專利名稱：變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于擬人機(jī)器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
已有多種技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)仿生手機(jī)構(gòu)。但是在目前的研究中，存在一些技術(shù)難點(diǎn)。如為了實(shí)現(xiàn)多自由度靈巧手，需要較多的電機(jī)提供動(dòng)力。但是，電機(jī)數(shù)量的增加不僅會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)復(fù)雜，更會(huì)使得整個(gè)仿生手機(jī)構(gòu)龐大，破壞其擬人性。欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一個(gè)能夠較好解決此矛盾的方案之一。通過利用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以由較少的電機(jī)驅(qū)動(dòng)較多關(guān)節(jié)自由度。具有自適應(yīng)抓取的突出優(yōu)點(diǎn)，控制簡(jiǎn)單。當(dāng)前欠驅(qū)動(dòng)仿生手己經(jīng)有若干實(shí)例被成功設(shè)計(jì)出來，這些裝置從其電機(jī)是否直接與多個(gè)關(guān)節(jié)相連接來看，可以分為兩大類。 一類是間接連接方式，可稱為間接欠驅(qū)動(dòng)手，另一類為直接連接方式，可稱為直接欠驅(qū)動(dòng)手。
另一方面，從抓取物體的方式看，現(xiàn)有的技術(shù)中，仿生手抓取物體有多種方式 一種是采用幾何形狀包絡(luò)式抓取，此方式需要將機(jī)器人的多個(gè)手指彎曲后形成一個(gè)網(wǎng)狀封閉的空間實(shí)施包絡(luò)抓取，電機(jī)停轉(zhuǎn)后具有自鎖或軟自鎖功能，物體的重力不能夠?qū)⑹种阜聪驈澢３衷谑种?。第二種是采用具有力保持特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)源，例如液壓缸、氣缸或可以持續(xù)堵轉(zhuǎn)的特制電機(jī)，當(dāng)手指碰觸物體后，驅(qū)動(dòng)源仍然對(duì)物體施加抓取力，保持著手的抓取力。第三種是采用特殊的機(jī)構(gòu)巧妙的實(shí)現(xiàn)仿生手對(duì)物體的抓取力，此仿生手可以采用普通的電機(jī)，在手指碰觸物體并產(chǎn)生抓取力后電機(jī)停止工作，在特殊機(jī)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)了抓取力的產(chǎn)生和保持，較好的仿生手裝置還能夠?qū)崿F(xiàn)抓取力的精確控制。
目前，具有欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)的仿生手多采用前兩種抓取方式。上述第一種包絡(luò)抓取方式僅滿
足于較小物體抓取，因而抓取范圍有限，而且對(duì)所抓物體不能精確抓牢在手中，影響了手對(duì)物體的控制。上述第二種持續(xù)加力抓取方式雖然抓取物體的范圍大于第一種方式，但是，液壓缸和汽缸體積龐大且機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)使用的特制力矩型電機(jī)成本非常昂貴、壽命較低。上述第三種特殊機(jī)構(gòu)可變抓取力的抓取方式是最有前途的抓取方式，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取，適應(yīng)抓取物體范圍廣。
目前現(xiàn)有的欠驅(qū)動(dòng)仿生手一般沒有考慮變抓取力功能(如中國(guó)發(fā)明專利CN1283429C)。又如美國(guó)發(fā)明專利US5762390A，屬于直接欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，采用前述第二種抓取方式。采用持續(xù)保持抓取力的驅(qū)動(dòng)源——液壓缸，導(dǎo)致存在油壓密封問題和整個(gè)手掌體積過于龐大，而且成本昂貴、制造維修不便。另外，由于采用多套四連桿機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)源的動(dòng)力傳遞到多個(gè)關(guān)節(jié)處，為了達(dá)到末端手指轉(zhuǎn)動(dòng)較大角度和較大的出力，必須設(shè)置體積相當(dāng)龐大的手指機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)械手外觀失去了擬人性。
一種如中國(guó)發(fā)明專利CN1215925C所述的裝置雖然具有變抓取力機(jī)構(gòu)的手指但不具有欠驅(qū) 動(dòng)多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)抓取效果。多數(shù)考慮了變抓取力功能的手指采用的是腱繩驅(qū)動(dòng)，如美 國(guó)發(fā)明專利US4946380。所述的裝置使用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)的變抓力機(jī)構(gòu)。雖然外觀基本擬人化， 但是鋼絲繩承受力較小，導(dǎo)致手指出力小。另外多套鋼絲繩和繩輪機(jī)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，而且鋼絲 繩如果拉得不緊起不到較精確的控制驅(qū)動(dòng)要求，如果鋼絲繩拉得過緊又壽命不長(zhǎng)，鋼絲繩較 為容易崩斷，維修費(fèi)時(shí)費(fèi)力。若采用高性能鋼絲繩或特殊材料腱繩則成本非常昂貴。
綜上所述，如果將特別設(shè)計(jì)的變抓取力機(jī)構(gòu)與直接欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)融合到同一款仿生手中， 可以得到功能強(qiáng)大、抓取范圍廣、抓取穩(wěn)定性好、擬人化程度高、成本較低、出力大的仿生 手。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生 手裝置。該裝置具有多個(gè)可以主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立控制的手指，抓取物體時(shí)可以真正抓牢物體， 具有變抓取力抓取功能，從而抓取穩(wěn)定且抓取范圍廣，同時(shí)具有多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)抓取效 果，還要保證良好的外觀的擬人化。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，包括拇指、食指、中指、無名指、
小指和手掌；其特征在于-
所說的手掌包括手掌骨架、手掌電機(jī)、手掌關(guān)節(jié)軸、手掌減速器、手掌連接板；所說的 手掌電機(jī)和手掌減速器與所說的手掌骨架固接，手掌電機(jī)的輸出軸與手掌減速器的輸入軸相 連，手掌減速器的輸出軸與手掌關(guān)節(jié)軸相連，手掌關(guān)節(jié)軸套設(shè)在手掌骨架中，所說的手掌連 接板套固在手掌關(guān)節(jié)軸上；
所說的拇指包括拇指基座、拇指第一指段、拇指第二指段、拇指近關(guān)節(jié)軸、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié) 軸、拇指電機(jī)和拇指減速器；所說的拇指電機(jī)與拇指基座固接，拇指電機(jī)的輸出軸與所說的 拇指減速器的輸入軸相連，拇指減速器的輸出軸與所說的拇指近關(guān)節(jié)軸相連，拇指近關(guān)節(jié)軸 套設(shè)在拇指基座中，所說的拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在所說的拇指第一指段中；拇指第一指段套接 在拇指近關(guān)節(jié)軸上，所說的拇指第二指段套接在拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上；所說的拇指近關(guān)節(jié)軸和拇 指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的軸線相互平行；
所說的拇指還包括拇指第一連桿、拇指第一軸、拇指第二連桿、拇指第二軸、拇指第一 滑塊、拇指第二滑塊、拇指第三軸、拇指第三連桿、拇指第四軸、拇指第一簧件和拇指第二 簧件；
所說的拇指第一連桿的一端套固在拇指近關(guān)節(jié)軸上；所說的拇指第二連桿一端通過所說 的拇指第一軸與拇指第一連桿的另一端鉸接，拇指第二連桿的另一端通過所說的拇指第二軸
