CN101797753A - 腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，属于拟人机器人技术领域，两关节手指装置包括基座、第一电机、第二电机、近关节轴、第一指段、远关节轴、末端指段和复位簧件。该装置还包括第一绳轮、第二绳轮、第三绳轮、第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳。多关节手指装置还包括至少一个中部指段、至少一个中间绳轮。该装置利用电机、绳轮、腱绳和复位簧件综合实现了手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果。该装置在抓取前可以灵活弯曲手指中间关节以达到稳定拟人的预弯曲姿态，在抓取时以自适应欠驱动方式抓取物体。该装置抓取动作更趋近于人手，可以自适应稳定抓取不同物体，适用于仿人机器人手。

Description

腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置的结构设计。

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。

近30年来，灵巧手研究取得了丰硕的成果。灵巧手具有3～5个手指，每个手指2～4个关节自由度，绝大多数关节为电机、空气肌肉、液压等驱动的主动关节。灵巧手能做出人手的各种动作，包括抓取和操作两种动作。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。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。

欠驱动机械手指可以克服灵巧手的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在近十年来得到越来越多的重视。例如，以具有一个电机、两个转动关节的欠驱动手指为例，该手指装置包括基座、近关节、中间指段、远关节、末端指段，初始时刻，手指为伸直状态，此时电机转动，整个手指绕其近关节转动，当中间指段碰触到物体被阻挡不动后，电机继续驱动远关节和末端指段转动，从而实现一个电机依次驱动两个关节转动的欠驱动目的。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸的大小，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。

已有的一种带轮欠驱动机器人手指装置，如中国发明专利CN101234489A，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。由于簧件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，以一个整体绕近关节轴转动，影响了抓取效果。

也有传统的具有刚性手指的机械手装置，具有固定弯曲的手指构型，它们模仿了人类抓取物体时的最常见手指姿态，但是这类装置的手指弯曲状态是固定不可以改变弯曲角度的，而且关节自由度数过少，不能适应不同尺寸物体的抓取需求。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，该装置在抓取前可以灵活弯曲手指中间关节以达到稳定拟人的预弯曲姿态，在抓取时以自适应欠驱动方式抓取物体。该装置利用电机对欠驱动手初始位置进行调节，提高了机械手指抓取不同尺寸、形状物体的稳定性和拟人化动作效果，实现机器人手指在较低控制系统要求下的灵活自适应抓取，装置外形与人的手指相似，可以作为拟人机器人手的手指使用。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，包括第一电机、第二电机、基座、近关节轴、第一指段、第一指段关节轴、末端指段、第一传动机构、第二传动机构和复位簧件；所述的第一电机与基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构输入端相连；所述的第二电机与基座固接，第二电机的输出轴与第二传动机构输入端相连；所述的近关节轴套设在基座中，第一指段关节轴套设在第一指段中，近关节轴和第一指段关节轴相互平行；所述的第一指段套设在近关节轴上，所述的末端指段套设在第一指段关节轴上；所述的复位簧件的两端分别连接第一指段和末端指段；其特征在于：该腱绳并联灵巧欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一绳轮、第二绳轮、第三绳轮、第一限位件、第二限位件、第三限位件、第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳；所述的第一绳轮和第二绳轮固结或套接在近关节轴上，所述的第三绳轮固结或套接在第一指段关节轴上；所述的第一限位件固结在末端指段上，所述的第二限位件和第三限位件固结在第一指段上；所述的第一腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和末端指段，第一腱绳从末端指端向基座方向穿过第一限位件和第三绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第三绳轮，穿过第二限位件和第一绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第一绳轮；所述的第二腱绳的两端分别连接第二传动机构输出端和末端指段，第二腱绳从末端指端向基座方向穿过第一限位件和第三绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第三绳轮，穿过第三限位件和第二绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第二绳轮；所述的第三腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和第一指段，第三腱绳从第一指段向基座方向穿过第二限位件和第一绳轮间隙，与手指弯曲方向反方向绕过第一绳轮后，从基座内部穿出后再穿入基座内，与第一传动机构输出端。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置，包括第一电机、第二电机、基座、第一指段、近关节轴、第一指段关节轴、末端指段、至少一个中部指段、至少一个中部指段关节轴、第一传动机构、第二传动机构和至少两个复位簧件；所述的第一电机与基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构输入端相连；所述的第二电机与基座固接，第二电机的输出轴与第二传动机构输入端相连；所述的近关节轴套设在基座中，第一指段关节轴套设在第一指段中，每个中部指段关节轴分别套设在对应的每个中部指段中，近关节轴、第一指段关节轴和每个中部指段关节轴相互平行；所述的第一指段套设在近关节轴上，所述的末端指段套设在与该末端指端紧邻的中部指段关节轴上，所述每个中部指段分别套设在与该中部指段相邻且靠近基座方向的指段关节轴上；所述的至少两个复位簧件的两端分别连接相邻的两个指段；其特征在于：该腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置还包括第一绳轮、第二绳轮、第三绳轮、每个中部指段绳轮、第一限位件、第二限位件、第三限位件、每个中部指段限位件、第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳；所述的第一绳轮和第二绳轮固结或套接在近关节轴上，所述的第三绳轮固结或套接在第一指段关节轴上，所述的每个中部指段绳轮固结或套接在每个中部指段关节轴上；所述的第一限位件固结在末端指段上，所述的第二限位件、第三限位件固结在第一指段上，所述的每个中部指段限位件固结在每个中部指段上；所述的第一腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和末端指段，依次绕过各中部指段绳轮、第三绳轮和第一绳轮，第一腱绳绕过各绳轮的方式与权利要求1绕绳方式相同；所述的第二腱绳的一端连接第二传动机构输出端，另一端连接末端指端或某一中部指段，此中部指段不包括紧邻基座的中部指段，依次绕过各中部指段绳轮、第三绳轮和第二绳轮，第二腱绳绕过各绳轮的方式与权利要求1绕绳方式相同；所述的第三腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和第一指段，第三腱绳绕过第一绳轮的方式与权利要求1绕绳方式相同。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的至少一个中部指段包括第一中部指段；所述的至少一个中部指段关节轴包括第一中部指段关节轴；所述的至少一个中部指段限位件包括第一中部指段限位件；所述的至少一个中部指段绳轮包括第一中部指段绳轮；所述的至少两个复位簧件包括第一复位簧件和第二复位弹簧。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动机构包括第一传动螺杆和第一传动螺母，所述的第一传动螺杆与第一电机的输出轴相连，第一传动螺母分别与第一腱绳和第三腱绳的一端相连，第一传动螺母镶嵌在基座中。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第二传动机构包括第二传动螺杆和第二传动螺母，所述的第二传动螺杆与第二电机的输出轴相连，第二传动螺母与第二腱绳的一端相连，第二传动螺母镶嵌在基座中。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的复位簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条和弹性绳中一种或几种的组合。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳采用绳、带、筋和链条中一种或几种的组合。

