CN102357884A - 快速抓取欠驱动机器人手装置 - Google Patents

Abstract

快速抓取欠驱动机器人手装置，属于机器人手技术领域，主要包括手掌、至少两个手指、主轴、电机、减速器、具有不完全齿的第一齿轮、第二齿轮、手指张开到位检测的传感器、物体到位检测的传感器和控制模块等。手指为腱绳-扭簧式多关节手指。本发明装置具有自动快速抓取物体的功能，抓取过程包括手指储能张开、手指张开到位检测、物体到位检测和瞬时释放抓取四个过程；该装置能实现快速抓取；检测到物体后可自动抓取；具有自适应抓取不同形状和尺寸物体；结构紧凑，手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，传动效率高；仅采用一个电机驱动多个手指的多个关节，外观和动作模仿人手；可用于拟人机器人上。

Description

快速抓取欠驱动机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种快速抓取欠驱动机器人手装置的结构设计。

背景技术

拟人机器人手主要分为灵巧手和欠驱动手两种类型。灵巧手具有许多主动关节，具有复杂的驱动和控制系统，可以完成很多操作。近几十年来，灵巧手的研究得到了丰硕的成果，例如Utah/MIT手、Robonaut手、DLR/HIT II手等。但是由于灵巧手自由度多，并且手指在抓取不同形状的物体时没有自适应性，对驱动电源、传感、信息处理、控制算法等提出了很高的要求，装置复杂，成本昂贵。

所谓欠驱动手就是指用少量的电机控制较多的关节自由度。欠驱动手具有自动适应物体形状和尺寸的自适应抓取功能。对于高自由度的机器人手来说，减少电机的数量是非常有利的，可以大大减少对空间的需求和对动力控制的需求，而且未来的维护也大大减少，成本也大大降低。

有一类机器人手的实现方式是采用腱绳来实现的，以一个手指的单关节为例，腱绳依次穿过手指的多个指段和关节，腱绳的一端固接在手指的末端指段，只要拉动腱绳的另一端就可以实现手指末端关节的正向弯曲，如果前后采用两根腱绳就能够实现手指的末端关节的正向转动(抓取弯曲)和反向转动(恢复伸直)。当手指上的关节自由度的数量为p，腱绳的数量为2p+1，则该手指为完全驱动的手指；若腱绳数量为2p或更少时，该手指就是欠驱动手指，如中国发明专利CN102029610A就是一例采用2p根腱绳的欠驱动手指。

此外，还有采用腱绳和扭簧来实现的欠驱动手指，手指上有多个关节，仅用一根腱绳拉动关节转动，各关节均设有扭簧，有两种子类别：(1)利用腱绳拉动手指正向弯曲，而利用扭簧来实现腱绳放松时手指的恢复伸直，如中国发明专利CN101073520A；(2)利用腱绳拉动手指恢复伸直，而利用扭簧来实现腱绳放松时手指的正向弯曲，如美国发明专利US2006/0129248A1。

已有的一种残疾人用的假手装置，如美国发明专利US2006/0129248A1，其手指采用了腱绳拉动手指恢复伸直，而利用设置在各手指关节轴上的扭簧来实现腱绳放松时手指的正向弯曲，其手掌中有一个铰接的杠杆，所有手指的腱绳的一端均与该杠杆直接或间接的连接，利用人的肩部运动来拉动绳索，由绳索拉动杠杆，杠杆拉动手指腱绳，从而达到打开手指的效果，再利用人的肩部放松来实现绳索的松弛，通过杠杆实现手指腱绳的松弛，手指在扭簧的作用下闭合，从而依靠扭簧弹力抓住物体。该装置的不足之处为：

(1)该手缺少瞬间快速放松绳索的机构，难以用于机器人上实现快速抓取物体。瞬间快速放松绳索有利于提高抓取效率，对于快速运动的物体的抓取是非常必要的功能。该方案中绳索的拉动与放松依靠人的肩部运动这样的外力作用，人的肩部运动具有一种相对快速放松的特殊效果，离开了人的这一特殊效果则该装置达不到快速抓取的目的，如果仅仅简单地将人的外力更换为电机的动力，则电机也只能实现逐渐拉动和逐渐放松绳索的目的，达不到瞬间快速放松绳索的功能，因此，该装置不适合用作机器人手实现快速高效的抓取。

