CN111168702A - 一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，包括手掌和五个手指；其中拇指包括拇指远指节、拇指中指节、拇指近指节、拇指远端旋转关节、拇指近端旋转关节、一号腱绳、一号弹性回复绳和一号压力传感器；食指包括食指远指节、食指中指节、食指近指节、食指连接架、食指远端旋转关节、食指中间旋转关节、食指近端旋转关节、二号腱绳、二号弹性回复绳和二号压力传感器；每个旋转关节均设置有锁紧轮、阶梯轴、衔铁、弹簧和电磁铁，每个旋转关节均能制动。通过电磁铁与衔铁的相互作用，使旋转关节转动至一定角度后停止，实现旋转关节的制动，各个旋转关节都可以单独制动，以欠驱动方式实现手指各个旋转关节的全驱动，提高了抓取的稳定性和自适应程度。

Description

一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手。

背景技术

近年来，在医疗康复、灾难救援、空间探索、资源开采等领域需求的推动下，仿生机器人技术的研究进入了前所未有的发展时期。灵巧手作为仿生机器人的末端执行器，应具有灵活性高、可操作性强、稳定性好、结构简单等特点。

目前，根据灵巧手的驱动方式可以划分为全驱动型灵巧手和欠驱动型灵巧手。对于全驱动型灵巧手来说，每个运动关节具有自己独立的驱动器和传感器，可完成复杂的手指运动，灵活性强，刘菲在文献《弹性欠驱动四指灵巧手设计与试验》中指出全驱动灵巧手存在控制复杂、体积和重量过大、成本高昂等问题。对于欠驱动型灵巧手来说，将不同的运动关节以腱传动、齿轮传动、连杆传动等方式进行耦合，使得一个驱动器可以同时驱动多个运动关节运动，驱动器数量可得到有效控制，但是在不同类型物体抓取过程中，由于运动关节的耦合作用，使得该类型灵巧手的抓取稳定性差、自适应程度低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，包括手掌和五个手指；其中拇指包括拇指远指节、拇指中指节、拇指近指节、拇指远端旋转关节、拇指近端旋转关节、一号腱绳、一号弹性回复绳和一号压力传感器；所述拇指远指节包括拇指远指节左侧连接板和拇指远指节右侧连接板；所述拇指中指节包括拇指中指节左侧连接板、拇指中指节右侧连接板、拇指中指节后侧连接板、一号预紧连接块、一号预紧杆和一号预紧螺母；所述拇指近指节包括拇指近指节左侧连接板和拇指近指节右侧连接板；所述拇指远端旋转关节包括一号锁紧轮、一号阶梯轴、一号衔铁、一号弹簧和一号电磁铁；所述拇指近端旋转关节包括二号锁紧轮、二号阶梯轴、二号衔铁、二号弹簧和二号电磁铁；

所述拇指远指节左侧连接板的上部和拇指远指节右侧连接板的上部固连；拇指中指节左侧连接板和拇指中指节右侧连接板与拇指中指节后侧连接板的左、右两侧固连；拇指中指节左侧连接板的上、下部分别设有齿槽；

所述一号阶梯轴为一端开口的空心轴，一号衔铁固定在一号阶梯轴空心区域的底部；一号阶梯轴的不开口端分别穿过拇指远指节左侧连接板的下部和拇指中指节左侧连接板的上部与一号锁紧轮固连，一号锁紧轮正对拇指中指节左侧连接板上部的齿槽；拇指远指节左侧连接板能相对于一号阶梯轴转动，一号阶梯轴能轴向移动；

所述二号阶梯轴为一端开口的空心轴，二号衔铁固定在二号阶梯轴空心区域的底部；二号阶梯轴的不开口端分别穿过拇指近指节左侧连接板的上部和拇指中指节左侧连接板的下部与二号锁紧轮固连，二号锁紧轮正对拇指中指节左侧连接板下部的齿槽；拇指中指节左侧连接板能相对于二号阶梯轴转动，二号阶梯轴能轴向移动；

所述拇指中指节右侧连接板的上、下部分别设有空心凸台，一号电磁铁嵌在上部的空心凸台内，二号电磁铁嵌在下部的空心凸台内，两个电磁铁分别与拇指中指节右侧连接板固连；拇指中指节右侧连接板上部的空心凸台穿过拇指远指节右侧连接板的下部，伸入一号阶梯轴内，使一号电磁铁正对一号衔铁，拇指远指节右侧连接板能相对于拇指中指节右侧连接板上部的空心凸台转动；一号弹簧嵌在一号阶梯轴的侧壁内，一号弹簧的一端伸出一号阶梯轴外与拇指远指节右侧连接板接触；

所述拇指中指节右侧连接板下部的空心凸台穿过拇指近指节右侧连接板的上部，伸入二号阶梯轴内，使二号电磁铁正对二号衔铁，拇指中指节右侧连接板下部的空心凸台能相对于拇指近指节右侧连接板转动；二号弹簧嵌在二号阶梯轴的侧壁内，二号弹簧的一端伸出二号阶梯轴外与拇指近指节右侧连接板接触；拇指近指节的下部与手掌转动连接；

所述一号预紧连接块的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与拇指中指节左侧连接板固连，右侧的端耳与拇指中指节右侧连接板固连；一号预紧杆的细端穿过一号预紧连接块的通孔，伸出一号预紧连接块外；一号预紧螺母与一号预紧连接块的通孔配合，一号预紧螺母顶着一号预紧杆的粗端；