本发明所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第一限位件、第二限位件、第三限位件和至少一个中部指段限位件采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用双电机、绳轮、腱绳和复位簧件综合实现了手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果。该装置在抓取前可以灵活弯曲手指中间关节以达到稳定拟人的预弯曲姿态，在抓取时以自适应欠驱动方式抓取物体。该装置可以调节不同的手指初始姿态，更好地提高了抓取动作的稳定性，降低了对传感及控制系统的要求。该装置在积极利用欠驱动手自适应抓取效果的基础上，对抓取的灵活性、拟人性和稳定性上有了很大的提高。该装置结构紧凑、体积小、形态动作更趋近于人手、可以稳定抓取和自动适应各种形状、尺寸的物体，适合作为拟人机器人手的手指或手指一部分使用。

附图说明

图1是本发明提供的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置的一种实施例的正面剖视图。

图2是图1在A-A处的剖视图，只画出第一腱绳。

图3是图1所示实施例的正面外观图。

图4是图1所示实施例的左侧外观图。

图5是图1在A-A处的剖视图，只画出第二腱绳。

图6是图1在A-A处的剖视图，只画出第三腱绳。

图7是本发明提供的腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置的一种实施例的正面剖视图。

图8是图7在B-B处的剖视图。

图9是图7所示实施例的正面外观图。

图10是图7所示实施例的左侧外观图。

图11、图12、图13、图14是图7所示实施例在末端指段与中部指段以伸直姿态为初始姿态下抓取大物体的过程示意图，此时全过程为第一电机工作。

图15、图16、图17、图18、图19、图20是图7所示实施例在第二末端指段与第二中部指段以弯曲某个角度的姿态下抓取小物体的过程示意图，此时小物体碰触到第一中部指段、第二中部指段和第二末端指段，属于握持状态，在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作。