(2)该手缺少检测物体是否在抓取范围内或手掌附近的功能，影响了对快速运动物体的抓取时机的把握，难以自动抓取快速运动物体。该手依靠人的眼睛或其它感官去判断抓取物体的时机，并由人的大脑再通过肩部运动或其他部分的运动来放松绳索，因此，该手难以用于机器人上实现对快速运动物体在恰当时机抓取。

(3)该手的抓取空间有限，在同样的抓取空间下，手掌体积过大。该装置由于采用手掌中铰接的杠杆拉动，杠杆转动需要较大的手掌空间；当手掌空间较小时，杠杆活动范围小，手指张开角度小，难以获得较大的抓取空间，尤其是当手指关节数增多时需要的手掌空间更大。

无论是工业生产还是社会服务，都要求机器人手抓取物体稳定的同时能够快速高效地抓取物体，尤其对于快速运动物体实施抓取或者需要提高工作效率来说，快速抓取是非常必要的功能。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种快速抓取欠驱动机器人手装置，该装置适合自动快速抓取物体；手指闭合快，抓取效率高，能够实现快速抓取；具有物体检测功能，当发现物体在手掌附近的抓取范围内时可以实现自动快速抓取；具有自动适应不同物体形状和尺寸的特点；手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，控制简单，成本低；仅用一个电机驱动多个手指的多个关节；外观和动作模仿人手，可用于拟人机器人上。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种快速抓取欠驱动机器人手装置，包括手掌和至少两个手指，所述手掌为中空状的框架结构；所述每个手指包括一根腱绳、n个指段、n个关节轴、n个绳轮和n个扭簧，其中，n至少为2，各手指的指段数量相同或不同；在每个手指中，所有关节轴两两相互平行，第1个关节轴转动套设于手掌中，第1个指段转动套接在第1个关节轴上，第i个关节轴转动套设于第i-1个指段中，第i个指段转动套接在第i个关节轴上，其中，i为2至n中的整数，其特征在于：该快速抓取欠驱动机器人手装置还包括主轴、电机、减速器、第一齿轮和第二齿轮；所述主轴转动套设于手掌中；所述电机固接于手掌中，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述第一齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第二齿轮套固在主轴上，第一齿轮与第二齿轮相啮合；第一齿轮为不完全齿轮，第二齿轮为完全齿轮；所述主轴与每个手指的第1个关节轴直接固接或通过传动机构相连；在每个手指中，第1个绳轮套固在第1个关节轴上，第j个绳轮转动套接在第j个关节轴上，其中，j为2至n中的整数；在每个手指中，第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，第k个扭簧套在第k个关节轴上，第k个扭簧的两端分别连接第k-1个指段和第k个指段，其中，k为2至n中的整数；当扭簧松弛时，手指呈弯曲抓紧状态；在每个手指中，所述腱绳的一端与第1个绳轮固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接，其中，m为从1到n的整数。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于，还包括控制系统，该控制系统包括电机驱动模块、控制模块、第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和第二传感器安装在手掌或手指中，第一传感器和第二传感器分别通过信号线与控制模块输入端相连，第一传感器检测手指打开状态并反馈给控制模块；第二传感器检测物体到位状态并反馈给控制模块；所述控制模块的输出端通过信号线和电机驱动模块与电机相连。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第一传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或多种的组合。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第二传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或两种的组合。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述控制模块采用PLC、单片机、DSP或计算机。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的快速抓取欠驱动机器人手装置还包括抓取按钮和张开按钮；所述抓取按钮和张开按钮分别与控制模块的输入端相连。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的快速抓取欠驱动机器人手装置还包括编码器，所述编码器与控制模块相连。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述腱绳采用绳、带或链条。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指有5个，包括拇指、食指、中指、无名指和小指，所述拇指包括2个指段和2个关节轴；所述食指、中指、无名指和小指结构相同，均包括3个指段和3个关节轴。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述主轴与拇指的第1个关节轴通过传动机构相连，所述主轴与食指、中指、无名指和小指的第1个关节轴直接固接。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明装置利用电机、减速器、不完全齿轮传动机构、腱绳-扭簧式手指传动机构、多传感器与控制模块综合实现了自动快速抓取物体的效果，抓取过程分为手指储能张开、手指张开到位检测、物体到位检测和瞬时释放抓取四个过程；该装置手指闭合快，抓取效率高，能够实现快速抓取；具有物体检测功能，当发现物体在手掌附近的抓取范围内时可以实现自动快速抓取；具有自动适应不同物体形状和尺寸的特点，抓取稳定性好；结构紧凑，手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，传动效率高，机构简单，控制简单，重量轻，成本低；采用一个电机驱动多个手指的多个关节，外观和动作模仿人手，且对控制系统要求低；可用于拟人机器人上。

