CN101486191A - 变位欠驱动机器人手装置 - Google Patents

Abstract

变位欠驱动机器人手装置，属于拟人机器人技术领域。该装置具有5个独立控制手指和15个关节自由度，由10个电机驱动，其中指、无名指、小指与食指结构相同，为双电机驱动三关节转动；拇指可侧摆，并采用双电机驱动两关节转动。各手指结构相似，均利用电机、传动机构、柔性件和簧件综合实现了手指可变初始构型的自适应抓取功能，即手指在抓取前弯曲中间关节以达到良好的准备姿态，抓取时自适应物体尺寸。通过调节手指初始构型大为提高抓取稳定性。该装置结构紧凑、集成度高，外观、尺寸和形态动作接近人手，可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体，适合用于拟人机器人。

Description

变位欠驱动机器人手装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种变位欠驱动机器人手装置的结构设计。

背景技术

人们在对智能机器人的研究中，把拟人机器人作为机器人研究的最高境界，也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。

近30年来，灵巧手研究取得了***的成果。灵巧手具有3～5个手指，每个手指2～4个关节自由度，绝大多数关节为电机、空气肌肉、液压等驱动的主动关节。灵巧手能做出人手的各种动作，包括抓取和操作两种动作。例如国外研发出来的Hitachi手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手、Shadow公司C5手、DLR手和Robonaut手，国内哈工大研发的HIT灵巧手和北航研发的BH灵巧手。灵巧手的主要优点是手指自由度多，可以较为灵活主动的抓取物体，并有很好的抓取稳定性，其不足是不能实现抓取物体时对物体的形状和尺寸自动适应(自适应抓取)，造成对传感及控制***要求高，***复杂、成本高、可靠性低。

欠驱动机器人手指可以克服上述灵巧手纯主动驱动多关节手指的一些不足，以此为主设计实现高欠驱动的机器人手已经受到越来越多的重视。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸，达到自适应抓取的目的，降低了对传感及控制***的要求。

但是欠驱动机械手指的不足为：其手指初始构形是固定(伸直或呈某个弯曲角度)，这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化，不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人手抓持不同尺寸物体时，手指在还未碰触物体前就需要事先弯曲到某个角度，只有这样才能更好的抓取。例如，在人手在捏持小尺寸物体之前，四指(即食指、中指、无名指和小指)中间关节要事先弯曲较大角度，直到四指末端与拇指末端相接近，之后再进行抓取。而且手指所弯曲的角度对于不同尺寸的物体是需要调节的。而传统的欠驱动手指没法实现在碰触物体之前的这种中间关节的转动，因而难以实现更加拟人化抓取动作和更加稳定地抓持物体效果。另外，当没有所抓物体而执行单纯的握拳动作时，整个手指只能呈伸直状态绕近关节轴转动，这与人手的可以绕中间关节弯曲的握拳动作相去甚远，影响了机器人手的拟人化动作效果。

已有的一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，如中国发明专利CN101214653A，具有5个独立控制的手指、15个关节自由度，包括6个主动关节和9个欠驱动关节；各欠驱动关节均采用结构相同的一种模块化结构，电机、传动机构藏入手内。该装置的每个手指均为带轮欠驱动手指。以拇指为例，由于弹簧的约束作用使中部指段和末端指段在没有碰触物体前保持固定的伸直状态(中部指段和末端指段之间的夹角为平角)，只有当中部指段接触物体被阻挡时，末端指段才随远关节轴转动，实现手指弯曲包络所抓取物体。该装置的不足之处在于在接触物体前，各手指的中部指段和末端指段只能呈伸直状态，以一个整体绕近关节轴转动，影响了抓取效果。

也有传统的具有刚性手指的机械手装置，具有固定弯曲的手指构型，它们模仿了人类抓取物体时的最常见手指姿态，但是这类装置的手指弯曲状态是固定不可以改变弯曲角度的，而且关节自由度数过少，不能适应不同尺寸物体的抓取需求。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种变位欠驱动机器人手装置，它可以自由调节各手指中间关节的初始状态，同时保证抓取物体时具有自动适应物体形状、尺寸的抓取效果。该装置利用电机对欠驱动手初始位置进行调节，提高了机械手抓取不同尺寸、形状物体的稳定性和拟人化动作效果，实现机器人多指手在较低控制***要求下的灵活自适应抓取，装置外形与人的手相似，适合安装在拟人机器人上使用。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种变位欠驱动机器人手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌；其特征在于：

所述的拇指包括拇指基座、拇指第一电机、拇指近关节轴、拇指中部指段、拇指远关节轴、拇指末端指段、拇指第一传动机构、拇指第二传动机构和拇指第一簧件；所述的拇指第一传动机构包括拇指第一齿轮和拇指第二齿轮，所述的拇指第一电机与拇指第一齿轮固接，拇指第一齿轮与拇指第二齿轮相啮合形成齿轮传动关系，拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴上；所述的拇指第二传动机构包括拇指主动轮、拇指传动件和拇指从动轮；所述的拇指还包括拇指第二电机、拇指第三传动机构、拇指柔性件和拇指第二簧件；

