CN107891434B - 基于变胞原理的欠驱动机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变胞原理的欠驱动机械手，包括至少两个机械手指和驱动部分，机械手指包括四个部分，分别为指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分，四部分中相邻部分之间相互铰接，驱动部分包括手掌机架、直线轨道、移动件和动力源，直线轨道垂直固定在手掌机架上，动力源驱动移动件沿直线轨道往复移动，移动件和手掌机架均与每个机械手指的指根部分连接，移动件沿直线轨道的往复移动能够驱动固定于手掌机架的每个机械手指中的四个部分进行多自由度运动。本发明的机械手采用了单驱动结构，而且在抓取过程中不需要依靠其它物体的支撑即可实现物体的抓取，驱动元件少、易控制、灵活性高，且结构简单、易制造、成本低。

Description

基于变胞原理的欠驱动机械手

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种用于机械臂执行末端上基于变胞原理的欠驱动机械手。

背景技术

随着社会发展和科技进步，当今世界机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国的重视，在工业生产、太空和海洋探索、国防建设以及人民生活等许多领域得到了巨大的发展和越来越广泛的应用。机器人作业环境和执行任务的精细及复杂化程度也变得越来越高，普通机器人以及与其配置的末端夹持装置己远远不能满足航天作业、深海作业、核工业技术以及其它柔性生产线上各种灵巧和精细操作任务的要求，人们期待着能够将一种通用的、智能化的、能适应各种复杂工作需要的末端操作装置与机器人组装起来，协调完成各种复杂和精巧的工作任务。在这种背景下，机器人多指灵巧手的研究己成为机器人研究领域的热门研究方向之一。

传统的专用夹持器虽具有制造简单，控制方便、负载能力强、可靠性高等特点，但是仅对少量特定形状的物体适用，缺乏通用性，不能满足多任务、高适应性的要求。在这种情况下，出于拟人化的想象，多关节多手指的灵巧手成为机器人末端执行器的发展趋势，这种多关节多指手具有形状适应能力强的优点，能适应多种不同任务的需要。

而变胞机构是一类具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征的机构。可根据功能需求或环境等的变化，进行自我重组和重构，在运动中改变构态，使变胞机构适应不同的任务需求，应用于不同的场合，将变胞机构理论应用于机械手设计，可使机械手适应不同的任务需求更大地发挥其功能。

欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。将欠驱动系统理论应用到机械手的设计中可以简化其结构，降低重量和成本。

但是，为了增强仿人机械手的拟人化，要为机械手设计较多的关节自由度，而为了减轻对机械手的控制难度，以及减小机械手的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾。在多指机械手的研究和应用中，一般都采用串联若干关节的办法来构造机械手的手指，并为每个自由度都设置一个驱动和传感器，导致驱动元件过多，控制复杂，降低了机械手的灵活性和可控性，同时还增加了机械手的幵发成本。

而目前被研制出的一些欠驱动机械手的手指部分为刚性结构，既不能适应被抓物体的表面形状、尺寸不一致，又不能满足接触力不损坏且可靠抓持复杂物体的特殊性要求，同时还会对被抓持物体产生较大冲击。

因此，如何解决机械手自由度数、驱动方式、重量、灵活性、抓取能力、可靠性之间的矛盾问题，成为了新型机械手研制与开发中的关键问题。针对此问题，基于变胞原理的欠驱动机构作为设计机械手的新思路，并受到了热切关注。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于变胞原理的欠驱动机械手，解决了现有技术驱动元件过多、控制复杂、灵活性低、结构复杂、不易制造以及成本高的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，包括至少两个机械手指和驱动部分；其中，机械手指包括四个部分，分别为指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分，指尖部分、小指部分、中指部分、指根部分中相邻部分之间相互铰接；驱动部分包括手掌机架、直线轨道、移动件和动力源，直线轨道垂直固定在手掌机架上，动力源驱动移动件沿直线轨道往复移动，移动件和手掌机架均与每个机械手指的指根部分连接，移动件沿直线轨道的往复移动能够驱动固定于手掌机架的每个机械手指中的四个部分进行多自由度运动。

根据本发明，指尖部分包括指尖连杆，指尖连杆的第一端包括上铰接点和下铰接点；小指部分包括小指连杆和小指筋连杆；指尖连杆的第一端的下铰接点和上铰接点分别与小指连杆的第一端和小指筋连杆的第一端铰接。

