CN112621796B - 刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拟人机器人技术领域，提供了一种刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手，主要包括手指支撑架、第一指节、第二指节和第三指节依次可转动连接，第二指节与第三指节构成四连杆机构；第一拉簧分别与手指支撑架和第一指节相连；第二拉簧分别与第一指节和第二指节相连，第二拉簧的弹性系数大于第一拉簧；柔性带的第一端与第二指节相连，柔性带的第二端与牵拉机构相连。本发明通过柔性带的牵拉运动实现手指的弯曲与伸展，并且柔性带直接与物体进行接触抓取，由于柔性带本身的柔顺特性，可以保证柔性带与物体能够形成较大的接触面积，提高了抓取不同形状、软硬及大小物体的自适应能力。

Description

刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手

技术领域

本发明涉及拟人机器人技术领域，尤其涉及一种刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手。

背景技术

末端执行器一直是制约着机器人与环境交互作用的关键因素，多指机器人手作为新一代执行器经过数十年的发展已初具规模，但其发展仍面临诸多问题。为了达到人手的高自由度以及抓取灵活性，机器人手需要设置较多的驱动器，但也不可避免地带来了系统结构复杂、环境顺从性差、成本昂贵等问题。而为了简化机械结构，减小机器人手的体积重量，又需要设置较少的驱动器，但也牺牲了机器人手灵巧操作的性能，这两者之间存在一定的矛盾。

目前大部分机器人手通过链条或钢丝绳等连接件驱动机器人手指的关节进行弯曲，通过手指的多个指节直接与物体接触抓取，该抓取方式为刚性接触，且在进行抓握动作时，指节和物体的接触点数目或接触面积较小，接触力分布不均匀，进而限制了自适应抓取能力，导致抓取稳定性差。因此，目前的机器人手只能满足基本的抓取功能，抓取不同形状、软硬及大小物体的自适应调节能力差。

发明内容

本发明提供一种刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手，通过柔性带的牵拉运动实现手指的弯曲与伸展，并且柔性带直接与物体进行接触抓取，由于柔性带本身的柔顺特性，可以保证柔性带与物体能够形成较大的接触面积，提高了抓取不同形状、软硬及大小物体的自适应能力。

本发明提供一种刚柔耦合欠驱动手指，包括：手指支撑架，所述手指支撑架上设有可转动的第一指节，所述第一指节可转动连接有第二指节，所述第二指节可转动连接有第三指节，所述第二指节与所述第三指节构成四连杆机构；第一拉簧，分别与所述手指支撑架和所述第一指节相连；第二拉簧，分别与所述第一指节和所述第二指节相连，且所述第二拉簧的弹性系数大于所述第一拉簧的弹性系数；柔性带导路组件，包括第一柔性带导路和柔性带，所述手指支撑架的主体内设有所述第一柔性带导路，所述柔性带与所述第一指节相对设置，且所述柔性带的第一端与所述第二指节相连，所述柔性带的第二端经所述第一柔性带导路延伸至所述手指支撑架的外部与牵拉机构相连。

根据本发明提供的一种刚柔耦合欠驱动手指，所述第二指节包括辅助连杆和两个对称设置的主连杆，所述柔性带的第一端与所述主连杆相连，所述辅助连杆和所述主连杆的两端分别与所述第一指节和所述第三指节铰接，所述辅助连杆与所述主连杆交叉设置，构成所述四连杆机构。

根据本发明提供的一种刚柔耦合欠驱动手指，所述第一指节与所述第二指节相连的关节处设有限位挡板，所述限位挡板固定于所述第一指节上，且所述限位挡板的部分主体向上延伸至所述辅助连杆的侧面，所述第二拉簧分别与所述第一指节和所述辅助连杆相连。

根据本发明提供的一种刚柔耦合欠驱动手指，所述主连杆上设有多个呈上下分布的柔性带安装孔，用于与所述柔性带的第一端相连。

根据本发明提供的一种刚柔耦合欠驱动手指，所述柔性带导路组件还包括第一柔性带滚轴，所述第一柔性带滚轴设置于所述第一柔性带导路中，所述柔性带搭设于所述第一柔性带滚轴上。

根据本发明提供的一种刚柔耦合欠驱动手指，所述牵拉机构包括丝杠传动副、固定器和第一驱动装置，所述丝杠传动副包括丝杠和螺母，所述丝杠竖直设置于所述手指支撑架的下方，所述螺母套设于所述丝杠上，所述固定器的第一端与所述螺母固定相连，所述固定器的第二端设有柔性带卡槽，用于与所述柔性带的第二端相连，所述第一驱动装置与所述丝杠相连。