所述的拇指第一电机与拇指基座固接，拇指第一传动机构的输入轴与拇指第一电机输出轴相连，拇指第一传动机构的输出轴与拇指近关节轴相连；所述的拇指近关节轴套设在拇指基座中，拇指中部指段套接在拇指近关节轴上，拇指远关节轴套设在拇指中部指段中，拇指末端指段套固在拇指远关节轴上；拇指近关节轴和拇指远关节轴相互平行；所述的拇指第二传动机构的输入轴与拇指近关节轴相连，拇指第二传动机构的输出轴与拇指远关节轴相连，拇指近关节轴与拇指远关节轴的转动方向相同；所述的拇指第一簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段；

所述的拇指主动轮与拇指近关节轴相连，拇指从动轮与拇指远关节轴相连，拇指传动件连接拇指主动轮与拇指从动轮；所述的拇指第二电机与拇指中部指段固接，拇指第三传动机构的输入端与拇指第二电机的输出端相连，拇指柔性件的一端与拇指第三传动机构的输出端相连，拇指柔性件的另一端连接拇指末端指段，所述的拇指第二簧件作为连接件串联安装在从拇指近关节轴到拇指第二传动机构再到拇指远关节轴的传动链中；

所述的食指包括食指基座、食指第一电机、食指近关节轴、食指第一中部指段、食指中关节轴、食指第二中部指段、食指远关节轴、食指末端指段、食指第一传动机构、食指第二传动机构、食指第三传动机构、食指第一簧件和食指第二簧件；所述的食指第二传动机构包括食指第一主动轮、食指第一传动件和食指第一从动轮；所述的食指第三传动机构包括食指第二主动轮、食指第二传动件和食指第二从动轮；所述的食指还包括食指第二电机、食指第四传动机构、食指柔性件和食指第三簧件；所述的食指第一传动机构包括食指第一齿轮和食指第二齿轮；

所述的食指第一电机与食指基座固接，所述的食指第一传动机构的输入轴与食指第一电机输出轴相连，食指第一传动机构的输出轴与食指近关节轴相连；所述的食指近关节轴套设在食指基座中，食指第一中部指段套接在食指近关节轴上，食指中关节轴套设在食指第一中部指段中，食指第二中部指段套设在食指中关节轴上，食指远关节轴套设在食指第二中部指段中，食指末端指段套固在食指远关节轴上；食指近关节轴、食指中关节轴和食指远关节轴相互平行；所述的食指第二传动机构的输入轴与食指近关节轴相连，食指第二传动机构的输出轴与食指中关节轴相连；所述的食指第三传动机构的输入轴与食指中关节轴相连，食指第三传动机构的输出轴与食指远关节轴相连，食指近关节轴、食指中关节轴和食指远关节轴的转动方向相同；所述的食指第一簧件的两端分别连接食指第一中部指段和食指第二中部指段，食指第二簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段；

所述的食指第一电机与食指第一齿轮固接，食指第一齿轮与食指第二齿轮相啮合形成齿轮传动关系，食指第二齿轮套固在食指近关节轴上；所述的食指第一主动轮与食指近关节轴相连，食指第一从动轮与食指中关节轴相连，食指第一传动件连接食指第一主动轮与食指第一从动轮；所述的食指第二主动轮与食指中关节轴相连，食指第二从动轮与食指远关节轴相连，食指第二传动件连接食指第二主动轮与食指第二从动轮；所述的食指第二电机与食指第一中部指段固接，食指第四传动机构的输入端与食指第二电机的输出端相连，食指柔性件的一端与食指第四传动机构的输出端相连，食指柔性件的另一端连接食指第二主动轮，所述的食指第三簧件作为连接件串联安装在从食指近关节轴到食指第二传动机构再到食指中关节轴的传动链中；

