CN101214653A - 带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置 - Google Patents

Abstract

带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，属于拟人机器人技术领域，主要包括拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌；中指、无名指、小指与食指结构相同，各采用1个电机驱动3个关节转动；手掌采用1个电机驱动拇指根部的侧摆转动，拇指采用1个电机驱动2个关节转动。该装置具有5个独立控制的手指、15个关节自由度，包括6个主动关节和9个欠驱动关节；各欠驱动关节均采用结构相同的一种模块化结构，电机、传动机构藏入手内，结构简单、重量轻、控制容易、集成度高；整个装置外观、尺寸和动作模仿人手，具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能，可以变抓取力抓取物体，适合安装在拟人机器人上使用。

Description

带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种欠驱动模块化拟人机器人多指灵巧手装置的结构设计。

背景技术

人们在对智能机器人的研究中，把拟人机器人作为机器人研究的最高境界，也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。拟人机器人的电源系统、驱动系统、信息处理系统和控制系统等完全由自身携带，因而对其手部的设计提出了非常严格的要求，要求手部装置的重量要小、体积要小，并为了减轻控制的难度，要求在满足一定功能和实现较高的拟人化的前提下，适当减少手部的驱动器数目。

一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手，如中国发明专利CN1231332，包括一个手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指、拇指根部关节体、四指根部关节体，具有5个手指，11个关节自由度，其中主动关节仅有2个：拇指根部关节和四指根部关节，其余9个为结构相同的一种由所抓物体和齿轮齿条共同驱动的欠驱动关节。其不足之处为该装置的食指、中指、无名指、小指的四指根部共同由一个电机驱动，与人手差别过大(人手的四个手指的根部关节是可以分别独立转动的)，灵巧性不够；该装置的拇指上仅有2个关节：根部侧摆转动和末端欠驱动关节，这与人手拇指的3个关节有差别；另外该装置的四指根部关节上采用食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧占地空间大，影响手指美观。

一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手，如中国发明专利CN1292712C，有5个手指，14个关节自由度，其中主动关节仅有3个：拇指中部转动关节、食指根部转动关节、三指根部转动关节(中指、无名指、小指)其余为模块化(即相同结构)的连杆传动欠驱动关节。另一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手，如中国发明专利CN1283429C，有5个手指，12个关节自由度，其中主动关节仅3个，关节布置与前述专利类似。其欠驱动关节采用了一种模块化的具有自解耦效果的多级齿轮传动机构实现。这两个专利的不足之处为这两个装置的中指、无名指、小指三个手指的根部采用同样一个电机驱动，不能分别独立转动，与人手差别过大，灵巧性不够；拇指固定安装在手掌上的四指正对面，拇指不能在手掌侧方和正对面来回转动，这也与人手差别较大。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置。该装置具有多个可以主动驱动和独立控制的手指、关节自由度多、电机、传动机构全部藏入手内，尽量采用相似的模块化结构，降低成本且便于维修，结构简单、重量轻、控制容易，外观、尺寸和动作均更加模仿人手，具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能，可以变抓取力抓取物体，适合安装在拟人机器人上使用。

本发明采用如下技术方案：

一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌；

所说的拇指包括拇指基座、拇指电机、拇指减速器、拇指第一齿轮、拇指第二齿轮、拇指近关节轴、拇指中部指段、拇指远关节轴、拇指末端指段，所说的拇指电机和拇指减速器与拇指基座固接，拇指电机的输出轴与拇指减速器的输入轴相连，拇指减速器的输出轴与拇指第一齿轮固接，拇指第一齿轮与拇指第二齿轮啮合，拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴上，所说的拇指近关节轴套设在拇指基座中，所说的拇指远关节轴套设在拇指中部指段中，所说的拇指末端指段套固在拇指远关节轴上；

