CN101733758A - 气动式欠驱动机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

气动式欠驱动机器人手指装置，属拟人机器人手技术领域。包括第一、二指段和欠驱动关节。欠驱动关节包括主动滑块、关节轴和两个气动柔性件；主动滑块镶嵌在第一指段中；关节轴套接在第一指段中，第二指段套固在关节轴上；第一气动柔性件设置在第一指段与主动滑块之间；第二气动柔性件设置在第一与第二指段之间；第一、第二气动柔性件通过第一指段通孔相通。本发明手指装置采用可变形密闭空间内的气体作为传动媒介，结合可轴向伸缩和轴向弯曲的气动柔性件，综合实现了手指抓取物体时的无源欠驱动弯曲效果，具有对所抓物体形状大小自动适应的功能，制造和维护成本低，与人手手指相似，还可串联构成高形状自适应和高欠驱动的多关节手指。

Description

气动式欠驱动机器人手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种气动式欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为拟人机器人的输出终端，被越来越多的机器人研究者所重视。在机器人学领域有两大类机器人手：灵巧手和欠驱动手，它们分别基于主动控制和欠驱动两种不同的驱动方式。灵巧手外形和动作极似人手，可以在复杂控制算法和机构的综合作用下，灵活地完成人手所能完成的多数动作，但是灵巧手价格昂贵，制造控制难度大，维护难度大。欠驱动手可以自适应抓取物体，控制难度小、维护简单、装置稳定。

已有的一种气动式主动驱动的多指多关节机器人手装置(发明专利CN 101402200A)，其中每个关节采用气动柔性驱动器实现手指的弯曲。该装置的不足之处为：该装置由于采用气力主动驱动各手指各关节的转动，使得该手体积大、质量大、制造成本高、控制难度大，不能自适应抓取物体，必须依赖很复杂的控制才能实现对不同尺寸形状物体的抓取。

已有的一种齿条式的欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1410223A，包括第一指段、欠驱动关节和第二指段，欠驱动关节含有主动滑块、关节轴和齿轮齿条机构。外力驱动主动滑块在第一指段上滑动，同时固接在主动滑块上的齿条向第一指段内运动，带动与齿条啮合的齿轮绕关节轴转动，实现第二指段转动并扣紧物体。该装置的不足之处为：该装置采用齿轮齿条传动，为了实现良好的欠驱动效果，即实现第二指段较大角度的转动，所采用的齿轮半径必须很小，加工难度大、成本高；齿轮齿条的质量较大；齿轮齿条机构需要良好的润滑和密封，使用成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种气动式欠驱动机器人手指装置。使其具有结构简单、体积小、重量轻、制造和维护成本低的特点；该装置可以安装到机械手上，配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，与人手的手指相似。

本发明采用如下技术方案：

发明提供的一种气动式欠驱动机器人单关节手指装置，包括第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节；所述的欠驱动关节包括主动滑块和关节轴；所述的关节轴套设在第一指段中，第二指段套固在关节轴上，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，其特征在于：所述的欠驱动关节还包括第一气动柔性件、第二气动柔性件；所述的第一气动柔性件和第二气动柔性件均包括第一端盖、第二端盖以及伸缩件，且第一气动柔性件中的伸缩件和第二气动柔性件中的伸缩件的轴线相互垂直；所述的第一气动柔性件通过第一端盖与第一指段固定连接，第一气动柔性件通过第二端盖与主动滑块固定连接；所述的第二气动柔性件通过第一端盖与第一指段固定连接，第二气动柔性件通过第二端盖与第二指段固定连接；所述的第一指段中设有通孔，所述的第一气动柔性件和第二气动柔性件通过第一指段中的通孔相连通。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件采用风箱式伸缩件，所述的风箱式伸缩件采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构；所述的第二气动柔性件的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管，该嵌簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件和第二气动柔性件的伸缩件均采用嵌簧丝橡胶管，该嵌簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管，该嵌簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中；所述的第二气动柔性件的伸缩件采用套簧丝橡胶管，该套簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管，该嵌簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中；所述的第二气动柔性件的伸缩件采用风箱式伸缩件，所述的风箱式伸缩件采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件采用套簧丝橡胶管，该套簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖；所述的第二气动柔性件的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管，该嵌簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件和第二气动柔性件的伸缩件均采用套簧丝橡胶管，该套簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件采用套簧丝橡胶管，该套簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖；所述的第二气动柔性件的伸缩件采用风箱式伸缩件，所述的风箱式伸缩件采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件采用风箱式伸缩件，所述的风箱式伸缩件采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构；所述的第二气动柔性件的伸缩件采用套簧丝橡胶管，该套簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的上述的八种优选方案，其特征在于：在第一指段和第二指段间加装簧件，或在第一指段和主动滑块间加装簧件，或在第一指段和第二指段间及第一指段和主动滑块间均加装簧件；所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧、发条、片簧或弹性绳。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件和第二气动柔性件的伸缩件均采用风箱式伸缩件，所述的风箱式伸缩件采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构；并在第一指段和第二指段间加装簧件，或在第一指段和主动滑块间加装簧件，或在第一指段和第二指段间及第一指段和主动滑块间均加装簧件；所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧、发条、片簧或弹性绳。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的第一气动柔性件的伸缩件平均内径大于等于第二气动柔性件的伸缩件的平均内径的两倍。

