专利名称：仿生变位及自适应抓取机械手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种仿生变位及自适应抓取机械手指装置的 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，灵巧手研究取得了丰硕的成果。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可以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 传感及控制系统要求高，系统复杂、成本高、可靠性低。
欠驱动机械手指可以克服灵巧手的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在近十年来得到越来越多的重视。例如，以具有一个电机、两个转动 关节的欠驱动手指为例，该手指装置包括基座、近关节、中间指段、远关节、末端指段，初 始时刻，手指为伸直状态，此时电机转动，整个手指绕其近关节转动，当中间指段碰触到物 体被阻挡不动后，电机继续驱动远关节和末端指段转动，从而实现一个电机依次驱动两个关 节转动的欠驱动目的。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸的大小，达到 自适应抓取的目的，降低了对传感及控制系统的要求。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(如中国发明专利CN1283429C、 CN1292719C、 CN1289269C 和CN101234489A等)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 想去甚远，影响了机器人手的拟人化动作效果。已有的一种具有形状自适应的欠驱动机械手指装置及高欠驱动机械手指装置，如中国发 明专利CN1215926C，包括第一指段、主动滑块、关节齿轮轴、齿条、弹簧和第二指段。当 第一指段根部在驱动力矩作用下转动时，第一指段与第二指段同时转动。在未碰触物体前， 由于主动滑块相对第一指段没有滑动，同时由于弹簧的拉力，使得第一指段和第二指段只能 保持固定的伸直状态(第一指段和第二指段之间的夹角为平角)，只有当主动滑块接触物体， 并被推向第一指段内部平移，由齿条带动与齿轮固接的第二指段转动，实现手指弯曲从而自 动适应物体表面达到包络抓取物体的抓握目的。该装置的不足之处在于在接触物体前，第一 指段和第二指段只能呈伸直状态，以一个整体绕第一指段根部转动，不能实现预备抓取弯曲 这种更加仿人手的良好效果。
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，提供一种仿生变位及自适应抓取机械手指装 置，它可以自由调节手指中间关节的初始预备弯曲状态，同时还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，提高了机器 人手指抓取不同尺寸、形状物体的稳定性和拟人化动作效果，实现机器人手指在较低控制系 统要求下的灵活自适应抓取，装置外形与人的手指相似，可以作为拟人机器人手的手指使用。
本发明的技术方案如下
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，包括第一指段、欠驱动关节和第二 指段；所说的欠驱动关节包括滑块、关节齿轮轴和齿条，所说的关节齿轮轴设置在第一指段 中，并与第二指段固接；所说的滑块镶嵌在第一指段中，所说的齿条固接在滑块上，并与关 节齿轮轴上的齿轮啮合。其特征在于该仿生变位及自适应抓取机械手指装置还包括电机、 传动机构、簧件。所说的传动机构的一端连接电机的输出轴，传动机构的另一端紧靠滑块， 所说的传动机构单方向向手指内部推动滑块移动；所说的簧件的两端分别连接第一指段和第 二指段。
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于所说的簧件采用扭簧、 拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于所说的传动机构包括 第一齿轮、第二齿轮、带螺纹的转轴和螺母；所说的第一齿轮与电机的输出轴固连，所说的 第二齿轮与第一齿轮相啮合形成齿轮传动关系，所说的第二齿轮与带螺纹的转轴固连，所说 的带螺纹的转轴套设在第一指段中，所说的螺母与带螺纹的转轴形成螺纹传动关系。螺母紧 靠滑块，螺母单方向推动滑块，使滑块向手指内部移动。
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于所说的传动机构包括凸轮；所说的凸轮套固在电机的输出轴上，凸轮外侧紧靠滑块，凸轮转动时单方向推动滑块， 使滑块向手指内部移动。
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于还包括减速器(8)，所 述的减速器与电机固接，减速器的输入轴与电机的输出轴相连，减速器的输出轴与传动机构 的输入端相连
