CN111421566A - 一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构及其操作方法。本发明公开了一种三关节皮带式欠驱动机械手指结构及其操作方法，包括欠驱动结构的三关节手指机构，三个三关节手指机构呈120°均布在上底座上形成手掌执行器件，上底座下方设置有下底座，下底座内设置有步进电机，步进电机通过联轴器与蜗杆的一端连接，蜗杆的另一端与上底座连接，蜗杆与每个三关节手指机构内设置的蜗轮配合转动，将动力通过和涡轮同步转动的同步带轮传到三关节手指机构上实现对待抓取物体的抓放。本发明结构简单，增大了传动比，增加了传递的扭矩；提高了转动的精度，更易于控制。

Description

一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构及其操作方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构及其操作方法。

背景技术

机器人是自动执行工作的机器装置。随着中国由机械制造大国向机械制造强国的挺进，以及生产自动化、智能化的发展，特别是随着中国劳动力生产成本的增加，由机代人的时代即将到来。我国在机器人的制造和装机台数已占世界的百分之四十多。工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，它能自动执行工作，靠自身动力和控制能力来实现各种功能。机器人的末端执行器是机器人抓取、夹紧、提升物体的关键部件。其适应性和灵活性至关重要。

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。但是，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开发成本。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。因此，研究一款基于欠驱动原理设计的结构简单、制造容易的机械手是很有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构及其操作方法，能与被抓物体柔性接触，自动适应被抓物体的外表形状，进而实现无损且可靠的抓取。

本发明采用以下技术方案：

一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构，包括欠驱动结构的三关节手指机构，三个三关节手指机构呈120°均布在上底座上形成手掌执行器件，上底座下方设置有下底座，下底座内设置有步进电机，步进电机通过联轴器与蜗杆的一端连接，蜗杆的另一端与上底座连接，蜗杆与每个三关节手指机构内设置的蜗轮配合转动，将动力通过和蜗轮同轴转动的同步带轮传到三关节手指机构上实现对待抓取物体的抓放。

具体的，三关节手指机构包括第一指节、第二指节、第三指节和基指节，蜗轮设置在基指节内，基指节和第三指节之间设置第三关节轴，第三指节和第二指节之间设置第二关节轴，第二指节和第一指节之间设置第一关节轴，在三个关节轴处与摩擦解耦装置连接。

进一步的，蜗轮通过传动轴设置在基指节上，三个摩擦解耦装置通过关节轴分别设置在基指节、第三指节和第二指节上，蜗轮通过传动轴与主同步轮连接，每个关节轴上均设置有同步带轮，主同步轮与相邻的同步带轮，以及剩余同步带轮之间均通过同步带连接，构成同步带传动。

进一步的，第一指节相对于第二指节转动的角度为为0～90°，第二指节相对于三指节的转动角度为0～90°，第三指节相对于基指节转动角度为0～180°。

进一步的，摩擦解耦装置包括壳体，壳体上设置有第二轴套，第二轴套内设置有关节轴，关节轴上连接有第一摩擦片，第一摩擦片能够在关节轴上左右滑动，另一壳体上连接有第二摩擦片，第一摩擦片和第二摩擦片压紧产生摩擦阻尼，限制两指节间转动。

更进一步的，壳体上设置有调节螺钉，调节螺钉与弹簧的一端连接，弹簧的另一端通过滚珠与第一摩擦片连接。

进一步的，三关节手指机构具有三个自由度，且在一个驱动器的情况下，存在两个欠驱动。

具体的，待抓取物体为直径不超过100mm的球体，或外形尺寸不超过100mm的各种异形不规则物体。

本发明的另一个技术方案是，一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构的操作方法，三关节手指机构包括依次连接的第一指节、第二指节、第三指节和基指节，每个三关节手指机构具有三个自由度，步进电机通过蜗轮蜗杆将运动和动力同时传到三个三关节手指机构上驱动三个三关节手指机构的开合；

三个三关节手指的运动也是欠驱动；步进电机驱动蜗轮蜗杆转动，蜗轮带动与其一同固定于传动轴上的主同步轮转动，经过同步带传动带动基指节上的关节轴转动，关节轴通过花键连接基指节上摩擦解耦装置中的第一摩擦片，通过第一摩擦片和第二摩擦片之间摩擦力带动第三指节、第二指节、第一指节作为一个整体绕基指节中的关节轴转动；

