CN104842363A - 一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指。包括近端指节、中指节、远端指节和主驱动机构，近端指节包括近端指节驱动机构、近端指节底座和近端指节盖板，中指节包括中指节驱动机构、中指节底座和中指节盖板，远端指节包括远端指节底座和远端指节盖板；主驱动机构的机座、近端指节底座、中指节底座和远端指节底座依次铰接形成联动关节手指，近端指节驱动机构、中指节驱动机构结构相同，电机驱动机构、近端指节驱动机构、中指节驱动机构依次连接。本发明手指由单个电机驱动三个关节依次发生弯曲，能够实现不同形状物体的自适应抓持，结构简单、传动准确、制造与维护成本低、能量损耗小，可作为仿人机器人手爪的一部分。

Description

一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指

技术领域

本发明涉及了一种拟人机器人手指，特别涉及一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指。

背景技术

手爪是机器人与外界接触并完成相关任务的关键执行部件。传统的单自由度机械手主要用于规则物体的夹持，当机器人在复杂环境中执行任务时，必然要求提高机械手的自由度，以提高其适应能力。用机械装置模仿人手、实现人手的功能是仿人机器人研究的一项重要内容。

人手具有复杂的自由度，精确模拟难度很大。早期研究主要从人手解剖学角度出发，采用腱绳驱动的方式，但该方式产生的抓持力较小。近30年来，多功能灵巧手的研究获得了较大进展，出现了Stanford/JPL、Utah/MIT、Robonaut等仿人机械手。但由于各手指关节独立驱动（少部分关节存在耦合），使该类手爪成本高昂、控制复杂，可靠性不高且维护困难，难以推广应用。针对这一问题，人们开始关注欠驱动手爪的研究。所谓欠驱动，即驱动数少于关节自由度数。

广义上讲，欠驱动包括耦合欠驱动和自适应欠驱动。前者指各关节同时转动，转角成一定的比例关系；后者不存在比例关系。耦合欠驱动与人手的运动相仿，但远端指节有可能在接触物体之前停止转动，不能适应物体的形状。反之，自适应欠驱动有别于人手弯曲的过程，但能保持各指节与物体均匀接触，即手指能适应物体的形状。SARAH系列手爪是自适应欠驱动的典型实例。

为实现对被夹持物体的正确包络，现有的欠驱动手指在关节处多装有扭簧（扭簧同时还起到恢复伸直状态的作用）（如CN101664929A），因此在传动过程中需要消耗额外的能量。还有的欠驱动手指在中指节处设置了类似于“按钮”的机构（如CN101829992A），当中指节与物体接触时，该“按钮”被按下，进一步驱动远指节向物体靠拢，由于出现了可动部件，与人手的结构不符。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括近端指节、中指节、远端指节和主驱动机构：

主驱动机构包括机座、机座盖板和电机驱动机构，电机驱动机构安装在机座和机座盖板之间；

近端指节包括近端指节驱动机构、近端指节底座和近端指节盖板，近端指节驱动机构安装在近端指节底座和近端指节盖板之间以及以及机座和机座盖板之间，近端指节驱动机构与近端指节底座连接带动近端指节绕机座旋转；

中指节包括中指节驱动机构、中指节底座和中指节盖板，中指节驱动机构安装在中指节底座和中指节盖板之间以及近端指节和近端指节盖板之间，中指节驱动机构与中指节底座连接带动中指节绕近端指节旋转；

远端指节包括远端指节底座和远端指节盖板；

主驱动机构的机座、近端指节的近端指节底座、中指节的中指节底座和远端指节的远端指节底座依次铰接形成联动关节手指，近端指节驱动机构与中指节驱动机构结构相同，电机驱动机构、近端指节驱动机构和中指节驱动机构依次连接。

所述的主驱动机构的机座和近端指节的近端指节底座之间通过近关节轴铰接，近端指节绕近关节轴相对机座转动；近端指节的近端指节底座和中指节的中指节底座之间通过中关节轴铰接，中指节绕中关节轴相对近端指节转动；中指节的中指节底座和远端指节的远端指节底座之间通过远关节轴铰接，远端指节绕远关节轴相对中指节转动。

