[发明专利]变序欠驱动两关节机器人手指装置

说明书

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种变序欠驱动两关节机器人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。

美国发明专利US5762390A介绍了一种连杆式的欠驱动机械手指装置，并将该手指装置应用到了单驱动源驱动的9关节工业抓持器上。该装置由电机驱动，经带轮传动、丝杆传动等机构带动连杆机构运动。由于弹簧的作用，第一、第二、第三指段初始保持伸直状态，第一个四连杆机构运动带动第一、二、三指段同时转动。当第一指段接触物体被阻挡不再转动后，电机继续转动，设置在第一、二指段之间的弹簧开始变形，同时第一个四连杆机构变形运动，从而推动第二、三指段继续转动。当第二指段也接触到物体不再转动，电机继续转动，设置在第二、三指段之间的弹簧开始变形，同时推动第二个四连杆机构变形运动，从而推动第三指段继续转动，直到第三指段也接触物体为止。

中国发明专利CN101234489A介绍了一种带轮式的欠驱动机械手指装置，主要包括基座、电机、近关节轴、带轮传动机构、中部指段、远关节轴、末端指段和簧件。电机通过带轮传动机构欲使末端指段转动，但由于弹簧的约束作用使得中部指段和末端指段像一个刚体似的保持固定伸直状态转动，当中部指段接触物体被阻挡不能转动时，弹簧发生了变形，同时末端指段才得以绕远关节轴的中心线转动，实现了手指在一个电机驱动下两关节弯曲包络抓取物体过程。

上述两种欠驱动手指装置以及其他的传统型的欠驱动手指装置都存在同样的一个不足之处，那就是手指两关节(或三关节)的弯曲顺序是固定的：先近关节转动，再中间关节转动，最后远关节转动，即由近及远(从手指的根部到末端的方向)的转动顺序，这与人手的手指动作顺序不同。

人手的手指动作顺序在抓取不同物体时有以下几种：

①握持方式：人手的手指(以食指为例)可以按照由近及远的关节转动顺序去抓取物体，一般是抓取较大的物体，这样能够采用包络抓取的握持方式去自动适应物体的形状、大小，此时手掌和根部指段会接触物体，可实现稳定抓取。

②捏持方式：人手的手指(以食指为例)也可以按照中间关节和远关节先转动然后再近关节转动的方式去抓取物体，一般是抓取较小的物体，这样能够采用手指末端指段去接触物体实现多点捏持方式，此时手掌甚至根部指段都不会接触物体，同样可实现稳定抓取。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)中间关节会先转动，直到四指末端与拇指末端相接近，之后再进行抓取，而且所转动的角度对于不同尺寸的物体是需要调节的。

③混合抓持方式：人手的手指还有上述两种方式相结合的一种抓取模式，人手的手指(以食指为例)还可以按照中间关节和远关节先转动方式实现抓取物体的预备姿势(手指呈现中间关节弯曲的构型)，然后再以由近及远的关节转动顺序去自适应抓取物体，一般是中等大小的物体需要这样抓取，同样可实现稳定抓取。

传统的欠驱动手指装置只能实现上述的①握持方式，不能实现上述的②捏持方式和③混合抓持方式。