所说的食指包括食指基座、食指电机、食指减速器、食指第一齿轮、食指第二齿轮、食指近关节轴、食指第一中部指段、食指中关节轴、食指第二中部指段、食指远关节轴、食指末端指段，所说的食指电机和食指减速器与食指基座固接，食指电机的输出轴与食指减速器的输入轴相连，食指减速器的输出轴与食指第一齿轮固接，食指第一齿轮与食指第二齿轮啮合，食指第二齿轮套固在食指近关节轴上，所说的食指近关节轴套设在食指基座中，所说的食指中关节轴套设在食指第一中部指段中，所说的食指远关节轴套设在食指第二中部指段中，所说的食指末端指段套固在食指远关节轴上；

所说的中指、无名指、小指与食指结构相同，仅尺寸大小不同；所说的手掌包括手掌骨架、手掌电机、手掌减速器、手掌第一齿轮、手掌第二齿轮、手掌关节轴；所说的手掌电机和手掌减速器与手掌骨架固接，手掌电机的输出轴与手掌减速器的输入轴相连，手掌减速器的输出轴与手掌第一齿轮固接，手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合，手掌第二齿轮套固在手掌关节轴上，手掌关节轴套设在手掌骨架中，拇指基座套固在手掌关节轴上；所说的食指通过食指基座与手掌骨架固接，所说的中指、无名指、小指分别与手掌骨架固接，连接方式同食指一致；所说的食指、中指、无名指、小指、拇指和手掌之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置；

其特征在于：

a、拇指包括拇指主动轮、拇指传动件、拇指从动轮、拇指簧件、拇指近关节簧件，所说的拇指中部指段套接在拇指近关节轴上，所说的拇指主动轮套接在拇指近关节轴上，所说的拇指近关节簧件两端分别连接拇指近关节轴和拇指主动轮，拇指从动轮套固在拇指远关节轴上，拇指传动件连接拇指主动轮与拇指从动轮，拇指簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段；

b、食指包括食指近关节主动轮、食指中关节传动件、食指中关节从动轮、食指中关节簧件、食指中关节主动轮、食指远关节传动件、食指远关节从动轮、食指远关节簧件、食指近关节簧件；所说的食指第一中部指段套接在食指近关节轴上，所说的食指第二中部指段套接在食指中关节轴上；所说的食指近关节主动轮套接在食指近关节轴上，所说的食指近关节簧件两端分别连接食指近关节轴和食指近关节主动轮，食指中关节从动轮套固在食指中关节轴上，食指中关节传动件连接食指近关节主动轮和食指中关节从动轮，食指中关节簧件的两端分别连接食指第一中部指段和食指第二中部指段；所说的食指中关节主动轮套固在食指中关节轴上，食指远关节从动轮套固在食指远关节轴上，食指远关节传动件连接食指中关节主动轮和食指远关节从动轮，食指远关节簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段。

本发明所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于：所说的拇指传动件、食指中关节传动件、食指远关节传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，所说的拇指主动轮、食指近关节主动轮、食指中关节主动轮采用带轮、齿轮、绳轮和链轮中的分别能够与拇指传动件、食指中关节传动件、食指远关节传动件相配合的那一种，所说的拇指从动轮、食指中关节从动轮、食指远关节从动轮采用带轮、齿轮、绳轮和链轮中的分别与拇指主动轮、食指近关节主动轮、食指中关节主动轮相同类型的那一种。

本发明所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于：所说的拇指近关节簧件、拇指簧件、食指近关节簧件、食指中关节簧件、食指远关节簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

本发明所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于：所说的食指、中指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的近关节簧件的弹力限制作用。

本发明具有以下优点及突出性效果：

该装置具有5个可以主动驱动和独立控制的拟人手指，各手指均可以独立运动；具有15个关节自由度，其中包括6个电机驱动的主动关节和9个欠驱动关节；各手指的欠驱动关节均采用结构相同的一种模块化结构，既降低了成本也便于维修，电机、传动机构全部藏入手内，结构简单、重量轻、控制容易、集成度高；整个装置外观、尺寸和动作模仿人手，具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能，可以变抓取力抓取物体，适合安装在拟人机器人上使用。