根据本发明提供的一种刚柔耦合欠驱动手指，所述第一驱动装置为第一数字伺服舵机。

本发明还提供一种三指欠驱动机器人手，包括基座和三个所述的刚柔耦合欠驱动手指，三个所述刚柔耦合欠驱动手指分别为第一侧转手指、第二侧转手指和非侧转手指，所述第一侧转手指和所述第二侧转手指可以在所述基座上沿圆周方向侧转，所述非侧转手指固定于所述基座上。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述基座包括上基座和下基座，所述上基座和所述下基座之间设有支撑柱，三个所述刚柔耦合欠驱动手指的手指支撑架均设置于所述上基座的边沿，三个所述刚柔耦合欠驱动手指的牵拉机构均位于所述上基座和所述下基座之间，且三个所述刚柔耦合欠驱动手指的第一驱动装置均固定于所述下基座上。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，还包括侧转机构，所述侧转机构包括第二驱动装置、第一转轴、第二转轴和齿轮组传动副，所述第二驱动装置固定于所述上基座的中部，所述第一转轴固定于所述第二驱动装置顶部的护盖上且沿竖直方向贯穿所述第一侧转手指的手指支撑架与所述上基座相连，所述第二转轴固定于所述护盖上且沿竖直方向贯穿所述第二侧转手指的手指支撑架与所述上基座相连；所述齿轮组传动副设置于所述上基座上，所述齿轮组传动副与所述第二驱动装置相连，所述齿轮组传动副经所述第一转轴与所述第一侧转手指相连，且所述齿轮组传动副经所述第二转轴与所述第二侧转手指相连，所述第二驱动装置通过所述齿轮组传动副带动所述第一侧转手指和所述第二侧转手指同步侧转，且所述第一侧转手指和所述第二侧转手指的侧转方向互为相反。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述第二驱动装置为第二数字伺服舵机。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述齿轮组传动副包括主动齿轮、过渡从动齿轮、第一从动齿轮和第二从动齿轮，所述主动齿轮与所述第二驱动装置相连，所述过渡从动齿轮套设于所述上基座上的第三转轴上且与所述主动齿轮啮合，所述第一从动齿轮固定于所述第一侧转手指的手指支撑架的底部并套设于所述第一转轴上且与所述过渡从动齿轮啮合，所述第二从动齿轮固定于所述第二侧转手指的手指支撑架的底部并套设于所述第二转轴上且与所述主动齿轮啮合。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述主动齿轮、所述过渡从动齿轮和所述第一从动齿轮呈三角分布，所述主动齿轮和所述第一从动齿轮呈上下错位布置，所述第一从动齿轮和所述第二从动齿轮以所述主动齿轮为中心对称设置。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述第一侧转手指和所述第二侧转手指均设有竖板、横板和第一导轴，所述竖板固定于所述手指支撑架的侧面，且所述竖板的下端延伸至所述手指支撑架的下方，用于防止经所述手指支撑架的侧面延伸出的柔性带扭曲；所述横板与所述竖板相互垂直设置并位于所述上基座的下方，且所述横板的第一端与所述竖板的下端相连，所述横板的第二端套设于所述丝杠的上端；所述第一导轴的上端固定于所述横板的底部，所述第一导轴的下端与所述固定器相连，所述固定器可随所述螺母在所述第一导轴上滑动。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述横板设有第二柔性带导路，所述第二柔性带导路中设有第二柔性带滚轴，所述柔性带搭设于所述第二柔性带滚轴上，所述柔性带的第二端依次经所述第一柔性带导路及所述第二柔性带导路与所述固定器的柔性带卡槽相连。

根据本发明提供的一种三指欠驱动机器人手，所述非侧转手指设有第二导轴，所述第二导轴的上端固定于所述上基座的底部，所述第二导轴的下端与所述固定器相连，所述固定器可随所述螺母在所述第二导轴上滑动。

本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手，通过柔性带的牵拉运动实现手指的弯曲与伸展，并且柔性带直接与物体进行接触抓取，由于柔性带本身的柔顺特性，可以保证柔性带与物体能够形成较大的接触面积，提高了抓取不同形状、软硬及大小物体的自适应能力；此外，本发明的手指仿照人手的手指结构，第二指节与第三指节耦合联动，具有机械结构简单、易于加工与维护、生产成本低、重量轻、体积小、易于控制等特点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指的正视图；

图2是本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指的侧视图；

图3是图2的剖视图；

图4是本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指的立体图；

图5、6、7、8是本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指通过柔性带牵拉转动三个关节抓握大尺寸物体的自适应抓握过程的侧视图；

图9、10是本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指通过柔性带牵拉转动一个关节抓握小尺寸物体的自适应抓握过程的侧视图；

