CN101722514B - 耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、三个指段、四个关节轴、电机、八个连杆和四个簧件等。本发明利用连杆和簧件构成一体的耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接三个指段，综合实现了三关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果，该手指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，且可实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取。该手指装置出力大，对控制系统要求低，结构简单可靠、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。

Description

耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置 

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置的结构设计。 

背景技术

机器人手装置作为机器人的重要部分，近年来成为机器人技术领域研究的热门和重点。但是在目前的研究中，存在一些技术难点。如为了实现多自由度灵巧手，需要较多的电机提供动力。但是，电机数量的增加不仅会导致控制系统复杂，更会使得整个手指装置机构庞大，破坏其拟人性。欠驱动技术是目前能够较好解决此矛盾的方案之一。通过利用欠驱动机构，可以由较少的电机驱动较多关节自由度，从而降低了对控制系统的要求。特别的，一类采用欠驱动自适应机构的机器人手指装置应运而生。以三关节机器人手指为例说明欠驱动自适应手指装置的工作方式：电机驱动整个手指(包括第一指段、第二指段和末端指段)类似于一个刚体呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段碰触物体后受限制无法运动，此时在电机的作用下第二指段绕中关节轴转动，直至第二指段碰触物体后受限制无法运动，末端指段继续转动，直至碰触物体，实现了三个指段先后按顺序转动。该类手指装置具有自动适应物体大小的特殊效果，适应抓取对象范围广，有利于抓取的稳定。 

一种欠驱动机械手指装置如美国发明专利US5762390A，该装置属于欠驱动自适应装置，由于采用多套四连杆机构将驱动源的动力传递到多个关节处，具有自适应性和抓取的稳定性。 

另一种欠驱动三关节手指装置，见中国发明专利CN1557268A中所示的手指装置，包括基座、电机、三个关节和连杆与齿轮传动机构等，同样实现了三关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。 

但是，该类欠驱动自适应机械手指装置也具有一定的不足：手指在未碰触物体前始终呈伸直状态转动，这样不仅与人手动作有较大差异，缺乏拟人性，而且当第一指段接触物体后，在第二指段转动到与物体接触之前，物体有可能在第一指段的作用下被推开，离开手指的抓取范围；手指只能以握持方式抓取物体，而不能实现较好的末端捏持；当手指末端碰触物体时，不能实现各关节的自然弯曲，从而较难将物体拨至手中抓牢；不能做到类似人手的空手“握拳”的动作等。 

另一种在机器人领域广泛运用的技术为耦合技术。通过采用耦合机构，当机器人手指装置转动时，可以实现多指段多关节的同时转动，动作过程类似人手握持时手指的自然弯曲。仍以三关节机器人手指为例说明耦合式手指装置的工作方式：当电机驱动手指转动时，不仅手指第一指段绕近关节轴转动，第二指段在随第一指段运动的同时绕远关节轴相对于第一指段转动，两者转动的角度有一个固定的比例关系，该比例关系由具体的耦合机构的设计决定， 并始终保持不变，此即为耦合抓取模式。多关节的手指依然可以由较少的驱动源驱动，故耦合式机器人手指继承了欠驱动式手指具有较少驱动源，控制简单的特点，而且克服了欠驱动自适应手指装置的一些缺点，其抓取动作具有良好的拟人性，可以实现捏持方式抓取，采用耦合式手指装置的机器人手以做出握拳动作，同时还可以避免欠驱动自适应手指有可能将物体推开的缺点。 

已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、电机、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机驱动多个关节耦合转动的效果。 

但是，耦合式手指装置由于各个关节转动角度比例保持不变，不具有欠驱动自适应手指的自适应抓取功能。各关节以固定角度比例转动时，无法以恰好适应物体表面大小尺寸的握持方式抓取，不具备对物体的自动适应性，抓取效果不好，抓取不稳定。 