所述一号腱绳的一端通过打结固定在拇指远指节的内部，依次穿过拇指远指节、放置于一号阶梯轴的外表面上、穿过一号预紧杆、放置于二号阶梯轴的外表面上、穿过拇指近指节，另一端与相应的外部电机固连；

所述一号弹性回复绳的一端依次穿过拇指近指节左侧连接板的通孔、拇指中指节后侧连接板的一个通孔、拇指远指节左侧连接板的通孔、拇指远指节右侧连接板的通孔、拇指中指节后侧连接板的另一个通孔以及拇指近指节右侧连接板的通孔，通过打结与一号弹性回复绳的另一端连接；

拇指远指节的指尖处以及一号预紧连接块上分别设有一号压力传感器，一号压力传感器位于拇指靠近食指的一侧。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)该灵巧手采用欠驱动方式，结构简单，质量较轻，价格便宜；通过电磁铁与衔铁的相互作用，带动锁紧轮安装在各自的齿槽内，使相应的连接板不能转动，使旋转关节转动至一定角度后停止，实现旋转关节的制动，各个旋转关节都可以单独制动，以欠驱动方式实现手指各个旋转关节的全驱动，提高了抓取的稳定性和自适应程度。通过对不同旋转关节的制动，可以实现通过指尖去完成抓取任务，使得该灵巧手可以抓取小体积的物品，适用范围更广。

2)该灵巧手采用模块化思想，即将手掌、拇指和其余四指分别作为单独的模块进行设计和装配，极大程度上简化了装配流程，提高了零件的可替换性，延长该灵巧手的使用寿命。

3)本发明装配小指时，小指伸直状态的指向与中指伸直状态的指向之间的夹角为25°；装配拇指时，拇指近指节相对于手掌的转动轴与小指伸直状态的指向相互平行，进一步扩大了手指的抓握范围。

4)手掌通过手掌隔板和手掌背板进行分层，使布线更为合理，防止腱绳打结，使手掌布局清晰，空间利用率有效提高；手掌面采用弧形曲面，提高了不规则物体的抓握能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的拇指的结构示意图；

图3为本发明的拇指的爆炸图；

图4为本发明的拇指远端旋转关节与拇指远指节的连接示意图；

图5为本发明的一号预紧连接块、一号预紧杆以及一号预紧螺母的结构示意图；

图6为本发明的食指的结构示意图；

图7为本发明的食指的爆炸图；

图8为本发明的食指沿三号阶梯轴轴向的剖视图；

图9为本发明的食指沿三号阶梯轴径向的剖视图；

图10为本发明的手掌的爆炸图；

图11为本发明的手掌基体的结构示意图；

图中：1、手掌；2、拇指；3、食指；

101、手掌基体；102、手掌隔板；103、手掌背板；1011、槽口；1012、方孔；1013、连接块；1014、凹槽；

201、拇指远指节；202、拇指中指节；203、拇指近指节；204、拇指远端旋转关节；205、拇指近端旋转关节；206、一号压力传感器；207、一号腱绳；208、一号弹性回复绳；

2011、拇指远指节左侧连接板；2012、拇指远指节右侧连接板；2021、拇指中指节左侧连接板；2022、拇指中指节右侧连接板；2023、拇指中指节后侧连接板；2024、一号预紧连接块；2025、一号预紧杆；2026、一号预紧螺母；2031、拇指近指节左侧连接板；2032、拇指近指节右侧连接板；2041、一号锁紧轮；2042、一号阶梯轴；2043、一号衔铁；2044、一号弹簧；2045、一号电磁铁；2051、二号锁紧轮；2052、二号阶梯轴；2053、二号衔铁；2054、二号弹簧；2055、二号电磁铁；

301、食指远指节；302、食指中指节；303、食指近指节；304、食指连接架；305、食指远端旋转关节；306、食指中间旋转关节；307、食指近端旋转关节；308、二号压力传感器；309、二号腱绳；310、二号弹性回复绳；

3011、食指远指节左侧连接板；3012、食指远指节右侧连接板；3021、食指中指节左侧连接板；3022、食指中指节右侧连接板；3023、食指中指节后侧连接板；3024、二号预紧连接块；3025、二号预紧杆；3026、二号预紧螺母；3031、食指近指节左侧连接板；3032、食指近指节右侧连接板；3033、食指近指节后侧连接板；3034、三号预紧连接块；3035、三号预紧杆；3036、三号预紧螺母；3041、食指左侧连接板；3042、食指右侧连接板；3051、三号锁紧轮；3052、三号阶梯轴；3053、三号衔铁；3054、三号弹簧；3055、三号电磁铁；3061、四号锁紧轮；3062、四号阶梯轴；3063、四号衔铁；3064、四号弹簧；3065、四号电磁铁；3071、五号锁紧轮；3072、五号阶梯轴；3073、五号衔铁；3074、五号弹簧；3075、五号电磁铁。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手(简称灵巧手，参见图1-11)，包括手掌1、拇指2、食指3、中指、无名指和小指；其中食指、中指、无名指和小指的结构相同；