本发明所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种优选方案，其特征在于：所述的伸缩件上设有气门嘴。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明的单关节手指装置采用可变形密闭空间内的气体作为传动媒介，结合可轴向伸缩和轴向弯曲的气动柔性件，综合实现了手指抓取物体时的无源欠驱动弯曲效果；经过合理的尺寸设计，主动滑块很短的运动距离可带来第二指段大角度的转动；该单关节手指装置适合安装于机械手上作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，该装置结构简单、体积小、质量小、制造和维护成本低，与人手的手指相似。该装置可以串联起来构成高形状自适应和高欠驱动的多关节手指，还可以用多个这样的单关节或多关节手指组合构成高欠驱动的拟人机器人手，用以达到拟人机器人手高关节自由度、高抓取自适应的效果。

附图说明

图1是本发明提供的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的一种实施例的侧面剖面图(为图2中的B-B剖面图，手指呈伸直状态)。

图2是图1所示实施例的正面剖面图(为图1中的A-A剖面图)。

图3是图1所示实施例的正面外观图。

图4是图1所示实施例的侧面外观图。

图5是图1所示实施例的立体外观图(手指呈伸直状态)。

图6是图1所示实施例的爆炸视图。

图7是图1所示实施例的主动滑块立体外观图(与图6视角不同)。

图8是采用风箱式伸缩件的气动柔性件立体外观图。

图9是图8的剖视图。

图10是采用嵌簧丝橡胶管的气动柔性件的局部剖视图。

图11是图10的剖视图。

图12是采用套簧丝橡胶管的气动柔性件立体外观图。

图13是图12的剖视图。

图14是带气门嘴的采用嵌簧丝橡胶管的气动柔性件实施例的立体外观图。

图15是带气门嘴的采用套簧丝橡胶管的气动柔性件实施例的立体外观图。

图16是带气门嘴的采用风箱式伸缩件的气动柔性件实施例的立体外观图。

图17、图18、图19、图20是第一指段固定于手掌上的图1所示实施例手指抓握物体的示意图。

图21、图22、图23、图24是第一指段与主动关节连接后的图1所示实施例手指抓握物体的示意图。

图25是本发明提供的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的图1所示实施例的侧面剖面图(此时主动滑块处于行程的中间位置，第二指段已转动一定角度)。