所述的电机驱动机构包括电机、减速器、丝杠、滑块和第一齿轮，电机输出轴连接减速器，减速器固定在机座上，减速器输出轴经联轴器与丝杠同轴固定连接，丝杠套在滑块一端并与之螺纹连接，滑块另一端通过第一齿轮轴铰接有第一齿轮，第一齿轮与近端指节驱动机构连接；滑块靠近机座盖板的侧面上开有沿丝杠方向的燕尾槽，机座盖板上连接有沿丝杠方向的导向条，导向条嵌入燕尾槽中呈滑动配合连接，从而使滑块能够在丝杠的螺旋传动下沿机座长度方向作往复直线移动。

所述的近端指节驱动机构包括第一齿条、第二齿条、第一连杆、第一摇杆、第二连杆和第二齿轮，第一齿条、第二齿条分别啮合在所述电机驱动机构中第一齿轮的两侧，第一齿条、第二齿条并嵌入机座两侧的第一齿条条形槽内滑动；第一齿条和第二齿条的前端分别固定连接有第一竖直支撑臂和第一斜向支撑臂；第一竖直支撑臂端部设有第一齿条凸轴，第一齿条凸轴嵌在近端指节底座的第一限位条形槽内，第一竖直支撑臂一侧中部设有沿竖直方向的第一凹槽，在第一竖直支撑臂前后端形成第一前凸肩和第一后凸肩；第一斜向支撑臂端部设有第二齿条凸轴，第二齿条凸轴嵌在第一竖直支撑臂的第一凹槽内，第二齿条凸轴经第一连杆连接到第一摇杆中部，第一摇杆一端铰接在机座上；第一摇杆另一端经第二连杆铰接第二齿轮，第二齿轮与中指节驱动机构连接。

所述中指节驱动机构包括第三齿条、第四齿条、第三连杆、第二摇杆、第四连杆和第二齿轮，第三齿条、第四齿条分别啮合在所述近端指节驱动机构的第二齿轮的两侧，第三齿条、第四齿条并嵌入近端指节底座两侧的第二齿条条形槽内滑动，第三齿条和第四齿条的前端分别固定连接有第二竖直支撑臂和第二斜向支撑臂；第二竖直支撑臂端部设有第三齿条凸轴，第三齿条凸轴嵌在中指节底座的第二限位条形槽内，第二竖直支撑臂一侧中部设有沿竖直方向的第二凹槽，在第二竖直支撑臂前后端形成第二前凸肩和第二后凸肩；第二斜向支撑臂端部设有第四齿条凸轴，第四齿条凸轴嵌在第二竖直支撑臂的第二凹槽内，第四齿条凸轴经第三连杆连接到第二摇杆中部，第二摇杆一端铰接在近端指节底座上；第二摇杆另一端经第四连杆与远端指节的远端指节底座铰接。

所述第二摇杆的一端铰接在中关节轴处，另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与远端指节底座通过销轴铰接，远端指节底座与中指节底座通过远关节轴铰接，四个铰接点构成一个平行四边形。

所述的近关节轴位于所述近端指节驱动机构中第一限位条形槽所在方向的直线上。

所述的中关节轴位于所述中指节驱动机构中第二限位条形槽所在方向的直线上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用齿轮齿条传动实现单一电机驱动三关节手指3个自由度依次运动，属于自适应欠驱动范畴，其优点是结构简单、控制容易，能适应被抓持物体的形状，能量损耗少，对驱动力要求低。

