CN109397317B - 一种欠驱动机械手及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手领域，特别涉及一种欠驱动机械手的手指开合驱动装置，该机械手基于电磁接触器原理控制手指可自由移位。该机械手包括手指开合驱动部分、手指自由移位部分、手指结构部分和传感器部分；所述手指开合驱动装置主要用于整个机械手握紧和张开过程，由手指开合驱动电机通过同步机构进行传动；所述手指开合驱动部分包括手指开合动力部分和手指开合驱动装置，所述手指结构部分包括手指四连杆结构、三角推板、手指导轨连接、手指半圆形橡胶和压力传感器，当三角推板推动时，带动手指四连杆结构进行握紧和张开动作。本发明的欠驱动机械手的手指开合驱动装置使机械手更轻、更小，成本低，使用灵活，抓取效率高。

Description

一种欠驱动机械手及其操作方法

技术领域

本发明涉及机械手领域，特别涉及一种基于电磁接触器原理控制手指可自由移位的欠驱动机械手及其操作方法。

背景技术

机械手作为机器人的末端执行器，是与周围环境的重要接口，其重要性不言而喻。机械手的应用领域正在不断扩大，通过远程控制，可替代人类完成复杂的任务，把人类从高危作业中解救出来。在移动机器人中，减少能量消耗是一个特别考虑的指标。因此，驱动单元少，能量消耗少的欠驱动机械手就成为移动机器人的首选。

机械手大体分两类，一类是专用夹持器，另一类是仿人型的多指灵巧手。专用夹持器一般只能够实现简单的开合动作，夹持器结构简单，承重能力大，但不能适应被夹物体形状、大小变化的需要，使其适用范围受到很大限制。另一类是多指灵巧手，但由于手指关节比较多，对每一个关节都需要进行独立的控制，自由度较多，从理论上可以实现在不更换机械手的情况下，就可以对各种复杂形状的物体进行高精度、稳定和可靠的抓取。但是，想具备这种功能，就需要在每个手指关节处进行驱动，并进行单独控制。采用多手指灵巧手，不但手指结构复杂，机械手的重量和尺寸大大增加，而且伺服系统复杂，给控制带来很大困难。由于大量的电机和控制器件的使用，制造成本也大大增加。因此，目前如何用简单可靠的装置、简便的控制方法来实现较多的自由度，增加抓取物品的形状范围，成为研究热点。

目前，在已开发的机械手结构中，一类是在手指布局确定的情况下，即各手指的整体布局、以及各手指的相对位置和距离固定不变，进行手指的结构设计改进。在此情况下，为了实现抓取不规则物品，就只能使手指具有更多的自由度，手指在运动中产生多拓扑结构变化和多自由度变化，进行自我重组和重构。然而，这导致了手指的结构越来越复杂，且只能抓取外形变化不大的物品；并且，因各手指受力不均，被抓取物品易移位，承重力不大。一旦物品外形变化较大，因手掌行程问题，就无法实现抓取。因此，虽然这类机械手宣称可以抓取不规则形状的物品，实际上对物品的外形和重量存在较大的局限性。

另一类是在夹持器基础上，让手指像机床夹具夹爪一样，让手指径向运动，这种设计只能增大抓取同一形状物品的直径范围，不能实现抓取不同形状的物品。再一类是手指采用柔性结构设计，柔性结构设计是以柔性材料在受力后的变形来达到适应被抓取物品的外部形状，以达到抓取不同形状物品。但是，这类机械手对柔性材料要求极高，且受弹性变形影响，柔性手指与物品的接触力受到影响，影响接触面的摩擦力，使机械手的承重受到限制。因此，这类机械手在抓取物品的重量和尺寸上也受到很大限制。

因此，迫切需要提供一种机械手，既能在较大的重量和尺寸范围内，抓取各种形状的物品，并且该机械手结构简单，抓取效率和可靠性高，能够在程序控制下实现精细抓取。

发明内容

发明目的：

为解决现有机械手技术上存在的问题，本发明提供一种基于电磁接触器原理控制手指可自由移位的欠驱动机械手及其操作方法，能够通过手指的不同组合位置实现多种形式和不规则形状物品的抓取。利用它可抓取形状各异的物品，提高了抓取的适应性、多样性、灵活性，从而减少工作环节、提高工作效率并降低使用成本。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种欠驱动机械手，该机械手包括手指开合驱动部分、手指自由移位部分、手指结构部分和传感器部分；

手指开合驱动部分的长推杆与手指自由位移部分的弧形导向板连接；手指结构部分的手指导轨连接块与手指自由移位部分的上导轨滑动连接，上导轨固定在上端盖上；传感器部分固定在上端盖上。

手指开合驱动部分包括手指开合动力部分和手指开合驱动装置，手指开合动力部分的丝杠与手指开合驱动装置的螺母副螺纹连接；

手指开合动力部分包括手指开合电机、丝杠和同步机构，手指开合电机和丝杠位于下端盖和中间支撑板Ⅰ之间，手指开合电机固定在下端盖上，手指开合电机的电机轴穿过下端盖与同步机构连接；丝杠上端固定在中间支撑板Ⅰ的中心上，同步机构位于保护盖和下端盖之间；

手指开合驱动装置包括中部滑盘、螺母副和长推杆，中部滑盘与螺母副固定连接，中部滑盘在丝杠带动下沿滑盘导向柱上下移动，滑盘导向柱上端与中间支撑板Ⅰ连接，滑盘导向柱下端穿过中部滑盘与保护盖固定；

在中部滑盘和中间支撑板Ⅰ之间设置数个长推杆，长推杆上端依次穿过中间支撑板Ⅰ、中间支撑板Ⅱ与周向均匀分布的数个弧形导向板分别相连，长推杆下端与中部滑盘固定连接。

手指自由移位部分包括移位驱动部分和移位装置部分，移位驱动部分的移位齿轮与移位装置部分的电磁接触器接触头啮合；

移位驱动部分包括手指移位电机、齿轮机构、移位齿轮，手指移位电机位于下端盖和中间支撑板Ⅰ之间；手指移位电机的上端的电机轴穿过中间支撑板Ⅰ与齿轮机构连接，手指移位电机通过齿轮机构带动移位齿轮转动；移位齿轮的轴上端固定在上端盖下部的中心上，移位齿轮的轴下端穿过中间支撑板Ⅱ和齿轮机构与移位齿轮轴端盖固定，移位齿轮轴端盖与中间支撑板Ⅰ固定连接且中心同心；

