CN114770569B - 一种多自由度模块化手指及模块化可重构多指灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度模块化手指及模块化可重构多指灵巧手，其中模块化手指包括第一关节单元、第二关节单元、电机和末端手指，每个关节单元均由单独的电机驱动，每个关节单元在驱动电机和传动机构的作用下转动，控制末端手指的2个自由度位置；以及多个手指以不同组合方式安装到对应的三指手手掌和五指手手掌上，形成可重构三指灵巧手、五指灵巧手、单驱动可重构灵巧手、双驱动可重构灵巧手。本发明的设计灵活性较强，手指末端通过驱动系统的弹性输出为柔性，且抓取范围可调，制作成本较低，能够面对各种复杂任务下的抓取要求，抓取物体的能力大大加强。

Description

一种多自由度模块化手指及模块化可重构多指灵巧手

技术领域

本发明涉及一种多自由度模块化手指及模块化可重构多指灵巧手，尤其是多个手指以不同组合方式安装到对应的三指手手掌和五指手手掌上，形成可重构三指灵巧手和五指灵巧手，属于智能工业机器人技术领域。

背景技术

随着机器人在服务机器人、工业机器人以及智能制造等应用范围的扩大，促使对物体灵巧操作的需求日益增长。而灵巧手是突破灵巧操作的必经途径，也是机器人灵巧操作的最后1厘米，是国际前沿研究热点，在智能制造、新零售、智慧物流以及航天等领域具有重要意义。不同于普通的二指等夹持器，灵巧手作为末端执行器通用性强，对于不同形状、刚度的物体、抓取点以及操作方式均可以适用，通过形封闭、力封闭进行稳固抓取，并可以实现复杂手内操作。因此，灵活度高、操作性强、结构简单、适应各种抓取任务的灵巧手成为机器人研究领域热点之一。灵巧手的研究难点及关键技术集中在结构与机构、驱动、传感器以及建模控制上。在驱动、传动形式上，机器人灵巧手多数为伺服电机驱动，通过减速器、同步带、连杆以及钢丝绳等实现关节的运动，连杆传动具备高精度、高负载和低成本的特点。国内外研究人员还研发了一些新的非传统的驱动器来替代传统的驱动方式，例如电活性聚合物、形状记忆合金、气动硅胶等。简单可靠的传动机构以及合理的布局是灵活度的关键。在控制上，复杂模型建模、自适应抓取控制不成熟以及操作对象的多样性和不确定性也是其研究难点。目前，灵巧手从驱动形式上包括全驱动和欠驱动两类灵巧手。全驱动灵巧手的抓握性能与人手相似，甚至在抓握输出力和抓取速度等方面还优于人手，但是全驱动灵巧手通常具有复杂的结构、过多的驱动器和传感器，增加了控制的难度，且质量重、体积大、制造与维护成本高，这类灵巧手的代表有英国Shadow机器人公司的Shadow Hand、德国宇航中心研发的DLR系列灵巧手、哈尔滨工业大学研制的HIT/DLR Hand等。欠驱动灵巧手通过机构传动利用较少驱动实现手指的耦合运动，例如Robotiq、Barret、北京因时机器人的欠驱动灵巧手等，结构简单，易于控制，但通常只能实现简单的闭合动作，拟人化程度低，难以满足各类抓取任务。SCHUNK等采用全驱动、欠驱动混合的形式来兼顾两种需求。

一种已有的仿人灵巧手装置，如发明专利CN103128744A，包括拇指、食指、中指、无名指、小指。具有五个手指，由六个电机驱动。四指(食指、中指、无名指和小指)均采用结构相同的模块化结构，该模块化手指利用一个电机、减速箱、传动机构和柔性体综合实现了手指耦合传动的特殊效果。每个手指具有三个关节，即基关节、中关节和远关节，其运动速比接近1∶1∶1。但上述发明专利其不足之处在于除拇指外其余四指三个关节按固定角度同时弯曲，包络物体曲线单一，各个关节之间不能单独驱动，结构较为复杂，灵巧性和人手差别较大，灵巧性不高，抓取物体时对不同形状的物体自适应性较差。

综上，(1)灵巧手在处理多指抓取对象、抓取任务以及手内操作时，需要能够变换灵巧手多个手指的构型，组成不同手指分布或者数量的灵巧手，满足不同抓取、操作任务以及各种形状的目标；(2)同时，在多自由度和实用之间存在矛盾，扩展性差，每个手指采用欠驱动形式虽然在保持夹持效果时简化了驱动系统，但由于每个手指无法完整定位末端的位置，导致在不同物体抓取时抓取点不可灵活选取，灵活性、稳定性降低，也很难执行手内操作；(3)再者，在抓取物体时，由于定位精度或者负载变化，需要灵巧手与被抓对象之间具备一定弹性，以提高柔性，减少刚性，采用柔性关节相比于传统的刚性关节或者具有被动阻抗的弹性串联作动器，具有更好的鲁棒性、可靠性以及优越的动态性能。

发明内容

为解决上述现有技术存在的灵巧手手指自由度少、工作空间不可调、构型结构单一等问题，本发明的一个目的在于提供一种多自由度模块化手指，为独立驱动的二自由度手指，末端位置可控、可测；具有档位调节功能，操作方便。

本发明的另一个目的在于提供一种由多自由度模块化手指组成的三指灵巧手、五指灵巧手，以实现能够变换灵巧手多个手指的构型，组成不同手指分布或者数量的灵巧手，满足不同抓取、操作任务以及各种形状的目标。

本发明的又一个目的在于提供一种由多自由度模块化手指组成的单驱动可重构灵巧手、双驱动可重构灵巧手，以实现在驱动系统的带动下重新分布，从而变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成多个构型结构。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为一种结构形式，一种多自由度模块化手指，该模块化手指包括第一关节单元、第二关节单元、电机和手指末端，每个关节单元均由单独的电机驱动，每个关节单元在电机和传动机构的作用下转动，控制手指末端的2个自由度位置；所述的传动机构包括多个连杆及转接杆；

所述第一关节单元的结构为：第一关节输出杆、第一电机通过转接杆、第五连杆、主轴彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机的上下竖直运动转换为第一关节单元的转动；

所述第二关节单元的结构为：第二电机通过主轴绕过第一关节单元并通过第二连杆、第三连杆、第四连杆和第一关节单元彼此铰接组成四连杆机构，并且通过第六连杆将第二电机的竖直上下运动转换为第二关节输出杆的转动；

其中，在所述的电机与传动机构连杆之间添加柔性构件，使得手指末端输出为柔性，并将电机与传动机构相结合，组成曲柄滑块机构和四连杆机构，使电机可以保持竖直方向运动；所述的柔性构件包括第一弹簧、第二弹簧；

所述手指末端，包括设置于第二关节输出杆上的两个档位调节孔，分别为第一挡调节孔和第二档调节孔，可调节抓取范围。

所述第一电机设置在一单指手指外壳内侧，且通过螺纹与第一弹簧轴固连，一第一转接杆套在第一弹簧轴上，第一弹簧也套在第一弹簧轴上，且第一弹簧一端顶住第一转接杆，另一端与一个垫圈固连，使得第一弹簧只能沿第一弹簧轴在竖直方向上伸缩；第一转接杆和第五连杆一端铰接；第五连杆的另一端与第一关节输出杆通过第三轴铰接，同时第一关节输出杆还与主轴铰接，主轴与单指手指外壳铰接，并固定在单指手指外壳上。

所述第二电机设置于单指手指外壳内侧；第二电机与第二弹簧轴通过螺纹固连，一第二转接杆和一第二弹簧均套在第二弹簧轴上，且第二弹簧一端顶住第二转接杆，另一端与一个垫圈固连，使得第二弹簧只能沿第二弹簧轴在竖直方向上伸缩；第二转接杆和第一连杆均与一个第一轴铰接；第一连杆同时与第二连杆和第三连杆通过一个第二轴铰接，同时第二连杆和主轴铰接；第三连杆另一端与第四连杆和第六连杆通过一个第六轴铰接，第六连杆与第二关节输出杆的两个档位调节孔其中之一铰接，第四连杆另一端通过第四轴和第一关节输出杆、第二关节输出杆同时铰接；当第二电机在竖直方向运动时，通过第二转接杆带动由第一连杆与第二连杆、第三连杆、第四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构、第六连杆，将运动传递给第二关节输出杆使其转动。

作为另一种结构形式，一种多自由度模块化手指，所述的模块化手指包括第一关节单元、第二关节单元、电机和手指末端，每个关节单元均由单独的电机驱动，每个关节单元在驱动电机和传动机构的作用下转动，控制手指末端的2个自由度位置；所述的传动机构包括多个连杆及转接杆；所述的连杆至少有一个为曲杆；具体结构如下：

所述第一关节单元，其结构特征在于由第一关节输出杆、第一电机通过转接杆、第十一连杆、第十二连杆、主轴彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机的上下竖直运动转换为第一关节单元的转动；

所述第二关节单元，其结构特征在于由第二电机通过主轴绕过第一关节单元并通过第九连杆、第十连杆、曲杆、第十三连杆、第十四连杆和第一关节单元彼此铰接组成的四连杆机构；以及第十五连杆、第十六连杆将第二电机的竖直上下运动转换为第二关节输出杆的转动；

所述手指末端，包括设置于第二关节输出杆上的两个档位调节孔，分别为第一挡调节孔和第二档调节孔，可调节抓取范围。

所述第一电机设置在一单指手指外壳内侧；第一电机与第一电机轴固连，转接杆套在第一电机轴上；转接杆和第十一连杆、第十二连杆均与第九轴铰接，第九轴一端设计有螺纹并与六角型螺母连接；第十一连杆、第十二连杆的另一端和第一关节输出杆与第十轴铰接，同时第一关节输出杆还与主轴铰接，主轴与单指手指外壳铰接并固定。