附图说明

图1为本发明手指的外观视图。

图2为本发明手指伸直状态的机构原理图。

图3为本发明手指弯曲状态的机构原理图。

图4为本发明手指的内部结构图（去掉各指节盖板时的状态）。

图5为本发明手指伸直状态下的俯视图（去掉各指节盖板时的状态）。

图6为本发明手指弯曲状态下的俯视图（去掉各指节盖板时的状态）。

图7为图5中沿A－A方向的剖示图（加上各指节盖板时的状态）。

图8为图5中沿B－B方向的剖示图（加上各指节盖板时的状态）。

图9为图6中C处局部放大并旋转后的示意视图。

图10为图6中D处局部放大并旋转后的示意视图。

图11为本发明手指的装配爆炸图。

图12为图2的X区域局部放大结构分离示意图。

图中，1－电机，2－减速器，3－机座，4－近端指节底座，5－中指节底座，6－远端指节底座，7－丝杠，8－滑块，8a－燕尾槽，8b－第一齿轮轴，9－第一齿轮，101－第一齿条，10a－第一凹槽，10b－第一前凸肩，10c－第一后凸肩，102－第二齿条，103－第一齿条条形槽，105－第一齿条凸轴，106－第一限位条形槽，107－第二齿条凸轴，108－第一竖直支撑臂，109－第一斜向支撑臂，11－第一连杆，12－第一摇杆，13－第二连杆，13a－第二齿轮轴，14－第二齿轮，151－第三齿条，15a－第二凹槽，15b－第二前凸肩，15c－第二后凸肩，152－第四齿条，153－第二齿条条形槽，155－第三齿条凸轴，156－第二限位条形槽，157－第四齿条凸轴，158－第二竖直支撑臂，159－第二斜向支撑臂，16－第三连杆，17－第二摇杆，18－第四连杆，191－近关节轴，192－中关节轴，193－远关节轴，20－销轴，21－定位支撑销，22－平头螺钉，23－机座盖板，23a－导向条，24－近指节盖板，25－中指节盖板，26－远指节盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括近端指节、中指节、远端指节和主驱动机构：主驱动机构包括机座3、机座盖板23和电机驱动机构，电机驱动机构安装在机座3和机座盖板23之间，机座3连接机座盖板23形成封闭外壳；

如图4～图6所示，近端指节包括近端指节驱动机构、近端指节底座4和近端指节盖板24，近端指节盖板24连接在近端指节底座4上形成封闭外壳，近端指节驱动机构安装在近端指节底座4和近端指节盖板24之间以及以及机座3和机座盖板23之间，近端指节驱动机构与近端指节底座4连接带动近端指节绕机座3旋转；

如图4～图6所示，中指节包括中指节驱动机构、中指节底座5和中指节盖板25，中指节盖板25连接在中指节底座5上形成封闭外壳，中指节驱动机构安装在中指节底座5和中指节盖板25之间以及近端指节4和近端指节盖板24之间，中指节驱动机构与中指节底座5连接带动中指节绕近端指节旋转；

如图4～图6所示，远端指节包括远端指节底座6和远端指节盖板26，远端指节盖板26连接在远端指节底座6上形成封闭外壳；

如图4～图6所示，主驱动机构的机座3、近端指节的近端指节底座4、中指节的中指节底座5和远端指节的远端指节底座6依次铰接形成联动关节手指，近端指节驱动机构与中指节驱动机构结构相同，电机驱动机构、近端指节驱动机构和中指节驱动机构依次连接，由主驱动机构驱动近端指节运动进而带动中指节和远端指节运动。

如图7和8所示，机座3和机座盖板23之间、近端指节底座4和近端指节盖板24之间、中指节底座5和中指节盖板25之间、远端指节底座6和远端指节盖板26之间均通过定位支撑销21和平头螺钉22固定连接，定位支撑销21支撑在底座与盖板之间然后两端通过平头螺钉22螺纹紧固。

主驱动机构的机座3和近端指节的近端指节底座4之间通过近关节轴191铰接，近端指节绕近关节轴191相对机座3转动；近端指节的近端指节底座4和中指节的中指节底座5之间通过中关节轴192铰接，中指节绕中关节轴192相对近端指节转动；中指节的中指节底座5和远端指节的远端指节底座6之间通过远关节轴193铰接，远端指节绕远关节轴193相对中指节转动。

近关节轴固定在机座上，中关节轴固定在近端指节上，远关节轴固定在中指节上，近关节轴、中关节轴、远关节轴互相平行。

如图4和6所示，上述电机驱动机构包括电机1、减速器2、丝杠7、滑块8和第一齿轮9，电机1输出轴连接减速器2，减速器2固定在机座3上，减速器2输出轴经联轴器与丝杠7同轴固定连接，丝杠7套在滑块8一端并呈螺纹连接，滑块8另一端通过第一齿轮轴8b铰接有第一齿轮9，第一齿轮9与近端指节驱动机构连接；滑块8靠近机座盖板23的侧面上开有沿丝杠7方向的燕尾槽8a，机座盖板23上连接有沿丝杠7方向的导向条23a，导向条23a嵌入燕尾槽8a中呈滑动配合连接，从而使滑块8能够在丝杠7的螺旋传动下沿机座3长度方向作往复直线移动。

