王 旭，陈乃建，王 超，黄玉林，李映君

(济南大学 机械工程学院, 山东 济南 250022)

目前，世界上许多国家都面临着人口老龄化的社会难题，同时，因各种疾病或事故而造成肢体残疾的人也不在少数。对于这些行动能力缺失的老年人和残疾人来说，看似简单的日常生活操作变得异常困难，因此，研究能够帮助他们提高自理能力的辅助机器人具有重要的意义[1]。

在轮椅上安装机械臂而组成的轮椅机械手系统是助老助残机器人的重要分支。由于轮椅机械手具有非结构化环境下的移动和任意物体抓取能力，以及多通道人机交互能力，因此能在一定程度上代替人类完成简单的辅助任务，从而成为康复领域的研究热点之一。助老助残轮椅的结构和空间位置的限制使得安装在轮椅上的机械臂应有足够的操作自由度且应满足结构简单、体积小、自重轻，以及操作安全、稳定的基本要求。基于这些要求，国内外已经研究、设计了很多种轮椅机械臂的结构。Driessen等[2]研发了一款比较成功的机械手臂MANUS，由6个转动关节和末端效应器组成，能安装在很多类型的轮椅上，但是该机械臂为了降低重心而采用差速齿轮传动，使整体质量达到13 kg，而且成本较高。Alqasemi等[3]设计了一款有7个自由度的轮椅机械手臂WMRA，该机械臂利用伺服电机和谐波减速机直接驱动各关节的方式来进行驱动，具有一定的灵活性； 但是质量过大，安装在轮椅上时容易造成系统的平衡性问题，因此在使用中受到很多的限制。Yamanobe等[4]综合各方面经验，使用有机树脂材料研发设计了一种轻巧的多关节型轮椅机械臂，但是该机械臂的基座太高，不便在轮椅上安装，而且负载能力也较小，导致使用性非常有限。郭鑫[5]使用模块化的结构研制了一种有6个自由度的轮椅机械臂，该机械臂模块化的结构极其紧凑，操作也较灵活，但是质量相对较大，达到18 kg。张勤等[6]、范长湘[7]提出一种串行的带绳驱动式的轮椅机械臂结构，通过同步带—绳索—同步带的形式将动力传递到机械臂的各关节，在一定程度上实现了减轻机械臂自重的目的，但是方形的臂体形式单调不够灵活，操作精度不高，容易出现累积误差，并且机械臂的负载能力也偏小。

本文中针对上述机械臂驱动结构复杂并且体积、自重偏大等一些问题，根据套索式绳传动机构的原理，研究设计一种助老助残轮椅用的绳传动机械臂结构。以轮椅机械臂的结构形式和机械臂绳传动设计原理作为研究重点，深入探讨该基于绳传动的轮椅机械臂结构设计的可行性，同时通过建立机械臂的运动学仿真模型和工作空间对绳驱动机械臂的运动关节进行理论分析，并研制轮椅机械臂的原理样机来进行相关试验研究与验证。

1 结构设计

基于套索式绳传动机构的原理，设计一种利用绳传动的轮椅机械臂结构，通过分离驱动的方式，实现对机械臂的结构、体积、质量以及能耗的优化。

1.1 整体结构

基于绳传动的轮椅机械臂是由3个运动关节组成的多自由度机械手，机械臂的结构形式属于串联开链式机构，其中第一个关节是由直线导轨和滑块组成的上、下移动关节。该基于绳索传动的机械臂和轮椅移动平台结合的轮椅机械手整体结构模型如图1所示。由图可知，轮椅机械臂由1个前轮驱动的电动轮椅移动平台和1个多关节机械臂组装而成。机械臂安装在轮椅移动平台左侧驱动轮的正上方，由1个上下移动关节、2个水平转动关节和1个具有夹持功能的末端效应器组成。该轮椅机械臂使用直线导轨式上、下移动关节替代机械臂中的俯仰转动关节的结构形式，主要是考虑到该轮椅机械手臂的关节采用软绳传递电机动力的驱动形式来达到驱动运动的效果，从而使驱动电机与机械臂的臂体分离，而上、下俯仰转动关节必定会使传动绳索因臂体重力而长期处于受拉力的状态，导致传动软绳受力的一侧随时存在被拉断的危险，从而会降低绳驱动机械臂结构的可靠性和应用的稳定性。