根据本发明，指尖连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，指尖连杆的至少部分外周包裹有仿指软垫；小指连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，小指筋连杆设置在两根小指连杆的间隙内；小指筋连杆的第一端设置在两根指尖连杆第一端的上铰接点之间；指尖连杆第一端的下铰接点设置在两根小指连杆的第一端之间。

根据本发明，中指部分包括中指筋连杆、中指连杆和三角板连杆；中指连杆的第一端包括上铰接点和下铰接点；中指连杆的第一端的上铰接点与小指连杆的第二端铰接；中指连杆的第一端的下铰接点与小指筋连杆的中部铰接；中指筋连杆的第一端与小指筋连杆的第二端铰接；中指筋连杆的第二端与三角板连杆的第一端铰接；中指连杆的第二端与三角板连杆的第二端铰接；指根部分包括指根基座和指根连杆；指根基座的第一端和中指连杆的第二端、三角板连杆的第二端铰接；指根基座的第二端固定连接于手掌机架上；指根连杆的第一端与三角板连杆的第三端铰接；指根连杆的第二端与移动件铰接。

根据本发明，中指筋连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；中指连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；小指筋连杆自中指连杆之间穿过并且其第二端设置在两根中指筋连杆的第一端之间；小指筋连杆的中部设置在两根中指连杆第一端的下铰接点之间；中指连杆第一端的上铰接点设置在两根小指连杆的第二端之间；三角板连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，中指筋连杆的第二端设置在两根三角板连杆的第一端之间；中指连杆的第二端设置在两根三角板连杆的第二端之间；指根连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，三角板连杆的第三端设置在两根指根连杆的第一端之间；指根基座的第一端设置在两根中指连杆的第二端之间；指根基座的第二端设置在两根指根连杆的间隙内。

根据本发明，任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行，且垂直于移动件的运动方向。

根据本发明，动力源包括电机、电机固定板和丝杠；电机和直线轨道固定于电机固定板的两侧；丝杠的底端与手掌机架可转动的连接，丝杠的顶端通过联轴器与电机的输出端固定连接；移动件通过固定于其上的丝杠螺母与丝杠连接；丝杠的转动经丝杠螺母转化为移动件沿直线轨道的往复运动。

根据本发明，直线轨道为直线移动光轴，移动件为直线滑移环，直线滑移环套置在直线移动光轴上。

根据本发明，三个机械手指围绕直线滑移环均匀分布；三个直线移动光轴围绕丝杠均匀分布。

根据本发明，丝杠为梯形丝杠；电机为直流无刷电机。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的基于变胞原理的欠驱动机械手采用了单驱动结构，通过一个驱动部分同时带动至少两个分别具有3个自由度的机械手指同时运动，而且在抓取过程中不需要依靠其它物体的支撑即可实现物体的抓取，驱动元件少、易控制、灵活性高，且结构简单、易制造、成本低。

附图说明

图1为如下具体实施方式提供的基于变胞原理的欠驱动机械手的结构示意图；

图2为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手的其中一个机械手指的初始状态轴测示意简图；

图3为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手的其中一个机械手指运动过程中的状态一的示意简图；

图4为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手的其中一个机械手指运动过程中的状态二的示意简图；

图5为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手的其中一个机械手指运动过程中的状态三的示意简图；

图6为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手的其中一个机械手指运动过程中的状态四的示意简图；

