CN101474794A - 仿生机器人欠驱动灵巧手装置 - Google Patents

Abstract

仿生机器人欠驱动灵巧手装置，属于拟人机器人技术领域，主要包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌。该装置具有5个独立控制的手指和15个关节自由度，由10个电机驱动。四指(食指、中指、无名指和小指)结构相同，利用双电机、传动机构、柔性件和簧件综合实现了手指可变初始构型及部分耦合的自适应抓取特殊效果。四指在抓取物体前弯曲第二中部指段以及末端指段自动耦合弯曲以达到良好的准备抓取姿态，使机器人手更接近于人手。该装置结构紧凑、集成度高、外观、尺寸和形态动作更趋近于人手、可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体，适合用于拟人机器人。

Description

仿生机器人欠驱动灵巧手装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种仿生机器人欠驱动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。

纯主动驱动的高自由度灵巧手通常具有3～5个手指，每个手指3～4个主动驱动的关节自由度。灵巧手几乎能做出人手的各种动作，分为抓取和操作两类动作。例如国外研发出来的Hitachi手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手、Shadow公司C5手、DLR手和Robonaut手，国内哈工大研发的HIT灵巧手和北航研发的BH灵巧手等。这种灵巧手的主要优点是可以灵活主动的抓取物体，并有很好的抓取稳定性，其不足是不能实现抓取物体时对物体的形状和尺寸自动适应(自适应抓取)，造成对传感及控制系统要求高，系统复杂、成本高、可靠性低。

欠驱动机器人手指可以克服上述灵巧手纯主动驱动多关节手指的一些不足，以此为主设计实现高欠驱动的机器人手已经受到越来越多的重视。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸，达到自适应抓取的目的，降低了对传感及控制系统的要求。

但是欠驱动机械手指的不足为：其手指初始构形是固定(伸直或呈某个弯曲角度)，这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化，不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人手抓持不同尺寸物体时，手指在还未碰触物体前就需要事先弯曲到某个角度，只有这样才能更好的抓取。例如，在人手在捏持小尺寸物体之前，四指(即食指、中指、无名指和小指)中间关节要事先弯曲较大角度，直到四指末端与拇指末端相接近，之后再进行抓取。而且手指所弯曲的角度对于不同尺寸的物体是需要调节的。而传统的欠驱动手指没法实现在碰触物体之前的这种中间关节的转动，因而难以实现更加拟人化抓取动作和更加稳定地抓持物体效果。另外，当没有所抓物体而执行单纯的握拳动作时，整个手指只能呈伸直状态绕近关节轴转动，这与人手的可以绕中间关节弯曲的握拳动作相去甚远，影响了机器人手的拟人化动作效果。

一种已有的拟人机器人手，如中国发明专利CN1231332，包括手掌、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。

另一种已有的拟人机器人手，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。另一种已有的拟人机器人手，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。这两种装置的不足之处为它们的中指、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。

还有一种拟人机器人手装置(中国发明专利CN101214653A)，采用一种带轮欠驱动手指机构原理实现拇指两关节和食指三关节的驱动。该带轮欠驱动手指机构包括基座、电机、减速器、近关节轴、齿轮传动机构、带轮传动机构、中部指段、远关节轴、末端指段和簧件。电机通过减速器、齿轮和带轮传动机构使末端指段随之转动。由于弹簧的约束作用使中部指段和末端指段在没有碰触物体前保持固定的伸直状态(中部指段和末端指段之间的夹角为平角)，只有当中部指段接触物体被阻挡时，末端指段才随远关节轴转动，实现手指弯曲包络所抓取物体。该装置的不足之处在于在接触物体前，中部指段和末端指段只能呈伸直状态，作为一个整体绕近关节轴转动，这种效果用来模仿拇指较为可行，但是如果用来模仿人手具有三关节的食指、中指、无名指和小指，仍然与人手差别较大(人手的中部关节具有一定的主动转动特点)，大为影响抓取效果。另外，考虑到人手食指、中指、无名指和小指抓取物体的实际情况，末端关节通常与中部关节同步转动，二者转动角度有一定协同效果，该手未能实现这种良好的抓取效果。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种仿生机器人欠驱动灵巧手装置。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，动作均更加接近人手，它的食指、中指、无名指和小指可以自由调节第二关节的初始角度状态，同时实现第二关节与第三关节的耦合，同时保证抓取物体时具有自动适应物体形状、尺寸的抓取效果，适合安装在拟人机器人上使用。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌；其特征在于：