附图说明

图1是本发明提供的快速抓取欠驱动机器人手装置的一种实施例立体外观图(其中手掌前板未画出)。

图2图3、图4、图5是图1所示实施例的外观图。

图6是图1所示实施例的手掌内部结构图。

图7是第一齿轮与第二齿轮的啮合情况示意。

图8是图1所示实施例的拇指与手掌内部结构图。

图9是图1所示实施例的食指正视外观图。

图10是图1所示实施例的食指侧视外观图。

图11是图1所示实施例的食指呈握紧状态，此时食指上的各扭簧均为松弛状态，扭簧使得食指呈握紧状态。

图12是图1所示实施例的食指张开时的情况示意。

图13是图1所示实施例的食指抓取物体的过程示意。

图14是图1所示实施例的食指抓取物体的结果图。

图15是控制系统的原理框图。

图16是控制模块中程序流程框图。

在图1至图16中：

1-手掌，

101-手掌骨架，        102-主轴、食指第一关节轴，103-滑轮轴，

104-滑轮，            105-手掌绳轮，            106-电机，

107-减速器，          108-第一齿轮，            109-第二齿轮，

110-接近传感器，      111-编码器，              1011-手掌前板

2-拇指，

201-拇指第一关节轴，  202-拇指第一指段，        203-拇指第二关节轴，

204-拇指第二指段，    205-拇指第一绳轮，        206-拇指第二绳轮，

207-拇指第一扭簧，    208-拇指第二扭簧，        209-拇指腱绳，

210-拇指传动绳，

3-食指，

301-食指第一指段，    302-食指第二关节轴，      303-食指第二指段，

304-食指第三关节轴，  305-食指第三指段，        306-食指第一绳轮，

307-食指第二绳轮，    308-食指第三绳轮，        309-食指第一扭簧，

310-食指第二扭簧，    311-食指第三扭簧，        312-食指腱绳，

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。

本发明所述的一种快速抓取欠驱动机器人手装置，包括手掌和至少两个手指，所述手掌为中空状的框架结构；所述每个手指包括一根腱绳、n个指段、n个关节轴、n个绳轮和n个扭簧，其中，n至少为2，各手指的指段数量相同或不同；在每个手指中，所有关节轴两两相互平行，第1个关节轴转动套设于手掌中，第1个指段转动套接在第1个关节轴上，第i个关节轴转动套设于第i-1个指段中，第i个指段转动套接在第i个关节轴上，其中，i为2至n中的整数，其特征在于：该快速抓取欠驱动机器人手装置还包括主轴、电机、减速器、第一齿轮和第二齿轮；所述主轴转动套设于手掌中；所述电机固接于手掌中，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述第一齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第二齿轮套固在主轴上，第一齿轮与第二齿轮相啮合；第一齿轮为不完全齿轮，第二齿轮为完全齿轮；所述主轴与每个手指的第1个关节轴直接固接或通过传动机构相连；在每个手指中，第1个绳轮套固在第1个关节轴上，第j个绳轮转动套接在第j个关节轴上，其中，j为2至n中的整数；在每个手指中，第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，第k个扭簧套在第k个关节轴上，第k个扭簧的两端分别连接第k-1个指段和第k个指段，其中，k为2至n中的整数；当扭簧松弛时，手指呈弯曲抓紧状态；在每个手指中，所述腱绳的一端与第1个绳轮固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接，其中，m为从1到n的整数。