图7为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在无物体抓取时状态一的示意图；

图8为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在无物体抓取时状态二的示意图；

图9为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在无物体抓取时状态三的示意图；

图10为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在无物体抓取时状态四的示意图；

图11为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在无物体抓取时状态五的示意图；

图12为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在无物体抓取时状态六的示意图；

图13为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取球状物体时状态一的示意图；

图14为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取球状物体时状态二的示意图；

图15为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取球状物体时状态三的示意图；

图16为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取球状物体时状态四的示意图；

图17为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取盆状物体时状态一的示意图；

图18为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取盆状物体时状态二的示意图；

图19为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取盆状物体时状态三的示意图；

图20为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取盆状物体时状态四的示意图；

图21为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取马鞍形不规则体时状态一的示意图；

图21为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取马鞍形不规则体时状态一的示意图；

图22为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取马鞍形不规则体时状态二的示意图；

图23为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取马鞍形不规则体时状态三的示意图；

图24为图1中示出的基于变胞原理的欠驱动机械手在抓取马鞍形不规则体时状态四的示意图。

【附图标记说明】

1：指尖部分；11：指尖连杆；12：安装部；13：缓冲部；14：缓冲部指尖；2：小指部分；21：小指连杆；22：小指筋连杆；3：中指部分；31：中指筋连杆；32：中指连杆；33：三角板连杆；4：指根部分；41：指根基座；42：指根连杆；5：驱动部分；51：直线移动光轴；52：直线滑移环；53：手掌机架；54：电机固定板；55：电机；56：联轴器；57：丝杠；58：丝杠螺母。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1，本实施例提供一种基于变胞原理的欠驱动机械手，该机械手包括至少两个机械手指和驱动部分5，其中，机械手指包括四个部分，分别为指尖部分1、小指部分2、中指部分3和指根部分4，指尖部分1、小指部分2、中指部分3和指根部分4中相邻部分之间相互铰接。在这里需要说明的是，这里所说的指尖部分1、小指部分2、中指部分3和指根部分4的连接顺序是按人的手指中的指尖、小指、中指和指根的顺序连接的。

驱动部分5包括手掌机架53、直线轨道、移动件和动力源，直线轨道垂直固定在手掌机架53上，动力源驱动移动件沿直线轨道往复移动，移动件和手掌机架53均与每个机械手指的指根部分4连接，移动件沿直线轨道的往复移动能够驱动固定于手掌机架53的每个机械手指中的四个部分进行多自由度运动。驱动部分5采用单自由度驱动结构，驱动元件少、易控制、灵活性高。在这里需要说明的是，这里所说的固定是为了表示手掌机架53的作用是用来固定机械手指的。同时这里的驱动部分5也只是起到驱动每个机械手指内部的运动，并不能驱动整个机械手在高度位置上运动。

进一步优选地，指尖部分1、小指部分2、中指部分3和指根部分4的表面均设有弹性缓冲材料，如橡胶、塑料或硅胶，可防止被抓物的受损。当然本实施例也不局限于此，也可以将指尖部分1、小指部分2、中指部分3和指根部分4的整体上设置为有一定刚度的弹性缓冲材料。

具体地，参照图1至图2，指尖部分1包括指尖连杆11，指尖连杆11的第一端包括上铰接点和下铰接点。小指部分2包括小指连杆21和小指筋连杆22，指尖连杆11的第一端的下铰接点和上铰接点分别与小指连杆21的第一端和小指筋连杆22的第一端铰接。

进一步优选地，指尖连杆11包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，小指连杆21包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，小指筋连杆22设置在两根小指连杆21的间隙内。小指筋连杆22的第一端设置在两根指尖连杆11第一端的上铰接点之间，指尖连杆11的第一端的下铰接点设置在两根小指连杆21的第一端之间。优选地，小指筋连杆22采用中空结构。指尖连杆11的至少部分外周包裹有仿指软垫，仿指软垫采用弹性缓冲材料，使机械手接触被抓物体时可以柔性接触，从而防止被抓物体受损。

进一步优选地，仿指软垫夹设在两根指尖连杆11的间隙内，具体包括安装部12和缓冲部13，安装部12与指尖连杆11上对应的夹设位置固定连接，缓冲部13朝指尖连杆11与被抓物体的接触侧突出设置。更加优选地，缓冲部13还包括缓冲部指尖14，缓冲部指尖14突出于指尖连杆11的第二端设置。可选地，仿指软垫只在指尖连杆11与被抓物体的接触侧突出设置。

中指部分3包括中指筋连杆31、中指连杆32和三角板连杆33，三角板连杆33采用三角形结构增大了结构的稳定性。优选地，三角板连杆33采用中空结构，可以节省材料，减轻重量，节约成本。可选地，三角板连杆33采用如小指筋连杆22的形状。

中指连杆32的第一端包括上铰接点和下铰接点，中指连杆32第一端的上铰接点与小指连杆21的第二端较接，中指连杆32第一端的下铰接点与小指筋连杆22的中部铰接，中指筋连杆31的第一端与小指筋连杆22的第二端铰接，中指筋连杆31的第二端与三角板连杆33的第一端铰接，中指连杆32的第二端与三角板连杆33的第二端铰接。

进一步优选地，中指筋连杆31包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；中指连杆32包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；小指筋连杆22自中指连杆32之间穿过并且其第二端设置在两根中指筋连杆31的第一端之间。小指筋连杆22的中部设置在两根中指连杆32第一端的下铰接点之间，中指连杆32第一端的上铰接点设置在两根小指连杆21的第二端之间，三角板连杆33包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，中指筋连杆31的第二端设置在两根三角板连杆33的第一端之间，中指连杆32的第二端设置在两根三角板连杆33的第二端之间。

