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从零讲:机器-人-机构设计之四连杆与义肢

转载 2015-07-05 16:51:22

您知道上图左方一般义肢膝关节是由四连杆机构所设计的吗?您知道小明为何立志长大后要当义肢发明家吗?您认为上图右方小狗狗是在演一场拥有飞轮的变型战狗戏码吗?先来听听小明的故事。小明的爸爸是志工清洁队员,每天一大早自愿帮忙小区清扫大街小巷,保持小区整洁是荣誉也是责任。有一天小明的爸爸打扫完毕正要收工之际,没注意到,背后却袭来一台快车,就意外地被酒后驾车撞倒血泊昏迷中,幸好队员们帮忙联络急救,总算捡回一条命,可是却断了一条腿,从此意志消沉,好好一个人,是难以承受残障的打击。多亏小区人士的善心,捐助了义肢,等小明的爸爸装上之后,虽然体能较为不足,行走能力加强锻练后,也恢复了自信,家庭又重获了生机。小明从此立志,以后要当义肢发明家,因为义肢还有很大改进空间,更能帮助许多不幸的人。不只是人类,动物有些也会遭受意外而截肢,就像上图中间小狗狗一样,这时,义肢也能帮很大的忙,不会因残障而变成了流浪狗。

鹤式起重机连杆机构是双摇杆机构 

连杆机构是由两组或更多的杠杆连接在一起所组合而成的。有多种不同的组合,该机构是传递机械能的一种装置,主要的功能为运动型态与方向的转换、运动状态(位移、速度、加速度)等等的刚体位置的导引、以及运动路径的产生。这里介绍一个典型的连杆机构应用,如右图所示,该鹤式起重机是港口调运货物常见的起重机,它被看重的特点就是能保持货物水平移动,其起吊工作机构实质上是一个双摇杆机构,本次实作保有连杆机构特色的新款机构动力车,就用了类似的连杆机构作用。在右图下方新款机构动力车的连杆机构里,由右到左看,右边直竖连杆为摇臂,中间直竖连杆为支撑臂,这两个朝天连杆就相当于鹤式起重机两个摇杆,而横向那一根连杆就相当于吊臂。两连架杆都是摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构如图所示的鹤式起重机就采用了这种机构。至于鹤式起重机起吊货物的吊绳,在新款机构动力车的连杆机构中,已摇身一变成了有支点的连杆,在吊臂平移当中,这个在最左边朝天配置有支点的连杆,将起得了杠杆作用,使得下方有棘爪的连杆产生了打开状态或闭合状态,以达到控制动力启动的目地。

就让双摇杆机构引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把双摇杆机构设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错。这里已经转化鹤式起重机的双摇杆机构特色,以下就是创新智造出来具有双摇杆机构的新款机构动力车。

保有双摇杆机构特色尚处于待命状态的新款机构动力车

上图是运用双摇杆机构特色的新款机构动力车,它有一条横向的明显黄色连杆,是做为触发启动连杆之用,该连杆前端搭接上突出于中方框外围经特殊设计的四连杆机构,而该黄色连杆尾端却水平摆设了一个蓝色中齿轮,显然不同于尾部碰撞的连杆配置,蓝色中齿轮是做为手指戳一下能发动车子的押板,这样就够成了一种特别设计的触发装置。上图中四连杆机构末尾扁杆件呈直立形态,表示尚未顶起斜置具有棘爪作用卡住后轮轴上中齿轮的连杆,所以此时机构动力车是处于尚未触发的情况。下图是经过使用者用手指戳了一下能发动车子的连杆尾端蓝色中齿轮押板,于中方框外围左上方,此时可看到四连杆机构末尾扁杆件已经被横向连杆推往车后端呈向后倾斜形态,这是受后端蓝色押板下押启动的结果,而起得了杠杆作用使得后边有棘爪作用的灰色连杆也跟着抬起,进而抛开棘爪,现在已松动后轮轴上的中齿轮了,说时迟那时快,储能立马转换成为快速运转的动力,只见,机构动力车像一只脱缰之马往前奔驰。

保有双摇杆机构特色已触发启动的新款机构动力车

这里补充一下对义肢膝关节的认识。传统的膝上义肢(AK(Above-Kneeprosthesis)大都是采用简单的四连杆机构,被动式地控制膝关节连动,其间会加入一些油压/气压阻尼设施等,以缓冲行动碰撞力道。藉由自身姿态的补偿,残障者藉未截肢部分肢体来控制义肢的运动,希望以最省力的方式步行,并确保行进步态的稳定前行,努力像正常人一样。然而,由于此类机制设计功能有限,截肢者只能以固定的速度行走,而且会耗费大量的体能。现在由于科技日新又异,常有新的突破与方法来设计人造膝关节控制器,并在旧有四连杆义肢框架上加装电控油压系统,以数字计算机控制义肢运动,能给以增强机制的零部件有:微电脑、油压缸、针形阀、新材料、轻电池以及步进马达等等整合性科技产物。在站立期,针形阀口全关,以四连杆机构稳定膝关节而保持固定。在行走或运动不同摆荡期,则依据义肢不同运动的刚体多连杆动力方程式,再配合油压系统的数学模型,加以实时控制义肢,用计算机仿真截肢者步行或运动,这样,截肢者的生活空间以及活动方式将大大的增加,有利于截肢者过正常人的生活。科技进步,义肢控制甚至可以跟人体神经元连结,可以想象,生物科技的发展还有很大很大的进步空间。同样属于四连杆机构,义肢膝关节四连杆机构比鹤式起重机这个双摇杆机构更简单更容易懂,但肢膝关节四连杆机构的附加组件会有许多变化,在应用上就变得较复杂难懂了。

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