CN112809721A - 一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，包括手指组件、手掌组件、手腕组件以及手臂组件，手指组件包括拇指、食指、中指、无名指以及小指，拇指包括依次设置的拇指初端指节、拇指末端指节及拇指基座，拇指初端指节、拇指末端指节及拇指基座通过第一弹片连成整体，食指、中指、无名指以及小指均分别包括依次置的初端指节、中间指节、末端指节及基座，初端指节、中间指节、末端指节及基座通过第二弹片连成整体；拇指、食指、中指、无名指以及小指与驱动机构相连，驱动机构驱使手指组件弯曲产生抓握动作，第一弹片及第二弹片通过自身的回弹实现手指组件的复位。本发明具有结构简单紧凑、轻量化、小型化等优点。

Description

一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手。

背景技术

随着科学技术的发展，越来越多的机器人技术应用在工业生产、康复锻炼等各个领域，机械手分为康复用机械手和工业夹持器。机械手作为机器人***与外界环境交互的终端，直接反映了机器人***的操作性能。传统的工业机械手发展相对成熟，虽然其成本较低，结构简单，但一般仅能进行简单的开合夹持，应用上有很大的局限性。人手相对灵活很多，可以完成各种复杂的动作，多关节的仿人手因关节数较多，自由度较高，可以完成相对复杂的抓取动作，稳定性较高，但现有的大多数多关节仿人手为实现各关节的独立控制，一个关节对应着一个驱动器，并进行单独的控制，并配有大量的传感器，这样使得机械手的结构笨重，控制复杂，成本大大增加。欠驱动可以实现用较少的驱动数控制较多的自由度，采用欠驱动原理控制机械手很好的解决了实现多自由度与轻量性、低成本间的矛盾。公开号为CN109648589A的专利公布了一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，该发明专利虽然具有体积小巧、关节多的的特点，但一个手指具有多个驱动装置，且控制多个手指更加复杂。公开号为CN105583829A的专利公布了一种基于钢丝拉动的仿真机械手指，该发明专利虽然具有抓取物体适应力强和结构简单的优点，但每根机械指需要使用单动力驱动，控制复杂。公开号为CN106272492A的专利公布了一种拉线驱动的机械手指，该发明专利虽然具有成本较低和控制简单的优点，但手指关节较少，复位机构复杂。

因此，本发明引入弹性体构型的手指结构并采用欠驱动原理控制机械手，在结构设计和控制方面具有良好的创新性，可应用于工业操作和远程控制领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，该仿人手采用一部电机驱动，且具有十四个自由度，是一种结构简单紧凑、抓握稳定的机械手。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括依次连接的手指组件、手掌组件、手腕组件以及手臂组件，所述的手指组件包括拇指、食指、中指、无名指以及小指，所述的拇指包括依次设置的拇指初端指节、拇指末端指节及拇指基座，所述的拇指初端指节、拇指末端指节及拇指基座的背面通过第一弹片连成整体，所述的食指、中指、无名指以及小指均分别包括依次置的初端指节、中间指节、末端指节及基座，所述的初端指节、中间指节、末端指节及基座的背面通过第二弹片连成整体；

所述的拇指、食指、中指、无名指以及小指通过滑轮组件与驱动机构相连，所述的滑轮组件包括单独设置的第一动滑轮、并列设置的第二动滑轮和第三动滑轮、以及单独设置的第四动滑轮，所述的第一动滑轮、第二动滑轮、第三动滑轮、第四动滑轮分别固定在第一滑轮支架、第二滑轮支架、第三滑轮支架、第四滑轮支架上，所述的滑轮组件还包括连接驱动机构与第一滑轮支架的第一柔索、绕经第一动滑轮且两端分别与第二滑轮支架及第三滑轮支架相连的第二柔索、绕经第二动滑轮且两端分别与拇指及食指相连的第三柔索、绕经第三动滑轮且两端分别与中指及第四滑轮支架相连的第四柔索、绕经第四动滑轮且两端分别与无名指及小指相连的第五柔索，所述的驱动机构通过上述各柔索提供牵引的拉力以驱使手指组件弯曲产生抓握动作，所述的第一弹片及第二弹片通过自身的回弹实现手指组件的复位。