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；所说的拇指传动件采用平带、齿形带、腱绳、齿条或链条，所说的拇指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的拇指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的拇指传动件、拇指主动轮和拇指从动轮三者之间能够配合形成传动关系；

所说的食指包括食指基座、食指第一电机、食指第一传动机构、食指第一关节轴、食指第二传动机构、食指第一中部指段、食指第二关节轴、食指第二中部指段和食指第一簧件；所述的食指第一电机与食指基座固接，食指第一电机的输出轴通过食指第一传动机构与食指第一关节轴相连，食指第一传动机构将食指第一电机的输出轴的转动动力传递到食指第一关节轴上使其转动；所述的食指第一关节轴套设在基座中，所述的食指第一中部指段套接在食指第一关节轴上，食指第二关节轴套设在食指第一中部指段中，食指第二中部指段套固在食指第二关节轴上，食指第一关节轴和食指第二关节轴相互平行；所述的食指第一关节轴通过食指第二传动机构与食指第二关节轴相连，食指第二传动机构将食指第一关节轴的转动动力传递到食指第二关节轴上使其转动，食指第一关节轴与食指第二关节轴的转动方向相同；所述的食指第一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；

所说的食指还包括食指第二电机、食指第三传动机构、食指柔性件、食指第二簧件、食指第一绳轮、食指第一腱绳、食指第二腱绳、食指第二绳轮、食指第三关节轴和食指末端指段；所述的食指第三关节轴套设在食指第二中部指段中，食指末端指段套固在食指第三关节轴上，食指第三关节轴和食指第二关节轴相互平行；所述的食指第二电机与食指第一中部指段固接，所述的食指第二电机的输出轴通过食指第三传动机构与食指柔性件的一端相连，食指柔性件的另一端连接食指第二中部指段，食指第三传动机构将食指第二电机的输出轴的转动动力传递到食指柔性件上使其一端运动；所述的食指第二簧件作为连接件串联安装到从食指第一关节轴到食指第二传动机构再到食指第二关节轴的传动链中；所述的食指第一绳轮套接在食指第二关节轴上，食指第一绳轮与食指第一中部指段固接；食指第二绳轮套固在食指第三关节轴上；所说的食指第一腱绳缠绕在食指第一绳轮和食指第二绳轮上并成“Z”字形，食指第一腱绳的两端分别与食指第一绳轮、食指第二绳轮固接；所说的食指第二腱绳缠绕在食指第一绳轮和食指第二绳轮上并成“S”字形，食指第二腱绳的两端分别与食指第一绳轮、食指第二绳轮固接，食指第一腱绳和食指第二腱绳交叉成“8”字形；

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；所说的中指、无名指、小指与食指结构相同，仅尺寸大小不同。

本发明所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，其特征在于：所述的食指第二传动机构包括食指主动轮、食指传动件和食指从动轮；所说的食指主动轮作为食指第二传动机构的输入件与食指第一关节轴相连，所说的食指从动轮作为食指第二传动机构的输出件与食指第二关节轴相连，所说的食指传动件连接食指主动轮与食指从动轮；所说的食指传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳或链条，所说的食指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的食指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的食指传动件、食指主动轮和食指从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，其特征在于：所述的食指第三传动机构包括食指主动螺纹件和食指从动螺纹件，所述的食指主动螺纹件作为食指第三传动机构的输入件与食指第二电机的输出轴相连，所述的食指主动螺纹件与食指从动螺纹件形成螺纹传动关系，所述的食指从动螺纹件作为食指第三传动机构的输出件与食指柔性件的一端相连，食指从动螺纹件镶嵌在食指第一中部指段中可以滑动；所述的食指主动螺纹件采用具有外螺纹的丝杆或具有内螺纹的螺管，所述的食指从动螺纹件则对应采用具有内螺纹的螺母或具有外螺纹的丝杆。

本发明所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，其特征在于：所说的拇指近关节簧件、拇指簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

本发明所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，其特征在于：所述的食指第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。

本发明所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，其特征在于：所述的食指第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。

本发明所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，其特征在于：所述的食指柔性件采用绳、带、筋、丝或链条中一种或几种的组合。