6與所說的拇指第一滑塊鉸接；所說的拇指第三連桿一端通過所說的拇指第三軸與所說的拇指 第二滑塊鉸接，拇指第二指段通過所說的拇指第四軸與拇指第三連桿的另一端鉸接；拇指第 一滑塊和拇指第二滑塊鑲嵌在拇指第一指段中，拇指第一滑塊與拇指第二滑塊的滑動(dòng)方向相 同；所說的拇指第一簧件的兩端分別連接拇指第一滑塊和拇指第一指段，所說的拇指第二簧 件的兩端分別連接拇指第一滑塊和拇指第二滑塊；所說的拇指第一軸、拇指第二軸、拇指第 三軸、拇指第四軸和拇指近關(guān)節(jié)軸的軸線相互平行；
所說的食指包括食指基座、食指第一指段、食指第二指段、食指末端指段、食指近關(guān)節(jié) 軸、食指中關(guān)節(jié)軸、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、食指電機(jī)和食指減速器；所說的食指電機(jī)與食指基座固 接，食指電機(jī)的輸出軸與所說的食指減速器的輸入軸相連，食指減速器的輸出軸與所說的食 指近關(guān)節(jié)軸相連，食指近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在食指基座中，所說的食指中關(guān)節(jié)軸套設(shè)在食指第一指 段中，所說的食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在食指第二指段中；所說的食指第一指段套接在食指近關(guān)節(jié) 軸上，所說的食指第二指段套接在食指中關(guān)節(jié)軸上，所說的食指末端指段套接在食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié) 軸上；所說的食指近關(guān)節(jié)軸、食指中關(guān)節(jié)軸和食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的軸線相互平行；
所說的食指還包括食指第一連桿、食指第一軸、食指第二連桿、食指第二鉸接軸、食指 第一滑塊、食指第二滑塊、食指第三軸、食指第三連桿、食指第四軸、食指第四連桿、食指 第五軸、食指第五連桿、食指第六軸、食指第三滑塊、食指第六連桿、食指第七軸、食指第 一簧件、食指第二簧件和食指第三簧件；
所說的食指第一連桿的一端套固在食指近關(guān)節(jié)軸上，所說的食指第二連桿一端通過所說 的食指第一軸與食指第一連桿鉸接，食指第二連桿的另一端通過所說的食指第二軸與所說的 食指第一滑塊鉸接；所說的食指第三連桿一端通過所說的食指第三軸與食指第二滑塊鉸接， 所說的食指第四連桿的一端套接在食指中關(guān)節(jié)軸上，食指第三連桿另一端通過所說的食指第 四軸與食指第四連桿的中部鉸接，食指第四連桿的另一端通過所說的食指第五軸與所說的食 指第五連桿一端鉸接，食指第五連桿另一端通過所說的食指第六軸與所說的食指第三滑塊鉸 接，所說的食指第六連桿一端通過食指第六軸與食指第三滑塊鉸接，食指末端指段通過所說 的食指第七軸與食指第六連桿另一端鉸接；食指第一滑塊和食指第二滑塊鑲嵌在食指第一指 段中，食指第三滑塊鑲嵌在食指第二指段中，食指第一滑塊與食指第二滑塊的滑動(dòng)方向相同; 所說的食指第一簧件的兩端分別連接食指第一滑塊和食指第一指段，所說的食指第二簧件的 兩端分別連接食指第三滑塊和食指第二指段，所說的食指第三簧件的兩端分別連接食指第一 滑塊和食指第二滑塊；所說的食指第一軸、食指第二軸、食指第三軸、食指第四軸、食指第 五軸、食指第六軸、食指第七軸和食指近關(guān)節(jié)軸的軸線相互平行；
所說的拇指通過拇指基座與手掌連接板固接；所說的食指通過食指基座與手掌骨架固接; 所說的中指、無名指和小指分別與手掌骨架固接，連接方式同食指一致；所說的中指、無名 指、小指與食指結(jié)構(gòu)相同，僅尺寸大小不同。本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的拇指近關(guān)節(jié) 軸、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、拇指第一軸、拇指第二軸、拇指第三軸、拇指第一滑塊和拇指第二滑塊 符合如下關(guān)系設(shè)拇指近關(guān)節(jié)軸的軸線與拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的軸線所在平面為P平面，則拇指第 一軸的軸線、拇指第二軸的軸線和拇指第三軸的軸線在P平面的同側(cè)；所說的拇指第一滑塊 和拇指第二滑塊的滑動(dòng)方向均平行于所說的P平面。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的食指近關(guān)節(jié) 軸、食指中關(guān)節(jié)軸、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、食指第一軸、食指第二軸、食指第三軸、食指第四軸、 食指第五軸、食指第六軸、食指第一滑塊、食指第二滑塊和食指第三滑塊符合如下關(guān)系設(shè) 食指近關(guān)節(jié)軸的軸線與食指中關(guān)節(jié)軸的軸線所在平面為Pl平面，則食指第一軸的軸線、食指 第二軸的軸線和食指第三軸的軸線在Pl平面的同側(cè)；設(shè)食指中關(guān)節(jié)軸的軸線與食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸 的軸線所在平面為P2平面，則食指第四軸的軸線、食指第五軸的軸線和食指第六軸的軸線在 P2平面的同側(cè)；所說的食指第一滑塊和食指第二滑塊的滑動(dòng)方向均平行于所說的Pl平面， 所說的食指第三滑塊的滑動(dòng)方向平行于所說的P2平面。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的拇指第一簧 件和拇指第二簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的食指第一簧 件、食指第二簧件和食指第三簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的拇指減速 器與拇指近關(guān)節(jié)軸之間設(shè)有拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，拇指減速器的輸出軸通過所說的拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)與 拇指近關(guān)節(jié)軸相連。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的食指減速 器與食指近關(guān)節(jié)軸之間設(shè)有食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，食指減速器的輸出軸通過所說的食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)與 食指近關(guān)節(jié)軸相連。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的手掌減速 器與手掌關(guān)節(jié)軸之間設(shè)有手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，手掌減速器的輸出軸通過所說的手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與手
掌關(guān)節(jié)軸相連。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的拇指電機(jī) 上設(shè)有拇指編碼器；在所說的食指電機(jī)上設(shè)有食指編碼器；在所說的手掌電機(jī)上設(shè)有手掌編 碼器。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果
該裝置具有的5個(gè)獨(dú)立控制的手指和15個(gè)關(guān)節(jié)自由度，僅由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了模仿 人手的外觀和抓取動(dòng)作，適用于擬人機(jī)器人。該裝置的食指、中指、無名指和小指結(jié)構(gòu)相同， 這種模塊化設(shè)計(jì)使得零件通用性強(qiáng)和制造維修成本低。該裝置的手指利用連桿機(jī)構(gòu)、滑塊移
8動(dòng)副、套接指段及簧件綜合實(shí)現(xiàn)了多關(guān)節(jié)手指直接欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)和可變抓取力的特殊效果。 該裝置既具有變抓取力抓取功能，抓取力大，能抓牢物體，抓取穩(wěn)定，適應(yīng)抓取對(duì)象范圍廣; 同時(shí)具有多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)抓取效果，自動(dòng)適應(yīng)所抓物體的大小和形狀，降低了對(duì)控制系 統(tǒng)的控制要求。