如图9所示，上述近端指节驱动机构包括第一齿条101、第二齿条102、第一连杆11、第一摇杆12、第二连杆13和第二齿轮14，第一齿条101、第二齿条102分别啮合在电机驱动机构中第一齿轮9的两侧，第一齿条101、第二齿条102并嵌入机座3两侧的第一齿条条形槽103内滑动；第一齿条101和第二齿条102的前端分别固定连接有第一竖直支撑臂108和第一斜向支撑臂109；第一竖直支撑臂108端部设有第一齿条凸轴105，第一齿条凸轴105嵌在近端指节底座4的第一限位条形槽106内，第一竖直支撑臂108一侧中部设有沿竖直方向的第一凹槽10a，在第一竖直支撑臂108前后端形成第一前凸肩10b和第一后凸肩10c；第一斜向支撑臂109端部设有第二齿条凸轴107，第二齿条凸轴107嵌在第一竖直支撑臂108的第一凹槽10a内，第二齿条凸轴107经第一连杆11连接到第一摇杆12中部，第一摇杆12一端铰接在机座3上，优选的可铰接在近关节轴191上；第一摇杆12另一端经第二连杆13铰接第二齿轮14，第二齿轮14与中指节驱动机构连接。

如图10所示，上述中指节驱动机构包括第三齿条151、第四齿条152、第三连杆16、第二摇杆17、第四连杆18和第二齿轮14，第三齿条151、第四齿条152分别啮合在近端指节驱动机构的第二齿轮14的两侧，第三齿条151、第四齿条152并嵌入近端指节底座4两侧的第二齿条条形槽153内滑动，第三齿条151和第四齿条152的前端分别固定连接有第二竖直支撑臂158和第二斜向支撑臂159；

第二竖直支撑臂158端部设有第三齿条凸轴155，第三齿条凸轴155嵌在中指节底座5的第二限位条形槽156内，第二竖直支撑臂158一侧中部设有沿竖直方向的第二凹槽15a，在第二竖直支撑臂158前后端形成第二前凸肩15b和第二后凸肩15c；第二斜向支撑臂159端部设有第四齿条凸轴157，第四齿条凸轴157嵌在第二竖直支撑臂158的第二凹槽15a内，第四齿条凸轴157经第三连杆16连接到第二摇杆17中部，第二摇杆17一端铰接在近指节底座4上，优选的可铰接在中关节轴192上；第二摇杆17另一端经第四连杆18与远端指节的远端指节底座6铰接。

第二摇杆17的一端铰接在中关节轴192处，另一端与第四连杆18的一端铰接，第四连杆18的另一端与远端指节底座6通过销轴20铰接，远端指节底座6与中指节底座5通过远关节轴193铰接，四个铰接点构成一个平行四边形。销轴20的一端插入远端指节底座6上的销孔，另一端插入远指节盖板26上的对应销孔，由于两个销孔均为盲孔，销轴的轴向移动被限制住。

近关节轴191位于近端指节驱动机构中第一限位条形槽106所在方向的直线上。中关节轴192位于中指节驱动机构中第二限位条形槽156所在方向的直线上。

图2和图3为本发明的机构原理图，其中，机座3、近端指节、中指节、远端指节采用不同间距的45度斜线表示。为表示清楚，右齿条的前方作用点第一齿条凸轴105（或第三齿条凸轴155）位于左齿条前方铰接点第二齿条凸轴107（或第四齿条凸轴157）的右侧，实际上位于同一直线上，图中只是为了描述清楚。在本实施例中，当各指节均90度弯曲时（即图3所示状态），以上两点恰好重合。以上两部分机构的拆分图如图12所示。在其它实施实例中，也可令右齿条的前方作用点位于左齿条前方铰接点的左侧，此时，后续指节的弯曲将提前发生。