其中拇指2包括拇指远指节201、拇指中指节202、拇指近指节203、拇指远端旋转关节204、拇指近端旋转关节205、一号腱绳207、一号弹性回复绳208和一号压力传感器206；所述拇指远指节201包括拇指远指节左侧连接板2011和拇指远指节右侧连接板2012；所述拇指中指节202包括拇指中指节左侧连接板2021、拇指中指节右侧连接板2022、拇指中指节后侧连接板2023、一号预紧连接块2024、一号预紧杆2025和一号预紧螺母2026；所述拇指近指节203包括拇指近指节左侧连接板2031和拇指近指节右侧连接板2032；所述拇指远端旋转关节204包括一号锁紧轮2041、一号阶梯轴2042、一号衔铁2043、一号弹簧2044和一号电磁铁2045；所述拇指近端旋转关节205包括二号锁紧轮2051、二号阶梯轴2052、二号衔铁2053、二号弹簧2054和二号电磁铁2055；

所述拇指远指节左侧连接板2011的上部和拇指远指节右侧连接板2012的上部通过螺钉固连；拇指中指节左侧连接板2021和拇指中指节右侧连接板2022分别通过螺钉与拇指中指节后侧连接板2023的左、右两侧固连，拇指中指节后侧连接板2023上设有两个用于一号弹性回复绳208通过的通孔；拇指中指节左侧连接板2021的上、下部分别设有齿槽，分别用于安装一号锁紧轮2041和二号锁紧轮2051；

所述一号阶梯轴2042为一端开口的空心轴，一号衔铁2043固定在一号阶梯轴2042空心区域的底部；一号阶梯轴2042开口的端面上设有轴向环形凹槽，一号阶梯轴2042的外表面设有周向凹槽，周向凹槽用于放置一号腱绳207；一号阶梯轴2042的另一端分别穿过拇指远指节左侧连接板2011的下部和拇指中指节左侧连接板2021的上部与一号锁紧轮2041固连，一号锁紧轮2041正对拇指中指节左侧连接板2021上部的齿槽；拇指远指节左侧连接板2011能相对于一号阶梯轴2042转动，一号阶梯轴2042能轴向移动；初始位置(一号电磁铁2045不通电)时，一号锁紧轮2041不与拇指中指节左侧连接板2021上部的齿槽配合；一号电磁铁2045通电时，一号锁紧轮2041与拇指中指节左侧连接板2021上部的齿槽配合，实现拇指远指节201的制动；

所述二号阶梯轴2052为一端开口的空心轴，二号衔铁2053固定在二号阶梯轴2052空心区域的底部；二号阶梯轴2052开口的端面上设有轴向环形凹槽，二号阶梯轴2052的外表面设有周向凹槽，周向凹槽用于放置一号腱绳207；二号阶梯轴2052的不开口端分别穿过拇指近指节左侧连接板2031的上部和拇指中指节左侧连接板2021的下部与二号锁紧轮2051固连，二号锁紧轮2051正对拇指中指节左侧连接板2021下部的齿槽；拇指中指节左侧连接板2021能相对于二号阶梯轴2052转动，二号阶梯轴2052能轴向移动；初始位置(二号电磁铁2055不通电)时，二号锁紧轮2051不与拇指中指节左侧连接板2021下部的齿槽配合；二号电磁铁2055通电时，二号锁紧轮2051与拇指中指节左侧连接板2021下部的齿槽配合，实现拇指中指节202的制动；

所述拇指中指节右侧连接板2022的上、下部分别设有空心凸台，一号电磁铁2045嵌在上部的空心凸台内，二号电磁铁2055嵌在下部的空心凸台内，两个电磁铁分别通过螺钉与拇指中指节右侧连接板2022固连；拇指中指节右侧连接板2022上部的空心凸台穿过拇指远指节右侧连接板2012的下部，从一号阶梯轴2042的开口端伸入一号阶梯轴2042内，使一号电磁铁2045正对一号衔铁2043，拇指远指节右侧连接板2012能相对于拇指中指节右侧连接板2022上部的空心凸台转动；一号弹簧2044嵌在一号阶梯轴2042的轴向环形凹槽内，一端伸出一号阶梯轴2042外与拇指远指节右侧连接板2012接触；

所述拇指中指节右侧连接板2022下部的空心凸台穿过拇指近指节右侧连接板2032的上部，伸入二号阶梯轴2052内，使二号电磁铁2055正对二号衔铁2053，拇指中指节右侧连接板2022下部的空心凸台能相对于拇指近指节右侧连接板2032转动；二号弹簧2054嵌在二号阶梯轴2052的轴向环形凹槽内，二号弹簧2054的一端伸出二号阶梯轴2052外与拇指近指节右侧连接板2032接触；拇指近指节203的下部设有与二号阶梯轴2052空间垂直的销孔，销孔通过销轴与手掌1的槽口1011转动连接；拇指近指节203的下部竖直设有弧形的通孔，通孔包覆拇指近指节203的销孔；

所述一号预紧连接块2024的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与拇指中指节左侧连接板2021固连，右侧的端耳与拇指中指节右侧连接板2022固连；一号预紧杆2025由粗端和细端构成，细端上设有多个(本实施例为两个)用于一号腱绳207通过的弧形通孔，根据一号腱绳207的长短选择不同的弧形通孔；一号预紧杆2025的细端穿过一号预紧连接块2024的通孔，使细端上的弧形通孔位于一号预紧连接块2024外；一号预紧螺母2026与一号预紧连接块2024的通孔螺纹配合，一号预紧螺母2026顶着一号预紧杆2025的粗端，实现一号预紧杆2025的紧固和限位，进而实现一号腱绳207的预紧；