圖1是本發(fā)明提供的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置的一種實(shí)施例正面階梯剖視 圖，此時(shí)拇指位于手掌側(cè)面。圖2是圖1所示實(shí)施例的正面外觀圖，此時(shí)拇指位于手掌側(cè)面。 圖3是圖1所示實(shí)施例的等軸測(cè)外觀圖，此時(shí)拇指位于手掌側(cè)面。 圖4是該實(shí)施例的側(cè)面外觀圖，此時(shí)拇指位于手掌的正對(duì)面。 圖5是該實(shí)施例的俯視外觀圖，此時(shí)拇指位于手掌的側(cè)面。 圖6是該實(shí)施例的俯視外觀圖，此時(shí)拇指位于手掌的正對(duì)面。 圖7是該實(shí)施例的拇指的正面外觀圖。 圖8是該實(shí)施例的拇指的側(cè)面外觀圖。 圖9是該實(shí)施例的拇指的立體外觀圖。圖io是該實(shí)施例的拇指正面剖視圖。圖11是該實(shí)施例的拇指左側(cè)面剖視圖。 圖12是該實(shí)施例的拇指左側(cè)面剖視圖。(此時(shí)拇指第一指段和拇指第二指段均被所抓物體阻 擋且到達(dá)極限位置)。圖13是該實(shí)施例的拇指的立體視圖(未畫出齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的從動(dòng)直齒輪、拇指基座前蓋 板、拇指基座左側(cè)板、拇指第一指段前蓋板和拇指第一指段左側(cè)板)。圖14是該實(shí)施例的食指的正面外觀圖。圖15是該實(shí)施例的食指的側(cè)面外觀圖。圖16是該實(shí)施例的食指的立體外觀圖。 圖17是該實(shí)施例的食指的左側(cè)面剖視圖。(此時(shí)食指第一指段和食指第二指段均被所抓物體 阻擋時(shí)，食指末端指段繞著遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)且到達(dá)極限位置)。 圖18是該實(shí)施例的食指的正面剖視圖。 圖19是該實(shí)施例的食指的左側(cè)面剖視圖。圖20是該實(shí)施例的食指的爆炸視圖。圖21、圖22、圖23、圖24和圖25是該實(shí)施例的拇指以兩個(gè)指段完全握持方式抓取物 體過程示意圖(拇指第一指段和拇指第二指段分別依次繞拇指近關(guān)節(jié)軸、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸軸線 轉(zhuǎn)動(dòng))。圖26是該實(shí)施例的拇指以拇指第二指段碰觸物體的示意圖。圖27、圖28、圖29、圖30、圖31、圖32和圖33是該實(shí)施例的食指以三個(gè)指段完全握 持方式抓取物體過程示意圖(食指第一指段、食指第二指段和食指末端指段分別依次繞食指 近關(guān)節(jié)軸、食指中關(guān)節(jié)軸、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的中心轉(zhuǎn)動(dòng))。
圖34、圖35和圖36是該實(shí)施例的食指以食指第二指段和食指末端指段握持方式抓取物 體過程示意圖(食指第二指段和食指末端指段分別依次繞食指中關(guān)節(jié)軸、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的中 心轉(zhuǎn)動(dòng))。
圖37是該實(shí)施例的食指以食指末端指段碰觸物體的示意圖。 圖38是該實(shí)施例抓取圓柱狀物體的正面外觀示意圖。 圖39是該實(shí)施例抓取圓柱狀物體的側(cè)面外觀示意圖。 圖40是該實(shí)施例抓取圓柱狀物體的等軸測(cè)外觀示意圖。 在圖l至圖40中 l一手掌骨架，
ll一手掌電機(jī)， 12 —手掌關(guān)節(jié)軸， 13 —手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，
14一手掌簧件， 15—手掌減速器， 16—手掌編碼器
17—手掌連接板， 2 —拇指，
21 —-拇指基座，22 —-拇指第一指段，23 —-拇指第二指段，
24—-拇指近關(guān)節(jié)軸，25—-拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸，26—拇指齒輪傳動(dòng)機(jī)
27 —-拇指電機(jī)，28 —-拇指第一連桿，29 —-拇指第一軸，
210--拇指第二連桿，211--拇指第二軸，212--拇指第一滑塊，
213--拇指第二滑塊，214--拇指第三軸，215--拇指第三連桿，
216.一拇指第四軸，217.-拇指第一簧件，218--拇指第二簧件，
219-拇指減速器，220- -拇指編碼器，
3_食指，
31 —-食指基座，32 —-食指第一指段，33—-食指第二指段，
34—-食指末端指段，35 —-食指近關(guān)節(jié)軸，36 —-食指中關(guān)節(jié)軸，
37—-食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸，38—-食指第一連桿，39 —-食指第一軸，
310.-食指第二連桿，311一食指第二軸，312--食指第一滑塊，
313.-食指第三軸，314--食指第三連桿，315--食指第四軸，
316-食指第四連桿，317.-食指第五軸，318--食指第五連桿，
319.-食指第六軸，320.-食指第三滑塊，321.-食指第六連桿，
322一食指第一簧件，323一食指第二簧件，324.-食指電機(jī)，
325-食指減速器，326-食指編碼器，327-食指第七軸，328—食指齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 329 —食指第三簧件，330—食指第二滑塊， 4一中指， 5 —無名指， 6—小指。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)、工作原理的內(nèi)容。本發(fā)明設(shè)計(jì)的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置的一種實(shí)施例，如圖1、圖2、圖3、 圖4、圖5、圖6、圖38、圖39和圖40所示，該仿生手裝置包括拇指2、食指3、中指4、 無名指5、小指6和手掌。所說的手掌包括手掌骨架l、手掌電機(jī)ll、手掌關(guān)節(jié)軸12、手掌減速器15、手掌連接板 17;所說的手掌電機(jī)11和手掌減速器15與所說的手掌骨架1固接，手掌電機(jī)U的輸出軸與 手掌減速器15的輸入軸相連，手掌減速器15的輸出軸與手掌關(guān)節(jié)軸12相連，手掌關(guān)節(jié)軸 12套設(shè)在手掌骨架1中，所說的手掌連接板17套固在手掌關(guān)節(jié)軸上12。本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，在所說的手掌減速器15與手掌關(guān) 節(jié)軸12之間設(shè)有手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)13，手掌減速器15的輸出軸通過所說的手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)13與 手掌關(guān)節(jié)軸12相連。本實(shí)施例中，所說的手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)13采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。本實(shí)施例中，在所說的手掌電機(jī)11上設(shè)有手掌編碼器16。本實(shí)施例還包括手掌扭簧14，所說的手掌扭簧14的一端連接手掌關(guān)節(jié)軸12，另一端連 接手掌骨架l。本實(shí)施例中，所說的拇指2，如圖7、圖8、圖9、圖10、圖ll、圖12和圖13所示，包 括拇指基座21、拇指第一指段22、拇指第二指段23、拇指近關(guān)節(jié)軸24、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25、 拇指電機(jī)27和拇指減速器219;所說的拇指2通過拇指基座21與手掌連接板17固接；所說 的拇指電機(jī)27與拇指基座21固接，拇指電機(jī)27的輸出軸與所說的拇指減速器219的輸入軸 相連，拇指減速器219的輸出軸與所說的拇指近關(guān)節(jié)軸24相連，拇指近關(guān)節(jié)軸24套設(shè)在拇 指基座21中，所說的拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25套設(shè)在所說的拇指第一指段22中；拇指第一指段22 套接在拇指近關(guān)節(jié)軸24上，所說的拇指第二指段23套接在拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25上；所說的拇指 近關(guān)節(jié)軸24和拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25的軸線相互平行。所說的拇指2還包括拇指第一連桿28、拇指第一軸29、拇指第二連桿210、拇指第二軸 211、拇指第一滑塊212、拇指第二滑塊213、拇指第三軸214、拇指第三連桿215、拇指第四 軸216、拇指第一簧件217和拇指第二簧件218;所說的拇指第一連桿28的一端套固在拇指 近關(guān)節(jié)軸24上；所說的拇指第二連桿210 —端通過所說的拇指第一軸29與拇指第一連桿28 的另一端鉸接，拇指第二連桿210的另一端通過所說的拇指第二軸211與所說的拇指第一滑 塊212鉸接；所說的拇指第三連桿215 —端通過所說的拇指第三軸214與所說的拇指第二滑11塊213鉸接，拇指第二指段23通過所說的拇指第四軸216與拇指第三連桿215的另一端鉸接; 拇指第一滑塊212和拇指第二滑塊213鑲嵌在拇指第一指段22中，拇指第一滑塊212與拇指 第二滑塊213的滑動(dòng)方向相同；所說的拇指第一簧件217的兩端分別連接拇指第一滑塊212 和拇指第一指段22，所說的拇指第二簧件218的兩端分別連接拇指第一滑塊212和拇指第二 滑塊213;所說的拇指第一軸29、拇指第二軸211、拇指第三軸214、拇指第四軸216和拇指 近關(guān)節(jié)軸24的軸線相互平行。