所述的中指、无名指、小指与食指结构相同；所述的手掌包括手掌骨架、手掌电机、手掌第一齿轮、手掌第二齿轮、手掌关节轴；所述的手掌电机与手掌骨架固接，手掌电机的输出轴与手掌第一齿轮固接，手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合，手掌第二齿轮套固在手掌关节轴上，手掌关节轴套设在手掌骨架中，拇指基座套固在手掌关节轴上；所述的食指通过食指基座与手掌骨架固接，所述的中指、无名指、小指分别与手掌骨架固接，连接方式同食指一致；所述的食指、中指、无名指、小指、拇指和手掌之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的拇指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的拇指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的拇指传动件、拇指主动轮和拇指从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第一传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的食指第一主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第一从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第一传动件、食指第一主动轮和食指第一从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第二传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的食指第二主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第二从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第二传动件、食指第二主动轮和食指第二从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指第三传动机构包括拇指丝杆和拇指螺母，所述的拇指丝杆与拇指第二电机的输出轴相连，所述的拇指螺母与拇指丝杆形成螺纹传动关系，拇指螺母与拇指柔性件的一端相连，拇指螺母镶嵌在拇指中部指段中。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第四传动机构包括食指丝杆和食指螺母，所述的食指丝杆与食指第二电机的输出轴相连，所述的食指螺母与食指丝杆形成螺纹传动关系，食指螺母与食指柔性件的一端相连，食指螺母镶嵌在食指第一中部指段中。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指第一簧件、拇指第二簧件、食指第一簧件、食指第二簧件和食指第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳和橡皮筋中一种或几种的组合。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指柔性件和拇指柔性件采用绳、带、筋、丝和链条中的一种或几种的组合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置具有5个独立控制的手指和15个关节自由度，由10个电机驱动；各手指结构相似，均利用电机、传动机构、柔性件和簧件综合实现了手指可变初始构型的自适应抓取效果：手指在抓取前弯曲中间关节以达到良好的准备抓取姿态，在抓取时按照自适应欠驱动方式抓取物体。通过调节不同的手指初始构型，可以更好地提高抓取稳定性，降低了对传感及控制***的要求。该装置结构紧凑、集成度高，外观、尺寸和形态动作接近人手，可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体，适合用于拟人机器人。

附图说明

图1是本发明提供的变位欠驱动机器人手装置的一种实施例的正面剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面。

图2是图1所示实施例的侧面外观图，此时拇指已摆动到手掌的正对面。

图3是图1所示实施例的俯视外观图，此时拇指已摆动到手掌的正对面。(双点划线部分表示转到手掌侧面的拇指。)

图4是图1所示实施例的正面外观图。

图5是图1所示实施例的拇指的正面外观图，未完整画出拇指基座。

图6是图1所示实施例的拇指的侧面外观图，未完整画出拇指基座。

图7是图1所示实施例的拇指的正面剖视图，未完整画出拇指基座。

图8是图1所示实施例的拇指第一簧件的安装示意图。

图9是图1所示实施例的拇指第二簧件的安装示意图。

图10是图1所示实施例的食指的正面外观图。

图11是图1所示实施例的食指的侧面外观图。

图12是图1所示实施例的食指的正面剖视图。

图13是图1所示实施例的食指的侧面剖视图。

图14是图1所示实施例的食指第一簧件的安装示意图。

图15是图1所示实施例的食指第二簧件的安装示意图。

图16是图1所示实施例的食指第三簧件的安装示意图。

图17是图12在A-A处的剖视图(未画出基座部分)。

图18、图19、图20、图21是本实施例的食指在末端指段与中部指段以伸直姿态为初始姿态下抓取大物体的过程示意图，此时全过程中第一电机工作。

图22、图23、图24、图25、图26是食指在第二中部指段和末端指段呈平角，以及第一中部指段以弯曲某个角度的预备姿态下抓取小物体的过程示意图，在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作。

图27、图28、图29、图30是食指仅让第二电机工作时抓取物体的过程示意图。

在图1至图30中：

1—手掌，                  2—拇指，                 3—食指，

4—中指，                  5—无名指，               6—小指，

12—手掌关节轴，           13—手掌第一齿轮，        14—手掌关节轴簧件，

16—手掌第二齿轮，         121—手掌电机，           122—手掌电机减速器，

21—拇指基座，             22—拇指第一齿轮，        23—拇指第二齿轮，

24—拇指近关节轴，         25—拇指第二簧件，        26—拇指主动轮，

27—拇指中部指段，         28—拇指传动件，          29—拇指螺母，

210—拇指丝杆，            211—拇指柔性件(绳)，     212—拇指第一簧件，

213—拇指从动轮，          214—拇指远关节轴，       215—拇指末端指段，

221—拇指第一电机，        222—拇指第一电机减速器， 223—拇指第二电机，

224—拇指第二电机减速器，  231—拇指第三传动机构，

232—拇指第二传动机构，    233—拇指第一传动机构，

31—食指基座，             32—食指第一齿轮，        33—食指第二齿轮，

34—食指近关节轴，         35—食指第三簧件，        36—食指第一主动轮，

37—食指第一中部指段，     38—食指第一传动件，      39—食指螺母，

310—食指丝杆，                311—食指柔性件(绳)，

312—食指第一簧件，            313—食指第一从动轮，            314—食指中关节轴，

315—食指第二中部指段，        316—食指第二主动轮，           317—食指第二传动件，

318—食指第二从动轮，          319—食指远关节轴，             321—食指第一电机，

322—食指第一电机减速器，       323—食指第二电机，

324—食指第二电机减速器，      331—食指第四传动机构，         332—食指第二传动机构，

333—食指第一传动机构，         334—食指第三传动机构，         341—食指第二簧件，

342—食指末端指段，

71、72、73—食指要抓取的物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的变位欠驱动机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4所示，包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6。本实施例的中指、无名指、小指与食指结构相同，所不同的只是大小尺寸，工作原理也一致。本实施例的拇指的工作原理与食指的工作原理也部分相同。拇指结构如图5、图6、图7、图8和图9所示。食指结构如图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16和图17所示。