本发明具有以下优点及突出性效果：

该装置具有5个独立控制的手指和15个关节自由度，由10个电机驱动。四指(食指、中指、无名指和小指)均采用结构相同的一种模块化结构，该模块化手指结构利用双电机、传动机构、柔性件和簧件综合实现了手指可变初始构型及部分耦合的自适应抓取特殊效果。四指在抓取物体前弯曲第二中部指段以及末端指段自动耦合弯曲以达到良好的准备抓取姿态，通过调节不同的手指初始构型，可以更好地提高抓取稳定性。四指模仿人手耦合第二中部指段和第三中部指段的运动，使机器人手更接近于人手，节省了自由度，降低了对传感器及控制系统的要求。该装置结构紧凑、集成度高、外观、尺寸和形态动作更趋近于人手、可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体，适合用于拟人机器人。

附图说明

图1是本发明的仿生机器人欠驱动灵巧手装置的实施例局部剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面。

图2是该实施例的正面外观图，此时拇指已摆动到手掌侧面。

图3是该实施例的侧面外观图，此时拇指已摆动到手掌的正对面。

图4是该实施例的俯视外观图，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5是该实施例的拇指的正面外观图，未完整画出拇指基座。

图6是该实施例的拇指的侧面外观图，未完整画出拇指基座。

图7是该实施例的拇指正面剖视图，未完整画出拇指基座。

图8是该实施例的拇指主动轮、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是该实施例的拇指簧件、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是该实施例的食指的正面外观图。

图11是该实施例的食指的侧面外观图。

图12是该实施例的食指的正面剖视图。

图13是图12的C—C剖视图。

图14是图12的B—B剖视图(局部)。

图15是图12的A—A剖视图(局部)。

图16是该实施例的食指第一簧件的安装示意图。

图17是图12的D—D剖面图。

图18是该实施例的食指第二簧件的安装示意图。

图19是图12的E—E剖视图(未画出全部细节)。

图20、图21和图22是该实施例的拇指在抓取物体过程中的几个关键位置的示意。

图23、图24、图25、图26和图27是该实施例的食指采用无预弯曲的欠驱动抓取物体过程中的几个关键位置的示意。

图28、图29、图30、图31和图32是该实施例的食指采用有预弯曲的欠驱动抓取物体过程中的几个关键位置的示意。

在图1至图32中：

1—手掌骨架，

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，

2—拇指，

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，

3—食指，

31—基座，              32—第一电机，           33—第一传动机构，

34—第一关节轴，        35—第一中部指段，       36—第二传动机构，

37—第二关节轴，        38—第一簧件，           39—第二电机，

310—第三传动机构，     311—柔性件，            312—第二中部指段，

313—第一绳轮，         315—第三关节轴，        316—末端指段，

317—第二簧件，         321—减速器，            322—第一齿轮，

323—第二齿轮，         324—主动轮，            325—传动件，

326—从动轮，           327—丝杆，              328—螺母，

329—第一腱绳，         330—第二腱绳，          331—第二绳轮。

4—中指，               5—无名指，              6—小指。

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。

本发明设计的仿生机器人欠驱动灵巧手装置的实施例整体如图1、图2、图3、图4所示，包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6。本实施例的正面的局部剖视图如图1所示。

拇指外观及剖视图如图5、图6和图7所示(未完整画出拇指基座)，拇指局部的连接关系示意如图8和图9所示。本实施例的食指外观及剖视图如图10、图11、图12和图13所示，食指局部的连接关系示意如图14、图15、图16、图17、图18和图19所示。

本实施例的拇指抓取物体过程中几个关键位置示意如图20、图21和图22所示。

本实施例的食指抓取物体的第一种情况动作过程中几个关键位置的示意如图23、图24、图25、图26和图27所示。本实施例的食指抓取物体的第二种情况动作过程中几个关键位置的示意如图28、图29、图30、图31和图32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。

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；所说的拇指传动件28采用平带、齿形带、腱绳、齿条或链条，所说的拇指主动轮27采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的拇指从动轮29采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的拇指传动件28、拇指主动轮27和拇指从动轮29三者之间能够配合形成传动关系。

所说的食指包括食指基座31、食指第一电机32、食指第一传动机构33、食指第一关节轴34、食指第二传动机构36、食指第一中部指段35、食指第二关节轴37、食指第二中部指段312和食指第一簧件38；所述的食指第一电机32与食指基座31固接，食指第一电机32的输出轴通过食指第一传动机构33与食指第一关节轴34相连，食指第一传动机构33将食指第一电机32的输出轴的转动动力传递到食指第一关节轴34上使其转动；所述的食指第一关节轴34套设在基座31中，所述的食指第一中部指段35套接在食指第一关节轴34上，食指第二关节轴37套设在食指第一中部指段35中，食指第二中部指段312套固在食指第二关节轴37上，食指第一关节轴34和食指第二关节轴37相互平行；所述的食指第一关节轴34通过食指第二传动机构36与食指第二关节轴37相连，食指第二传动机构36将食指第一关节轴34的转动动力传递到食指第二关节轴37上使其转动，食指第一关节轴34与食指第二关节轴37的转动方向相同；所述的食指第一簧件38的两端分别连接食指第一中部指段35和食指第二中部指段312；