本實(shí)施例中，所說的拇指近關(guān)節(jié)軸24、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25、拇指第一軸29、拇指第二軸 211、拇指第三軸214、拇指第一滑塊212和拇指第二滑塊213符合如下關(guān)系設(shè)拇指近關(guān)節(jié) 軸24的軸線與拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25的軸線所在平面為戶平面，則拇指第一軸29的軸線、拇指第 二軸211的軸線和拇指第三軸214的軸線在尸平面的同側(cè)；所說的拇指第一滑塊212和拇指 第二滑塊213的滑動(dòng)方向均平行于所說的,平面。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，所說的拇指第一簧件217和拇指 第二簧件218采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。
本實(shí)施例中，所說的拇指第一簧件217采用拉簧，所說的拇指第二簧件218采用壓簧。
本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，在所說的拇指減速器219與拇指 近關(guān)節(jié)軸24之間設(shè)有拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)26，拇指減速器219的輸出軸通過所說的拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu) 26與拇指近關(guān)節(jié)軸24相連。
本實(shí)施例中，所說的拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)26采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本實(shí)施例中，在所說的拇指電機(jī)27上設(shè)有拇指編碼器220。
本實(shí)施例中，所說的食指3的結(jié)構(gòu)如圖14、圖15、圖16、圖17、圖18、圖19和圖20 所示，包括食指基座31、食指第一指段32、食指第二指段33、食指末端指段34、食指近關(guān) 節(jié)軸35、食指中關(guān)節(jié)軸36、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37、食指電機(jī)324和食指減速器325;所說的食指 3通過食指基座31與手掌骨架1固接；所說的食指電機(jī)324與食指基座31固接，食指電機(jī) 324的輸出軸與所說的食指減速器325的輸入軸相連，食指減速器325的輸出軸與所說的食 指近關(guān)節(jié)軸35相連，食指近關(guān)節(jié)軸35套設(shè)在食指基座31中，所說的食指中關(guān)節(jié)軸36套設(shè) 在食指第一指段32中，所說的食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37套設(shè)在食指第二指段33中；所說的食指第一 指段32套接在食指近關(guān)節(jié)軸35上，所說的食指第二指段33套接在食指中關(guān)節(jié)軸36上，所 說的食指末端指段34套接在食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37上；所說的食指近關(guān)節(jié)軸35、食指中關(guān)節(jié)軸36 和食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37的軸線相互平行。
所說的食指3還包括食指第一連桿38、食指第一軸39、食指第二連桿310、食指第二鉸 接軸311、食指第一滑塊312、食指第二滑塊330、食指第三軸313、食指第三連桿314、食 指第四軸315、食指第四連桿316、食指第五軸317、食指第五連桿318、食指第六軸319、 食指第三滑塊320、食指第六連桿321、食指第七軸327、食指第一簧件322、食指第二簧件
12323和食指第三簧件329。所說的食指第一連桿38的一端套固在食指近關(guān)節(jié)軸35上，所說的食指第二連桿310 — 端通過所說的食指第一軸39與食指第一連桿38鉸接，食指第二連桿310的另一端通過所說 的食指第二軸311與所說的食指第一滑塊312鉸接；所說的食指第三連桿314 —端通過所說 的食指第三軸313與食指第二滑塊330鉸接，所說的食指第四連桿316的一端套接在食指中 關(guān)節(jié)軸36上，食指第三連桿314另一端通過所說的食指第四軸315與食指第四連桿316的中 部鉸接，食指第四連桿316的另一端通過所說的食指第五軸317與所說的食指第五連桿318 一端鉸接，食指第五連桿318另一端通過所說的食指第六軸319與所說的食指第三滑塊320 鉸接，所說的食指第六連桿321 —端通過食指第六軸319與食指第三滑±央320鉸接，食指末 端指段34通過所說的食指第七軸327與食指第六連桿321另一端鉸接；食指第一滑塊312和 食指第二滑塊330鑲嵌在食指第一指段32中，食指第三滑塊320鑲嵌在食指第二指段33中， 食指第一滑塊312與食指第二滑塊330的滑動(dòng)方向相同；所說的食指第一簧件322的兩端分 別連接食指第一滑塊312和食指第一指段32，所說的食指第二簧件323的兩端分別連接食指 第三滑塊320和食指第二指段33，所說的食指第三簧件329的兩端分別連接食指第一滑塊312 和食指第二滑塊330;所說的食指第一軸39、食指第二軸311、食指第三軸313、食指第四軸 315、食指第五軸317、食指第六軸319、食指第七軸327和食指近關(guān)節(jié)軸35的軸線相互平行;本實(shí)施例中，所說的食指近關(guān)節(jié)軸35、食指中關(guān)節(jié)軸36、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37、食指第一軸 39、食指第二軸311、食指第三軸313、食指第四軸315、食指第五軸317、食指第六軸319、 食指第一滑塊312、食指第二滑塊330和食指第三滑塊320符合如下關(guān)系設(shè)食指近關(guān)節(jié)軸 35的軸線與食指中關(guān)節(jié)軸36的軸線所在平面為A平面，則食指第一軸39的軸線、食指第二 軸311的軸線和食指第三軸313的軸線在A平面的同側(cè)；設(shè)食指中關(guān)節(jié)軸36的軸線與食指遠(yuǎn) 關(guān)節(jié)軸37的軸線所在平面為尸2平面，則食指第四軸315的軸線、食指第五軸317的軸線和食 指第六軸319的軸線在尸2平面的同側(cè)；所說的食指第一滑塊312和食指第二滑塊330的滑動(dòng) 方向均平行于所說的A平面，所說的食指第三滑塊320的滑動(dòng)方向平行于所說的尸2平面。本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，所說的食指第一簧件322、食指第 二簧件323和食指第三簧件329采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。本實(shí)施例中，所說的食指第一簧件322和食指第二簧件323采用拉簧，所說的食指第三 簧件329采用壓簧。本發(fā)明所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，在所說的食指減速器325與食指 近關(guān)節(jié)軸35之間設(shè)有食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)328，食指減速器325的輸出軸通過所說的食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu) 328與食指近關(guān)節(jié)軸35相連。本實(shí)施例中，所說的食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)328采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。本實(shí)施例中，在所說的食指電機(jī)324上設(shè)有食指編碼器326。本實(shí)施例中，所說的中指4、無名指5和小指6分別與手掌骨架1固接，連接方式同食指 一致；所說的拇指2、食指3、中指4、無名指5和小指6與手掌之間的相對(duì)位置模仿人手各 手指和手掌的相對(duì)位置；所說的中指4、無名指5、小指6與食指3結(jié)構(gòu)相同，僅尺寸大小不 同。