由上述情况可知，欠驱动自适应式手指与耦合式手指机构各具优劣，如果能将两者结合，取长补短，将成为未来机器人手指发展的趋势。目前已有一种机器人手指装置具有耦合和欠驱动自适应的效果，但是为串联式耦合加欠驱动自适应手指(中国发明专利CN101190528A)，该装置属于三关节手指，其中指节与指尖采用耦合传动方式，实现了两关节的1∶1角度的耦合运动，近指节和中指节采用欠驱动自适应方式实现对物体的自适应抓取。但是该装置的耦合抓取和欠驱动自适应抓取是分离开的，仅以手指上半部分实现耦合抓取，以手指下半部分实现欠驱动自适应抓取，实为两种抓取的简单合成，并没有把两种抓取方式真正融合在一起。 

综上所述，如果能采用合为一体的耦合机构与欠驱动自适应机构实现在同一抓取过程中先后依次以耦合和欠驱动自适应的方式实施抓取，将真正结合两种抓取方式的优点，实现优势互补，可以得到功能强大、抓取范围广、抓取稳定性好的实用型机器人手指装置，成为各种机器人手指装置中的佼佼者。 

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，实现三关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融于一体，同时结构简单、成本低，对控制系统要求低。 

本发明采用如下技术方案： 

一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、减速器和电机；所说的电机与基座固接，电机的输出轴与所说的减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所说的近关节轴相连，近关节轴套设在基座中，所说的第一指段套接在近关节轴上，所说的远关节轴套设在所说的第二指段中，所说的末端指段套接在远关节轴上； 

其特征在于： 

该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一中关节轴和第二中关节轴，第一中关节轴和第二中关节轴同轴线；所说的第一中关节轴和第二中关节轴套设在所说的第一指段中，第二指段套接在第一中关节轴和第二中关节轴上，所说的近关节轴、第一中关节轴、第二中关节轴和远关节轴的轴线相互平行； 

该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一连杆、第一轴、第二连杆、第二轴、第三连杆、第三轴、第四连杆、第四轴、第五连杆、第五轴、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第一簧件、第二簧件、第三簧件和第四簧件； 

所说的第一连杆的一端套固在近关节轴上，第一连杆的另一端通过所说的第一轴与所说的第二连杆一端铰接，第二连杆的另一端通过所说的第二轴与所说的第五连杆的一端铰接，第五连杆的另一端套接在所说的第二中关节轴上；所说的第三连杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端通过所说的第三轴与所说的第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端套接在第二轴上；所说的第六连杆的一端套接在第二轴上，第六连杆的另一端通过所说的第四轴与末端指段铰接；所说的第七连杆的一端套接在所说的第一中关节轴上，第七连杆的另一端通过所说的第五轴与第八连杆的一端铰接，第八连杆的另一端套接在第四轴上；所说的第一簧件的两端分别连接第一连杆和第一指段，所说的第二簧件的两端分别连接第三连杆和基座，所说的第三簧件的两端分别连接第五连杆和第二指段，所说的第四簧件的两端分别连接第七连杆和第一指段；所说的第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴和近关节轴的轴线相互平行。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，所说的近关节轴、第一中关节轴、第一轴、第二轴和第三轴符合如下关系：设近关节轴的轴线与第一中关节轴的轴线所在平面为P₁平面，第一轴的轴线与第一中关节轴的轴线所在平面为P₂平面；则第一轴的轴线和第三轴的轴线在P₁平面的两侧，第二轴的轴线和第三轴的轴线在P₂平面的两侧。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，所说的第一中关节轴、远关节轴、第二轴、第四轴和第五轴符合如下关系：设第一中关节轴的轴线与远关节轴的轴线所在平面为P₃平面，第二轴的轴线与远关节轴的轴线所在平面为P₄平面；则第二轴的轴线和第五轴的轴线在P₃平面的两侧，第四轴的轴线和第五轴的轴线在P₄平面的两侧。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，所说的第一簧件、第二簧件、第三簧件和第四簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或板簧。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，所说的第二簧件的弹力限制作用强于第一簧件的弹力限制作用；所说的第四簧件的弹力限制作用强于第三簧件的弹力限制作用。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，在所说的减速器与近关节轴之间设有传动机构，减速器的输出轴通过所说的传动机构与近关节轴相连。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，在所说的电机上设有编码器。 

