本发明涉及一种变刚度机械手，具体涉及一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手。属于机器人领域。
背景技术
在批量化测量领域，往往使用机械手进行零件的定位，安装与调整。机械手的抓取精度很大程度上影响了最终测量结果的精度，而且对于一些精密和易碎零件，机械手也容易造成损坏。因此，一种精度高，安全性强，适用范围广的机械手显得十分必要。
传统的机械手从系统自身的刚度来分，主要分为两类：刚性机械手与柔性机械手。其中，刚性机械手通过刚性连接，整体呈高刚度，具有较高的响应速度，可以实现精确的位置控制与轨迹跟踪。然而，高刚度也导致了安全性的下降，对与机械手本体以及所抓取的物体都可能造成损害，在抓取易碎物体以及人机交互等方面存在潜在威胁。柔性机械手又主要包括两类，一类是在刚性机械手中加入刚度恒定的弹性元件，从而使机械手表现出一定的柔性，但在工作过程中刚度保持不变；另一类是软体机械手，由柔性材料制成的，凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性，软体机械手具有高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点。但是，目前的柔性机械手普遍存在刚度较低，响应速度慢，控制精度低，抓取能力弱等缺点。
不管是刚性机械手还是柔性机械手，都有着各自的优势，但是也存在一定的局限性，面对越来越复杂的操作环境及多样化的操作对象，传统的机械手已经不能很好的胜任操作任务了。申请号为2017104915304，公开号：cn107234632a的发明专利申请公开了一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，该变刚度关节采用杠杆原理，可实现刚度的输出变化，采用齿轮传动，具有结构紧凑，可以应用于空间狭小的场合，可作为钢丝绳欠驱动机械手的驱动单元。
技术实现要素：
本发明是为解决现有刚性机械手和柔性机械手各自应用的局限性的问题，提出一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手。
本发明的技术方案是：一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，它包括三个变刚度弹性关节，它还包括手掌、电机、底座、支撑柱和三根手指，三根手指分别是一根曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指；
手掌布置在底座的上方且二者通过支撑柱连接，底座上安装有轴向竖向设置的电机以及三个变刚度弹性关节，曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指沿手掌的周向设在手掌上，电机的输出轴通过钢丝绳驱动两根耦合回转曲伸手指回转运动，三个变刚度弹性关节的输出轴一一对应通过钢丝绳驱动曲伸手指和两根耦合回转曲伸手指的屈曲伸展运动。
进一步地，所述手掌包括手掌一、手掌二、回转滑轮、变向滑轮和三个弯曲滑轮，手掌一固定在手掌二上，手掌二通过三个支撑住固定在底座上，回转滑轮通过轴承安装在手掌一上，回转滑轮与电机的输出轴固连，变向滑轮通过轴承安装在手掌一上，弯曲滑轮布置在手掌一和手掌二之间并与变刚度弹性关节的输出轴固接。
进一步地，每根手指包括指节和指根，所述曲伸手指的指节与所述耦合回转曲伸手指的指节结构相同；所述曲伸手指的指根为固定指根，该固定指根固定在手掌一上，两根耦合回转曲伸手指的指根为回转指根，该回转指根穿过手掌一并通过轴承安装在手掌二上；
所述指节包括远指节、中指节、近指节、远侧指间关节滑轮、远侧指间关节转轴、远侧指间关节扭簧、近侧指间关节滑轮、近侧指间关节转轴、近侧指间关节扭簧、掌指关节滑轮、掌指关节转轴、掌指关节扭簧和弯曲钢丝绳；