下面介紹本實(shí)施例的工作原理。
(a) 手掌關(guān)節(jié)軸12轉(zhuǎn)動(dòng)的工作原理，如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6，敘述如下 手掌電機(jī)ll轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手掌減速器15轉(zhuǎn)動(dòng)，通過手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)13使手掌關(guān)節(jié)軸12轉(zhuǎn)
動(dòng)，于是帶動(dòng)手掌連接板17轉(zhuǎn)動(dòng)，拇指2隨著手掌連接板17整體繞著手掌關(guān)節(jié)軸12的軸線 轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了拇指2在手掌1側(cè)面和正對(duì)面的反復(fù)側(cè)向擺動(dòng)。當(dāng)需要抓取物體時(shí)，先將拇指 2擺動(dòng)到手掌1正對(duì)面，如圖4和圖6所示。不需要抓取物體時(shí)，將拇指2擺動(dòng)到手掌1側(cè) 面，如圖2、圖3和圖5所示拇指位置。
(b) 拇指2的工作原理，如圖21、圖22、圖23、圖24、圖25、圖26，敘述如下 拇指2的初始狀態(tài)如圖21所示，類似人的手指伸直狀態(tài)。
當(dāng)拇指2抓取物體時(shí)，拇指電機(jī)27轉(zhuǎn)動(dòng)，通過拇指減速器219、拇指齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)26帶 動(dòng)拇指近關(guān)節(jié)軸24轉(zhuǎn)動(dòng)，拇指近關(guān)節(jié)軸24帶動(dòng)與之固接的拇指第一連桿28轉(zhuǎn)動(dòng)，由于拇指 第一簧件217和拇指第二簧件218的共同限制作用，拇指第一滑塊212和拇指第二滑塊213 不發(fā)生滑動(dòng)，拇指第一連桿28、拇指第二連桿210和拇指第三連桿215相對(duì)位置關(guān)系不變， 拇指第一指段22和拇指第二指段23仿佛一個(gè)"剛體"，因此拇指近關(guān)節(jié)軸24的轉(zhuǎn)動(dòng)將通過 拇指第一連桿28帶動(dòng)拇指第一指段22和拇指第二指段23作為一個(gè)整體繞拇指近關(guān)節(jié)軸24 的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖22所示。此時(shí)會(huì)遇到以下兩種情況
(bl)拇指第二指段23碰到物體，拇指第二指段23受限制無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí)拇指第一連桿 28在拇指近關(guān)節(jié)軸24的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過拇指第一軸29、拇指第二連桿210、拇 指第二軸211驅(qū)動(dòng)拇指第一滑塊212克服拇指第一簧件217和拇指第二簧件218的變形彈力 在拇指第一指段22內(nèi)滑動(dòng)，拇指第二滑塊213由于拇指第二指段23被限制并不滑動(dòng)，隨著 拇指第二簧件218變形的增加，拇指第二指段23上的抓取力逐漸增大，直到拇指第二簧件 218不再變形為止，抓取結(jié)束，如圖26所示。
(b2)拇指第一指段22碰到物體，如圖23所示，拇指第一指段22受限制無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí) 拇指第一連桿28在拇指近關(guān)節(jié)軸24的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過拇指第一軸29、拇指第二 連桿210、拇指第二軸11驅(qū)動(dòng)拇指第一滑塊212克服拇指第一簧件217的變形彈力在拇指第 一指段22內(nèi)滑動(dòng)，此時(shí)拇指第一簧件217發(fā)生變形，而拇指第二簧件218由于拇指第二指段 23沒有限制不發(fā)生變形，在拇指第二簧件218的作用下，拇指第一滑塊212驅(qū)動(dòng)拇指第二滑 塊213在拇指第一指段22內(nèi)滑動(dòng)，拇指第二滑塊213通過拇指第三軸214、拇指第三連桿215 和拇指第四軸216推動(dòng)拇指第二指段23繞拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖24所示。直到拇
14指第二指段23接觸到物體，此時(shí)拇指第一連桿28在拇指近關(guān)節(jié)軸24的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依 次通過拇指第一軸29、拇指第二連桿210、拇指第二軸211繼續(xù)驅(qū)動(dòng)拇指第一滑塊212克服 拇指第一簧件217和拇指第二簧件218的變形彈力在拇指第一指段22內(nèi)滑動(dòng)，拇指第二滑塊 213由于拇指第二指段23被限制并不滑動(dòng)，隨著拇指第二簧件218變形的增加，拇指第一指 段22和拇指第二指段23上的抓取力逐漸增大，直到拇指第二簧件218不再變形為止，抓取 結(jié)束，如圖25所示。當(dāng)放開物體時(shí)，拇指電機(jī)27反轉(zhuǎn)，通過拇指減速器219、拇指齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)26帶動(dòng)拇指 近關(guān)節(jié)軸24反轉(zhuǎn)，拇指第一連桿28在拇指近關(guān)節(jié)軸24帶動(dòng)下反轉(zhuǎn)，拇指第一連桿28依次 通過拇指第一軸29、拇指第二連桿210、拇指第二軸211拉動(dòng)拇指第一滑塊212運(yùn)動(dòng)，此時(shí) 拇指第一簧件217和拇指第二簧件218的變形逐漸減小，拇指第二滑塊213并不滑動(dòng)，拇指 第一指段22和拇指第二指段23上的抓取力逐漸減小，直到拇指第二簧件218完全恢復(fù)到未 變形狀態(tài)，繼而拇指第一滑塊212通過拇指第二簧件218拉動(dòng)拇指第二滑塊213運(yùn)動(dòng)，拇指 第二簧件218不再發(fā)生變形，拇指第二滑塊拇指13通過拇指第三軸214、拇指第三連桿215、 拇指第四軸216拉動(dòng)拇指第二指段23繞拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸25軸線反轉(zhuǎn)。由于在拇指第一指段22 的后背上方有凸臺(tái)，此凸臺(tái)將限制拇指第二指段23反轉(zhuǎn)時(shí)超過其相對(duì)于拇指第一指段22的 初始伸直位置，起到限位作用，因此拇指第二指段23將受到拇指第一指段22的阻擋不能再 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)拇指第二指段23已經(jīng)反轉(zhuǎn)到手指伸直的位置，如圖23所示。同時(shí)，拇指第 一連桿28將繼續(xù)反轉(zhuǎn)，拉動(dòng)處于伸直狀態(tài)的拇指第一指段22和拇指第二指段23作為一個(gè)整 體一起繞拇指近關(guān)節(jié)軸25軸線反轉(zhuǎn)。由于在拇指基座21的后背上方有凸臺(tái)，此凸臺(tái)將限制 拇指第一指段22反轉(zhuǎn)時(shí)超過其相對(duì)于拇指基座21的初始伸直位置，起到限位作用，因此拇 指第一指段22將受到拇指基座21的阻擋不能再反向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到手指裝置完全恢復(fù)到初始的 伸直位置，如圖21所示。(c)食指3、中指4、無名指5、小指6結(jié)構(gòu)和工作原理相同，所不同的僅是尺寸大小，以 食指3為例，其工作原理，如圖27、圖28、圖29、圖30、圖31、圖32、圖33、圖34、圖 35、圖36和圖37，敘述如下食指3的初始狀態(tài)如圖27所示，類似人的手指伸直狀態(tài)。