所述一号腱绳207的一端通过打结固定在拇指远指节201的内部，依次穿过拇指远指节201的通孔、放置于一号阶梯轴2042的周向凹槽内、穿过一号预紧杆2025上的弧形通孔、放置于二号阶梯轴2052的周向凹槽内、穿过拇指近指节203的通孔，一号腱绳207包覆在拇指近指节203与手掌1的槽口1011转动连接的销轴的外侧，实现拇指近指节203的转动；一号腱绳207的另一端与相应的外部电机固连，带动拇指转动；

所述一号弹性回复绳208的一端依次穿过拇指近指节左侧连接板2031的通孔、拇指中指节后侧连接板2023的一个通孔、拇指远指节左侧连接板2011的通孔、拇指远指节右侧连接板2012的通孔、拇指中指节后侧连接板2023的另一个通孔以及拇指近指节右侧连接板2032的通孔，拇指近指节左侧连接板2031的通孔和拇指近指节右侧连接板2032的通孔分别包覆在拇指近指节203的销孔的外侧；一号弹性回复绳208的一端通过打结与一号弹性回复绳208的另一端连接；一号弹性回复绳208使灵巧手在完成不同抓握动作后，拇指能够恢复到初始伸直状态，保障下一次抓握动作；

拇指远指节201的指尖处以及一号预紧连接块2024上分别设有一号压力传感器206，一号压力传感器206位于拇指靠近食指的一侧。

由于食指、中指、无名指和小指的结构相同，均设有三个指节，以食指为例进行说明；

其中食指3包括食指远指节301、食指中指节302、食指近指节303、食指连接架304、食指远端旋转关节305、食指中间旋转关节306、食指近端旋转关节307、二号腱绳309、二号弹性回复绳310和二号压力传感器308；

所述食指远指节301包括食指远指节左侧连接板3011和食指远指节右侧连接板3012；所述食指中指节302包括食指中指节左侧连接板3021、食指中指节右侧连接板3022、食指中指节后侧连接板3023、二号预紧连接块3024、二号预紧杆3025和二号预紧螺母3026；所述食指近指节303包括食指近指节左侧连接板3031、食指近指节右侧连接板3032、食指近指节后侧连接板3033、三号预紧连接块3034、三号预紧杆3035和三号预紧螺母3036；所述食指远端旋转关节305包括三号锁紧轮3051、三号阶梯轴3052、三号衔铁3053、三号弹簧3054和三号电磁铁3055；所述食指中间旋转关节306包括四号锁紧轮3061、四号阶梯轴3062、四号衔铁3063、四号弹簧3064和四号电磁铁3065；所述食指近端旋转关节307包括五号锁紧轮3071、五号阶梯轴3072、五号衔铁3073、五号弹簧3074和五号电磁铁3075；所述食指连接架304包括食指左侧连接板3041和食指右侧连接板3042；

所述食指远指节左侧连接板3011的上部和食指远指节右侧连接板3012的上部通过螺钉固连；食指中指节左侧连接板3021和食指中指节右侧连接板3022分别通过螺钉与食指中指节后侧连接板3023的左、右两侧固连，食指中指节左侧连接板3021的上部设有齿槽，用于安装三号锁紧轮3051；食指中指节后侧连接板3023上设有两个用于二号弹性回复绳310通过的通孔；食指近指节左侧连接板3031和食指近指节右侧连接板3032分别通过螺钉与食指近指节后侧连接板3033的左、右两侧固连，食指近指节左侧连接板3031的上、下部分别设有用于安装四号锁紧轮3061和五号锁紧轮3071的齿槽；食指近指节后侧连接板3033上设有两个用于二号弹性回复绳310通过的通孔；

所述三号阶梯轴3052为一端开口的空心轴，三号衔铁3053固定在三号阶梯轴3052空心区域的底部；三号阶梯轴3052开口的端面上设有轴向环形凹槽，三号阶梯轴3052的外表面设有周向凹槽，周向凹槽用于放置二号腱绳309；三号阶梯轴3052的不开口端分别穿过食指远指节左侧连接板3011的下部和食指中指节左侧连接板3021的上部与三号锁紧轮3051固连，三号锁紧轮3051正对食指中指节左侧连接板3021上部的齿槽；食指远指节左侧连接板3011能相对于三号阶梯轴3052转动，三号阶梯轴3052能轴向移动；初始位置(三号电磁铁3055不通电)时，三号锁紧轮3051不与食指中指节左侧连接板3021上部的齿槽配合；三号电磁铁3055通电时，三号锁紧轮3051与食指中指节左侧连接板3021上部的齿槽配合，实现食指远指节301的制动；

所述四号阶梯轴3062为一端开口的空心轴，四号衔铁3063固定在四号阶梯轴3062空心区域的底部；四号阶梯轴3062开口的端面上设有轴向环形凹槽，四号阶梯轴3062的外表面设有周向凹槽，周向凹槽用于放置二号腱绳309；四号阶梯轴3062的不开口端分别穿过食指中指节左侧连接板3021的下部和食指近指节左侧连接板3031的上部与四号锁紧轮3061固连，四号锁紧轮3061正对食指近指节左侧连接板3031上部的齿槽；食指中指节左侧连接板3021能相对于四号阶梯轴3062转动，四号阶梯轴3062能轴向移动；初始位置(四号电磁铁3065不通电)时四号锁紧轮3061不与食指近指节左侧连接板3031上部的齿槽配合；四号电磁铁3065通电时，四号锁紧轮3061与食指近指节左侧连接板3031上部的齿槽配合，实现食指中指节302的制动；