当第三指节碰到待抓取物体时第三指节停止运动，当步进电机继续转动时，驱动力使第三指节上摩擦解耦装置中的第一摩擦片和第二摩擦片相对转动，第二指节和第一指节作为一个整体开始运动，直到第二指节接触待抓取物体停止运动；

步进电机继续转动，驱动力使第二指节上摩擦解耦装置中的第一摩擦片和第二摩擦片相对转动时，第一指节开始运动，然后第一指节接触待抓取物体，完成整个包络抓取过程。

具体的，当第三指节没有接触待抓取物体时，第三指节与基座的转动自由度是工作自由度，第二指节和第一指节的转动自由度被摩擦耦合装置约束，整个手指绕基座转动，直到第三指节接触待抓取物体；

当第三指节接触待抓取物体之后，受到接触封闭力的约束作用，第三指节的自由度被约束掉变成条件自由度，第二指节的转动自由度被释放，变成工作自由度，机构自由度仍为1，三关节手指机构按确定的运动规律工作，直到第二指节接触待抓取物体；

当第二指节接触待抓取物体后，该关节自由度也被约束掉，也变成条件自由度，步进电机继续运动时，释放第一指节的自由度，直到第一指节接触待抓取物体并完成包络抓取动作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构，以带传动作为欠驱动机构，整个结构设计紧凑。合理使用一蜗杆带动三个蜗轮方式，并作为三手指的动力输入端；同步带作为驱动结构使传动比更加准确，且增加了转矩。

进一步的，手指的结构中设置有可调节的解耦装置，解耦装置提供了驱动手指转动的预紧力，同时，可根据实际需求拧紧或拧松解耦装置上的调节螺钉调节预紧力以满足抓取不同物体时的握紧力。

进一步的，靠近基关节的指节能够转动180°的范围，能够满足对更大体积的物体的抓取；同时，其他两个指节转动范围为90°，能够在抓取物体时，更大范围的包络物体。

进一步的，解耦装置主要由螺钉、弹簧、滚珠、摩擦片组成，结构简单。通过螺钉调节弹簧的弹力，就可以来改变摩擦解耦装置的预紧力。

进一步的，三关节手指机构具有三个自由度，在只有一个驱动器的情况下，存在2个欠驱动度。在其具有的多自由度中，只有一个输入运动，在工作时保持一个自由度，即工作自由度，其他自由度均为条件自由度，即在工作之前就被约束掉了。

进一步的，三个手指也只有一个输入运动，也是三自由度的欠驱动。当没有接触到物体时，三个手指可以同时转动。当一个手指接触到物体时，其余两个手指可以继续转动。当两个手指接触到物体时，另一手指可以继续转动，直到三个手指都接触到物体。接着三个手指的指节转动，这样就可以包络各种不同形状的物体。

进一步的，由于机械手的指节设置有一定的转动范围，为了能够更好地抓取物体，给机械手抓取的物体形状尺寸的限制。这样做是为了更好地适应机械手的结构，合理利用机械手。

一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构的操作方法，采用一个步进电机，通过一个蜗杆能够将动力传递给三个蜗轮，随即可以将动力传递给三个三关节手指。在抓取的过程中，驱动力不断增大，由于解耦装置的设置，驱动力会依次克服基关节，第三指节，第二指节，第一指节之间的预紧摩擦力，使其可以按顺序发生转动，实现抓取物体的动作。

进一步的，第三指节没有接触物体时，该指节与基座的转动自由度是工作自由度，其他两个指节的转动自由度被摩擦耦合装置约束，整个手指绕基座转动，直到第三指节接触物体。第三指节接触物体之后，受到接触封闭力的约束作用，第三指节的自由度被约束掉了，变成条件自由度，而第二指节的转动自由度则在不断增大的驱动力作用下被释放，变成工作自由度，机构自由度仍为1，手指机构按确定的运动规律工作，直到第二指节接触物体。当第二指节接触物体之后，该关节自由度也被约束掉，也变成条件自由度，继续增大驱动力，释放第一指节的自由度，直到第一指节接触物体，稳定的抓取物体，完成包络抓取动作。