1—电动轮椅移动平台； 2—机械臂绳传动机构；3—直线导轨； 4—轮椅机械臂；5—机械臂末端效应器； 6—轮椅的驱动电机。图1 绳传动轮椅机械臂的结构模型

1.2 关节的绳传动方式

在旋转关节上的绳索传动机构中，轮椅机械臂的传动方式为由固定的中空套管和可与套管产生相对运动的内部钢丝软绳组成的套索式柔性传动方式。该传动方式能够实现远距离传输动力，并且具有传动效率高、柔顺、灵活以及不需要其他中间机构等特点[8]。

轮椅机械臂的每个旋转关节均由一对绳索传动机构组成，分别实现机械臂关节的正、反转运动。该绳索传动机构利用钢丝软绳穿过柔性中空套管进行走线，而套管的两端固定，这样绳索与套管之间就可以产生相对运动，然后将绳索的一端旋绕在从动轮轴上的螺旋槽内并固定，另一端利用连接装置与主动轮的同步带连接，进而实现驱动电机旋转动力的传递，由此形成一种套索柔性传动系统，实现机械臂运动关节的驱动。轮椅机械臂绳索传动结构的原理如图2所示。

1—从动螺旋绳轮； 2—滑块； 3—中空的走绳软套管；4—套管固定结构； 5—旋转关节的传动钢丝软绳；6—机械臂控制箱； 7—第1个旋转关节的驱动电机；8—第2个旋转关节的驱动电机； 9—直流电动伸缩杆；10—移动关节驱动电机； 11—主动同步带轮；12—同步带； 13—带绳连接装置。图2 机械臂关节的绳驱动原理

轮椅机械臂中绳索传动机构的主动轮是同步带轮，从动轮是机械臂旋转关节的螺旋绳轮，并且螺旋绳轮与机械臂的臂体是一体式结构。同步带轮利用键槽与驱动电机相连，同步带固定在带轮上，并且两端通过带绳连接装置分别与一对钢丝软绳对称连接，钢丝软绳再穿过中空软套管完成走线，然后分别反方向旋绕在机械臂关节的螺旋绳轮两端的螺旋槽内，而走线的软套管两端分别由套管固定结构固定，套管的其他中间位置则不需要涉及过多的固定。带绳连接结构除了具有连接同步带和传动绳索的作用之外，还起到对绳索预紧的作用，使传动绳索一直保持张紧状态来保证传动精度，螺旋绳轮上的螺旋槽的作用是保证传动软绳的运动方向和传动精度。

当机械臂关节的驱动电机带动同步带轮向一个方向转动时，同步带由带绳连接结构带动钢丝软绳在套管内移动，从而牵动机械臂关节处的从动螺旋绳轮朝着相应的方向旋转。当驱动电机向另一个方向转动时，从动螺旋绳轮向相反方向旋转，最终达到驱动机械臂关节转动的目的。基于绳传动轮椅机械臂的每个关节均由一个驱动电机单独驱动，直线导轨的结构和该机械臂移动关节的负载特性使得轮椅机械臂移动关节处的驱动电机安装在直线导轨的最底端进行直接驱动，而机械臂的另外2个旋转关节均基于绳索传动结构的分离驱动的方式，因此，这2个关节的驱动电机安装在轮椅的后面。