所说的食指3还包括食指第二电机39、食指第三传动机构310、食指柔性件311、食指第二簧件317、食指第一绳轮313、食指第一腱绳329、食指第二腱绳330、食指第二绳轮331、食指第三关节轴315和食指末端指段316；所述的食指第三关节轴315套设在食指第二中部指段312中，食指末端指段316套固在食指第三关节轴315上，食指第三关节轴315和食指第二关节轴37相互平行；所述的食指第二电机39与食指第一中部指段35固接，所述的食指第二电机39的输出轴通过食指第三传动机构310与食指柔性件311的一端相连，食指柔性件311的另一端连接食指第二中部指段312，食指第三传动机构310将食指第二电机39的输出轴的转动动力传递到食指柔性件311上使其一端运动；所述的食指第二簧件317作为连接件串联安装到从食指第一关节轴34到食指第二传动机构36再到食指第二关节轴37的传动链中；所述的食指第一绳轮313套接在食指第二关节轴37上，食指第一绳轮313与食指第一中部指段35固接；食指第二绳轮331套固在食指第三关节轴315上；所说的食指第一腱绳329缠绕在食指第一绳轮313和食指第二绳轮331上并成“Z”字形，食指第一腱绳329的两端分别与食指第一绳轮313、食指第二绳轮331固接；所说的食指第二腱绳330缠绕在食指第一绳轮313和食指第二绳轮331上并成“S”字形，食指第二腱绳330的两端分别与食指第一绳轮313、食指第二绳轮331固接，食指第一腱绳329和食指第二腱绳330交叉成“8”字形；

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；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。

本实施例中，所述的食指第二传动机构36包括食指主动轮324、食指传动件325和食指从动轮326；所说的食指主动轮324作为食指第二传动机构36的输入件与食指第一关节轴34相连，所说的食指从动轮326作为食指第二传动机构36的输出件与食指第二关节轴37相连，所说的食指传动件325连接食指主动轮324与食指从动轮326；所说的食指传动件325采用平带、齿形带、齿条、腱绳或链条，所说的食指主动轮324采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的食指从动轮326采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的食指传动件325、食指主动轮324和食指从动轮326三者之间能够配合形成传动关系；

本实施例中，所述的食指第三传动机构310包括食指主动螺纹件和食指从动螺纹件，所述的食指主动螺纹件作为食指第三传动机构的输入件与食指第二电机的输出轴相连，所述的食指主动螺纹件与食指从动螺纹件形成螺纹传动关系，所述的食指从动螺纹件作为食指第三传动机构的输出件与食指柔性件311的一端相连，食指从动螺纹件镶嵌在食指第一中部指段中可以滑动；所述的食指主动螺纹件采用具有外螺纹的丝杆327或具有内螺纹的螺管，所述的食指从动螺纹件则对应采用具有内螺纹的螺母328或具有外螺纹的丝杆；

本发明所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，所说的拇指近关节簧件、拇指簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

本实施例中，所说的拇指近关节簧件212、拇指簧件210采用扭簧。

本发明所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，所述的食指第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的食指第一簧件38采用扭簧。

本发明所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，所述的食指第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的食指第二簧件317采用扭簧。

本发明所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，所述的食指柔性件采用绳、带、筋、丝或链条中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的食指柔性件311采用绳。

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。

下面介绍本实施例的工作原理。

(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3和图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1、图2以及图4的虚线所示拇指位置。

(b)拇指2工作原理为：

当本实施例装置抓取物体时，初始位置如图20所示，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，如图21所示。

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，如图22所示。

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，如图21所示。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20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23、图24、图25、图26、图27、图28、图29、图30、图31和图32，以食指3为例介绍其工作原理如下。分为三种情况说明。