图11为本发明的爆炸图，从中可以看出各个零件的外形。

如图2和图3所示，近端指节驱动机构：

第一齿轮9在受滑块8支撑的同时，能够绕自身第一齿轮轴8b的轴线自由转动。第一齿轮9分别与右侧第一齿条101、左侧第二齿条102啮合，构成齿轮齿条传动。

第一齿条101嵌在机座3一侧的第一齿条条形槽103中，并与之形成滑动配合，使第一齿条101能够沿机座3长度方向作往复直线移动；第二齿条102嵌在机座3另一侧的第一齿条条形槽103中，并与之形成滑动配合，使第二齿条102能够沿机座3长度方向作往复直线移动；两个第一齿条条形槽103均位于机座上并且互相平行。

第二齿条102前部第一斜向支撑臂109的第二齿条凸轴107位于第一齿条101前部第一竖直支撑臂108的第一前凸肩10b与第一后凸肩10c之间；当第一齿条101前移时（图9中为向左运动），可通过其上的第一后凸肩10c推动第二齿条凸轴107，从而带动第二齿条102前移；反之，当第一齿条102退回时（图9中为向右运动），可通过其上的第一前凸肩10b拉动第二齿条凸轴107，带动第二齿条102退回；当第二齿条凸轴107位于第一前凸肩10b与第一后凸肩10c之间且不与任一凸肩接触时，第二齿条102的运动不受第一齿条101的直接影响。

第一齿条101前部第一竖直支撑臂108的第一齿条凸轴105嵌入近端指节底座4的第一限位条形槽106（参见图6及图11）中，推动近端指节底座4绕近关节轴191相对机座3转动，从而构成摆动从动件凸轮机构；近关节轴191位于第一限位条形槽106所在方向的直线上。

如图2和图3所示，中指节驱动机构：

第二齿轮14经第二齿轮轴13a铰接在第二连杆13一端（见图5），第二齿轮14在受第二连杆13支撑的同时，能够绕自身轴线自由转动。第二齿轮14分别与右侧第三齿条151、左侧第四齿条152啮合，构成齿轮齿条传动。

第三齿条151嵌在近端指节底座4一侧的第二齿条条形槽153中，并与之形成滑动配合，使第三齿条151能够沿近端指节长度方向作往复直线移动；第四齿条152嵌在近端指节底座另一侧的第二齿条条形槽153中，并与之形成滑动配合，使第四齿条152能够沿近端指节长度方向作往复直线移动；近端指节底座两侧的第二齿条条形槽153互相平行。

第四齿条152前部的第二斜向支撑臂159的第四齿条凸轴157位于第二竖直支撑臂158的第二前凸肩15b与第二后凸肩15c之间；当第三齿条151前移时（图10中为向左运动），可通过其上的第二后凸肩15c推动第四齿条凸轴157，从而带动第四齿条152前移；反之，当第三齿条151退回时（图10中为向右运动），可通过其上的第二前凸肩15b拉动第四齿条凸轴157，带动第四齿条152退回；当第四齿条凸轴157位于第二前凸肩15b与第二后凸肩15c之间且不与任一凸肩接触时，第四齿条152的运动不受第三齿条151的直接影响。

第三齿条151前部第二竖直支撑臂158的第三齿条凸轴155嵌入中指节的第二限位条形槽156（参见图6及图11）中，推动中指节底座5绕中关节轴192相对近端指节底座4转动，从而构成摆动从动件凸轮机构；中关节轴192位于第二限位条形槽156所在方向的直线上。

机座3与机座盖板23通过3根轴用螺纹连接在一起，构成一个稳定的框架，这个框架最终会装到机器人的手掌上，因此，机座3是相对固定的(可看作是手掌)，近端指节绕着机座３转，中指节又绕着近端指节转，远端指节绕着中指节转。

由图1可知，机座3与机座盖板23、近端指节底座4与近指节盖板24、中指节底座5与中指节盖板25、远端指节底座6与远指节盖板26分别通过三根结构相同的轴连接紧固，包括1根关节轴和2根定位支撑销（关节轴上铰接有旋转部件，而定位支撑销则没有）。

