[发明专利]可切换多抓取模式欠驱动机器人手指装置

说明书

技术领域

本发明属于仿人机器人手技术领域，特别涉及一种可切换多抓取模式欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

手对人来说是非常重要的器官，在仿人机器人领域，增强机器人手的机能具有非常重要的意义。已有非常灵巧、复杂和昂贵的灵巧手被研制出来。灵巧手上几乎所有关节都是主动控制的，虽然可以实现抓取和灵巧操作的许多功能，但是灵巧手需要复杂的驱动电路、传感电路和控制电路，有很高的实时控制编程的需求，而且制造和维护成本非常昂贵，使用门槛很高。因此，目前在机器人手领域仍存在着许多技术难题。欠驱动机构是指该机构的驱动器数目少于关节自由度数目，它大大降低了对于手部实时控制和传感系统的要求，而且结构简单、控制稳定、成本低。

目前，双关节欠驱动手指根据两关节转动方式的不同可以分为4类：耦合欠驱动手指（常简称为耦合手指）、自适应欠驱动手指（常简称为自适应手指）、逆序欠驱动手指和复合欠驱动手指（常简称复合手指）。

各种欠驱动手指的优缺点简介如下：

（1）耦合欠驱动手指

耦合欠驱动手指的多个关节由一个驱动器驱动并按一定比例（如1:1）同时转动（联动）。耦合手的多关节联动弯曲过程与人手抓取物体时相似，耦合手指适合采用指尖捏持方式抓取小尺寸物体，在握持中不会发生近指段挤跑物体的不稳定现象发生，因而抓取过程较稳定。

耦合手指的不足之处在于：不具备抓取物体时对不同物体的自适应性。

（2）自适应欠驱动手指

自适应欠驱动手指的多个关节由一个驱动器驱动并按从根部到末端的顺序依次转动，当靠近根部的指段接触物体，该指段被阻挡不能转动后，将引发下一个关节的转动，从而带动下一个指段转动……直到末端指段被带动。自适应欠驱动手指具有自适应抓取不同形状、大小物体的功能。

自适应欠驱动手存在如下不足：1）该手指初始构形是固定（伸直），这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化。人手一般不会在抓取物体时采用类似这样有点僵化的动作。2）欠驱动手的抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持抓取效果；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作。

（3）逆序欠驱动手指

逆序欠驱动手指的多个关节由一个驱动器驱动并按从末端到根部的顺序依次转动，当最远离手指根部（手掌）的关节先转动到极限（被接触物体阻挡或者被手指自身的机械约束阻挡），将引发靠近手指根部的前一个关节的转动，从而带动前一个指段转动……直到根部指段被带动。在特定的某些抓取或者手势执行上，逆序欠驱动抓取有着不可替代的显著作用，例如，钩取物体、提取物体和攀爬。

逆序欠驱动手指存在不足：逆序欠驱动抓取模式的特点在需要抓取多数常见物体时往往是不能使用的，因为这样往往将导致抓取失效，抓取时会产生排斥物体的不稳定抓取现象。

（4）复合欠驱动手指

复合欠驱动抓取模式是指：先多关节耦合抓取而后再自适应抓取的两阶段抓取模式。在复合欠驱动手指中，将耦合机构与自适应机构复合起来。复合手指在弯曲抓握物体过程中，碰到物体之前各指段按一定角度比例同时弯曲；近指段接触物体后，远指段可自适应物体表面形状，包络物体。该手指只通过一个驱动器驱动多个关节，有较好的抓取性能。

复合手指存在以下不足：1）复合手指没有纯自适应欠驱动手指在抓取平面物体时的良好抓取效果，相比复合手指，纯自适应手指可以达到手指与平面物体的完全接触，接触面大，抓取更稳定；2）复合手指没有纯逆序欠驱动手指在钩取、提取和攀爬时的良好抓取效果。

已有的一种复合欠驱动机器人手指装置，如中国发明专利CN102166753A，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、三个锥齿轮、主动轮、从动轮、两个传动件和簧件。该装置仅能实现复合欠驱动抓取模式，不能实现自适应抓取模式或逆序欠驱动抓取模式。

综上所述，上述四种抓取模式均有各自的优势和不足。

人手的抓取种类有六大种类：a)抓握；b)捏取；c)平面握；d)钩取；e)球抓；f)笔持。上述四种抓取模式与实现的人手抓取种类的对应情况如表1所示。从表1中可以看出，四种抓取模式各自均不能完全覆盖人手这6大抓取种类。从表1还可以看出，如果有一款手指同时具备上述四种抓取模式，则可以完全覆盖人手的六大抓取种类，性能最优。

表1欠驱动抓取模式与实现的人手抓取种类