本发明所述的快速抓取欠驱动机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。包括手掌1和五个手指：拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6。所述手掌1为中空状的框架结构。

所述拇指2包括一根腱绳、2个指段、2个关节轴、2个绳轮和2个扭簧。所述拇指2包括拇指第一指段202、拇指第二指段204、拇指第一关节轴201、拇指第二关节轴203、拇指第一绳轮205、拇指第二绳轮206、拇指第一扭簧207、拇指第二扭簧208和拇指腱绳209；

所述食指3、中指4、无名指5和小指6结构相同，下面仅以食指3为代表说明。

所述食指3包括一根腱绳、3个指段、3个关节轴、3个绳轮和3个扭簧。所述食指3包括食指第一指段301、食指第二指段303、食指第三指段305、食指第一关节轴102、食指第二关节轴302、食指第三关节轴304、食指第一绳轮306、食指第二绳轮307、食指第三绳轮308、食指第一扭簧309、食指第二扭簧310、食指第三扭簧311和食指腱绳312；

在每个手指中，所有关节轴两两相互平行。拇指第一关节轴201和拇指第二关节轴203相互平行；食指第一关节轴102、食指第二关节轴302和食指第三关关节轴两两相互平行。

在拇指中，所述第1个关节轴转动套设于手掌中，第1个指段转动套接在第1个关节轴上，所述第2个关节轴转动套设于第1个指段中，所述第2个指段转动套接在第2个关节轴上。

具体来说，所述拇指第一关节轴201转动套设于手掌1中，拇指第一指段202转动套接在拇指第一关节轴201上；所述拇指第二关节轴203转动套设于拇指第一指段202中，所述拇指第二指段204转动套接在拇指第二关节轴203上。

在食指、中指、无名指和小指中，所述第1个关节轴转动套设于手掌中，第1个指段转动套接在第1个关节轴上，所述第2个关节轴转动套设于第1个指段中，所述第2个指段转动套接在第2个关节轴上，所述第3个关节轴转动套设于第2个指段中，所述第3个指段转动套接在第3个关节轴上。

具体来说，所述食指第一关节轴102转动套设于手掌1中，食指第一指段301转动套接在食指第一关节轴102上；所述食指第二关节轴302转动套设于食指第一指段301中，所述食指第二指段303转动套接在食指第二关节轴302上；所述食指第三关节轴304转动套设于食指第二指段303中，所述食指第三指段305转动套接在食指第三关节轴304上。

该快速抓取欠驱动机器人手装置，还包括主轴102、电机106、减速器107、第一齿轮108和第二齿轮109；所述主轴102转动套设于手掌1中；所述电机106固接于手掌1中，电机106的输出轴与减速器107的输入轴相连；所述第一齿轮108套固在减速器107的输出轴上，所述第二齿轮109套固在主轴102上，第一齿轮108与第二齿轮109相啮合，第一齿轮108为不完全齿轮，第二齿轮109为完全齿轮。

所述主轴与食指、中指、无名指和小指的第1个关节轴直接固接。本实施例中，所述主轴102与食指第一关节轴102采用同一根轴。

所述主轴与拇指的第1个关节轴通过传动机构相连。所述传动机构包括手掌绳轮105、两个滑轮轴103、两个滑轮104和一根拇指传动绳210；所述手掌绳轮105套固在主轴102上；所述两个滑轮轴103均分别套固于手掌1中，所述滑轮104转动套接在滑轮轴103上；所述的拇指传动绳210一端与手掌绳轮105固接，缠绕经过两个滑轮104，另一端缠绕于拇指第一绳轮205，并与拇指第一绳轮205固接。

在拇指中，所述第1个绳轮套固在第1个关节轴上，所述第2个绳轮转动套接在第2个关节轴上；在拇指中，所述第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，所述第2个扭簧套在第2个关节轴上，第2个扭簧的两端分别连接第1个指段和第2个指段；所述扭簧松弛时，拇指呈弯曲抓紧状态；在拇指中，所述腱绳的一端与第1个绳轮固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段、缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段，腱绳的另一端与第2个指段固接。