图21、图22、图23、图24是图7所示实施例仅让第二电机工作时按压琴键的过程示意图。

在图1至图24中：

1-第一电机，    2-第二电机，3-复位簧件，

4-第一末端指段，5-基座，    6-第一传动螺杆，

7-第一传动螺母，          8-第二传动螺杆，    9-第二传动螺母，

10-第二绳轮，             11-第一绳轮，       12-近关节轴，

13-第一中部指段限位件，   14-第二复位簧件，

15-第一指段，             16-第三腱绳，       17-第一指段关节轴，

18-第三绳轮，             19-第一腱绳，       20-第二腱绳，

21-腱绳方向限位件，

34-第一中部指段，          35-第一中部指段关节轴，

36-第一中部指段绳轮，      37-第一复位簧件，

41-第一限位件，            42-第二限位件，    43-第三限位件，

51、52-手指要抓的物体，    53-手指所按压的琴键。

61-第一传动机构，          62-第二传动机构，  63-至少一个中部指段，

64-至少一个中部指段关节轴，65-至少两个复位簧件，

66-至少一个中部指段绳轮，  67-至少一个中部指段限位件

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、工作原理的内容。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，包括第一电机1、第二电机2、基座5、近关节轴12、第一指段15、第一指段关节轴17、末端指段4、第一传动机构61、第二传动机构62和复位簧件3；所述的第一电机2与基座5固接，第一电机1的输出轴与第一传动机构61输入端相连；所述的第二电机2与基座5固接，第二电机2的输出轴与第二传动机构62输入端相连；所述的近关节轴12套设在基座5中，第一指段关节轴17套设在第一指段15中，近关节轴12和第一指段关节轴17相互平行；所述的第一指段15套设在近关节轴12上，所述的末端指段4套设在第一指段关节轴17上；所述的复位簧件3的两端分别连接第一指段15和末端指段4；该腱绳并联灵巧欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一绳轮11、第二绳轮10、第三绳轮18、第一限位件41、第二限位件42、第三限位件43、第一腱绳19、第二腱绳20和第三腱绳16；所述的第一绳轮11和第二绳轮10固结或套接在近关节轴12上，所述的第三绳轮18固结或套接在第一指段关节轴17上；所述的第一限位件41固结在末端指段4上，所述的第二限位件42和第三限位件43固结在第一指段15上；所述的第一腱绳19的两端分别连接第一传动机构61输出端和末端指段4，第一腱绳19从末端指端4向基座5方向穿过第一限位件41和第三绳轮18间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第三绳轮18穿过第二限位件42和第一绳轮11间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第一绳轮11；所述的第二腱绳10的两端分别连接第二传动机构62输出端和末端指段4，第二腱绳10从末端指端4向基座5方向穿过第一限位件41和第三绳轮18间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第三绳轮18，穿过第三限位件43和第二绳轮10间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第二绳轮10；所述的第三腱绳16的两端分别连接第一传动机构61输出端和第一指段15，第三腱绳16从第一指段15向基座5方向，穿过第二限位件42和第一绳轮11间隙，与手指弯曲方向反方向绕过第一绳轮11后，从基座5内部穿出后再穿入基座5内，与第一传动机构61输出端。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第一传动机构61包括第一传动螺杆6和第一传动螺母7，所述的第一传动螺杆6与第一电机1的输出轴相连，第一传动螺母7分别与第一腱绳15和第三腱绳16的一端相连，第一传动螺母7镶嵌在基座5中。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第二传动机构62包括第二传动螺杆8和第二传动螺母9，所述的第二传动螺杆8与第二电机2的输出轴相连，第二传动螺母9与第二腱绳20的一端相连，第二传动螺母9镶嵌在基座5中。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的复位簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的复位簧件3采用拉簧。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳采用绳、带、筋或链条中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的第一腱绳19、第二腱绳20和第三腱绳16采用绳。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第一限位件、第二限位件、第三限位件和至少一个中部指段限位件采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。