本发明具有以下优点及突出性效果： 

本发明利用多个连杆和簧件构成一体的耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接三个指段， 综合实现了三关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果，该手指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，动作高度拟人化，同时有利于对物体的包络，并可实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取，抓取稳定。在不抓取物体时可做出类似人手“握拳”动作。该手指装置出力大，对控制系统要求低，结构简单可靠、体积小、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。 

附图说明

图1是本发明提供的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。 

图2是图1的左侧视图。 

图3是图1所示实施例的立体外观视图。 

图4是图1所示实施例的正视图(未画出基座底板、第一指段底板和第二指段底板)。 

图5是近关节轴5、第三连杆15和第二簧件25的位置关系图。 

图6是第一中关节轴6、第七连杆21和第四簧件27的位置关系图。 

图7是图1的左侧剖视图。 

图8是图1的右侧剖视图。 

图9是图1所示实施例的爆炸视图。 

图10是图1所示实施例的第一指段、第二指段和末端指段以耦合方式转动的左侧剖视图。 

图11是图10所示转动状态的等效连杆示意图。 

图12是图1所示实施例的第二指段和末端指段以耦合方式转动的左侧剖视图(此时第一指段被所抓物体阻挡)。 

图13是图12所示转动状态的等效连杆示意图。 

图14是图1所示实施例的末端指段以欠驱动方式转动的左侧剖视图(此时第一指段和第二指段被所抓物体阻挡)。 

图15是图14所示转动状态的等效连杆示意图。 

图16、图17、图18、图19、图20、图21和图22是图1所示实施例以三个指段完全握持方式抓取物体过程示意图(第一指段、第二指段和末端指段分别绕近关节轴、第一中关节轴和远关节轴轴线转动)。 

图23、图24、图25和图26是图1所示实施例以第二指段和末端指段握持方式抓取物体过程示意图(第二指段和末端指段分别绕第一中关节轴和远关节轴轴线转动)。 

图27是本实施例以第二指段和末端指段捏持方式抓取物体示意图。 

图28是本实施例三个指段以耦合方式转动至极限位置做出“握拳”动作示意图。 

图29是本实施例以末端指段碰触物体的示意图。 

在图1至图29中： 

1-基座，2-第一指段，3-第二指段，4-末端指段， 

5-近关节轴， 6-第一中关节轴，7-第二中关节轴，8-远关节轴， 

9-减速器，   10-电机， 

11-第一连杆，12-第一轴，     13-第二连杆，   14-第二轴， 

15-第三连杆，16-第三轴，     17-第四连杆，   18-第五连杆， 

19-第六连杆，20-第四轴，     21-第七连杆，   22-第五轴， 

23-第八连杆，24-第一簧件，   25-第二簧件，   26-第三簧件， 

27-第四簧件，28-传动机构，   29-编码器，     30-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。本发明提供的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置的实施例如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，该三关节机器人手指装置包括基座1、第一指段2、第二指段3、末端指段4、近关节轴5、第一中关节轴6、第二中关节轴7、远关节轴8、减速器9和电机10；所说的电机10与基座1固接，电机10的输出轴与所说的减速器9的输入轴相连，减速器9的输出轴与所说的近关节轴5相连，近关节轴5套设在基座1中，所说的第一中关节轴6和第二中关节轴7套设在所说的第一指段2中，所说的远关节轴8套设在所说的第二指段3中；第一指段2套接在近关节轴5上，第二指段3套接在第一中关节轴6和第二中关节轴7上，所说的末端指段套设在远关节轴8上；所说的近关节轴5、第一中关节轴6、第二中关节轴7和远关节轴8的轴线相互平行；第一中关节轴6和第二中关节轴7同轴线；该实施例还包括第一连杆11、第一轴12、第二连杆13、第二轴14、第三连杆15、第三轴16、第四连杆17、第五连杆18、第六连杆19、第四轴20、第七连杆21、第五轴22、第八连杆23、第一簧件24、第二簧件25、第三簧件26和第四簧件27；如图4、图7和图8所示； 

