专利名称：耦合欠驱动一体化仿生手装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种耦合欠驱动一体化仿生手装置
的结构设计。
背景技术：
仿生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。但电机数量的增加不仅会导致控制系统复杂，更会使得整个装置机构庞大，破坏其拟人 性。欠驱动技术是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 机构的仿生手装置应运而生。以该类装置三关节的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(通常包括第一指段、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，在电机的作用下第 二指段转动，直至第二指段碰触物体后受限制无法运动，末端指段转动，直至碰触物体，实 现了三个指段先后按顺序转动。该类仿生手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。 —种欠驱动机械手装置如美国发明专利US5762390A，属于欠驱动自适应装置，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。 另一种欠驱动拟人机器人多指手装置，(中国发明专利CN 101214653A)，采用模
块化带轮传动机构，同样实现了欠驱动弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。 但是，该类欠驱动自适应仿生手装置具有一定的不足其手指在未碰触物体前始
终呈伸直状态转动，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；该类仿生手只能以握持方式抓取物体，而不能实现末端捏持；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。
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已有的一种耦合式多关节机器人手装置(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，将成为未来仿生手发展的趋势。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l : l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仿生手装置。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，设计出一种耦合欠驱动一体化仿生手
装置。该装置具有多个可以主动驱动和独立控制的手指，具有耦合弯曲转动功能，可以模拟 人手的各种动作，同时具有多关节欠驱动自适应抓取效果，抓取物体时可以真正抓牢物体， 抓取稳定且范围广泛，还要保证良好的外观的拟人化。 本发明采用如下技术方案 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指 和手掌；所说的手掌包括手掌骨架、手掌电机、手掌关节轴、手掌减速器、手掌连接板；所说 的手掌电机和手掌减速器与所说的手掌骨架固接，手掌电机的输出轴与手掌减速器的输入 轴相连，手掌减速器的输出轴与手掌关节轴相连，手掌关节轴套设在手掌骨架中，所说的手 掌连接板套固在手掌关节轴上；所说的拇指包括拇指基座、拇指第一指段、拇指第二指段、 拇指近关节轴、拇指远关节轴、拇指电机和拇指减速器；所说的拇指电机与拇指基座固接， 拇指电机的输出轴与所说的拇指减速器的输入轴相连，拇指减速器的输出轴与所说的拇 指近关节轴相连，拇指近关节轴套设在拇指基座中，所说的拇指远关节轴套设在所说的拇 指第一指段中；拇指第一指段套接在拇指近关节轴上，所说的拇指第二指段套接在拇指远 关节轴上；所说的拇指近关节轴和拇指远关节轴的轴线相互平行；所说的食指包括食指基 座、食指第一指段、食指第二指段、食指末端指段、食指近关节轴、食指远关节轴、食指减速 器和食指电机；所说的食指电机与食指基座固接，食指电机的输出轴与所说的食指减速器 的输入轴相连，食指减速器的输出轴与所说的食指近关节轴相连，食指近关节轴套设在食 指基座中，所说的食指远关节轴套设在所说的食指第二指段中，所说的食指第一指段套接在食指近关节轴上，所说的食指末端指段套接在食指远关节轴上；
其特征在于 所说的拇指还包括拇指第一连杆、拇指第一轴、拇指第二连杆、拇指第二轴、拇指第三连杆、拇指第三轴、拇指第四连杆、拇指第一簧件和拇指第二簧件； 所说的拇指第一连杆的一端套固在拇指近关节轴上，拇指第一连杆的另一端通过所说的拇指第一轴与所说的拇指第二连杆一端铰接，拇指第二连杆的另一端通过所说的拇指第二轴与拇指第二指段铰接；所说的拇指第三连杆的一端套接在拇指近关节轴上，拇指第三连杆的另一端通过所说的拇指第三轴与所说的拇指第四连杆的一端铰接，拇指第四连杆的另一端套接在拇指第二轴上；所说的拇指第一簧件的两端分别连接拇指第一连杆和拇指第一指段，所说的拇指第二簧件的两端分别连接拇指第三连杆和拇指基座；所说的拇指第一轴、拇指第二轴、拇指第三轴和拇指近关节轴的轴线相互平行； 所说的食指还包括食指第一中关节轴和食指第二中关节轴；所说的食指第一中关节轴和食指第二中关节轴套设在所说的食指第一指段中，食指第二指段套接在食指第一中关节轴和食指第二中关节轴上，所说的食指近关节轴、食指第一中关节轴、食指第二中关节轴和食指远关节轴的轴线相互平行；食指第一中关节轴和食指第二中关节轴同轴线；
所说的食指还包括食指第一连杆、食指第一轴、食指第二连杆、食指第二轴、食指第三连杆、食指第三轴、食指第四连杆、食指第五连杆、食指第六连杆、食指第四轴、食指第七连杆、食指第五轴、食指第八连杆、食指第一簧件、食指第二簧件、食指第三簧件和食指第四簧件； 所说的食指第一连杆的一端套固在食指近关节轴上，食指第一连杆的另一端通过
所说的食指第一轴与所说的食指第二连杆一端铰接，食指第二连杆的另一端通过所说的食
指第二轴与所说的食指第五连杆的一端铰接，食指第五连杆的另一端套接在所说的食指第