图11是本发明提供的三指欠驱动机器人手的立体图；

图12是本发明提供的三指欠驱动机器人手的侧视图；

图13是本发明提供的三指欠驱动机器人手的爆炸图；

图14是本发明提供的三指欠驱动机器人手侧转的抓取构型示意图之一；

图15是本发明提供的三指欠驱动机器人手侧转的抓取构型示意图之二；

图16是本发明提供的三指欠驱动机器人手侧转的抓取构型示意图之三；

附图标记：

1：手指支撑架；101：支撑主体；102：第一耳板；

103：第二耳板；104：开口腔；2：第一指节；3：第二指节；

4：第三指节；5：第一销轴；6：第一深沟球轴承；7：第一拉簧；

701：第一拉簧安装孔；8：第二拉簧；801：第二拉簧安装孔；

901：第一柔性带导路第一支路；902：第一柔性带导路第二支路；

10：柔性带；11：辅助连杆；12：主连杆；13：限位挡板；

14：柔性带安装孔；15：第一柔性带滚轴；16：丝杠；17：螺母；

18：固定器；181：柔性带卡槽；19：第一驱动装置；20：法兰盘；

21：第一侧转手指；22：第二侧转手指；23：非侧转手指；

24：上基座；25：下基座；26：支撑柱；27：第二驱动装置；

28：护盖；281：第一连接耳；282：第二连接耳；

29：第一转轴；30：第二转轴；31：主动齿轮；

32：过渡从动齿轮；33：第一从动齿轮；34：第二从动齿轮；

35：竖板；36：横板；37：第一导轴；38：第二柔性带滚轴；

39：护板；40：第二导轴；41：第二深沟球轴承；

42：直线轴承；43：凸台；44：齿轮组传动副；

45：支撑座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图16描述本发明的刚柔耦合欠驱动手指及三指欠驱动机器人手的结构和工作原理。

根据本发明的一方面实施例，如图1-图4所示，本发明提供了一种刚柔耦合欠驱动手指，主要包括：手指支撑架1、第一拉簧7、第二拉簧8、柔性带导路组件和牵拉机构。其中，手指支撑架1上设有手指，手指包括三个指节，分别为第一指节2、第二指节3和第三指节4，第一指节2的下端通过第一销轴5连接在手指支撑架1上且可绕第一销轴5旋转，形成第一关节；第二指节3的下端通过第二销轴与第一指节2的上端相连且可绕第二销轴旋转，形成第二关节；第三指节4的下端通过第三销轴与第二指节3的上端相连且可绕第三销轴旋转，形成第三关节。本发明手指仿照人手的手指结构，第二指节3与第三指节4构成四连杆机构，进行耦合联动，具有机械结构简单、易于加工与维护、生产成本低、重量轻、体积小、易于控制等特点。

第一拉簧7设置在第一关节处，第一拉簧7的两端分别与手指支撑架1和第一指节2相连，通过第一拉簧7对手指支撑架1和第一指节2施加连接的预紧力。

具体的，手指支撑架1和第一指节2的侧面分别设有多个沿高度方向上下分布的第一拉簧安装孔701，第一拉簧7的两端分别通过绳线或螺钉与手指支撑架1和第一指节2固定相连，其中，设置多个第一拉簧安装孔701，便于调整第一拉簧7的安装位置。

第二拉簧8设置在第二关节处，第二拉簧8的两端分别与第一指节2和第二指节3相连，通过第二拉簧8对第一指节2和第二指节3施加连接的预紧力，且第二拉簧8的弹性系数大于第一拉簧7的弹性系数，即第二拉簧8的预紧力大于第一拉簧7的预紧力，以保证手指在未接触到物体前，柔性带10牵拉手指时，第一关节首先发生转动，而第二关节不发生转动，具体的：当柔性带10牵拉手指时，因为弹性系数的差异，手指会首先绕第一关节旋转，第二关节不发生旋转，直至手指接触到物体后，柔性带10产生的拉力继续克服第二拉簧8的预紧力，促使第二关节发生旋转，第三关节也随之旋转，从而形成类似人手的抓取效果。

柔性带导路组件主要包括第一柔性带导路和柔性带10，第一柔性带导路设置于手指支撑架1的主体内，柔性带10的第一端与第二指节3相连，柔性带10的第二端经第一柔性带导路延伸至手指支撑架1的外部与牵拉机构相连，且柔性带10与第一指节2相对设置，也可以理解为：柔性带10跨越第一指节2。

柔性带10，为具有一定宽度的柔性带状物件，其具体宽度可以根据被抓取物体的尺寸进行相应的调整，本发明柔性带10不仅起到传递动力的效果，还能在进行抓取动作时包裹物体形成较大的接触面积，提高了抓取稳定性和自适应能力。

本发明柔性带10采用聚乙烯（PE）纤维材料，具有高耐磨性、强度高、密度低、韧性好等特点，且柔性带10的断裂伸长率低于5%，在反复张紧松弛的牵拉过程中具有更好的传动和包裹效果，可靠性高。