附图说明

图1是本发明的一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的实施例正视图，此时拇指已摆动到手掌侧面。

图2是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的侧面外观图，此时拇指已摆动到手掌的正对面。

图3是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的俯视外观图，此时拇指已摆动到手掌的正对面。(虚线部分表示转到手掌侧面的拇指。)

图4是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的正面局部剖视图，此时拇指已摆动到与手掌侧面。

图5是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指的正面外观图，未完整画出拇指基座。

图6是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指的侧面外观图，未完整画出拇指基座。

图7是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指正面剖视图，未完整画出拇指基座。

图8是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指主动轮、拇指近关节轴、拇指从动轮、拇指远关节轴及拇指传动件之间的相对位置和连接示意。

图9是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指簧件、拇指远关节轴、拇指末端指段和拇指中部指段之间的相对位置和连接示意。

图10是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的正面外观图。

图11是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的侧面外观图，也是图10的右视图。

图12是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的正面剖视图。

图13是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指近关节主动轮、食指近关节轴、食指中关节从动轮、食指中关节轴及食指中关节传动件之间的相对位置和连接示意。

图14是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指中关节主动轮、食指中关节轴、食指远关节从动轮、食指远关节轴及食指远关节传动件之间的相对位置和连接示意。

图15是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指中关节簧件、食指中关节轴、食指第一中部指段和食指第二中部指段之间的相对位置和连接示意。

图16是本实施例带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指远关节簧件、食指远关节轴、食指第二中部指段和食指末端指段之间的相对位置和连接示意。

图17、图18、图19、图20是食指在抓取物体过程中的几个关键位置的剖视图示意。

在图1至图20中：

1-手掌，              2-拇指，              3-食指

4-中指，              5-无名指，            6-小指

11-手掌电机，         12-手掌关节轴，       13-手掌第一齿轮，

14-手掌扭簧，         15-减速器，           16-手掌第二齿轮，

21-拇指基座，         22-拇指电机，         23-拇指近关节轴，

24-拇指中部指段，     25-拇指远关节轴，     26-拇指末端指段，

27-拇指主动轮，       28-拇指传动件，       29-拇指从动轮，

210-拇指簧件，        211-拇指第一齿轮，    212-拇指近关节簧件，

213-减速器，          214-拇指第二齿轮，

31-食指基座，         32-食指电机，         33-食指近关节轴，

34-食指第一中部指段， 35-食指中关节轴，     36-食指第二中部指段，

37-食指远关节轴，     38-食指末端指段，     39-食指近关节主动轮，

310-食指中关节传动件，311-食指中关节从动轮，312-食指中关节簧件，

313-食指中关节主动轮，314-食指远关节传动件，

315-食指远关节从动轮，316-食指远关节簧件，  317-食指第一齿轮，

318-食指近关节簧件，  319-食指减速器，      320-食指第二齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置实施例外观如图1、图2、图3所示，主要包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6。本实施例的正面的局部剖视图如图4所示。本实施例的拇指外观及剖视图如图5、图6、图7、图8、图9所示(未完整画出拇指基座)。本实施例的食指外观及剖视图如图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16所示。本实施例的食指抓取物体过程中几个关键位置的剖视图示意如图17、图18、图19、图20所示。本实施例的中指、无名指、小指与食指结构相同，所不同的只是大小尺寸，工作原理也一致。本实施例的拇指的工作原理与食指的工作原理也类似，只是少一个转动关节。

