变位欠驱动机器人手装置，属于拟人机器人技术领域。该装置具有５个独立控制手指和１５个关节自由度，由１０个电机驱动，其中指、无名指、小指与食指结构相同，为双电机驱动三关节转动；拇指可侧摆，并采用双电机驱动两关节转动。各手指结构相似，均利用电机、传动机构、柔性件和簧件综合实现了手指可变初始构型的自适应抓取功能，即手指在抓取前弯曲中间关节以达到良好的准备姿态，抓取时自适应物体尺寸。通过调节手指初始构型大为提高抓取稳定性。该装置结构紧凑、集成度高，外观、尺寸和形态动作接近人手，可以稳定抓取和自动适应不同形状、尺寸的物体，适合用于拟人机器人。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于拟人机器人
，特别涉及一种变位欠驱动机器人手装置的结构设计。
技术介绍
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手指自由度多，可以较为灵活主动的抓取物 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。欠驱动机器人手指可以克服上述灵巧手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已经受到越来越多的重视。欠驱动机械手指的优点是能够自动适 应物体形状和尺寸，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相去甚远，影响了机器人手的拟人化动作 效果。已有的一种带轮变抓力欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，如中国专利技术专利CN101214 653A，具有5个独立控制的手指、15个关节自由度，包括6个主动关节和9个欠驱动关节； 各欠驱动关节均采用结构相同的一种模块化结构，电机、传动机构藏入手内。该装置的每个 手指均为带轮欠驱动手指。以拇指为例，由于弹簧的约束作用使中部指段和末端指段在没有 碰触物体前保持固定的伸直状态(中部指段和末端指段之间的夹角为平角)，只有当中部指段5接触物体被阻挡时，末端指段才随远关节轴转动，实现手指弯曲包络所抓取物体。该装置的 不足之处在于在接触物体前，各手指的中部指段和末端指段只能呈伸直状态，以一个整体绕 近关节轴转动，影响了抓取效果。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。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种变位欠驱动机器人手装置，它可以 自由调节各手指中间关节的初始状态，同时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，提高了机械手抓取不同尺寸、形 状物体的稳定性和拟人化动作效果，实现机器人多指手在较低控制系统要求下的灵活自适应 抓取，装置外形与人的手相似，适合安装在拟人机器人上使用。本专利技术的技术方案如下本专利技术所述的一种变位欠驱动机器人手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指和 手掌；其特征在于所述的拇指包括拇指基座、拇指第一电机、拇指近关节轴、拇指中部指段、拇指远关节 轴、拇指末端指段、拇指第一传动机构、拇指第二传动机构和拇指第一簧件；所述的拇指第 一传动机构包括拇指笫一齿轮和拇指第二齿轮，所述的拇指第一电机与拇指第一齿轮固接， 拇指第一齿轮与拇指第二齿轮相啮合形成齿轮传动关系，拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴 上；所述的拇指第二传动机构包括拇指主动轮、拇指传动件和拇指从动轮；所述的拇指还包 括拇指第二电机、拇指第三传动机构、拇指柔性件和拇指第二簧件；所述的拇指第一电机与拇指基座固接，拇指第一传动机构的输入轴与拇指第一电机输出 轴相连，拇指第一传动机构的输出轴与拇指近关节轴相连；所述的拇指近关节轴套设在拇指 基座中，拇指中部指段套接在拇指近关节轴上，拇指远关节轴套设在拇指中部指段中，拇指 末端指段套固在拇指远关节轴上；拇指近关节轴和拇指远关节轴相互平行；所述的拇指第二 传动机构的输入轴与拇指近关节轴相连，拇指第二传动机构的输出轴与拇指远关节轴相连， 拇指近关节轴与拇指远关节轴的转动方向相同；所述的拇指第一簧件的两端分别连接拇指中 部指段和拇指末端指段；所述的拇指主动轮与拇指近关节轴相连，拇指从动轮与拇指远关节轴相连，拇指传动件 连接拇指主动轮与拇指从动轮；所述的拇指第二电机与拇指中部指段固接，拇指第三传动机 构的输入端与拇指第二电机的输出端相连，拇指柔性件的一端与拇指第三传动机构的输出端 相连，拇指柔性件的另一端连接拇指末端指段，所述的拇指第二簧件作为连接件串联安装在 