二中关节轴上；所说的食指第三连杆的一端套接在食指近关节轴上，食指第三连杆的另一
端通过所说的食指第三轴与所说的食指第四连杆的一端铰接，食指第四连杆的另一端套接
在食指第二轴上；所说的食指第六连杆的一端套接在食指第二轴上，食指第六连杆的另一
端通过所说的食指第四轴与食指末端指段铰接；所说的食指第七连杆的一端套接在所说的
食指第一中关节轴上，食指第七连杆的另一端通过所说的食指第五轴与食指第八连杆的一
端铰接，食指第八连杆的另一端套接在食指第四轴上；所说的食指第一簧件的两端分别连
接食指第一连杆和食指第一指段，所说的食指第二簧件的两端分别连接食指第三连杆和食
指基座，所说的食指第三簧件的两端分别连接食指第五连杆和食指第二指段，所说的食指
第四簧件的食指两端分别连接食指第七连杆和食指第一指段；所说的食指第一轴、食指第
二轴、食指第三轴、食指第四轴、食指第五轴和食指近关节轴的轴线相互平行； 所说的拇指通过拇指基座与手掌连接板固接；所说的食指通过食指基座与手掌骨
架固接；所说的中指、无名指和小指分别与手掌骨架固接，连接方式同食指一致；所说的中
指、无名指、小指与食指结构相同，仅尺寸大小不同。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的拇指近关节轴、拇指远关节轴、拇指第一轴、拇指第二轴和拇指第三轴符合如下关系设拇指近关节轴的轴线与拇指远关节轴的轴线所在平面为Pi平面，拇指第一轴的轴线与拇指远关节轴的轴线所在平面为P2平面；则拇指第一轴的轴线和拇指第三轴的轴线在Pi平面的两侧，拇指第二轴的轴线和拇指第三轴的轴线在P2平面的两侧。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的食指近关节轴、
食指第一中关节轴、食指第一轴、食指第二轴、食指第三轴、食指第四轴、食指第五轴和食指
远关节轴符合如下关系设食指近关节轴的轴线与食指第一中关节轴的轴线所在平面为P3
平面，食指第一轴的轴线与食指第一中关节轴的轴线所在平面为P4平面，食指第一中关节
轴的轴线与食指远关节轴的轴线所在平面为P5平面，食指第二轴的轴线与食指远关节轴的
轴线所在平面为P6平面；则食指第一轴的轴线和食指第三轴的轴线在P3平面的两侧，食指
第二轴的轴线和食指第三轴的轴线在P4平面的两侧，食指第二轴的轴线和食指第五轴的轴
线在P5平面的两侧，食指第四轴的轴线和食指第五轴的轴线在P6平面的两侧。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的拇指第一簧件、
拇指第二簧件、食指第一簧件、食指第二簧件、食指第三簧件和食指第四簧件采用扭簧、拉
簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的拇指第二簧件 的弹力限制作用强于拇指第一簧件的弹力限制作用；所说的食指第二簧件的弹力限制作用 强于食指第一簧件的弹力限制作用；所说的食指第四簧件的弹力限制作用强于食指第三簧 件的弹力限制作用。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的拇指减速器 与拇指近关节轴之间设有拇指传动机构，拇指减速器的输出轴通过所说的拇指传动机构与 拇指近关节轴相连。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的食指减速器 与食指近关节轴之间设有食指传动机构，食指减速器的输出轴通过所说的食指传动机构与 食指近关节轴相连。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的手掌减速器 与手掌关节轴之间设有手掌传动机构，手掌减速器的输出轴通过所说的手掌传动机构与手 掌关节轴相连。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的拇指电机上 设有拇指编码器；在所说的食指电机上设有食指编码器；在所说的手掌电机上设有手掌编 码器。 本发明具有以下优点及突出性效果 该装置具有的5个独立控制的手指和15个关节自由度，仅由6个电机驱动，实现 了高度模仿人手的外观和抓取动作，适用于拟人机器人。该装置的食指、中指、无名指和小 指结构相同，该模块化设计使得零件通用性强和制造维修成本低。各手指均利用连杆和簧 件构成一体的耦合传动机构和欠驱动传动机构，综合实现了耦合与欠驱动自适应抓取过程 融合于一体的特殊效果。抓取过程中，碰触物体前采用耦合方式转动，在碰触物体后可以采 用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应物体大小和形状。该装置出力大，抓取动作稳 定，抓取对象范围广，对控制系统要求低，结构简单，适合长期使用。
图1是本发明提供的耦合欠驱动一体化仿生手装置的一种实施例正面阶梯剖视
8图，此时拇指位于手掌侧面。 图2是图1所示实施例的正面外观图，此时拇指位于手掌的侧面。
图3是该实施例的俯视外观图，此时拇指位于手掌的侧面。
图4是该实施例的侧面外观图，此时拇指位于手掌的正对面。
图5是该实施例的俯视外观图，此时拇指位于手掌的正对面。
图6是该实施例的拇指的正面外观图。
图7是该实施例的拇指的左侧视图。
图8是该实施例的拇指的立体外观图。 图9是该实施例拇指的拇指近关节轴24、拇指第三连杆212和拇指第二簧件216的位置关系图。 图10是该实施例的拇指的左侧面剖视图。
图11是该实施例的拇指的右侧面剖视图。 图12是该实施例的拇指的正视图(未画出拇指基座底板和拇指第一指段底板)。
图13是该实施例的拇指的爆炸视图。
图14是该实施例的食指的正面外观图。
图15是该实施例的食指的左侧视图。
图16是该实施例的食指的立体外观图。 图17是该实施例食指的食指近关节轴35、食指第三连杆15和食指第二簧件25的位置关系图。 图18是该实施例食指的食指第一中关节轴36、食指第七连杆321和食指第四簧件327的位置关系图。 图19是该实施例的食指的左侧面剖视图。