所说的拇指2包括拇指基座21、拇指电机22、拇指减速器213、拇指第一齿轮211、拇指第二齿轮214、拇指近关节轴23、拇指中部指段24、拇指远关节轴25、拇指末端指段26；所说的拇指电机22和拇指减速器213与拇指基座21固接，拇指电机22的输出轴与拇指减速器213的输入轴相连，拇指减速器213的输出轴与拇指第一齿轮211固接，拇指第一齿轮211与拇指第二齿轮214啮合，拇指第二齿轮214套固在拇指近关节轴23上，所说的拇指近关节轴23套设在拇指基座21中，所说的拇指远关节轴25套设在拇指中部指段24中，所说的拇指末端指段26套固在拇指远关节轴25上；

所说的食指3包括食指基座31、食指电机32、食指减速器319、食指第一齿轮317、食指第二齿轮320、食指近关节轴33、食指第一中部指段34、食指中关节轴35、食指第二中部指段36、食指远关节轴37、食指末端指段38，所说的食指电机32和食指减速器319与食指基座31固接，食指电机32的输出轴与食指减速器319的输入轴相连，食指减速器319的输出轴与食指第一齿轮317固接，食指第一齿轮317与食指第二齿轮320啮合，食指第二齿轮320套固在食指近关节轴33上，所说的食指近关节轴33套设在食指基座31中，所说的食指中关节轴35套设在食指第一中部指段34中，所说的食指远关节轴37套设在食指第二中部指段36中，所说的食指末端指段38套固在食指远关节轴37上；

所说的中指4、无名指5、小指6与食指3结构相同，仅尺寸大小不同；所说的手掌1包括手掌骨架1、手掌电机11、手掌减速器15、手掌第一齿轮13、手掌第二齿轮16、手掌关节轴12；所说的手掌电机11和手掌减速器15与手掌骨架1固接，手掌电机11的输出轴与手掌减速器15的输入轴相连，手掌减速器15的输出轴与手掌第一齿轮13固接，手掌第一齿轮13与手掌第二齿轮16啮合，手掌第二齿轮16套固在手掌关节轴12上，手掌关节轴12套设在手掌骨架11中，拇指基座21套固在手掌关节轴12上；

所说的食指3通过食指基座31与手掌骨架11固接，所说的中指4、无名指5、小指6分别与手掌骨架11固接，连接方式同食指3一致；所说的食指3、中指4、无名指5、小指6、拇指2和手掌1之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置；

拇指2包括拇指主动轮27、拇指传动件28、拇指从动轮29、拇指簧件210、拇指近关节簧件212；所说的拇指中部指段24套接在拇指近关节轴23上，所说的拇指主动轮27套接在拇指近关节轴23上，所说的拇指近关节簧件212两端分别连接拇指近关节轴23和拇指主动轮27，拇指从动轮29套固在拇指远关节轴25上，拇指传动件28连接拇指主动轮27与拇指从动轮29，拇指簧件210的两端分别连接拇指中部指段24和拇指末端指段26；

食指3包括食指近关节主动轮39、食指中关节传动件310、食指中关节从动轮311、食指中关节簧件312、食指中关节主动轮313、食指远关节传动件314、食指远关节从动轮315、食指远关节簧件316、食指近关节簧件318；所说的食指第一中部指段34套接在食指近关节轴33上，所说的食指第二中部指段36套接在食指中关节轴35上；所说的食指近关节主动轮39套接在食指近关节轴33上，所说的食指近关节簧件318两端分别连接食指近关节轴33和食指近关节主动轮39，食指中关节从动轮311套固在食指中关节轴35上，食指中关节传动件310连接食指近关节主动轮39和食指中关节从动轮311，食指中关节簧件312的两端分别连接食指第一中部指段34和食指第二中部指段36；所说的食指中关节主动轮313套固在食指中关节轴35上，食指远关节从动轮315套固在食指远关节轴37上，食指远关节传动件314连接食指中关节主动轮313和食指远关节从动轮315，食指远关节簧件316的两端分别连接食指第二中部指段36和食指末端指段38。