移位装置部分包括曲柄杆、移位板、弧形导向板、滑块、短推柱、电磁接触器和电磁接触器接触头；曲柄杆上端穿过上端盖的贯通槽与三角推板连接，曲柄杆下端与短推柱的上端连接；移位板的外侧上表面与短推柱的下端连接，移位板对应短推柱的下表面固定有滑块，滑块下端与弧形导向板滑动连接；弧形导向板固定在长推杆上端，长推杆带动弧形导向板上下移动；移位板的内侧设有转向柱，转向柱上端固定在上端盖上，转向柱下端与穿过移位板和电磁接触器接触头与中间支撑板Ⅱ固定；移位板的内侧下端设有电磁接触器，电磁接触器的电磁接触器接触头朝向中心的移位齿轮方向，电磁接触器接触头靠近移位齿轮的方向设置有与移位齿轮啮合的扇形齿轮。

手指结构部分包括手指四连杆结构、三角推板、手指导轨连接块、半圆形的手指橡胶块、压力传感器；曲柄杆与三角推板的下部相连，三角推板的上部一端与手指导轨连接块相连，三角推板的上部另一端与手指四连杆结构的下端相连，三角推板可以在曲柄杆上端摆动，并能在上导轨滑动；

手指橡胶块固定在手指四连杆结构内侧，压力传感器固定在手指橡胶块上。

传感器部分包括红外传感器和三维视觉传感器；

红外传感器和三维视觉传感器位于上端盖上，对物品的形状和距离进行探测。

一种欠驱动机械手的操作方法，该操作方法如下：

当欠驱动机械手进行抓取物品时，三维视觉传感器和红外传感器探测物品的形状和距离，并反馈控制系统数据库对比，确定抓取模式和各个手指移位的角度，并输出信号给电磁接触器的电线断电，电磁接触器接触头在复位弹簧弹力作用下伸出与移位齿轮啮合；同时手指移位电机启动，通过齿轮机构带动移位齿轮转动，并进一步带动电磁接触器接触头转动，然后带动移位装置部分进行移位，进一步带动各个手指四连杆结构移位到指定位置；

当电磁接触器接触头在电磁接触器的电磁力作用下处于缩回状态时，电磁接触器接触头的扇形齿轮与移位齿轮脱离，移位板停止移位，移位板、滑块、短推柱停止移位，进一步机械手停止移位；

手指开合电机启动，手指开合电机通过同步机构带动丝杠转动，丝杠带动螺母副和中部滑盘沿滑盘导向柱向上运动，进一步带动长推杆、弧形导向板、滑块、移位板、短推柱沿转向柱向上运动，短推柱通过连接曲柄杆施力推动三角推板，三角推板围绕手指导轨连接块移动，三角推板带动手指四连杆结构运动，最终实现手指四连杆结构的握紧抓取物品；

当手指四连杆结构上的压力传感器探测到手指四连杆结构握紧力达到预设力时，手指开合电机停止转动，完成抓取物品动作；当把抓取物品放到指定位置后，手指开合电机反转使手指结构部分张开。

优点及效果：

本发明具有如下优点及有益效果：

本发明的欠驱动机械手采用了手指可自由移位的结构。用于手指的快速移位达到手指的多样性布局，使机械手可抓取多种形状的物品，达到一手多能。通过手指的移位以对应物品的外观形状，来达到对任意形状物品的抓取，这就大大减轻了手指的复杂化设计，同时使机械手更轻、更小，成本低，使用灵活，抓取效率高。降低机械手抓取成本，提高工作效率，使一个机械手一套手指达到多套手指的功效。并且该机械手结构简单，能够在程序控制下实现精细抓取。

附图说明

图1是基于电磁接触器原理控制手指可自由移位的欠驱动机械手整体图；

图2是基于电磁接触器原理控制手指可自由移位的欠驱动机械手正视图；

图3是手指自由移位部分示意图；

图4是手指开合驱动部分示意图；

图5是手指结构部分示意图；

图6是滑块与弧形导向板连接放大示意图；

图7是手指导轨连接块与导轨连接放大示意图；

图8是移位装置部分示意图；

图9是电磁接触器接触头齿轮与移位齿轮啮合放大示意图；

图10是电磁接触器接触头齿轮与移位齿轮脱离放大示意图；

图11是电磁接触器接触头伸出状态示意图；

图12是电磁接触器接触头缩回状态示意图；

图13是手指常规抓取布局示意图；

图14是两爪夹持抓取布局示意图；

图15是三爪抓取布局示意图；

图16是四爪平行抓取布局示意图；

图17是不规则抓取布局示意图范例1；

图18是不规则抓取布局示意图范例2；

图19是断电时电磁接触器结构和工作状态示意图，电磁接触器结构、工作示意图，在断电状态下，在复位弹簧弹力的作用下，电磁接触器接触头伸出；

图20是通电时电磁接触器结构和工作状态示意图，电磁接触器结构、工作示意图，在通电状态下，在电磁力的作用下，电磁接触器接触头缩回，弹簧处于压缩状态；

图21是弧形导向板结构示意图：弧形导向板由弧形板和下导轨相连接组成；

图22为弧形导向板断面结构示意图。

附图标记说明：

1.红外传感器；2.三维视觉传感器；3.压力传感器；4.手指橡胶块；5上导轨；6.三角推板；7.曲柄杆；8.移位板；9.弧形导向板；9-1.弧形板；9-2下导轨；10.从动齿轮；11.移位齿轮轴端盖；12.手指开合电机；13.滑盘导向柱；14.丝杠；15.保护盖；16.同步带；17.带轮Ⅰ；18.带轮Ⅱ；19.下端盖；20.中部滑盘；21.螺母副；22.长推杆；23.手指移位电机；24.滑块；25.主动齿轮；26.短推柱；27.电磁接触器；28. 手指四连杆结构；29.电磁接触器接触头；30.转向柱；31.移位齿轮；32.手指导轨连接块；33.上端盖；34.复位弹簧；35.电磁线圈；36.电线；37.中间支撑板Ⅰ； 38.中间支撑板Ⅱ。