具体来说，所述拇指第一绳轮205套固在拇指第一关节轴201上，所述拇指第二绳轮206转动套接在拇指第二关节轴203上；所述拇指第一扭簧207套在拇指第一关节轴上，拇指第一扭簧的两端分别连接手掌1和拇指第一指段202，所述拇指第二扭簧208套在拇指第二关节轴上，拇指第二扭簧的两端分别连接拇指第一指段202和拇指第二指段204；所述拇指第一扭簧207和拇指第二扭簧208均松弛时，拇指2呈弯曲抓紧状态；所述拇指腱绳209的一端与拇指第一绳轮205固接，所述腱绳依次缠绕在拇指第一绳轮205、穿过拇指第一指段202、缠绕经过拇指第二绳轮206、穿过拇指第二指段204，拇指腱绳209的另一端与拇指第二指段204固接。

在食指中，所述第1个绳轮套固在第1个关节轴上，所述第2个绳轮转动套接在第2个关节轴上，所述第3个绳轮转动套接在第3个关节轴上；在食指中，所述第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，所述第2个扭簧套在第2个关节轴上，第2个扭簧的两端分别连接第1个指段和第2个指段，所述第3个扭簧套在第3个关节轴上，第3个扭簧的两端分别连接第2个指段和第3个指段；所述扭簧松弛时，食指呈弯曲抓紧状态；在食指中，所述腱绳的一端与第1个绳轮固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段、缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段、缠绕经过第3个绳轮、穿过第3个指段，腱绳的另一端与第3个指段固接。

具体来说，所述食指第一绳轮306套固在食指第一关节轴102上，所述食指第二绳轮307转动套接在食指第二关节轴302上，所述食指第三绳轮308套固在食指第三关节轴304上；所述食指第一扭簧309套在食指第一关节轴上，食指第一扭簧309的两端分别连接手掌1和食指第一指段301，所述食指第二扭簧310套在食指第二关节轴302上，食指第二扭簧310的两端分别连接食指第一指段301和食指第二指段303，所述食指第三扭簧311套在食指第三关节轴304上，食指第三扭簧311的两端分别连接食指第二指段303和食指第三指段305；所述食指第一扭簧309、食指第二扭簧310和食指第三扭簧311均松弛时，食指3呈弯曲抓紧状态；所述食指腱绳312的一端与食指第一绳轮306固接，所述食指腱绳312依次缠绕经过食指第一绳轮306、穿过食指第一指段301、缠绕经过食指第二绳轮307、穿过食指第二指段303、缠绕经过食指第三绳轮308，穿过食指第三指段305，食指腱绳312的另一端与食指第三指段305固接。食指中腱绳与各指段、关节轴的位置关系如图10、图11所示，在图10、图11中，食指左侧为背面，右侧为正面，即右侧为抓握物体所在的方向。

本实施例，还包括控制系统。图15是控制系统的原理框图。该控制系统包括电机驱动模块、控制模块、第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和第二传感器安装在手掌或手指中，第一传感器和第二传感器分别通过信号线与控制模块输入端相连，第一传感器检测手指打开状态并反馈给控制模块；第二传感器检测物体到位状态并反馈给控制模块；所述控制模块的输出端通过信号线和电机驱动模块与电机106相连。

所述第一传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或多种的组合。本实施例中，采用了接近传感器110作为第一传感器，该接近传感器安装在第一齿轮附近，第一齿轮108上存在一个扇形长弧槽通孔(如图7所示的)，接近传感器可以检测到不完全齿轮转动的位置，从而间接得到手指是否已经张开的信号，将该信号反馈给控制模块。

所述第二传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或两种的组合。本实施例中，在手掌前板的表面贴有一层电阻式压力传感器，当物体接触到手掌表面的传感器时，传感器得到信号，将此信号反馈给控制模块。也可以安装接近传感器在手掌表面，当物体接近手掌到一定距离时，传感器就得到信号，从而通知控制模块物体已经到位，可以实施抓取物体的动作。