所说的第一连杆11的一端套固在近关节轴5上，第一连杆11的另一端通过所说的第一轴12与所说的第二连杆13一端铰接，第二连杆13的另一端通过所说的第二轴14与所说的第五连杆18的一端铰接，第五连杆18的另一端套接在所说的第二中关节轴7上；所说的第三连杆15的一端套接在近关节轴5上，第三连杆15的另一端通过所说的第三轴16与所说的第四连杆17的一端铰接，第四连杆17的另一端套接在第二轴14上；所说的第六连杆19的一端套接在第二轴14上，第六连杆19的另一端通过所说的第四轴20与末端指段4铰接；所说的第七连杆21的一端套接在所说的第一中关节轴6上，第七连杆21的另一端通过所说的第五轴22与第八连杆23的一端铰接，第八连杆23的另一端套接在第四轴20上；所说的第一簧件24的两端分别连接第一连杆11和第一指段2，所说的第二簧件25的两端分别连接第三连杆15和基座1，如图5所示，所说的第三簧件26的两端分别连接第五连杆18和第二指段3，所说的第四簧件27的两端分别连接第七连杆21和第一指段2，如图6所示；所说的第一轴12、第二轴14、第三轴16、第四轴20、第五轴22和近关节轴5的轴线相互平行。 

本实施例中，所说的近关节轴5、第一中关节轴6、第一轴12、第二轴14和第三轴16符合如下关系：设近关节轴5的轴线与第一中关节轴6的轴线所在平面为P₁平面，第一轴12 的轴线与第一中关节轴6的轴线所在平面为P₂平面；则第一轴12的轴线和第三轴16的轴线在P₁平面的两侧，第二轴14的轴线和第三轴16的轴线在P₂平面的两侧。 

本实施例中，所说的第一中关节轴6、远关节轴8、第二轴14、第四轴20和第五轴22符合如下关系：设第一中关节轴6的轴线与远关节轴8的轴线所在平面为P₃平面，第二轴14的轴线与远关节轴8的轴线所在平面为P₄平面；则第二轴14的轴线和第五轴22的轴线在P₃平面的两侧，第四轴20的轴线和第五轴22的轴线在P₄平面的两侧。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，所说的第一簧件24、第二簧件25、第三簧件26和第四簧件27采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。 

在本实施例中，所说的第一簧件24、第二簧件25、第三簧件26和第四簧件27采用扭簧。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，所说的第二簧件25的弹力限制作用强于第一簧件24的弹力限制作用；所说的第四簧件27的弹力限制作用强于第三簧件26的弹力限制作用。 

在本实施例中，所说的簧件的弹力限制作用与第一簧件24、第二簧件25、第三簧件26和第四簧件27的直径、圈数和第一指段2、第二指段3和末端指段4转动过程中的受力有关。当第二簧件25的弹力限制作用强于第一簧件24的弹力限制作用，第四簧件27的弹力限制作用强于第三簧件26的弹力限制作用时，可综合实现如下效果：当第一指段2从伸直状态开始转动时，在第一指段2未碰触物体前，手指以耦合方式转动，即第二指段3同时相对于第一指段2转动，末端指段4同时相对于第二指段3转动，此时第三连杆15在第二簧件25的作用下相对于基座1保持固定，第一簧件24发生变形，第七连杆21在第四簧件27的作用下相对于第一指段2保持固定，第三簧件26发生变形。当第一指段2碰触物体后，电机10继续转动，则手指以欠驱动方式转动，第二指段3相对于第一指段2绕远关节轴5转动，同时末端指段4仍以耦合方式相对于第二指段3转动，此时第一簧件24、第二簧件25和第三簧件26均发生变形，第四簧件27不发生变形，直到第二指段3碰触物体，末端指段4以欠驱动方式相对于第二指段3转动，此时第一簧件24、第二簧件25、第三簧件26和第四簧件27均发生变形。如果改变第一簧件24与第二簧件25之间、第三簧件26与第四簧件27的弹力限制作用之间的关系，则可获得手指转动时耦合方式与欠驱动方式先后不同顺序的效果。 

本发明所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，在所说的减速器9与近关节轴5之间设有传动机构28，减速器9的输出轴通过所说的传动机构28与近关节轴5相连。 