具体实施方式

本发明的机械手基于电磁接触器原理控制手指可自由移位，包括手指开合驱动部分、手指自由移位部分、手指结构部分和传感器部分；

所述手指开合驱动部分主要用于整个机械手握紧和张开过程，由手指开合驱动电机通过同步机构进行传动；

所述手指自由移位部分用于整个欠驱动机械手手指的自由移位，通过手指移位电机23带动手指四连杆结构28移位，使整个手指布局模式对应所抓取物品的形状；

手指结构部分有多个，用于执行具体的抓取动作，通过三角推板6带动手指四连杆结构28进行手指握紧和张开动作；

传感器部分用于探测待抓取物品的形状和距离，以及握紧物品的预设力。

如附图1~2所示，本发明的整体结构有6块水平的板状元件，自下而上分别是保护盖15、下端盖19、中部滑盘20、中间支撑板Ⅰ37、 中间支撑板Ⅱ38和上端盖33，机械手的手指部分位于上端盖33上，机械手的其他元件大部分位于保护盖15和上端盖33之间。

如图1、图2、图3和图4所示，一种欠驱动机械手，该机械手包括手指开合驱动部分、手指自由移位部分、手指结构部分和传感器部分；

手指开合驱动部分的长推杆22与手指自由位移部分的弧形导向板9连接；手指结构部分的手指导轨连接块32与手指自由移位部分的上导轨5滑动连接，上导轨5固定在上端盖33上；

传感器部分固定在上端盖33上。

手指开合驱动部分包括手指开合动力部分和手指开合驱动装置，

如图1、图8所示，手指开合驱动部分包括手指开合动力部分和手指开合驱动装置，手指开合动力部分的丝杠14与手指开合驱动装置的螺母副21螺纹连接；

其中，螺母副21与中部滑盘20相连，中部滑盘20沿滑盘导向柱13移动，所述滑盘导向柱13底部连接保护盖15，中部滑盘20与长推杆22相连，长推杆22与移位部分的弧形导向板9相连，弧形导向板9与滑块24相连，滑块24与移位板8相连，移位板8与短推柱26相连，短推柱26与曲柄杆7相连、曲柄杆7与手指结构部分的三角推板6相连、手指结构部分的三角推板6与手指导轨连接块32相连。

手指开合动力部分包括手指开合电机12、丝杠14和同步机构，手指开合电机12和丝杠14位于下端盖19和中间支撑板Ⅰ37之间，手指开合电机12固定在下端盖19上，手指开合电机12的电机轴穿过下端盖19与同步机构连接；丝杠14上端固定在中间支撑板Ⅰ37的中心上，同步机构位于保护盖15和下端盖19之间；

手指开合驱动装置包括中部滑盘20、螺母副21和长推杆22，中部滑盘20与螺母副21固定连接，中部滑盘20在丝杠14带动下沿滑盘导向柱13上下移动，滑盘导向柱13上端与中间支撑板Ⅰ37连接，滑盘导向柱13下端穿过中部滑盘20与保护盖15固定；

在中部滑盘20和中间支撑板Ⅰ37之间设置数个长推杆22，长推杆22上端依次穿过中间支撑板Ⅰ37、中间支撑板Ⅱ38与周向均匀分布的数个弧形导向板9分别相连，长推杆22下端与中部滑盘20固定连接。

所述的同步机构采用常规的传动方式，带轮传动、齿轮传动、链传动或者涡轮蜗杆中的任意一种，能够带动丝杠14转动。

所述手指自由移位部分包括手指自由移位驱动部分和手指自由移位装置部分，通过手指四连杆结构28在上导轨5中旋转，做圆周运动，达到对应不规则物品的外部形状。

如图1、图2、图4和图6所示，手指自由移位部分包括移位驱动部分和移位装置部分，通过手指四连杆结构28在上导轨5中旋转，做圆周运动，达到对应不规则物品的外部形状。移位驱动部分的移位齿轮31与移位装置部分的电磁接触器接触头29啮合；

手指自由移位驱动部分和手指开合驱动部分，其动力部分由两部步进电机组成，一部提供手指开合驱动部分动力，一部提供手指自由移位部分动力，两部电机为内藏式分布，手指自由移位驱动部分由手指移位电机23通过所述步进电机与移位齿轮31通过齿轮机构进行传动，手指开合驱动部分由手指开合电机12所述步进电机与丝杠14、螺母副21、通过同步机构进行传动。

移位驱动部分包括手指移位电机23、齿轮机构、移位齿轮31，手指移位电机23位于下端盖19和中间支撑板Ⅰ37之间；手指移位电机23的上端的电机轴穿过中间支撑板Ⅰ37与齿轮机构连接，手指移位电机23通过齿轮机构带动移位齿轮31转动；移位齿轮31的轴上端固定在上端盖33下部的中心上，移位齿轮31的轴下端穿过中间支撑板Ⅱ38和齿轮机构与移位齿轮轴端盖11固定，移位齿轮轴端盖11与中间支撑板Ⅰ37固定连接且中心同心；

如图8所示，移位同步机构包括移位板8、移位板8下面与滑块24相连，滑块24在弧形导向板9中移动，移位板8上面与短推柱26相连，短推柱26连接曲柄杆7与手指结构部分的三角推板6相连，三角推板6与手指导轨连接块32相连，手指导轨连接块32在上导轨5中移动，所述上导轨5连在上端盖33上面。