图16是控制模块的程序流程框图。第一传感器检测到手指未张开到位，电机持续正向转动，通过减速器带动第一齿轮、第二齿轮、主轴转动，带动手指持续张开。当不完全齿轮转到通孔结束的地方时，第一传感器检测到手指已经张开到位，该信号反馈给控制模块，通过电机驱动模块使电机电机停止转动，手指保持张开状态。此时，如果按下退出按钮，将退出程序。当抓取按钮按下或者当物体移动到手掌附近使得手掌表面的第二传感器检测到物体到位信号，此时，控制模块通过电机驱动模块控制电机继续正向转动一个预设的小角度后停转，电机的转动会带动第一齿轮转动，第一齿轮的无齿部分达到与第二齿轮啮合之处，第一齿轮与第二齿轮不再啮合，腱绳瞬时放松，此时，由于食指各弹簧的回复弹力作用将各指段又快速拉回到最初弯曲抓紧的状态，从而手指把物体快速抓住。之后，如果按下退出按钮，将退出程序。当张开按钮被手动按下，电机继续正向转动，第一齿轮继续转动，直到第一齿轮的有齿部分重新与第二齿轮相啮合，从而拉动主轴转动，使手指逐渐张开，物体被放开，直到第一传感器检测到手指张开到位的信号......其余过程同上。

所述控制模块采用PLC、单片机、DSP或计算机。本实施例中，所述控制模块采用PLC。

本实施例还包括抓取按钮、张开按钮；所述抓取按钮、张开按钮分别与控制模块相连。

本发明的又一种实施例，还包括编码器111，所述编码器与控制模块相连。

本发明的又一种实施例，所述腱绳采用绳、带或链条。

本实施例的减速器具有较大的减速比达到“软自锁”的效果，或者在其中的某一级采用具有反向自锁特点的蜗轮蜗杆传动机构、螺纹传动机构或其他具有反向自锁特点的传动机构。减速器的软自锁或自锁，是为了保证当手指张开到位、电机停转后，手指仍然可以保持在张开的位置，不因扭簧的弹力而弯曲。

下面以食指3为例来说明该装置的工作原理：

本实施例中食指3的初始状态如图11所示，类似人手握紧的状态。食指3在食指第一扭簧309、食指第二扭簧310和食指第三扭簧311的作用下呈弯曲抓紧状态。

第一传感器(接近传感器110)检测到手指未张开到位，电机106正向转动，通过减速器107带动第一齿轮108、第二齿轮109、主轴102转动，与主轴固接的食指第一关节轴102转动，拉动食指第一绳轮306转动，使得食指腱绳312拉紧并使食指3逐渐张开。此时，当不完全齿轮108转到通孔结束的地方时，接近传感器110检测到手指已经张开到位，该信号反馈给控制模块，通过电机驱动模块使电机106停止转动，由于第一齿轮仍有一或两个齿处于啮合状态，由于减速器减速比较大，为一种软自锁状态，或者减速器具有自锁特点，故食指3保持在张开状态，如图12所示。此时，如果按下退出按钮，将退出程序。

当抓取按钮被手动按下或者当物体移动到手掌附近使得手掌表面的第二传感器检测到物体到位信号，此时，控制模块通过电机驱动模块控制电机106继续正向转动一个预设的小角度后停转，电机的转动会带动第一齿轮108转动，第一齿轮的无齿部分达到与第二齿轮109啮合之处，第一齿轮与第二齿轮不再啮合，腱绳312瞬时放松，此时，由于食指各扭簧的回复弹力作用将食指3各指段又快速拉回到最初弯曲抓紧的状态，从而手指把物体快速抓住，弹簧力提供了抓取物体的抓持力，且该抓取对于不同形状、尺寸的物体具有自适应效果。抓取中间过程如图13和图14所示。之后，如果按下退出按钮，将退出程序。

当张开按钮被手动按下，电机106继续正向转动，第一齿轮108继续转动，直到第一齿轮的有齿部分重新与第二齿轮109相啮合，从而拉动主轴102和食指第一关节轴102转动，拉动食指第一绳轮306转动，食指腱绳312拉紧并使食指逐渐张开，物体被放开，直到第一传感器检测到手指张开到位的信号......其余过程同上。