本实施例还包括手掌扭簧14，所说的手掌扭簧14的一端连接手掌关节轴12，另一端连接手掌骨架1。

本发明所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，所说的拇指传动件(28、食指中关节传动件310、食指远关节传动件314采用平带、齿形带、腱绳或链条，所说的拇指主动轮27、食指近关节主动轮39、食指中关节主动轮313采用带轮、齿轮、绳轮和链轮中的分别能够与拇指传动件28、食指中关节传动件310、食指远关节传动件314相配合的那一种，所说的拇指从动轮29、食指中关节从动轮311、食指远关节从动轮315采用带轮、齿轮、绳轮和链轮中的分别与拇指主动轮27、食指近关节主动轮39、食指中关节主动轮313相同类型的那一种。

本实施例中，拇指传动件28、食指中关节传动件310、食指远关节传动件314采用平带，所说的拇指主动轮27、食指近关节主动轮39、食指中关节主动轮313采用带轮，所说的拇指从动轮29、食指中关节从动轮311、食指远关节从动轮315采用带轮。

本发明所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，所说的拇指近关节簧件212、拇指簧件210、食指近关节簧件318、食指中关节簧件312、食指远关节簧件316采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

本实施例中，拇指近关节簧件212、拇指簧件210、食指近关节簧件318、食指中关节簧件312、食指远关节簧件316采用扭簧。

本发明所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，所说的食指、中指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的近关节簧件的弹力限制作用。

本实施例中，食指、中指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的近关节簧件的弹力限制作用。

下面介绍该装置的工作原理。

(a)手掌关节轴12转动的工作原理为：

手掌电机11转动，带动手掌减速器15转动，手掌第一齿轮13转动，使手掌第二齿轮16转动，使手掌关节轴12转动，于是带动拇指2整体绕着手掌关节轴12的轴线转动，实现了拇指2在手掌1侧面和正对面的来回侧向摆动。当需要抓取物体时，先将拇指2摆动到手掌1正对面，如图1、3、4所示。不需要抓取物体时，将拇指2摆动到手掌1侧面，如图2及图3的虚线所示拇指位置所示。

(b)拇指2工作原理为：

当本实施例装置抓取物体时，拇指电机22的输出轴转动，拇指减速器213转动，拇指第一齿轮转动211，带动拇指第二齿轮214转动，使拇指近关节轴23转动，拉动拇指近关节簧件212的一端绕拇指近关节轴23的轴线转动，拉动拇指近关节簧件212的另一端的拇指主动轮27转动。

由于拇指簧件210的弹力限制作用，拇指中部指段24与拇指末端指段26仿佛固接在一起的“刚体”，而且拇指中部指段24是套接在拇指近关节轴23上的，并没有固接在拇指近关节轴23上，因此拇指主动轮27的转动将通过拇指传动件28、拇指从动轮29、拇指远关节轴25，优先拉动拇指中部指段24和拇指末端指段26作为一个整体一起绕着拇指近关节轴23转动。若在此过程中，拇指末端指段26碰到物体被阻挡时，拇指抓取结束；否则直到拇指中部指段24碰到物体。

当拇指中部指段24碰到物体被阻挡而无法继续旋转时，此时拇指主动轮27将拉动拇指传动件28，让拇指从动轮29转动，使得拇指远关节轴25转动，从而使末端指段26克服拇指簧件210的变形弹力而转动，同时拇指簧件210变形量逐渐增大。此过程直到拇指末端指段26也碰到物体，拇指抓取结束。至此，拇指中部指段24和拇指末端指段26均分别绕拇指近关节轴23和拇指远关节轴25的轴线转动并抓紧了物体。

当拇指中部指段和拇指末端指段均接触到物体后，拇指电机22继续转动一段时间，将使拇指近关节簧件212发生一定量的变形，从而产生一定大小的弹力，拇指电机22再停转，拇指拇指近关节簧件212的变形被保持住，此变形所产生的弹力既抵消了第一齿轮211、第二齿轮216传动的间隙，也使得拇指中部指段24、拇指末端指段26对物体施加一定大小的抓持力，有助于更加稳定的抓取物体。