所述的驱动机构设置在手臂组件的内部，包括电机、与电机输出端相连的减速器以及与减速器输出轴同轴连接的绕线轮，所述的减速器输出轴沿手臂组件的长度方向水平设置，所述的减速器与固定在手臂组件上的电机支架相连，所述的减速器输出轴上还设有限制绕线轮轴向运动的轴用弹性挡圈，所述第一柔索的一端与绕线轮相连，第一柔索的另一端依次绕经固定在手臂组件上的第一导轮和第二导轮后与第一滑轮支架上的第一挂钩连接；所述的第一导轮与第二导轮的轮轴均垂直于绕线轮的轮轴。

所述的拇指基座上设有与第三柔索相配合的第一导向轮，所述拇指的各指节内部设有供第三柔索穿过的第一通孔，所述食指的基座上设有与第三柔索相配合的第二导向轮，所述食指的各指节内部设有供第三柔索穿过的第二通孔，第三柔索的一端绕经第一导向轮后经由第一通孔与拇指初端指节相固定；第三柔索的另一端绕经第二导向轮后经由第二通孔与食指的初端指节相固定；

所述中指的基座上设有与第四柔索相配合的第三导向轮，所述中指的各指节内部设有供第四柔索穿过的第三通孔，第四柔索的一端绕经第三导向轮后经由第三通孔与中指的初端指节相固定；第四柔索的另一端与第四滑轮支架上的第四挂钩相连；

所述无名指的基座上设有与第五柔索相配合的第四导向轮，所述无名指的各指节内部设有供第五柔索穿过的第四通孔，所述小指的基座上设有与第五柔索相配合的第五导向轮，所述小指的各指节内部设有供第五柔索穿过的第五通孔，第五柔索的一端绕经第四导向轮后经由第四通孔与无名指的初端指节相固定；第五柔索的另一端绕经第五导向轮后经由第五通孔与小指的初端指节相固定。

所述的第一动滑轮设置在手臂组件内部的中段位置，为一级滑轮；所述的第一滑轮支架通过与其相固定的第一导轨滑块与设置在手臂组件上的第一微型直线导轨相连，所述的第一滑轮支架上设有第一挂钩；

所述的第二动滑轮及第三动滑轮并列设置在手臂组件内部的前段位置，为二级滑轮；所述的第二滑轮支架通过与其相固定的第二导轨滑块与设置在手臂组件上的第二微型直线导轨相连，且第二滑轮支架上设有第二挂钩；所述的第三滑轮支架通过与其相固定的第三导轨滑块与设置在手臂组件上的第三微型直线导轨相连，且第三滑轮支架上设有第三挂钩；

所述的第四动滑轮设置在手掌组件的内部，为三级滑轮；所述的第四滑轮支架通过与其相固定的第四导轨滑块与设置在手掌组件上的第四微型直线导轨相连，且第四滑轮支架上设有第四挂钩。

所述的第一弹片包括依次布置且为一体结构的第一平片、第一弧形片、第二平片、第二弧形片及第三平片，其中：第一平片、第二平片、第三平片分别与拇指初端指节、拇指末端指节、拇指基座相配合连接，第一弧形片用于连接第一平片与第二平片，第二弧形片用于连接第二平片与第三平片，且第一弧形片及第二弧形片均为外凸的弧形片；

所述拇指初端指节的背面开设有与第一平片相配合的第一凹槽，所述拇指末端指节的背面开设有与第二平片相配合的第二凹槽，所述拇指基座的背面开设有与第三平片相配合的第三凹槽。

所述的第二弹片包括依次布置且为一体结构的第四平片、第三弧形片、第五平片、第四弧形片、第六平片、第五弧形片及第七平片，其中：第四平片、第五平片、第六平片、第七平片分别与初端指节、中间指节、末端指节、基座相配合连接，所述的第三弧形片用于连接第四平片与第五平片，第四弧形片用于连接第五平片与第六平片，第五弧形片用于连接第六平片与第七平片，且第三弧形片、第四弧形片与第五弧形片均为外凸的弧形片；

所述初端指节的背面开设有与第四平片相配合的第四凹槽，所述中间指节的背面开设有与第五平片相配合的第五凹槽，所述末端指节的背面开设有与第六平片相配合的第六凹槽，所述的基座上设有与第七平片相配合的插槽。

所述的手掌组件及手臂组件均为中空结构，所述的手掌组件包括对合设置且连接的手掌内板及手掌背板，所述的拇指基座以及食指、中指、无名指、小指的基座均与手掌背板相连接，所述的手臂组件包括对合设置且连接的手臂内板及手臂背板，所述的手腕组件为环状体，所述的手腕组件套设在手掌组件及手臂组件的连接处并分别与手掌组件及手臂组件固连。