近关节轴191、中关节轴192、远关节轴193的安装方式相同，因此在此仅示例性地介绍中关节轴192的安装方式。图7为沿中关节轴192的中轴线的剖示图，中关节轴192的两端均开有螺纹孔，中关节轴192的一端通过平头螺钉22与近端指节底座4呈螺纹连接，中关节轴192的另一端通过平头螺钉22与近指节盖板24呈螺纹连接。

以图7为例，中关节轴192上还铰接着中指节底座5，中指节底座在近端指节底座4的内侧并与近端指节底座4成间隙配合（配合位置见图7）。

在近端指节、中指节、远端指节长度变化的情况下，改变各个机构的尺寸参数，可获得不同长度的手指，作为机器人手爪的不同组成部分。

如图2、3所示，本发明的具体工作过程如下：

如图2，当电机1正转时，通过减速器2与螺旋传动迫使滑块8向前运动，同时带动第一齿轮9前行，在没有外载荷的情况下，第一齿轮9推动右侧的第一齿条101与左侧的第二齿条102一起运动，第一齿轮9本身不转动或发生轻微转动（因为第一齿条101上的第一后凸肩10c会推动第二齿条102上的第二齿条凸轴107，从而带动第二齿条102前移）。第一齿条101向前移动的过程中，位于第一齿条101第一竖直支撑臂108上的第一齿条凸轴105推动近端指节上的第一限位条形槽106，从而带动近端指节绕近关节轴191沿顺时针方向旋转，当旋转角度接近90度时，第一齿条101下部因到达第一齿条条形槽103末端而卡住，不能继续前进，此时，第一齿轮9在滑块8的推动下继续前进，但由于右侧第一齿条101卡死，迫使第一齿轮9边前进边沿顺时针转动，左侧第二齿条102因此获得加倍的前移速度。第二齿条102加速前进的过程中，位于第二齿条102第一斜向支撑臂109上的第二齿条凸轴107推动第一连杆11，经第一摇杆12、第二连杆13带动第二齿轮14向前运动。

在没有外载荷的情况下，第二齿轮14推动右侧第三齿条151与左侧第四齿条152一起运动，第二齿轮14本身不转动或仅发生轻微转动（因为第三齿条151上的后凸肩15c会推动第四齿条上的第四齿条凸轴157，从而带动第四齿条152前移）。第三齿条151向前移动的过程中，位于第三齿条151第二竖直支撑臂158上的第三齿条凸轴155推动中指节底座5上的第二限位条形槽156，从而带动中指节绕中关节轴192沿顺时针方向旋转，当旋转角度接近90度时，第三齿条151下部因到达第二齿条条形槽153末端而卡住，不能继续前进，此时，第二齿轮14在第二连杆13的推动下继续前进，但由于第三齿条151卡死，迫使第二齿轮14边前进边沿顺时针转动，第四齿条152因此获得加倍的前移速度。第四齿条152加速前进的过程中，位于第四齿条152第二斜向支撑臂159上的第四齿条凸轴157推动第三连杆16，经第二摇杆17、第四连杆18带动销轴20向前运动，迫使远端指节绕远关节轴193发生转动，相对中关节5的最大转角为90度。

当第二齿条102下部到达第一齿条条形槽103末端卡住时，整个机构到达图3所示的弯曲状态。其中，近端指节驱动机构与中指节驱动机构中的凸轮传动以及驱动远端指节的平行四边形机构主要起到弯曲关节的作用，除此之外的连杆机构主要起到跨关节力/力矩传递的作用，第一摇杆12、第二摇杆17采用适当的杠杆比，用于放大其后连接的连杆上齿轮的行程，作为优选实例可采用的杠杆比为2。

在手指弯曲过程中，若近端指节接触到物体（近端指节相对机座3的转角小于90度），第一齿条101下部在到达第一齿条条形槽103末端卡住之前，已因第一齿条101第一竖直支撑臂108上的第一齿条凸轴105受阻而停止运动，此时，第一齿轮9的分度圆在第一齿条101的分度线上作纯滚动，带动第二齿条102加速前移，从而带动中指节和远端指节继续弯曲。同理，当中指节底座5中途接触到物体时（中指节相对近端指节的转角小于90度），第三齿条151下端在到达第二齿条条形槽153末端卡住之前，已因第三齿条151第二竖直支撑臂158上的第三齿条凸轴155受阻而停止运动，此时，第二齿轮14的分度圆在第三齿条151的分度线上作纯滚动，并带动第四齿条152加速前移，带动远端指节6继续弯曲，直到远端指节6接触物体。