1.3 末端效应器的结构

轮椅机械臂的末端效应器安装在机械臂的最前端，是机械臂的任务执行机构，用来完成抓取操作等一些基本动作。考虑到该轮椅机械手臂是一款面向助老助残的生活辅助式轮椅机器人，主要用来辅助使用者完成一定的日常操作，比如抓取物品、喝水、开关灯等，因此，对轮椅机械臂动作的操作要求是简单、方便且复杂性较小，同时，应有相对较高的性价比。为此，该轮椅机械手臂的末端效应器是由机械手掌和3根相同的机械手指组成的机械手爪机构，末端效应器由3根机械手指配合运动来实现一种抓取动作，并且机械手指关节的运动同样利用了绳驱动的套索式柔性传动方式，但是运动的动力来源并不是直流伺服电机，而是直流电动伸缩杆，通过电动伸缩杆的伸缩运动，完成机械手爪的张开与抓取动作。

1—机械手指； 2—机械手掌； 3—臂体上的套管固定结构；4—中空的走绳软套管； 5—机械手指的传动绳索；6—轮椅上的套管固定结构； 7—绳索固定结构；8—电动伸缩杆； 9—机械手指上关节；10—机械手指下关节； 11—弹簧。图3 轮椅机械臂的末端效应器结构

轮椅机械臂的末端效应器结构如图3所示。由图可知，机械臂的效应器主要由手指、手掌、弹簧、传动绳索和动力源构成。机械手指是具有一定仿生效果的灵巧手指，有上指头和下指头2个关节，2个指头关节之间形成45°夹角来抓取物品。机械手指表面的凸起可以有效地增大接触面的摩擦力，进而增加抓取过程中的夹持力，而抓取接触面与指头之间的空隙部分有减小抓取过程中冲击性的作用，从而增加了机械手爪在抓取动作中的可靠性。该机械手爪的每根机械手指均牵连1根传动绳索和恢复弹簧。3根传动绳索完成驱动动力的传递，传动绳索一端分别固定在机械手指的上指头关节的相应位置，另一端由绳索固定结构固定在直流电动伸缩杆上，然后由伸缩杆的伸缩动作来牵拉机械手指的运动，以保证3根机械手指在抓取作业过程中张开手爪的同步性，机械手爪的夹持动作则依靠恢复弹簧的弹力完成。

2 工作空间

基于绳传动的轮椅机械臂安装在轮椅移动平台的左侧，有3个自由度。轮椅机械臂的运动空间是该机械臂相对于轮椅平台基坐标的运动范围，可以通过输入机械臂各关节的运动参数来求解出机械臂的位置空间。

2.1 运动学模型建立

根据轮椅机械臂的结构特点、运动特性以及机械臂的基本结构参数，采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立机械臂各连杆坐标系和连杆参数，分别如图4和表1所示。

S、T—轮椅机械臂的基坐标系和末端执行器坐标系；xk、yk、zk(k=0,1,2,3,4)—各坐标系的坐标轴；l1、l2、l3—机械臂各杆件的臂体长度。图4 轮椅机械臂结构模型及连杆坐标系

在D-H参数法中，2个连杆之间的坐标变换关系可以由ai-1、αi-1、di、θi(i=1, 2, 3, 4)这4个参数决定[9]。根据表1中轮椅机械臂的连杆参数，可得轮椅机械臂的运动学矩阵方程为

(1)

式中：T为根据D-H参数法求解出的轮椅机械臂末端执行器相对于基坐标系的变换矩阵；a1、a2、a3分别为轮椅机械臂各关节坐标系原点在x轴方向上相对于前一个坐标系原点的距离；d1为轮机械臂第1个关节坐标系与基坐标系之间的垂直距离。

2.2 工作空间分析

根据利用轮椅机械臂在D-H参数法建立的机械臂各连杆坐标系以及求解的机械臂运动学方程，利用MATLAB软件编写相应的程序，建立该轮椅机械臂的运动仿真模型，计算轮椅机械臂工作空间，对轮椅机械臂进行相应的运动学仿真。

蒙特卡罗法(Monte Carlo method)是基于概率解决问题的数值方法，便于实现计算机图形的可视化，能快速计算可行点，适用于多关节型机械臂工作空间的求解与分析[10-11]。对轮椅机械臂进行运动仿真计算的过程如下。

首先，运用软件中的Robotics工具箱建立机械臂的仿真平台，如图5所示。然后利用MATLAB软件中的随机函数Rand，产生大量服从均匀分布的伪随机数，由伪随机数可以产生各关节变量的随机值，即