在本实施例中，所说的传动机构28采用齿轮传动机构。 

在本实施例中，在所说的电机10上设有编码器29。 

本实施例的工作原理，如图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29，叙述如下： 

本实施例的初始状态如图16所示，类似人的手指伸直状态。 

当本实施例抓取物体时，电机10转动，通过减速器9、传动机构28带动近关节轴5转动， 近关节轴5带动与之固接的第一连杆11转动；由于第一簧件24的弹力限制作用，第一连杆11通过第一簧件24带动第一指段2绕近关节轴5转动；第二指段3和末端指段4随第一指段2运动；由于第二簧件25的弹力限制作用，第三连杆15不发生转动，其位置相对于基座1固定不变，但由于第二轴14随第二连杆13相对于近关节轴5移动，第四连杆17相对于第二中关节轴7的位置改变，从而第四连杆17推动第五连杆18绕第二中关节轴7转动，此时第一簧件24发生变形，第二簧件25不发生变形；由于第三簧件26的弹力限制作用，第五连杆18通过第三簧件26带动第二指段3绕第二中关节轴7转动；由于第四簧件27的弹力限制作用，第七连杆21不发生绕第一中关节轴6转动，其位置相对于第一指段2固定不变，但第四轴20随第六连杆19相对于第一中关节轴6移动，第八连杆23相对于远关节轴8的位置改变，从而第八连杆23推动末端指段4绕远关节轴8转动，此时第一簧件24和第三簧件26发生变形，第二簧件25和第四簧件27不发生变形，此为手指三个指段采用耦合方式转动的过程，即第一指段2绕近关节轴5相对于基座1转动，同时第二指段3绕第一中关节轴6(或第二中关节轴7)相对于第一指段2转动，末端指段4绕远关节轴8相对于第二指段3转动，如图17所示。通过调整第一连杆11、第二连杆13、第三连杆15、第四连杆17、第五连杆18、第六连杆19、第七连杆21和第八连杆23的长度，以及第一指段2和第二指段3的长度，可以获得不同的耦合效果，即耦合转动时第一指段2绕近关节轴5转动的角度、第二指段3绕第一中关节轴6(或第二中关节轴7)相对于第一指端2转动的角度与末端指段4绕远关节轴8相对于第二指段3转动的角度三者间的不同比例。之后会遇到以下几种情况： 

(a)末端指段4碰到物体，末端指段4受限制无法运动，并依次通过第四轴20、第六连杆19、第二轴14、第二连杆13、第一轴12和第一连杆11限制近关节轴5转动，抓取结束，如图29所示。 

(b)各指段均不与物体接触，依照前述耦合方式转动到极限位置，相当于做出“握拳”动作，如图28所示。 

(c)第二指段3和末端指段4同时碰到物体，第二指段3和末端指段4均受限制无法运动，两个指段以捏持方式抓取物体，抓取结束，如图27所示。 

(d)第二指段3碰到物体，如图25所示，第二指段3受限制无法运动，此时第一连杆11在近关节轴5的带动下克服第一簧件24的变形弹力继续转动，并依次通过第一轴12、第二连杆13和第二轴14推动第五连杆18克服第三簧件26的变形弹力绕第二中关节轴7转动，此时第二轴14通过第四连杆17和第三轴16拉动第三连杆15绕近关节轴5转动，第二簧件25发生变形；第五连杆18通过第二轴14、第六连杆19和第四轴20推动末端指段4绕远关节轴8转动，此时第四轴20通过第八连杆23和第五轴22拉动第七连杆21绕第一中关节轴6转动，第四簧件27发生变形，此即为末端指段4采用欠驱动方式转动的过程，直到末端指段4碰到物体，第二指段3和末端指段4均受限制无法运动，抓取结束，如图26所示。 

