曲磊　高娟

摘要 無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)遙控原理來(lái)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(lái)操控機(jī)械手臂運(yùn)作。該無(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)在外觀(guān)上以美觀(guān)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(zhuān)業(yè)化強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、性?xún)r(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(qián)的夢(mèng)想為設(shè)計(jì)初衷，在造價(jià)上以性?xún)r(jià)比高、造價(jià)成本盡量低、減輕普通家庭的購(gòu)買(mǎi)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(lái)，無(wú)線(xiàn)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?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高，實(shí)用性會(huì)越來(lái)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(lái)前景

中圖分類(lèi)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂運(yùn)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無(wú)線(xiàn)遙控原理。無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂的一個(gè)重要的閃光點(diǎn)，既便于無(wú)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(huà)說(shuō)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(lái)說(shuō)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(kāi)關(guān)，是電路控制的開(kāi)關(guān)，從某種程度上來(lái)講，有開(kāi)關(guān)功能的大部分電子元器件都可以用來(lái)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(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)中，它的動(dòng)力源有來(lái)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(wú)線(xiàn)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(guò)程，使得手部具有靈活的張手和合手動(dòng)作，達(dá)到幫助無(wú)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(wú)線(xiàn)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(lèi)型是直流電源，幫助殘疾人完成手臂伸縮、回轉(zhuǎn)。

2）無(wú)線(xiàn)遙控設(shè)計(jì)原理。這款無(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂運(yùn)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無(wú)線(xiàn)遙控原理。無(wú)線(xiàn)遙控原理顧名思義就是通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電波通過(guò)放大和解碼變還原成原來(lái)的電信號(hào)，然后再將電信號(hào)進(jìn)行功率放大來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝置，從而讓殘疾人通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(guò)程。

2該設(shè)計(jì)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

這種無(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂的特點(diǎn)居多，就腳部無(wú)線(xiàn)控制方面來(lái)說(shuō)，它具有腳部無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)，具有整體手臂質(zhì)量較輕、外形裝上防人皮更顯美觀(guān)、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(zhuān)業(yè)化和系統(tǒng)化的特點(diǎn)。就機(jī)械手臂造價(jià)方面來(lái)說(shuō)，它具有造價(jià)成本低且保證性?xún)r(jià)比高、材料來(lái)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(kāi)始只是一個(gè)手的造型，并沒(méi)有制動(dòng)裝置以及自動(dòng)功能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(wú)靈活性。后來(lái)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(guò)一只正常的手來(lái)控制另一只機(jī)械手臂，那么這樣便使無(wú)雙臂的人無(wú)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(wú)線(xiàn)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(wèn)題。

第一，它能解決死板、活動(dòng)范圍局限性大的問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(wèn)題。手臂的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)是通過(guò)改造后的電機(jī)，這種電機(jī)可以在原來(lái)的基礎(chǔ)上降低速度，研究組通過(guò)觀(guān)察和測(cè)量人類(lèi)正常手的速度來(lái)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(guò)程繁瑣的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)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(mǎi)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(mǎi)不起、手臂造價(jià)過(guò)高的實(shí)際性問(wèn)題。那么該無(wú)線(xiàn)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(mǎi)、原材料來(lái)源廣的特點(diǎn)。從而減輕了殘疾人肩部承擔(dān)無(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂的負(fù)擔(dān)。

3未來(lái)前景

目前中國(guó)約有8500萬(wàn)殘疾人，因各種原因致殘的人口達(dá)到8296萬(wàn)人，占全國(guó)人口的6.34%，其中肢體殘疾人有2412萬(wàn)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(lái)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(wú)線(xiàn)腳控助殘機(jī)械手臂的發(fā)展會(huì)越來(lái)越速度，它在市場(chǎng)的需求會(huì)越來(lái)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(lái)，無(wú)線(xiàn)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?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高、實(shí)用性會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。