作为进一步的改进，如图3所示，柔性带导路组件还包括第一柔性带滚轴15，第一柔性带滚轴15设置于第一柔性带导路中，柔性带10搭设于第一柔性带滚轴15上，用于减小柔性带10与第一柔性带导路的摩擦力，避免柔性带10的磨损，同时提高牵拉的流畅性。

在本发明的具体实施例中，如图3和图4所示，手指支撑架1包括支撑主体101，支撑主体101的上端左侧设有两个并列设置的第一耳板102，第一耳板102上设有销轴孔，第一销轴5的两端分别与两个第一耳板102的销轴孔相连，进而将第一指节2通过第一销轴5与手指支撑架1连接；并且支撑主体101的右侧面上设有两个第二耳板103，两个第二耳板103呈上下水平分布，构造出开口腔104，便于柔性带10穿过进行安装。

第一柔性带导路具体包括第一柔性带导路第一支路901和第一柔性带导路第二支路902，位于上方的第二耳板103贯穿设有第一柔性带导路第一支路901，支撑主体101贯穿设有第一柔性带导路第二支路902，第一柔性带导路第二支路902的具体走向不受特别限制，只要可以便于柔性带10的安装即可，本发明该实施例第一柔性带导路第二支路902为L型，第一柔性带导路第二支路902的水平部与两个第二耳板103之间的开口腔104相连通，具体的：第一柔性带导路第二支路902的水平部位于下方的第二耳板103与支撑主体101的右侧面交接处；第一柔性带导路第二支路902的竖直部经支撑主体101的左侧面向下延伸导通，柔性带10的第二端依次穿过第一柔性带导路第一支路901、开口腔104及第一柔性带导路第二支路902延伸至支撑主体101的外部，在该示例中，柔性带10的第二端延伸至支撑主体101的下方。

此外，两个第二耳板103上设有相对匹配的转轴孔，转轴孔内设有第一深沟球轴承6，便于安装下述的第一转轴29和第二转轴30，具体设置参见下述内容。

下面对本发明四连杆机构的具体结构进行描述，如图2-图4所示，第二指节3包括辅助连杆11和两个对称设置的主连杆12，主连杆12为L型或者勾型，柔性带10的第一端与主连杆12的长部相连，主连杆12的长部与第三指节4铰接，主连杆12的短部与第一指节2铰接，辅助连杆11的上下两端分别与第一指节2和第三指节4铰接，且辅助连杆11与主连杆12交叉设置，使得第二指节3与第三指节4构成四连杆机构，可以理解的是，由于柔性带10与第二指节3的主连杆12相连，因此，第二指节3作为四连杆机构的主动杆，第三指节4作为四连杆机构的从动杆，进而第二指节3与第三指节4形成耦合联动，这与人手第二指节与第三指节之间的耦合运动特性相类似。

进一步的，主连杆12的长部上设有多个呈上下分布的柔性带安装孔14，性带安装孔14与柔性带10的第一端相连，通过将柔性带10与不同高度的柔性带安装孔14连接，可以调节柔性带10的安装高度，以便更好地适应不同尺寸的物体。

根据本发明的实施例，如图2-图4及图15所示，第一指节2与第二指节3相连的第二关节处设有限位挡板13，且限位挡板13的下部主体固定于第一指节2上，限位挡板13的上部主体位于辅助连杆11的侧面，用于防止第二指节3反向运动，第一指节2和辅助连杆11的侧面分别设有多个沿高度方向上下分布的第二拉簧安装孔801，第二拉簧8的两端分别通过绳线或螺钉与第一指节2和辅助连杆11相连，其中，设置多个第二拉簧安装孔801，便于调整第二拉簧8的安装位置。

基于上述实施例，本发明牵拉机构的具体类型不受特别限制，只要可以拉动柔性带10即可。

作为一种实施方式，如图12 和图13所示，本发明牵拉机构主要包括丝杠传动副、固定器18和第一驱动装置19，丝杠传动副包括丝杠16和螺母17，丝杠16沿竖直方向设置于手指支撑架1的下方，螺母17套设于丝杠16上，固定器18的第一端与螺母17固定相连，固定器18的第二端设有柔性带卡槽181，用于与柔性带10的第二端相连，第一驱动装置19的输出轴通过法兰盘20与丝杠16的下端相连，通过第一驱动装置19带动丝杠16转动，进而使螺母17做直线运动，固定器18随螺母一起上下移动，实现对柔性带10的牵拉。

可以理解的是，本发明通过丝杠传动副可以实现自锁功能，具体的：由于只能由丝杠16带动螺母17运动，而螺母17无法驱动丝杠16，因此，本发明手指在抓取过程中不会因动力的意外丧失而产生回位现象，保证了抓取实施的稳定性。换句话说，若在抓取动作执行过程中动力意外丧失，手指也会保持当前抓取状态，不发生回位现象，原因就是采用了丝杠传动副作为动力传递机构，丝杠传动副具有优良的机械自锁特性，丝杠16的回旋运动会造成螺母17的直线运动，反之则不可。