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果
本发明装置利用电机、传动机构、滑块、齿轮齿条和簧件综合实现了手指可变初始构型 自适应抓取的特殊效果。该装置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。该装置在积极利用欠驱动手自适应抓取效果的基础上， 可以调节不同的手指初始构型，提高了抓取的灵活性和稳定性，保持了对传感及控制系统的 较低要求。该装置结构紧凑、体积小、形态动作更趋近于人手、可以稳定抓取和自动适应各 种形状、尺寸的物体，适合作为拟人机器人手的手指或手指一部分使用。
图1是本发明提供的仿生变位及自适应抓取机械手指装置的第一种实施例的左侧剖视图。
图2是图1所示实施例的正面剖视图。
图3是图1所示实施例的正面外观图。
图4是图2的左侧外观图。
图5是图1所示实施例的簧件安装示意图。
图6、图7、图8、图9是图l所示实施例在第一指段与第二指段以伸直姿态为初始姿态 下抓取大物体的过程示意图，此时第一指段根部固定。
图10、图ll、图12、图13是图1所示实施例在第一指段与第二指段以伸直姿态为初始 姿态下抓取大物体的过程示意图，此时第一指段根部与主动关节固连。
图14、图15、图16、图17是图1所示实施例在第一指段与第二指段以弯曲某个角度的 姿态下抓取小物体的过程示意图，此时小物体碰触到第一指段和第二指段，属于握持状态， 在此全过程中电机先工作，主动关节后工作。
图18、图19、图20是图l所示实施例在第一指段与第二指段以弯曲某个角度的姿态下 抓取小物体的过程示意图，此时小物体碰触到第二指段，属于捏持状态，在此全过程中电机 先工作，主动关节后工作。
图21、图22、图23是图l所示实施例仅让电机工作时抓取物体的过程示意图。
图24本发明提供的仿生变位及自适应抓取机械手指装置的第二种实施例的左侧剖视图。
图25是图24在A—A处的剖视图。
在图1至图25中
1—第一指段， 2—第二指段， 3—滑块，4一关节齿轮轴， 7—电机，
10—带螺纹的转轴 20—凸轮
5—簧件，
8—减速器，
ll一螺母，
30—欠驱动关节
9—第一齿轮， 12—第二齿轮， 31—传动机构，
6—齿条，
50、 51、 52、 53—手指要抓的物体， 55、 5"其他手指。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理的内容。
本发明设计的仿生变位及自适应抓取机械手指装置的第一种实施例，如图l、图2、图3、 图4、图5所示，包括第一指段l、欠驱动关节30和第二指段2;所说的欠驱动关节30包括 滑块3、关节齿轮轴4和齿条6，所说的关节齿轮轴4套设在第一指段1中，并与第二指段2 固接；所说的滑块3镶嵌在第一指段1中，所说的齿条6固接在滑块3上，并与关节齿轮轴 4上的齿轮啮合。其特征在于该仿生变位及自适应抓取机械手指装置还包括电机7、传动机 构31、簧件5。所说的电机7与第一指段固接，所说的传动机构31的一端连接电机7的输 出轴，传动机构31的另一端紧靠滑块3，所说的传动机构31单方向向手指内部推动滑块3 移动；所说的簧件5的两端分别连接第一指段1和第二指段2。
所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置安装于机器人手上，该机器人手还具有由电 机驱动的主动关节的其他机械手指，该其他机械手指作为驱动源。
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、 片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。
本实施例中，所说的簧件5采用扭簧。
本发明所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，所说的传动机构包括第一齿轮、第 二齿轮、带螺纹的转轴和螺母；所说的第一齿轮与电机的输出轴固连，所说的第二齿轮与第 一齿轮相啮合形成齿轮传动关系，所说的第二齿轮与带螺纹的转轴固连，所说的带螺纹的转 轴套设在第一指段中，所说的螺母与带螺纹的转轴形成螺纹传动关系。螺母紧靠在滑块，螺 母单方向推动滑块，使滑块向手指内部移动。
本实施例中，所说的传动机构31包括第一齿轮9、第二齿轮12、带螺纹的转轴10和螺 母ll;所说的第一齿轮9与电机7的输出轴固连，所说的第二齿轮12与第一齿轮9相啮合 形成齿轮传动关系，所说的第二齿轮12与带螺纹的转轴10固连，所说的带螺纹的转轴10套 设在第一指段1中，所说的螺母11与带螺纹的转轴IO形成螺纹传动关系。螺母11紧靠在滑 块3，螺母11可单方向推动滑块3，使滑块3向手指内部移动。
图24和图25为本发明提供的仿生变位及自适应抓取机械手指装置的第二种实施例，该 实施例中，所说的传动机构31包括凸轮20，所说的凸轮20套固在电机7的输出轴上，凸轮 20外侧紧靠滑块3，凸轮20转动时单方向推动滑块3，使滑块3向手指内部移动。第一种实施例和第二种实施例还包括减速器8，所述的减速器8与电机7固接，减速器8 的输入轴与电机7的输出轴相连，减速器8的输出轴与传动机构31的输入端相连。