指根部分4包括指根基座41和指根连杆42，指根基座41的第一端和中指连杆32的第二端、三角板连杆33的第二端铰接，指根基座41的第二端固定连接于手掌机架53上，指根连杆42的第一端与三角板连杆33的第三端铰接，指根连杆42的第二端与移动件铰接。由此，通过指根部分4中的指根基座41和指根连杆42的设置，实现了移动件和手掌机架53均与指根部分4连接的同时，移动件沿直线轨道的往复移动能够驱动固定于手掌机架53的机械手指中的四个部分进行多自由度运动。

进一步优选地，指根连杆42包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，三角板连杆33的第三端设置在两根指根连杆42的第一端之间，指根基座41的第一端设置在两根中指连杆32的第二端之间，指根基座41的第二端设置在两根指根连杆42的间隙内。

进一步地，动力源包括电机55、电机固定板54和丝杠57，电机55和直线轨道固定于电机固定板54的两侧，丝杠57的底端与手掌机架53可转动的连接，丝杠57的顶端通过联轴器56与电机55的输出端固定连接，在这里需要说明的是，这里所说的固定连接并非限定为不可拆卸的连接，而是指联轴器56与电机55连接后无相对运动，在需要时联轴器56和电机55可设计为可拆的。同时这里所说的丝杠57的顶端与底端仅指图1中所示意出的方位，并不是指在实际使用过程中的方位。移动件通过固定于其上的丝杠螺母58与丝杠57连接，丝杠57的转动经丝杠螺母58转化为移动件沿直线轨道的往复运动。具体地，移动件上设有通孔，丝杠螺母58设置在移动件的表面上且其螺纹孔对准通孔，丝杠57穿过通孔与丝杠螺母58旋合连接。当然本实施例也不局限于此，丝杠螺母58也可套接在通孔中。当然，本实施例中的动力源也并不局限于此，也可以是气动气缸等其他动力源，只要能驱动移动件在直线轨道上往复移动的动力源均适用于本实施例。

优选地，丝杠18为梯形丝杠，电机16为直流无刷电机。其中，采用梯形丝杠，具有成本低、设计灵活、在使用时噪音小以及耐腐蚀性能好等优点。采用直流无刷电机，除了具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构，具备调速范围广、过载能力强、可靠性好、稳定性好、适应性强、以及维修与保养简单等优点。

进一步优选地，直线轨道为直线移动光轴51，移动件为直线滑移环52，直线滑移环52套置在直线移动光轴51上。当然本实施例中的直线轨道和移动件也并不局限于此，也可以是其他形式，只要能实现移动件在直线轨道上的往复运动均适用于本实施例。

进一步优选地，机械手指和直线移动光轴51均设三个，且三个机械手指围绕直线滑移环52均匀分布，三个直线移动光轴51围绕丝杠57均匀分布。也就是说，三个机械手指之间均间隔120°分布，三个直线移动光轴51之间均间隔120°分布，机械手指和直线移动光轴51均设置三个且均匀分布可增加结构的稳定性。并且，在设置至少三个机械手指的情况下，能够实现在抓取过程中不需要依靠其它物体的支撑即可对物体进行可靠的抓取。

当直线滑移环52的法兰面下方与手掌机架53的上端面贴合时，机械手指处于初始状态，即小指部分2，中指部分3和指根部分4在连杆群的几何关系约束下都平行于水平面、机械手指处于伸直的状态，也就是图2中所示出的机械手指的状态。在这里需要说明的是，这里所说的法兰面下方以及手掌机架53的上端面中的上下仅指图1中所示意出的方位，并不是指在实际使用过程中的方位。

进一步地，参照图1、图3至图6，机械手指的运动过程具体如下：

参照图1和图3，机械手指处于状态一，为机械手指相对于物体的初始位置，此时整根手指的各个关节未发生旋转，机械手指的3个自由度均未被限制。在此需要说明的是，在机械手指的3个自由度均未被限制，也即未对任何连杆进行约束时，根据变胞原理和欠驱动的内容，若此时转动中指连杆32，其下游的指尖连杆11、小指连杆21、小指筋连杆22也会随之发生姿态变化。因此在机械手指抓取物体的时候，若没有接触到中指连杆32限制其运动，其下游的所有指连杆将会继续运动，直至夹取紧物体为止。因此该机械手通过指尖部分1、小指部分2、中指部分3和指根部分4的配合，拟合人手指形态贴合物体表面，可以自动适应被抓物体的表面形状，灵活性高，进而实现无损且可靠的抓取。