移位装置部分包括曲柄杆7、移位板8、弧形导向板9、滑块24、短推柱26、电磁接触器27和电磁接触器接触头29；曲柄杆7上端穿过上端盖33的贯通槽与三角推板6连接，曲柄杆7下端与短推柱26的上端连接；移位板8的外侧上表面与短推柱26的下端连接，移位板8对应短推柱26的下表面固定有滑块24，滑块24下端与弧形导向板9滑动连接；弧形导向板9固定在长推杆22上端，长推杆22带动弧形导向板9上下移动；移位板8的内侧设有转向柱30，转向柱30上端固定在上端盖33上，转向柱30下端与穿过移位板8和电磁接触器接触头29与中间支撑板Ⅱ38固定；移位板8的内侧下端设有电磁接触器27，电磁接触器27的电磁接触器接触头29朝向中心的移位齿轮31方向，电磁接触器接触头29靠近移位齿轮31的方向设置有与移位齿轮31啮合的扇形齿轮。

齿轮机构包括主动齿轮25和从动齿轮10，主动齿轮25与从动齿轮10啮合，主动齿轮25与手指移位电机23的电机轴连接，从动齿轮10与移位齿轮31的轴连接。

如图19和图20所示，电磁接触器27内设电磁线圈35和复位弹簧34，电磁线圈35通过电线36连接电源；电磁接触器27内部设有电磁线圈35、复位弹簧34；

如图11和图12所示，电磁接触器27是利用电磁接触器控制原理通过电源的通电和断电状态，利用复位弹簧34产生的弹力和电磁线圈35产生的电磁力，进而控制电磁接触器接触头29的缩回和伸出；电磁接触器接触头29在移位板8上的两个通槽上滑动。所述电磁接触器接触头29为扇形齿轮，可以在电磁接触器27的复位弹簧34弹力作用下与移位齿轮31啮合，移位齿轮31带动移位板8移位，进一步带动移位同步机构移位，进一步带动机械手手指移位，机械手手指四连杆结构28移位角度由齿轮啮合时间长短决定。

所述电磁接触器接触头29的扇形齿轮下端有四个滑柱与移位板8上两个长条形导向槽相连并能滑动；所述移位板8移位带动滑块24在弧形导向板9弧形槽中移动；所述移位板8移位带动短推柱26、曲柄杆7、手指结构部分的三角推板6、手指导轨连接块32在上导轨5中移动。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，手指结构部分位于上端盖33上方，在上端盖33上方设置若干弧形的上导轨5，上端盖33在位于上导轨5外侧的地方，设置有与上导轨5平行的贯通槽；弧形导向板9位于上端盖33下方，由弧形板9-1和下导轨9-2相连接组成；手指自由移位装置带动曲柄杆7在所述贯通槽中滑动，曲柄杆7与三角推板6的下部相连，三角推板6的上部一端与手指导轨连接块32相连，三角推板6的上部另一端与手指四连杆结构28的下端相连，三角推板6可以在曲柄杆7上端摆动，并能在上导轨5滑动。

手指结构部分包括手指四连杆结构28、三角推板6、手指导轨连接块32、半圆形的手指橡胶块4、压力传感器3；当三角推板6推动时，带动手指四连杆结构28进行握紧和张开动作。

所述压力传感器3，当手指握紧时压力传感器3达到预设力时，手指开合电机12停止转动；手指四连杆结构28每个朝向内侧的四边形上都设有一个手指橡胶块4。一般将压力传感器3设置于能够接触到物体的手指橡胶块4表面上。

手指四连杆结构28能够设定为2~8个，电磁接触器27、电磁接触器接触头29、移位板8、滑块24、短推柱26、曲柄杆7、转向柱30、上导轨5、长推杆22和弧形导向板9的数量与手指四连杆结构28数量相同。

如图1和图3所示，传感器部分包括红外传感器1和三维视觉传感器2；

红外传感器1和三维视觉传感器2位于上端盖33上，对物品的形状和距离进行探测。

所述三维视觉传感器2、红外传感器1，感知物体形状和距离，通过控制系统数据库对比，得出各个手指四连杆结构28的移位角度，并控制移位齿轮31与电磁接触器接触头29齿轮啮合时间，实现各手指四连杆结构28的不同移位，当各个手指四连杆结构28自由移位后，手指四连杆结构28可形成多种模式的布局，以便抓取不同形状物品。

本发明的控制系统数据库为现有预设的数据库，为本机械手领域的现有技术，非本发明的技术要点，在此不再赘述。

一种欠驱动机械手的操作方法，该操作方法如下：

当欠驱动机械手进行抓取物品时，三维视觉传感器2和红外传感器1探测物品的形状和距离，并反馈控制系统数据库对比，确定抓取模式和各个手指四连杆结构28移位的角度，并输出信号给电磁接触器27的电线36断电，电磁接触器接触头29在复位弹簧34弹力作用下伸出与移位齿轮31啮合；

同时手指移位电机23启动，通过齿轮机构带动移位齿轮31转动，并进一步带动电磁接触器接触头29转动，然后带动移位装置部分进行移位，进一步带动各个手指四连杆结构28移位到指定位置；

当电磁接触器接触头29在电磁接触器27的电磁力作用下处于缩回状态时，电磁接触器接触头29的扇形齿轮与移位齿轮31脱离，移位板8停止移位，移位板8、滑块24、短推柱26停止移位，进一步机械手停止移位；

手指开合电机12启动，手指开合电机12通过同步机构带动丝杠14转动，丝杠14带动螺母副21和中部滑盘20沿滑盘导向柱13向上运动，进一步带动长推杆22、弧形导向板9、滑块24、移位板8、短推柱26沿转向柱30向上运动，短推柱26通过连接曲柄杆7施力推动三角推板6，三角推板6围绕手指导轨连接块32移动，三角推板6带动手指四连杆结构28运动，最终实现手指四连杆结构28的握紧抓取物品；

当手指四连杆结构28上的压力传感器3探测到手指四连杆结构28握紧力达到预设力时，手指开合电机12停止转动，完成抓取物品动作；当把抓取物品放到指定位置后，手指开合电机12反转使手指结构部分张开。