所述的第二电机设置在一单指手指外壳内侧；第二电机与第二电机轴通过螺纹固连，转接杆套在第二电机轴上；转接杆和第七连杆、第八连杆均与第七轴铰接，第七轴一端设计有螺纹并与六角型螺母连接；第七连杆、第八连杆与第九连杆、第十连杆和曲杆均通过第八轴铰接，第九连杆、第十连杆、主轴铜套和主轴铰接；曲杆另一端与第十三连杆、第十四连杆和第十五连杆、第十六连杆通过第十二轴铰接，第十五连杆、第十六连杆和第二关节输出杆的两个档位调节孔其中之一铰接，第十三连杆、第十四连杆的另一端通过第十一轴和第一关节输出杆、第二关节输出杆同时铰接；当第二电机在竖直方向运动时，通过转接杆带动由第七连杆与第八连杆、第九连杆、第十连杆、曲杆、第十三连杆、第十四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构以及第十五连杆、第十六连杆，将运动传递给第二关节输出杆使其绕第十一轴转动。

所述的手指末端和第一、第二电机的控制关系可通过正、逆运动学计算，利用正运动学计算手指末端的位置坐标和工作空间，利用逆运动学计算得到手指末端坐标所需的第一、第二电机伸缩量；手指末端的正运动学计算方法为，先计算S1，再计算S2，然后计算S3；逆运动学计算方法为，先计算S3，再计算S1和S2；

S1:建立第一电机轴的伸缩量L₁与第一关节单元的弯曲角度θ₁之间的解析关系式；

所述S1具体过程如下：以第一关节输出杆与手指外壳的交点A为原点，坐标P_A＝(0,0,0,1)’，B点、C点、D点、F点、H点、G点坐标矢量末位补1，与齐次坐标变换矩阵对齐，第一电机轴伸缩方向为X轴，手指工作空间所在平面为XY面，垂直该面为Z轴，建立固定到手指基座的右手坐标系{O_A}～XYZ；B点为第十一连杆与转接杆的交点；初始时，B点距离A点在X轴方向的距离为L_1init，横坐标y_B固定不变，则B点坐标：

P_B＝(x_B,y_B,z_B,1)'＝(L_1init+L₁,y_B,0,1)' (1)

C点为第十一连杆与第一关节输出杆的交点；在C点处绕着垂直XY平面的Z轴的旋转角度为θ₁，沿着X_AC轴平移L_AC，得到C点坐标：

P_C＝(x_C,y_C,z_C,1)'＝Rot(Z,θ₁)·Trans(X_AC,L_AC)P_A (2)

以AC为X轴，A为原点建立的连接到第一关节输出杆的随动坐标系，X_AC为随动坐标系的X轴；L_AC为AC杆长。BC间距离固定不变，则得到约束方程：

将方程(1)和(2)带入方程(3)，得到方程(4)：f(L₁,θ₁)＝0；

正运动学中，方程(4)解析解为，根据L₁计算θ₁:

逆运动学中，方程(4)解析解为，根据θ₁计算L₁:

根据第一电机轴的伸缩量L₁的实际取值，对方程(6)的正负号进行取舍,在X轴方向上，A介于B、C之间时，取负号。

S2：根据步骤S1中的第一电机轴的伸缩量L₁与第一关节单元的弯曲角度θ₁，建立第二电机轴的伸缩量L₂与第二关节单元的弯曲角度θ₂之间的解析关系式；

所述S2具体过程如下：

D点为转接杆和第七连杆、第八连杆一端的交点，P_D为D点的坐标，初始时，D点距离A点在X轴方向的距离为L_2init，横坐标y_D固定不变，则D点坐标：

P_D＝(x_D,y_D,z_D,1)'＝(L_2init+L₂,y_D,0,1)' (7)

F点为第七连杆、第八连杆与第九连杆、第十连杆和曲杆的交点，P_F为F点的坐标，L_DF为D点与F点之间的坐标距离，a₁为AF绕A点的旋转角度；与方程(2)同理，得到F点坐标：

P_F＝(x_F,y_F,z_F,1)'＝Rot(Z,a₁)·Trans(X_AF,L_AF)P_A (8)

与方程(3)同理，DF间距离固定不变，则得到约束方程：

将方程(7)和(8)带入方程(9)，得到方程(10)：f(L₂,a₁)＝0；分别得到正逆运动学中L₂和a₁的计算关系；

正运动学中，方程(10)解析解为，根据L₂计算a₁:

逆运动学中，方程(10)解析解为，根据a₁计算L₂:

根据第二电机轴的伸缩量L₂的实际取值，对方程(12)的正负号进行取舍,在X轴方向上，A介于D、F之间时，取负号；

H点为第一关节输出杆与第二关节输出杆的交点，P_H为H点的坐标，G点为曲杆另一端与第十三连杆、第十四连杆和第十五连杆、第十六连杆的交点，P_G为G点的坐标，L_GF为G点与F点之间的坐标距离，I点为第十五连杆、第十六连杆和第二关节输出杆的交点，a₂为GH绕A点旋转角度，则：

H点坐标为：

P_H＝(x_H,y_H,z_H,1)'＝Rot(Z,θ₁)·Trans(X_AH,L_AH)P_A (13)

G点坐标为：

P_G＝(x_G,y_G,z_G,1)'＝Rot(Z,a₂)·Trans(Y_GH,L_GH)P_H (14)

与方程(3)同理，GF间距离固定不变，则得到约束方程：

HI相对AH转角为：

θ₂＝a₂+∠GHI (16)

将方程(8)、(13)、(14)和(16)带入方程(15)，得到方程(17)：f(a₁,θ₁,θ₂)＝0；

正运动学中，方程(17)解析解为，根据a₁、θ₁计算θ₂(θ₂＝a₂+∠GHI):

逆运动学中，方程(17)解析解为方程，根据θ₁、θ₂(a₂＝θ₂-∠GHI)，计算a₁，

再基于方程(12)计算L₂。

S3：计算模块化手指运动学中θ₁、θ₂和手指末端K的坐标P_K＝(x_K,y_K,z_K,1)'的解析式，z_K为固定值，由手掌决定。

所述S3具体过程如下:

正运动学中，根据θ₁、θ₂计算P_K：

逆运动学中，根据P_K计算θ₁、θ₂：

其中，所述Rot(Z,θ)为绕Z轴旋转θ角度的4×4齐次旋转矩阵；所述Trans(X,d)为沿着X轴平移d距离的4×4齐次平移矩阵。

作为又一种结构形式，一种三指灵巧手，手包括手掌及多自由度模块化手指；所述的手掌包括侧板和盖板，盖板安装在侧板上方充当掌心，侧板上设计有安装孔位，与所述多自由度模块化手指的单指手指外壳上的安装孔位固定连接。

所述的三指灵巧手为三指均布灵巧手，三根多自由度模块化手指呈间隔120°分布于手掌上，所述的盖板为六角形，侧板以正六边形方式布置。

所述的三指灵巧手为三指对称灵巧手，三根手指对称分布于手掌两侧，手掌一侧安装一个手指，另一侧并排安装两个手指；用于安装手指的两个侧板平行设置。

作为再一种结构形式，一种五指灵巧手，包括手掌和五个多自由度模块化手指，所述的五个多自由度模块化手指分别为拇指、食指、中指、无名指、小指，所述的手掌包括拇指支撑架、四指支撑架；手掌底部还安装有驱动系统，用于带动拇指进行转动，使拇指增加了一个自由度，帮助其余四指配合抓取；所述的驱动系统至少包括第十七连杆、第三电机、第十四轴，第三电机固定在四指支撑架底部，第三电机末端与第十七连杆铰接，第十七连杆的另一端与拇指支撑架铰接，再结合四指支撑架共同构成曲柄滑块机构，使第三电机可以沿着自身方向竖直伸缩，从而带动拇指转动。

作为一种新的结构形式，一种单驱动可重构灵巧手，包括三个多自由度模块化手指和可重构手掌；所述的可重构手掌安装手指的位置可以在驱动系统的带动下重新分布，所述的驱动系统包括一个电机及其驱动的齿轮，通过同时等减速比驱动分布于两侧的齿轮绕轴旋转，带动其中两个手指可绕掌心同步转动，从而变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成多个构型结构，包括单侧抓取、均匀抓取以及对侧抓取。

所述的可重构手掌包括第一手掌板，第一盖板，第一支撑，第一手指固定板，第一齿轮，第二手指固定板，第十五轴，第二盖板，第二齿轮，第四电机，第一基座，第二支撑，第十六轴，第三齿轮，第三手指固定板，第四齿轮，第四手指固定板，第十七轴；

所述的第一手掌板与第一盖板固定连接；所述的第一支撑与所述的第一盖板固定连接；所述的第一手指固定板，第二手指固定板、第一齿轮与所述的第十五轴固定连接且同轴；所述的第二齿轮与所述的第四电机的电机轴固定连接且同轴；所述的第三齿轮与所述的第十六轴固定连接且同轴；所述的第三手指固定板、第四手指固定板、第四齿轮与所述的第十七轴固定连接且同轴；所述的第二齿轮与所述的第四电机的电机轴通过键固定连接；所述的第一齿轮与第二齿轮、第二齿轮与第三齿轮、第三齿轮与第四齿轮之间分别都是正确啮合的；所述的第十五轴、第十六轴、第十七轴与所述的第一盖板、第二盖板之间通过轴承连接；所述第一支撑与第二盖板固定连接；所述第二支撑与第二盖板固定连接；所述的第四电机与所述的第二盖板固定连接。

所述的三个多自由度模块化手指分别为第一手指、第二手指及第三手指，分别与可重构手掌固定连接，且三个手指的底部与用于支撑固定可重构手掌的第一基座是有距离的，悬空安装。

作为一种不同的结构形式，一种双驱动可重构灵巧手，包括三个多自由度模块化手指和可重构手掌，可重构手掌用于安装手指的位置可以在驱动系统的带动下重新分布，其中两个可运动的手指分别利用一个独立的电机驱动绕轴旋转，两个手指可以根据抓取任务的需要各自分别在两侧180度的范围内绕掌心转动，从而根据抓取需要变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成不同的构型结构。