所述的第一微型直线导轨与第二微型直线导轨之间设有前后方向平行设置的第一套管固定板及第二套管固定板，所述第二柔索的两端依次贯穿第二套管固定板和第一套管固定板后与第二滑轮支架及第三滑轮支架相连，位于第一套管固定板及第二套管固定板之间的第二柔索上套设有第一套管；

所述的第二微型直线导轨与第四微型直线导轨之间设有前后方向平行设置的第三套管固定板和第四套管固定板，所述第三柔索的两端贯穿第四套管固定板后与拇指及食指连接，所述的第四套管固定板与第一导向轮之间的第三柔索以及第四套管固定板与第二导向轮之间的第三柔索上分别套设有第二套管；

所述第四柔索的一端贯穿第四套管固定板后与无名指相连，第四柔索的另一端依次贯穿第四套管固定板与第三套管固定板后与第四滑轮支架相连，所述的第四套管固定板与第三导向轮之间的第四柔索以及第三套管固定板与第四套管固定板之间的第四柔索上分别套设有第三套管。

由上述技术方案可知，本发明通过电机将动力传递给柔索，通过柔索与动滑轮的配合将动力传递给各手指，完成抓握动作；当电机停止动力输入时，第一弹片和第二弹片可依靠自身的回弹拉动各柔索回复至初始状态，实现机械手的复位。本发明仅使用一部电机即可驱动仿人手进行抓取动作，结构简单紧凑；本发明基于弹性体构型的手指结构抓握稳定，同时实现了轻量化、小型化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的内部结构示意图一。

图3是本发明的内部结构示意图二。

图4是本发明的内部结构示意图三。

图5是本发明手掌组件的结构示意图。

图6是本发明手腕组件的结构示意图。

图7是本发明手臂组件的结构示意图。

图8是本发明手指组件与手掌组件的连接示意图。

图9是本发明拇指的整体结构示意图。

图10是本发明拇指的分解结构示意图。

图11是本发明食指的整体结构示意图。

图12是本发明食指的分解结构示意图。

图13是本发明驱动结构的整体结构示意图。

图14是本发明驱动结构的分解结构示意图。

图15是本发明第一动滑轮的整体结构示意图。

图16是本发明第一动滑轮的分解结构示意图。

图17是本发明食指的弯曲抓握示意图。

上述附图中的标记为：手指组件1、拇指11、拇指初端指节111、第一凹槽1111、拇指末端指节112、第二凹槽1121、拇指基座113、第一导向轮1131、第三凹槽1132、第一弹片114、第一平片1141、第一弧形片1142、第二平片1143、第二弧形片1144、第三平片1145、第一通孔115、食指12、第二通孔121、中指13、无名指14、小指15、初端指节16、第四凹槽161、中间指节17、第五凹槽171、末端指节18、第六凹槽181、基座19、第二导向轮191、插槽192、第二弹片20、第四平片201、第三弧形片202、第五平片203、第四弧形片204、第六平片205、第五弧形片206、第七平片207、手掌组件2、手掌内板21、手掌背板22、手腕组件3、手臂组件4、手臂内板41、手臂背板42、滑轮组件6、第一动滑轮61、第一滑轮支架611、第一挂钩612、第一导轨滑块613、第一微型直线导轨614、第二动滑轮62、第二滑轮支架621、第二挂钩622、第二导轨滑块623、第二微型直线导轨624、第三动滑轮63、第三滑轮支架631、第三挂钩632、第三导轨滑块633、第三微型直线导轨634、第四动滑轮64、第四滑轮支架641、第四挂钩642、第四导轨滑块643、第四微型直线导轨644、第一柔索65、第二柔索66、第三柔索67、第四柔索68、第五柔索69、驱动机构7、电机71、减速器72、减速器输出轴73、绕线轮74、电机支架75、轴用弹性挡圈76、第一导轮77、第二导轮78、第一套管固定板81、第二套管固定板82、第一套管83、第三套管固定板84、第四套管固定板85、第二套管86、第三套管87。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2、图3、图4所示的一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，包括依次连接的手指组件1、手掌组件2、手腕组件3以及手臂组件4，手指组件1包括拇指11、食指12、中指13、无名指14以及小指15，拇指11、食指12、中指13、无名指14以及小指15通过滑轮组件6与驱动机构7相连。

进一步的，如图9、图10所示，拇指11包括依次设置的拇指初端指节111、拇指末端指节112及拇指基座113，拇指初端指节111、拇指末端指节112及拇指基座113的背面通过第一弹片114连成整体。