當(dāng)食指3抓取物體時(shí)，食指電機(jī)32轉(zhuǎn)動(dòng)，通過食指減速器325、食指齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)328 帶動(dòng)食指近關(guān)節(jié)軸35轉(zhuǎn)動(dòng)，食指近關(guān)節(jié)軸35帶動(dòng)與之固接的食指第一連桿38轉(zhuǎn)動(dòng)，由于食 指第一簧件322、食指第二簧件323和食指第三簧件329的共同限制作用，食指第一滑塊312、 食指第二滑塊330、食指第三滑塊320不發(fā)生滑動(dòng)，食指第一連桿38、食指第二連桿310、 食指第三連桿314、食指第四連桿316、食指第五連桿318、食指第六連桿321相對(duì)位置關(guān)系 不變，食指第一指段32、食指第二指段33和食指末端指段34仿佛一個(gè)"剛體"，因此食指 近關(guān)節(jié)軸35的轉(zhuǎn)動(dòng)將通過食指第一連桿38帶動(dòng)食指第一指段32、食指第二指段33和食指末端指段34作為一個(gè)整體繞食指近關(guān)節(jié)軸35的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)會(huì)遇到以下三種情況-(cl)食指末端指段34碰到物體，食指末端指段34受限制無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí)食指第一連桿 38在食指近關(guān)節(jié)軸35的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過食指第一軸39、食指第二連桿310、食 指第二軸311驅(qū)動(dòng)食指第一滑塊312克服食指第一簧件322和食指第三簧件329的變形彈力 在食指第一指段32內(nèi)滑動(dòng)，食指第二滑塊330并不滑動(dòng)，隨著食指第三簧件變形的329增加， 食指末端指段34上的抓取力逐漸增大，直到食指第三簧件329不再變形為止，抓取結(jié)束，如 圖37所示。(c2)食指第二指段33碰到物體，如圖35所示，食指第二指段33受限制無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí) 食指第一連桿38在食指近關(guān)節(jié)軸35的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過食指第一軸39、食指第二 連桿310、食指第二軸311驅(qū)動(dòng)食指第一滑塊312克服食指第一簧件322的變形彈力在食指 第一指段32內(nèi)滑動(dòng)，此時(shí)食指第一簧件322發(fā)生變形，食指第三簧件329不發(fā)生變形，繼而 食指第一滑塊312通過食指第三簧件329驅(qū)動(dòng)食指第二滑塊330在食指第一指段32內(nèi)滑動(dòng)， 食指第二滑塊330通過食指第三軸313、食指第三連桿314、食指第四軸315、食指第四連桿 316、食指第五軸317、食指第五連桿318、食指第六軸319驅(qū)動(dòng)食指第三滑塊320克服食指 第二簧件323的變形彈力在食指第二指段33內(nèi)滑動(dòng)，此時(shí)食指第二簧件323發(fā)生變形，食指 第三滑塊320通過食指第六軸319、食指第六連桿321、食指第七軸327推動(dòng)食指末端指段 34繞食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，直到食指末端指段34接觸到物體，此時(shí)食指第一連桿38 在食指近關(guān)節(jié)軸35的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過食指第一軸39、食指第二連桿310、食指第 二軸311繼續(xù)驅(qū)動(dòng)食指第一滑塊312克服食指第一簧件322和食指第三簧件329的變形彈力 在食指第一指段32內(nèi)滑動(dòng)，食指第二滑塊330并不滑動(dòng)，隨著食指第三簧件變形的329增加， 食指第二指段33和食指末端指段34上的抓取力逐漸增大，直到食指第三簧件329不再變形 為止，抓取結(jié)束，如圖36所示。(c3)食指第一指段32碰到物體，如圖29所示，食指第一指段32受限制無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí) 食指第一連桿38在食指近關(guān)節(jié)軸35的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過食指第一軸39、食指第二 連桿310、第二軸食指311驅(qū)動(dòng)食指第一滑塊312克服食指第一簧件322的變形彈力在食指 第一指段32內(nèi)滑動(dòng)，此時(shí)食指第一簧件322發(fā)生變形，食指第三簧件329不發(fā)生變形，繼而 食指第一滑塊312通過食指第三簧件329驅(qū)動(dòng)食指第二滑塊330在食指第一指段32內(nèi)滑動(dòng)， 食指第二滑塊330通過食指第三軸313、食指第三連桿314、食指第四軸315驅(qū)動(dòng)食指第四連 桿316轉(zhuǎn)動(dòng)，由于食指第二簧件323的限制作用，食指第三滑塊320不發(fā)生滑動(dòng)，食指第四 連桿316、食指第五連桿318、食指第六連桿321相對(duì)位置關(guān)系不變，食指第二指段33和食 指末端指段34仿佛一個(gè)"剛體"，因此食指第四連桿316的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)食指第二指段33和食 指末端指段34作為一個(gè)整體繞食指中關(guān)節(jié)軸36的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，直到食指第二指段33接觸到物 體，如圖31所示，食指第二指段33受限制無法運(yùn)動(dòng)，此時(shí)食指第四連桿316繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過手指時(shí)第五軸317、食指第五連桿318、食指第六軸319驅(qū)動(dòng)食指第三滑塊320克服食指第 二簧件323的變形彈力在食指第二指段33內(nèi)滑動(dòng)，此時(shí)食指第二簧件323發(fā)生變形，食指第 三滑塊320通過食指第六軸319、食指第六連桿321、食指第七軸327推動(dòng)食指末端指段34 繞食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，直到食指末端指段34接觸到物體，此時(shí)食指第一連桿38在食 指近關(guān)節(jié)軸35的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次通過食指第一軸39、食指第二連桿310、食指第二軸 311繼續(xù)驅(qū)動(dòng)食指第一滑塊312克服食指第一簧件322和食指第三簧件329的變形彈力在食 指第一指段32內(nèi)滑動(dòng)，食指第二滑塊330并不滑動(dòng)，隨著食指第三簧件變形的329增加，食 指第一指段32、食指第二指段33和食指末端指段34上的抓取力逐漸增大，直到食指第三簧 件329不再變形為止，抓取結(jié)束，如圖33所示。當(dāng)放開物體時(shí)，食指電機(jī)324反轉(zhuǎn)，通過食指減速器325、食指?jìng)鲃?dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)328帶 動(dòng)食指近關(guān)節(jié)軸35反轉(zhuǎn)，食指第一連桿38在食指近關(guān)節(jié)軸35帶動(dòng)下反轉(zhuǎn)，食指第一連桿 38依次通過食指第一軸39、食指第二連桿310、食指第二軸311拉動(dòng)食指第一滑塊312運(yùn)動(dòng)， 此時(shí)食指第一簧件322和食指第三簧件329的變形逐漸減小，食指第二滑塊330并不滑動(dòng)， 食指第一指段32、食指第二指段33、食指末端指段34上的抓取力逐漸減小，直到食指第三 簧件329完全恢復(fù)到未變形狀態(tài)，繼而食指第一滑塊312通過食指第三簧件329拉動(dòng)食指第 二滑塊330運(yùn)動(dòng)，食指第三簧件329不再發(fā)生變形，食指第二滑塊330通過食指第三軸313、 食指第三連桿314、食指第四軸315、食指第四連桿316、食指第五軸317、食指第五連桿318、 食指第六軸319拉動(dòng)食指第三滑塊320運(yùn)動(dòng)，此時(shí)食指第二簧件323的變形逐漸減小，食指 第三滑塊320又通過食指第六軸319、食指第六連桿321、食指第七軸327拉動(dòng)食指末端指段 34繞食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸37軸線反轉(zhuǎn)。由于在食指第二指段33的后背上方有凸臺(tái)，此凸臺(tái)將限制 食指末端指段34反轉(zhuǎn)時(shí)超過其相對(duì)于食指第二指段33的初始伸直位置，起到限位作用，因 此食指末端指段34將受到食指第二指段33的阻擋不能再反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)食指末端指段34已 經(jīng)反轉(zhuǎn)到手指伸直的位置，如圖31所示。