远指节转动安装在固接于中指节上的远侧指间关节转轴上，远侧指间关节滑轮通过轴承安装在远侧指间关节转轴上，远侧指间关节滑轮两侧分别设有套在远侧指间关节转轴上的远侧指间关节扭簧，远侧指间关节扭簧的一个引脚安装在远指节上，另一个引脚安装在中指节上；
中指节转动安装在固接于近指节上的近侧指间关节转轴上，近侧指间关节滑轮通过轴承安装在近侧指间关节转轴上，近侧指间关节滑轮两侧分别设有套在近侧指间关节转轴上的近侧指间关节扭簧，近侧指间关节扭簧的一个引脚安装在中指节上，另一个引脚安装在近指节上；
近指节转动安装在固接于指根上的掌指关节转轴上，掌指关节滑轮通过轴承安装在掌指关节转轴上，掌指关节滑轮两侧分别设有套在掌指关节转轴上的掌指关节扭簧，掌指关节扭簧的一个引脚安装在近指节上，另一个引脚安装在指根上；
屈伸手指的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳的一端固定在弯曲滑轮上，弯曲钢丝绳绕过变向滑轮、穿过手掌一、再依次绕过掌指关节滑轮、近侧指间关节滑轮和远侧指间关节滑轮，弯曲钢丝绳的另一端固定在远指节上；两根耦合回转曲伸手指的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳的一端固定在弯曲滑轮上，弯曲钢丝绳穿过耦合回转曲伸手指的指根的通道内，然后顺次绕过变向滑轮、掌指关节滑轮、近侧指间关节滑轮和远侧指间关节滑轮，弯曲钢丝绳的另一端固定在远指节上；两根耦合回转曲伸手指回转运动走线如下：两根耦合回转曲伸手指的回转指根分别通过绕向相反的回转钢丝绳与对应的回转滑轮连接。
进一步地，变刚度弹性关节包括外壳、杠杆机构、差动轮系、输入轮系一和输入轮系二；
杠杆机构包括输出杆、杠杆臂、杠杆支点柱和弹簧；差动轮系包括差动行星架、差动行星轮和差动太阳轮；输入轮系一包括内齿圈一、行星架一和齿轮系一；输入轮系二包括内齿圈二和齿轮系二；输出杆的一端与杠杆臂的一端转动连接，输出杆的另一端为轴端，轴端与外壳转动连接，杠杆臂的另一端与弹簧的一端连接，杠杆支点柱安装在差动行星轮的边缘上，且杠杆支点柱布置在杠杆臂上沿其长度方向开设的凹槽内，弹簧的另一端连接在差动太阳轮上；差动轮系布置在输入轮系一上，输入轮系一布置在输入轮系二上，差动行星轮与差动太阳轮啮合，差动行星轮安装在差动行星架上，且差动行星轮能相对差动行星架自转，差动行星架安装在内齿圈一上，差动太阳轮安装在内齿圈二上；
主动电机输出轴套在调刚电机输出轴上且二者能相对转动，主动电机输出轴能带动齿轮系一和齿轮系二运转，行星架一与齿轮系一连接，行星架一安装在调刚电机输出轴上，齿轮系二能带动内齿圈二转动，齿轮系一能带动内齿圈一转动，弯曲滑轮与变刚度关节的调刚电机输出轴固接。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明的有益效果是：提出了一种新的理念，通过将变刚度关节与机械手结合，实现机械手的变刚度；变刚度机械手扩大了机械手的应用范围，在人机交互、抓取易碎物体等情景下，机械手调节成低刚度状态，增强了抓取的安全性，在抓取大质量、高硬度物体时，机械手调节成高刚度状态，增强了机械手的抓取能力与响应速度；采用欠驱动方式，有效减小了驱动单元数目，增强了机械手对不同形状物体的自适应能力。采用变刚度弹性关节调节刚度时，通过调刚电机与主电机的配合运动，能够使弹簧总长度基本保持不变，即弹簧中储存能量基本不变，使得两个电机的输出能量大大减少，加快了调刚速度，降低了对调刚电机的要求；采用齿轮传动，可以应用于空间狭小的场合里；变刚度范围大，理论上零到无穷大，刚度与平衡位置控制是独立的，控制简单，稳定性好。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为屈伸手指的结构示意图；