φi=φi,min+(φi,max-φi,min)Rand(N,1),

(2)

式中：i为轮椅机械臂上各关节坐标系的编号，i=1,2,3,4；φi为各关节变量的随机值；φi,max、φi,min为各关节变量的最大、最小值；N为样本总数，即每个关节的伪随机值。

X、Y、Z—轮椅机械臂仿真模型空间坐标。图5 轮椅机械臂运动学仿真模型

最后由蒙特卡罗法计算出轮椅机械臂的工作空间进行仿真分析，仿真随机数的个数N=100 000，即随机坐标点个数为100 000。基于绳传动方式的轮椅机械臂工作空间形状如图6所示。由图可知，该机械臂工作空间在X轴上的分布范围为0～103 cm，在Y轴上的分布范围为-80～80 cm，在Z轴上的分布范围为0～50 cm。由此可知，该基于绳传动的轮椅机械臂有相对较大的工作空间，同时轮椅机械臂的工作空间存在一定的空洞，这是由轮椅机械臂各关节的运动范围和绳传动机械臂的结构特性所决定的。该轮椅机械臂的功能特点是帮助老年人或残疾人完成简单的日常生活辅助操作，动作相对简单并且易于完成，因此，该绳传动方式的轮椅机械臂可以满足基本要求。

3 原理样机搭建与实验分析

(a)轮椅机械臂的工作空间

(b)XY平面的投影

(c)XZ平面的投影X、Y、Z—轮椅机械臂仿真模型空间坐标。图6 基于绳传动的轮椅机械臂工作空间形状

通过对所研究的轮椅机械臂的结构使用3D打印技术进行设计加工，完成绳传动机械臂原理样机的搭建，并利用铝型材配合安装在电动轮椅左侧驱动轮的正上方。该轮椅臂体质量仅约为2 kg，负载能力达到4.5 kg，在大幅减轻轮椅机械臂自重的同时，保证了适当的负载能力。轮椅机械臂原理样机实验平台如图7所示。

该轮椅机械臂中有2个利用绳传动进行驱动的旋转关节，轮椅机械臂的绳传动机构中主动轮是与驱动电机连接的同步带轮，从动轮是机械臂旋转关节的螺旋绳轮，根据对机械臂样机操作实验测量绘制的绳传动中主-从动轮传动关系如图8所示。

图7 轮椅机械臂原理样机实验平台

图8 绳传动机构中主-从动轮传动关系

由于该轮椅机械臂在旋动关节上的2个绳驱动机构中所使用的主动轮与从动轮的尺寸分别对应相等，因此，从图8中还可以看出，该机械臂的2个旋转关节的驱动关系拟合结果一致，而且存在关系表达式

y=0.791x，

(3)

式中x、y分别为驱动电机和机械臂关节的转动角度。

由绳传动机构中主-从动轮转动关系拟合结果可得，该轮椅机械臂的绳传动结构的传动比为0.791。绳驱动机构中所使用的同步带轮的直径为37.5 mm，机械臂从动螺旋绳轮的直径为48.5 mm，因此，设计的轮椅机械臂样机的绳传动机构的实际传动比约为0.773。由此可知，机械臂关节的传动比存在实际误差0.018，该值远小于传动比误差为0.1的结构设计目标，因此，该轮椅机械臂在所使用的绳传动机构中传动关系满足期望的精度要求。

4 结论

根据套索式绳传动机构的传动原理，设计了一种基于绳索传动的分离驱动式轮椅机械臂，用于帮助老年人或残疾人完成简单的日常生活辅助操作。相比于传统驱动方式的轮椅机械臂，该驱动方式的机械臂具有体积小、耗能小、传动线路灵活多变、适应性强等特点，同时也有效地解决了现有轮椅机械臂中存在自重大、结构和控制复杂等问题。通过实验操作验证了该设计方案的可行性，该轮椅机械臂的结构实现了柔性的模块化设计，使得该机械臂的应用场景更广泛、多样。