图20是该实施例的食指的右侧面剖视图。 图21是该实施例的食指的正视图(未画出食指基座底板、食指第一指段底板和食指第二指段底板) 图22是该实施例的食指的爆炸视图。 图23、图24、图25、图26和图27是该实施例的拇指以两个指段完全握持方式抓取物体过程示意图(拇指第一指段22和拇指第二指段23分别绕拇指近关节轴24、拇指远关节轴25的轴线转动)。 图28是该实施例的拇指以两个指段捏持方式抓取物体的示意图。 图29是该实施例的拇指以拇指第二指段23碰触物体的示意图。 图30是该实施例的拇指以耦合方式转动至极限位置做出"握拳"动作示意图。 图31、图32、图33、图34、图35、图36和图37是该实施例的食指以三个指段完全
握持方式抓取物体过程示意图(食指第一指段32、食指第二指段33和食指末端指段34分
别绕食指近关节轴35、食指第一中关节轴36和食指远关节轴38轴线转动)。 图38、图39、图40和图41是该实施例的食指以食指第二指段33和食指末端指段
34握持方式抓取物体过程示意图(食指第二指段33和食指末端指段34分别依次绕食指第
一中关节轴36、食指远关节轴轴线38转动)。 图42是该实施例的食指以食指第二指段33和食指末端指段34捏持方式抓取物
9体示意图。 图43是该实施例的食指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44是该实施例的食指以食指末端指段34碰触物体的示意图。 图45、图46、图47和图48是该实施例手指以耦合方式转动作出各种人手的动作
的示意图。 图49是该实施例抓取圆柱状物体的侧面外观示意图。
图50是该实施例抓取圆柱状物体的正面外观示意图。
图51是该实施例抓取圆柱状物体的等轴测外观示意图。在图1至图51中l-手掌骨架，11-手掌电机，12-手掌关节轴，13-手掌传动机构，14-手掌扭簧，15-手掌减速器，16-手掌编码器17-手掌连接板，2_拇指，21-拇指基座，22-拇指第一指段，23-拇指第二指段，24-拇指近关节轴，25-拇指远关节轴，26-拇指减速器，27-拇指电机，28-拇指第一连杆，29-拇指第一轴，210-拇指第二连杆，211--拇指第二轴，212.-拇指第三连杆，213-拇指第三轴，214--拇指第四连杆，215.-拇指第一簧件，216-拇指第二簧件，217--拇指传动机构，218.-拇指编码器，3_食指，31-食指基座，32-食指第一指段，33-食指第二指段，34-食指末端指段，35-食指近关节轴，36-食指第一中关节轴，37-食指第二中关节轴，38--食指远关节轴，39-食指减速器，310--食指电机，311-食指第一连杆，312-食指第一轴，313--食指第二连杆，314.-食指第二轴，315-食指第三连杆，316--食指第三轴，317.-食指第四连杆，318-食指第五连杆，319--食指第六连杆，320-食指第四轴，321-食指第七连杆，322--食指第五轴，323-食指第八连杆，324-食指第一簧件，325--食指第二簧件，326.-食指第三簧件，327-食指第四簧件，328--食指传动机构，329-食指编码器，4_中指，5_无名指，6- /J、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具体结构、工作原理的内容。
本发明设计的耦合欠驱动一体化仿生手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图 4、图5、图45、图46、图47、图48、图49、图50和图51所示，该仿生手装置包括拇指2、食指 3、中指4、无名指5、小指6和手掌。
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所说的手掌包括手掌骨架1、手掌电机11、手掌关节轴12、手掌减速器15、手掌连
接板17 ;所说的手掌电机11和手掌减速器15与所说的手掌骨架1固接，手掌电机11的输
出轴与手掌减速器15的输入轴相连，手掌减速器15的输出轴与手掌关节轴12相连，手掌
关节轴12套设在手掌骨架1中，所说的手掌连接板17套固在手掌关节轴上12。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，在所说的手掌减速器15与手掌关
节轴12之间设有手掌传动机构13，手掌减速器15的输出轴通过所说的手掌传动机构13与
手掌关节轴12相连。 本实施例中，所说的手掌传动机构13采用齿轮传动机构。
本实施例中，在所说的手掌电机11上设有手掌编码器16。 本实施例还包括手掌扭簧14，所说的手掌扭簧14的一端连接手掌关节轴12，另一端连接手掌骨架l。 本实施例中，所说的拇指2，如图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13所
示，包括基拇指座21、拇指第一指段22、拇指第二指段23、拇指近关节轴24、拇指远关节轴25、拇指减速器26和拇指电机27 ;所说的拇指电机27与拇指基座21固接，拇指电机27的输出轴与所说的拇指减速器26的输入轴相连，拇指减速器26的输出轴与所说的拇指近关节轴24相连，拇指近关节轴24套设在基座21中，所说的拇指远关节轴25套设在所说的拇指第一指段22中；拇指第一指段22套接在拇指近关节轴24上，所说的拇指第二指段23套接在拇指远关节轴25上；所说的拇指近关节轴24和拇指远关节轴25的轴线相互平行；
所说的拇指2还包括拇指第一连杆28、拇指第一轴29、拇指第二连杆210、拇指第二轴211、拇指第三连杆212、拇指第三轴213、拇指第四连杆214、拇指第一簧件215和拇指第二簧件216 ;所说的拇指第一连杆28的一端套固在拇指近关节轴24上，拇指第一连杆28的另一端通过所说的拇指第一轴29与所说的拇指第二连杆210 —端铰接，拇指第二连杆210的另一端通过所说的拇指第二轴211与拇指第二指段23铰接；所说的拇指第三连杆212的一端套接在拇指近关节轴24上，拇指第三连杆212的另一端通过所说的拇指第三轴213与所说的拇指第四连杆214的一端铰接，拇指第四连杆214的另一端套接在拇指第二轴211上；所说的拇指第一簧件215的两端分别连接拇指第一连杆28和拇指第一指段22，所说的拇指第二簧件216的两端分别连接拇指第三连杆212和拇指基座21 ;所说的拇指第一轴29、拇指第二轴211、拇指第三轴213和拇指近关节轴24的轴线相互平行；