当放开物体时，拇指电机22反转，通过拇指减速器213、拇指第一齿轮211、拇指第二齿轮216带动拇指近关节轴23反转，带动拇指主动轮27反转，从而通过拇指传动件28拉动拇指从动轮29反向转动，此时拇指簧件210的变形量逐渐减小，拇指末端指段26绕拇指远关节轴25的轴线反转，直到拇指末端指段26已到达伸直状态。在拇指中部指段24的后背上方有凸台可以限制拇指末端指段26反向转动超过其初始伸直的位置。由于被拇指中部指段24阻挡而不能再继续反转，此时拇指电机22继续反向转动，将带动整个拇指中部指段24、拇指远关节轴25、拇指从动轮29和拇指末端指段26作为一个整体一起绕着拇指近关节轴23的轴线反向转动，最终恢复到拇指2初始伸直的位置，如图6所示。

(c)食指3、中指4、无名指5、小指6结构和工作原理相同，所不同的仅是尺寸大小的不同，结合图17、图18、图19、图20，以食指3为例介绍其工作原理如下：

图17为食指还未开始抓取物体的初始伸直位置的剖视示意图。

当抓取物体时，食指电机32转动，食指减速器319转动，食指第一齿轮317转动，带动食指第二齿轮320转动，使食指近关节轴33转动，带动食指近关节簧件318转动，食指近关节簧件318拨着食指近关节主动轮39转动，由于食指中关节簧件312和食指远关节簧件316的弹力限制作用，食指第一中部指段34、食指第二中部指段36和食指末端指段38就像一个固接的刚体一般，因此，食指近关节主动轮39的转动将通过食指中关节传动件310、食指中关节从动轮311、食指中关节轴35，拉动食指第一中部指段34、食指第二中部指段36和食指末端指段38作为一个整体绕食指近关节轴33的轴线转动。有三种情况：

当食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束。

当食指第二中部指段36碰到物体被阻挡时，食指近关节主动轮39继续转动，将拉动食指远关节从动轮315、食指远关节轴37、食指末端指段38克服食指远关节簧件316的变形弹力而绕食指远关节轴37的轴线转动，最终食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束。

当食指第一中部指段34碰到物体被阻挡不能再继续转动时，剖视示意如图18所示，此时食指近关节主动轮39继续转动，通过食指中关节传动件310、食指中关节从动轮311、食指中关节轴35、食指中关节主动轮313、食指远关节传动件314，拉动食指第二中部指段36和食指末端指段38作为一个整体抵抗食指中关节簧件312的变形弹力而绕食指中关节轴35的轴线转动。此过程中，若食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束。

若食指第二中部指段36碰到物体被阻挡不能再继续转动时，剖视示意如图19所示，此时食指近关节主动轮39继续转动，将依次通过食指中关节传动件310、食指中关节从动轮、食指中关节轴、食指中关节主动轮、食指远关节传动件的转动传动，拉动食指远关节从动轮、食指远关节轴和食指末端指段作为一个整体绕食指远关节轴37的轴线转动。直到食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束，剖视示意如图20所示。

在上述所说的食指3抓取结束后，食指电机32继续转动一段时间再停止转动，将带动食指近关节轴33继续转动一个角度后停止转动，由于食指的中部指段34、食指第二中部指段36已经被物体阻挡而不能再继续转动，导致食指近关节主动轮39也不能再继续转动，于是食指近关节簧件318将发生变形，食指电机32停转，食指近关节簧件318的变形被保持住，此变形所产生的一定大小的弹力因减速器减速比较大而难以使停转的食指电机32反转，成为施加给所抓物体的抓持力。通过控制食指电机32在食指3完全接触到物体后继续转动的时间，即控制食指近关节轴33在食指近关节簧件318发生变形后继续转过的角度，可以控制食指近关节簧件318发生的变形量的大小，从而控制施加在物体上的抓持力，达到更加稳定抓取物体的目的。