所述的可重构手掌包括：第二手掌板，支撑杆，第一手指固定架，中间连接架，第五电机，手指固定底座，第二基座，第六电机，第二手指固定架；

所述的第二手掌板与中间连接架通过支撑杆连接，且第二手掌板所在的平面与中间连接架所在的平面平行；所述的第一手指固定架与中间连接架、第五电机的电机轴连接且同轴，所述的第五电机的电机轴旋转带动第一手指固定架旋转；所述的第二手指固定架与中间连接架、第六电机电机轴连接且同轴，所述的第六电机的电机轴旋转带动第二手指固定架旋转；所述的第一手指固定架、第二手指固定架、中间连接架位于同一水平面内；所述的手指固定底座与所述的第二基座固定连接。

所述的第五电机电机轴的两个旋转方向对应所述的第四手指靠近和远离第六手指两个旋转方向；所述的第六电机电机轴的两个旋转方向对应所述的第五手指靠近和远离第六手指两个旋转方向。

所述的三个多自由度模块化手指分别为：第四手指、第五手指及第六手指，所述的第四手指与第一手指固定架固定连接；所述的第五手指与第二手指固定架固定连接；所述的第六手指与所述的手指固定底座、中间连接架固定连接。

所述的第四手指、第五手指的底部与所述的第二基座是有距离的，悬空安装。

所述的三指灵巧手、或五指灵巧手、或单驱动可重构灵巧手、或双驱动可重构灵巧手，它们的运动学设计方法，首先需建立整个手的坐标系，即将各个手指末端i的坐标转换到手掌坐标系{Oh}，进行手掌手指正逆运动学计算；具体如下：

手掌手指正运动学，基于P_K和手指绕手掌旋转角度q_i，计算第i个手指末端K在手掌坐标系{O_h}下的位置坐标：)为初始时第i手指的基座坐标系{O_i}相对{O_h}的齐次坐标变换矩阵；T_i＝Rot(X,q_i)为第i手指的基座坐标系{O_i}相对{O_h}运动时的齐次坐标变换矩阵；

手掌手指逆运动学，基于_i 计算第i个手指末端K在手指的基座坐标系{O_i}下的位置坐标P_K；先计算再计算T_i＝Rot(X,q_i)，然后计算

所述三指灵巧手、五指灵巧手，手指基座相对手掌固定，T_i为单位矩阵。所述单驱动可重构灵巧手、双驱动可重构灵巧手，q_i由电机驱动产生。

本发明的有益效果为：本发明的模块化可重构多指灵巧手通过多个多自由度模块化手指不同组合将之安装到对应的三指手灵巧手掌、五指灵巧手手掌以及其它类型手掌上形成可重构三指灵巧手、五指灵巧手及多指灵巧手，灵活性较强，手指末端通过驱动系统的弹性输出为柔性，且抓取范围可调，制作成本较低，能够面对各种复杂任务下的抓取要求，抓取物体的能力大大加强。具体在于：

(1)多自由度(2个)模块化手指均采用模块化设计，具有相同的结构。每个手指由两个关节构成，分别为第一关节和第二关节，每个关节均由单独的电机驱动，传动机构采用连杆传动，每个关节可独立转动，是一个独立驱动的二自由度手指，使得末端位置可控、可测，相比欠驱动手指灵巧性更大，自适应抓取能力更强。而两个关节的驱动通过连杆机构进行传动，相比于集成在手指内，减少了手指体积，而远距离传动因采用连杆刚度与精度得到保证，由此实现两个关节的独立解耦控制。

(2)在保证手指体积尽量小的情况下，在第二关节上设计了两个可调节抓取范围的档位，当抓取物体体积较大时，手指包络范围初始状态要求大，可调节到第一档范围，手指可以保持初始伸直状态，包络范围较小，但足以满足抓取较大物体的需求。当抓取物体体积较小时，需要手指具有较大的包络范围，就可通过调节档位将其调节到第二档位，此时手指包络范围变大，可以满足抓取较小物体的需求，提高了手指在抓取不同体积大小物体时的适应能力，而且档位调节过程简单，方便操作。此外，手指第二关节末端为球状，这样可以保证在抓取过程中避免手指末端位姿对抓取物体的影响。

(3)在电机与传动构件连杆之间添加了柔性构件(弹簧)。在抓取物体时，手指末端呈柔性输出，大大提高了手指的自适应抓取能力，通过调整弹簧的弹性模量，可以改变抓取时的接触刚度。

(4)可重构的多指灵巧手使得灵巧手在处理多种抓取对象、抓取任务以及手内操作时，需要能够变换灵巧手多个手指的构型，组成不同手指分布或者数量的灵巧手，例如三指灵巧手、五指灵巧手，满足不同抓取、操作任务以及各种形状的目标。

(5)可重构多指灵巧手的手掌用于安装手指的位置可以在驱动系统的带动下重新分布，从而变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成多个构型结构，例如单侧抓取、均匀抓取以及对侧抓取等。

附图说明

图1所示为本发明实施例1的一种多自由度模块化手指整体结构图

图2所示为图1的结构爆炸图

图3所示为本发明实施例1驱动系统局部结构图

图4所示为本发明实施例1档位调节孔示意图

图5所示为本发明实施例1手指一档最大包络范围示意图

图6所示为本发明实施例1手指二档最大包络范围示意图

图7所示为本发明实施例1手指一档抓取范围示意图

图8所示为本发明实施例1手指二档抓取范围示意图

图9所示为本发明实施例2的一种多自由度模块化手指整体结构图

图10所示为图9的结构爆炸图

图11a、图11b所示为本发明实施例2的固定第一关节竖直不动情况下，第二关节的活动范围

图12a、图12b所示为本发明实施例2的第一关节弯曲情况下，第二关节的活动范围

图13所示为本发明实施例3-1的一种三指均布灵巧手整体结构图

图14所示为本发明实施例3-2的一种三指对称灵巧手整体结构图

图15所示为本发明实施例4的一种五指灵巧手整体结构图

图16所示为本发明实施例4五指灵巧手的手掌底部驱动系统结构图

图17所示为本发明实施例5的一种单驱动可重构灵巧手整体结构图

图18所示为图17的结构爆炸图

图19所示为本发明实施例5-1三个手指分布示意图

图20所示为本发明实施例5-2三个手指分布示意图

图21所示为本发明实施例5-3三个手指分布示意图

图22所示为本发明实施例6的一种双驱动可重构灵巧手整体结构图图23所示为图22的结构爆炸图

图24所示为本发明实施例6-1三个手指分布示意图

图25所示为本发明实施例6-2三个手指分布示意图

图26所示为本发明实施例6-3三个手指分布示意图

图27所示为本发明模块化手指正逆运动学关系涉及变量示意图

图28所示为灵巧手手指与手掌坐标关系涉及的变量示意图

图中编号如下：

1、1’-单指手指外壳 2、2’-主轴

3、3’-第一关节输出杆 4、4’-第二关节输出杆

5、5’-第一电机 6、6’-第二电机

7-第一连杆 8-第二连杆 9-第三连杆

10-第四连杆 11-第五连杆 12-第六连杆

13-第一弹簧轴 14-第二弹簧轴 15-第一弹簧、第二弹簧

16-第一转接杆、第二转接杆 16’-转接杆

17-垫圈 18-第一轴

19-第二轴 20-第三轴 21-第四轴

22-第五轴 23-固定电机座 24-六角型螺母

25-十字槽沉头螺钉 26-第六轴

27、27’-手指末端

28、28’-第一档调节孔 29、29’-第二挡调节孔

30-第七连杆 31-第八连杆 32-第九连杆

33-第十连杆 34-第十一连杆 35-第十二连杆

36-第十三连杆 37-第十四连杆 38-第十五连杆

39-第十六连杆 40-曲杆 41-第一电机轴

42-第二电机轴 43-第七轴 44-第八轴

45-第九轴 46-第十轴 47-第十一轴

48-第十二轴 49-第十三轴 50-第一电机固定座

51-第二电机固定座 52-电机底座

53-内六角螺栓 54-六角型螺母 55-主轴铜套

56-三指手侧板 57-三指手六角形盖板

58-三指手侧面板 59-三指手前面板 60-三指手盖板

61-三指手后面板 62-拇指支撑架 63-四指支撑架

64-十字槽沉头螺钉 65-拇指 66-食指

67-中指 68-无名指 69-小指

70-第十七连杆 71-第三电机 72-十字槽小盘头螺钉

73-第十四轴 74-电机固定座 75-第一手掌板

76-第一盖板 77-第一支撑 78-第一手指固定板

79-第一齿轮 80-第二手指固定板 81-第一手指

82-第十五轴 83-第二盖板 84-第二齿轮

85-第四电机 86-第一基座 87-第二支撑

88-第十六轴 89-第三齿轮 90-第三手指固定板

91-第四齿轮 92-第二手指 93-第四手指固定板

94-第十七轴 95-第三手指 96-第二手掌板

97-支撑杆 98-第一手指固定架 99-第四手指

100-中间连接架 101-第五电机 102-手指固定底座

103-第二基座 104-第六电机 105-第五手指

106-第二手指固定架 107-第六手指

具体实施方式

发明了一种多自由度模块化手指及模块化可重构多指灵巧手，该可重构多指灵巧手通过多个手指不同组合将之安装到对应的三指手手掌和五指手手掌上形成可重构三指灵巧手和五指灵巧手，灵活性较强，手指末端输出为柔性，且抓取范围可调，制作成本较低，能够面对各种复杂任务下的抓取要求，抓取物体的能力大大加强。以下是对可重构三指手和五指手的各部分零件名称、相互组装、位置关系、结构特征、工作过程的详细描述。