所述五号阶梯轴3072为一端开口的空心轴，五号衔铁3073固定在五号阶梯轴3072空心区域的底部；五号阶梯轴3072开口的端面上设有轴向环形凹槽，五号阶梯轴3072的外表面设有周向凹槽，周向凹槽用于放置二号腱绳309；五号阶梯轴3072的不开口端分别穿过食指左侧连接板3041的上部和食指近指节左侧连接板3031的下部与五号锁紧轮3071固连，五号锁紧轮3071正对食指近指节左侧连接板3031下部的齿槽；食指近指节左侧连接板3031能相对于五号阶梯轴3072转动，五号阶梯轴3072能轴向移动；初始位置(五号电磁铁3075不通电)时，五号锁紧轮3071不与食指近指节左侧连接板3031下部的齿槽配合；五号电磁铁3075通电时，五号锁紧轮3071与食指近指节左侧连接板3031下部的齿槽配合，实现食指近指节303的制动；

所述食指中指节右侧连接板3022的上部设有空心凸台，三号电磁铁3055嵌在该空心凸台内，通过螺钉与食指中指节右侧连接板3022固连，该空心凸台穿过食指远指节右侧连接板3012的下部，从三号阶梯轴3052的开口端伸入三号阶梯轴3052内，使三号电磁铁3055正对三号衔铁3053，食指远指节右侧连接板3012能相对于食指中指节右侧连接板3022的空心凸台转动；三号弹簧3054嵌在三号阶梯轴3052的轴向环形凹槽内，三号弹簧3054的一端伸出三号阶梯轴3052外与食指远指节右侧连接板3012接触；

所述食指近指节右侧连接板3032的上、下部分别设有空心凸台，四号电磁铁3065嵌在上部的空心凸台内，五号电磁铁3075嵌在下部的空心凸台内，两个电磁铁分别通过螺钉与食指近指节右侧连接板3032固连；食指近指节右侧连接板3032上部的空心凸台穿过食指中指节右侧连接板3022的下部，从四号阶梯轴3062的开口端伸入四号阶梯轴3062内，使四号电磁铁3065正对四号衔铁3063，食指中指节右侧连接板3022能相对于食指近指节右侧连接板3032上部的空心凸台转动；四号弹簧3064嵌在四号阶梯轴3062的轴向环形凹槽内，四号弹簧3064的一端伸出四号阶梯轴3062外与食指中指节右侧连接板3022接触；

所述食指近指节右侧连接板3032下部的空心凸台穿过食指右侧连接板3042的上部，从五号阶梯轴3072的开口端伸入五号阶梯轴3072内，使五号电磁铁3075正对五号衔铁3073，食指近指节右侧连接板3032下部的空心凸台能相对于食指右侧连接板3042转动；五号弹簧3074嵌在五号阶梯轴3072的轴向环形凹槽内，五号弹簧3074的一端伸出五号阶梯轴3072外与食指右侧连接板3042接触；食指左侧连接板3041的下部和食指右侧连接板3042的下部通过螺钉与手掌1的手掌基体101固连；

所述二号预紧连接块3024的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与食指中指节左侧连接板3021固连，右侧的端耳与食指中指节右侧连接板3022固连；二号预紧杆3025由粗端和细端构成，细端上设有多个(本实施例为两个)用于二号腱绳309通过的弧形通孔，根据二号腱绳309的长短选择不同的弧形通孔；二号预紧杆3025的细端穿过二号预紧连接块3024的通孔，使细端上的弧形通孔位于二号预紧连接块3024外；二号预紧螺母3026与二号预紧连接块3024的通孔螺纹配合，二号预紧螺母3026顶着二号预紧杆3025的粗端，实现二号预紧杆3025的紧固和限位，进而实现二号腱绳309的预紧；

所述三号预紧连接块3034的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与食指近指节左侧连接板3031固连，右侧的端耳与食指近指节右侧连接板3032固连；三号预紧杆3035由粗端和细端构成，细端上设有多个用于二号腱绳309通过的弧形通孔，根据二号腱绳309的长短选择不同的弧形通孔；三号预紧杆3035的细端穿过三号预紧连接块3034的通孔，使细端上的弧形通孔位于三号预紧连接块3034外；三号预紧螺母3036与三号预紧连接块3034的通孔螺纹配合，三号预紧螺母3036顶着三号预紧杆3035的粗端，实现三号预紧杆3035的紧固和限位，进而实现二号腱绳309的预紧；

所述二号腱绳309的一端通过打结固定在食指远指节301的内部，依次穿过食指远指节301的通孔、放置于三号阶梯轴3052的周向凹槽内、穿过二号预紧杆3025上的弧形通孔、放置于四号阶梯轴3062的周向凹槽内、穿过三号预紧杆3035上的弧形通孔、放置于五号阶梯轴3072的周向凹槽内，穿过食指连接架304的通孔，另一端与相应的外部电机固连，带动食指转动；