实施例1

基于电磁接触器原理控制手指可自由移位的欠驱动机械手包括四个部分：手指开合驱动部分、手指自由移位部分、手指结构部分，传感器部分。其中，手指开合驱动部分主要用于整个机械手握紧和张开过程；手指自由移位部分主要用于整个机械手手指的移位，使整个手指布局模式对应所抓取物品的形状；手指结构部分用于执行具体的抓取动作；传感器部分用于探测待抓取物品的形状和距离，以及握紧物品的预设力。

如附图1~6所示，手指开合驱动部分包括手指开合动力部分和手指开合驱动装置。

如附图1和附图4所示，手指开合电机12和丝杠14位于下端盖19和中间支撑板Ⅰ37之间，手指开合电机12与下端盖19相连，电机轴穿过下端盖19与同步机构相连，丝杠14上下两端位于下端盖19和中间支撑板Ⅰ37的中心。手指开合电机12通过同步机构进行动力传动，带动丝杠14、螺母副21运动。所述同步机构位于保护盖15和下端盖19之间，手指开合电机12通过同步机构带动丝杠14转动，

附图示出的优选实施例为同步机构包括带轮Ⅰ17、带轮Ⅱ18和同步带16，通过同步带16连接带轮Ⅰ17、带轮Ⅱ18, 带轮Ⅱ18与手指开和电机的电机轴连接；在其他实施方式中，同步机构可以采用常规的传动方式如齿轮传动、链传动或蜗轮蜗杆等带动丝杠14转动。

如附图1~6所示：丝杠14与移位齿轮31所在轴并不相连。移位齿轮31所在轴的两端分别位于移位齿轮轴端盖11和上端盖33的中心。移位齿轮轴端盖11与中间支撑板Ⅰ37相连且中心同心。

如附图1、图2和图4所示，中部滑盘20与螺母副21固定连接，并且所述中部滑盘20在丝杠14、螺母副21带动下沿所述滑盘导向柱13上下移动，所述滑盘导向柱13底部连接保护盖15，上部连接中间支撑板Ⅰ37。进一步的，在中部滑盘20和中间支撑板Ⅰ37之间设置数个长推杆22，中部滑盘20与长推杆22相连，长推杆22穿过中间支撑板Ⅰ37、中间支撑板Ⅱ38与弧形导向板9相连。

如附图21和图22所示，弧形导向板9由弧形板9-1和下导轨9-2相连接组成。长推杆22穿过中间支撑板Ⅰ37、中间支撑板Ⅱ38与弧形导向板9中的弧形板9-1相连，并且可带动弧形导向板9上下移动。滑块24与弧形导向板9中的下导轨9-2连接并可在弧形导向板9中移动。设置若干弧形导向板9的数量与手指数量相同，且每个弧形导向板9位于与其对应的手指下方。

如附图3和附图6所示，滑块24与移位板8相连，移位板8与短推柱26相连，短推柱26与曲柄杆7相连。在中间支撑板Ⅱ38和上端盖33之间设置数根曲柄杆7、短推柱26和转向柱30。曲柄杆7、短推柱26和转向柱30的数量与手指四连杆结构28数量相同，曲柄杆7位于手指四连杆结构28下方，转向柱30位于对应的曲柄杆7内侧、移位齿轮31的外周，每个曲柄杆7下方设置一个短推柱26，短推柱26和曲柄杆7的下端相连，每个弧形导向板9中的下导轨9-2内滑动连接有滑块24，每个滑块24和短推柱26夹持一个移位板8，移位板8一端位于滑块24和短推柱26之间，另一端位于转向柱30和电磁接触器接触头29之间。且转向柱30穿过移位板8，下端与中间支撑板Ⅱ38相连，上端与上端盖33相连。如附图3~6所示，曲柄杆7与三角推板6的下部相连，三角推板6的上部一端与手指导轨连接块32相连，三角推板6的上部另一端与手指四连杆结构28的下端相连。

如附图1~3，6~7所示，手指开合驱动部分的工作过程如下：当启动手指开合电机12时，其通过同步机构带动丝杠14转动，螺母副21带动中部滑盘20沿滑盘导向柱13上下移动。中部滑盘20进一步带动长推杆22、长推杆22穿过支撑板一37、支撑板二38，带动弧形导向板9上下移动，进一步弧形导向板9、带动滑块24随之上下运动。滑块24进一步推动移位板8和短推柱26沿转向柱30上下移动。短推柱26通过对连接的曲柄杆7施力，带动手指部分的三角推板6，三角推板6围绕手指导轨连接块32做圆周移动，进一步三角推板6推动手指四连杆结构28运动，最终实现机械手手指握紧和张开。

如附图3,5~12所示，所述手指自由移位部分，用于整个机械手手指的移位，使整个手指布局模式对应所抓取物品的形状。如附图6~8，图13~18所示，手指自由移位主要是通过手指在上导轨5中旋转，做圆周运动，达到对应不规则物品的外部形状，各个手指自由移位后，对应不规则物品的外形进行抓取。

当各个手指自由移位后，可形成多种模式的手指布局，可抓取多种形状的物品。附图13~18示出了优选实施例中手指能够实现的布局，附图13~18的布局是示例性的，不局限于图示的这六种布局。

如附图1~4所示，手指自由移位部分包括移位驱动部分和移位装置部分。

如附图1~2所示，所述移位驱动部分包括带减速器的手指移位电机23、齿轮机构、移位齿轮31。所述手指移位电机23位于下端盖19和中间支撑板Ⅰ37之间，与中间支撑板Ⅰ37相连，电机轴穿过中间支撑板Ⅰ37与齿轮机构相连。所述齿轮机构位于中间支撑板Ⅰ37、中间支撑板Ⅱ38之间，包括主动齿轮25、从动齿轮10。所述移位齿轮31 的轴下端与移位齿轮轴端盖11相连，上端与上端盖33相连。移位齿轮31 的轴上下两端位于移位齿轮轴端盖11和上端盖33的中心。所述手指移位电机23通过齿轮机构的主动齿轮25和从动齿轮10带动移位齿轮31转动。