具体的，第一弹片114包括依次布置且为一体结构的第一平片1141、第一弧形片1142、第二平片1143、第二弧形片1144及第三平片1145，其中：第一平片1141、第二平片1143、第三平片1145分别与拇指初端指节111、拇指末端指节112、拇指基座113相配合连接，第一弧形片1142用于连接第一平片1141与第二平片1143，第二弧形片1144用于连接第二平片1143与第三平片1145，且第一弧形片1142及第二弧形片1144均为外凸的弧形片；拇指初端指节111的背面开设有与第一平片1141相配合的第一凹槽1111，拇指末端指节112的背面开设有与第二平片1143相配合的第二凹槽1121，拇指基座113的背面开设有与第三平片1145相配合的第三凹槽1132。即拇指初端指节111、拇指末端指节112及拇指基座113均与第一弹片114通过内六角螺钉相连，构成拇指11的主要部分，拇指初端指节111、拇指末端指节112及拇指基座113的背面开设有凹槽用以安装第一弹片114，这里的背面是指手背面。

食指12、中指13、无名指14以及小指15均分别包括依次置的初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19，初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19的背面通过第二弹片20连成整体。即食指12、中指13、无名指14以及小指15的结构相同，与拇指11相比多出一个中间指节17。下面以食指12为例进行说明：

如图11、12所示，食指12包括初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19，初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19，初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19的背面通过第二弹片20连成整体。

具体的，第二弹片20包括依次布置且为一体结构的第四平片201、第三弧形片202、第五平片203、第四弧形片204、第六平片205、第五弧形片206及第七平片207，其中：第四平片201、第五平片203、第六平片205、第七平片207分别与初端指节16、中间指节17、末端指节18、基座19相配合连接，第三弧形片202用于连接第四平片201与第五平片203，第四弧形片204用于连接第五平片203与第六平片205，第五弧形片206用于连接第六平片205与第七平片207，且第三弧形片202、第四弧形片204与第五弧形片206均为外凸的弧形片；初端指节16的背面开设有与第四平片201相配合的第四凹槽161，中间指节17的背面开设有与第五平片203相配合的第五凹槽171，末端指节18的背面开设有与第六平片205相配合的第六凹槽181，基座19上设有与第七平片207相配合的插槽192。即食指12的初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19均与第二弹片20通过内六角螺钉相连，构成食指12的主要部分，食指12的初端指节16、中间指节17、末端指节18及基座19的背面开设有凹槽用以安装第二弹片20，这里的背面是指手背面。

进一步的，如图15、图16所示，滑轮组件包括单独设置的第一动滑轮61、并列设置的第二动滑轮62和第三动滑轮63、以及单独设置的第四动滑轮64，第一动滑轮61、第二动滑轮62、第三动滑轮63、第四动滑轮64分别固定在第一滑轮支架611、第二滑轮支架621、第三滑轮支架631、第四滑轮支架641上，滑轮组件6还包括连接驱动机构7与第一滑轮支架611的第一柔索65、绕经第一动滑轮61且两端分别与第二滑轮支架621及第三滑轮支架631相连的第二柔索66、绕经第二动滑轮62且两端分别与拇指11及食指12相连的第三柔索67、绕经第三动滑轮63且两端分别与中指13及第四滑轮支架641相连的第四柔索68、绕经第四动滑轮64且两端分别与无名指14及小指15相连的第五柔索69，驱动机构7通过上述各柔索提供牵引的拉力以驱使手指组件1弯曲产生抓握动作，第一弹片114及第二弹片20通过自身的回弹实现手指组件1的复位。

具体的，第一动滑轮61设置在手臂组件4内部的中段位置，为一级滑轮；第一滑轮支架611通过与其相固定的第一导轨滑块613与设置在手臂组件4上的第一微型直线导轨614相连，第一滑轮支架611上设有第一挂钩612；

第二动滑轮62及第三动滑轮63并列设置在手臂组件4内部的前段位置，为二级滑轮；第二滑轮支架621通过与其相固定的第二导轨滑块623与设置在手臂组件4上的第二微型直线导轨624相连，且第二滑轮支架621上设有第二挂钩622；第三滑轮支架631通过与其相固定的第三导轨滑块633与设置在手臂组件4上的第三微型直线导轨634相连，且第三滑轮支架631上设有第三挂钩632；