所述的拇指2包括拇指基座21、拇指第一电机221、拇指近关节轴24、拇指中部指段27、拇指远关节轴214、拇指末端指段215、拇指第一传动机构233、拇指第二传动机构232和拇指第一簧件212；所述的拇指第一电机221与拇指基座21固接，拇指第一传动机构233的输入轴与拇指第一电机331输出轴相连，拇指第一传动机构233的输出轴与拇指近关节轴24相连；所述的拇指近关节轴24套设在拇指基座21中，拇指中部指段27套接在拇指近关节轴24上，拇指远关节轴214套设在拇指中部指段27中，拇指末端指段215套固在拇指远关节轴214上；拇指近关节轴24和拇指远关节轴214相互平行；所述的拇指第二传动机构232的输入轴与拇指近关节轴24相连，拇指第二传动机构232的输出轴与拇指远关节轴214相连，拇指近关节轴24与拇指远关节轴214的转动方向相同；所述的拇指第一簧件212的两端分别连接拇指中部指段27和拇指末端指段215。

所述的拇指第一传动机构233包括拇指第一齿轮32和拇指第二齿轮33，所述的拇指第一电机221与拇指第一齿轮32固接，拇指第一齿轮32与拇指第二齿轮33相啮合形成齿轮传动关系，拇指第二齿轮33套固在拇指近关节轴24上。

所述的食指3包括食指基座31、食指第一电机321、食指近关节轴34、食指第一中部指段37、食指中关节轴314、食指第二中部指段315、食指远关节轴319、食指末端指段342、食指第一传动机构333、食指第二传动机构332、食指第三传动机构334、食指第一簧件312和食指第二簧件341；所述的食指第一电机321与食指基座31固接，所述的食指第一传动机构333的输入轴与食指第一电机321输出轴相连，所述的食指第一传动机构333的输出轴与食指近关节轴34相连；所述的食指近关节轴34套设在食指基座31中，食指第一中部指段37套接在食指近关节轴34上，食指中关节轴314套设在食指第一中部指段37中，所述的食指第二中部指段315套设在食指中关节轴314上，食指远关节轴319套设在食指第二中部315指段中，所述的食指末端指段342套固在食指远关节轴319上；食指近关节轴34、食指中关节轴314和食指远关节轴319相互平行；所述的食指第二传动机构332的输入轴与食指近关节轴34相连，食指第二传动机构332的输出轴与食指中关节轴314相连；所述的食指第三传动机构334的输入轴与食指中关节轴314相连，食指第三传动机构334的输出轴与食指远关节轴319相连，食指近关节轴34、食指中关节轴314和食指远关节轴319的转动方向相同；所述的食指第一簧件312的两端分别连接食指第一中部指段37和食指第二中部指段315，食指第二簧件341的两端分别连接食指第二中部指段315和食指末端指段342。

所述的食指第一传动机构333包括食指第一齿轮32和食指第二齿轮33，所述的食指第一电机321与食指第一齿轮32固接，食指第一齿轮32与食指第二齿轮33相啮合形成齿轮传动关系，食指第二齿轮33套固在拇指近关节轴34上。

所述的中指4、无名指5、小指6与食指3结构相同，仅尺寸大小不同；所述的手掌1包括手掌骨架1、手掌电机121、手掌第一齿轮13、手掌第二齿轮16、手掌关节轴12；所述的手掌电机121与手掌骨架1固接，手掌电机121的输出轴与手掌第一齿轮13固接，手掌第一齿轮13与手掌第二齿轮16啮合，手掌第二齿轮16套固在手掌关节轴12上，手掌关节轴12套设在手掌骨架11中，拇指基座21套固在手掌关节轴12上。

所述的食指3通过食指基座31与手掌骨架11固接，所述的中指4、无名指5、小指6分别与手掌骨架11固接，连接方式同食指3一致；所述的食指3、中指4、无名指5、小指6、拇指2和手掌1之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置。

所述的拇指第二传动机构232包括拇指主动轮26、拇指传动件28和拇指从动轮213；所述的拇指主动轮26与拇指近关节轴24相连，拇指从动轮213与拇指远关节轴214相连，拇指传动件28连接拇指主动轮26与拇指从动轮213。

所述的拇指2还包括拇指第二电机223、拇指第三传动机构231、拇指柔性件211和拇指第二簧件25；所述的拇指第二电机223与拇指中部指段27固接，拇指第三传动机构231的输入端与拇指第二电机223的输出端相连，拇指柔性件211的一端与拇指第三传动机构231的输出端相连，拇指柔性件211的另一端连接拇指末端指段215，所述的拇指第二簧件25作为连接件串联安装在从拇指近关节轴24到拇指第二传动机构232再到拇指远关节轴214的传动链中。