(c1)食指第二关节与食指第三关节是耦合的，其动作效果和工作原理介绍如下。

食指第二关节轴37的正向转动(正向转动指该手指弯曲抓取物体)将导致食指第二中部指段312绕食指第二关节轴37中心线的正向转动(相对于食指第一中部指段35转动)，又由于食指第一绳轮313是固接于食指第一中部指段35的，因此，以食指第二中部指段312为参照系观察食指第一绳轮313会发现食指第一绳轮313在“反转”，这种反转通过“8”字形绳轮传动机构(包括食指第一绳轮313、食指第一腱绳329、食指第二腱绳330和食指第二绳轮331)会导致食指第二绳轮331相对于食指第二中部指段312的正向转动(此时食指第二腱绳330发挥了正向拉转食指第二绳轮331的作用)，于是食指末端指段316正向转动了一个角度，即实现了食指第三关节(对应于食指第三关节轴315的中心线)的转动，这种食指第二关节(对应于食指第二关节轴37的中心线)转动带来食指第三关节相应的转动称为两个关节的转动是耦合的。例如，当食指第一绳轮313和食指第二绳轮331的半径相同时，为1∶1耦合，即食指第三关节与食指第二关节的转动角度相同。

(c2)食指第一关节和食指第二关节是一种解耦欠驱动关系，其动作过程和工作原理介绍如下。

食指第一电机32的输出轴转动，通过食指第一减速器321传送到食指第一齿轮322，食指第一齿轮322带动食指第二齿轮323转动，食指第二齿轮323带动食指第一关节轴34转动，食指第一关节轴34通过食指第二簧件317带动食指主动轮324转动，通过食指传动件325拉动食指从动轮326转动，食指从动轮326通过食指第二关节轴37带动食指第二中部指段312绕食指第二关节轴37的中心线转动，由于食指第一中部指段35与食指第二中部指段312之间有食指第一簧件38的弹簧力约束，因此，食指第一电机32的转动将使得整个食指第一中部指段35、食指第二中部指段312呈一个整体一块绕着食指第一关节轴34的中心线转动。直到食指第一中部指段35碰触到物体被阻挡而不再转动，此时食指第一电机32继续转动，将导致食指第一簧件38被迫变形，食指第二中部指段312绕过食指第二关节轴37的中心线转动。

(c3)由于食指第二电机32、食指第三传动机构310、食指柔性件311和食指第二簧件317等的综合作用使得本实施例装置可以采用伸直或弯曲一定角度作为即将抓取物体时的手指姿态，在此称为具有预弯曲效果的欠驱动抓取动作，其动作过程和工作原理介绍如下。

食指第二电机39与食指第一电机32将依次先后使用。首先仅让食指第二电机39工作，其输出轴转动，带动食指第三传动机构310工作，此处具体为带动食指丝杆327转动，带动食指螺母328向下移动，食指螺母328向下拉拽食指柔性件311(此处为绳)的一端，食指柔性件311(绳)拉动食指第二中部指段312发生转动，此时食指第一簧件38发生变形，同时由于食指第二中部指段312通过食指第二关节轴37、食指从动轮326和食指传动件325拉动食指主动轮324发生转动，食指第二簧件317发生变形。此时，食指第二电机39停止工作不再转动，此时食指第二中部指段312已经转动了一个角度。由于食指柔性件311(绳)不可以被拉回但可以弯曲，因而它对食指第二中部指段312的转动范围起到了单向约束作用，即食指柔性件311限制住了食指第二中部指段312不能往回到伸直的初始位置，但是食指第二中部指段312可以在其他机构作用下继续向前转动(此时食指柔性件311处于松弛弯曲状态)，因此，此时该食指第二关节弯曲的状态作为后续欠驱动抓取动作的初始位置被确定下来。之后食指第一电机32工作时实现的双关节(指食指第一关节和食指第二关节)欠驱动抓取过程仍可以正常进行。前述过程可以自由调节食指第二中部指段312转动角度，一旦调节完成食指第二电机39就停止工作，此后转为食指第一电机32再开始工作，之后食指第一电机32工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述(b)过程相同，只是手指的初始姿态变为弯曲的状态了。

综上所述，实际运行中，食指工作在上述(c1)、(c2)、(c3)三种情况的任意组合下。比较多的是两种组合：一种是(c1)与(c2)，其过程如图23、图24、图25、图26和图27所示；还有一种是(c1)、(c2)与(c3)，其动作过程如图28、图29、图30、图31和图32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 (7)

1、仿生机器人欠驱动灵巧手装置，包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)和手掌；其特征在于：

所说的手掌包括手掌骨架(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；

所说的拇指包括拇指基座(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；

所说的拇指(2)还包括拇指主动轮(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；所说的拇指传动件采用平带、齿形带、腱绳、齿条或链条，所说的拇指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的拇指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的拇指传动件、拇指主动轮和拇指从动轮三者之间能够配合形成传动关系；