如附图3、6，8~12所示，所述移位同步机构的结构是，移位板8下面与滑块24相连，移位板8上面与短推柱26相连。滑块24在弧形导向板9中的下导轨9-2中移动。如附图2和7所示，短推柱26连接曲柄杆7，曲柄杆7与三角推板6的下部相连，三角推板6的上部一端与手指导轨连接块32相连，三角推板6的上部另一端与手指四连杆结构28的下端相连。手指导轨连接块32在上导轨5中移动，上导轨5固定在上端盖33上面。

如附图3和图7所示，在上端盖33上方设置若干弧形的上导轨5，上端盖33在位于上导轨5外侧的地方，设置有与上导轨5平行的贯通槽，使曲柄杆7可以在贯通槽中自如滑动。在每个曲柄杆7顶部设置一个三角推板6，三角推板6通过连接销与曲柄杆7上部连接，以使三角推板6可以在曲柄杆7上端摆动。三角推板6与手指导轨连接块32相连，同时三角推板6与手指四连杆结构28相连，手指导轨连接块32能够在上导轨5中滑动。

如附图5~8所示，手指移位同步机构部分的工作过程如下：移位齿轮31转动带动电磁接触器接触头29转动，电磁接触器接触头齿轮29带动移位板8围绕转向柱30移动。进一步，移位板8移位下面带动滑块24在弧形导向板9中的下导轨9-2中移动，上面带动短推柱26、曲柄杆7、三角推板6、手指导轨连接块32在上导轨5中同步移动。进一步，三角推板6与手指四连杆结构28和手指导轨连接块32相连接。当三角推板6带动手指导轨连接块32在导轨5移动时，同时带动手指四连杆结构28移位。完成手指结构部分移位。

如附图6和10所示，移位齿轮31和带有电磁接触器接触头29的电磁接触器27。电磁接触器27的数量与手指四连杆机构28数量相同，电磁接触器27位于移位板8下方，在位于转向柱30的一端带有电磁接触器接触头29，电磁接触器接触头29靠近移位齿轮31的方向设置有可以与移位齿轮31啮合的扇形齿轮。参见附图19和图20，通过电磁接触器27的通电时间以及断开时间点，控制电磁接触器接触头29与移位齿轮31的啮合，从而控制曲柄杆7在上端盖33中贯通槽中滑动，并带动三角推板6在上导轨5中滑动，从而控制手指四连杆结构28的布局。如附图19和图20，电磁接触器27带有电磁线圈35和复位弹簧34，电磁线圈35通过电线36连接电源。电磁接触器27是利用电磁接触器控制原理，即当电磁接触器27的电磁线圈35通电后，会产生磁场，产生电磁力吸附电磁接触器接触头29，带动电磁接触器接触头29缩回。如附图19所示，当电磁接触器27的电磁线圈35断电时，电磁吸力消失，电磁接触器接触头29在复位弹簧34的作用下，使电磁接触器接触头29伸出。如附图9所示，当电磁接触器接触头29伸出时，与移位齿轮31啮合，手指进行移位，手指移位角度由电磁接触器接触头29与移位齿轮31啮合时间长短决定。通过控制每个电磁接触器27通电时间的长短，控制手指移位的距离和角度。如附图20，当电磁接触器27的电磁线圈35通电时，产生电磁吸力，复位弹簧34收缩，使电磁接触器接触头29缩回。如附图6、10、12所示，当电磁接触器接触头29缩回时，与移位齿轮31分离。

如附图9，11和附图19所示，当电磁接触器接触头29在电磁接触器27的复位弹簧34弹力作用下处于伸出状态，电磁接触器接触头29的扇形齿轮与移位齿轮31啮合。如附图10，12和20所示，当电磁接触器接触头29在电磁接触器27的电磁力作用下处于缩回状态时，电磁接触器接触头29与移位齿轮31脱离。如附图5和10所示，当移位装置停止移位时，手指四连杆结构28也停止移位。

如附图5所示，所述手指结构部分包括手指四连杆结构28、三角推板6、手指导轨连接块32、手指半圆形橡胶块4和压力传感器3。当三角推板6推动时，带动手指四连杆结构28进行握紧和张开动作。如附图7所示，当手指导轨连接块32在上导轨5中移动时，带动手指四连杆结构28进行移位。如附图1所示，在手指四连杆结构28握紧时，当压力传感器3达到预设力时，手指开合电机12停止转动。

如附图1和3所示，所述传感器部分包括红外传感器1、三维视觉传感器2。红外传感器1、三维视觉传感器2位于上端盖33上面进行物品的形状和距离探测。

而压力传感器3位于手指接触面上，进行握紧物品的预设力探测。

本发明的基于电磁接触器原理控制手指可自移位的欠驱动机械手工作过程如下：

当机械手进行抓取物品时，三维视觉传感器2和红外传感器1探测物品的形状和距离，并反馈控制系统数据库对比，确定抓取模式和各个手指四连杆结构28移位的角度，并输出信号给电磁接触器27的电源断电，电磁接触器接触头29在复位弹簧34弹力作用下伸出与移位齿轮31啮合。

同时手指移位电机23启动，通过齿轮机构带动移位齿轮31转动，并进一步带动电磁接触器接触头29转动，电磁接触器接触头齿轮29带动移位板8围绕转向柱30移位。进一步，移位板8移位下面带动滑块24在弧形导向板9中的下导轨9-2中移动，上面带动短推柱26、曲柄杆7、三角推板6、手指导轨连接块32在上导轨5中同步移动。进一步，三角推板6与手指四连杆结构28和手指导轨连接块32相连接。当三角推板6带动手指导轨连接块32在上导轨5移动时，同时带动手指四连杆结构28移位。进一步带动各个手指四连杆结构28移位到指定位置。

各个手指四连杆结构28移位角度由控制系统控制电磁接触器接触头29与移位齿31轮啮合时间长短来确定。当各个手指四连杆结构28达到移位角度时，形成与被抓取物品外部形状相适应的手指布局模式。