所述的食指第二传动机构332包括食指第一主动轮36、食指第一传动件38和食指第一从动轮313；所述的食指第一主动轮36与食指近关节轴34相连，食指第一从动轮313与食指中关节轴314相连，食指第一传动件38连接食指第一主动轮36与食指第一从动轮313；所述的食指第三传动机构334包括食指第二主动轮316、食指第二传动件317和食指第二从动轮318；所述的食指第二主动轮316与食指中关节轴314相连，食指第二从动轮318与食指远关节轴319相连，食指第二传动件317连接食指第二主动轮316与食指第二从动轮318。

所述的食指3还包括食指第二电机323、食指第四传动机构331、食指柔性件311和食指第三簧件35；所述的食指第二电机323与食指第一中部指段37固接，食指第四传动机构331的输入端与食指第二电机323的输出端相连，食指柔性件311的一端与食指第四传动机构331的输出端相连，食指柔性件311的另一端连接食指第二主动轮316，所述的食指第三簧件35作为连接件串联安装在从食指近关节轴34到食指第二传动机构332再到食指中关节轴314的传动链中。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，所述的拇指传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的拇指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的拇指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的拇指传动件、拇指主动轮和拇指从动轮三者之间能够配合形成传动关系。本实施例中，所述的拇指传动件28采用平带，所述的拇指主动轮26采用带轮，所述的拇指从动轮213采用带轮，所述的拇指传动件28、拇指主动轮26和拇指从动轮213三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第一传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的食指第一主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第一从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第一传动件、食指第一主动轮和食指第一从动轮三者之间能够配合形成传动关系。本实施例中，所述的食指第一传动件38采用平带，所述的食指第一主动轮36采用带轮，所述的食指第一从动轮313采用带轮，所述的食指第一传动件38、食指第一主动轮36和食指第一从动轮313三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第二传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的食指第二主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第二从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第二传动件、食指第二主动轮和食指第二从动轮三者之间能够配合形成传动关系。本实施例中，所述的食指第二传动件317采用平带，所述的食指第二主动轮316采用带轮，所述的食指第二从动轮318采用带轮，所述的食指第二传动件317、食指第二主动轮316和食指第二从动轮318三者之间能够配合形成传动关系。

本实施例中，所述的拇指第三传动机构231包括拇指丝杆210和拇指螺母29，所述的拇指丝杆210与拇指第二电机223的输出轴相连，所述的拇指螺母29与拇指丝杆210形成螺纹传动关系，拇指螺母29与拇指柔性件211的一端相连，拇指螺母29镶嵌在拇指中部指段27中。

本实施例中，所述的食指第四传动机构331包括食指丝杆310和食指螺母39，所述的食指丝杆310与食指第二电机323的输出轴相连，所述的食指螺母39与食指丝杆310形成螺纹传动关系，食指螺母39与食指柔性件311的一端相连，食指螺母39镶嵌在食指第一中部指段37中。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指第一簧件、拇指第二簧件、食指第一簧件、食指第二簧件和食指第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳和橡皮筋中一种或几种的组合。本实施例中，所述的拇指第一簧件212、拇指第二簧件25、食指第一簧件312、食指第二簧件241和食指第三簧件35采用扭簧。

本发明所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指柔性件和拇指柔性件采用绳、带、筋、丝和链条中的一种或几种的组合。本实施例中，所述的食指柔性件311和拇指柔性件211采用绳。

下面结合附图介绍本实施例的工作原理。

(a)手掌关节轴12转动的工作原理为：

手掌电机121转动，带动手掌减速器122转动，手掌第一齿轮13转动，使手掌第二齿轮16转动，使手掌关节轴12转动，于是带动拇指2整体绕着手掌关节轴12的轴线转动，实现了拇指2在手掌1侧面和正对面的来回侧向摆动。当需要抓取物体时，先将拇指2摆动到手掌1正对面，如图2、图3所示。不需要抓取物体时，将拇指2摆动到手掌1侧面，如图1、图4和图3的虚线所示。