并且本发明牵拉机构远离手指端，降低了对第一驱动装置19体积的要求，第一驱动装置19的具体类型不作特别限制，只要可以实现控制驱动的作用即可，当第一驱动装置19为普通电机时，需要外附控制器等装置实现对手指的控制，而本发明第一驱动装置19优选为第一数字伺服舵机，为抓取动作的实施可以提供更大的驱动力矩，并且第一数字伺服舵机内部自带安装有编码器及电流传感器等装置，可通过电流反馈间接实现手指抓取力度的控制。

基于上述实施例，如图5-图8所示，示出了本发明提供的刚柔耦合欠驱动手指在柔 性带10牵拉作用下，转动三个关节抓握大尺寸物体的自适应抓握过程，主要包括：初始状态 如图5所示，物体尺寸较大，且位于手指第一指节2附近，第一驱动装置19驱动丝杠16旋转， 丝杠16的旋转带动螺母17的直线运动，螺母17的直线运动带动固定器18一起移动，形成柔 性带10的牵拉，柔性带10牵拉可以带动手指关节的弯曲，图中左侧的箭头表示柔性带10运 动方向，为向下拉伸。由于第一拉簧7的弹性系数小于第二拉簧8，所以当未接触到物体前， 在柔性带10牵拉的作用下，只有第一关节发生转动，转动角度记为

，其他关节不发生转 动，如图6所示。柔性带10不仅充当传递动力的角色，而且也起到包络物体的作用，柔性带10 接触到物体后，连同第一指节2在内会受到物体的阻力，第一拉簧7不再继续伸长，从而柔性 带10继续牵拉克服第二拉簧8的预紧力，造成第二关节的转动，此时第一关节转动角度记为

，第二关节转动角度记为

，如图7所示。由于四连杆机构，第二关节的转动也会引起第 三关节的转动，柔性带10的持续牵拉促使第三指节4也接触物体，由于柔性带10的柔顺性以 及两个拉簧的弹性，三个指节最终会自动调整至较为稳定的抓取状态，此时第一关节转动 角度记为

，第二关节转动角度记为

，如图8所示。当螺母17进行反向直线运动时，柔性 带10发生松弛，手指关节在两个拉簧的预紧力下自行恢复伸展状态。因此，本发明手指自身 不含有驱动器，动力通过设置第一驱动装置19经由丝杠传动副及柔性带10远程提供。

如果抓取的物体尺寸较小，不适合接触到第一指节2，则可以采用本发明实施例的 第三指节4接触的方式进行抓取，此时，只有第一关节发生转动，也同样起到很好的抓取效 果，如图9和图10所示，抓取结束后的第一关节转动角度记为

。主要工作原理同上，此处 不进行赘述。

可以理解的是，本发明上述抓取过程由下述的三个刚柔耦合欠驱动手指或三指欠驱动机器人手协同抓取，图5-图10只示出了一个刚柔耦合欠驱动手指的抓取过程。

下面继续对本发明的三指欠驱动机器人手进行描述，下文描述的三指欠驱动机器人手与上文描述的刚柔耦合欠驱动手指可相互对应参照。

根据本发明的另一方面实施例，如图11-图13所示，本发明提供的三指欠驱动机器人手，主要包括基座和三个前述实施例所述的刚柔耦合欠驱动手指，三个刚柔耦合欠驱动手指分别为第一侧转手指21、第二侧转手指22和非侧转手指23，第一侧转手指21和第二侧转手指22可以在基座上沿圆周方向侧转，非侧转手指23固定于基座上，不可以实现侧转。

可以理解的是，本发明三指欠驱动机器人手具有七个自由度，包括：每个刚柔耦合欠驱动手指的第一关节为一个旋转自由度，第二关节为一个旋转自由度，第三关节与第二关节耦合为同一个旋转自由度，即每个手指均有两个旋转自由度，同时侧转为一个侧转自由度。本发明以较少的驱动装置驱动较多的手指关节度或自由度，且手指上未安装任何传感器，由于抓取动作的自适应性，该机器人手具有更好的抓取物体时的控制精度及控制需求。

具体的，基座包括上基座24和下基座25，上基座24和下基座25之间设有支撑柱26，用于支撑上基座24；三个刚柔耦合欠驱动手指均支撑于上基座24上，具体的：三个手指支撑架1均设置于上基座24的边沿，以第二驱动装置27的输出轴为中心，两个侧转手指在上基座24上侧转，三个刚柔耦合欠驱动手指的牵拉机构均位于上基座24和下基座25之间，且三个刚柔耦合欠驱动手指的第一驱动装置19均集成固定于下基座25上，下基座25通过支撑柱26承受整体重量，同时也可以作为机械接口连接到机械臂的末端。