本实施例中，所述的第一限位件41、第二限位件42、第三限位件43均采用圆柱销。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置的一种实施例，如图7、图8、图9、图10所示，包括第一电机1、第二电机2、基座5、第一指段15、近关节轴12、第一指段关节轴17、末端指段4、至少一个中部指段63、至少一个中部指段关节轴64、第一传动机构61、第二传动机构62和至少两个复位簧件65；所述的第一电机1与基座5固接，第一电机1的输出轴与第一传动机构61输入端相连；所述的第二电机2与基座5固接，第二电机2的输出轴与第二传动机构62输入端相连；所述的近关节轴12套设在基座5中，第一指段关节轴17套设在第一指段15中，每个中部指段关节轴分别套设在对应的每个中部指段中，近关节轴12、第一指段关节轴17和每个中部指段关节轴相互平行；所述的第一指段15套设在近关节轴12上，所述的末端指段4套设在与该末端指端4紧邻的中部指段关节轴上，所述每个中部指段分别套设在与该中部指段相邻且靠近基座方向的指段关节轴上；所述的每个复位簧件的两端分别连接相邻的两个指段；该腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置还包括第一绳轮11、第二绳轮10、第三绳轮18、至少一个中部指段绳轮66、第一限位件41、第二限位件42、第三限位件43、至少一个中部指段限位件67、第一腱绳19、第二腱绳20和第三腱绳16；所述的第一绳轮11和第二绳轮10固结或套接在近关节轴12上，所述的第三绳轮18固结或套接在第一指段关节轴17上，所述的每个中部指段绳轮固结或套接在每个中部指段关节轴上；所述的第一限位件41固结在末端指段4上，所述的第二限位件41、第三限位件43固结在第一指段15上，所述的每个中部指段限位件固结在至少一个中部指段63上；所述的第一腱绳19的两端分别连接第一传动机构61输出端和末端指段4，依次绕过各中部指段绳轮、第三绳轮18和第一绳轮11，第一腱绳19绕过各绳轮的方式与腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置的一种实施例绕绳方式相同；所述的第二腱绳20的一端连接第二传动机构62输出端，另一端连接末端指端4或某一中部指段，此中部指段不包括紧邻基座5的中部指段，依次绕过各中部指段绳轮、第三绳轮18和第二绳轮10，第二腱绳20绕过各绳轮的方式与腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置的一种实施例绕绳方式相同；所述的第三腱绳16的两端分别连接第一传动机构61输出端和第一指段15，第三腱绳16绕过第一绳轮11的方式与腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置的一种实施例绕绳方式相同。

本实施例中，所述的至少一个中部指段63包括第一中部指段34；所述的至少一个中部指段关节轴64包括第一中部指段关节轴35；所述的至少一个中部指段限位件67包括第一中部指段限位件13；所述的至少一个中部指段绳轮66包括第一中部指段绳轮36；所述的至少两个复位簧件65包括第一复位簧件37和第二复位弹簧14。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第一传动机构61包括第一传动螺杆6和第一传动螺母7，所述的第一传动螺杆6与第一电机1的输出轴相连，第一传动螺母7分别与第一腱绳15和第三腱绳16的一端相连，第一传动螺母7镶嵌在基座5中。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第二传动机构62包括第二传动螺杆8和第二传动螺母9，所述的第二传动螺杆8与第二电机2的输出轴相连，第二传动螺母9与第二腱绳20的一端相连，第二传动螺母9镶嵌在基座5中。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的复位簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条和弹性绳中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的第一复位簧件和第二复位簧件均采用拉簧。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳采用绳、带、筋和链条中一种或几种的组合。

本实施例中，所述的第一腱绳19、第二腱绳20和第三腱绳16采用绳。

本发明设计的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，所述的至少一个中部指段限位件采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。

在本实施例中，所述的第一中部指段限位件采用圆柱销。

下面以图7、图8、图9、图10所示的腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置的一种实施例为例介绍工作原理。该实施例的工作原理，如图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24，叙述如下。

该装置的初始位置如图11、图15和图21，此时第一指段15、第一中部指段34和末端指段4与基座5呈一条直线，即相当于人的手指完全伸直的状态，此时近关节12、第一指段关节轴17和第一中部指段关节35均为伸直状态，这是整个装置的最初状态。分几种情况加以说明。