(b)食指3的工作原理为：

(b1)若仅食指第一电机321工作，此时，食指中关节以伸直作为即将抓取物体时的预备姿态，抓取物体具有一种自动适应物体尺寸形状的效果。

食指第二电机323不用工作，食指第一电机321工作，其抓取物体的过程和原理为：食指第一电机321的输出轴转动，通过食指第一齿轮32带动固接有食指第二齿轮33的食指近关节轴34转动，拉动食指第三簧件35的一端绕食指近关节轴34的轴线转动，拉动食指第三簧件35的另一端的食指第一主动轮36转动。由于食指第一簧件212和食指第二簧件341的约束作用，食指第一中部指段37、食指第二中部指段315与食指末端指段342好像固接为一个刚性整体，因此食指第一主动轮36的转动将通过食指第一传动件38和食指第一从动轮313，优先使得，食指第一中部指段37、食指第二中部指段315与食指末端指段342作为一个整体一起绕着食指近关节轴34转动。此过程直到食指第一中部指段37接触到手指要抓取的物体71为止，此时如图19所示。当食指第一中部指段37被物体71阻挡而无法继续转动时，食指第一主动轮36继续转动，通过食指第一传动件、食指第一从动轮、食指中关节轴、食指第二主动轮，拉动食指第二从动轮318、食指远关节轴319和食指末端指段342克服食指第一簧件的变形弹力而优先使得：食指第二中部指段315与食指末端指段342作为一个整体一起绕着食指中关节轴转动。此过程直到食指第二中部指段315接触到物体71为止，此时如图20所示。当食指第二中部指段315被物体71阻挡而无法继续转动时，食指第一主动轮10继续转动，通过食指第一传动件、食指第一从动轮、食指中关节轴、食指第二主动轮，拉动食指第二从动轮318、食指远关节轴319和食指末端指段342克服食指第二簧件的变形弹力而使得：食指末端指段342绕着食指远关节轴转动。此过程直到食指末端指段342接触到物体71为止，此时如图21所示。食指3抓取结束。

当放开物体71时，食指第一电机321反转，带动食指近关节轴34反转，食指第三簧件35反向转动，拉动食指第一主动轮36反转，通过食指第一传动件38拉动食指第一从动轮313、食指中关节轴314、食指第二主动轮316反转，通过食指第二传动件317拉动食指第二从动轮318、食指远关节轴319和食指末端指段342反向转动，同时食指第二簧件341的变形随之逐渐减小为零，此时食指末端指段342已经反向转动到其相对于食指第二中部指段315的初始伸直位置，如图20所示。此时食指第二传动件317将拉动已经伸直的食指第二中部指段315和食指末端指段342作为一个整体一起绕食指中关节轴314的轴线反向转动，同时食指第一簧件312的变形随之逐渐减小，此时食指第二中部指段315已经反向转动到其相对于食指第一中部指段37的初始伸直位置，如图19所示。食指第一传动件38将拉动已经伸直的食指第一中部指段37、食指第二中部指段315、食指末端指段342作为一个整体一起绕食指近关节轴34的轴线反向转动，直到食指3完全恢复到最开始的伸直位置，如图18所示。

(b2)若食指第二电机先工作，之后食指第一电机再工作，此时，食指中关节以弯曲作为即将抓取物体时的预备姿态，使得即将抓取时具有较好的手指构型，有利于抓取；同时，抓取中仍然采用与(b1)介绍的相同的欠驱动方式，保留了自动适应物体形状尺寸的效果。

食指第二电机323与食指第一电机321将依次先后使用。首先仅让食指第二电机323工作，其输出轴转动，带动食指第四传动机构331工作，此处具体为带动食指丝杆310转动，带动食指螺母39向下移动，食指螺母39向下拉拽食指柔性件311(此处为绳)的一端。食指柔性件的另一端拉转食指第二主动轮，通过食指第二传动件拉动食指第二从动轮、食指远关节轴和食指末端指段转动，但由于食指第二簧件341对食指第二中部指段和食指末端指段的限制作用，食指第二中部指段315和食指末端指段342作为一个整体一起绕食指中关节轴314的中心线转动一个角度(预备抓取前的弯曲角度)，此时食指第一簧件312发生变形，同时食指第二主动轮的转动使得食指中关节轴、食指第一从动轮转动，通过食指第一传动件，拉动食指第一主动轮36发生转动，食指第三簧件35发生变形。此时，食指第二电机323停止工作不再转动，此时食指第二中部指段315和食指末端指段342已经转动了一个角度(预备抓取前的弯曲角度)，如图23所示。由于食指柔性件(绳)311不可以被拉回但可以弯曲，因而它对食指第二中部指段315和食指末端指段342的转动范围起到了单向约束作用，即食指柔性件311限制住了食指第二中部指段315和食指末端指段342不能往回到伸直的初始位置，但是食指第二中部指段315和食指末端指段342可以在其他机构作用下继续向前转动(此时柔性件处于松弛弯曲状态)，因此，此时食指中关节弯曲的状态作为后续欠驱动抓取动作的初始位置被确定下来。之后食指第一电机321工作时实现的如(b1)所介绍的三关节欠驱动抓取过程仍可以正常进行。前述过程可以自由调节末食指第二中部指段315、食指末端指段342与食指第一中部指段37的初始角度，一旦调节完成食指第二电机323就停止工作，此后转为食指第一电机321再开始工作，之后食指第一电机321工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述(b1)过程相同，只是食指的初始姿态变为弯曲的状态了，如图24、图25和图26所示。