综上所述，本发明在所能抓取的物体上有一定的限制，但是可以更合理地发挥机械手的作用。采用解耦装置实现欠驱动的原理，满足了设计的要求，且解耦装置结构简单。同时，传动机构选用蜗轮蜗杆的传动方式，增大了传动比，增加了传递的扭矩；手指转动的驱动机构选用同步带传动，提高了转动的精度，更易于控制。不仅满足了实际情况的需要，还在机械手结构的设计中提出了新的设计理念和设计方式。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明底座装配图；

图3为本发明驱动方案示意图；

图4为本发明手指传动方案示意图；

图5为本发明摩擦解耦装置；

图6为本发明机械手手指包络抓取图；

图7为本发明机械手手指装配图。

其中：1.三关节手指机构；2.上底座；3.下底座；4.联轴器；5.蜗杆；6.蜗轮；7.步进电机；8.同步带轮；9.传动轴；10.关节轴；10-1第一关节轴；10-2第二关节轴；10-3第三关节轴；11.摩擦解耦装置；11-1.壳体；11-4.调节螺钉；11-5.弹簧；11-6.滚珠；11-7.第一摩擦片；11-8.第二摩擦片；12.同步带；1-1.第一指节；1-2.第二指节；1-3.第三指节；1-4.基指节；1-5.第一轴套；1-6.第二轴套；13.主同步轮；14.待抓取物体。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构，应用同步带传动实现三个关节连动形成一个三关节手指机构1，三个三关节手指机构1形成一个手掌的执行器件。其中，每个三关节手指机构1都是欠驱动、三个三关节手指机构1彼此之间也是欠驱动。三个三关节手指机构1按120°均匀分布，分别由上底座2和下底座3固定。设计的三关节手指机构1能够捏取或抓住待抓取物体14，待抓取物体14为直径不超过100mm的球形轻质物体，或外形尺寸不超过100mm的异形不规则轻质物体。

请参阅图2和图3，下底座3经联轴器4和蜗杆5与上底座2连接，三个三关节手指机构1按120°均匀分布在上底座2上，上底座2的支撑面可以增加对物体的约束，同时固定三关节手指机构1和蜗轮6，下底座3可以作为三关节手指机构1、步进电机7及连接筒安装的基体。

主要考虑底座的定位和支撑，驱动机构的布置。上底座2根据三关节手指机构1的分布形式设计出固定手指所需螺钉的安装凸耳，中心有蜗杆轴套安装孔，下底座3有电机螺钉安装通孔、三关节手指机构1固定螺钉安装通孔以及连接筒安装螺纹孔，同时上底座2和下底座3之间有较大的空间，用于安装联轴器4、蜗杆5及三关节手指机构1的基指节1-4。驱动传动机构包括步进电机7、联轴器4、蜗杆5和蜗轮6；步进电机7通过联轴器4与蜗杆5连接，蜗杆5的一端与联轴器4相连，另一端通过轴套与上底座2相连。蜗轮6固定在三关节手指机构1的基节1-4的蜗轮轴上。

请参阅图3，机械手驱动机构具体工作原理为：

步进电机7通过联轴器4带动蜗杆5旋转，蜗杆5与蜗轮6啮合转动，将动力通过和蜗轮同轴转动的主同步带轮13传递到三关节手指机构1上。

本发明选用步进电机，步进电机7可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，这样可以省去电机的加减速机构，简化系统结构。步进电机7输出同时采用了蜗轮蜗杆机构来减速，该机构的特点是电机输出轴通过联轴器直接与蜗杆连接，一根蜗杆同时与三个蜗轮配合形成螺旋传动副，从而将步进电机7的转动同时转化成三个蜗轮的转动，具有良好的减速效果，减速比可达15：1，然后通过蜗轮带动蜗轮轴旋转，进而驱动三个三关节手指机构1的开合运动。

步进电机7的正反转由步进电机驱动器的方向信号控制，当步进电机7正转时，蜗轮6向里旋转，通过主同步带轮13传动，三个三关节手指机构1向里闭合抓取待抓取物体14；当步进电机7反转时，蜗轮6向外旋转，三个三关节手指机构松开待抓取物体14。