第四动滑轮64设置在手掌组件2的内部，为三级滑轮；第四滑轮支架641通过与其相固定的第四导轨滑块643与设置在手掌组件2上的第四微型直线导轨644相连，且第四滑轮支架641上设有第四挂钩642。

拇指11与其他四指的结构不同，拇指11具有指节开合的两个自由度，其余四指每个都具有指节开合的三个自由度，即手指组件1一共具有十四个自由度；通过设置三级滑轮的方式，可以使用一部电机驱动十四个自由度，既实现了拇指11、食指12、中指13、无名指14以及小指15之间的欠驱动，又实现了这些手指各关节之间的欠驱动。拇指11、食指12、无名指13在抓握动作中需要的动力较大，所以由二级滑轮传递动力，无名指14和小指15需要的动力不大，由三级滑轮传递动力。

进一步的，拇指基座113上设有与第三柔索67相配合的第一导向轮1131，拇指11的各指节内部设有供第三柔索67穿过的第一通孔115，食指12的基座19上设有与第三柔索67相配合的第二导向轮191，食指12的各指节内部设有供第三柔索67穿过的第二通孔121，第三柔索67的一端绕经第一导向轮1131后经由第一通孔115与拇指初端指节111相固定；第三柔索67的另一端绕经第二导向轮191后经由第二通孔121与食指12的初端指节16相固定；

中指13的基座上设有与第四柔索68相配合的第三导向轮，中指13的各指节内部设有供第四柔索68穿过的第三通孔，第四柔索68的一端绕经第三导向轮后经由第三通孔与中指13的初端指节相固定；第四柔索68的另一端与第四滑轮支架641上的第四挂钩642相连；

无名指14的基座上设有与第五柔索69相配合的第四导向轮，无名指14的各指节内部设有供第五柔索69穿过的第四通孔，小指15的基座上设有与第五柔索69相配合的第五导向轮，小指15的各指节内部设有供第五柔索69穿过的第五通孔，第五柔索69的一端绕经第四导向轮后经由第四通孔与无名指14的初端指节相固定；第五柔索69的另一端绕经第五导向轮后经由第五通孔与小指15的初端指节相固定。

进一步的，如图13、14所示，驱动机构7设置在手臂组件4的内部，具***于手臂组件4的下段，包括电机71、与电机71输出端相连的减速器72以及与减速器输出轴73同轴连接的绕线轮74，减速器输出轴73沿手臂组件4的长度方向水平设置，减速器72与固定在手臂组件4上的电机支架75相连，减速器输出轴73上还设有限制绕线轮74轴向运动的轴用弹性挡圈76，第一柔索65的一端与绕线轮74相连，第一柔索65的另一端依次绕经固定在手臂组件4上的第一导轮77和第二导轮78后与第一滑轮支架611上的第一挂钩612连接；第一导轮77与第二导轮78的轮轴均垂直于绕线轮74的轮轴。

进一步的，如图5、图6、图7、图8所示，手掌组件2及手臂组件4均为中空结构，手掌组件2包括对合设置且连接的手掌内板21及手掌背板22，这里的手掌内板21与手掌背板22分别对应手心与手背，拇指基座113以及食指12、中指13、无名指14、小指15的基座19均与手掌背板22相连接。手臂组件4包括对合设置且连接的手臂内板41及手臂背板42，手腕组件3为环状体，手腕组件3套设在手掌组件2及手臂组件4的连接处并分别与手掌组件2及手臂组件4固连。为便于安装及固定滑轮组件6与驱动机构7，手掌内板21与手掌背板22、手臂内板41与手臂背板42之间均分别有适当的空间，且设有凸台机构。

进一步的，第一微型直线导轨614与第二微型直线导轨624之间设有前后方向平行设置的第一套管固定板81及第二套管固定板82，第二柔索66的两端依次贯穿第二套管固定板82和第一套管固定板81后与第二滑轮支架621及第三滑轮支架631相连，位于第一套管固定板81及第二套管固定板82之间的第二柔索66上套设有第一套管83；

第二微型直线导轨624与第四微型直线导轨644之间设有前后方向平行设置的第三套管固定板84和第四套管固定板85，第三柔索67的两端贯穿第四套管固定板85后与拇指11及食指12连接，第四套管固定板85与第一导向轮1131之间的第三柔索67以及第四套管固定板85与第二导向轮191之间的第三柔索67上分别套设有第二套管86；