第一侧转手指21和第二侧转手指22均通过侧转机构实现侧转，侧转机构主要包括第二驱动装置27、第一转轴29、第二转轴30和齿轮组传动副。其中，第二驱动装置27固定于上基座24的中部，上基座24类似于手掌，即第二驱动装置27设置于手掌的中部，用于驱动齿轮组传动副转动，三个刚柔耦合欠驱动手指位于手掌的边沿，与人手指类似设置。本发明第二驱动装置27的具体类型不受限制，优选为第二数字伺服舵机，其与前述的第一数字伺服舵机相同，此处不作赘述。

第二驱动装置27的底部设有支撑座45，第二驱动装置27通过支撑座45固定于上基座24上，第二驱动装置27的顶部设有护盖28，护盖28的横截面呈T型，具体的：护盖28的左右两侧分别设有第一连接耳281和第二连接耳282，第一侧转手指21和第二侧转手指22的手指支撑架1均设置于护盖28的下方且分别位于第一连接耳281和第二连接耳282处，非侧转手指23位于护盖28的后方。

第一转轴29的上端通过卡簧固定于护盖28的第一连接耳281上，第一转轴29的下端沿竖直方向经第一深沟球轴承6与第一侧转手指21的手指支撑架1的两个第二耳板103相连后再固定于上基座24上，第一侧转手指21可以绕第一转轴29侧向转动。

同理，第二转轴30的上端通过卡簧固定于护盖28的第二连接耳282上，第二转轴30的下端沿竖直方向经第一深沟球轴承6与第二侧转手指22的手指支撑架1的两个第二耳板103相连后再固定于上基座24上，第二侧转手指22可以绕第二转轴30侧向转动。

齿轮组传动副通过小尺寸的凸台43设置于上基座24上，凸台43的具体形状不受限制，可以为方形、圆形等，本发明实施例采用圆形，并且凸台43的中部设有通孔，便于相应的转轴通过，凸台43主要用于使齿轮组传动副与上基座24具有一定间隙，进而不影响齿轮组传动副的转动。齿轮组传动副与第二驱动装置27相连，齿轮组传动副经第一转轴29与第一侧转手指21相连，且齿轮组传动副经第二转轴30与第二侧转手指22相连，第二驱动装置27通过齿轮组传动副带动第一侧转手指21和第二侧转手指22同步侧转，且第一侧转手指21和第二侧转手指22的侧转方向互为相反。

在本发明的具体示例中，如图13所示，齿轮组传动副包括主动齿轮31、过渡从动齿轮32、第一从动齿轮33和第二从动齿轮34，每个齿轮的底部均设有凸台43。其中，主动齿轮31位于上基座24的中部且位于第二驱动装置27的底部，主动齿轮31与第二驱动装置27的输出轴相连，过渡从动齿轮32套设于上基座24上的第三转轴（图中未示出）上且与主动齿轮31啮合，第一从动齿轮33的端面通过螺栓与第一侧转手指21的手指支撑架1的底部固定相连，第一从动齿轮33套设于第一转轴29上且与过渡从动齿轮32啮合，第二从动齿轮34的端面通过螺栓与第二侧转手指22的手指支撑架1的底部固定相连，第二从动齿轮34套设于第二转轴30上且与主动齿轮31啮合。

本发明该实施例，通过一套齿轮组传动副，可以保证第一侧转手指21和第二侧转手指22的侧转角速度大小相同，并且通过设置过渡从动齿轮32，使得第一侧转手指21和第二侧转手指22的转向互为相反，从而实现了两个侧转手指的同步反向转动。

作为进一步的改进，如图13所示，主动齿轮31、过渡从动齿轮32和第一从动齿轮33呈三角分布，便于集成安装在上基座24上，并且，为了避免主动齿轮31与第一从动齿轮33接触啮合，本发明将主动齿轮31和第一从动齿轮33上下错位布置，在具体示例中，过渡从动齿轮32的厚度大于主动齿轮31与第一从动齿轮33的厚度，以便主动齿轮31和第一从动齿轮33与过渡从动齿轮32啮合的同时，并且主动齿轮31和第一从动齿轮33相互之间并无接触。优选的，上基座24的顶面左侧部分向下凹陷，形成上下高低的两个安装面，其中，主动齿轮31和第二从动齿轮34位于右侧的高安装面上，过渡从动齿轮32和第一从动齿轮33位于左侧的低安装面上，可以进一步防止主动齿轮31与第一从动齿轮33接触。