以食指的第一中部指段、食指的第二中部指段、食指的末端指段均接触物体的一般情形，剖视示意如图20所示，来介绍食指放开物体的工作原理。

当放开物体时，食指电机32反转，食指减速器319反转，食指第一齿轮317反转，食指第二齿轮320反转，带动食指近关节轴3反转，食指近关节簧件318反向转动，拉动食指近关节主动轮39反转，通过食指中关节传动件310拉动食指中关节从动轮311、食指中关节轴35、食指中关节主动轮313反转，通过食指远关节传动件314拉动食指远关节从动轮315、食指远关节轴37、食指末端指段38反向转动，同时食指远关节簧件316的变形随之逐渐减小为零，此时食指末端指段38已经反向转动到其相对于食指第二中部指段36的初始伸直位置。由于在食指第二中部指段36的后背上方有凸台，可以阻止食指末端指段38反转时超过其伸直的初始位置，因此受到食指第二中部指段36的阻碍，食指末端指段38将不再反转，剖视示意如图19所示。此时食指远关节传动件314将拉动已经伸直的食指第二中部指段36和食指末端指段38作为一个整体一起绕食指中关节轴35的轴线反向转动，同时食指中关节簧件312的变形随之逐渐减小，此时食指第二中部指段36已经反向转动到其相对于食指第一中部指段34的初始伸直位置。由于在食指第一中部指段34的后背上方有凸台，可以阻止食指第二指段36反转时超过其伸直的初始位置，因此受到食指第一中部指段34的阻碍，食指第二中部指段36将不再反转，剖视示意如图18所示。食指中关节传动件310将拉动已经伸直的食指第一中部指段34、食指第二中部指段36、食指末端指段38作为一个整体一起绕食指近关节轴33的轴线反向转动，直到食指3完全恢复到最开始的伸直位置，剖视示意如图17所示。

中指、无名指、小指的抓取原理与食指完全相同，不再赘述。

Claims (4)

1.一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌；

所说的拇指(2)包括拇指基座(21)、拇指电机(22)、拇指减速器(213)、拇指第一齿轮(211)、拇指第二齿轮(214)、拇指近关节轴(23)、拇指中部指段(24)、拇指远关节轴(25)、拇指末端指段(26)；所说的拇指电机(22)和拇指减速器(213)与拇指基座(21)固接，拇指电机(22)的输出轴与拇指减速器(213)的输入轴相连，拇指减速器(213)的输出轴与拇指第一齿轮(211)固接，拇指第一齿轮(211)与拇指第二齿轮(214)啮合，拇指第二齿轮(214)套固在拇指近关节轴(23)上，所说的拇指近关节轴(23)套设在拇指基座(21)中，所说的拇指远关节轴(25)套设在拇指中部指段(24)中，所说的拇指末端指段(26)套固在拇指远关节轴(25)上；

所说的食指(3)包括食指基座(31)、食指电机(32)、食指减速器(319)、食指第一齿轮(317)、食指第二齿轮(320)、食指近关节轴(33)、食指第一中部指段(34)、食指中关节轴(35)、食指第二中部指段(36)、食指远关节轴(37)、食指末端指段(38)，所说的食指电机(32)和食指减速器(319)与食指基座(31)固接，食指电机(32)的输出轴与食指减速器(319)的输入轴相连，食指减速器(319)的输出轴与食指第一齿轮(317)固接，食指第一齿轮(317)与食指第二齿轮(320)啮合，食指第二齿轮(320)套固在食指近关节轴(33)上，所说的食指近关节轴(33)套设在食指基座(31)中，所说的食指中关节轴(35)套设在食指第一中部指段(34)中，所说的食指远关节轴(37)套设在食指第二中部指段(36)中，所说的食指末端指段(38)套固在食指远关节轴(37)上；