第四柔索68的一端贯穿第四套管固定板85后与无名指14相连，第四柔索68的另一端依次贯穿第四套管固定板85与第三套管固定板84后与第四滑轮支架641相连，第四套管固定板85与第三导向轮之间的第四柔索68以及第三套管固定板84与第四套管固定板85之间的第四柔索68上分别套设有第三套管87。上述各套管可以对柔索的走线加以限制，柔索通过套管可以传递动力。

本发明的工作原理及工作过程如下：

1、各柔索的连接方式：

第一柔索：第一柔索的一端与绕线轮相连，第一柔索的另一端依次绕经第一导轮和第二导轮后与第一滑轮支架上的第一挂钩连接；

第二柔索：第二柔索的一端依次穿过第二套管固定板、第一套管固定板后与第二滑轮支架上的第二挂钩连接，第二柔索的另一端绕经第一动滑轮，再依次穿过第二套管固定板、第一套管固定板后与第三滑轮支架上的第三挂钩连接；

第三柔索：第三柔索的一端穿过第四套管固定板后，绕经拇指基座上的第一导向轮并经由第一通孔与拇指初端指节相固定；第三柔索的另一端绕经第二动滑轮，再穿过第四套管固定板，之后绕经食指上的第二导向轮并经由第二通孔与食指的初端指节相固定；

第四柔索：第四柔索的一端穿过第四套管固定板后，绕经中指上的第三导向轮并经由第三通孔与中指的初端指节相固定；第四柔索的另一端绕经第三动滑轮，再依次穿过第四套管固定板、第三套管固定板，之后与第四滑轮支架上的第四挂钩连接；

第五柔索：第五柔索的一端绕经无名指上的第四导向轮并经由第四通孔与无名指的初端指节相固定；第五柔索的另一端依次绕经第四动滑轮和第五导向轮，之后经由第五通孔与小指的初端指节相固定。

2、动力传递原理：

电机工作，通过减速器带动绕线轮转动，与绕线轮相连的第一柔索经过第一导轮、第二导轮的涨紧导向后拉动第一滑轮支架沿第一微型直线导轨限定的方向向后移动，将动力传递给第一动滑轮；第一动滑轮再通过第二柔索拉同时向后拉动第二滑轮支架、第三滑轮支架，将动力传递给第二动滑轮和第三动滑轮，第二动滑轮通过第三柔索将动力传递给拇指及食指的同时，第三动滑轮通过第四柔索将动力传递给中指及第四滑轮支架，第四动滑轮再通过第五柔索将动力传递给无名指及小指；第一动滑轮、第二动滑轮、第三动滑轮、第四动滑轮在传递拉力时，均保持在各微型直线导轨上的同向移动。

3、手指组件的动作：

以拇指为例，第二动滑轮的向后移动使第三柔索对拇指末端指节产生一个拉力，从而引起第一弹片的弯曲，从而带动整根手指弯曲产生抓握动作。当电机停止动力输入时，拇指由于第一弹片的回弹拉动第三柔索回复至初始状态，实现拇指的复位。

如图17所示，其余四指的动作原理与拇指相同，即分别通过各柔索的拉动，使各手指弯曲产生抓握动作，再通过第二弹片的回弹使各手指回复初始状态，实现复位，在此不再一一赘述。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明仅使用一部电机即可驱动仿人手进行抓取动作，具有包络抓取和一定的形状自适应能力，结构简单紧凑；（2）本发明的仿人手具有十四个自由度，且基于非均匀弹性体构型，抓握稳定，同时实现了轻量化、小型化；（3）本发明在机械手抓握结束即电机停止后，通过第一弹片、第二弹片自身的回弹性能拉动各柔索回复至初始状态，从而实现仿人手的复位。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：包括依次连接的手指组件（1）、手掌组件（2）、手腕组件（3）以及手臂组件（4），所述的手指组件（1）包括拇指（11）、食指（12）、中指（13）、无名指（14）以及小指（15），所述的拇指（11）包括依次设置的拇指初端指节（111）、拇指末端指节（112）及拇指基座（113），所述的拇指初端指节（111）、拇指末端指节（112）及拇指基座（113）的背面通过第一弹片（114）连成整体，所述的食指（12）、中指（13）、无名指（14）以及小指（15）均分别包括依次置的初端指节（16）、中间指节（17）、末端指节（18）及基座（19），所述的初端指节（16）、中间指节（17）、末端指节（18）及基座（19）的背面通过第二弹片（20）连成整体；