参照图1和图4，机械手指处于状态二，此时机械手指继续运动，当中指连杆32碰触到物体时停止运动，根据变胞原理的内容，此状态限定了中指连杆32的转动自由度，也就是说，机械手指在抓取物体时，物体外表面与中指连杆32接触，这种接触限制了中指连杆32的运动，从而限制了中指连杆32的自由度，所以此时，机械手指的自由度从3个自由度变为了2个自由度。

参照图1和图5，机械手指处于状态三，当中指连杆32停止运动后，在三角板连杆33和中指筋连杆31推动下，小指连杆21和指尖连杆11在继续做运动。

由于小指连杆21和中指连杆32连接处形成一个对小指筋连杆22和中指筋连杆31连接处的表面接触式的机械限位，所以在小指连杆21和中指连杆32与小指筋连杆22和中指筋连杆31达到上述机械限位之后，小指连杆21和中指连杆32是作为一个整体的刚体在运动，此时机械手指的自由度从2个自由度变为1个自由度(该过程为图5和图6示出的状态之间的一种形态)。

参照图1和图6，机械手指处于状态四，当小指连杆21和中指连杆32都停止运动后，指尖连杆11继续运动，直至碰触到物体为止，整个机械手指运动停止。

从图3至图6中的抓取物体的运动过程中可以看出，本实施例所设计的基于变胞原理的欠驱动机械手的机械手指具有很好的自适应抓取物体的能力，能保证在一定体积范围内的不同几何外貌特征物体的有效抓取。

进一步地，在任何状态下，任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行，且垂直于移动件的移动方向。具体地，参照图2至图6中可以看出，任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行且垂直于图示纸面，移动件沿移动轨道在纸面内水平移动。

进一步，参照图1、图7至图24，具体以机械手设有三个机械手指且机械手指围绕直线滑移环52均匀分布，同时直线移动光轴51设置三个且围绕丝杠57均匀分为例，详细介绍机械手在抓取各种物体时的状态。

本实施例设计的欠驱动机械手是由一个驱动部分5同时带动三个分别具有3个自由度的机械手指，即共9个自由度的机械手指同时运动，具有不确定性运动的特性。从欠驱动原理可知，该机械手具有无数种构态，在不同的工况下，机械手在抓取不同外观形貌的物体时，通过连杆的限位，机构发生了自由度减少的变化，逐步向自由度为1的状态发展，直至机械手抓紧物体才会停止，这一性状同样也符合变胞原理。

进一步地，参照图1、图7至图12，在此机械手无数种构态变换中，无物体抓取时的构态变换是最为特殊的，其几乎不发生任何自由度的减少或者增多现象，机械手在无物体抓取时从初始状态到静末状态的变化流程具体如下。

参照图1和图7，机械手处于状态一，此状态下，驱动部分5中的电机55处于静止状态，无动力输出，利用丝杠57和丝杠螺母58之间的机械自锁特性，将直线滑移环52紧固在最低的位置，三个机械手指处于工作时的最初始位置，每个机械手指呈120°均布，在重力的影响下，指尖部分1微微下垂。在此需要说明的是，这里所说的最低位置仅是指图7中示意出的方位，并不是指实际使用过程中的方位。具体地，在欠驱动结构中，除了用弹性元件或者机械限位来控制自由度的变化，重力同样也扮演者一个很重要的角色，它会影响着欠驱动结构运动的方向和趋势，在设计机构的过程中，我们也会利用这一特性，来控制欠驱动机构的初始运动方向。

参照图1和图8，机械手处于状态二，此时驱动部分5中的电机55开始旋转，通过丝杠57和丝杠螺母58配合将旋转运动转换为直线运动，具体地，通过电机55驱动，将旋转运动通过丝杠57和丝杠螺母58的螺纹副转化为直线滑移环52的直线运动。进而带动直线滑移环52向上运动，指根连杆42被拉动，中指连杆32在重力的影响下绕着指根基座原点向下摆动，所以小指连杆21和指尖连杆11部分也随之摆动。需要说明的是，这里所说的指根基座原点是指指根基座41的第一端和中指连杆32的第二端、三角板连杆33的第二端铰接的铰接点。

参照图1、图9至11，机械手分别处于状态三至状态五，驱动部分5中的电机55继续匀速旋转，机械手上的三个机械手指依然绕着指根基座原点作摆动。易看出，随着直线滑移环52向上移动，机械手指闭合的回转速率明显下降，造成这个现象的原因来自于连杆传递运动的特性，当两根连杆运动到死点位置附近时，摆动幅度减小，所产生的内力逐渐增加。利用这一特性，我们能更好的抓取物体，在接近物体表面时降低速度，增加接触力，完成自适应性抓取，降低电气控制和策略实施的难度。