图3为耦合回转屈曲手指的结构示意图；
图4为远指节的结构示意图；
图5为远指节的爆炸示意图；
图6为中指节的结构示意图
图7为中指节的爆炸示意图；
图8为近指节的结构示意图；
图9为近指节的爆炸示意图；
图10为去掉手掌一的本发明结构的俯视图；
图11为耦合回转屈伸手指的弯曲钢丝绳的走线示意图；
图12为变刚度弹性关节的整体结构示意图；
图13为图12的剖视图；
图14为去掉外壳后的整体结构示意图；
图15为去掉外壳和杠杆臂后的整体结构示意图；
图16为输入轮系一的整体结构示意图；
图17为输入轮系二的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明。
参见图1-图一种基于变刚度弹性关节的欠驱动变刚度机械手，它包括三个变刚度弹性关节g，它还包括手掌c、电机d、底座e、支撑柱f和三根手指，三根手指分别是一根曲伸手指a和两根耦合回转曲伸手指b；
手掌c布置在底座e的上方且二者通过支撑柱f连接，底座e上安装有轴向竖向设置的电机d以及三个变刚度弹性关节g，曲伸手指a和两根耦合回转曲伸手指b沿手掌c的周向设在手掌c上，电机d的输出轴通过钢丝绳驱动两根耦合回转曲伸手指b回转运动，三个变刚度弹性关节g的输出轴一一对应通过钢丝绳驱动曲伸手指a和两根耦合回转曲伸手指b的屈曲伸展运动。
机械手采用钢丝绳传动，总共包含三根手指，曲伸手指a和两根耦合回转曲伸手指b结构基本相同，其中两根手指能够进行耦合的回转运动，另一根手指回转方向被固定，每根手指具有三个指节，构成了三个手指关节；机械手每根手指具有三个自由度(三个指节弯曲自由度)，再加上其中两根手指间的耦合回转自由度，因此，总体上机械手具有十个自由度；采用欠驱动方式，三个变刚度弹性关节g分别驱动三根手指的屈曲\伸展运动，电机d驱动其中两个手指间的耦合回转运动。
参见图1、图10和图12所示，所述手掌c包括手掌一c1、手掌二c2、回转滑轮c3、变向滑轮c4和三个弯曲滑轮c5，手掌一c1固定在手掌二c2上，手掌二c2通过三个支撑住f固定在底座e上，回转滑轮c3通过轴承安装在手掌一c1上，回转滑轮c3与电机d的输出轴固连，变向滑轮c4通过轴承安装在手掌一c1上，弯曲滑轮c5布置在手掌一c1和手掌二c2之间并与变刚度弹性关节g的输出轴固接。
参见图2和图3所示，每根手指包括指节和指根4，所述曲伸手指a的指节与所述耦合回转曲伸手指b的指节结构相同；所述曲伸手指a的指根4为固定指根，该固定指根固定在手掌一c1上，两根耦合回转曲伸手指b的指根4为回转指根，该回转指根穿过手掌一c1并通过轴承安装在手掌二c2上；
参见图2和图3所示，所述指节包括远指节1、中指节2、近指节3、远侧指间关节滑轮5、远侧指间关节转轴6、远侧指间关节扭簧7、近侧指间关节滑轮8、近侧指间关节转轴9、近侧指间关节扭簧10、掌指关节滑轮11、掌指关节转轴12、掌指关节扭簧13和弯曲钢丝绳14；
远指节1转动安装在固接于中指节2上的远侧指间关节转轴6上，远侧指间关节滑轮5通过轴承安装在远侧指间关节转轴6上，远侧指间关节滑轮5两侧分别设有套在远侧指间关节转轴6上的远侧指间关节扭簧7，远侧指间关节扭簧7的一个引脚安装在远指节1上，另一个引脚安装在中指节a2上；
中指节2转动安装在固接于近指节3上的近侧指间关节转轴9上，近侧指间关节滑轮8通过轴承安装在近侧指间关节转轴a9上，近侧指间关节滑轮8两侧分别设有套在近侧指间关节转轴9上的近侧指间关节扭簧10，近侧指间关节扭簧10的一个引脚安装在中指节2上，另一个引脚安装在近指节3上；
近指节3转动安装在固接于指根4上的掌指关节转轴12上，掌指关节滑轮11通过轴承安装在掌指关节转轴12上，掌指关节滑轮11两侧分别设有套在掌指关节转轴12上的掌指关节扭簧13，掌指关节扭簧13的一个引脚安装在近指节3上，另一个引脚安装在指根4上；