所述二号弹性回复绳310的一端依次穿过食指左侧连接板3041的通孔、食指近指节后侧连接板3033的一个通孔、食指中指节后侧连接板3023的一个通孔、食指远指节左侧连接板3011的通孔、食指远指节右侧连接板3012的通孔、食指中指节后侧连接板3023的另一个通孔、食指近指节后侧连接板3033的另一个通孔以及食指右侧连接板3042的通孔，通过打结与二号弹性回复绳310的另一端连接；

食指远指节301的指尖处、二号预紧连接块3024和三号预紧连接块3034上分别设有二号压力传感器308，二号压力传感器308位于食指指腹的一侧。

所述手掌1包括手掌基体101、手掌隔板102和手掌背板103；手掌基体101的侧面设有安装拇指2的槽口1011，拇指近指节203的下部插入槽口1011内，通过销轴与手掌1转动连接；手掌基体101的上部设有分别用于安装其余四个手指的方孔1012，食指左侧连接板3041的下部和食指右侧连接板3042的下部插入相应的方孔1012中，与手掌基体101固连；手掌基体101的下部设有与手臂连接的连接块1013；手掌基体101的手心面为弧形曲面，方便抓握物体；手掌基体101的手背面上开有凹槽1014，凹槽1014内设有凸台，手掌隔板102位于凹槽1014内，通过螺钉固定在凸台上；手掌背板103通过螺钉固定手掌隔板102上，手掌背板103与手掌隔板102之间存在空腔，用于布线。

所述拇指近指节203的下部通过销轴与手掌1转动连接，销轴分别与一号阶梯轴2042和二号阶梯轴2052在空间中垂直(垂直但不相交，异面垂直)，使拇指近指节203向手心方向转动，拇指远指节201和拇指中指节202分别向靠近食指的方向转动。

综合考虑人手在实际抓握物体时，小指主要用于保持抓握稳定性和扩大抓取范围，安装时小指的指向与拇指近指节203与手掌1连接的销轴平行，小指伸直状态的指向与中指伸直状态的指向之间的夹角为25°，进一步促进拇指与小指的在抓握过程中的协调配合。

本发明的工作原理和工作流程是：

由于每个手指的工作原理相同，以拇指为例进行说明；

在外部电机的驱动下，一号腱绳207带动拇指远端旋转关节204和拇指近端旋转关节205转动，使拇指弯曲产生抓握的动作，一号弹性回复绳208被拉伸，此时一号电磁铁2045和二号电磁铁2055均处于断电状态，一号锁紧轮2041和二号锁紧轮2051与各自的齿槽不配合，一号弹簧2044和二号弹簧2054均处于自然状态；当需要拇指远端旋转关节204制动时，一号电磁铁2045通电吸住一号衔铁2043，使一号阶梯轴2042轴向移动，一号锁紧轮2041位于拇指中指节左侧连接板2021上部的齿槽内，限制拇指远指节左侧连接板2011与一号阶梯轴2042的相对转动，使拇指远指节201与拇指中指节202的相对固定，以实现拇指的抓握，此时拇指远指节右侧连接板2012压缩一号弹簧2044；在抓握完成以后，一号电磁铁2045断电，一号阶梯轴2042在一号弹簧2044的弹力作用下反向移动，使一号锁紧轮2041与相应的齿槽脱离配合，拇指远指节201与拇指中指节202能相对转动；此时外部电机反转，一号腱绳207放松，一号弹性回复绳208在弹力作用下使拇指恢复伸直状态。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，包括手掌和五个手指；其中拇指包括拇指远指节、拇指中指节、拇指近指节、拇指远端旋转关节、拇指近端旋转关节、一号腱绳、一号弹性回复绳和一号压力传感器；所述拇指远指节包括拇指远指节左侧连接板和拇指远指节右侧连接板；所述拇指中指节包括拇指中指节左侧连接板、拇指中指节右侧连接板、拇指中指节后侧连接板、一号预紧连接块、一号预紧杆和一号预紧螺母；所述拇指近指节包括拇指近指节左侧连接板和拇指近指节右侧连接板；所述拇指远端旋转关节包括一号锁紧轮、一号阶梯轴、一号衔铁、一号弹簧和一号电磁铁；所述拇指近端旋转关节包括二号锁紧轮、二号阶梯轴、二号衔铁、二号弹簧和二号电磁铁；

所述拇指远指节左侧连接板的上部和拇指远指节右侧连接板的上部固连；拇指中指节左侧连接板和拇指中指节右侧连接板与拇指中指节后侧连接板的左、右两侧固连；拇指中指节左侧连接板的上、下部分别设有齿槽；

所述一号阶梯轴为一端开口的空心轴，一号衔铁固定在一号阶梯轴空心区域的底部；一号阶梯轴的不开口端分别穿过拇指远指节左侧连接板的下部和拇指中指节左侧连接板的上部与一号锁紧轮固连，一号锁紧轮正对拇指中指节左侧连接板上部的齿槽；拇指远指节左侧连接板能相对于一号阶梯轴转动，一号阶梯轴能轴向移动；

所述二号阶梯轴为一端开口的空心轴，二号衔铁固定在二号阶梯轴空心区域的底部；二号阶梯轴的不开口端分别穿过拇指近指节左侧连接板的上部和拇指中指节左侧连接板的下部与二号锁紧轮固连，二号锁紧轮正对拇指中指节左侧连接板下部的齿槽；拇指中指节左侧连接板能相对于二号阶梯轴转动，二号阶梯轴能轴向移动；