如图2所示，在伸直状态，位于第一斜向支撑臂109的第二齿条凸轴107处于第一竖直支撑臂108的第一前凸肩10b与第一后凸肩10c之间且不与任一凸肩接触，因此，在弯曲过程早期，第一齿条凸轴105通过第一限位条形槽106推动近端指节绕近关节轴191沿顺时针旋转，左侧第二齿条凸轴107由于需要推动后续一系列连杆机构或关节运动，因此其阻力要大于右侧，直到第一后凸肩10c接触第二齿条凸轴107，才通过它推动后续连杆机构或关节运动（若不能确保左侧阻力大于右侧，总是可以通过添加弹簧来达到目的）。中关节轴的弯曲过程同理。

当电机1反转时，手指从弯曲到伸直的过程与之类似，但首先伸直近端指节，然后伸直中指节，最后伸直远端指节。

由图3可知，在弯曲状态，位于第一斜向支撑臂109的第二齿条凸轴107处于第一竖直支撑臂108的第一前凸肩10b与第一后凸肩10c之间且不与任一凸肩接触，因此，在伸直过程早期，第一齿条凸轴105通过第一限位条形槽106拉动近端指节绕近关节轴191沿逆时针旋转，左侧第二齿条凸轴107由于要拉动后续一系列连杆机构或关节运动，其阻力要大于右侧，直到第一前凸肩10b接触第二齿条凸轴107，才通过它拉动后续连杆机构或关节运动。中关节轴的伸直过程同理。

由此，本发明利用齿轮齿条机构的差动原理，通过单一电机驱动使三个手指关节依次发生弯曲，实现了不同形状物体的自适应夹持。另外由于没有使用弹簧，可以减少能量的消耗，或增加夹持力，可见本发明具有突出显著的技术效果。

Claims (8)

1. 一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：包括近端指节、中指节、远端指节和主驱动机构：

主驱动机构包括机座（3）、机座盖板（23）和电机驱动机构，电机驱动机构安装在机座（3）和机座盖板（23）之间；

近端指节包括近端指节驱动机构、近端指节底座（4）和近端指节盖板（24），近端指节驱动机构安装在近端指节底座（4）和近端指节盖板（24）之间以及机座（3）和机座盖板（23）之间，近端指节驱动机构与近端指节底座（4）连接带动近端指节绕机座（3）旋转；

中指节包括中指节驱动机构、中指节底座（5）和中指节盖板（25），中指节驱动机构安装在中指节底座（5）和中指节盖板（25）之间以及近端指节（4）和近端指节盖板（24）之间，中指节驱动机构与中指节底座（5）连接带动中指节绕近端指节旋转；

远端指节包括远端指节底座（6）和远端指节盖板（26）；

主驱动机构的机座（3）、近端指节的近端指节底座（4）、中指节的中指节底座（5）和远端指节的远端指节底座（6）依次铰接形成联动关节手指，近端指节驱动机构与中指节驱动机构结构相同，电机驱动机构、近端指节驱动机构和中指节驱动机构依次连接。

2. 根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述的主驱动机构的机座（3）和近端指节的近端指节底座（4）之间通过近关节轴（191）铰接，近端指节绕近关节轴（191）相对机座（3）转动；近端指节的近端指节底座（4）和中指节的中指节底座（5）之间通过中关节轴（192）铰接，中指节绕中关节轴（192）相对近端指节转动；中指节的中指节底座（5）和远端指节的远端指节底座（6）之间通过远关节轴（193）铰接，远端指节绕远关节轴（193）相对中指节转动。