(a)若仅第一电机1工作，此时，手指第一指段15关节以伸直作为即将抓取物体时的预备姿态，抓取物体具有一种自动适应物体尺寸形状的效果。

第二电机2不用工作，第一电机1工作，其抓取物体的过程和原理为：第一电机1的输出轴转动，带动第一传动机构61工作，此处具体为带动第一传动螺杆6转动，带动第一传动螺母7向下移动，第一传动螺母7向下拉拽第一腱绳19和第三腱绳16的一端。由于第三腱绳16与手指弯曲方向反向绕过第一绳轮11，在初始时对第一指段15有约束作用，使第一指段15不能绕近关节轴12正向转动。当第一传动螺母7向下移动时，第三腱绳16松弛，使其对第一指段15的正向约束消失。第一腱绳19与手指弯曲方向同向绕过第一绳轮11、第三绳轮18和第一中部指段绳轮36，向下拉拽末端指段4。由于第一复位簧件37与第二复位簧件14的正向约束作用，第一指段15、第一中部指段34和末端指段4作为一个整体一起绕近关节轴12的中心线转动一个角度，此过程直到第一指段15接触到物体51为止，此时如图12所示。当第一指段15被物体51阻挡而无法继续转动时，第一传动螺母7继续下移，拉动第一腱绳19和第三腱绳16的一端下移，第一腱绳19继续拉拽末端指段4克服第一复位簧件37的变形弹力而优先使得：第一中部指段34与末端指段4作为一个整体一起绕着第一指段关节轴17转动。此过程直到第一中部指段34接触到物体51为止，此时如图13所示。当第一中部指段34被物体51阻挡而无法继续转动时，第一传动螺母7继续下移，拉动第一腱绳19和第三腱绳16的一端下移，第一腱绳19继续拉拽末端指段4克服第二复位簧件14的变形弹力而使得：末端指段4绕着第一中部指段关节轴35转动。此过程直到末端指段4接触到物体51为止，此时如图14所示。此时，该装置抓取结束。

当放开物体51时，第一电机1反转，带动第一传动螺杆6反转，第一传动螺母7上移，拉动第一腱绳19和第三腱绳16向上移动，第一腱绳19对末端指段4的约束作用消失，末端指段4在第二复位簧件14的作用下绕第一中部指段关节轴35反转，同时第二复位簧件14的变形随之逐渐减小为零，此时末端指段4已经反向转动到其相对于第一中部指段34的初始伸直位置，如图13所示。第一传动螺母7继续下移，第一中部指段34和末端指段4在第一复位簧件37的作用下绕第一指段关节轴17反转，同时第一复位簧件37的变形随之逐渐减小为零，此时第一中部指段34和末端指段4已经反向转动到其相对于第一指段15的初始伸直位置，如图12所示。第一传动螺母7继续下移，在第三腱绳16的约束作用下，第一指段15、第一中部指段34和末端指段4绕近关节轴12反向转动，直到该装置完全恢复到最开始的伸直位置，如图11所示。

(b)若第二电机先2工作，之后第一电机1再工作，此时，第一指段15关节以弯曲作为即将抓取物体时的预备姿态，使得即将抓取时具有较好的手指构型，有利于抓取；同时，抓取中仍然采用与(a)介绍的相同的欠驱动抓取方式，保留了自动适应物体形状尺寸的效果。

第二电机2与第一电机1将依次先后使用。首先仅让第二电机2工作，其输出轴转动，带动第二传动螺杆8转动，带动第二传动螺母9向下移动，第二传动螺母9向下拉拽第二腱绳20。第二腱绳20的另一端拉拽第一中部指段34，由于第三腱绳16的约束作用，第一指段15不能转动，又由于第二复位簧件14的约束作用，第一中部指段34和末端指段4克服第一复位簧件37的变形弹力而使得：第一中部指段34和末端指段4作为整体绕第一指段关节轴17的中心线转动一个角度(预备抓取前的弯曲角度)，如图16所示。至此，第二电机2停止工作不在转动。由于第二腱绳20不可以被拉回但可以弯曲，因而它对第一中部指段34和末端指段4具有单方向的约束作用，即第二腱绳20限制住了第一中部指段34和末端指段4不能往回到伸直的初始位置，但是第一中部指段34和末端指段4可以在其他机构作用下继续向前转动(此时第二腱绳20处于松弛状态)，因此，此时第一指段15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。之后第一电机1工作时实现的如(a)所介绍的多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第一中部指段34、末端指段4与第一指段15的初始角度，一旦调节完成第二电机2就停止工作，此后转为第一电机1开始工作，之后第一电机1工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述(a)过程相同，只是手指的初始姿态变为弯曲的状态了，如图17、图18、图19和图20所示。