从拇指近关节轴到拇指第二传动机构再到拇指远关节轴的传动链中；所述的食指包括食指基座、食指第一电机、食指近关节轴、食指第一中部指段、食指中 关节轴、食指第二中部指段、食指远关节轴、食指末端指段、食指第一传动机构、食指第二6传动机构、食指第三传动机构、食指第一簧件和食指第二簧件；所述的食指第二传动机构包 括食指第一主动轮、食指第一传动件和食指第一从动轮；所述的食指第三传动机构包括食指 第二主动轮、食指第二传动件和食指第二从动轮；所述的食指还包括食指第二电机、食指第 四传动机构、食指柔性件和食指第三簧件；所述的食指第一传动机构包括食指第一齿轮和食 指第二齿轮；所述的食指第一电机与食指基座固接，所述的食指第一传动机构的输入轴与食指第一电 机输出轴相连，食指第一传动机构的输出轴与食指近关节轴相连；所述的食指近关节轴套设 在食指基座中，食指第一中部指段套接在食指近关节轴上，食指中关节轴套设在食指第一中 部指段中，食指第二中部指段套设在食指中关节轴上，食指远关节轴套设在食指第二中部指 段中，食指末端指段套固在食指远关节轴上；食指近关节轴、食指中关节轴和食指远关节轴 相互平行；所述的食指第二传动机构的输入轴与食指近关节轴相连，食指第二传动机构的输 出轴与食指中关节轴相连；所述的食指第三传动机构的输入轴与食指中关节轴相连，食指第 三传动机构的输出轴与食指远关节轴相连，食指近关节轴、食指中关节轴和食指远关节轴的 转动方向相同；所述的食指第一簧件的两端分别连接食指第一中部指段和食指第二中部指段， 食指第二簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段；所述的食指第一电机与食指第一齿轮固接，食指第一齿轮与食指第二齿轮相啮合形成齿 轮传动关系，食指第二齿轮套固本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种变位欠驱动机器人手装置，包括拇指（２）、食指（３）、中指（４）、无名指（５）、小指（６）和手掌（１）；其特征在于： 所述的拇指包括拇指基座（２１）、拇指第一电机（２２１）、拇指近关节轴（２４）、拇指中部指段（２７）、拇指远关节轴（ ２１４）、拇指末端指段（２１５）、拇指第一传动机构（２３３）、拇指第二传动机构（２３２）和拇指第一簧件（２１２）；所述的拇指第一传动机构包括拇指第一齿轮（３２）和拇指第二齿轮（３３），所述的拇指第一电机与拇指第一齿轮固接，拇指第一齿轮与拇指第二齿轮相啮合形成齿轮传动关系，拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴上；所述的拇指第二传动机构包括拇指主动轮（２６）、拇指传动件（２８）和拇指从动轮（２１３）；所述的拇指还包括拇指第二电机（２２３）、拇指第三传动机构（２３１）、拇指柔性件（２１１）和拇指第二簧件（２５）； 所述的拇指第一电机与拇指基座固接，拇指第一传动机构的输入轴与拇指第一电机输出轴相连，拇指第一传动机构的输出轴与拇指近关节轴相连；所述的拇指近关节轴套设在拇指基座中，拇指中部指段套接在拇指近关节轴上，拇指远关 节轴套设在拇指中部指段中，拇指末端指段套固在拇指远关节轴上；拇指近关节轴和拇指远关节轴相互平行；所述的拇指第二传动机构的输入轴与拇指近关节轴相连，拇指第二传动机构的输出轴与拇指远关节轴相连，拇指近关节轴与拇指远关节轴的转动方向相同；所述的拇指第一簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段； 所述的拇指主动轮与拇指近关节轴相连，拇指从动轮与拇指远关节轴相连，拇指传动件连接拇指主动轮与拇指从动轮；所述的拇指第二电机与拇指中部指段固接，拇指第三传动机构的输入端与拇指第二电机 的输出端相连，拇指柔性件的一端与拇指第三传动机构的输出端相连，拇指柔性件的另一端连接拇指末端指段，所述的拇指第二簧件作为连接件串联安装在从拇指近关节轴到拇指第二传动机构再到拇指远关节轴的传动链中； 所述的食指包括食指基座（３１）、食指 第一电机（３２１）、食指近关节轴（３４）、食指第一中部指段（３７）、食指中关节轴（３１４）、食指第二中部指段（３１５）、食指远关节轴（３１９）、食指末端指段（３４２）、食指第一传动机构（３３３）、食指第二传动机构（３３２）、食指第三传动机构（３３４）、食指第一簧件（３１２）和食指第二簧件（３４１）；所述的食指第二传动机构包括食指第一主动轮（３６）、食指第一传动件（...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张文增，车德梦，陈强，都东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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