各个手指电磁接触器接触头29在电磁接触器27的电磁力作用下缩回，与移位齿轮31脱离，各个手指四连杆结构28移位装置停止移位，各个手指四连杆结构28停止移位，手指移位电机23停止转动。

当各个手指四连杆结构28移位到指定位置后，形成与被抓取物品外部形状相适应的手指布局模式。手指开合电机12启动，电机通过带传动结构带动丝杠14转动，丝杠14带动螺母副21和中部滑盘20沿滑盘导向柱13向上运动，进一步带动长推杆22向上运动、长推杆22穿过支撑板一37、支撑板二38，带动弧形导向板9向上移动，进一步弧形导向板9带动滑块24随之向上运动。滑块24向上运动带动移位板8、短推柱26沿转向柱30向上运动，短推柱26通过连接曲柄杆7施力推动三角推板6，三角推板6围绕手指导轨连接块32运动，三角推板6带动手指四连杆28运动，最终实现手指四连杆结构28的握紧抓取物品。

当手指四连杆结构28上的压力传感器3探测到手指四连杆结构28握紧力达到预设力时，手指开合电机12停止转动，完成抓取物品动作。当把抓取物品放到指定位置后，手指开合电机12反转使手指四连杆结构28张开。按上述步骤反向进行则机械手回复初始状态。

本发明基于电磁接触器原理控制手指可自移位的欠驱动机械手。利用电磁接触器控制原理，即当电磁接触器27的电磁线圈35通电后，会产生很强的磁场，产生电磁力吸附电磁接触器接触头29，带动电磁接触器接触头29缩回。当电磁接触器27的电磁线圈35断电时，电磁吸力消失，电磁接触器接触头29在复位弹簧34的作用下，使电磁接触器接触头29伸出复位。当电磁接触器接触头29伸出时，与移位齿轮31啮合，手指四连杆结构28进行移位，手指四连杆结构28移位角度由电磁接触器接触头29与移位齿轮31啮合时间长短决定。

本发明基于电磁接触器原理控制手指可自由移位的欠驱动机械手，主要是通过手指四连杆结构在上导轨中旋转，做圆周运动，达到对应不规则物品的外部形状，各个手指四连杆结构自由移位后，对应不规则物品的外形进行抓取，这种抓取结构可抓取任意形状的物品。还可通过手指四连杆结构的不同移位，实现如夹持布局、三爪均匀布局、四爪均匀布局，四爪平行抓取布局，以及任意不规则布局。可抓取常规的球状、方状、圆盘状、长条状和多几何体组成的不规则形状物品。适用范围广，自由移位的机械手对手指结构要求低，不需要进行复杂的手指结构设计，它是通过手指的移位以对应物品的外观形状，来达到对任意形状物品的抓取。本发明的手指四连杆结构为现有常用的机械手结构，而不是通过固定的手指布局，对手指进行结构设计，以达到手指在运动中增加自由度，从而产生多拓扑结构变化和多自由度变化的手指自我重组和重构，这就大大减轻了手指的复杂化设计，同时使机械手更轻、更小，成本低，使用灵活，抓取效率高。

需要强调的是，本发明的优选实施例设定手指为4个，相应的，电磁接触器27、电磁接触器接触头29、移位板8、长推杆22、滑块24、短推柱26、曲柄杆7、转向柱30、上导轨5和弧形导向板9的数量与手指数量相同，均为4个。然而不能将手指数量看做对于本发明的限制，根据具体使用场合和待抓取对象的不同，例如手指数量可以设定为2~8个，技术人员可以灵活根据具体需要进行设置。

以上对优选实施例的描述是示例的而非限定性目的。该优选实施例的其它修改和改变对于本领域技术人员而言是显而易见的，而且其实施都未脱离本发明的范围和精神。上文描述或附图中表述的组件的不同配置以及未示或未描述的步骤和组件都是容易想到的。

Claims (7)

1.一种欠驱动机械手，其特征在于：该机械手包括手指开合驱动部分、手指自由移位部分、手指结构部分和传感器部分；

手指开合驱动部分的长推杆（22）与手指自由位移部分的弧形导向板（9）连接；手指结构部分的手指导轨连接块（32）与手指自由移位部分的上导轨（5）滑动连接，上导轨（5）固定在上端盖（33）上；

传感器部分固定在上端盖（33）上；

手指开合驱动部分包括手指开合动力部分和手指开合驱动装置，手指开合动力部分的丝杠（14）与手指开合驱动装置的螺母副（21）螺纹连接；

手指开合动力部分包括手指开合电机（12）、丝杠（14）和同步机构，手指开合电机（12）和丝杠（14）位于下端盖（19）和中间支撑板Ⅰ（37）之间，手指开合电机（12）固定在下端盖（19）上，手指开合电机（12）的电机轴穿过下端盖（19）与同步机构连接；丝杠（14）上端固定在中间支撑板Ⅰ（37）的中心上，同步机构位于保护盖（15）和下端盖（19）之间；

手指开合驱动装置包括中部滑盘（20）、螺母副（21）和长推杆（22），中部滑盘（20）与螺母副（21）固定连接，中部滑盘（20）在丝杠（14）带动下沿滑盘导向柱（13）上下移动，滑盘导向柱（13）上端与中间支撑板Ⅰ（37）连接，滑盘导向柱（13）下端穿过中部滑盘（20）与保护盖（15）固定；

在中部滑盘（20）和中间支撑板Ⅰ（37）之间设置数个长推杆（22），长推杆（22）上端依次穿过中间支撑板Ⅰ（37）、中间支撑板Ⅱ（38）与周向均匀分布的数个弧形导向板（9）分别相连，长推杆（22）下端与中部滑盘（20）固定连接；

