[发明专利]一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手及其操作方法

权利要求书

1.一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，包括第一手指、第二手指、第三手指、手掌、第一驱动电机、第二驱动电机及第三驱动电机，其特征在于：

所述的第一手指、第二手指、第三手指绕着垂直于所述手掌的中心轴线径向分布，相互之间间隔120度，所述第一手指、第二手指及第三手指固连在所述手掌上；

所述的第一手指、第二手指及第三手指的结构完全相同，以所述第一手指为例具体介绍其结构，第一手指包括手指基座、近指节、中指节和远指节，近指节和手指基座通过近指节转动关节转动连接，中指节和近指节通过中指节转动关节转动连接，远指节和中指节通过远指节转动关节转动连接；

所述的近指节转动关节、中指节转动关节及远指节转动关节的结构完全相同，以近指节转动关节为例具体介绍其结构，近指节转动关节包括两条连杆，分别对应四边形的两条对角线；

所述第一手指、第二手指及第三手指的运动通过钢丝绳传动，以第一手指为例，第一条被动钢丝绳连接近指节、中指节和远指节，第二条被动钢丝绳连接手指基座、近指节和中指节，主动钢丝绳连接驱动电机、手指基座和近指节；

所述的手指基座和近指节之间、近指节和中指节之间、中指节和远指节之间均安装有弹簧连杆；

所述第一手指还包括旋转关节，由关节输入盘、支撑架、关节输出盘、连接有丝杠的电机、带凸轮杆的移动滑块及弹簧组成，旋转关节与手指基座通过关节输入盘相连；

所述旋转关节的关节输入盘下部开有梯形卡槽，关节输出盘的上部有一个梯形固定块，梯形固定块嵌入梯形卡槽，梯形固定块能够在梯形卡槽中直线滑动；在梯形固定块的中心轴线开有螺纹孔，电机通过转动丝杠调节关节输入盘与关节输出盘的间距；关节输出盘加工有椭圆轮廓线的凸轮槽，其与固定在移动滑块上的凸轮杆相接触；移动滑块安装在支撑架下部所开的滑动槽中，能够沿支撑架的滑动槽直线滑动，移动滑块将弹簧挤压在支撑架的滑动槽中，弹簧初始处于压缩状态。

2.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：所述的弹簧连杆用以控制手指动作前各指节的位姿：抓取开始前，各弹簧连杆中的弹簧处于预压缩状态，利用其反弹力使手指各指节保持初始位姿；抓取阶段，各弹簧连杆中的弹簧被进一步压缩，产生更大的反弹力，阻碍指节运动；抓取结束需要释放目标物体时，在反弹力的作用下弹簧回复到初始预压缩状态，同时各指节回复到初始位姿。

3.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：仿人手指关节的转动通过固定在转动关节上的滑轮转动实现，滑轮的转动动力来自滑轮上的钢丝绳，被动钢丝绳和主动钢丝绳的固定位置和走线方式不同。

4.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：旋转关节的转动方向是顺时针或者逆时针，丝杠电机不工作时，旋转关节呈现初始变刚度特性；当丝杠电机工作，导致关节输入盘与关节输出盘的中心轴线不再共线，电机通过丝杠调节关节输入盘和关节输出盘的初始间隔增大或减小，也就改变了凸轮槽和凸轮杆的初始位置，弹簧的初始压缩程度随之改变，旋转关节的初始刚度也发生改变；此时，当仿人手指承受外力时，旋转关节在相同作用力下表现出不同的变刚度特性。

5.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：仿人灵巧手的多个自由度耦合运动，手指与目标物体相接触，然后旋转关节发生被动旋转，直到每根手指都与目标物体在接触点相切，最终实现对目标物体的包络抓取。

6.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：所述的驱动电机通过联轴器连接主动钢丝绳。

7.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：通过对主动钢丝绳和被动钢丝绳的初始长度的调整，标定近指节、中指节和远指节的初始位姿。

8.根据权利要求1所述的一种具有被动旋转关节的仿人灵巧手，其特征在于：设计不同的凸轮槽轮廓线，所述的旋转关节输出不同的变刚度特性，其旋转动作的响应速度也不同。