本实施例中，所说的拇指近关节轴24、拇指远关节轴25、拇指第一轴29、拇指第二轴211和拇指第三轴213符合如下关系设拇指近关节轴24的轴线与拇指远关节轴25的轴线所在平面为Pi平面，拇指第一轴29的轴线与拇指远关节轴25的轴线所在平面为P2平面；则拇指第一轴29的轴线和拇指第三轴213的轴线在P工平面的两侧，拇指第二轴211的轴线和拇指第三轴213的轴线在P2平面的两侧。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，所说的拇指第一簧件215和拇指第
二簧件216采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。 本实施例中，所说的拇指第一簧件215和拇指第二簧件216采用扭簧。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，在所说的拇指减速器26与拇指近
关节轴24之间设有拇指传动机构217，拇指减速器26的输出轴通过所说的拇指传动机构
217与拇指近关节轴24相连。
本实施例中，所说的拇指传动机构217采用齿轮传动机构。
本实施例中，在所说的拇指电机27上设有拇指编码器218。 本实施例中，所说的食指3的结构如图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21和图22所示，包括食指基座31 、食指第一指段32、食指第二指段33、食指末端指段34、食指近关节轴35、食指远关节轴38、食指减速器39和食指电机310 ;所说的食指电机310与食指基座31固接，食指电机310的输出轴与所说的食指减速器39的输入轴相连，食指减速器39的输出轴与所说的食指近关节轴35相连，食指近关节轴35套设在食指基座31中，所说的食指远关节轴38套设在所说的食指第二指段33中，所说的食指第一指段32套接在食指近关节轴35上，所说的食指末端指段3套接在食指远关节轴38上；
所说的食指3还包括食指第一中关节轴36和食指第二中关节轴37 ;所说的食指第一中关节轴36和食指第二中关节轴37套设在所说的食指第一指段32中，食指第二指段33套接在食指第一中关节轴36和食指第二中关节轴37上，所说的食指近关节轴35、食指第一中关节轴36、食指第二中关节轴37和食指远关节轴38的轴线相互平行；食指第一中关节轴36和食指第二中关节轴37同轴线； 所说的食指3还包括食指第一连杆311、食指第一轴312、食指第二连杆313、食指第二轴314、食指第三连杆315、食指第三轴316、食指第四连杆317、食指第五连杆318、食指第六连杆319、食指第四轴320、食指第七连杆321、食指第五轴322、食指第八连杆323、食指第一簧件324、食指第二簧件325、食指第三簧件326和食指第四簧件327 ;所说的食指第一连杆311的一端套固在食指近关节轴35上，食指第一连杆311的另一端通过所说的食指第一轴312与所说的食指第二连杆313 —端铰接，食指第二连杆313的另一端通过所说的食指第二轴314与所说的食指第五连杆318的一端铰接，食指第五连杆318的另一端套接在所说的食指第二中关节轴37上；所说的食指第三连杆315的一端套接在食指近关节轴35上，食指第三连杆315的另一端通过所说的食指第三轴316与所说的食指第四连杆317的一端铰接，食指第四连杆317的另一端套接在食指第二轴314上；所说的食指第六连杆319的一端套接在食指第二轴314上，食指第六连杆319的另一端通过所说的食指第四轴320与食指末端指段34铰接；所说的食指第七连杆321的一端套接在所说的食指第一中关节轴36上，食指第七连杆321的另一端通过所说的食指第五轴322与食指第八连杆323的一端铰接，食指第八连杆323的另一端套接在食指第四轴20上；所说的食指第一簧件324的两端分别连接食指第一连杆311和食指第一指段32，所说的食指第二簧件325的两端分别连接食指第三连杆315和食指基座31，所说的食指第三簧件326的两端分别连接食指第五连杆318和食指第二指段33，所说的食指第四簧件327的食指两端分别连接食指第七连杆321和食指第一指段32 ;所说的食指第一轴312、食指第二轴314、食指第三轴316、食指第四轴320、食指第五轴322和食指近关节轴35的轴线相互平行； 本实施例中，所说的食指近关节轴35、食指第一中关节轴36、食指第一轴312、食指第二轴314、食指第三轴316、食指第四轴320、食指第五轴322和食指远关节轴38符合如下关系设食指近关节轴35的轴线与食指第一中关节轴36的轴线所在平面为&平面，食指第一轴312的轴线与食指第一中关节轴36的轴线所在平面为P4平面，食指第一中关节轴36的轴线与食指远关节轴38的轴线所在平面为P5平面，食指第二轴314的轴线与食指远关节轴38的轴线所在平面为P6平面；则食指第一轴312的轴线和食指第三轴316的轴线在P3平面的两侧，食指第二轴314的轴线和食指第三轴316的轴线在P4平面的两侧，食 指第二轴314的轴线和食指第五轴322的轴线在P5平面的两侧，食指第四轴320的轴线和 食指第五轴322的轴线在P6平面的两侧。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，所说的食指第一簧件324、食指第二 簧件325、食指第三簧件326和食指第四簧件327采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或 弹性绳。 本实施例中，所说的食指第一簧件324、食指第二簧件325、食指第三簧件326和是 第四簧件327采用扭簧。 本发明所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，在所说的食指减速器39与食指近 关节轴35之间设有食指传动机构328，食指减速器39的输出轴通过所说的食指传动机构 328与食指近关节轴35相连。本实施例中，所说的食指传动机构328采用齿轮传动机构。
本实施例中，在所说的食指电机310上设有食指编码器329。 本实施例中，所说的拇指2通过拇指基座21与手掌连接板17固接；所说的食指3
通过食指基座31与手掌骨架1固接；所说的中指4、无名指5和小指6分别与手掌骨架1固
接，连接方式同食指一致；所说的拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6与手掌之间的相