同時(shí)，食指第四連桿316將繼續(xù)反轉(zhuǎn)，拉動(dòng)處于伸 直狀態(tài)的食指第二指段33和食指末端指段34作為一個(gè)整體一起繞食指中關(guān)節(jié)軸36軸線反 轉(zhuǎn)，由于在食指第一指段32的后背上方有凸臺(tái)，此凸臺(tái)將限制食指第二指段33反轉(zhuǎn)時(shí)超過 其相對(duì)于食指第一指段32的初始伸直位置，起到限位作用，因此食指第二指段33將受到食 指第一指段32的阻擋不能再反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)食指第二指段33已經(jīng)反轉(zhuǎn)到手指伸直的位置， 如圖29所示。同時(shí)，食指第一連桿38將繼續(xù)反轉(zhuǎn)，拉動(dòng)處于伸直狀態(tài)的食指第一指段32、 食指第二指段33、食指末端指段34作為一個(gè)整體一起繞食指近關(guān)節(jié)軸35軸線反轉(zhuǎn)，直到食 指3完全恢復(fù)到最開始的伸直位置，如圖27所示。本發(fā)明具有5個(gè)獨(dú)立控制的手指和15個(gè)關(guān)節(jié)自由度，僅由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。四指(食指、 中指、無名指和小指)均采用結(jié)構(gòu)相同的一種模塊化結(jié)構(gòu)。利用連桿機(jī)構(gòu)、滑塊移動(dòng)副、套 接指段及簧件綜合實(shí)現(xiàn)了多關(guān)節(jié)手指直接欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)和可變抓取力的特殊效果。同時(shí)具有直接欠驅(qū)動(dòng)和變抓取力的雙重功能。由于采用彈簧作為儲(chǔ)能元件，設(shè)計(jì)了變抓取力機(jī)構(gòu)，使 得該裝置仿生手在抓到物體后，電機(jī)可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變手指上的抓取力，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定抓牢 物體。適用抓取對(duì)象廣泛。由于采用連桿機(jī)構(gòu)，連桿本身結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，相對(duì)于其他機(jī)構(gòu)如腱繩 等承受力大，使得該裝置可以采用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而抓取力大，抓取穩(wěn)定。由于采用滑 塊移動(dòng)副，優(yōu)化了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得通常龐大的連桿機(jī)構(gòu)變得緊湊，占用空間少，取得了良 好的擬人化外觀和動(dòng)作的效果。每個(gè)手指僅采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)二至三個(gè)關(guān)節(jié)自由度，自動(dòng)適 應(yīng)所抓物體的大小和形狀，降低了對(duì)控制系統(tǒng)的要求。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低，適 合長(zhǎng)期使用，與人手相似，適用于擬人機(jī)器人。
權(quán)利要求
1、一種變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，包括拇指(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)、小指(6)和手掌；其特征在于所說的手掌包括手掌骨架(1)、手掌電機(jī)(11)、手掌關(guān)節(jié)軸(12)、手掌減速器(15)、手掌連接板(17)；所說的手掌電機(jī)(11)和手掌減速器(15)與所說的手掌骨架(1)固接，手掌電機(jī)(11)的輸出軸與手掌減速器(15)的輸入軸相連，手掌減速器(15)的輸出軸與手掌關(guān)節(jié)軸(12)相連，手掌關(guān)節(jié)軸(12)套設(shè)在手掌骨架(1)中，所說的手掌連接板(17)套固在手掌關(guān)節(jié)軸上(12)；所說的拇指(2)包括拇指基座(21)、拇指第一指段(22)、拇指第二指段(23)、拇指近關(guān)節(jié)軸(24)、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(25)、拇指電機(jī)(27)和拇指減速器(219)；所說的拇指電機(jī)(27)與拇指基座(21)固接，拇指電機(jī)(27)的輸出軸與所說的拇指減速器(219)的輸入軸相連，拇指減速器(219)的輸出軸與所說的拇指近關(guān)節(jié)軸(24)相連，拇指近關(guān)節(jié)軸(24)套設(shè)在拇指基座(21)中，所說的拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(25)套設(shè)在所說的拇指第一指段(22)中；拇指第一指段(22)套接在拇指近關(guān)節(jié)軸(24)上，所說的拇指第二指段(23)套接在拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(25)上；所說的拇指近關(guān)節(jié)軸(24)和拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(25)的軸線相互平行；所說的拇指(2)還包括拇指第一連桿(28)、拇指第一軸(29)、拇指第二連桿(210)、拇指第二軸(211)、拇指第一滑塊(212)、拇指第二滑塊(213)、拇指第三軸(214)、拇指第三連桿(215)、拇指第四軸(216)、拇指第一簧件(217)和拇指第二簧件(218)；所說的拇指第一連桿(28)的一端套固在拇指近關(guān)節(jié)軸(24)上；所說的拇指第二連桿(210)一端通過所說的拇指第一軸(29)與拇指第一連桿(28)的另一端鉸接，拇指第二連桿(210)的另一端通過所說的拇指第二軸(211)與所說的拇指第一滑塊(212)鉸接；所說的拇指第三連桿(215)一端通過所說的拇指第三軸(214)與所說的拇指第二滑塊(213)鉸接，拇指第二指段(23)通過所說的拇指第四軸(216)與拇指第三連桿(215)的另一端鉸接；拇指第一滑塊(212)和拇指第二滑塊(213)鑲嵌在拇指第一指段(22)中，拇指第一滑塊(212)與拇指第二滑塊(213)的滑動(dòng)方向相同；所說的拇指第一簧件(217)的兩端分別連接拇指第一滑塊(212)和拇指第一指段(22)，所說的拇指第二簧件(218)的兩端分別連接拇指第一滑塊(212)和拇指第二滑塊(213)；所說的拇指第一軸(29)、拇指第二軸(211)、拇指第三軸(214)、拇指第四軸(216)和拇指近關(guān)節(jié)軸(24)的軸線相互平行；所說的食指(3)包括食指基座(31)、食指第一指段(32)、食指第二指段(33)、食指末端指段(34)、食指近關(guān)節(jié)軸(35)、食指中關(guān)節(jié)軸(36)、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(37)、食指電機(jī)(324)和食指減速器(325)；所說的食指電機(jī)(324)與食指基座(31)固接，食指電機(jī)(324)的輸出軸與所說的食指減速器(325)的輸入軸相連，食指減速器(325)的輸出軸與所說的食指近關(guān)節(jié)軸(35)相連，食指近關(guān)節(jié)軸(35)套設(shè)在食指基座(31)中，所說的食指中關(guān)節(jié)軸(36)套設(shè)在食指第一指段(32)中，所說的食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(37)套設(shè)在食指第二指段(33)中；所說的食指第一指段(32)套接在食指近關(guān)節(jié)軸(35)上，所說的食指第二指段(33)套接在食指中關(guān)節(jié)軸(36)上，所說的食指末端指段(34)套接在食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(37)上；所說的食指近關(guān)節(jié)軸(35)、食指中關(guān)節(jié)軸(36)和食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(37)的軸線相互平行；所說的食指(3)還包括食指第一連桿(38)、食指第一軸(39)、食指第二連桿(310)、食指第二鉸接軸(311)、食指第一滑塊(312)、食指第二滑塊(330)、食指第三軸(313)、食指第三連桿(314)、食指第四軸(315)、食指第四連桿(316)、食指第五軸(317)、食