当放开物体72时，食指第一电机321反向转动，带动食指近关节轴34反转，带动食指第三簧件35反转，从而带动食指第一主动轮36反转，通过食指第一传动件38拉动食指第一从动轮313、食指中关节轴314、食指第二主动轮316反转，通过食指第二传动件317拉动食指第二从动轮318、食指远关节轴319和食指末端指段342反向转动，直到食指第二中部指段315和食指末端指段342已到达食指柔性件311约束的弯曲姿态位置，如图24所示。由于食指第二中部指段315和食指末端指段342被食指第一中部指段37阻挡而不能再继续反转，此时食指第一电机321继续反向转动，将带动食指中部指段37、食指第二中部指段315和食指末端指段342一起绕着食指近关节轴34的轴线反向转动，食指第一中部指段37离开物体72表面。直到恢复到如图23所示状态，此时食指第一电机321停转，食指第二电机323开始反向转动，通过食指丝杆310带动食指螺母39向上运动，食指柔性件311不再对食指第二中部指段315和食指末端指段342起约束作用，于是食指第二中部指段315和食指末端指段342在食指第一簧件312的作用下恢复伸直到最开始位置，如图22所示。

(b3)若仅食指第二电机工作，此时，食指采用食指第二中部指段和食指末端指段主动去接触物体

若只是使用食指第二电机323转动让食指抓取物体73。食指第二电机323的输出轴转动，带动食指丝杆310转动，带动食指螺母39向下移动，食指螺母39向下拉食指柔性件(绳)311。食指柔性件的另一端拉转食指第二主动轮，通过食指第二传动件拉动食指第二从动轮、食指远关节轴和食指末端指段转动，但由于食指第二簧件341对食指第二中部指段和食指末端指段的限制作用，食指第二中部指段315和食指末端指段342作为一个整体一起绕食指中关节轴314的轴线转动，此时食指第一簧件312发生变形，同时由于食指第二中部指段315和食指末端指段342发生转动，拉动食指第一主动轮36发生转动，食指第三簧件35发生变形。此过程直到食指第二中部指段315碰到物体73为止，如图28所示。

此时，在其他约束条件(手指、手掌或物体所在桌面等)的帮助下，使食指第二中部指段315受到物体73的阻碍不能继续转动，食指第二电机323继续工作，带动食指末端指段342转动，直到与物体73接触，食指第二簧件341发生变形，此时食指抓紧了物体73。

放开物体时，食指第二电机323反转，带动食指丝杆310反转，食指螺母39上升，食指柔性件311不再对食指第二中部指段315和食指末端指段342起反向约束作用，食指第二簧件341带动食指末端指段342反转离开物体73。之后，食指第一簧件312带动食指第二中部指段315反转离开物体73。此后，食指第二电机323继续发转，直到食指恢复到初始伸直的位置，如图27所示。

拇指仅比食指减少了一个欠驱动关节，中指、无名指、小指的抓取原理与食指完全相同，各个手指的工作原理完全相同，不再赘述。

上述各种情况下，本发明所提出的该实施例装置都可以正常工作。

本发明装置具有5个独立控制的手指和15个关节自由度，由10个电机驱动；各手指结构相似，均利用电机、传动机构、柔性件和簧件综合实现了手指可变初始构型的自适应抓取效果：手指在抓取前弯曲中间关节以达到良好的准备抓取姿态，在抓取时按照自适应欠驱动方式抓取物体。通过调节不同的手指初始构型，可以更好地提高抓取稳定性，降低了对传感及控制***的要求。该装置结构紧凑、集成度高，外观、尺寸和形态动作接近人手，可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体，适合用于拟人机器人。

Claims (8)

1.一种变位欠驱动机器人手装置，包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)和手掌(1)；其特征在于：

所述的拇指包括拇指基座(21)、拇指第一电机(221)、拇指近关节轴(24)、拇指中部指段(27)、拇指远关节轴(214)、拇指末端指段(215)、拇指第一传动机构(233)、拇指第二传动机构(232)和拇指第一簧件(212)；所述的拇指第一传动机构包括拇指第一齿轮(32)和拇指第二齿轮(33)，所述的拇指第一电机与拇指第一齿轮固接，拇指第一齿轮与拇指第二齿轮相啮合形成齿轮传动关系，拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴上；所述的拇指第二传动机构包括拇指主动轮(26)、拇指传动件(28)和拇指从动轮(213)；所述的拇指还包括拇指第二电机(223)、拇指第三传动机构(231)、拇指柔性件(211)和拇指第二簧件(25)；

所述的拇指第一电机与拇指基座固接，拇指第一传动机构的输入轴与拇指第一电机输出轴相连，拇指第一传动机构的输出轴与拇指近关节轴相连；所述的拇指近关节轴套设在拇指基座中，拇指中部指段套接在拇指近关节轴上，拇指远关节轴套设在拇指中部指段中，拇指末端指段套固在拇指远关节轴上；拇指近关节轴和拇指远关节轴相互平行；所述的拇指第二传动机构的输入轴与拇指近关节轴相连，拇指第二传动机构的输出轴与拇指远关节轴相连，拇指近关节轴与拇指远关节轴的转动方向相同；所述的拇指第一簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段；