请参阅图4，蜗轮6固定在传动轴9上，位于三关节手指机构1的基指节1-4处，通过三套同步带轮8和同步带12构成的同步带传动，驱动三关节手指机构1的第三指节1-3的第三关节轴10-3、第二指节1-2的第二关节轴10-2和第一指节1-3的第一关节轴10-1转动。第一关了轴10-1、第二关节轴10-2、第三关节轴10-3上都连接有摩擦解耦装置11。第一关节轴10-1上装有一个同步带轮，第二关节轴10-2上装有两个同步带轮，第三关节轴10-3上装有两个同步带轮。本发明整体利用同步带轮8和同步带12构成同步带传动，配合摩擦解耦装置11进行传动和控制，结构简单、可靠，成本低，外形与人的手指相似，实现机械手采用一个驱动器驱动三关节手指机构转动关节，需要较低的控制系统要求，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。带轮传动方案中的传动件采用同步齿形带，主动轮和从动轮采用同步带轮，传动件、主动轮和从动轮三者之间配合形成传动关系。

请参阅图5，带传动方案中的摩擦解耦装置11包括壳体11-1、第二轴套1-6、关节轴10、调节螺钉11-4、弹簧11-5、滚珠11-6、第一摩擦片11-7、第二摩擦片11-8和同步带轮8；第二轴套1-6设置在壳体11-1上，关节轴10设置在第二轴套1-6内，壳体11-1上设置有调节螺钉11-4，调节螺钉11-4与弹簧11-5的一端连接，弹簧11-5的另一端通过滚珠11-6与第一摩擦片11-7连接，第一摩擦片11-7通过花键与关节轴10相连，可以在关节轴10上左右滑动；第二摩擦片11-8通过螺钉与另一壳体11-1相连，当调节螺钉11-4压紧弹簧11-5和滚珠11-6时，第一摩擦片11-7和第二摩擦片11-8压紧产生摩擦阻尼，限制两指节间转动。

摩擦解耦装置11可以在三关节手指机构1的关节处提供摩擦阻尼，三关节手指机构1关节处的阻尼约束了欠驱动机构的一部分冗余的自由度，使得三关节手指机构1运动时，第一指节、第二指节、第三指节在摩擦阻尼作用下作为一个整体同时绕基指节关节轴转动，当第三指节1-3接触到待抓取物体14后，待抓取物体14对第三指节1-3阻抗力大于摩擦阻尼力，摩擦解耦装置11中的第一摩擦片11-7和第二摩擦片11-8相对滑动，第三指节1-3停止运动，第一指节1-1及第二指节1-2作为一个整体，在同步齿形带传动作用下相对于第三指节1-3继续转动，原理同上，直到第一指节1-1接触待抓取物体14停止运动。通过调节壳体11-1中调节螺钉11-4压紧弹簧11-5和滚珠11-6的程度，可以为第一摩擦片11-7和第二摩擦片11-8提供大小不同的摩擦阻尼，进而调节机械手手指的抓取力。

请参阅图6和图7，三关节手指机构1包括第一指节1-1、第二指节1-2、第三指节1-3、基指节1-4、第一摩擦片11-7、第二摩擦片11-8、一副第一轴套1-5、三副第二轴套1-6、一个主同步轮13、三个同步带轮8、同步带12、一个传动轴9、三个关节轴10-1、10-2、10-3和蜗轮6。

蜗轮6通过传动轴9设置在基指节1-4的第一轴套1-5内，并与主同步轮13连接，基指节1-4的端部通过一个摩擦解耦装置11连接第三指节1-3，第三指节1-3的端部通过一个摩擦解耦装置11连接第二指节1-2，第二指节1-2的端部通过一个摩擦解耦装置11连接第一指节1-1；每个摩擦解耦装置11上均设置有同步带轮8，主同步轮13通过同步带12依次连接三个同步带轮8，三个摩擦解耦装置11分别通过关节轴10设置在基指节1-4、第三指节1-3和第二指节1-2的第二轴套1-6内；第一指节1-1转动角度范围为0～90°、第二指节1-2转动角度范围为0～90°，第三指节1-3转动角度范围为0～180°。

三关节手指机构1具有三个自由度，在只有一个驱动器的情况下，存在2个欠驱动度。在其具有的多自由度中，只有一个为驱动自由度，在工作时保持一个自由度，即工作自由度，其他自由度均为条件自由度，即在工作之前就被约束掉了。