参照图1和图12，机械手处于状态六，驱动部分5中的电机55停止旋转，机械手的三个手指的指尖连杆11碰触到了一起，手指完成了闭合动作，三角板连杆33和指根基座41的几何轴线之间呈90°，此时所产生的转矩是最大的，机械手获得了此构态下最大的抓取力。

进一步地，参照图1、图13至图16，在几何世界中，球是一种特殊的几何形状，是一种绝对对称的几何体，所以尝试先用球体作为抓取对象，做构态分析，这是一种典型的构态，机械手抓取一种有规律的且绝对对称的物体，机械手指会在抓取过程中发生自由度减少的情况，单个机械手指从3个自由度最终变为1个自由度，直至抓紧物体。机械手抓取球状物体时从准备状态到握紧状态的变化流程具体如下。

参照图1和图13，机械手处于状态一，驱动部分5中的电机55开始旋转，通过丝杠57和丝杠螺母58配合将旋转运动转换为直线运动，带动直线滑移环52向上运动，指根连杆42被拉动，中指连杆32在重力的影响下绕着指根基座原点向下摆动，所以小指连杆21和指尖连杆11部分也随之摆动，开始靠近球体。

参照图1和图14，机械手处于状态二，驱动部分5中的电机55继续匀速旋转，机械手上的三个机械手指依然绕着指根基座原点作摆动，三个机械手指减速靠近球体表面，此时的每个机械手指均拥有3个自由度。

参照图1和图15，机械手处于状态三，机械手指继续运动，中指连杆32碰触到球体时停止运动，每个机械手指的自由度从3个自由度变为了2个自由度。当中指连杆32停止运动后，在三角板连杆33和中指筋连杆31的推动下，小指连杆21和指尖连杆11在继续做运动。

由于在小指连杆21和中指连杆32连接处形成一个对小指筋连杆22和中指筋连杆31连接处的表面接触式的机械限位，所以在小指连杆21和中指连杆32与小指筋连杆22和中指筋连杆31达到上述机械限位之后，小指连杆21和中指连杆32是作为一个整体的刚体在运动，此时每个机械手指的自由度从2个自由度变为1个自由度。

参照图1和图16，机械手处于状态四，驱动部分5中的电机55停止旋转，指尖连杆11碰触到球体，三个120°均布的机械手指把球体包络于手心，完成抓取。

进一步地，参照图1、图17至图20，盘状的物体随处可见，在工业产品中的轴承、法兰等均可抽象看为盘状体，所以为了机械手完成抓取类似盘状物体这种横截面积/高度比率大的物体，必须分析其在真实工况的适应性是否良好，因此对于其抓取盘状物体的构态进行分析，这也是一种典型的构态，机械手抓取一种扁平对称的物体，机械手指会在抓取过程中发生自由度减少的情况，每个机械手指从3个自由度最终变为1个自由度，直至提握住物体。机械手抓取盆状物体时从准备状态到握紧状态的变化流程具体如下。

参照图1、图17和图18，机械手分别处于状态一和状态二，电机55开始旋转，通过丝杠57和丝杠螺母58配合将旋转运动转换为直线运动，带动直线滑移环52运动，指根连杆42被拉动，中指连杆32在重力的影响下绕着指根基座原点向下摆动，所以小指连杆21和指尖连杆11部分也随之摆动，开始靠近盘体边缘，此时每个机械手指均具有3个自由度。

参照图1和图19，机械手分别处于状态三，机械手指继续运动，中指连杆32碰触到盘沿时停止运动，机械手指的自由度从3个自由度变为了2个自由度。当中指连杆32停止运动后，在三角板连杆33和中指筋连杆31的推动下，小指连杆21和指尖连杆11在继续做运动。

由于在小指连杆21和中指连杆32连接处形成一个对小指筋连杆22和中指筋连杆31连接处的表面接触式的机械限位，所以在小指连杆21和中指连杆32与小指筋连杆22和中指筋连杆31达到上述机械限位之后，小指连杆21和中指连杆32是作为一个整体的刚体在运动，此时机械手指的自由度从2个自由度变为1个自由度。