实施例1

一种多自由度模块化手指如图1所示，每个手指均采用模块化设计，具有相同的结构。所述的手指由第一关节单元、第二关节单元、驱动系统和手指末端组成。每个手指包括两个关节单元，分别为第一关节单元和第二关节单元，每个关节单元均由单独的电机驱动，传动机构采用连杆传动，每个关节单元在驱动电机作用下可转动，控制手指末端的2自由度位置。手指结构组成如图2和图4所示，各部分零件分别为单指手指外壳1、主轴2、第一关节输出杆3、第二关节输出杆4、第一电机5、第二电机6、第一连杆7、第二连杆8、第三连杆9、第四连杆10、第五连杆11、第六连杆12、第一弹簧轴13、第二弹簧轴14、两个弹簧、两个转接杆、两个垫圈17、第一轴18、第二轴19、第三轴20、第四轴21、第五轴22、固定电机座23、六角型螺母24、十字槽沉头螺钉25、手指末端27、第一档调节孔28、第二挡调节孔29。

所述第一关节单元，由第一关节输出杆3、第一电机5通过第一转接杆16、第五连杆11、主轴2彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机的上下竖直运动转换为第一关节单元的转动。具体描述：第一电机5通过固定电机座23将其连接在单指手指外壳1内侧，并且由十字槽沉头螺钉25与单指手指外壳1预留的螺钉孔位将其完全固定；第一电机5与第一弹簧轴13通过螺纹固连，一个第一转接杆16套在第一弹簧轴13上，一个第一弹簧15套在第一弹簧轴13上，且第一弹簧15一端顶住第一转接杆，另一端与一个垫圈17固连，第一弹簧15只能沿第一弹簧轴13在竖直方向上伸缩；第一转接杆16和第五连杆11一端铰接；第五连杆11另一端与第一关节输出杆3通过第三轴20铰接，第三轴两端均设计有螺纹并与六角型螺母24连接，同时第一关节输出杆3还与主轴2铰接，主轴与单指手指外壳铰接，并且固定在单指手指外壳上。通过上述描述的结构特征，第一电机驱动第一关节单元进行转动。

所述第二关节单元，由第二电机6通过主轴绕过第一关节单元并通过第二连杆8、第三连杆9、第四连杆10和第一关节单元输出杆彼此铰接组成的四连杆机构以及第六连杆12将第二电机的竖直上下运动转换为第二关节输出杆4的转动。具体描述：第二电机6通过固定电机座23将其连接在单指手指外壳1内侧，并且由十字槽沉头螺钉与单指手指外壳预留的螺钉孔位将其完全固定；第二电机6与第二弹簧轴14通过螺纹固连，一个第二转接杆16和一个第二弹簧15均套在第二弹簧轴14上，且第二弹簧一端顶住第二转接杆，另一端与一个垫圈17固连，第二弹簧15只能沿第二弹簧轴14在竖直方向上伸缩；第二转接杆16和第一连杆7均与第一轴18铰接，第一轴18两端设计有螺纹并与六角型螺母连接；第一连杆7与第二连杆8和第三连杆9均通过第二轴19铰接，第二连杆8和主轴2铰接；第三连杆9另一端与第四连杆10和第六连杆12通过第六轴26铰接，第六连杆12和第二关节输出杆4的两个档位调节孔其中之一铰接，第四连杆10另一端通过第四轴21和第一关节输出杆3、第二关节输出杆4同时铰接。通过上述描述的结构特征，当第二电机在竖直方向运动时，通过第二转接杆带动由第一连杆与第二连杆、第三连杆、第四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构以及第六连杆，将运动传递给第二关节输出杆使其绕第四轴21转动。

所述驱动系统，如图3所示，其结构特征在于在电机与传动构件连杆之间添加柔性构件弹簧，使得手指末端输出为柔性，并将电机与传动机构相结合，组成曲柄滑块机构，使其驱动电机可以保持竖直方向运动。即第一电机轴(41)通过弹簧与转接杆连接，第二电机轴(42)通过弹簧与转接杆连接；弹簧套在第一电机轴(41)或者第二电机轴(42)上，由此，驱动手指末端输出为柔性传动。

运动过程：第一电机5进行竖直方向伸缩，带动第一弹簧轴13和第五连杆11等构件运动进而带动第一关节单元转动；当第一关节单元接触到物体时，为抓紧物体，第一电机5会继续收缩，此时第一弹簧15沿着第一弹簧轴被拉伸，弹簧形变量逐渐增大，弹力也逐渐变大，直至成功抓取物体；同样根据实际情况并结合弹簧刚度，弹簧不会被无限拉伸，设计弹簧最多被拉伸5mm。同时，第二电机6进行竖直方向伸缩，带动第二弹簧轴14和第一连杆7以及第二连杆8、第三连杆9、第四连杆10和第一关节输出杆3彼此铰接组成的四连杆机构以及第六连杆12驱动第二关节输出杆4转动；当第二关节单元接触到物体时，为抓紧物体，第二电机会继续伸出，此时第二弹簧15沿着第二弹簧轴14收缩，弹簧形变量逐渐增大，弹力也逐渐变大，直至成功抓取物体；根据实际情况并结合弹簧刚度，弹簧不会无限收缩，设计弹簧最多压缩5mm。该驱动系统添加柔性构件后，使得手指末端抓取为柔性，大大提高了手指的自适应抓取能力，通过调整弹簧的弹性模量，可以改变抓取时的接触刚度。

所述手指末端27，如图4所示，其结构特征在于在保证手指体积尽量小的情况下，在第二关节输出杆4上设计了两个可调节抓取范围的档位调节孔，分别为第一挡调节孔28和第二档调节孔29。当抓取物体体积较大时，手指包络范围初始状态要求大，可将第六连杆12连接到第一档调节孔28，手指可以保持初始伸直状态，包络范围较小，但足以满足抓取较大物体的需求。当抓取物体体积较小时，需要手指具有较大的包络范围，就可通过调节档位将第六连杆12连接到第二挡调节孔29，此时手指包络范围变大，可以满足抓取较小物体的需求，提高了手指在抓取不同体积大小物体时的适应能力，而且档位调节过程简单，方便操作。手指两种调节状态包络范围分别如图5、图6、图7、图8所示，其中图7、8中黑色区域为抓取范围。

更优地，手指末端为球状，这样可以保证在抓取过程中避免手指末端位姿对抓取物体的影响，抓取更容易。

所述的一种多自由度模块化手指运动过程如下：由于该手指是独立驱动，因此在手指刚开始伸直状态下，第一关节单元保持不动，第二关节单元通过第二电机6驱动也可进行转动。两个关节分别由两个电机独立驱动，驱动部分设计成曲柄滑块机构使得第一电机5和第二电机6能够保持在竖直方向上移动，保证了运动的可靠性。当手指开始抓取时，第一关节单元由第一电机通过转接杆、第五连杆、第一关节输出杆、主轴彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机的上下竖直运动转换为第一关节单元转动，使得第一关节单元开始弯曲；同时第二关节单元由第二电机通过主轴绕过第一关节输出杆并通过第二连杆、第三连杆、第四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构以及第六连杆将第二电机的竖直上下运动转换为第二关节单元转动，使得第二关节单元开始进行弯曲，但第二关节单元运动时，并不对第一关节单元的运动产生影响，实现解耦。当第一电机完全收缩时，第一关节单元停止转动，此时第一关节单元弯曲达到最大值；由于考虑到第二关节单元末端抓取范围要尽可能的大，因此选取的第二电机行程大于第一电机的行程，以便更好的抓取包络物体。此时第二电机继续伸出，第二关节单元不断扩大包络范围，当第二电机完全伸出时，第二关节单元停止弯曲，并且达到最大包络范围，同时配合第一关节单元完成抓取包络过程。

实施例2

更优地，另一种多自由度模块化手指如图9所示，一是为提高模块化手指的传力性能以及强度和刚度等，手指各关节铰接处采用了双轴连杆设计，同时还可以增加模块化手指的定位精度；二是为了提高手指的抓取包络范围，提升手指抓取能力，将第二关节的一个连杆(实施例1中为直杆)设计为弯曲杆，能显著提高手指第二关节抓取包络范围。手指由第一关节单元、第二关节单元、驱动系统和手指末端组成。手指结构组成如图10所示，各部分零件分别为单指手指外壳1’，主轴2’，第一关节输出杆3’，第二关节输出杆4’，第一电机5’，第二电机6’，第七连杆30、第八连杆31、第九连杆32、第十连杆33、第十一连杆34、第十二连杆35、第十三连杆36、第十四连杆37、第十五连杆38、第十六连杆39、曲杆40、转接杆16’、第一电机轴41、第二电机轴42、第七轴43、第八轴44、第九轴45、第十轴46、第十一轴47、第十二轴48、第十三轴49、第一电机固定座50、第二电机固定座51、电机底座52、内六角螺栓53、六角型螺母54、主轴铜套55。

所述第一关节单元，由第一关节输出杆3’、第一电机5’通过一个转接杆16’、第十一连杆34、第十二连杆35、主轴2’彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机5’的上下竖直运动转换为第一关节单元的转动；

所述第二关节单元，由第二电机6’通过主轴2’绕过第一关节单元并通过第九连杆32、第十连杆33、曲杆40、第十三连杆36、第十四连杆37和第一关节单元输出杆彼此铰接组成的四连杆机构；以及第十五连杆38、第十六连杆39将第二电机6’的竖直上下运动转换为第二关节输出杆4’的转动；

所述手指末端，包括设置于第二关节输出杆4’上的两个档位调节孔，分别为第一挡调节孔28’和第二档调节孔29’，可调节抓取范围。

所述第一电机5’设置在一单指手指外壳1’内侧；第一电机5’与第一电机轴41固连，转接杆16’套在第一电机轴41上；转接杆16’和第十一连杆34、第十二连杆35均与第九轴45铰接，第九轴45一端设计有螺纹并与六角型螺母54连接；第十一连杆34、第十二连杆35的另一端与第一关节输出杆3’通过第十轴46铰接，同时第一关节输出杆3’还与主轴2’铰接，主轴2’与单指手指外壳1’铰接并固定；