图26是本发明提供的气动式欠驱动机器人单关节手指装置的图1所示实施例的侧面剖面图(此时主动滑块运动到接近其行程极限位置，第二指段已转动较大角度)。

图27是图25状态的立体外观图

图28是图26状态的立体外观图

图29是应用了图1所示实施例的气动式欠驱动机器人多关节手指装置实施例(采用了两个欠驱动关节)的侧视图。

图30是图29的双关节手指的正视图。

图31是图29实施例的双关节手指在两个欠驱动关节转动下抓握大尺寸物体的示意图。

图32是应用了三个图29所示双关节手指实施例的三手指抓握物体示意图。

图33是图32的左视图。

图34至图41是分别应用嵌簧丝橡胶管、套簧丝橡胶管或风箱式伸缩件构成第一气动柔性件和第二气动柔性件的本发明的另外八种实施例。

图42是图1所示实施例(在主动滑块和第一指段间加装压簧)的侧面剖面图。

图43是图1所示实施例(在第一指段和第二指段间加装拉簧)的侧面外观图。

图44是图1所示实施例(在第一指段和第二指段间加装扭簧)的正面外观图。

在图1至图44中：

1-第一指段，            11-通孔，               12-凸块，

13-弹簧凹槽，           14-侧面板，             15-销钉，

16-螺钉，               2-第二指段，            3-欠驱动关节，

4-主动滑块，            41-滑块表面罩，         42-滑槽，

43-弹簧凹槽，           5-关节轴，              6-第一气动柔性件，

61-第一端盖，           62-第二端盖，           7-第二气动柔性件，

71-第一端盖，           72-第二端盖，           73-嵌簧丝橡胶管，

731-橡胶管，            732-弹簧丝，            74-套簧丝橡胶管，

741-橡胶管，            742-弹簧丝，            75-风箱式伸缩件，

751-柔性外罩，          752-大圈，              753-小圈，

76-气门嘴，             8-簧件，                9-中间指段。

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的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明提供的气动式欠驱动机器人手指装置，包括第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节；所述的欠驱动关节包括主动滑块、关节轴、第一气动柔性件和第二气动柔性件；所述的关节轴套设在第一指段中，第二指段套固在关节轴上，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，所述的第一气动柔性件和第二气动柔性件均包括第一端盖、第二端盖以及伸缩件，且第一气动柔性件中的伸缩件和第二气动柔性件中的伸缩件的轴线相互垂直；所述的第一气动柔性件通过第一端盖与第一指段固定连接，第一气动柔性件通过第二端盖与主动滑块固定连接；所述的第二气动柔性件通过第一端盖与第一指段固定连接，第二气动柔性件通过第二端盖与第二指段固定连接；所述的第一指段中设有通孔；所述的第一气动柔性件和第二气动柔性件通过第一指段中的通孔相连通。

本发明设计的一种气动式无源欠驱动机器人单关节手指装置的一种实施例，剖视如图1、图2所示，外观如图3、图4、图5所示，图6为装置的爆炸图，主动滑块立体图的又一视角如图7所示。本实施例包括包括第一指段1、第二指段2和设置在两者之间的欠驱动关节3；所述的欠驱动关节3包括主动滑块4和关节轴5；所述的关节轴5套设在第一指段1中，第二指段2套固在关节轴5上，所述的主动滑块4镶嵌在第一指段1中，其特征在于：所述的欠驱动关节3还包括第一气动柔性件6、第二气动柔性件7；所述的第一气动柔性件6和第二气动柔性件7均包括第一端盖、第二端盖以及伸缩件，且第一气动柔性件6中的伸缩件和第二气动柔性件7中的伸缩件的轴线相互垂直；所述的第一气动柔性件6通过第一端盖61与第一指段1固定连接，第一气动柔性件6通过第二端盖62与主动滑块4固定连接；所述的第二气动柔性件7通过第一端盖71与第一指段1固定连接，第二气动柔性件7通过第二端盖72与第二指段2固定连接；所述的第一指段1中设有通孔11，所述的第一气动柔性件6和第二气动柔性件7通过第一指段中的通孔11相连通。

所述的第一气动柔性件和第二气动柔性件的伸缩件有多种方式可以实现，例如如下(a)、(b)、(c)所介绍的方案。

(a)本发明的一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管73，所述的嵌簧丝橡胶管73包括橡胶管731和弹簧丝732，所述的橡胶管壁中嵌套有弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。本实施例的第二气动柔性件采用此种嵌簧丝橡胶管73。图10、图11为图1所示实施例的第二气动柔性件，该第二气动柔性件的伸缩件采用了嵌簧丝伸缩件。