拇指2比食指3减少了一个关节和一个指段。电机106正向转动，通过减速器107带动第一齿轮108、第二齿轮109、主轴102转动时，手掌绳轮转动，拉动拇指传动绳张紧，从而拉动拇指第一关节轴上的拇指第一绳轮转动，其余过程与食指相同。

中指4、无名指5、小指6的结构和抓取原理均与食指3完全相同，不再赘述。

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。

本发明装置利用电机、减速器、不完全齿轮传动机构、腱绳-扭簧式手指传动机构、多传感器与控制模块综合实现了自动快速抓取物体的效果，抓取过程分为手指储能张开、手指张开到位检测、物体到位检测和瞬时释放抓取四个过程；该装置手指闭合快，抓取效率高，能够实现快速抓取；具有物体检测功能，当发现物体在手掌附近的抓取范围内时可以实现自动快速抓取；具有自动适应不同物体形状和尺寸的特点，抓取稳定性好；结构紧凑，手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，传动效率高，机构简单，控制简单，重量轻，成本低；采用一个电机驱动多个手指的多个关节，外观和动作模仿人手，且对控制系统要求低；可用于拟人机器人上。

Claims (10)

1.一种快速抓取欠驱动机器人手装置，包括手掌和至少两个手指，所述手掌为中空状的框架结构；所述每个手指包括一根腱绳、n个指段、n个关节轴、n个绳轮和n个扭簧，其中，n至少为2，各手指的指段数量相同或不同；在每个手指中，所有关节轴两两相互平行，第1个关节轴转动套设于手掌中，第1个指段转动套接在第1个关节轴上，第i个关节轴转动套设于第i-1个指段中，第i个指段转动套接在第i个关节轴上，其中，i为2至n中的整数，其特征在于：该快速抓取欠驱动机器人手装置还包括主轴、电机、减速器、第一齿轮和第二齿轮；所述主轴转动套设于手掌中；所述电机固接于手掌中，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述第一齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第二齿轮套固在主轴上，第一齿轮与第二齿轮相啮合；第一齿轮为不完全齿轮，第二齿轮为完全齿轮；所述主轴与每个手指的第1个关节轴直接固接或通过传动机构相连；在每个手指中，第1个绳轮套固在第1个关节轴上，第j个绳轮转动套接在第j个关节轴上，其中，j为2至n中的整数；在每个手指中，第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，第k个扭簧套在第k个关节轴上，第k个扭簧的两端分别连接第k-1个指段和第k个指段，其中，k为2至n中的整数；当扭簧松弛时，手指呈弯曲抓紧状态；在每个手指中，所述腱绳的一端与第1个绳轮固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接，其中，m为从1到n的整数。

2.如权利要求1所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于，还包括控制系统，该控制系统包括电机驱动模块、控制模块、第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和第二传感器安装在手掌或手指中，第一传感器和第二传感器分别通过信号线与控制模块输入端相连，第一传感器检测手指打开状态并反馈给控制模块；第二传感器检测物体到位状态并反馈给控制模块；所述控制模块的输出端通过信号线和电机驱动模块与电机相连。

3.如权利要求2所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第一传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或多种的组合。

4.如权利要求2所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第二传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或两种的组合。

5.如权利要求2所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述控制模块采用PLC、单片机、DSP或计算机。

6.如权利要求2所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的快速抓取欠驱动机器人手装置还包括抓取按钮和张开按钮；所述抓取按钮和张开按钮分别与控制模块的输入端相连。

7.如权利要求2所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的快速抓取欠驱动机器人手装置还包括编码器，所述编码器与控制模块相连。

8.如权利要求1所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述腱绳采用绳、带或链条。

9.如权利要求1～8任一权利要求所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指有5个，包括拇指、食指、中指、无名指和小指，所述拇指包括2个指段和2个关节轴；所述食指、中指、无名指和小指结构相同，均包括3个指段和3个关节轴。

10.如权利要求9所述的快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述主轴与拇指的第1个关节轴通过传动机构相连，所述主轴与食指、中指、无名指和小指的第1个关节轴直接固接。

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