(e)第一指段2碰到物体，如图18所示，第一指段2受限制无法运动，此时第一连杆11在近关节轴5的带动下克服第一簧件24的变形弹力继续转动，并依次通过第一轴12、第二连 杆13和第二轴14推动第五连杆18绕第二中关节轴7转动，此时第二轴14通过第四连杆17和第三轴16拉动第三连杆15绕近关节轴5转动，第二簧件25发生变形；由于第三簧件26的弹力限制作用，第五连杆18通过第三簧件26带动第二指段3绕第二中关节轴7转动；由于第四簧件27的弹力限制作用，第七连杆21不发生绕第一中关节轴6转动，其位置相对于第一指段2固定不变，但第四轴20随第六连杆19相对于第一中关节轴6移动，第八连杆23相对于远关节轴8的位置改变，从而第八连杆23推动末端指段4绕远关节轴8转动，此时第一簧件24、第二簧件25和第三簧件26发生变形，第四簧件27不发生变形；此即手指同时以欠驱动方式与耦合方式转动，第二指段3绕第一中关节轴6(或第二中关节轴7)相对于第一指段2的转动为欠驱动转动，具自适应性，末端指段4绕远关节轴8相对于第二指段3的转动为耦合转动，如图19所示；第二指段3与末端指段4转动直至第二指段3碰触物体，如图20所示，之后转动过程同过程(d)，最终三个指段以握持方式抓取物体，抓取结束，如图22所示。 

当放开物体时，电机10反转，通过减速器9、传动机构28带动近关节轴5反转，第一连杆11在近关节轴5带动下反转，第一连杆11依次通过第一轴12、第二连杆13和第二轴14拉动第五连杆18绕第一中关节轴6反转，同时第二轴14通过第四连杆17和第三轴16推动第三连杆15反转，此时第一簧件24和第二簧件25的变形减小；第五连杆18反转时，依次通过第二轴14、第六连杆19和第四轴20拉动末端指段4绕远关节轴8反转，同时第四轴20通过第八连杆23和第五轴22推动第七连杆21反转，此时第三簧件26和第四簧件27的变形减小，直到第四簧件27完全恢复到未变形状态，如图20所示；第五连杆18继续反转，通过第二轴14、第六连杆19和第四轴20拉动末端指段4继续绕远关节轴8反转，由于第四簧件27的弹力限制作用，第七连杆21不再转动，故第八连杆23相对于远关节轴8的位置改变，第八连杆23通过第四轴20、末端指段4和远关节轴8拉动第二指段3绕第一中关节轴6(或第二中关节轴7)反转，此时第一簧件24、第二簧件25和第三簧件26变形减小，直到第二簧件25完全恢复到未变形状态，如图18所示；第一连杆11继续反转，通过第一轴12、第二连杆13和第二轴14拉动第五连杆18反转，如前所述，第五连杆18将带动第二指段3和末端指段4同时转动；由于第二簧件25的弹力限制作用，第三连杆15不再转动，故第四连杆17相对于第一中关节轴6的位置改变，第四连杆17通过第二轴14、第五连杆18和第二中关节轴7拉动第一指段2绕近关节轴5反转，如图17所示；此时第一簧件24和第三簧件26的变形减小，直到第一指段2、第二指段3和末端指段4同时反转到初始的手指伸直状态，在基座1和第一指段2后背上方均有凸台，此凸台将限制手指反转时超过其初始伸直位置，起到限位作用，反转结束，如图16所示。 

本发明利用多个连杆和簧件构成一体的耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接三个指段，综合实现了三关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果。由两个连杆和一个簧件构成耦合传动机构；由另外两个连杆和一个簧件构成欠驱动自适应传动机构，两套机构结合为一体，同时工作；从第一指段到第二指段和从第二指段到末端指段共两 组传动机构，依次传动，可以实现手指耦合转动及自动解耦以欠驱动自适应方式转动。该手指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，动作高度拟人化，同时有利于对物体的包络，防止物体离开手指抓取范围，并可实现捏持方式抓取物体，还可以做出类似人手“握拳”的动作，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取，抓取稳定，集耦合抓取方式和欠驱动自适应抓取方式的优点于一身。该手指装置仅采用连杆构成传动机构，因而结构异常简单，体积小，工作稳定可靠，出力大，成本低廉，对控制系统要求低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。 

Claims (4)