第三指节1-3没有接触待抓取物体14时，该指节与基指节的转动自由度是工作自由度，其他2个指节的转动自由度被摩擦耦合装置约束，整个手指绕基指节转动，直到第三指节1-3接触待抓取物体14。

第三指节1-3接触待抓取物体14之后，受到接触封闭力的约束作用，第三指节1-3的自由度被约束掉了，变成条件自由度，而第二指节1-2的转动自由度则在不断增大的驱动力作用下被释放，变成工作自由度，机构自由度仍为1。三关节手指机构1按确定的运动规律工作，直到第二指节1-2接触待抓取物体14。

当第二指节1-2接触待抓取物体14之后，该关节自由度也被约束掉，也变成条件自由度，继续增大驱动力，释放第一指节1-1的自由度，直到第一指节1-1接触待抓取物体14，稳定的抓取待抓取物体14，完成包络抓取动作。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图7，本发明一种三关节皮带式欠驱动机械手指结构的抓取过程如下：

三关节手指机构1的中间放置一个待抓取物体14，三关节手指机构1抓取待抓取物体14。

三关节手指机构1的每个手指有3个自由度，三个手指具有9个自由度，手爪的驱动组件为步进电机7，步进电机7通过蜗轮蜗杆将运动和动力同时传到三个手指上驱动三个手指的开合。

步进电机7驱动蜗轮蜗杆转动，蜗轮6带动与其一同固定于传动轴9上的主同步轮13转动，经过同步齿形带传动带动基指节1-4的关节轴10-3转动，此时与关节轴10-3通过花键连接的第一摩擦片11-7通过摩擦阻尼力带动第三指节1-3绕基指节1-4中的关节轴10-3转动；

当第三指节1-3碰到待抓取物体14时该指节停止运动，然后驱动力不断增大，当驱动力增大到能使第一摩擦片11-7和第二摩擦片11-8开始相对转动时，第二指节1-2开始运动，直到第二指节1-2接触待抓取物体14停止运动；

驱动力继续增大使第二个摩擦解耦装置11中的第一摩擦片11-7和第二摩擦片11-8开始相对转动时，第一指节1-1开始运动，然后第一指节1-1接触待抓取物体14，完成整个包络抓取过程。

在机械手抓取物体过程中对物体形状具有很强的自适应能力，能保证对不同几何形状物体的可靠有效抓取。

三个关节之间的欠驱动依靠同步齿形带传动和摩擦解耦装置11，依靠摩擦解耦装置11还可以实现三个手指之间的欠驱动，当一个手指接触物体停止运动之后，其上的三个摩擦解耦装置中的两个摩擦片都开始相对转动，同步带轮仍然可以继续旋转，只要继续增大驱动力矩，其他两个手指还可以继续运动。这样就实现三个手指之间也是欠驱动的关系。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，包括欠驱动结构的三关节手指机构(1)，三个三关节手指机构(1)呈120°均布在上底座(2)上形成手掌执行器件，上底座(2)下方设置有下底座(3)，下底座(3)内设置有步进电机(7)，步进电机(7)通过联轴器(4)与蜗杆(5)的一端连接，蜗杆(5)的另一端与上底座(2)连接，蜗杆(5)与每个三关节手指机构(1)内设置的蜗轮(6)配合转动，将动力通过和蜗轮同轴转动的同步带轮(8)传到三关节手指机构(1)上实现对待抓取物体(14)的抓放。

2.根据权利要求1所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，三关节手指机构(1)包括第一指节(1-1)、第二指节(1-2)、第三指节(1-3)和基指节(1-4)，蜗轮(6)设置在基指节(1-4)内，基指节(1-4)和第三指节(1-3)之间设置第三关节轴(10-3)，第三指节(1-3)和第二指节(1-2)之间设置第二关节轴(10-2)，第二指节(1-2)和第一指节(1-1)之间设置第一关节轴(10-1)，在三个关节轴处与摩擦解耦装置(11)连接。

3.根据权利要求2所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，蜗轮(6)通过传动轴(9)设置在基指节(1-4)上，三个摩擦解耦装置(11)通过关节轴(10)分别设置在基指节(1-4)、第三指节(1-3)和第二指节(1-2)上，蜗轮(6)通过传动轴(9)与主同步轮(13)连接，每个关节轴(10)上均设置有同步带轮(8)，主同步轮(13)与相邻的同步带轮(8)，以及剩余同步带轮(8)之间均通过同步带(12)连接，构成同步带传动。