对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置；所说的中指4、无名指5、小指6与食指3结构相
同，仅尺寸大小不同。 下面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，如图2、图3、图4、图5，叙述如下
手掌电机11转动，带动手掌减速器15转动，通过手掌传动机构13使手掌关节轴 12转动，于是带动手掌连接板17转动，拇指2随着手掌连接板17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侧面和正对面的反复侧向摆动。当需要抓取物体时，先 将拇指2摆动到手掌1正对面，如图4和图5所示。不需要抓取物体时，将拇指2摆动到手 掌1侧面，如图2、图3所示拇指位置。 (b)拇指2的工作原理，如图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29、图30，叙述
如下 拇指2的初始状态如图23所示，类似人的手指伸直状态。 当拇指2抓取物体时，拇指电机27转动，通过拇指减速器26、拇指传动机构217带 动拇指近关节轴24转动，拇指近关节轴24带动与之固接的拇指第一连杆28转动；由于拇 指第一簧件215的弹力限制作用，拇指第一连杆28通过拇指第一簧件215带动拇指第一指 段22绕拇指近关节轴24转动；拇指远关节轴25套接在拇指第一指段22中，带动拇指第二 指段23跟随拇指第一指段22—起运动；由于拇指第二簧件216的弹力限制作用，拇指第三 连杆212不发生转动，其位置相对于拇指基座21固定不变，但由于拇指第二轴211跟随拇 指第二指段23相对于拇指近关节轴24转动，拇指第四连杆214相对于拇指远关节轴25的 位置改变，从而拇指第四连杆214推动拇指第二指段23在拇指第一指段22绕拇指近关节 轴24转动的同时绕拇指远关节轴25相对于拇指第一指段22转动，此时拇指第一簧件215 产生变形，但由于拇指第二簧件216的弹力限制作用强于拇指第一簧件215，故拇指第二簧 件216仍不发生变形，此即为手指两个指段采用耦合方式转动的过程，如图24所示。通过
13、拇指第二连杆210、拇指第三连杆212、拇指第四连杆214的长度，以
及拇指第二轴211与拇指远关节轴25的轴线的距离，可以获得不同的耦合效果，即耦合转
动时拇指第一指段22绕拇指近关节轴24转动的角度与拇指第二指段23绕拇指远关节轴
25相对于拇指第一指端22转动的角度的不同比例。此时会遇到以下四种情况 (bl)拇指第二指段23碰到物体，拇指第二指段23受限制无法运动，并依次通过拇
指第二轴211、拇指第二连杆210、拇指第一轴29和拇指第一连杆28限制拇指近关节轴24
转动，抓取结束，如图29所示。 (b2)各指段均不与物体接触，以耦合方式转动到极限位置，相当于做出"握拳"动作，如图30所示。 (b3)拇指第一指段22和拇指第二指段23同时碰到物体，拇指第一指段22和拇指第二指段23均受限制无法运动，以两个指段捏持方式抓取物体，抓取结束，如图28所示。
(b4)拇指第一指段22碰到物体，如图25所示，拇指第一指段22受限制无法运动，此时拇指第一连杆28在拇指近关节轴24的带动下克服拇指第一簧件215的变形弹力继续转动，并依次通过拇指第一轴29、拇指第二连杆210和拇指第二轴211推动拇指第二指段23绕拇指远关节轴25转动，同时拇指第二轴211通过拇指第四连杆214和拇指第三轴213拉动拇指第三连杆212克服拇指第二簧件216的变形弹力绕拇指近关节轴24转动，此即为手指采用欠驱动方式转动的过程，如图26所示；直到拇指第二指段23碰到物体，拇指第一指段22和拇指第二指段23均受限制无法运动，抓取结束，如图27所示。
当放开物体时，拇指电机27反转，通过拇指减速器26、拇指传动机构217带动拇指近关节轴24反转，拇指第一连杆28在拇指近关节轴24带动下反转，拇指第一连杆28依次通过拇指第一轴29、拇指第二连杆210和拇指第二轴211拉动拇指第二指段23绕拇指远关节轴25反转，同时拇指第二轴211通过拇指第四连杆214和拇指第三轴213推动拇指第三连杆212反转，此时拇指第一簧件215和拇指第二簧件216的变形逐渐较小，直到拇指第二簧件216完全恢复到未变形状态，如图25所示；拇指第一连杆28继续反转，通过拇指第一轴29、拇指第二连杆210和拇指第二轴211拉动拇指第二指段23继续绕拇指远关节轴25反转，由于拇指第二簧件216的弹力限制作用，拇指第三连杆212不再转动，故拇指第四连杆214相对于拇指远关节轴25的位置改变，拇指第四连杆214通过拇指第二轴211、拇指第二指段23和拇指远关节轴25拉动拇指第一指段22绕拇指近关节轴24反转，直到拇指第一指段22与拇指第三指段23同时反转到初始的手指伸直状态，在拇指基座1和拇指第一指段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23所示。 (c)食指3、中指4、无名指5、小指6结构和工作原理相同，所不同的仅是尺寸大小，以食指3为例，其工作原理，如图31、图32、图33、图34、图35、图36、图37、图38、图39、图40、图41、图42、图43和图44，叙述如下: 食指3的初始状态如图31所示，类似人的手指伸直状态。 当食指3抓取物体时，食指电机310转动，通过食指减速器39、食指传动机构328带动食指近关节轴35转动，食指近关节轴35带动与之固接的食指第一连杆311转动；由于食指第一簧件324的弹力限制作用，食指第一连杆311通过食指第一簧件324带动食指第一指段32绕食指近关节轴5转动；食指第二指段33和食指末端指段34随食指第一指段