参见图10和图11所示，屈伸手指a的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳14的一端固定在弯曲滑轮c5上，弯曲钢丝绳14绕过变向滑轮c4、穿过手掌一c1、再依次绕过掌指关节滑轮11、近侧指间关节滑轮8和远侧指间关节滑轮5，弯曲钢丝绳14的另一端固定在远指节1上；
参见图10和图11所示，两根耦合回转曲伸手指b的屈曲伸展运动走线如下：弯曲钢丝绳14的一端固定在弯曲滑轮c5上，弯曲钢丝绳14穿过耦合回转曲伸手指b的回转指根的通道内，然后顺次绕过变向滑轮c4、掌指关节滑轮11、近侧指间关节滑轮8和远侧指间关节滑轮5，弯曲钢丝绳14的另一端固定在远指节1上；弯曲钢丝绳通过塑料管导向进入耦合回转曲伸手指b的回转指根的通道内，以确保弯曲钢丝绳的可靠运动。
参见图10和图11所示，两根耦合回转曲伸手指b回转运动走线如下：两根耦合回转曲伸手指b的回转指根分别通过绕向相反的回转钢丝绳c6与对应的回转滑轮c3连接。耦合回转曲伸手指b的回转指根为带有轮槽的回转指根。回转钢丝绳c6绕在回转指根的轮槽上。两者均与回转滑轮通过回转钢丝绳连接，回转滑轮与电机轴固连，通过电机带动回转滑轮，回转滑轮c3通过回转钢丝绳c6带动两个回转指根一起耦合转动。一个回转钢丝绳c6按照“8”字形绕在对应的一个回转指根的轮槽及一个转滑轮c3上，另一个回转钢丝绳c6按照o形绕在对应的另一个回转指根的轮槽及另一个转滑轮c3上，这样在两个回转指根一起耦合反向转动。
上述方案中，远指节1与中指节2之间通过转动连接，远指节与中指节连接处构成远侧指间关节，中指节2与近指节3之间通过转动连接，中指节2与近指节3之间连接处构成近侧指间关节；近指节3与固定指根4之间通过转动连接，近指节3与固定指根4之间连接处构成掌指关节。手指的三个关节远侧指间关节、近侧指间关节、掌指关节通过结构的机械限位，转动角度范围为0-90°。
参见图2和图3所示，为了保证远侧指间关节滑轮5、近侧指间关节滑轮8和掌指关节滑轮11能稳定运行，保证机械手工作可靠。远侧指间关节滑轮5两侧分别设有套在远侧指间关节转轴6上轴向限位的远侧指间关节轴套，远侧指间关节扭簧7套在远侧指间关节轴套上；近侧指间关节滑轮8两侧分别设有套在近侧指间关节转轴9上轴向限位的近侧指间关节轴套，近侧指间关节扭簧10套在近侧指间关节轴套上，掌指关节滑轮11两侧分别设有套在掌指关节转轴12上轴向限位的掌指关节轴套，掌指关节扭簧13套在掌指关节轴套上。
参见图5所示，作为上述方案的改进，远指节1具体结构为：远指节1包括远指节面板1-1、远指节基座1-2、远指节左夹板1-3、远指节右夹板1-4和远指节压力薄膜传感器1-5；远指节左夹板1-3和远指节右夹板1-4对称布置并固定安装在远指节基座1-2的两侧，远指节左夹板1-3和远指节右夹板1-4分别通过轴承安装在远侧指间关节转轴6上，远指节面板1-1滑动安装在远指节基座1-2上且二者接触部分之间装有远指节压力薄膜传感器1-5，弯曲钢丝绳14的另一端固定在远指节基座1-2上。远指节压力薄膜传感器1-5用于测量远指节a1表面正压力大小。
参见图7所示，作为上述方案的改进，中指节2包括中指节面板2-1、中指节基座2-2、中指节左夹板2-3、中指节右夹板2-4和中指节压力薄膜传感器2-5；中指节左夹板2-3和中指节右夹板2-4对称布置并固定安装在中指节基座2-2的两侧，中指节面板2-1滑动安装在中指节基座2-2上且两者接触部分之间装有中指节压力薄膜传感器2-5，远侧指间关节转轴6固装在中指节基座2-2上，中指节左夹板2-3、中指节右夹板2-4分别通过轴承安装在近侧指间关节转轴9上。中指节压力薄膜传感器2-5用于测量中指节a2表面正压力大小。