4.根据权利要求2所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，第一指节(10-1)相对于第二指节(10-2)转动的角度为为0～90°，第二指节(10-2)相对于三指节(10-3)的转动角度为0～90°，第三指节(10-3)相对于基指节(10-4)转动角度为0～180°。

5.根据权利要求2所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，摩擦解耦装置(11)包括壳体(11-1)，壳体(11-1)上设置有第二轴套(1-6)，第二轴套(1-6)内设置有关节轴(10)，关节轴(10)上连接有第一摩擦片(11-7)，第一摩擦片(11-7)能够在关节轴(10)上左右滑动，另一壳体(11-1)上连接有第二摩擦片(11-8)，第一摩擦片(11-7)和第二摩擦片(11-8)压紧产生摩擦阻尼，限制两指节间转动。

6.根据权利要求5所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，壳体(11-1)上设置有调节螺钉(11-4)，调节螺钉(11-4)与弹簧(11-5)的一端连接，弹簧(11-5)的另一端通过滚珠(11-6)与第一摩擦片(11-7)连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，三关节手指机构(1)具有三个自由度，且在一个驱动器的情况下，存在两个欠驱动。

8.根据权利要求1所述的皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，待抓取物体(14)为直径不超过100mm的球体，或外形尺寸不超过100mm的各种异形不规则物体。

9.一种根据权利要求1所述皮带式欠驱动三关节机械手指结构的操作方法，其特征在于，三关节手指机构(1)包括依次连接的第一指节(1-1)、第二指节(1-2)、第三指节(1-3)和基指节(1-4)，每个三关节手指机构(1)具有三个自由度，步进电机(7)通过蜗轮蜗杆将运动和动力同时传到三个三关节手指机构(1)上驱动三个三关节手指机构(1)的开合；

三个三关节手指的运动也是欠驱动；步进电机(7)驱动蜗轮蜗杆转动，蜗轮(6)带动与其一同固定于传动轴(9)上的主同步轮(13)转动，经过同步带传动带动基指节(1-4)上的关节轴(10-3)转动，关节轴(10-3)通过花键连接基指节(1-4)上摩擦解耦装置(11)中的第一摩擦片(11-7)，通过第一摩擦片(11-7)和第二摩擦片(11-8)之间摩擦力带动第三指节(1-3)、第二指节(1-2)、第一指节(1-1)作为一个整体绕基指节(1-4)中的关节轴(10-3)转动；

当第三指节(1-3)碰到待抓取物体(14)时第三指节(1-3)停止运动，当步进电机继续转动时，驱动力使第三指节(1-3)上摩擦解耦装置(11)中的第一摩擦片(11-7)和第二摩擦片(11-8)相对转动，第二指节(1-2)和第一指节(1-1)作为一个整体开始运动，直到第二指节(1-2)接触待抓取物体(14)停止运动；

步进电机继续转动，驱动力使第二指节(1-2)上摩擦解耦装置(11)中的第一摩擦片(11-7)和第二摩擦片(11-8)相对转动时，第一指节(1-1)开始运动，然后第一指节(1-1)接触待抓取物体(14)，完成整个包络抓取过程。

10.根据权利要求9所述的操作方法，其特征在于，当第三指节(1-3)没有接触待抓取物体(14)时，第三指节(1-3)与基座的转动自由度是工作自由度，第二指节(1-2)和第一指节(1-1)的转动自由度被摩擦耦合装置约束，整个手指绕基座转动，直到第三指节(1-3)接触待抓取物体(14)；

当第三指节(1-3)接触待抓取物体(14)之后，受到接触封闭力的约束作用，第三指节(1-3)的自由度被约束掉变成条件自由度，第二指节(1-2)的转动自由度被释放，变成工作自由度，机构自由度仍为1，三关节手指机构(1)按确定的运动规律工作，直到第二指节(1-2)接触待抓取物体(14)；

当第二指节(1-2)接触待抓取物体(14)后，该关节自由度也被约束掉，也变成条件自由度，步进电机继续运动时，释放第一指节(1-1)的自由度，直到第一指节(1-1)接触待抓取物体(14)并完成包络抓取动作。

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