所说的中指(4)、无名指(5)、小指(6)与食指(3)结构相同，仅尺寸大小不同；所说的手掌(1)包括手掌骨架(1)、手掌电机(11)、手掌减速器(15)、手掌第一齿轮(13)、手掌第二齿轮(16)、手掌关节轴(12)；所说的手掌电机(11)和手掌减速器(15)与手掌骨架(1)固接，手掌电机(11)的输出轴与手掌减速器(15)的输入轴相连，手掌减速器(15)的输出轴与手掌第一齿轮(13)固接，手掌第一齿轮(13)与手掌第二齿轮(16)啮合，手掌第二齿轮(16)套固在手掌关节轴(12)上，手掌关节轴(12)套设在手掌骨架(11)中，拇指基座(21)套固在手掌关节轴(12)上；

所说的食指(3)通过食指基座(31)与手掌骨架(11)固接，所说的中指(4)、无名指(5)、小指(6)分别与手掌骨架(11)固接，连接方式同食指(3)一致；所说的食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)、拇指(2)和手掌(1)之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置；

其特征在于：

a、拇指(2)包括拇指主动轮(27)、拇指传动件(28)、拇指从动轮(29)、拇指簧件(210)、拇指近关节簧件(212)；所说的拇指中部指段(24)套接在拇指近关节轴(23)上，所说的拇指主动轮(27)套接在拇指近关节轴(23)上，所说的拇指近关节簧件(212)两端分别连接拇指近关节轴(23)和拇指主动轮(27)，拇指从动轮(29)套固在拇指远关节轴(25)上，拇指传动件(28)连接拇指主动轮(27)与拇指从动轮(29)，拇指簧件(210)的两端分别连接拇指中部指段(24)和拇指末端指段(26)；

b、食指(3)包括食指近关节主动轮(39)、食指中关节传动件(310)、食指中关节从动轮(311)、食指中关节簧件(312)、食指中关节主动轮(313)、食指远关节传动件(314)、食指远关节从动轮(315)、食指远关节簧件(316)、食指近关节簧件(318)；所说的食指第一中部指段(34)套接在食指近关节轴(33)上，所说的食指第二中部指段(36)套接在食指中关节轴(35)上；所说的食指近关节主动轮(39)套接在食指近关节轴(33)上，所说的食指近关节簧件(318)两端分别连接食指近关节轴(33)和食指近关节主动轮(39)，食指中关节从动轮(311)套固在食指中关节轴(35)上，食指中关节传动件(310)连接食指近关节主动轮(39)和食指中关节从动轮(311)，食指中关节簧件(312)的两端分别连接食指第一中部指段(34)和食指第二中部指段(36)；所说的食指中关节主动轮(313)套固在食指中关节轴(35)上，食指远关节从动轮(315)套固在食指远关节轴(37)上，食指远关节传动件(314)连接食指中关节主动轮(313)和食指远关节从动轮(315)，食指远关节簧件(316)的两端分别连接食指第二中部指段(36)和食指末端指段(38)。

2.如权利要求1所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于：所说的拇指传动件(28)、食指中关节传动件(310)、食指远关节传动件(314)采用平带、齿形带、腱绳或链条，所说的拇指主动轮(27)、食指近关节主动轮(39)、食指中关节主动轮(313)采用带轮、齿轮、绳轮和链轮中的分别能够与拇指传动件(28)、食指中关节传动件(310)、食指远关节传动件(314)相配合的那一种，所说的拇指从动轮(29)、食指中关节从动轮(311)、食指远关节从动轮(315)采用带轮、齿轮、绳轮和链轮中的分别与拇指主动轮(27)、食指近关节主动轮(39)、食指中关节主动轮(313)相同类型的那一种。

3.如权利要求1所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于：所说的拇指近关节簧件(212)、拇指簧件(210)、食指近关节簧件(318)、食指中关节簧件(312)、食指远关节簧件(316)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

4.如权利要求1或3所述的带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于：所说的食指、中指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的近关节簧件的弹力限制作用。

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