(b)本发明的又一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件采用套簧丝橡胶管74，所述的套簧丝橡胶管74包括橡胶管741和弹簧丝742，所述的橡胶管管壁外侧套有弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。图12、图13为这种气动柔性件的一种实施例，该气动柔性件中的伸缩件采用套簧丝伸缩件。

(c)本发明的又一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件采用风箱式伸缩件75，所述的风箱式伸缩件75为可轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。所述的风箱式伸缩件包括柔性外罩751、大圈752和小圈753，例如大圈和小圈采用钢丝圈，一大圈一小圈错落地等间距藏入在柔性外罩中，例如用布做柔性外罩。本实施例的第一气动柔性件采用此种风箱式伸缩件75。图8、图9为图1所示的实施例中的第一气动柔性件，该第一气动柔性件的伸缩件采用了风箱式伸缩件。

由于在本发明的气动式欠驱动机器人单关节手指装置中有两个气动柔性件：第一气动柔性件和第二气动柔性件，这两个气动柔性件中可以采用相同或者不同的伸缩件，例如采用上述(a)、(b)、(c)三种方式中的任意两种的搭配，如表1所示。

表1本发明的多种实施例(两个气动柔性件可用的多种组合方式)

第一气动柔性件的伸缩件	第二气动柔性件的伸缩件	图示	簧件说明
				嵌簧丝伸缩件	嵌簧丝伸缩件	图34	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
嵌簧丝伸缩件	套簧丝伸缩件	图36	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
				嵌簧丝伸缩件	风箱式伸缩件	图39	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
套簧丝伸缩件	嵌簧丝伸缩件	图35	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
				套簧丝伸缩件	套簧丝伸缩件	图37	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
套簧丝伸缩件	风箱式伸缩件	图40	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
				风箱式伸缩件	嵌簧丝伸缩件	图1	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
风箱式伸缩件	套簧丝伸缩件	图38	伸缩件已含簧件，故不用另外加装簧件
				风箱式伸缩件	风箱式伸缩件	图41	伸缩件不含簧件，故需要另外加装簧件

本实施例中，为了更好地实现由主动滑块4小位移的滑动引起第二指段2大角度的转动这一欠驱动功能，所述的第一气动柔性件6的伸缩件平均内径大于等于第二气动柔性件7的伸缩件的平均内径的两倍。

本发明的一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件上设有气门嘴76，如图14、图15、图16所示。

本发明还提供了一种采用所述气动式欠驱动机器人单关节手指装置的气动式欠驱动机器人多关节手指装置，其特征在于：包括n个指段和n-1个所述的欠驱动关节，其中n为大于2的整数。一种采用所述气动式欠驱动机器人单关节手指装置的气动式欠驱动机器人双关节手指装置的实施例，如图29和图30所示，包括3个指段和2个所述的欠驱动关节。图31为该双关节手指抓取物体的情形，图32和图33为3个双关节手指抓取物体的情形。

图1至图7所示的实施例中，所述的第一指段1包括通孔11、凸块12、弹簧凹槽13、侧面板14和螺钉16。第一指段1形成半空的容器状，并且在一侧壁有凸块12，主动滑块4上设有滑槽42，该凸块12插入滑槽42中，此结构起到限制主动滑块4滑动方向和防止主动滑块4脱离第一指段1的作用，即起到定位及导向的作用，以保证主动滑块4的运动方向为沿着主动滑块滑槽的方向。

本发明所述的簧件8的功能是：自然状态下和放开物体时，簧件8将主动滑块4推向手指外侧，保证主动滑块4不压缩第一气动柔性件6，所以第二气动柔性件7不会发生形变，即保持手指伸直状态；抓取物体时，簧件8将在外物的推动下变形。

特别需要说明的是，由于嵌簧丝伸缩件和套簧丝伸缩件内部包含了弹簧，因此本发明方案的两个气动柔性件(第一气动柔性件6和第二气动柔性件7)中任意一个采用了嵌簧丝伸缩件或套簧丝伸缩件，该装置就无需额外再加入簧件，该伸缩件内部的弹簧就是簧件8，它将起到让手指在没有物体挤压主动滑块时恢复到手指伸直的初始状态。当然此时也可以多加一个簧件起到辅助作用，例如图42、图43和图44所示的实施例中就是在装置已经采用了嵌簧丝伸缩件的情况下还加装了簧件8，事实上在图42、图43和图44所示的实施例中这个簧件8可以没有，并不影响功能，因为实际上第二气动柔性件所采用的嵌簧丝伸缩件中的簧丝就是簧件8。当发明方案的两个气动柔性件(第一气动柔性件6和第二气动柔性件7)均采用风箱式伸缩件75构成时，这时由于风箱式伸缩件75内部并没有簧件，因此这种情况下必须要外加一个簧件8。加装多个簧件8也是可以的。