1432运动；由于食指第二簧件325的弹力限制作用，食指第三连杆315不发生转动，其位置相对于食指基座31固定不变，但由于食指第二轴314随食指第二连杆313相对于食指近关节轴35移动，食指第四连杆317相对于食指第二中关节轴37的位置改变，从而食指第四连杆317推动食指第五连杆318绕食指第二中关节轴37转动，此时食指第一簧件324发生变形，食指第二簧件325不发生变形；由于食指第三簧件326的弹力限制作用，食指第五连杆318通过食指第三簧件326带动食指第二指段33绕食指第二中关节轴7转动；由于食指第四簧件327的弹力限制作用，食指第七连杆321不发生绕食指第一中关节轴36转动，其位置相对于食指第一指段32固定不变，但食指第四轴320随食指第六连杆319相对于食指第一中关节轴36移动，食指第八连杆323相对于食指远关节轴8的位置改变，从而食指第八连杆323推动食指末端指段34绕食指远关节轴38转动，此时食指第一簧件324和食指第三簧件326发生变形，食指第二簧件325和食指第四簧件327不发生变形，此为手指三个指段采用耦合方式转动的过程，即食指第一指段32绕食指近关节轴35相对于食指基座31转动，同时食指第二指段33绕食指第一中关节轴36(或食指第二中关节轴37)相对于食指第一指段32转动，食指末端指段34绕食指远关节轴38相对于食指第二指段33转动，如图32所示。之后会遇到以下五种情况 (cl)食指末端指段34碰到物体，食指末端指段34受限制无法运动，并依次通过食指第四轴320、食指第六连杆319、食指第二轴314、食指第二连杆313、食指第一轴312和食指第一连杆311限制食指近关节轴35转动，抓取结束，如图44所示。 (c2)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43所示。 (c3)食指第二指段33和食指末端指段34同时碰到物体，食指第二指段33和食指末端指段34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42所示。
(c4)食指第二指段33碰到物体，如图40所示，食指第二指段33受限制无法运动，此时食指第一连杆311在食指近关节轴35的带动下克服食指第一簧件324的变形弹力继续转动，并依次通过食指第一轴312、食指第二连杆313和食指第二轴314推动食指第五连杆318克服食指第三簧件326的变形弹力绕食指第二中关节轴37转动，此时食指第二轴314通过食指第四连杆317和食指第三轴316拉动食指第三连杆315绕食指近关节轴35转动，食指第二簧件325发生变形；食指第五连杆318通过食指第二轴314、食指第六连杆319和食指第四轴320推动食指末端指段34绕食指远关节轴38转动，此时食指第四轴320通过食指第八连杆323和食指第五轴322拉动食指第七连杆321绕食指第一中关节轴36转动，食指第四簧件327发生变形，此即为食指末端指段34采用欠驱动方式转动的过程，直到食指末端指段34碰到物体，食指第二指段33和食指末端指段34均受限制无法运动，抓取结束，如图41所示。 (c5)食指第一指段32碰到物体，如图33所示，食指第一指段32受限制无法运动，此时食指第一连杆311在食指近关节轴35的带动下克服食指第一簧件324的变形弹力继续转动，并依次通过食指第一轴312、食指第二连杆313和食指第二轴314推动食指第五连杆318绕食指第二中关节轴37转动，此时食指第二轴314通过食指第四连杆317和食指第三轴316拉动食指第三连杆315绕食指近关节轴35转动，食指第二簧件325发生变形；由于食指第三簧件326的弹力限制作用，食指第五连杆318通过食指第三簧件326带动食指第二指段33绕食指第二中关节轴37转动；由于食指第四簧件327的弹力限制作用，食指第七连杆321不发生绕食指第一中关节轴36转动，其位置相对于食指第一指段32固定不变，但食指第四轴320随食指第六连杆319相对于食指第一中关节轴36移动，食指第八连杆323相对于食指远关节轴38的位置改变，从而食指第八连杆323推动食指末端指段34绕食指远关节轴38转动，此时食指第一簧件324、食指第二簧件325和食指第三簧件326发生变形，食指第四簧件327不发生变形；此即手指同时以欠驱动方式与耦合方式转动，食指第二指段33绕食指第一中关节轴36 (或食指第二中关节轴37)相对于食指第一指段32的转动为欠驱动转动，具自适应性，食指末端指段34绕食指远关节轴38相对于食指第二指段33的转动为耦合转动，如图34所示；食指第二指段33与食指末端指段34转动直至食指第二指段33碰触物体，如图35所示，之后转动过程同过程(c4)，最终三个指段以握持方式抓取物体，抓取结束，如图37所示。 当放开物体时，食指电机310反转，通过食指减速器39、食指传动机构328带动食指近关节轴35反转，食指第一连杆311在食指近关节轴35带动下反转，食指第一连杆311依次通过食指第一轴312、食指第二连杆313和食指第二轴314拉动食指第五连杆318绕食指第一中关节轴36反转，同时食指第二轴314通过食指第四连杆317和食指第三轴316推动食指第三连杆315反转，此时食指第一簧件324和食指第二簧件325的变形减小；食指第五连杆318反转时，依次通过食指第二轴314、食指第六连杆319和食指第四轴320拉动食指末端指段34绕食指远关节轴38反转，同时食指第四轴320通过食指第八连杆323和食指第五轴322推动食指第七连杆321反转，此时食指第三簧件326和食指第四簧件327的变形减小，直到食指第四簧件327完全恢复到未变形状态，如图35所示；食指第五连杆318继续反转，通过食指第二轴314、食指第六连杆319和食指第四轴320拉动食指末端指段34继续绕食指远关节轴38反转，由于食指第四簧件327的弹力限制作用，食指第七连杆321不再转动，故食指第八连杆323相对于食指远关节轴38的位置改变，食指第八连杆323通过食指第四轴320、食指末端指段34和食指远关节轴38拉动食指第二指段33绕食指第一中关节轴36(或食指第二中关节轴37)反转，此时食指第一簧件324、食指第二簧件325和食指第三簧件326变形减小，直到食指第二簧件325完全恢复到未变形状态，如图33所示；食指第一连杆311继续反转，通过食指第一轴312、食指第二连杆313和食指第二轴314拉动食指第五连杆318反转，如前所述，食指第五连杆318将带动食指第二指段33和食指末端指段34同时转动；由于食指第二簧件325的弹力限制作用，食指第三连杆315不再转动，故食指第四连杆317相对于食指第一中关节轴36的位置改变，食指第四连杆317通过食指第二轴314、食指第五连杆318和食指第二中关节轴37拉动食指第一指段32绕食指近关节轴35反转，如图32所示；此时食指第一簧件324和食指第三簧件326的变形减小，直到食指第一指段32、食指第二指段33和食指末端指段34同时反转到初始的手指伸直状态，在食指基座31和食指第一指段32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31所示。 