3. 根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述的电机驱动机构包括电机（1）、减速器（2）、丝杠（7）、滑块（8）和第一齿轮（9），电机（1）输出轴连接减速器（2），减速器（2）固定在机座（3）上，减速器（2）输出轴经联轴器与丝杠（7）同轴固定连接，丝杠（7）套在滑块（8）一端并与之螺纹连接，滑块（8）另一端通过第一齿轮轴（8b）铰接有第一齿轮（9），第一齿轮（9）与近端指节驱动机构连接；滑块（8）靠近机座盖板（23）的侧面上开有沿丝杠（7）方向的燕尾槽（8a），机座盖板（23）上连接有沿丝杠（7）方向的导向条（23a），导向条（23a）嵌入燕尾槽（8a）中呈滑动配合连接，从而使滑块（8）能够在丝杠（7）的螺旋传动下沿机座（3）长度方向作往复直线移动。

4. 根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述的近端指节驱动机构包括第一齿条（101）、第二齿条（102）、第一连杆（11）、第一摇杆（12）、第二连杆（13）和第二齿轮（14），第一齿条（101）、第二齿条（102）分别啮合在所述电机驱动机构中第一齿轮（9）的两侧，第一齿条（101）、第二齿条（102）并嵌入机座（3）两侧的第一齿条条形槽（103）内滑动；第一齿条（101）和第二齿条（102）的前端分别固定连接有第一竖直支撑臂（108）和第一斜向支撑臂（109）；第一竖直支撑臂（108）端部设有第一齿条凸轴（105），第一齿条凸轴（105）嵌在近端指节底座（4）的第一限位条形槽（106）内，第一竖直支撑臂（108）一侧中部设有沿竖直方向的第一凹槽（10a），在第一竖直支撑臂（108）前后端形成第一前凸肩（10b）和第一后凸肩（10c）；第一斜向支撑臂（109）端部设有第二齿条凸轴（107），第二齿条凸轴（107）嵌在第一竖直支撑臂（108）的第一凹槽（10a）内，第二齿条凸轴（107）经第一连杆（11）连接到第一摇杆（12）中部，第一摇杆（12）一端铰接在机座（3）上；第一摇杆（12）另一端经第二连杆（13）铰接第二齿轮（14），第二齿轮（14）与中指节驱动机构连接。

5. 根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述中指节驱动机构包括第三齿条（151）、第四齿条（152）、第三连杆（16）、第二摇杆（17）、第四连杆（18）和第二齿轮（14），第三齿条（151）、第四齿条（152）分别啮合在所述近端指节驱动机构的第二齿轮（14）的两侧，第三齿条（151）、第四齿条（152）并嵌入近端指节底座（4）两侧的第二齿条条形槽（153）内滑动，第三齿条（151）和第四齿条（152）的前端分别固定连接有第二竖直支撑臂（158）和第二斜向支撑臂（159）；第二竖直支撑臂（158）端部设有第三齿条凸轴（155），第三齿条凸轴（155）嵌在中指节底座（5）的第二限位条形槽（156）内，第二竖直支撑臂（158）一侧中部设有沿竖直方向的第二凹槽（15a），在第二竖直支撑臂（158）前后端形成第二前凸肩（15b）和第二后凸肩（15c）；第二斜向支撑臂（159）端部设有第四齿条凸轴（157），第四齿条凸轴（157）嵌在第二竖直支撑臂（158）的第二凹槽（15a）内，第四齿条凸轴（157）经第三连杆（16）连接到第二摇杆（17）中部，第二摇杆（17）一端铰接在近指节底座（4）上；第二摇杆（17）另一端经第四连杆（18）与远端指节的远端指节底座（6）铰接。

6. 根据权利要求5所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述第二摇杆（17）的一端铰接在中关节轴（192）处，另一端与第四连杆（18）的一端铰接，第四连杆（18）的另一端与远端指节底座（6）通过销轴（20）铰接，远端指节底座（6）与中指节底座（5）通过远关节轴（193）铰接，四个铰接点构成一个平行四边形。

7. 根据权利要求2所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述的近关节轴（191）位于所述近端指节驱动机构中第一限位条形槽（106）所在方向的直线上。

8. 根据权利要求2所述的一种齿轮齿条传动的欠驱动三关节手指，其特征在于：所述的中关节轴（192）位于所述中指节驱动机构中第二限位条形槽（156）所在方向的直线上。