加装的簧件8的两端分别连接第一指段1和主动滑块4或者簧件8的两端分别连接第一指段1和第二指段2。图42所示实施例就是采用了压簧，并将该压簧(簧件8)的两端分别连接第一指段1和主动滑块4。图43所示实施例采用了拉簧，并将该拉簧(簧件8)的两端分别连接第一指段1和第二指段2的一种实施例，图44所示实施例采用乐扭簧，并将该扭簧(簧件8)的两端分别连接第一指段1和第二指段2的另一种实施例。

图1所示实施例中，所述的主动滑块4的表面还固接了滑块表面罩41。表面罩外可以覆盖一层弹性材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，增加抓取稳定性。

下面结合附图介绍气动式欠驱动机器人单关节手指装置的实施例的工作原理。

(i)如果将本实施例的第一指段1固定于拟人机器人手的手掌上，本实施例的工作原理，如图17、18、19、20所示，叙述如下：

当机器人手不接触物体时，手指处于自由状态，主动滑块4不压缩第一气动柔性件6，第二气动柔性件7无形变，手指保持伸直状态。

当机器人手抓取物体时，其他手指转动后压迫物体，物体挤压主动滑块4，主动滑块沿垂直手指表面的方向向第一指段1里平移一定的位移d，压缩第一气动柔性件6，由于弹簧丝732的限制，第二气动柔性件7不会径向变形，只会发生轴向的伸长和轴向弯曲，弹簧丝也拉伸变形，气力将推动第二指段2绕关关节轴5中心线作大角度转动角度α，直到第二指段2接触物体为止，因而该机器人手将具有对物体大小、形状的自动适应性。这使得第二指段转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有关节自由度的目的。

当机器人手放开物体时，其他手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫主动滑块4，弹簧丝732的回复弹力将拉动第二指段绕关节轴5中心线回到初始伸直位置，此时气力将通过第一气动柔性件推动主动滑块到靠向手指外侧的初始位置。

(ii)如果将本实施例(图1所示实施例)的第一指段1根部套固在一个由驱动器驱动的主动关节轴上，本实施例的工作原理，如图21、22、23、24所示，叙述如下：

当机器人手抓取物体时，套有第一指段1的主动关节在驱动力矩m作用下转动，使得整个手指装置连同根部的主动关节轴绕主动关节轴的中心线转动，直到主动滑块4接触物体，由于物体在其他手指的作用下不能离开，所以，当主动关节轴继续转动时，主动滑块4在物体的阻挡挤压下沿垂直手指表面的方向朝第一指段1里平移，其后抓取过程与(a)类似。

气动式欠驱动机器人多关节手指装置的动作原理为：当机器人手抓取物体时，两个欠驱动关节会顺序动作，最终自动适应物体的形状、尺寸。仿佛该手指在欠驱动关节处有电机主动驱动一般。

本发明的单关节手指装置采用可变形密闭空间内的气体作为传动媒介，结合可轴向伸缩和轴向弯曲的气动柔性件，综合实现了手指抓取物体时的无源欠驱动弯曲效果；经过合理的尺寸设计，主动滑块很短的运动距离可带来第二指段大角度的转动；该单关节手指装置适合安装于机械手上作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。该装置可以串联起来构成高形状自适应和高欠驱动的多关节手指，还可以用多个这样的单关节或多关节手指组合构成高欠驱动的拟人机器人手，用以达到拟人机器人手高关节自由度、高抓取自适应的效果。

Claims (11)