所说的食指包括食指基座(31)、食指第一电机(32)、食指第一传动机构(33)、食指第一关节轴(34)、食指第二传动机构(36)、食指第一中部指段(35)、食指第二关节轴(37)、食指第二中部指段(312)和食指第一簧件(38)；所述的食指第一电机与食指基座固接，食指第一电机的输出轴通过食指第一传动机构与食指第一关节轴相连，食指第一传动机构将食指第一电机的输出轴的转动动力传递到食指第一关节轴上使其转动；所述的食指第一关节轴套设在基座中，所述的食指第一中部指段套接在食指第一关节轴上，食指第二关节轴套设在食指第一中部指段中，食指第二中部指段套固在食指第二关节轴上，食指第一关节轴和食指第二关节轴相互平行；所述的食指第一关节轴通过食指第二传动机构与食指第二关节轴相连，食指第二传动机构将食指第一关节轴的转动动力传递到食指第二关节轴上使其转动，食指第一关节轴与食指第二关节轴的转动方向相同；所述的食指第一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(3)还包括食指第二电机(39)、食指第三传动机构(310)、食指柔性件(311)、食指第二簧件(317)、食指第一绳轮(313)、食指第一腱绳(329)、食指第二腱绳(330)、食指第二绳轮(331)、食指第三关节轴(315)和食指末端指段(316)；所述的食指第三关节轴套设在食指第二中部指段中，食指末端指段套固在食指第三关节轴上，食指第三关节轴和食指第二关节轴相互平行；所述的食指第二电机与食指第一中部指段固接，所述的食指第二电机的输出轴通过食指第三传动机构与食指柔性件的一端相连，食指柔性件的另一端连接食指第二中部指段，食指第三传动机构将食指第二电机的输出轴的转动动力传递到食指柔性件上使其一端运动；所述的食指第二簧件作为连接件串联安装到从食指第一关节轴到食指第二传动机构再到食指第二关节轴的传动链中；所述的食指第一绳轮套接在食指第二关节轴上，食指第一绳轮与食指第一中部指段固接；食指第二绳轮套固在食指第三关节轴上；所说的食指第一腱绳缠绕在食指第一绳轮和食指第二绳轮上并成“Z”字形，食指第一腱绳的两端分别与食指第一绳轮、食指第二绳轮固接；所说的食指第二腱绳缠绕在食指第一绳轮和食指第二绳轮上并成“S”字形，食指第二腱绳的两端分别与食指第一绳轮、食指第二绳轮固接，食指第一腱绳和食指第二腱绳交叉成“8”字形；

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；所说的中指、无名指、小指与食指结构相同，仅尺寸大小不同。

2、如权利要求1所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，其特征在于：所述的食指第二传动机构包括食指主动轮(324)、食指传动件(325)和食指从动轮(326)；所说的食指主动轮作为食指第二传动机构的输入件与食指第一关节轴相连，所说的食指从动轮作为食指第二传动机构的输出件与食指第二关节轴相连，所说的食指传动件连接食指主动轮与食指从动轮；所说的食指传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳或链条，所说的食指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的食指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的食指传动件、食指主动轮和食指从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

3、如权利要求1所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，其特征在于：所述的食指第三传动机构包括食指主动螺纹件和食指从动螺纹件，所述的食指主动螺纹件作为食指第三传动机构的输入件与食指第二电机的输出轴相连，所述的食指主动螺纹件与食指从动螺纹件形成螺纹传动关系，所述的食指从动螺纹件作为食指第三传动机构的输出件与食指柔性件的一端相连，食指从动螺纹件镶嵌在食指第一中部指段中可以滑动；所述的食指主动螺纹件采用具有外螺纹的丝杆或具有内螺纹的螺管，所述的食指从动螺纹件则对应采用具有内螺纹的螺母或具有外螺纹的丝杆。

4、如权利要求1所述的仿生机器人欠驱动灵巧手装置，其特征在于：所说的拇指近关节簧件(212)、拇指簧件(210)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

5、如权利要求1所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，其特征在于：所述的食指第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。

6、如权利要求1所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，其特征在于：所述的食指第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。

7、如权利要求1所述的非完全耦合的变位欠驱动三关节手指装置，其特征在于：所述的食指柔性件采用绳、带、筋、丝或链条中一种或几种的组合。

Images