所述拇指中指节右侧连接板的上、下部分别设有空心凸台，一号电磁铁嵌在上部的空心凸台内，二号电磁铁嵌在下部的空心凸台内，两个电磁铁分别与拇指中指节右侧连接板固连；拇指中指节右侧连接板上部的空心凸台穿过拇指远指节右侧连接板的下部，伸入一号阶梯轴内，使一号电磁铁正对一号衔铁，拇指远指节右侧连接板能相对于拇指中指节右侧连接板上部的空心凸台转动；一号弹簧嵌在一号阶梯轴的侧壁内，一号弹簧的一端伸出一号阶梯轴外与拇指远指节右侧连接板接触；

所述拇指中指节右侧连接板下部的空心凸台穿过拇指近指节右侧连接板的上部，伸入二号阶梯轴内，使二号电磁铁正对二号衔铁，拇指中指节右侧连接板下部的空心凸台能相对于拇指近指节右侧连接板转动；二号弹簧嵌在二号阶梯轴的侧壁内，二号弹簧的一端伸出二号阶梯轴外与拇指近指节右侧连接板接触；拇指近指节的下部与手掌转动连接；

所述一号预紧连接块的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与拇指中指节左侧连接板固连，右侧的端耳与拇指中指节右侧连接板固连；一号预紧杆的细端穿过一号预紧连接块的通孔，伸出一号预紧连接块外；一号预紧螺母与一号预紧连接块的通孔配合，一号预紧螺母顶着一号预紧杆的粗端；

所述一号腱绳的一端通过打结固定在拇指远指节的内部，依次穿过拇指远指节、放置于一号阶梯轴的外表面上、穿过一号预紧杆、放置于二号阶梯轴的外表面上、穿过拇指近指节，另一端与相应的外部电机固连；

所述一号弹性回复绳的一端依次穿过拇指近指节左侧连接板的通孔、拇指中指节后侧连接板的一个通孔、拇指远指节左侧连接板的通孔、拇指远指节右侧连接板的通孔、拇指中指节后侧连接板的另一个通孔以及拇指近指节右侧连接板的通孔，通过打结与一号弹性回复绳的另一端连接；

拇指远指节的指尖处以及一号预紧连接块上分别设有一号压力传感器，一号压力传感器位于拇指靠近食指的一侧。

2.根据权利要求1所述的基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，其特征在于，一号阶梯轴开口的端面上设有安装一号弹簧的轴向环形凹槽，二号阶梯轴开口的端面上设有安装二号弹簧的轴向环形凹槽；一号阶梯轴和二号阶梯轴的外表面分别设有周向凹槽，用于放置一号腱绳。

3.根据权利要求1所述的基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，其特征在于，所述拇指近指节的下部通过销轴与手掌转动连接，销轴分别与一号阶梯轴和二号阶梯轴在空间中垂直，使拇指近指节向手心方向转动，拇指远指节和拇指中指节分别向靠近食指的方向转动。

4.根据权利要求1所述的基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，其特征在于，灵巧手的食指、中指、无名指和小指的结构相同，均设有三个指节；其中食指包括食指远指节、食指中指节、食指近指节、食指连接架、食指远端旋转关节、食指中间旋转关节、食指近端旋转关节、二号腱绳、二号弹性回复绳和二号压力传感器；

所述食指远指节包括食指远指节左侧连接板和食指远指节右侧连接板；所述食指中指节包括食指中指节左侧连接板、食指中指节右侧连接板、食指中指节后侧连接板、二号预紧连接块、二号预紧杆和二号预紧螺母；所述食指近指节包括食指近指节左侧连接板、食指近指节右侧连接板、食指近指节后侧连接板、三号预紧连接块、三号预紧杆和三号预紧螺母；所述食指远端旋转关节包括三号锁紧轮、三号阶梯轴、三号衔铁、三号弹簧和三号电磁铁；所述食指中间旋转关节包括四号锁紧轮、四号阶梯轴、四号衔铁、四号弹簧和四号电磁铁；所述食指近端旋转关节包括五号锁紧轮、五号阶梯轴、五号衔铁、五号弹簧和五号电磁铁；所述食指连接架包括食指左侧连接板和食指右侧连接板；

所述食指远指节左侧连接板的上部和食指远指节右侧连接板的上部固连；食指中指节左侧连接板和食指中指节右侧连接板与食指中指节后侧连接板的左、右两侧固连，食指中指节左侧连接板的上部设有齿槽；食指近指节左侧连接板和食指近指节右侧连接板与食指近指节后侧连接板的左、右两侧固连，食指近指节左侧连接板的上、下部分别设有齿槽；

所述三号阶梯轴为一端开口的空心轴，三号衔铁固定在三号阶梯轴空心区域的底部；三号阶梯轴的不开口端分别穿过食指远指节左侧连接板的下部和食指中指节左侧连接板的上部与三号锁紧轮固连，三号锁紧轮正对食指中指节左侧连接板上部的齿槽；食指远指节左侧连接板能相对于三号阶梯轴转动，三号阶梯轴能轴向移动；