并且，为了使第一侧转手指21和第二侧转手指22的施力平衡，保证更好地抓取效果和稳定性，本发明将第一从动齿轮33和第二从动齿轮34以主动齿轮31为中心对称设置。

此外，主动齿轮31、过渡从动齿轮32、第一从动齿轮33和第二从动齿轮34内均设有轴承，便于与对应的转轴相连。

根据本发明的实施例，如图11-图13所示，第一侧转手指21和第二侧转手指22均设有竖板35、横板36和第一导轴37，竖板35固定于手指支撑架1的支撑主体101的侧面，且竖板35的下端延伸至手指支撑架1的支撑主体101的下方，当侧转时，经手指支撑架1的侧面延伸出的柔性带10易发生扭曲，本发明通过设置竖板35对柔性带10限位，可以有效防止柔性带10发生扭曲。

横板36与竖板35相互垂直连接形成L型，具体的：横板36位于上基座24的下方，且横板36的第一端与竖板35的下端相连，横板36的第二端经第二深沟球轴承41套设于丝杠16的上端，同时位于螺母17的上方。

第一导轴37的上端与横板36的底部固定相连，第一导轴37的下端经直线轴承42与固定器18相连，固定器18可随螺母17在第一导轴37上滑动。

可以理解的是，若没有第一导轴37的连接，横板36与固定器18之间处于失联状态，此时若第一侧转手指和第二侧转手指侧转，横板36与固定器18不一定同步转动，从而会造成柔性带10扭曲，因此，通过设置第一导轴37，也可以有效防止柔性带10发生扭曲。

进一步的，横板36设有第二柔性带导路，第二柔性带导路中设有第二柔性带滚轴38，柔性带10搭设于第二柔性带滚轴38上，因此，柔性带10的第二端依次经第一柔性带导路及第二柔性带导路与固定器18的柔性带卡槽181相连。

可以理解的是，本发明第一柔性带滚轴15和第二柔性带滚轴38的作用相同，均用于减小柔性带10与导路之间的摩擦阻力，柔性带滚轴的材料优选为碳纤维，具有表面光滑且强度高的特点。

根据本发明的实施例，非侧转手指23设有护板39和第二导轴40，护板39固定于手指支撑架1的支撑主体101的侧面，且护板39的下端延伸至手指支撑架1的支撑主体101的下方，护板39的作用为遮挡柔性带10，提高整体美观；第二导轴40的上端固定于上基座24的底部，第二导轴40的下端经直线轴承42与固定器18相连，固定器18可随螺母17在第二导轴40上滑动。

本发明实施例的两个侧转手指可发生同步反向转动，继而可以采用多种抓取构型靠近并抓取物体，图14展示了本发明实施例的单向抓取构型，具体的，第一侧转手指21和第二侧转手指22侧转至与非侧转手指23同侧并列设置，实现单向抓取；图15展示了本发明实施例的包络抓取构型，具体的，第一侧转手指21、第二侧转手指22与非侧转手指23具有间隔环布，间隔角度优选为120°，提高抓取的稳定性，实现包络抓取；图16展示了本发明例的双夹抓取构型，具体的，第一侧转手指21和第二侧转手指22侧转至非侧转手指23的对立侧，实现双夹抓取，本发明通过侧转设置，可以实现多种抓取构型，其多样化进一步提高了本发明对不同软硬、形状、大小物体的抓取自适应能力。

因此，本发明机器人手结构简单、价格低廉、环境自适应性高、易于维护和控制，可以作为机械臂的末端执行器完成各类抓取任务。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，包括：

手指支撑架，所述手指支撑架上设有可转动的第一指节，所述第一指节可转动连接有第二指节，所述第二指节可转动连接有第三指节，所述第二指节与所述第三指节构成四连杆机构；

第一拉簧，分别与所述手指支撑架和所述第一指节相连；

第二拉簧，分别与所述第一指节和所述第二指节相连，且所述第二拉簧的弹性系数大于所述第一拉簧的弹性系数；

柔性带导路组件，包括第一柔性带导路和柔性带，所述手指支撑架的主体内设有所述第一柔性带导路，所述柔性带与所述第一指节相对设置，且所述柔性带的第一端与所述第二指节相连，所述柔性带的第二端经所述第一柔性带导路延伸至所述手指支撑架的外部与牵拉机构相连。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，所述第二指节包括辅助连杆和两个对称设置的主连杆，所述柔性带的第一端与所述主连杆相连，所述辅助连杆和所述主连杆的两端分别与所述第一指节和所述第三指节铰接，所述辅助连杆与所述主连杆交叉设置，构成所述四连杆机构。

3.根据权利要求2所述的刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，所述第一指节与所述第二指节相连的关节处设有限位挡板，所述限位挡板固定于所述第一指节上，且所述限位挡板的部分主体向上延伸至所述辅助连杆的侧面，所述第二拉簧分别与所述第一指节和所述辅助连杆相连。

4.根据权利要求2所述的刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，所述主连杆上设有多个呈上下分布的柔性带安装孔，用于与所述柔性带的第一端相连。