所述的第二电机6’设置在一单指手指外壳1’内侧；第二电机6’与第二电机轴42通过螺纹固连，转接杆16’套在第二电机轴42上；转接杆16’和第七连杆30、第八连杆31均与第七轴43铰接，第七轴43一端设计有螺纹并与六角型螺母54连接；第七连杆30、第八连杆31与第九连杆32、第十连杆33和曲杆40均通过第八轴44铰接，第九连杆32、第十连杆33、主轴铜套55和主轴2’铰接；曲杆40另一端与第十三连杆36、第十四连杆37和第十五连杆38、第十六连杆39通过第十二轴48铰接，第十五连杆38、第十六连杆39和第二关节输出杆4’的两个档位调节孔其中之一通过第十三轴49铰接，第十三连杆36、第十四连杆37的另一端通过第十一轴47和第一关节输出杆3’、第二关节输出杆4’同时铰接；通过上述结构，当第二电机6’在竖直方向运动时，通过转接杆16’带动由第七连杆与第八连杆、第九连杆、第十连杆、曲杆、第十三连杆、第十四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构以及第十五连杆、第十六连杆，将运动传递给第二关节输出杆使其绕第十一轴转动。

所述的曲杆40，可显著提高第二关节的抓取包络范围，提升手指抓取能力。当第一电机5’运动到最大行程的时候，第一关节处于竖直状态，手指第二关节的活动范围提高了，当连接结构为直杆的情况下，手指第二关节的活动范围为0-65度，如图11a所示；当连接结构为曲杆40的情况下，手指第二关节的活动范围为0-93度，如图11b所示；相比直杆，第二关节在第一电机运动到最大行程的情况下，手指活动范围增加了近30度左右。当第一电机运动到最小行程的时候，第一关节处于最大弯曲状态，手指第二关节的活动范围也得到了提高，当连接结构为直杆的情况下，手指第二关节的活动范围为0-74度，如图12a所示；当连接结构为曲杆40的情况下，手指第二关节的活动范围为0-80度，如图12b所示；相比直杆，第二关节在第一电机运动到最小行程的时候，手指活动范围增加了近6度左右。所以当连接结构使用曲杆的情况下，手指的第二关节活动范围更大，从而手指能更加灵活。

对于可重构三指手和五指手，结合前面提出的手指，设计不同的固定手掌结构，并将手指灵活的布置在手掌上，即可形成多种不同的三指手和五指手，以满足多样化的抓取需求，手掌结构简单，易于装配，而且制作成本低。

实施例3-1

一种三指均布灵巧手，如图13所示，由手掌和120°分布的三个手指构成，手掌由三指手侧板56和三指手六角形盖板57组成，每个手指两个自由度，整手共有6个自由度。

所述三指均布灵巧手手掌，其结构特征在于由三指手侧板56、三指手六角形盖板57组成，6块三指手侧板以正六边形方式布置，三指手六角形盖板安装在6块三指手侧板按正六边形方式布置的上方，充当掌心。抓取时，手掌保持不动，依靠三个手指抓取。每个三指手侧板上都设计有安装孔位，单指手指外壳上也预留有安装孔位，通过十字槽沉头螺钉将每个手指固定在手掌上。

抓取过程：手掌和掌心固定不动，三个手指同时弯曲，三指朝着一点方向汇聚，完成抓取动作。由于每个手指结构大小尺寸完全相同，运动过程也相同，手指的结构特征和运动过程上面已有介绍，故在此不做详细介绍。

实施例3-2

一种三指对称灵巧手，如图14所示，由手掌和基于手掌两侧的三个手指构成，手掌由三指手侧面板58、三指手前面板59、三指手盖板60、三指手后面板61组成，在手掌一侧安装一个手指，另一侧安装两个手指，每个手指两个自由度，整手共有6个自由度。

所述三指对称灵巧手手掌，其结构特征在于由三指手侧面板58、三指手前面板59、三指手盖板60以及三指手后面板61组成，其中三指手盖板安装在三指手前面板、三指手后面板和三指手侧面板上方，充当掌心。三指手前面板和三指手后面板上设计有安装孔位，通过十字槽沉头螺钉将三个手指固定在手掌上，三指手前面板上安装一个手指，三指手后面板上以并排方式安装两个手指，三个手指对称分布。

抓取过程：手掌和掌心固定不动，三个手指同时弯曲，形成对物体的纵向包络，完成抓取动作。由于每个手指结构大小尺寸完全相同，运动过程也相同，手指的结构特征和运动过程上面已有介绍，故在此不做详细介绍。

实施例4

一种五指灵巧手，如图15所示，由手掌和五个手指构成，手指分别为拇指65、食指66、中指67、无名指68、小指69，手掌由拇指支撑架62、四指支撑架63、十字槽沉头螺钉64组成。拇指具有三个独立自由度，其余四指分别为2个独立自由度，该五指手手指均与前面介绍手指结构形状完全相同，整手共11个独立自由度。如图16所示，手掌底部还安装有驱动系统，用于带动拇指进行转动，使拇指增加了一个自由度，帮助其余四指配合抓取。其驱动系统由第十七连杆70、第三电机71、十字槽小盘头螺钉72以及第十四轴73和电机固定座74组成。

所述五指手手掌，其结构特征在于拇指65固定在拇指支撑架62上，并且拇指安装与手掌呈一定的角度，类似人手，其余四指均并排排列在四指支撑架63上。手掌底部安装有第三电机71，用于带动拇指转动。第三电机通过电机固定座和十字槽小盘头螺钉将其固定在四指支撑架底部，第三电机末端与第十七连杆通过第十四轴铰接，第十七连杆的另一端与拇指支撑架铰接，再结合四指支撑架共同构成曲柄滑块机构，使第三电机可以沿着自身方向竖直伸缩，从而带动拇指转动。

抓取过程：手掌和掌心固定不动，各手指开始弯曲，通过第三电机沿自身方向伸缩来控制拇指支撑架转动，进而带动拇指转动，拇指通过自身的旋转自由度配合其余四指完成抓取任务，可以实现两指抓取，三指抓取以及五指抓取等。由于每个手指结构大小尺寸完全相同，运动过程也相同，且手指的结构特征和运动过程上面已有介绍，故在此不做详细介绍。

实施例5

一种单驱动可重构灵巧手如图17所示，由三个手指和可重构手掌构成，组成如图18所示。可重构手掌用于安装手指的位置可以在驱动系统的带动下重新分布，利用电机驱动齿轮，同时等减速比驱动两侧齿轮绕轴旋转，两个手指可绕掌心同步转动。从而变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成多个构型结构，例如单侧抓取、均匀抓取以及对侧抓取等。

所述的一种单驱动可重构灵巧手包括第一手掌板75，第一盖板76，第一支撑77，第一手指固定板78，第一齿轮79，第二手指固定板80，第一手指81，第十五轴82，第二盖板83，第二齿轮84，第四电机85，第一基座86，第二支撑87，第十六轴88，第三齿轮89，第三手指固定板90，第四齿轮91，第二手指92，第四手指固定板93，第十七轴94，第三手指95等；

所述的第一手掌板75与第一盖板76均设计有安装孔位，通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第一支撑77，设计有安装孔位，与所述的第一盖板76通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第一手指81、第二手指92、第三手指95均与前面介绍的手指结构形状完全相同；所述的第一手指固定板78、第二手指固定板80均设计有安装孔位，与所述的第一手指81通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第一手指固定板78、第二手指固定板80、第一齿轮79与所述的第十五轴82通过键固定连接且同轴；所述的第二齿轮84与所述的第四电机85的电机轴固定连接且同轴；所述的第三齿轮89与所述的第十六轴88通过键固定连接且同轴；所述的第三手指固定板90、第四手指固定板93、第四齿轮91与所述的第十七轴94通过键固定连接且同轴；所述的第二手指81与第三手指固定板90、第四手指固定板93通过安装孔位及十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第一齿轮79与所述的第二齿轮84是正确啮合的；所述的第二齿轮84与所述的第三齿轮89是正确啮合的；所述的第三齿轮89与所述的第四齿轮91是正确啮合的；所述的第十五轴82、第十六轴88、第十七轴94与所述的第一盖板76、第二盖板83之间通过轴承连接；所述的第二盖板83与所述的第一支撑77均设计有安装孔位，第一支撑77与第二盖板83通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第二支撑87与所述的第二盖板83均设计有安装孔位，第二支撑87与第二盖板83通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第三手指95与所述的第二支撑87通过安装孔位及十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第一手指81、第二手指92、第三手指95底部与所述的第一基座86是有距离的，悬空安装；所述的第四电机85与所述的第二盖板83均设计有安装孔位，通过十字槽沉头螺钉固定连接；

所述的单驱动可重构灵巧手的运动过程为：所述的第四电机转动，带动所述的第二齿轮旋转，第二齿轮的旋转带动第一齿轮、第三齿轮旋转，第一齿轮旋转带动所述的第一手指固定板、第二手指固定板转动，从而带动所述的第一手指转动；第三齿轮的旋转带动第四齿轮的旋转，从而带动所述的第三手指固定板、第四手指固定板转动，从而带动所述的第二手指转动；第一手指、第二手指是在第三手指的两侧一起协同运动的，能在第一基座上绕着中心旋转，第三手指的位置固定不动，第一手指、第二手指的3种主要位置形态如图19，20，21所示。

实施例5-1，如图19，是第一手指、第二手指运动到与第三手指在同一侧且并排排着；

实施例5-2，如图20，是第一手指与第二手指运动到第三手指的对侧，且第一手指与第二手指平行排着；

实施例5-3，如图21，是第一手指与第二手指运动到第三手指两侧相对着。

抓取过程：根据抓取任务的需求，可重构手掌通过驱动系统变换第一手指与第二手指的位置，使其运动到合适的抓取位置，然后第一手指、第二手指与第三手指同时弯曲，朝着一点方向汇聚，完成抓取动作。

实施例6

一种双驱动可重构灵巧手如图22所示，由三个手指和可重构手掌构成，组成如图23所示，由第二手掌板96，支撑杆97，第一手指固定架98，第四手指99，中间连接架100，第五电机101，手指固定底座102，第二基座103，第六电机104，第五手指105，第二手指固定架106，第六手指107组成；