本发明具有5个独立控制的手指和15个关节自由度，仅由6个电机驱动。四指(食指、中指、无名指和小指)均采用结构相同的一种模块化结构。各手指均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，综合实现了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；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。该装置在碰触物体前采用耦合方式转动，动作高度拟人化，可以做出各种类似人手的动作，包括人手"握拳"的动作，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，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，又因为连杆本身结构坚固，相对于其他机构如腱绳等承受力大，使得该装置可以采用大功率电机驱动，从而抓取力大，抓取稳定。同时成本低廉，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。
权利要求
一种耦合欠驱动一体化仿生手装置，包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)和手掌；所说的手掌包括手掌骨架(1)、手掌电机(11)、手掌关节轴(12)、手掌减速器(15)、手掌连接板(17)；所说的手掌电机(11)和手掌减速器(15)与所说的手掌骨架(1)固接，手掌电机(11)的输出轴与手掌减速器(15)的输入轴相连，手掌减速器(15)的输出轴与手掌关节轴(12)相连，手掌关节轴(12)套设在手掌骨架(1)中，所说的手掌连接板(17)套固在手掌关节轴上(12)；所说的拇指(2)包括基拇指座(21)、拇指第一指段(22)、拇指第二指段(23)、拇指近关节轴(24)、拇指远关节轴(25)、拇指减速器(26)和拇指电机(27)；所说的拇指电机(27)与拇指基座(21)固接，拇指电机(27)的输出轴与所说的拇指减速器(26)的输入轴相连，拇指减速器(26)的输出轴与所说的拇指近关节轴(24)相连，拇指近关节轴(24)套设在基座(21)中，所说的拇指远关节轴(25)套设在所说的拇指第一指段(22)中；拇指第一指段(22)套接在拇指近关节轴(24)上，所说的拇指第二指段(23)套接在拇指远关节轴(25)上；所说的拇指近关节轴(24)和拇指远关节轴(25)的轴线相互平行；所说的食指(3)包括食指基座(31)、食指第一指段(32)、食指第二指段(33)、食指末端指段(34)、食指近关节轴(35)、食指远关节轴(38)、食指减速器(39)和食指电机(310)；所说的食指电机(310)与食指基座(31)固接，食指电机(310)的输出轴与所说的食指减速器(39)的输入轴相连，食指减速器(39)的输出轴与所说的食指近关节轴(35)相连，食指近关节轴(35)套设在食指基座(31)中，所说的食指远关节轴(38)套设在所说的食指第二指段(33)中，所说的食指第一指段(32)套接在食指近关节轴(35)上，所说的食指末端指段(3)套接在食指远关节轴(38)上；其特征在于所说的拇指(2)还包括拇指第一连杆(28)、拇指第一轴(29)、拇指第二连杆(210)、拇指第二轴(211)、拇指第三连杆(212)、拇指第三轴(213)、拇指第四连杆(214)、拇指第一簧件(215)和拇指第二簧件(216)；所说的拇指第一连杆(28)的一端套固在拇指近关节轴(24)上，拇指第一连杆(28)的另一端通过所说的拇指第一轴(29)与所说的拇指第二连杆(210)一端铰接，拇指第二连杆(210)的另一端通过所说的拇指第二轴(211)与拇指第二指段(23)铰接；所说的拇指第三连杆(212)的一端套接在拇指近关节轴(24)上，拇指第三连杆(212)的另一端通过所说的拇指第三轴(213)与所说的拇指第四连杆(214)的一端铰接，拇指第四连杆(214)的另一端套接在拇指第二轴(211)上；所说的拇指第一簧件(215)的两端分别连接拇指第一连杆(28)和拇指第一指段(22)，所说的拇指第二簧件(216)的两端分别连接拇指第三连杆(212)和拇指基座(21)；所说的拇指第一轴(29)、拇指第二轴(211)、拇指第三轴(213)和拇指近关节轴(24)的轴线相互平行；所说的食指(3)还包括食指第一中关节轴(36)和食指第二中关节轴(37)；所说的食指第一中关节轴(36)和食指第二中关节轴(37)套设在所说的食指第一指段(32)中，食指第二指段(33)套接在食指第一中关节轴(36)和食指第二中关节轴(37)上，所说的食指近关节轴(35)、食指第一中关节轴(36)、食指第二中关节轴(37)和食指远关节轴(38)的轴线相互平行；食指第一中关节轴(36)和食指第二中关节轴(37)同轴线；所说的食指(3)还包括食指第一连杆(311)、食指第一轴(312)、食指第二连杆(313)、食指第二轴(314)、食指第三连杆(315)、食指第三轴(316)、食指第四连杆(317)、食指第五连杆(318)、食指第六连杆(319)、食指第四轴(320)、食指第七连杆(321)、食指第五轴(322)、食指第八连杆(323)、食指第一簧件(324)、食指第二簧件(325)、食指第三簧件(326)和食指第四簧件(327)；所说的食指第一连杆(311)的一端套固在食指近关节轴(35)上，食指第一连杆(311)的另一端通过所说的食指第一轴(312)与所说的食指第二连杆(313)一端铰接，食指第二连杆(313)的另一端通过所说的食指第二轴(314)与所说的食指第五连杆(318)的一端铰接，食指第五连杆(318)的另一端套接在所说的食指第二中关节轴(37)上；所说的食指第三连杆(315)的一端套接在食指近关节轴(35)上，食指第三连杆(315)的另一端通过所说的食指第三轴(316)与所说的食指第四连杆(317)的一端铰接，食指第四连杆(317)的另一端套接在食指第二轴(314)上；所说的食指第六连杆(319)的一端套接在食指第二轴(314)上，食指第六连杆(319)的另一端通过所说的食指第四轴(320)与食指末