所述四号阶梯轴为一端开口的空心轴，四号衔铁固定在四号阶梯轴空心区域的底部；四号阶梯轴的不开口端分别穿过食指中指节左侧连接板的下部和食指近指节左侧连接板的上部与四号锁紧轮固连，四号锁紧轮正对食指近指节左侧连接板上部的齿槽；食指中指节左侧连接板能相对于四号阶梯轴转动，四号阶梯轴能轴向移动；

所述五号阶梯轴为一端开口的空心轴，五号衔铁固定在五号阶梯轴空心区域的底部；五号阶梯轴的不开口端分别穿过食指左侧连接板的上部和食指近指节左侧连接板的下部与五号锁紧轮固连，五号锁紧轮正对食指近指节左侧连接板下部的齿槽；食指近指节左侧连接板能相对于五号阶梯轴转动，五号阶梯轴能轴向移动；

所述食指中指节右侧连接板的上部设有空心凸台，三号电磁铁嵌在该空心凸台内，与食指中指节右侧连接板固连，该空心凸台穿过食指远指节右侧连接板的下部，伸入三号阶梯轴内，使三号电磁铁正对三号衔铁，食指远指节右侧连接板能相对于食指中指节右侧连接板的空心凸台转动；三号弹簧嵌在三号阶梯轴的侧壁内，三号弹簧的一端伸出三号阶梯轴外与食指远指节右侧连接板接触；

所述食指近指节右侧连接板的上、下部分别设有空心凸台，四号电磁铁嵌在上部的空心凸台内，五号电磁铁嵌在下部的空心凸台内，两个电磁铁分别与食指近指节右侧连接板固连；食指近指节右侧连接板上部的空心凸台穿过食指中指节右侧连接板的下部，伸入四号阶梯轴内，使四号电磁铁正对四号衔铁，食指中指节右侧连接板能相对于食指近指节右侧连接板上部的空心凸台转动；四号弹簧嵌在四号阶梯轴的侧壁内，四号弹簧的一端伸出四号阶梯轴外与食指中指节右侧连接板接触；

所述食指近指节右侧连接板下部的空心凸台穿过食指右侧连接板的上部，伸入五号阶梯轴内，使五号电磁铁正对五号衔铁，食指近指节右侧连接板下部的空心凸台能相对于食指右侧连接板转动；五号弹簧嵌在五号阶梯轴的侧壁内，五号弹簧的一端伸出五号阶梯轴外与食指右侧连接板接触；食指左侧连接板的下部和食指右侧连接板的下部与手掌基体固连；

所述二号预紧连接块的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与食指中指节左侧连接板固连，右侧的端耳与食指中指节右侧连接板固连；二号预紧杆的细端穿过二号预紧连接块的通孔，使细端位于二号预紧连接块外；二号预紧螺母与二号预紧连接块的通孔配合，二号预紧螺母顶着二号预紧杆的粗端；

所述三号预紧连接块的中部设有通孔，左、右两侧分别设有端耳，左侧的端耳与食指近指节左侧连接板固连，右侧的端耳与食指近指节右侧连接板固连；三号预紧杆的细端穿过三号预紧连接块的通孔，使细端位于三号预紧连接块外；三号预紧螺母与三号预紧连接块的通孔配合，三号预紧螺母顶着三号预紧杆的粗端；

所述二号腱绳的一端通过打结固定在食指远指节的内部，依次穿过食指远指节、放置于三号阶梯轴的外表面上、穿过二号预紧杆、放置于四号阶梯轴的外表面、穿过三号预紧杆、放置于五号阶梯轴的外表面上，穿过食指连接架，另一端与相应的外部电机固连；

所述二号弹性回复绳的一端依次穿过食指左侧连接板的通孔、食指近指节后侧连接板的一个通孔、食指中指节后侧连接板的一个通孔、食指远指节左侧连接板的通孔、食指远指节右侧连接板的通孔、食指中指节后侧连接板的另一个通孔、食指近指节后侧连接板的另一个通孔以及食指右侧连接板的通孔，通过打结与二号弹性回复绳的另一端连接；

食指远指节的指尖处、二号预紧连接块和三号预紧连接块上分别设有二号压力传感器，二号压力传感器位于食指指腹的一侧。

5.根据权利要求4所述的基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，其特征在于，三号阶梯轴开口的端面上设有安装三号弹簧的轴向环形凹槽，四号阶梯轴开口的端面上设有安装四号弹簧的轴向环形凹槽，五号阶梯轴开口的端面上设有安装五号弹簧的轴向环形凹槽；三号阶梯轴、四号阶梯轴以及五号阶梯轴的外表面分别设有周向凹槽，用于放置二号腱绳。

6.根据权利要求1或4所述的基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，其特征在于，安装时小指的指向与拇指近指节与手掌转动连接的连接轴平行；小指伸直状态的指向与中指伸直状态的指向之间的夹角为25°。

7.根据权利要求1所述的基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，其特征在于，所述手掌包括手掌基体、手掌隔板和手掌背板；手掌基体的侧面设有安装拇指的槽口，手掌基体的上部设有分别用于安装其余四个手指的方孔；手掌基体的下部设有与手臂连接的连接块；手掌基体的手心面为弧形曲面，手掌基体的手背面上开有凹槽，凹槽内设有凸台，手掌隔板位于凹槽内且固定在凸台上；手掌背板固定手掌隔板上，手掌背板与手掌隔板之间存在空腔，用于布线。

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