所述的第二手掌板96与所述的中间连接架100通过所述的支撑杆97连接且第二手掌板96所在平面与中间连接架100所在平面平行；所述的第四手指99、第五手指105、第六手指107均与前面介绍的手指结构形状完全相同；所述的第一手指固定架98设计有安装孔位，与所述的第四手指99通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第一手指固定架98与所述的中间连接架100、第五电机101的电机轴连接且同轴，所述的第五电机101的电机轴旋转带动所述的第一手指固定架98旋转，从而带动所述的第四手指99绕着中心转动，所述的第五电机101电机轴的两个旋转方向对应所述的第四手指99靠近和远离第六手指107两个旋转方向；所述的第五电机101与所述的第二基座103固定连接；所述的第二手指固定架106设计有安装孔位，与所述的第五手指105通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第二手指固定架106与所述的中间连接架100、第六电机104电机轴连接且同轴，所述的第六电机104的电机轴旋转带动所述的第二手指固定架106旋转，从而带动所述的第五手指105绕着中心转动，所述的第六电机104电机轴的两个旋转方向对应所述的第五手指(76)靠近和远离第六手指(78)两个旋转方向；所述的第六电机104与所述的第二基座103固定连接；所述的第一手指固定架98、第二手指固定架106、中间连接架100位于同一水平面内；所述的手指固定底座102设计有安装孔位，与所述的第二基座103通过十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第六手指107与所述的手指固定底座102、中间连接架100通过安装孔位和十字槽沉头螺钉固定连接；所述的第四手指99、第五手指105底部与所述的第二基座103是有距离的，悬空安装；

所述的双驱动可重构灵巧手的运动过程为：第六手指固定安装在第二基座的手指固定底座上，第四手指与第五手指的运动互不影响干涉，可以分别单独运动；可以通过控制第五电机来控制第四手指的运动，使其在第六手指一侧180度空间范围内运动，此时第五手指不受影响；也可以通过控制第六电机来控制第五手指的运动，使其在第六手指另一侧180度空间范围内运动，此时第四手指不受影响；还可以同时通过控制第五电机、第六电机来控制第四手指、第五手指同时运动，使其在第六手指两侧的180度空间范围内同时运动；根据需求，可以分别让第四手指、第五手指运动到期望的位置；第四手指、第五手指的3种主要位置形态如图24，25，26所示。

实施例6-1，如图24，是第四手指、第五手指分别运动到第六手指的一侧，三指并排；

实施例6-2，如图25，是第四手指、第五手指运动到与第六手指空间呈120度的分布方式；

实施例6-3，如图26，是第四手指、第五手指分别在第六手指的两侧运动到任意角度。

抓取过程：根据抓取任务的需求，可重构手掌通过驱动系统单独或者同时变换第四手指与第五手指的位置，使其运动到合适的抓取位置，然后第四手指、第五手指与第六手指同时弯曲，朝着一点方向汇聚，完成抓取动作。

针对目前灵巧手手指自由度少、工作空间不可调、构型结构单一等问题，本发明提出了一种模块化多自由度手指、可重构手掌以及可重构多指灵巧手。该模块化可重构多指灵巧手传动机构为连杆传动，驱动方式为电机驱动，每个手指均采用模块化设计，形状结构完全相同。通过手指数量不同组合将之安装到对应的三指手手掌和五指手手掌上形成可重构三指灵巧手和五指灵巧手，三指灵巧手由6个电机驱动，具有6个独立自由度；五指灵巧手由11个电机驱动，拇指具有3个独立自由度，其余四指具有2个独立自由度，共有11个独立自由度，灵活性较强；可重构三指灵巧手由7个或8个电机驱动；在驱动电机与连杆之间添加弹性构件弹簧，使手指末端输出为柔性，自适应抓取能力加强；手指第二关节上安装有两档调节孔，抓取范围可大可小，制作成本较低，结构简单、紧凑，易安装，能够有效实施对不同形状大小物体的自适应抓取，抓取物体的能力大大加强。

手指末端和第一、第二电机的控制关系可通过正逆运动学计算，利用正运动学计算手指末端的位置坐标和工作空间，利用逆运动学计算拟得到末端坐标所需的第一、第二电机伸缩量，如图27所示。

手指末端的正运动学计算方法，正运动学为根据第一电机轴41和第二电机轴42伸缩量L₁和L₂计算第一关节的角度θ₁和第二关节角度θ₂以及手指末端27端的坐标P_K，逆运动学反之。整个手指位于XY平面内，在手指平面内两个杆件交点的坐标变换可利用沿着杆件的平移Trans(L)和在交点处绕着垂直平面的Z轴的旋转Rot(θ)。

手指末端的正运动学计算方法为，先计算S1，再计算S2，然后计算S3；逆运动学计算方法为，先计算S3，再计算S1和S2；

S1:建立第一电机轴的伸缩量L₁与第一关节单元的弯曲角度θ₁之间的解析关系式；

所述S1具体过程如下：以第一关节输出杆与手指外壳的交点A为原点，坐标P_A＝(0,0,0,1)’，B点、C点、D点、F点、H点、G点坐标矢量末位补1，与齐次坐标变换矩阵对齐，第一电机轴伸缩方向为X轴，手指工作空间所在平面为XY面，垂直该面为Z轴，建立固定到手指基座的右手坐标系{O_A}～XYZ；B点为第十一连杆与转接杆的交点；初始时，B点距离A点在X轴方向的距离为L_1init，横坐标y_B固定不变，则B点坐标：

P_B＝(x_B,y_B,z_B,1)'＝(L_1init+L₁,y_B,0,1)' (1)

C点为第十一连杆与第一关节输出杆的交点；在C点处绕着垂直XY平面的Z轴的旋转角度为θ₁，沿着X_AC轴平移L_AC，得到C点坐标：

P_C＝(x_C,y_C,z_C,1)'＝Rot(Z,θ₁)·Trans(X_AC,L_AC)P_A (2)

以AC为X轴，A为原点建立的连接到第一关节输出杆的随动坐标系，X_AC为随动坐标系的X轴；L_AC为AC杆长。BC间距离固定不变，则得到约束方程：

将方程(1)和(2)带入方程(3)，得到方程(4)：f(L₁,θ₁)＝0；

正运动学中，方程(4)解析解为，根据L₁计算θ₁:

逆运动学中，方程(4)解析解为，根据θ₁计算L₁:

根据第一电机轴的伸缩量L₁的实际取值，对方程(6)的正负号进行取舍,在X轴方向上，A介于B、C之间时，取负号。

S2：根据步骤S1中的第一电机轴的伸缩量L₁与第一关节单元的弯曲角度θ₁，建立第二电机轴的伸缩量L₂与第二关节单元的弯曲角度θ₂之间的解析关系式；

所述S2具体过程如下：

D点为转接杆和第七连杆、第八连杆一端的交点，P_D为D点的坐标，初始时，D点距离A点在X轴方向的距离为L_2init，横坐标y_D固定不变，则D点坐标：

P_D＝(x_D,y_D,z_D,1)'＝(L_2init+L₂,y_D,0,1)' (7)

F点为第七连杆、第八连杆与第九连杆、第十连杆和曲杆的交点，P_F为F点的坐标，L_DF为D点与F点之间的坐标距离，a₁为AF绕A点的旋转角度；与方程(2)同理，得到F点坐标：

P_F＝(x_F,y_F,z_F,1)'＝Rot(Z,a₁)·Trans(X_AF,L_AF)P_A (8)

与方程(3)同理，DF间距离固定不变，则得到约束方程：

将方程(7)和(8)带入方程(9)，得到方程(10)：f(L₂,a₁)＝0；分别得到正逆运动学中L₂和a₁的计算关系；

正运动学中，方程(10)解析解为，根据L₂计算a₁:

逆运动学中，方程(10)解析解为，根据a₁计算L₂:

根据第二电机轴的伸缩量L₂的实际取值，对方程(12)的正负号进行取舍,在X轴方向上，A介于D、F之间时，取负号；

H点为第一关节输出杆与第二关节输出杆的交点，P_H为H点的坐标，G点为曲杆另一端与第十三连杆、第十四连杆和第十五连杆、第十六连杆的交点，P_G为G点的坐标，L_GF为G点与F点之间的坐标距离，I点为第十五连杆、第十六连杆和第二关节输出杆的交点，a₂为GH绕A点旋转角度，则：

H点坐标为：

P_H＝(x_H,y_H,z_H,1)'＝Rot(Z,θ₁)·Trans(X_AH,L_AH)P_A (13)

G点坐标为：

P_G＝(x_G,y_G,z_G,1)'＝Rot(Z,a₂)·Trans(Y_GH,L_GH)P_H (14)

与方程(3)同理，GF间距离固定不变，则得到约束方程：

HI相对AH转角为：

θ₂＝a₂+∠GHI (16)

将方程(8)、(13)、(14)和(16)带入方程(15)，得到方程(17)：f(a₁,θ₁,θ₂)＝0；

正运动学中，方程(17)解析解为，根据a₁、θ₁计算θ₂(θ₂＝a₂+∠GHI):

逆运动学中，方程(17)解析解为方程，根据θ₁、θ₂(a₂＝θ₂-∠GHI)，计算a₁，

再基于方程(12)计算L₂。

S3：计算模块化手指运动学中θ₁、θ₂和手指末端K的坐标P_K＝(x_K,y_K,z_K,1)'的解析式，z_K为固定值，由手掌决定。

所述S3具体过程如下:

正运动学中，根据θ₁、θ₂计算P_K：

逆运动学中，根据P_K计算θ₁、θ₂：

其中，所述Rot(Z,θ)为绕Z轴旋转θ角度的4×4齐次旋转矩阵；所述Trans(X,d)为沿着X轴平移d距离的4×4齐次平移矩阵。

上述f方程解算方法，在不易得到解析解情况下，可利用迭代牛顿欧拉法或者龙格库塔法或者非线性优化方法得到数值解。

将各个手指末端坐标转换到手掌坐标系，进行正逆运动学计算，可以利用正运动学计算手指末端在手掌坐标系下的位置坐标和工作空间，利用逆运动学计算拟得到手掌坐标系下末端坐标所需的各个手指的第一、第二电机伸缩量。