端指段(34)铰接；所说的食指第七连杆(321)的一端套接在所说的食指第一中关节轴(36)上，食指第七连杆(321)的另一端通过所说的食指第五轴(322)与食指第八连杆(323)的一端铰接，食指第八连杆(323)的另一端套接在食指第四轴(320)上；所说的食指第一簧件(324)的两端分别连接食指第一连杆(311)和食指第一指段(32)，所说的食指第二簧件(325)的两端分别连接食指第三连杆(315)和食指基座(31)，所说的食指第三簧件(326)的两端分别连接食指第五连杆(318)和食指第二指段(33)，所说的食指第四簧件(327)的食指两端分别连接食指第七连杆(321)和食指第一指段(32)；所说的食指第一轴(312)、食指第二轴(314)、食指第三轴(316)、食指第四轴(320)、食指第五轴(322)和食指近关节轴(35)的轴线相互平行；所说的拇指(2)通过拇指基座(21)与手掌连接板(17)固接；所说的食指(3)通过食指基座(31)与手掌骨架(1)固接；所说的中指(4)、无名指(5)和小指(6)分别与手掌骨架(1)固接，连接方式同食指(3)一致；所说的中指(4)、无名指(5)和小指(6)的结构与食指(3)的结构相同，仅尺寸大小不同。
2. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的拇指近关 节轴(24)、拇指远关节轴(25)、拇指第一轴(29)、拇指第二轴(211)和拇指第三轴(2丄3) 符合如下关系设拇指近关节轴(24)的轴线与拇指远关节轴(25)的轴线所在平面为P工平 面，拇指第一轴(29)的轴线与拇指远关节轴(25)的轴线所在平面为^平面；则拇指第一 轴(29)的轴线和拇指第三轴(213)的轴线在P工平面的两侧，拇指第二轴(211)的轴线和 拇指第三轴(213)的轴线在&平面的两侧。
3. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的食指近 关节轴(35)、食指第一中关节轴(36)、食指第一轴(312)、食指第二轴(314)、食指第三轴 (316)、食指第四轴(320)、食指第五轴(322)和食指远关节轴(38)符合如下关系设食指 近关节轴(35)的轴线与食指第一中关节轴(36)的轴线所在平面为P3平面，食指第一轴 (312)的轴线与食指第一中关节轴(36)的轴线所在平面为P4平面，食指第一中关节轴(36) 的轴线与食指远关节轴(38)的轴线所在平面为&平面，食指第二轴(314)的轴线与食指 远关节轴(38)的轴线所在平面为Pe平面；则食指第一轴(312)的轴线和食指第三轴(316)的轴线在P3平面的两侧，食指第二轴(314)的轴线和食指第三轴(316)的轴线在P4平面的 两侧，食指第二轴(314)的轴线和食指第五轴(322)的轴线在Ps平面的两侧，食指第四轴 (320)的轴线和食指第五轴(322)的轴线在Pe平面的两侧。
4. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的拇指第一 簧件(215)、拇指第二簧件(216)、食指第一簧件(324)、食指第二簧件(325)、食指第三簧件(326) 和食指第四簧件(327)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。
5. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于所说的拇指第二 簧件(216)的弹力限制作用强于拇指第一簧件(215)的弹力限制作用；所说的食指第二簧 件(325)的弹力限制作用强于食指第一簧件(324)的弹力限制作用；所说的食指第四簧件(327) 的弹力限制作用强于食指第三簧件(326)的弹力限制作用。
6. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的拇指减 速器(26)与拇指近关节轴(24)之间设有拇指传动机构(217)，拇指减速器(26)的输出轴 通过所说的拇指传动机构(217)与拇指近关节轴(24)相连。
7. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的食指减 速器(39)与食指近关节轴(35)之间设有食指传动机构(328)，食指减速器(39)的输出轴 通过所说的食指传动机构(328)与食指近关节轴(35)相连。
8. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的手掌减 速器(15)与手掌关节轴(12)之间设有手掌传动机构(13)，手掌减速器(15)的输出轴通过 所说的手掌传动机构(13)与手掌关节轴(12)相连。
9. 如权利要求1所述的耦合欠驱动一体化仿生手装置，其特征在于在所说的拇指电 机(27)上设有拇指编码器(218);在所说的食指电机(310)上设有食指编码器(329);在所 说的手掌电机(11)上设有手掌编码器(16)。
全文摘要
耦合欠驱动一体化仿生手装置，属于拟人机器人技术领域，包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌。该装置具有的5个独立控制的手指和15个关节自由度，由6个电机驱动，实现了高度模仿人手的外观和抓取动作功能，适用于拟人机器人。食指、中指、无名指和小指采用模块化结构，零件通用性强。各手指均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，综合实现了耦合与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果。抓取过程中，碰触物体前采用耦合方式转动，在碰触物体后采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应物体大小和形状。该仿生手装置出力大，抓取动作稳定，抓取对象范围广，对控制系统要求低，结构简单，适合长期使用。
文档编号B25J17/00GK101716767SQ20091024125
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者孙振国, 张文增, 赵得洋, 都东, 陈强 申请人:清华大学