手指自由移位部分包括移位驱动部分和移位装置部分，移位驱动部分的移位齿轮（31）与移位装置部分的电磁接触器接触头（29）啮合；

移位驱动部分包括手指移位电机（23）、齿轮机构、移位齿轮（31），手指移位电机（23）位于下端盖（19）和中间支撑板Ⅰ（37）之间；手指移位电机（23）的上端的电机轴穿过中间支撑板Ⅰ（37）与齿轮机构连接，手指移位电机（23）通过齿轮机构带动移位齿轮（31）转动；移位齿轮（31）的轴上端固定在上端盖（33）下部的中心上，移位齿轮（31）的轴下端穿过中间支撑板Ⅱ（38）和齿轮机构与移位齿轮轴端盖（11）固定，移位齿轮轴端盖（11）与中间支撑板Ⅰ（37）固定连接且中心同心；

移位装置部分包括曲柄杆（7）、移位板（8）、弧形导向板（9）、滑块（24）、短推柱（26）、电磁接触器（27）和电磁接触器接触头（29）；曲柄杆（7）上端穿过上端盖（33）的贯通槽与三角推板（6）连接，曲柄杆（7）下端与短推柱（26）的上端连接；移位板（8）的外侧上表面与短推柱（26）的下端连接，移位板（8）对应短推柱（26）的下表面固定有滑块（24），滑块（24）下端与弧形导向板（9）滑动连接；弧形导向板（9）固定在长推杆（22）上端，长推杆（22）带动弧形导向板（9）上下移动；移位板（8）的内侧设有转向柱（30），转向柱（30）上端固定在上端盖（33）上，转向柱（30）下端与穿过移位板（8）和电磁接触器接触头（29）与中间支撑板Ⅱ（38）固定；移位板（8）的内侧下端设有电磁接触器（27），电磁接触器（27）的电磁接触器接触头（29）朝向中心的移位齿轮（31）方向，电磁接触器接触头（29）靠近移位齿轮（31）的方向设置有与移位齿轮（31）啮合的扇形齿轮；

手指结构部分包括手指四连杆结构（28）、三角推板（6）、手指导轨连接块（32）、半圆形的手指橡胶块（4）、压力传感器（3）；曲柄杆（7）与三角推板（6）的下部相连，三角推板（6）的上部一端与手指导轨连接块（32）相连，三角推板（6）的上部另一端与手指四连杆结构（28）的下端相连，三角推板（6）可以在曲柄杆（7）上端摆动，并能在上导轨（5）滑动；

手指橡胶块（4）固定在手指四连杆结构（28）内侧，压力传感器（3）固定在手指橡胶块（4）上。

2.根据权利要求1所述的欠驱动机械手，其特征在于：所述的同步机构采用带轮传动、齿轮传动、链传动或者涡轮蜗杆中的任意一种，能够带动丝杠（14）转动。

3.根据权利要求1所述的欠驱动机械手，其特征在于：齿轮机构包括主动齿轮（25）和从动齿轮（10），主动齿轮（25）与从动齿轮（10）啮合，主动齿轮（25）与手指移位电机（23）的电机轴连接，从动齿轮（10）与移位齿轮（31）的轴连接。

4.根据权利要求1所述的欠驱动机械手，其特征在于：电磁接触器（27）内设电磁线圈（35）和复位弹簧（34），电磁线圈（35）通过电线（36）连接电源；电磁接触器（27）内部设有电磁线圈（35）、复位弹簧（34）；

电磁接触器（27）是利用电磁接触器控制原理通过电源的通电和断电状态，利用复位弹簧（34）产生的弹力和电磁线圈（35）产生的电磁力，进而控制电磁接触器接触头（29）的缩回和伸出；电磁接触器接触头（29）在移位板（8）上的两个通槽上滑动。

5.根据权利要求1所述的欠驱动机械手，其特征在于：手指四连杆结构（28）设定为2~8个，电磁接触器（27）、电磁接触器接触头（29）、移位板（8）、滑块（24）、短推柱（26）、曲柄杆（7）、转向柱（30）和弧形导向板（9）的数量与手指四连杆结构（28）数量相同。

6.根据权利要求1所述的欠驱动机械手，其特征在于：传感器部分包括红外传感器（1）和三维视觉传感器（2）；

红外传感器（1）和三维视觉传感器（2）位于上端盖（33）上，对物品的形状和距离进行探测。

7.一种如权利要求6所述的欠驱动机械手的操作方法，其特征在于：该操作方法如下：

当欠驱动机械手进行抓取物品时，三维视觉传感器（2）和红外传感器（1）探测物品的形状和距离，并反馈控制系统数据库对比，确定抓取模式和各个手指四连杆结构（28）移位的角度，并输出信号给电磁接触器（27）的电线（36）断电，电磁接触器接触头（29）在复位弹簧（34）弹力作用下伸出与移位齿轮（31）啮合；同时手指移位电机（23）启动，通过齿轮机构带动移位齿轮（31）转动，并进一步带动电磁接触器接触头（29）转动，然后带动移位装置部分进行移位，进一步带动各个手指四连杆结构（28）移位到指定位置；

当电磁接触器接触头（29）在电磁接触器（27）的电磁力作用下处于缩回状态时，电磁接触器接触头（29）的扇形齿轮与移位齿轮（31）脱离，移位板（8）停止移位，移位板（8）、滑块（24）、短推柱（26）停止移位，进一步机械手停止移位；

手指开合电机（12）启动，手指开合电机（12）通过同步机构带动丝杠（14）转动，丝杠（14）带动螺母副（21）和中部滑盘（20）沿滑盘导向柱（13）向上运动，进一步带动长推杆（22）、弧形导向板（9）、滑块（24）、移位板（8）、短推柱（26）沿转向柱（30）向上运动，短推柱（26）通过连接曲柄杆（7）施力推动三角推板（6），三角推板（6）围绕手指导轨连接块（32）移动，三角推板（6）带动手指四连杆结构（28）运动，最终实现手指四连杆结构（28）的握紧抓取物品；

当手指四连杆结构（28）上的压力传感器（3）探测到手指四连杆结构（28）握紧力达到预设力时，手指开合电机（12）停止转动，完成抓取物品动作；当把抓取物品放到指定位置后，手指开合电机（12）反转使手指结构部分张开。