1.一种气动式欠驱动机器人单关节手指装置，包括第一指段(1)、第二指段(2)和设置在两者之间的欠驱动关节(3)；所述的欠驱动关节(3)包括主动滑块(4)和关节轴(5)；所述的关节轴(5)套设在第一指段(1)中，第二指段(2)套固在关节轴(5)上，所述的主动滑块(4)镶嵌在第一指段(1)中，其特征在于：所述的欠驱动关节(3)还包括第一气动柔性件(6)、第二气动柔性件(7)；所述的第一气动柔性件(6)和第二气动柔性件(7)均包括第一端盖、第二端盖以及伸缩件，且第一气动柔性件(6)中的伸缩件和第二气动柔性件(7)中的伸缩件的轴线相互垂直；所述的第一气动柔性件(6)通过第一端盖(61)与第一指段(1)固定连接，第一气动柔性件(6)通过第二端盖(62)与主动滑块(4)固定连接；所述的第二气动柔性件(7)通过第一端盖(71)与第一指段(1)固定连接，第二气动柔性件(7)通过第二端盖(72)与第二指段(2)固定连接；所述的第一指段(1)中设有通孔(11)，所述的第一气动柔性件(6)和第二气动柔性件(7)通过第一指段中的通孔(11)相连通。

2.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件采用风箱式伸缩件(75)，所述的风箱式伸缩件(75)采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构；所述的第二气动柔性件(7)的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管(73)，该嵌簧丝橡胶管(73)包括橡胶管(731)和弹簧丝(732)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

3.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件和第二气动柔性件(7)的伸缩件均采用嵌簧丝橡胶管(73)，该嵌簧丝橡胶管(73)包括橡胶管(731)和弹簧丝(732)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

4.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管(73)，该嵌簧丝橡胶管(73)包括橡胶管(731)和弹簧丝(732)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中；所述的第二气动柔性件(7)的伸缩件采用套簧丝橡胶管(74)，该套簧丝橡胶管(74)包括橡胶管(741)和弹簧丝(742)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。

5.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管(73)，该嵌簧丝橡胶管(73)包括橡胶管(731)和弹簧丝(732)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中；所述的第二气动柔性件(7)的伸缩件采用风箱式伸缩件(75)，所述的风箱式伸缩件(75)采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。

6.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件采用套簧丝橡胶管(74)，该套簧丝橡胶管(74)包括橡胶管(741)和弹簧丝(742)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖；所述的第二气动柔性件(7)的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管(73)，该嵌簧丝橡胶管(73)包括橡胶管(731)和弹簧丝(732)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

7.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件和第二气动柔性件(7)的伸缩件均采用套簧丝橡胶管(74)，该套簧丝橡胶管(74)包括橡胶管(741)和弹簧丝(742)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。

8.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件采用套簧丝橡胶管(74)，该套簧丝橡胶管(74)包括橡胶管(741)和弹簧丝(742)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖；所述的第二气动柔性件(7)的伸缩件采用风箱式伸缩件(75)，所述的风箱式伸缩件(75)采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。

9.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件采用风箱式伸缩件(75)，所述的风箱式伸缩件(75)采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构；所述的第二气动柔性件(7)的伸缩件采用套簧丝橡胶管(74)，该套簧丝橡胶管(74)包括橡胶管(741)和弹簧丝(742)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。

10.如权利要求1至9任一权利要求所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：在第一指段(1)和第二指段(2)间加装簧件(8)，或在第一指段(1)和主动滑块(4)间加装簧件，或在第一指段(1)和第二指段(2)间及第一指段(1)和主动滑块(4)间均加装簧件；所述的簧件(8)采用拉簧、压簧、扭簧、发条、片簧或弹性绳。

11.如权利要求1所述的气动式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的第一气动柔性件(6)的伸缩件和第二气动柔性件(7)的伸缩件均采用风箱式伸缩件(75)，所述的风箱式伸缩件(75)采用轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构；并在第一指段(1)和第二指段(2)间加装簧件(8)，或在第一指段(1)和主动滑块(4)间加装簧件，或在第一指段(1)和第二指段(2)间及第一指段(1)和主动滑块(4)间均加装簧件；所述的簧件(8)采用拉簧、压簧、扭簧、发条、片簧或弹性绳。

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