当放开物体52时，第一电机1反向转动，带动第一传动螺杆6反转，第一传动螺母7上移，拉动第一腱绳19和第三腱绳16向上移动，第一腱绳19对末端指段4的约束作用消失，末端指段4在第二复位簧件14的作用下绕第一中部指段关节轴35反转，同时第二复位簧件14的变形随之逐渐减小为零，直到第一中部指段34和末端指段4已到达第二腱绳20约束的弯曲姿态位置，如图19所示。由于第一中部指段34和末端指段4被第一指段15阻挡而不能再继续反转，此时第一电机1继续反向转动，带动第一指段15、第一中部指段34和末端指段4一起绕着近关节轴12的轴线反向转动，第一指段15离开物体52表面。直到恢复到如图16所示状态，此时第一电机1停转，第二电机2开始反向转动，通过第二传动螺杆8带动第二传动螺母9向上运动，第二腱绳20不再对第一中部指段34和末端指段4起约束作用，于是第一中部指段34和末端指段4在第一复位簧件37的作用下恢复伸直到最开始位置，如图15所示。

(c)若仅第二电机2工作，此时，手指采用第一中部指段34和末端指段4主动去接触物体，以手指按压琴键作为实施例加以说明。

若只是使用第二电机2转动让末端指段4按压琴键53。第二电机2的输出轴转动，带动第二传动螺杆8转动，带动第二传动螺母9向下移动，第二传动螺母9向下拉拽第二腱绳20。第二腱绳20的另一端拉拽第一中部指段34，由于第三腱绳16的约束作用，第一指段15不能转动，又由于第二复位簧件14的约束作用，第一中部指段34和末端指段4克服第一复位簧件37的变形弹力而使得：第一中部指段34和末端指段4作为整体绕第一指段关节轴17正向转动，如图22所示。当末端指段4接触琴键53后，随着第二传动螺母9的继续下移，第一中部指段34和末端指段4作为整体继续绕第一指段关节轴17正向转动，直到将琴键53按压至最低点，如图24所示。

放开琴键时，第二电机2反转，带动第二传动螺杆8反转，第二传动螺母9上升，第二腱绳20不再对第一中部指段34和末端指段4起反向约束作用，第一复位簧件37带动末端指段4反转离开琴键53，同时第一复位簧件37的变形随之逐渐减小为零，此时手指恢复到初始伸直的位置，如图21所示。

上述各种情况下，本发明所提出的该实施例装置都可以正常工作。

图1、图2、图3、图4、图5和图6所示的腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置的实施例的工作原理与上述实施例基本相同。

本发明装置利用双电机、绳轮、腱绳和复位簧件综合实现了手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果。对于不同大小的物体，手指在即将抓取该物体时需要有事先不同的弯曲准备，另外，手指在进行一些基本操作如按压琴键，也需要独立灵活地弯曲中间关节。本发明的装置实现了这一非常重要功能，使得机器人手的动作更加拟人化，抓取物体更加灵活和稳定。

Claims (8)

1.腱绳并联灵巧欠驱动两关节仿生机器人手指装置，包括第一电机(1)、第二电机(2)、基座(5)、近关节轴(12)、第一指段(15)、第一指段关节轴(17)、末端指段(4)、第一传动机构(61)、第二传动机构(62)和复位簧件(3)；所述的第一电机与基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构输入端相连；所述的第二电机与基座固接，第二电机的输出轴与第二传动机构输入端相连；所述的近关节轴套设在基座中，第一指段关节轴套设在第一指段中，近关节轴和第一指段关节轴相互平行；所述的第一指段套设在近关节轴上，所述的末端指段套设在第一指段关节轴上；所述的复位簧件的两端分别连接第一指段和末端指段；其特征在于：该腱绳并联灵巧欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一绳轮(11)、第二绳轮(10)、第三绳轮(18)、第一限位件(41)、第二限位件(42)、第三限位件(43)、第一腱绳(19)、第二腱绳(20)和第三腱绳(16)；所述的第一绳轮和第二绳轮固结或套接在近关节轴上，所述的第三绳轮固结或套接在第一指段关节轴上；所述的第一限位件固结在末端指段上，所述的第二限位件和第三限位件固结在第一指段上；所述的第一腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和末端指段，第一腱绳从末端指端向基座方向穿过第一限位件和第三绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第三绳轮，穿过第二限位件和第一绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第一绳轮；所述的第二腱绳的两端分别连接第二传动机构输出端和末端指段，第二腱绳从末端指端向基座方向穿过第一限位件和第三绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第三绳轮，穿过第三限位件和第二绳轮间隙，与手指弯曲方向同方向绕过第二绳轮；所述的第三腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和第一指段，第三腱绳从第一指段向基座方向穿过第二限位件和第一绳轮间隙，与手指弯曲方向反方向绕过第一绳轮后，从基座内部穿出后再穿入基座内，与第一传动机构输出端。