指第五連桿(318)、食指第六軸(319)、食指第三滑塊(320)、食指第六連桿(321)、食指第七軸(327)、食指第一簧件(322)、食指第二簧件(323)和食指第三簧件(329)；所說的食指第一連桿(38)的一端套固在食指近關(guān)節(jié)軸(35)上，所說的食指第二連桿(310)一端通過所說的食指第一軸(39)與食指第一連桿(38)鉸接，食指第二連桿(310)的另一端通過所說的食指第二軸(311)與所說的食指第一滑塊(312)鉸接；所說的食指第三連桿(314)一端通過所說的食指第三軸(313)與食指第二滑塊(330)鉸接，所說的食指第四連桿(316)的一端套接在食指中關(guān)節(jié)軸(36)上，食指第三連桿(314)另一端通過所說的食指第四軸(315)與食指第四連桿(316)的中部鉸接，食指第四連桿(316)的另一端通過所說的食指第五軸(317)與所說的食指第五連桿(318)一端鉸接，食指第五連桿(318)另一端通過所說的食指第六軸(319)與所說的食指第三滑塊(320)鉸接，所說的食指第六連桿(321)一端通過食指第六軸(319)與食指第三滑塊(320)鉸接，食指末端指段(34)通過所說的食指第七軸(327)與食指第六連桿(321)另一端鉸接；食指第一滑塊(312)和食指第二滑塊(330)鑲嵌在食指第一指段(32)中，食指第三滑塊(320)鑲嵌在食指第二指段(33)中，食指第一滑塊(312)與食指第二滑塊(330)的滑動(dòng)方向相同；所說的食指第一簧件(322)的兩端分別連接食指第一滑塊(312)和食指第一指段(32)，所說的食指第二簧件(323)的兩端分別連接食指第三滑塊(320)和食指第二指段(33)，所說的食指第三簧件(329)的兩端分別連接食指第一滑塊(312)和食指第二滑塊(330)；所說的食指第一軸(39)、食指第二軸(311)、食指第三軸(313)、食指第四軸(315)、食指第五軸(317)、食指第六軸(319)、食指第七軸(327)和食指近關(guān)節(jié)軸(35)的軸線相互平行；所說的拇指(2)通過拇指基座(21)與手掌連接板(17)固接；所說的食指(3)通過食指基座(31)與手掌骨架(1)固接；所說的中指(4)、無名指(5)和小指(6)分別與手掌骨架(1)固接，連接方式同食指(3)一致；所說的中指(4)、無名指(5)和小指(6)的結(jié)構(gòu)與食指(3)的結(jié)構(gòu)相同，僅尺寸大小不同。
2、如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的拇 指近關(guān)節(jié)軸(24)、拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(25)、拇指第一軸(29)、拇指第二軸(211)、拇指第三軸 (214)、拇指第一滑塊(212)和拇指第二滑塊(213)符合如下關(guān)系設(shè)拇指近關(guān)節(jié)軸(24) 的軸線與拇指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(25)的軸線所在平面為戶平面，則拇指第一軸(29)的軸線、拇指 第二軸(211)的軸線和拇指第三軸(214)的軸線在P平面的同側(cè)；所說的拇指第一滑塊(212)和拇指第二滑塊(213)的滑動(dòng)方向均平行于所說的P平面。
3、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的食 指近關(guān)節(jié)軸(35)、食指中關(guān)節(jié)軸(36)、食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(37)、食指第一軸(39)、食指第二 軸(311)、食指第三軸(313)、食指第四軸(315)、食指第五軸(317)、食指第六軸(319)、 食指第一滑塊(312)、食指第二滑塊(330)和食指第三滑塊(320)符合如下關(guān)系設(shè)食指 近關(guān)節(jié)軸(35)的軸線與食指中關(guān)節(jié)軸(36)的軸線所在平面為A平面，則食指第一軸(39) 的軸線、食指第二軸(311)的軸線和食指第三軸(313)的軸線在A平面的同側(cè)；設(shè)食指中 關(guān)節(jié)軸(36)的軸線與食指遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(37)的軸線所在平面為尸2平面，則食指第四軸(315) 的軸線、食指第五軸(317)的軸線和食指第六軸(319)的軸線在P2平面的同側(cè)；所說的食 指第一滑塊G12)和食指第二滑塊(330)的滑動(dòng)方向均平行于所說的A平面，所說的食指 第三滑塊(320)的滑動(dòng)方向平行于所說的尸2平面。
4、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的拇 指第一簧件(217)和拇指第二簧件(218)采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈 性繩。
5、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于所說的食 指第一簧件(322)、食指第二簧件(323)和食指第三簧件(329)采用扭簧、拉簧、壓簧、 片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。
6、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的 拇指減速器(219)與拇指近關(guān)節(jié)軸(24)之間設(shè)有拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)(26)，拇指減速器(219) 的輸出軸通過所說的拇指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)(26)與拇指近關(guān)節(jié)軸(24)相連。
7、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的 食指減速器(325)與食指近關(guān)節(jié)軸(35)之間設(shè)有食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)(328)，食指減速器(325) 的輸出軸通過所說的食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)(328)與食指近關(guān)節(jié)軸(35)相連。
8、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的 手掌減速器(15)與手掌關(guān)節(jié)軸(12)之間設(shè)有手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(13)，手掌減速器(15)的輸 出軸通過所說的手掌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(13)與手掌關(guān)節(jié)軸(12)相連。
9、 如權(quán)利要求l所述的變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，其特征在于在所說的 拇指電機(jī)(27)上設(shè)有拇指編碼器(220);在所說的食指電機(jī)(324)上設(shè)有食指編碼器(326); 在所說的手掌電機(jī)(11)上設(shè)有手掌編碼器(16)。
全文摘要
變抓力的滑塊式直接欠驅(qū)動(dòng)仿生手裝置，屬于擬人機(jī)器人手技術(shù)領(lǐng)域，包括拇指、食指、中指、無名指、小指和手掌。該裝置具有的5個(gè)獨(dú)立控制的手指和15個(gè)關(guān)節(jié)自由度，僅由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了模仿人手的外觀和抓取動(dòng)作，適用于擬人機(jī)器人。食指、中指、無名指和小指采用模塊化結(jié)構(gòu)，使得零件通用性強(qiáng)和制造維修成本低。各手指均利用連桿機(jī)構(gòu)、滑塊移動(dòng)副、套接指段及簧件綜合實(shí)現(xiàn)了多關(guān)節(jié)手指直接欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)和可變抓取力的特殊效果。該裝置既具有變抓取力抓取功能，抓取力大，能抓牢物體，抓取穩(wěn)定，適應(yīng)抓取對(duì)象范圍廣；同時(shí)具有多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)抓取效果，自動(dòng)適應(yīng)所抓物體的大小和形狀，降低了對(duì)控制系統(tǒng)的要求。
文檔編號(hào)B25J15/00GK101653941SQ20091009292
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者張文增, 趙得洋 申請(qǐng)人:清華大學(xué)