泛。

（3）增加安全性。绳索这种介质，具有很好的柔韧性。能够在机械臂急停、意外碰撞等情况下保证机械臂结构的安全。带绳驱动机械臂的应用，更能保证人机交互时的安全性。

2 在轮椅领域的应用

由于带绳驱动机械臂较传统机械臂具有如此多的优势，目前人们开始广泛的将这一技术应用于医疗、家庭、航空、工业生产、军事研究等诸多领域。下面我们来研究它在助残助老轮椅领域的应用。

2.1 整体结构设计

我们设计的绳索驱动轮椅机器人手臂是一个多自由度机械手，由3个运动关节组成。机械臂的结构如下：第一关节是由线性导轨和滑块组成的上、下移动关节。见图1所示，轮椅机械臂是由前轮驱动的电动轮椅移动平台和多关节操纵器组装而成。机械臂安装在轮椅移动平台左驱动轮的正上方，由上下移动关节，两个水平旋转关节和具有夹紧功能的末端执行器组成。

轮椅机械臂采用直线导轨式上下运动关节代替机械臂中的俯仰和旋转关节，主要考虑是轮椅机械臂关节使用软绳传递电机的动力来达到驱动运动，使驱动马达与机械臂的臂体分离，上下俯仰旋转接头必定会由于臂的重量而使传动绳索长时间处于拉力状态，从而导致侧面电缆断裂的风险，能降低绳索驱动机械臂的结构可靠性和使用稳定性。

2.2 关节的绳传动方式

在旋转接头上的绳索传动机构中，轮椅机械臂的传动方式是套索式柔性传动方式，由固定的空心套筒和可与套筒产生相对运动的内部钢丝绳组成。该传输方法可以实现电力的远距离传输，具有传输效率高，适应性强，灵活性强，无需其他中间机构的特点[3]。

轮椅机械臂的每个旋转关节由一对绳索传动机构组成，分别实现机械臂关节的前进和后退运动。绳索传输机构利用钢丝绳穿过挠性的空心套管进行绕线，固定套管的两端，使绳索与套管之间发生相对运动，然后将绳索的一端缠绕 围绕从动轴螺旋槽固定在螺旋槽中，另一端通过连接装置连接到驱动轮的同步带上，从而实现驱动马达的旋转动力的传递，从而形成套索柔性传动系统，实现机械臂运动关节的驱动。

轮椅臂中的绳索传动机构的驱动轮是同步带轮，从动轮是机械臂的旋转接头的螺旋绳轮，螺旋绳轮和机械臂的臂体是同步带轮。集成结构。同步皮带轮通过键槽与驱动马达相连，同步皮带固定在皮带轮上，两端通过皮带连接装置对称地连接到一对钢丝绳上，钢丝绳然后穿过空心软套完成布线，然后分别沿相反的方向缠绕在机器人手臂关节螺旋绳轮两端的螺旋槽中，并分别缠绕在软套的两端。布线分别通过套筒固定结构固定，并且套筒的其他中间位置不需要过多的固定。皮带连接结构除了具有连接同步皮带和传动绳的功能外，还起到预张紧绳索的作用，从而使传动绳保持张紧，以确保传动精度。螺旋绳轮上的凹槽是确保传输线的运动方向和传输精度[4]。

当机械臂关节的驱动马达带动同步皮带轮向一个方向旋转时，同步皮带由皮带连接结构驱动，使钢丝绳在壳体中运动，从而使从动的螺旋绳轮在关节处运动。 拔臂朝向相应的旋转方向旋转。 当驱动马达向另一方向旋转时，从动螺旋绳轮向相反方向旋转，最终达到驱动机械臂的关节旋转的目的。 基于绳索驱动的轮椅驱动机械臂的每个关节均由驱动电机单独驱动。直接驱动以及机械臂的其他两个旋转关节均基于绳索传输结构的单独驱动方法。因此，这两个关节的驱动马达安装在轮椅后面。

2.3 末端效应器的结构

轮椅机器人手臂的末端执行器安装在机器人手臂的最前端，是机器人手臂的任务执行机构。它用于完成一些基本操作，例如抓取操作。考虑到轮椅机械臂是老年人和残疾人的生活辅助轮椅机器人，它主要用于协助用户完成某些日常操作，例如抓取物品，喝水，打开和关闭照明灯等。手臂运动的操作要求简单，方便，不复杂，同时应具有较高的性价比。为此，轮椅机械臂的末端执行器是由机械手掌和三个相同的机械手指组成的机械爪机构，末端执行器由与运动配合以实现抓握动作的三个机械手指组成，并且机械指关节该机芯还使用由绳索驱动的套索式柔性传动方法，但机芯的动力不是直流伺服电机，而是直流电伸缩杆。通过电动伸缩杆的伸缩运动，完成了操纵爪的打开和抓紧[5]。

机械臂的执行器主要由手指，手掌，弹簧，传动绳和动力源组成。机械手指是具有一定仿生效果的灵巧手指。上下手指有两个关节，两个手指关节之间形成45°角以抓住物体。机械手指表面上的突起可以有效地增加接触表面的摩擦力，从而在抓握过程中增加抓握力，并且抓握接触表面与手指之间的间隙可以减小冲击功能，从而提高可靠性抓取动作时抓取器的位置。机械爪的每个机械指都包含一根传动绳和一个复位弹簧。三根传动绳完成驱动力的传递。机械手指的移动确保了在抓握操作期间打开爪的三个机械手指的同步，并且机械爪的夹紧作用通过复位弹簧的弹力完成。

3 总结

利用绳索进行动力传递和驱动机械臂结构设计的轮椅，具有体积小，传动线灵活，适应性强的特点。它可以帮助老年人或残障人士完成简单的日常生活操作。但是绳驱动技术中仍有尚未解决的难题，比如绳索的单向驱动特性以及张紧结构的设计，目前仍没有成熟的方案。

参考文献：

[1]徐松.基于绳驱动机械臂的研究与设计[D].中国科学技术大学，2019.

[2]翟士民，刘荣，薛彤.绳驱动连续型机械臂设计[J].机械工程与自动化，2015（02）：34-35.

[3]张勤，王帅，范长湘.轮椅带绳驱动机械臂结构设计[J].机械设计与制造，2014（05）：15-17.

[4]方旭.基于绳驱动的机械臂创新设计与研究[D].中国海洋大学，2015.

[5]章浩.吸烟机桌面机械臂系统的研究与设计[D].中国科学技术大学，2018.