如图28，对于多指灵巧手，首先需建立整个手的坐标系，即将各个手指末端i的坐标转换到手掌坐标系{Oh}，进行手掌手指正逆运动学计算。

具体如下：

手掌手指正运动学，基于P_K和手指绕手掌旋转角度q_i，计算第i个手指末端K在手掌坐标系{O_h}下的位置坐标：为初始时第i手指的基座坐标系{O_i}相对{O_h}的齐次坐标变换矩阵；T_i＝Rot(X,q_i)为第i手指的基座坐标系{O_i}相对{O_h}运动时的齐次坐标变换矩阵；

手掌手指逆运动学，基于计算第i个手指末端K在手指的基座坐标系{O_i}下的位置坐标P_K；先计算再计算T_i＝Rot(X,q_i)，然后计算

所述三指灵巧手、五指灵巧手，手指基座相对手掌固定，T_i为单位矩阵。所述单驱动可重构灵巧手、双驱动可重构灵巧手，q_i由电机驱动产生。

Claims (10)

1.一种多自由度模块化手指，其特征在于：该模块化手指包括第一关节单元、第二关节单元、电机和手指末端，每个关节单元均由单独的电机驱动，每个关节单元在电机和传动机构的作用下转动，控制手指末端的2个自由度位置；所述的传动机构包括多个连杆及转接杆；

所述第一关节单元，由第一关节输出杆(3)、第一电机(5)通过第一转接杆、第五连杆(11)、主轴(2)彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机的上下竖直运动转换为第一关节单元的转动；

所述第二关节单元的结构为：第二电机(6)通过主轴(2)绕过第一关节单元并通过由第二连杆(8)、第三连杆(9)、第四连杆(10)和第一关节输出杆(3)彼此铰接组成的四连杆机构，以及第六连杆(12)将第二电机的竖直上下运动转换为第二关节输出杆(4)的转动；

其中，在所述的电机与传动机构连杆之间添加柔性构件，使得手指末端输出为柔性，并将电机与传动机构相结合，组成曲柄滑块机构和四连杆机构，使电机可以保持竖直方向运动；所述的柔性构件包括第一弹簧、第二弹簧；

所述手指末端，包括设置于第二关节输出杆(4)上的档位调节孔，可调节抓取范围；

所述第一电机(5)设置在一单指手指外壳(1)内侧，且通过螺纹与第一弹簧轴(13)固连，第一转接杆套在第一弹簧轴(13)上，第一弹簧也套在第一弹簧轴(13)上，且第一弹簧一端顶住第一转接杆，另一端与一个垫圈(17)固连，使得第一弹簧只能沿第一弹簧轴(13)在竖直方向上伸缩；第一关节输出杆(3)、第五连杆(11)与同一个第三轴(20)铰接；第五连杆(11)的另一端与第一转接杆铰接，同时第一关节输出杆(3)还与主轴(2)铰接，主轴(2)与单指手指外壳(1)铰接，并固定在单指手指外壳上；

所述第二电机(6)设置于单指手指外壳(1)内侧；第二电机(6)与第二弹簧轴(14)通过螺纹固连，第二转接杆和第二弹簧均套在第二弹簧轴(14)上，且第二弹簧一端顶住第二转接杆，另一端与一个垫圈(17)固连，使得第二弹簧只能沿第二弹簧轴(14)在竖直方向上伸缩；第二转接杆、第一连杆(7)与同一个第一轴(18)铰接；第一连杆(7)同时与第二连杆(8)和第三连杆(9)通过一个第二轴(19)铰接，同时第二连杆(8)和主轴(2)铰接；第三连杆(9)另一端与第四连杆(10)和第六连杆(12)通过一个第六轴(26)铰接，第六连杆(12)与第二关节输出杆(4)的两个档位调节孔其中之一通过一个第五轴(22)铰接，第四连杆(10)另一端通过第四轴(21)和第一关节输出杆(3)、第二关节输出杆(4)同时铰接；当第二电机在竖直方向运动时，通过第二转接杆带动第一连杆与由第二连杆、第三连杆、第四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构、第六连杆，将运动传递给第二关节输出杆使其转动。

2.一种多自由度模块化手指，其特征在于：所述的模块化手指包括第一关节单元、第二关节单元、电机和手指末端，每个关节单元均由单独的电机驱动，每个关节单元在驱动电机和传动机构的作用下转动，控制手指末端的2个自由度位置；所述的传动机构包括多个连杆及转接杆；所述的连杆至少有一个为曲杆；具体结构如下：

所述第一关节单元，由第一关节输出杆(3’)、第一电机(5’)通过转接杆(16’)、第十一连杆(34)、第十二连杆(35)、主轴(2’)彼此铰接构成曲柄滑块机构，将第一电机(5’)的上下竖直运动转换为第一关节单元的转动；

所述第二关节单元，由第二电机(6’)通过主轴(2’)绕过第一关节单元并通过由第九连杆(32)、第十连杆(33)、曲杆(40)、第十三连杆(36)、第十四连杆(37)和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构，以及第十五连杆(38)、第十六连杆(39)将第二电机(6’)的竖直上下运动转换为第二关节输出杆(4’)的转动；第二电机(6’)作动不影响第一关节单元；

所述手指末端，包括设置于第二关节输出杆(4’)上的档位调节孔，可调节抓取范围；

所述第一电机(5’)设置在一单指手指外壳(1’)内侧；第一电机(5’)与第一电机轴(41)固连，一个转接杆(16’)套在第一电机轴(41)上；该转接杆(16’)和第十一连杆(34)、第十二连杆(35)均与第九轴(45)铰接，第十一连杆(34)、第十二连杆(35)的另一端与第一关节输出杆(3’)通过第十轴(46)铰接，同时第一关节输出杆(3’)还与主轴(2’)铰接，主轴(2’)与单指手指外壳(1’)铰接并固定；

所述的第二电机(6’)设置在一单指手指外壳(1’)内侧；第二电机(6’)与第二电机轴(42)通过螺纹固连，另一个转接杆(16’)套在第二电机轴(42)上；另一个转接杆(16’)和第七连杆(30)、第八连杆(31)均与第七轴(43)铰接，第七轴(43)一端设计有螺纹并与六角型螺母(54)连接；第七连杆(30)、第八连杆(31)与第九连杆(32)、第十连杆(33)和曲杆(40)均通过第八轴(44)铰接，第九连杆(32)、第十连杆(33)、主轴铜套(55)和主轴(2’)铰接；曲杆(40)另一端与第十三连杆(36)、第十四连杆(37)和第十五连杆(38)、第十六连杆(39)通过第十二轴(48)铰接，第十五连杆(38)、第十六连杆(39)和第二关节输出杆(4’)的两个档位调节孔其中之一通过第十三轴(49)铰接，第十三连杆(36)、第十四连杆(37)的另一端通过第十一轴(47)和第一关节输出杆(3’)、第二关节输出杆(4’)同时铰接；当第二电机(6’)在竖直方向运动时，通过转接杆带动由第七连杆与第八连杆、第九连杆、第十连杆、曲杆、第十三连杆、第十四连杆和第一关节输出杆彼此铰接组成的四连杆机构以及第十五连杆、第十六连杆，将运动传递给第二关节输出杆使其绕第十一轴转动。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度模块化手指，其特征在于：所述的手指末端和第一、第二电机的控制关系可通过正、逆运动学计算，利用正运动学计算手指末端的位置坐标和工作空间，利用逆运动学计算得到手指末端坐标所需的第一、第二电机伸缩量；手指末端的正运动学计算方法为，先计算步骤S1，再计算步骤S2，然后计算步骤S3；逆运动学计算方法为，先计算步骤S3，再计算步骤S1和步骤S2；

步骤S1:建立第一电机轴(41)的伸缩量L₁与第一关节单元的弯曲角度θ₁之间的解析关系式；

S2：根据步骤S1中的第一电机轴(41)的伸缩量L₁与第一关节单元的弯曲角度θ₁，建立第二电机轴(42)的伸缩量L₂与第二关节单元的弯曲角度θ₂之间的解析关系式；

S3：计算模块化手指运动学中θ₁、θ₂和手指末端K的坐标P_K＝(x_K,y_K,z_K,1)'的解析式，z_K为固定值，由手掌决定。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度模块化手指，其特征在于：所述步骤S1具体过程如下：以第一关节输出杆(3’)与手指外壳的交点A为原点，坐标P_A＝(0,0,0,1)’，B点、C点、D点、F点、H点、G点坐标矢量末位补1，与齐次坐标变换矩阵对齐，第一电机轴(41)伸缩方向为X轴，手指工作空间所在平面为XY面，垂直该面为Z轴，建立固定到手指基座的右手坐标系{O_A}～XYZ；B点为第十一连杆(34)与转接杆(16’)的交点；初始时，B点距离A点在X轴方向的距离为L_1init，横坐标y_B固定不变，则B点坐标：

P_B＝(x_B,y_B,z_B,1)'＝(L_1init+L₁,y_B,0,1)' (1)

C点为第十一连杆(34)与第一关节输出杆(3’)的交点；在C点处绕着垂直XY平面的Z轴的旋转角度为θ₁，沿着X_AC轴平移L_AC，得到C点坐标：

P_C＝(x_C,y_C,z_C,1)'＝Rot(Z,θ₁)·Trans(X_AC,L_AC)P_A (2)

以AC为X轴，A为原点建立的连接到第一关节输出杆(3’)的随动坐标系，X_AC为随动坐标系的X轴；L_AC为AC杆长；BC间距离固定不变，则得到约束方程：

将方程(1)和(2)带入方程(3)，得到方程(4)：f(L₁,θ₁)＝0；

正运动学中，方程(4)解析解为，根据L₁计算θ₁:

逆运动学中，方程(4)解析解为，根据θ₁计算L₁:

根据第一电机轴(41)的伸缩量L₁的实际取值，对方程(6)的正负号进行取舍,在X轴方向上，A介于B、C之间时，取负号；

D点为转接杆(16’)和第七连杆(30)、第八连杆(31)一端的交点，P_D为D点的坐标，初始时，D点距离A点在X轴方向的距离为L_2init，横坐标y_D固定不变，则D点坐标：

P_D＝(x_D,y_D,z_D,1)'＝(L_2init+L₂,y_D,0,1)' (7)

F点为第七连杆(30)、第八连杆(31)与第九连杆(32)、第十连杆(33)和曲杆(40)的交点，P_F为F点的坐标，L_DF为D点与F点之间的坐标距离，a₁为AF绕A点的旋转角度；与方程(2)同理，得到F点坐标：

P_F＝(x_F,y_F,z_F,1)'＝Rot(Z,a₁)·Trans(X_AF,L_AF)P_A (8)

与方程(3)同理，DF间距离固定不变，则得到约束方程：

将方程(7)和(8)带入方程(9)，得到方程(10)：f(L₂,a₁)＝0；分别得到正逆运动学中L₂和a₁的计算关系；

正运动学中，方程(10)解析解为，根据L₂计算a₁:

逆运动学中，方程(10)解析解为，根据a₁计算L₂:

根据第二电机轴(42)的伸缩量L₂的实际取值，对方程(12)的正负号进行取舍,在X轴方向上，A介于D、F之间时，取负号；

H点为第一关节输出杆(3’)与第二关节输出杆(4’)的交点，P_H为H点的坐标，G点为曲杆(40)另一端与第十三连杆(36)、第十四连杆(37)和第十五连杆(38)、第十六连杆(39)的交点，P_G为G点的坐标，L_GF为G点与F点之间的坐标距离，I点为第十五连杆(38)、第十六连杆(39)和第二关节输出杆(4’)的交点，a₂为GH绕A点旋转角度，则：

H点坐标为：

P_H＝(x_H,y_H,z_H,1)'＝Rot(Z,θ₁)·Trans(X_AH,L_AH)P_A (13)

G点坐标为：

P_G＝(x_G,y_G,z_G,1)'＝Rot(Z,a₂)·Trans(Y_GH,L_GH)P_H (14)

其中，公式中Rot(Z,θ)为绕Z轴旋转θ角度的4×4齐次旋转矩阵；公式中Trans(X,d)为沿着X轴平移d距离的4×4齐次平移矩阵；

与方程(3)同理，GF间距离固定不变，则得到约束方程：

HI相对AH转角为：

θ₂＝a₂+∠GHI (16)

将方程(8)、(13)、(14)和(16)带入方程(15)，得到方程(17)：f(a₁,θ₁,θ₂)＝0；

正运动学中，方程(17)解析解为，根据a₁、θ₁计算θ₂:

逆运动学中，方程(17)解析解为方程，根据θ₁、θ₂，计算a₁，

再基于方程(12)计算L₂。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度模块化手指，其特征在于：所述S3具体过程如下:

正运动学中，根据θ₁、θ₂计算P_K：

逆运动学中，根据P_K计算θ₁、θ₂：

6.一种三指灵巧手，其特征在于：所述的灵巧手包括手掌及如权利要求1-2任一一项所述的多自由度模块化手指；所述的手掌包括侧板和盖板，盖板安装在侧板上方充当掌心，侧板上设计有安装孔位，与所述多自由度模块化手指的单指手指外壳上的安装孔位固定连接；

所述的三指灵巧手的一种结构形式为三指均布灵巧手，三根多自由度模块化手指呈间隔120°分布于手掌上，所述的盖板为六角形，侧板以正六边形方式布置；

所述的三指灵巧手的另一种结构形式为三指对称灵巧手，三根手指对称分布于手掌两侧，手掌一侧安装一个手指，另一侧并排安装两个手指；用于安装手指的两个侧板平行设置。

7.一种五指灵巧手，其特征在于：所述的灵巧手包括手掌和五个如权利要求1-2任一一项所述的多自由度模块化手指，所述的五个多自由度模块化手指分别为拇指(65)、食指(66)、中指(67)、无名指(68)、小指(69)，所述的手掌包括拇指支撑架(62)、四指支撑架(63)；手掌底部还安装有驱动系统，用于带动拇指(65)进行转动，使拇指增加了一个自由度，帮助其余四指配合抓取；所述的驱动系统至少包括第十七连杆(70)、第三电机(71)、第十四轴(73)，第三电机固定在四指支撑架底部，第三电机末端与第十七连杆(70)通过第十四轴(73)铰接，第十七连杆的另一端与拇指支撑架铰接，再结合四指支撑架共同构成曲柄滑块机构，使第三电机可以沿着自身方向竖直伸缩，从而带动拇指转动。

8.一种单驱动可重构灵巧手，其特征在于：该灵巧手包括三个如权利要求1-2任一一项所述的多自由度模块化手指和可重构手掌；所述的三个多自由度模块化手指分别为第一手指(81)、第二手指(92)及第三手指(95)，分别与可重构手掌固定连接，且三个手指的底部与用于支撑固定可重构手掌的第一基座(86)是有距离的，悬空安装；

所述的可重构手掌安装手指的位置可以在驱动系统的带动下重新分布，所述的驱动系统包括一个电机及其驱动的齿轮，通过同时等减速比驱动分布于两侧的齿轮绕轴旋转，带动其中两个手指可绕掌心同步转动，从而变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成多个构型结构，包括单侧抓取、均匀抓取以及对侧抓取；

所述的可重构手掌包括第一手掌板(75)，第一盖板(76)，第一支撑(77)，第一手指固定板(78)，第一齿轮(79)，第二手指固定板(80)，第十五轴(82)，第二盖板(83)，第二齿轮(84)，第四电机(85)，第一基座(86)，第二支撑(87)，第十六轴(88)，第三齿轮(89)，第三手指固定板(90)，第四齿轮(91)，第四手指固定板(93)，第十七轴(94)；

所述的第一手掌板(75)与第一盖板(76)固定连接；所述的第一支撑(77)与所述的第一盖板(76)固定连接；所述的第一手指固定板(78)、第二手指固定板(80)、第一齿轮(79)与所述的第十五轴(82)固定连接且同轴；所述的第二齿轮(84)与所述的第四电机(85)的电机轴固定连接且同轴；所述的第三齿轮(89)与所述的第十六轴(88)固定连接且同轴；所述的第三手指固定板(90)、第四手指固定板(93)、第四齿轮(91)与所述的第十七轴(94)固定连接且同轴；所述的第二齿轮(84)与所述的第四电机(85)的电机轴通过键固定连接；所述的第一齿轮(79)与第二齿轮(84)、第二齿轮(84)与第三齿轮(89)、第三齿轮(89)与第四齿轮(91)之间分别都是正确啮合的；所述的第十五轴(82)、第十六轴(88)、第十七轴(94)与所述的第一盖板(76)、第二盖板(83)之间通过轴承连接；所述第一支撑(77)与第二盖板(83)固定连接；所述第二支撑(87)与第二盖板(83)固定连接；所述的第四电机(85)与所述的第二盖板(83)固定连接。

9.一种双驱动可重构灵巧手，其特征在于：该灵巧手包括三个如权利要求1-2任一一项所述的多自由度模块化手指和可重构手掌，

所述的三个多自由度模块化手指分别为：第四手指(99)、第五手指(105)及第六手指(107)，分别与可重构手掌固定连接，所述的第四手指(99)、第五手指(105)的底部与所述的可重构手掌的第二基座(103)是有距离的，悬空安装；

所述的可重构手掌可以在驱动系统的带动下重新分布，其中两个可运动的手指分别利用一个独立的电机驱动绕轴旋转，两个手指可以根据抓取任务的需要各自分别在两侧180度的范围内绕掌心转动，从而根据抓取需要变换手指的分布空间，使得三指灵巧手能够形成不同的构型结构；

所述的可重构手掌包括：第二手掌板(96)，支撑杆(97)，第一手指固定架(98)，中间连接架(100)，第五电机(101)，手指固定底座(102)，第二基座(103)，第六电机(104)，第二手指固定架(106)；

所述的第二手掌板(96)与中间连接架(100)通过支撑杆(97)连接，且第二手掌板(96)所在的平面与中间连接架(100)所在的平面平行；所述的第一手指固定架(98)与中间连接架(100)、第五电机(101)的电机轴连接且同轴，所述的第五电机(101)的电机轴旋转带动第一手指固定架(98)旋转；所述的第二手指固定架(106)与中间连接架(100)、第六电机(104)电机轴连接且同轴，所述的第六电机(104)的电机轴旋转带动第二手指固定架(106)旋转；所述的第一手指固定架(98)、第二手指固定架(106)、中间连接架(100)位于同一水平面内；所述的手指固定底座(102)与所述的第二基座(103)固定连接；

所述的第五电机(101)电机轴的两个旋转方向对应第四手指(99)靠近和远离第六手指(107)两个旋转方向；所述的第六电机(104)电机轴的两个旋转方向对应第五手指(105)靠近和远离第六手指(107)两个旋转方向。

10.一种如权利要求6—9任意一项所述灵巧手的运动学设计方法，其特征在于：首先需 建立整个手掌的坐标系，即将各个手指末端的坐标转换到手掌坐标系，进行手掌手指 正逆运动学计算；具体如下：

手掌手指正运动学，基于手指末端K的坐标P_K＝(x_K,y_K,z_K,1)'和手指绕手掌旋转角度q_i，计算第i个手指末端K在手掌坐标系{O_h}下的位置坐标： 为初始时第i手指的基座坐标系{O_i}相对{O_h}的齐次坐标变换矩阵；T_i＝Rot(X,q_i)为第i手指的基座坐标系{O_i}相对{O_h}运动时的齐次坐标变换矩阵；

手掌手指逆运动学，基于计算第i个手指末端K在手指的基座坐标系{O_i}下的位置坐标P_K；先计算再计算T_i＝Rot(X,q_i)，然后计算