参见图9所示，作为上述方案的改进，近指节3包括近指节面板3-1、近指节基座3-2、近指节左夹板3-3、近指节右夹板3-4和近指节压力薄膜传感器3-5；近指节左夹板3-3和近指节右夹板3-4对称布置并固定安装在近指节基座3-2的两侧，近指节面板3-1滑动安装在近指节基座3-2上且两者接触部分之间装有近指节压力薄膜传感器3-5，近侧指间关节转轴9固装在近指节基座3-2上，近指节左夹板3-3和近指节右夹板3-4分别通过轴承安装在掌指关节转轴12上。近指节压力薄膜传感器3-5用于测量近指节a3表面正压力大小。
参见图2所示，屈伸手指a的固定指根包括两个固定指根基座4-1；两个固定指根基座4-1对称布置并固装在手掌一c1上，掌指关节转轴12固装在两个固定指根基座a4-1上。如此设置，屈伸手指的回转方向被固定，只能实现弯曲和伸展运动。
参见图3所示，两根耦合回转曲伸手指b的回转指根的外缘上设有限位凸台4-2，手掌一c1上设有限位槽c1-1，限位凸台4-2在限位槽c1-1内旋转，耦合回转曲伸手指b旋转角度范围为0-90°。如此设置，回转指根b4与手掌一c1的机械限位关系，耦合回转曲伸手指b的旋转角度范围为0-90°，满足实际捕捉物体的需要。
参见图12-图17所示，为了实现不同物体的抓取，达到不同刚度的调节，采用如下现有技术的变刚度弹性关节，将基于差动轮系的节能变刚度弹性关节(申请号为2017104915304)作为钢丝绳欠驱动机械手的驱动单元，实现了一种基于变刚度关节的欠驱动变刚度机械手。所述变刚度弹性关节g包括外壳g1、杠杆机构g2、差动轮系g3、输入轮系一g4和输入轮系二g5；
杠杆机构g2包括输出杆g21、杠杆臂g22、杠杆支点柱g23和弹簧g24；
差动轮系g3包括差动行星架g31、差动行星轮g32和差动太阳轮g33；
输入轮系一g4包括内齿圈一g41、行星架一g44和齿轮系一h；输入轮系二g5包括内齿圈二g51和齿轮系二k；输出杆g21的一端与杠杆臂g22的一端转动连接，输出杆g21的另一端为轴端，轴端与外壳g1转动连接，杠杆臂g22的另一端与弹簧g24的一端连接，杠杆支点柱g23安装在差动行星轮g32的边缘上，且杠杆支点柱g23布置在杠杆臂g22上沿其长度方向开设的凹槽内，弹簧g24的另一端连接在差动太阳轮g33上；差动轮系g3布置在输入轮系一g4上，输入轮系一g4布置在输入轮系二g5上，差动行星轮g32与差动太阳轮g33啮合，差动行星轮g32安装在差动行星架g31上，且差动行星轮g32能相对差动行星架g31自转，差动行星架g31安装在内齿圈一g41上，差动太阳轮g33安装在内齿圈二g51上；
主动电机输出轴t套在调刚电机输出轴q上且二者能相对转动，主动电机输出轴t能带动齿轮系一h和齿轮系二k运转，行星架一g44与齿轮系一h连接，行星架一g44安装在调刚电机输出轴q上，齿轮系二k能带动内齿圈二g51转动，齿轮系一h能带动内齿圈一g41转动，弯曲滑轮c5与变刚度关节g的调刚电机输出轴q固接。调节刚度时，通过调刚电机与主电机的配合运动，能够使弹簧总长度基本保持不变，即弹簧中储存能量基本不变，使得两个电机的输出能量大大减少，加快了调刚速度，降低了对调刚电机的要求；采用齿轮传动，结构紧凑，可以应用于空间狭小的场合里；变刚度范围大，理论可达；刚度与平衡位置控制是独立的，控制简单，稳定性高。
手指回转运动过程：电机d带动回转滑轮c3转动，回转滑轮c3再通过回转钢丝绳c6带动两个回转指根一起耦合反向转动。
手指屈曲、伸展过程：变刚度弹性关节g带动弯曲滑轮c5转动，导致弯曲钢丝绳14收紧，拉动手指，导致手指弯曲。弯曲滑轮c5反向转动时，弯曲钢丝绳14放松，手指在三个关节的扭簧回复力作用下伸展。
手指三个指节的动作顺序由三个关节处的滑轮直径、扭簧刚度以及扭簧的预紧角度决定。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。