下面以图l、图2、图3、图4、图5所示的第一种实施例为例介绍工作原理。该实施例 的工作原理，如图6、图7、图8、图9、图10、图ll、图12、图13、图14、图15、图16、 图17、图18、图19、图20、图21、图22和图23,叙述如下。
该装置的初始位置如图6、图10、图14、图18、图21，此时第一指段1和第二指段2 呈一条直线，即相当于人的手指完全伸直的状态，此时第一指段和第二指段均为伸直状态， 这是整个装置的最初状态。分几种情况加以说明。
Ca)电机不工作时，此时，此时手指第二指段以伸直作为即将抓取物体时的姿态。
(al)如果将本实施例装置的第一指段固定在机器人拟人手的手掌上，此时，第一指段不能 相对于手掌发生转动。本实施例工作原理，叙述如下-
当拟人手抓取物体时，其他手指55转动，使物体向着该实施例装置运动，如图6所示。 物体与该实施例装置接触，挤压滑块3，滑块3沿垂直手指表面方向向第一指段1的内部平 移一定距离，其上固接的齿条6带动关节齿轮轴4以较大的幅度转动，与关节齿轮轴4固接 的第二指段2也相应转动一定角度，带动簧件5发生形变，如图8所示。此后，滑块3继续 移动，直到第二指段接触物体为止，如图9所示。至此，本实施例装置抓紧了物体50。
当机器人拟人手放开物体时，其他手指55在电机驱动下离开物体，物体不再挤压滑块3， 第一指段1和第二指段2之间的簧件5形变量逐渐减小，带动第二指段2绕关节齿轮轴4反 转，带动滑块3沿垂直手指表面方向向第一指段1的外部平移，如图8所示。此后，滑块3 继续向外平移，直到恢复到初始手指伸直的位置。
(a2)如果将本实施例的第一指段1根部套接在一个由驱动器驱动的主动关节上，本实施例 工作原理，叙述如下
抓取物体时，第一指段l在驱动力矩作用下转动，由于簧件5的弹力约束作用，整个欠 驱动手指以一个整体绕第一指段根部转动，直到滑块3接触物体，如图11所示。当手指继续 转动吋，滑块3在物体的阻挡下沿垂直手指表面方向向第一指段1的内部平移一定距离，其 后的抓取过程与(al)类似。
(b)电机先工作，之后对第一指段根部施加驱动力矩，使整个手指装置旋转，此时，手指 第二指段以弯曲作为即将抓取物体时的姿态。
首先让电机7工作，其输出轴转动，带动传动机构31工作，此处具体为带动第一齿轮9 转动，带动第二齿轮12转动，带动带螺纹的转轴10转动，带动螺母ll沿垂直手指表面方向 向第一指段l的内部移动。螺母11紧靠滑块3，推动滑块3沿垂直手指表面方向向第一指段 1的内部移动，齿条6也随之移动，带动关节齿轮轴4以较大的幅度转动，与关节齿轮轴固 接的第二指段2也相应转动一定角度，带动簧件5转动，使簧件5发生形变，如图15所示。 此时，电机7停止工作，至此第二指段2已经转动了一个角度。由于螺母11紧靠滑块3，而螺母11由于传动机构31的自锁功能不能移动，因而它对滑块3的移动起到了单向约束作用， 即螺母11限制住了滑块3不能沿垂直第一指段1表面方向向外移动，但是滑块3可以在其他 机构作用下继续沿垂直第一指段1表面方向向内移动(此时螺母11与滑块3相离)，因此， 此时该手指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。前述过程可以 自由调节第二指段2的转动角度， 一旦调节完成电机7就停止工作，之后第一指段l在驱动 力矩作用下转动，手指的后续转动抓取物体过程与前述(al)过程相同，只是手指的初始姿 态变为弯曲的状态了。
此后的抓取物体情形又可以细分为两种状态(bl) —种是如图14、图15、图16和图 17所示的第一指段1先碰到物体被阻挡后，手指继续转动，使物体挤压滑块3，滑块3继续 向第一指段l内部移动，带动第二指段2在原来弯曲的基础上继续转动直到碰到物体，属于 握持物体。(b2)另一种是如图18、图19和图20所示的第二指段2先碰到物体就结束了抓 取，属于捏持物体。
对于(bl)情形，当放开物体52时，手指绕第一指段根部反向转动，物体不再挤压滑块 3，第一指段1和第二指段2之间的簧件5形变量逐渐减小，带动第二指段2绕关节齿轮轴4 反转，带动滑块3沿垂直手指表面方向向第一指段1的外部平移，直到第二指段2已达到螺 母11约束的弯曲姿态位置，如图16所示。由于第二指段2被第一指段1阻挡而不能继续发 转，此时整个手指装置在第一指段根部驱动力矩的作用下绕第一指段根部反向转动，第一指 段1离开物体52表面，直到恢复到如图15所示状态，此时停止对第一指段施加驱动力矩， 电机7开始发转，带动螺母ll反向移动，由于螺母11不再限制第二指段2，第二指段2在 簧件5的作用下恢复伸直状态，直到最初位置，如图14所示。
对于(b2)情形，当放开物体的过程与(bl)过程相似，只是反向驱动力矩直接带动整 个第一指段l、第二指段2反转到图19所示位置，之后停止对第一指段施加驱动力矩，电机 7反转，带动螺母ll反向移动，由于螺母11不再限制第二指段2，第二指段2在簧件5的作 用下恢复伸直状态，直到最初位置，如图18所示。