所述的拇指（11）、食指（12）、中指（13）、无名指（14）以及小指（15）通过滑轮组件（6）与驱动机构（7）相连，所述的滑轮组件包括单独设置的第一动滑轮（61）、并列设置的第二动滑轮（62）和第三动滑轮（63）、以及单独设置的第四动滑轮（64），所述的第一动滑轮（61）、第二动滑轮（62）、第三动滑轮（63）、第四动滑轮（64）分别固定在第一滑轮支架（611）、第二滑轮支架（621）、第三滑轮支架（631）、第四滑轮支架（641）上，所述的滑轮组件（6）还包括连接驱动机构（7）与第一滑轮支架（611）的第一柔索（65）、绕经第一动滑轮（61）且两端分别与第二滑轮支架（621）及第三滑轮支架（631）相连的第二柔索（66）、绕经第二动滑轮（62）且两端分别与拇指（11）及食指（12）相连的第三柔索（67）、绕经第三动滑轮（63）且两端分别与中指（13）及第四滑轮支架（641）相连的第四柔索（68）、绕经第四动滑轮（64）且两端分别与无名指（14）及小指（15）相连的第五柔索（69），所述的驱动机构（7）通过上述各柔索提供牵引的拉力以驱使手指组件（1）弯曲产生抓握动作，所述的第一弹片（114）及第二弹片（20）通过自身的回弹实现手指组件（1）的复位。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的驱动机构（7）设置在手臂组件（4）的内部，包括电机（71）、与电机（71）输出端相连的减速器（72）以及与减速器输出轴（73）同轴连接的绕线轮（74），所述的减速器输出轴（73）沿手臂组件（4）的长度方向水平设置，所述的减速器（72）与固定在手臂组件（4）上的电机支架（75）相连，所述的减速器输出轴（73）上还设有限制绕线轮（74）轴向运动的轴用弹性挡圈（76），所述第一柔索（65）的一端与绕线轮（74）相连，第一柔索（65）的另一端依次绕经固定在手臂组件（4）上的第一导轮（77）和第二导轮（78）后与第一滑轮支架（611）上的第一挂钩（612）连接；所述的第一导轮（77）与第二导轮（78）的轮轴均垂直于绕线轮（74）的轮轴。

3.根据权利要求1所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的拇指基座（113）上设有与第三柔索（67）相配合的第一导向轮（1131），所述拇指（11）的各指节内部设有供第三柔索（67）穿过的第一通孔（115），所述食指（12）的基座（19）上设有与第三柔索（67）相配合的第二导向轮（191），所述食指（12）的各指节内部设有供第三柔索（67）穿过的第二通孔（121），第三柔索（67）的一端绕经第一导向轮（1131）后经由第一通孔（115）与拇指初端指节（111）相固定；第三柔索（67）的另一端绕经第二导向轮（191）后经由第二通孔（121）与食指（12）的初端指节（16）相固定；

所述中指（13）的基座上设有与第四柔索（68）相配合的第三导向轮，所述中指（13）的各指节内部设有供第四柔索（68）穿过的第三通孔，第四柔索（68）的一端绕经第三导向轮后经由第三通孔与中指（13）的初端指节相固定；第四柔索（68）的另一端与第四滑轮支架（641）上的第四挂钩（642）相连；

所述无名指（14）的基座上设有与第五柔索（69）相配合的第四导向轮，所述无名指（14）的各指节内部设有供第五柔索（69）穿过的第四通孔，所述小指（15）的基座上设有与第五柔索（69）相配合的第五导向轮，所述小指（15）的各指节内部设有供第五柔索（69）穿过的第五通孔，第五柔索（69）的一端绕经第四导向轮后经由第四通孔与无名指（14）的初端指节相固定；第五柔索（69）的另一端绕经第五导向轮后经由第五通孔与小指（15）的初端指节相固定。

4.根据权利要求1所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的第一动滑轮（61）设置在手臂组件（4）内部的中段位置，为一级滑轮；所述的第一滑轮支架（611）通过与其相固定的第一导轨滑块（613）与设置在手臂组件（4）上的第一微型直线导轨（614）相连，所述的第一滑轮支架（611）上设有第一挂钩（612）；

所述的第二动滑轮（62）及第三动滑轮（63）并列设置在手臂组件（4）内部的前段位置，为二级滑轮；所述的第二滑轮支架（621）通过与其相固定的第二导轨滑块（623）与设置在手臂组件（4）上的第二微型直线导轨（624）相连，且第二滑轮支架（621）上设有第二挂钩（622）；所述的第三滑轮支架（631）通过与其相固定的第三导轨滑块（633）与设置在手臂组件（4）上的第三微型直线导轨（634）相连，且第三滑轮支架（631）上设有第三挂钩（632）；