参照图1和图20，机械手处于状态四，驱动部分5中的电机55停止旋转，指尖连杆11碰触到盘底，三个120°均布的机械手指把盘体包络于手心，完成抓取。

进一步地，参照图1、图21至图24，在现实中，没有任何物体是一模一样的，绝大多数是形状各异的不规则体，所以以不规则体作为抓取对象来做构态分析，这是一种多见的构态，机械手抓取一种不规则的物体，三个机械手指会在抓取过程中不同步的发生自由度减少的情况，每个机械手指从3个自由度最终变为1个自由度，直至提握住物体。机械手抓取马鞍形不规则体时从准备状态到握紧状态的变化流程具体如下。

参照图1和图21，机械手处于状态一，驱动部分5中的电机55开始旋转，通过丝杠57和丝杠螺母58配合将旋转运动转换为直线运动，带动直线滑移环52向上运动，指根连杆42被拉动，中指连杆32在重力的影响下绕着指根基座原点向下摆动，所以小指连杆21和指尖连杆11部分也随之摆动，开始靠近马鞍形不规则体。

参照图1和图22，机械手处于状态二，机械手指继续运动，位于图中左侧和后侧的机械手指的中指连杆32碰触到球体时停止运动，机械手指的自由度从3个自由度变为了2个自由度，而位于图中右侧的机械手指未碰到物体，继续以3自由度的方式运动。在这里需要说明的是，这里所说的球体并非指该马鞍形不规则体的形状，而是该马鞍形不规则体中有一部分成球体的形状。同时这里所说的左侧、右侧和后侧仅指图22中所示出的方位，并非实际使用过程中的方位。当中指连杆32停止运动后，在三角板连杆33和中指筋连杆31的推动下，小指连杆21和指尖连杆11在继续做运动。

由于在小指连杆21和中指连杆32连接处形成一个对小指筋连杆22和中指筋连杆31连接处的表面接触式的机械限位，所以在小指连杆21和中指连杆32与小指筋连杆22和中指筋连杆31达到上述机械限位之后，小指连杆21和中指连杆32是作为一个整体的刚体在运动，此时机械手指的自由度从2个自由度变为1个自由度。

参照图1和图23，机械手处于状态三，位于图中左侧和后侧的机械手指只剩下1个自由度，指尖连杆11正在围绕着中指连杆32的前段的转轴作摆转运动，包络这物体的外表面，而此时位于图中右侧的机械手指的中指连杆32碰触到球体时停止运动，机械手指的自由度从3个自由度变为了2个自由度。在这里需要说明的是，本实施例中的马鞍形不规则体是不规则的，并非只有靠近左侧和后侧的机械手指部分为球体形状，可以有多处球体形状，在本实施例靠近左侧、右侧和后侧的机械手指处均为球体形状，但靠近左侧和后侧的机械手指处的球体形状相较于靠近右侧的机械手指处的球体形状，前者比后者更靠近丝杠57的轴线延伸方向，因此机械手在抓取该马鞍形不规则体，左侧和体形状，后侧的机械手指先接触该不规则体，而右侧机械手指后接触，进而左侧和后侧的机械手指相较于右侧的机械手指先停止运动。当中指连杆32停止运动后，在三角板连杆33和中指筋连杆31的推动下，小指连杆21和指尖连杆11在继续做运动。

由于在小指连杆21和中指连杆32连接处形成一个对小指筋连杆22和中指筋连杆31连接处的表面接触式的机械限位，所以在小指连杆21和中指连杆32与小指筋连杆22和中指筋连杆31达到上述机械限位之后，小指连杆21和中指连杆32是作为一个整体的刚体在运动，此时右侧机械手指的自由度从2个自由度变为1个自由度。

参照图1和图24，机械手处于状态四，驱动部分5中的电机55停止旋转，左侧和后侧的指尖连杆11先碰触到马鞍形不规则体的底部，右侧的机械手指稍慢些到达，三个呈120°均布的机械手指把盘体包络于手心，完成抓取。

综上，本实施例中的基于变胞原理的欠驱动机械手采用了单驱动结构，通过一个驱动部分5同时带动至少两个分别具有3个自由度的机械手指同时运动，而且在抓取过程中不需要依靠其它物体的支撑即可实现物体的抓取，驱动元件少、易控制、灵活性高，且结构简单、易制造、成本低。

Claims (8)

1.一种基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，包括至少两个机械手指和驱动部分(5)；其中，

所述机械手指包括四个部分，分别为指尖部分(1)、小指部分(2)、中指部分(3)和指根部分(4)，所述指尖部分(1)、小指部分(2)、中指部分(3)、指根部分(4)中相邻部分之间相互铰接；