所述的拇指主动轮与拇指近关节轴相连，拇指从动轮与拇指远关节轴相连，拇指传动件连接拇指主动轮与拇指从动轮；所述的拇指第二电机与拇指中部指段固接，拇指第三传动机构的输入端与拇指第二电机的输出端相连，拇指柔性件的一端与拇指第三传动机构的输出端相连，拇指柔性件的另一端连接拇指末端指段，所述的拇指第二簧件作为连接件串联安装在从拇指近关节轴到拇指第二传动机构再到拇指远关节轴的传动链中；

所述的食指包括食指基座(31)、食指第一电机(321)、食指近关节轴(34)、食指第一中部指段(37)、食指中关节轴(314)、食指第二中部指段(315)、食指远关节轴(319)、食指末端指段(342)、食指第一传动机构(333)、食指第二传动机构(332)、食指第三传动机构(334)、食指第一簧件(312)和食指第二簧件(341)；所述的食指第二传动机构包括食指第一主动轮(36)、食指第一传动件(38)和食指第一从动轮(313)；所述的食指第三传动机构包括食指第二主动轮(316)、食指第二传动件(317)和食指第二从动轮(318)；所述的食指还包括食指第二电机(323)、食指第四传动机构(331)、食指柔性件(311)和食指第三簧件(35)；所述的食指第一传动机构包括食指第一齿轮(32)和食指第二齿轮(33)；

所述的食指第一电机与食指基座固接，所述的食指第一传动机构的输入轴与食指第一电机输出轴相连，食指第一传动机构的输出轴与食指近关节轴相连；所述的食指近关节轴套设在食指基座中，食指第一中部指段套接在食指近关节轴上，食指中关节轴套设在食指第一中部指段中，食指第二中部指段套设在食指中关节轴上，食指远关节轴套设在食指第二中部指段中，食指末端指段套固在食指远关节轴上；食指近关节轴、食指中关节轴和食指远关节轴相互平行；所述的食指第二传动机构的输入轴与食指近关节轴相连，食指第二传动机构的输出轴与食指中关节轴相连；所述的食指第三传动机构的输入轴与食指中关节轴相连，食指第三传动机构的输出轴与食指远关节轴相连，食指近关节轴、食指中关节轴和食指远关节轴的转动方向相同；所述的食指第一簧件的两端分别连接食指第一中部指段和食指第二中部指段，食指第二簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段；

所述的食指第一电机与食指第一齿轮固接，食指第一齿轮与食指第二齿轮相啮合形成齿轮传动关系，食指第二齿轮套固在食指近关节轴上；所述的食指第一主动轮与食指近关节轴相连，食指第一从动轮与食指中关节轴相连，食指第一传动件连接食指第一主动轮与食指第一从动轮；所述的食指第二主动轮与食指中关节轴相连，食指第二从动轮与食指远关节轴相连，食指第二传动件连接食指第二主动轮与食指第二从动轮；所述的食指第二电机与食指第一中部指段固接，食指第四传动机构的输入端与食指第二电机的输出端相连，食指柔性件的一端与食指第四传动机构的输出端相连，食指柔性件的另一端连接食指第二主动轮，所述的食指第三簧件作为连接件串联安装在从食指近关节轴到食指第二传动机构再到食指中关节轴的传动链中；

所述的中指、无名指、小指与食指结构相同；所述的手掌包括手掌骨架(11)、手掌电机(121)、手掌第一齿轮(13)、手掌第二齿轮(16)、手掌关节轴(12)；所述的手掌电机与手掌骨架固接，手掌电机的输出轴与手掌第一齿轮固接，手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合，手掌第二齿轮套固在手掌关节轴上，手掌关节轴套设在手掌骨架中，拇指基座套固在手掌关节轴上；所述的食指通过食指基座与手掌骨架固接，所述的中指、无名指、小指分别与手掌骨架固接，连接方式同食指一致；所述的食指、中指、无名指、小指、拇指和手掌之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置。

2.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的拇指主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的拇指从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的拇指传动件、拇指主动轮和拇指从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

3.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第一传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的食指第一主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第一从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第一传动件、食指第一主动轮和食指第一从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

4.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第二传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条，所述的食指第二主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第二从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的食指第二传动件、食指第二主动轮和食指第二从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

5.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指第三传动机构包括拇指丝杆(210)和拇指螺母(29)，所述的拇指丝杆与拇指第二电机的输出轴相连，所述的拇指螺母与拇指丝杆形成螺纹传动关系，拇指螺母与拇指柔性件的一端相连，拇指螺母镶嵌在拇指中部指段中。

6.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指第四传动机构包括食指丝杆(310)和食指螺母(39)，所述的食指丝杆与食指第二电机的输出轴相连，所述的食指螺母与食指丝杆形成螺纹传动关系，食指螺母与食指柔性件的一端相连，食指螺母镶嵌在食指第一中部指段中。

7.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的拇指第一簧件、拇指第二簧件、食指第一簧件、食指第二簧件和食指第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳和橡皮筋中一种或几种的组合。

8.如权利要求1所述的变位欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的食指柔性件和拇指柔性件采用绳(311)、带、筋、丝和链条中的一种或几种的组合。

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