所述的第四动滑轮（64）设置在手掌组件（2）的内部，为三级滑轮；所述的第四滑轮支架（641）通过与其相固定的第四导轨滑块（643）与设置在手掌组件（2）上的第四微型直线导轨（644）相连，且第四滑轮支架（641）上设有第四挂钩（642）。

5.根据权利要求1所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的第一弹片（114）包括依次布置且为一体结构的第一平片（1141）、第一弧形片（1142）、第二平片（1143）、第二弧形片（1144）及第三平片（1145），其中：第一平片（1141）、第二平片（1143）、第三平片（1145）分别与拇指初端指节（111）、拇指末端指节（112）、拇指基座（113）相配合连接，第一弧形片（1142）用于连接第一平片（1141）与第二平片（1143），第二弧形片（1144）用于连接第二平片（1143）与第三平片（1145），且第一弧形片（1142）及第二弧形片（1144）均为外凸的弧形片；

所述拇指初端指节（111）的背面开设有与第一平片（1141）相配合的第一凹槽（1111），所述拇指末端指节（112）的背面开设有与第二平片（1143）相配合的第二凹槽（1121），所述拇指基座（113）的背面开设有与第三平片（1145）相配合的第三凹槽（1132）。

6.根据权利要求1所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的第二弹片（20）包括依次布置且为一体结构的第四平片（201）、第三弧形片（202）、第五平片（203）、第四弧形片（204）、第六平片（205）、第五弧形片（206）及第七平片（207），其中：第四平片（201）、第五平片（203）、第六平片（205）、第七平片（207）分别与初端指节（16）、中间指节（17）、末端指节（18）、基座（19）相配合连接，所述的第三弧形片（202）用于连接第四平片（201）与第五平片（203），第四弧形片（204）用于连接第五平片（203）与第六平片（205），第五弧形片（206）用于连接第六平片（205）与第七平片（207），且第三弧形片（202）、第四弧形片（204）与第五弧形片（206）均为外凸的弧形片；

所述初端指节（16）的背面开设有与第四平片（201）相配合的第四凹槽（161），所述中间指节（17）的背面开设有与第五平片（203）相配合的第五凹槽（171），所述末端指节（18）的背面开设有与第六平片（205）相配合的第六凹槽（181），所述的基座（19）上设有与第七平片（207）相配合的插槽（192）。

7.根据权利要求1所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的手掌组件（2）及手臂组件（4）均为中空结构，所述的手掌组件（2）包括对合设置且连接的手掌内板（21）及手掌背板（22），所述的拇指基座（113）以及食指（12）、中指（13）、无名指（14）、小指（15）的基座（19）均与手掌背板（22）相连接，所述的手臂组件（4）包括对合设置且连接的手臂内板（41）及手臂背板（42），所述的手腕组件（3）为环状体，所述的手腕组件（3）套设在手掌组件（2）及手臂组件（4）的连接处并分别与手掌组件（2）及手臂组件（4）固连。

8.根据权利要求4所述的基于非均匀弹性体构型的柔索牵引欠驱动仿人手，其特征在于：所述的第一微型直线导轨（614）与第二微型直线导轨（624）之间设有前后方向平行设置的第一套管固定板（81）及第二套管固定板（82），所述第二柔索（66）的两端依次贯穿第二套管固定板（82）和第一套管固定板（81）后与第二滑轮支架（621）及第三滑轮支架（631）相连，位于第一套管固定板（81）及第二套管固定板（82）之间的第二柔索（66）上套设有第一套管（83）；

所述的第二微型直线导轨（624）与第四微型直线导轨（644）之间设有前后方向平行设置的第三套管固定板（84）和第四套管固定板（85），所述第三柔索（67）的两端贯穿第四套管固定板（85）后与拇指（11）及食指（12）连接，所述的第四套管固定板（85）与第一导向轮（1131）之间的第三柔索（67）以及第四套管固定板（85）与第二导向轮（191）之间的第三柔索（67）上分别套设有第二套管（86）；

所述第四柔索（68）的一端贯穿第四套管固定板（85）后与无名指（14）相连，第四柔索（68）的另一端依次贯穿第四套管固定板（85）与第三套管固定板（84）后与第四滑轮支架（641）相连，所述的第四套管固定板（85）与第三导向轮之间的第四柔索（68）以及第三套管固定板（84）与第四套管固定板（85）之间的第四柔索（68）上分别套设有第三套管（87）。

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