所述驱动部分(5)包括手掌机架(53)、直线轨道、移动件和动力源，所述直线轨道垂直固定在所述手掌机架(53)上，所述动力源驱动所述移动件沿所述直线轨道往复移动，所述移动件和所述手掌机架(53)均与每个所述机械手指的指根部分(4)连接，所述移动件沿所述直线轨道的往复移动能够驱动固定于所述手掌机架(53)的每个机械手指中的四个部分进行多自由度运动；

所述指尖部分(1)包括指尖连杆(11)，所述指尖连杆(11)的第一端包括上铰接点和下铰接点；

所述小指部分(2)包括小指连杆(21)和小指筋连杆(22)；所述指尖连杆(11)的第一端的下铰接点和上铰接点分别与所述小指连杆(21)的第一端和所述小指筋连杆(22)的第一端铰接；

所述中指部分(3)包括中指筋连杆(31)、中指连杆(32)和三角板连杆(33)；所述中指连杆(32)的第一端包括上铰接点和下铰接点；所述中指连杆(32)的第一端的上铰接点与所述小指连杆(21)的第二端铰接；所述中指连杆(32)的第一端的下铰接点与所述小指筋连杆(22)的中部铰接；所述中指筋连杆(31)的第一端与所述小指筋连杆(22)的第二端铰接；所述中指筋连杆(31)的第二端与所述三角板连杆(33)的第一端铰接；所述中指连杆(32)的第二端与所述三角板连杆(33)的第二端铰接；

所述指根部分(4)包括指根基座(41)和指根连杆(42)；所述指根基座(41)的第一端和所述中指连杆(32)的第二端、所述三角板连杆(33)的第二端铰接；所述指根基座(41)的第二端固定连接于所述手掌机架(53)上；所述指根连杆(42)的第一端与所述三角板连杆(33)的第三端铰接；所述指根连杆(42)的第二端与所述移动件铰接。

2.如权利要求1所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，

所述指尖连杆(11)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述指尖连杆(11)的至少部分外周包裹有仿指软垫；

所述小指连杆(21)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述小指筋连杆(22)设置在两根小指连杆(21)的间隙内；所述小指筋连杆(22)的第一端设置在所述两根指尖连杆(11)第一端的上铰接点之间；所述指尖连杆(11)第一端的下铰接点设置在两根小指连杆(21)的第一端之间。

3.如权利要求1所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，

所述中指筋连杆(31)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述中指连杆(32)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述小指筋连杆(22)自所述中指连杆(32)之间穿过并且其第二端设置在所述两根中指筋连杆(31)的第一端之间；

所述小指筋连杆(22)的中部设置在两根中指连杆(32)第一端的下铰接点之间；所述中指连杆(32)第一端的上铰接点设置在两根小指连杆(21)的第二端之间；所述三角板连杆(33)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述中指筋连杆(31)的第二端设置在两根三角板连杆(33)的第一端之间；所述中指连杆(32)的第二端设置在两根三角板连杆(33)的第二端之间；

所述指根连杆(42)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述三角板连杆(33)的第三端设置在两根指根连杆(42)的第一端之间；所述指根基座(41)的第一端设置在两根中指连杆(32)的第二端之间；所述指根基座(41)的第二端设置在两根指根连杆(42)的间隙内。

4.如权利要求1-3中任一项所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，所述任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行，且垂直于所述移动件的运动方向。

5.如权利要求1所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，

所述动力源包括电机(55)、电机固定板(54)和丝杠(57)；

所述电机(55)和所述直线轨道固定于所述电机固定板(54)的两侧；

所述丝杠(57)的底端与所述手掌机架(53)可转动的连接，所述丝杠(57)的顶端通过联轴器(56)与所述电机(55)的输出端固定连接；

所述移动件通过固定于其上的丝杠螺母(58)与所述丝杠(57)连接；

所述丝杠(57)的转动经所述丝杠螺母(58)转化为所述移动件沿所述直线轨道的往复运动。

6.如权利要求5所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，

所述直线轨道为直线移动光轴(51)，所述移动件为直线滑移环(52)，所述直线滑移环(52)套置在所述直线移动光轴(51)上。

7.如权利要求6所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，

三个所述机械手指围绕所述直线滑移环(52)均匀分布；

三个所述直线移动光轴(51)围绕所述丝杠(57)均匀分布。

8.如权利要求5所述的基于变胞原理的欠驱动机械手，其特征在于，

所述丝杠(57 )为梯形丝杠；

所述电机(55 )为直流无刷电机。

Images