1.一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，包括基座(1)、第一指段(2)、第二指段(3)、末端指段(4)、近关节轴(5)、远关节轴(8)、减速器(9)和电机(10)；所说的电机(10)与基座(1)固接，电机(10)的输出轴与所说的减速器(9)的输入轴相连，减速器(9)的输出轴与所说的近关节轴(5)相连，近关节轴(5)套设在基座(1)中，所说的第一指段(2)套接在近关节轴(5)上，所说的远关节轴(8)套设在所说的第二指段(3)中，所说的末端指段(4)套接在远关节轴(8)上；

其特征在于：

该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)，第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)同轴线；所说的第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)套设在所说的第一指段(2)中，第二指段(3)套接在第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)上，所说的近关节轴(5)、第一中关节轴(6)、第二中关节轴(7)和远关节轴(8)的轴线相互平行；

该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一连杆(11)、第一轴(12)、第二连杆(13)、第二轴(14)、第三连杆(15)、第三轴(16)、第四连杆(17)、第四轴(20)、第五连杆(18)、第五轴(22)、第六连杆(19)、第七连杆(21)、第八连杆(23)、第一簧件(24)、第二簧件(25)、第三簧件(26)和第四簧件(27)；

所说的第一连杆(11)的一端套固在近关节轴(5)上，第一连杆(11)的另一端通过所说的第一轴(12)与所说的第二连杆(13)一端铰接，第二连杆(13)的另一端通过所说的第二轴(14)与所说的第五连杆(18)的一端铰接，第五连杆(18)的另一端套接在所说的第二中关节轴(7)上；所说的第三连杆(15)的一端套接在近关节轴(5)上，第三连杆(15)的另一端通过所说的第三轴(16)与所说的第四连杆(17)的一端铰接，第四连杆(17)的另一端套接在第二轴(14)上；所说的第六连杆(19)的一端套接在第二轴(14)上，第六连杆(19)的另一端通过所说的第四轴(20)与末端指段(4)铰接；所说的第七连杆(21)的一端套接在所说的第一中关节轴(6)上，第七连杆(21)的另一端通过所说的第五轴(22)与第八连杆(23)的一端铰接，第八连杆(23)的另一端套接在第四轴(20)上；所说的第一簧件(24)的两端分别连接第一连杆(11)和第一指段(2)，所说的第二簧件(25)的两端分别连接第三连杆(15)和基座(1)，所说的第三簧件(26)的两端分别连接第五连杆(18)和第二指段(3)，所说的第四簧件(27)的两端分别连接第七连杆(21)和第一指段(2)；所说的第一轴(12)、第二轴(14)、第三轴(16)、第四轴(20)、第五轴(22)和近关节轴(5)的轴线相互平行；

所说的近关节轴(5)、第一中关节轴(6)、第一轴(12)、第二轴(14)和第三轴(16)符合如下关系：设近关节轴(5)的轴线与第一中关节轴(6)的轴线所在平面为P₁平面，第一轴(12)的轴线与第一中关节轴(6)的轴线所在平面为P₂平面；则第一轴(12)的轴线和第三轴(16)的轴线在P₁平面的两侧，第二轴(14)的轴线和第三轴(16)的轴线在P₂平面的两侧；

所说的第一中关节轴(6)、远关节轴(8)、第二轴(14)、第四轴(20)和第五轴(22)符合如下关系：设第一中关节轴(6)的轴线与远关节轴(8)的轴线所在平面为P₃平面，第二轴(14)的轴线与远关节轴(8)的轴线所在平面为P₄平面；则第二轴(14)的轴线和第五轴(22)的轴线在P₃平面的两侧，第四轴(20)的轴线和第五轴(22)的轴线在P₄平面的两侧；

所说的第二簧件(25)的弹力限制作用强于第一簧件(24)的弹力限制作用；所说的第四簧件(27)的弹力限制作用强于第三簧件(26)的弹力限制作用。

2.如权利要求1所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，其特征在于：所说的第一簧件(24)、第二簧件(25)、第三簧件(26)和第四簧件(27)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或板簧。

3.如权利要求1所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，其特征在于：在所说的减速器(9)与近关节轴(5)之间设有传动机构(28)，减速器(9)的输出轴通过所说的传动机构(28)与近关节轴(5)相连。

4.如权利要求1所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，其特征在于：在所说的电机(10)上设有编码器(29)。

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