(c)若仅电机工作，此时，手指用第二指段主动去接触物体。
若只是使用电机7转动让手指抓取物体54。电机7的输出轴转动，带动传动机构31工 作，此处具体为带动第一齿轮9转动，带动第二齿轮12转动，带动带螺纹的转轴10转动， 带动螺母11沿垂直手指表面方向向第一指段1的内部移动。螺母11紧靠滑块3，推动滑块3 沿垂直手指表面方向向第一指段1的内部移动，齿条6也随之移动，带动关节齿轮轴4以较 大的幅度转动，与关节齿轮轴固接的第二指段2也相应转动一定角度，带动簧件5转动，使 簧件5发生形变，此过程直到第二指段2碰到物体54为止，如图22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，本实施例装置抓紧了物体54。或者，当 第二指段2继续转动时，第二指段2有可能将物体向其旋转方向推动，物体54与第一指段1 接触，如图23所示。在其他约束条件(手指、手掌或物体所在桌面等)的帮助下，本实施例装置抓紧了物体54。
放开物体时，电机7反转，物体不再挤压滑块3，滑块3沿垂直手指表面方向向第一指段 1的外部平移，第一指段1和第二指段2之间的簧件5形变量逐渐减小，带动第二指段2绕 关节齿轮轴4反转，直到恢复到初始手指伸直的位置，如图21所示。 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。 图22、图23所示的本发明的第二种实施例的工作原理与前一种实施例基本相同。 本发明所述的装置利用电机、传动机构、滑块、齿轮齿条和簧件综合实现了手指可变初 始构型自适应抓取的特殊效果。对于不同大小的物体，手指在即将抓取该物体时需要有事先 不同的弯曲准备，本发明的装置实现了这一非常重要的功能，使得机器人手的动作更加拟人 化，抓取物体更加灵活和稳定。
权利要求
1. 一种仿生变位及自适应抓取机械手指装置，包括第一指段(1)、欠驱动关节(30)和第二指段(2)；所说的欠驱动关节包括滑块(3)、关节齿轮轴(4)和齿条(6)；所说的关节齿轮轴套设在第一指段中，并与第二指段固接；所说的滑块镶嵌在第一指段中，所说的齿条固接在滑块上，并与关节齿轮轴上的齿轮啮合；其特征在于所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置还包括电机(7)、传动机构(31)和簧件(5)；所说的电机与第一指段固接；所说的传动机构的一端连接电机的输出轴，传动机构的另一端紧靠滑块，所说的传动机构单方向向手指内部推动滑块移动；所说的簧件的两端分别连接第一指段和第二指段。
2. 如权利要求1所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于所说的簧件采 用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳或橡皮筋中一种或几种的组合。
3. 如权利要求1所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于所说的传动机 构包括第一齿轮(9)、第二齿轮(12)、带螺纹的转轴(10)和螺母(11);所说的第一齿轮与电机的输出轴固连，所说的第二齿轮与第一齿轮相啮合形成齿轮传动关系，所说的第二齿轮与带螺 纹的转轴固连，所说的带螺纹的转轴套设在第一指段中，所说的螺母与带螺纹的转轴形成螺纹传动关系；螺母紧靠滑块，螺母单方向推动滑块，使滑块向手指内部移动。
4. 如权利要求1所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于所说的传动机 构包括凸轮(20);所说的凸轮套固在电机的输出轴上，凸轮外侧紧靠滑块，凸轮转动时单方向推动滑块，使滑块向手指内部移动。
5. 如权利要求1所说的仿生变位及自适应抓取机械手指装置，其特征在于还包括减速器(8)，所述的减速器与电机固接，减速器的输入轴与电机的输出轴相连，减速器的输出轴与传动机构的输入端相连。
全文摘要
仿生变位及自适应抓取机械手指装置，属于拟人机器人技术领域，包括第一指段、欠驱动关节和第二指段。欠驱动关节包括滑块、关节齿轮轴和齿条；关节齿轮轴套设在第一指段中与第二指段固接；滑块镶嵌在第一指段中，齿条固接在滑块上与关节齿轮轴的齿轮啮合；该装置还包括电机、传动机构和簧件；电机与第一指段固接，传动机构连接电机和滑块，可单向往手指内推动滑块。该装置利用电机、传动机构、滑块、齿轮齿条和簧件综合实现了手指可变初始构型自适应抓取的特殊效果，在抓取前弯曲手指呈良好准备姿态，在抓取时以自适应欠驱动方式抓取物体，抓取动作接近人手，可稳定抓取和自适应不同形状、尺寸物体，适用于机器人手。
文档编号B25J15/00GK101444917SQ200810240898
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者张文增, 车德梦 申请人:清华大学