5.根据权利要求1所述的刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，所述柔性带导路组件还包括第一柔性带滚轴，所述第一柔性带滚轴设置于所述第一柔性带导路中，所述柔性带搭设于所述第一柔性带滚轴上。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，所述牵拉机构包括丝杠传动副、固定器和第一驱动装置，所述丝杠传动副包括丝杠和螺母，所述丝杠竖直设置于所述手指支撑架的下方，所述螺母套设于所述丝杠上，所述固定器的第一端与所述螺母固定相连，所述固定器的第二端设有柔性带卡槽，用于与所述柔性带的第二端相连，所述第一驱动装置与所述丝杠相连。

7.根据权利要求6所述的刚柔耦合欠驱动手指，其特征在于，所述第一驱动装置为第一数字伺服舵机。

8.一种三指欠驱动机器人手，其特征在于，包括基座和三个如权利要求6所述的刚柔耦合欠驱动手指，三个所述刚柔耦合欠驱动手指分别为第一侧转手指、第二侧转手指和非侧转手指，所述第一侧转手指和所述第二侧转手指可以在所述基座上沿圆周方向侧转，所述非侧转手指固定于所述基座上。

9.根据权利要求8所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述基座包括上基座和下基座，所述上基座和所述下基座之间设有支撑柱，三个所述刚柔耦合欠驱动手指的手指支撑架均设置于所述上基座的边沿，三个所述刚柔耦合欠驱动手指的牵拉机构均位于所述上基座和所述下基座之间，且三个所述刚柔耦合欠驱动手指的第一驱动装置均固定于所述下基座上。

10.根据权利要求9所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，还包括侧转机构，所述侧转机构包括第二驱动装置、第一转轴、第二转轴和齿轮组传动副，所述第二驱动装置固定于所述上基座的中部，所述第一转轴固定于所述第二驱动装置顶部的护盖上且沿竖直方向贯穿所述第一侧转手指的手指支撑架与所述上基座相连，所述第二转轴固定于所述护盖上且沿竖直方向贯穿所述第二侧转手指的手指支撑架与所述上基座相连；所述齿轮组传动副设置于所述上基座上，所述齿轮组传动副与所述第二驱动装置相连，所述齿轮组传动副经所述第一转轴与所述第一侧转手指相连，且所述齿轮组传动副经所述第二转轴与所述第二侧转手指相连，所述第二驱动装置通过所述齿轮组传动副带动所述第一侧转手指和所述第二侧转手指同步侧转，且所述第一侧转手指和所述第二侧转手指的侧转方向互为相反。

11.根据权利要求10所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述第二驱动装置为第二数字伺服舵机。

12.根据权利要求10所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述齿轮组传动副包括主动齿轮、过渡从动齿轮、第一从动齿轮和第二从动齿轮，所述主动齿轮与所述第二驱动装置相连，所述过渡从动齿轮套设于所述上基座上的第三转轴上且与所述主动齿轮啮合，所述第一从动齿轮固定于所述第一侧转手指的手指支撑架的底部并套设于所述第一转轴上且与所述过渡从动齿轮啮合，所述第二从动齿轮固定于所述第二侧转手指的手指支撑架的底部并套设于所述第二转轴上且与所述主动齿轮啮合。

13.根据权利要求12所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述主动齿轮、所述过渡从动齿轮和所述第一从动齿轮呈三角分布，所述主动齿轮和所述第一从动齿轮呈上下错位布置，所述第一从动齿轮和所述第二从动齿轮以所述主动齿轮为中心对称设置。

14.根据权利要求9所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述第一侧转手指和所述第二侧转手指均设有竖板、横板和第一导轴，所述竖板固定于所述手指支撑架的侧面，且所述竖板的下端延伸至所述手指支撑架的下方，用于防止经所述手指支撑架的侧面延伸出的柔性带扭曲；所述横板与所述竖板相互垂直设置并位于所述上基座的下方，且所述横板的第一端与所述竖板的下端相连，所述横板的第二端套设于所述丝杠的上端；所述第一导轴的上端固定于所述横板的底部，所述第一导轴的下端与所述固定器相连，所述固定器可随所述螺母在所述第一导轴上滑动。

15.根据权利要求14所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述横板设有第二柔性带导路，所述第二柔性带导路中设有第二柔性带滚轴，所述柔性带搭设于所述第二柔性带滚轴上，所述柔性带的第二端依次经所述第一柔性带导路及所述第二柔性带导路与所述固定器的柔性带卡槽相连。

16.根据权利要求9所述的三指欠驱动机器人手，其特征在于，所述非侧转手指设有第二导轴，所述第二导轴的上端固定于所述上基座的底部，所述第二导轴的下端与所述固定器相连，所述固定器可随所述螺母在所述第二导轴上滑动。

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