2.腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置，包括第一电机(1)、第二电机(2)、基座(5)、第一指段(15)、近关节轴(12)、第一指段关节轴(17)、末端指段(4)、至少一个中部指段(63)、至少一个中部指段关节轴(64)、第一传动机构(61)、第二传动机构(62)和至少两个复位簧件(65)；所述的第一电机与基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构输入端相连；所述的第二电机与基座固接，第二电机的输出轴与第二传动机构输入端相连；所述的近关节轴套设在基座中，第一指段关节轴套设在第一指段中，每个中部指段关节轴分别套设在对应的每个中部指段中，近关节轴、第一指段关节轴和每个中部指段关节轴相互平行；所述的第一指段套设在近关节轴上，所述的末端指段套设在与该末端指段紧邻的中部指段关节轴上，所述每个中部指段分别套设在与该中部指段相邻且靠近基座方向的指段关节轴上；所述的每个复位簧件的两端分别连接相邻的两个指段；其特征在于：该腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置还包括第一绳轮(11)、第二绳轮(10)、第三绳轮(18)、至少一个中部指段绳轮(66)、第一限位件(41)、第二限位件(42)、第三限位件(43)、至少一个中部指段限位件(67)、第一腱绳(19)、第二腱绳(20)和第三腱绳(16)；所述的第一绳轮和第二绳轮固结或套接在近关节轴上，所述的第三绳轮固结或套接在第一指段关节轴上，所述的每个中部指段绳轮固结或套接在每个中部指段关节轴上；所述的第一限位件固结在末端指段上，所述的第二限位件、第三限位件固结在第一指段上，所述的每个中部指段限位件固结在每个中部指段上；所述的第一腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和末端指段，依次绕过各中部指段绳轮、第三绳轮和第一绳轮，第一腱绳绕过各绳轮的方式与权利要求1绕绳方式相同；所述的第二腱绳的一端连接第二传动机构输出端，另一端连接末端指端或某一中部指段，此中部指段不包括紧邻基座的中部指段，依次绕过各中部指段绳轮、第三绳轮和第二绳轮，第二腱绳绕过各绳轮的方式与权利要求1绕绳方式相同；所述的第三腱绳的两端分别连接第一传动机构输出端和第一指段，第三腱绳绕过第一绳轮的方式与权利要求1绕绳方式相同。

3.如权利要求2所述的腱绳并联灵巧欠驱动多关节仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的至少一个中部指段包括第一中部指段(34)；所述的至少一个中部指段关节轴包括第一中部指段关节轴(35)；所述的至少一个中部指段限位件包括第一中部指段限位件(13)；所述的至少一个中部指段绳轮包括第一中部指段绳轮(36)；所述的至少两个复位簧件包括第一复位簧件(37)和第二复位弹簧(14)。

4.如权利要求1或2所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动机构包括第一传动螺杆(6)和第一传动螺母(7)，所述的第一传动螺杆与第一电机的输出轴相连，第一传动螺母分别与第一腱绳和第三腱绳的一端相连，第一传动螺母镶嵌在基座中。

5.如权利要求1或2所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第二传动机构包括第二传动螺杆(8)和第二传动螺母(9)，所述的第二传动螺杆与第二电机的输出轴相连，第二传动螺母与第二腱绳的一端相连，第二传动螺母镶嵌在基座中。

6.如权利要求1或2所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的复位簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条和弹性绳中一种或几种的组合。

7.如权利要求1或2所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第一腱绳、第二腱绳和第三腱绳采用绳、带、筋和链条中一种或几种的组合。

8.如权利要求1或2所述的腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，其特征在于：所述的第一限位件、第二限位件、第三限位件和至少一个中部指段限位件采用圆柱销、螺钉、滑轮和挡块中的一种或几种的组合。

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