专利名称：齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装 置装置的结构设计。
技术背景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。拟 人机器人的电源系统、驱动系统、信息处理系统和控制系统等完全由自身携带，因而对其手 部的设计提出了非常严格的要求，要求手部装置的重量要小、体积要小，并为了减轻控制的 难度，要求在满足一定功能和实现较高的拟人化的前提下，适当减少手部的驱动器数目。一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手，如中国发明专利CN1231332，包括一个手 掌、拇指、食指、中指、无名指、小指、拇指根部关节体、四指根部关节体，具有5个手指， ll个关节自由度，其中主动关节仅有2个拇指根部关节和四指根部关节，其余9个为结构 相同的一种由所抓物体和齿轮齿条共同驱动的欠驱动关节。其不足之处为该装置的食指、中 指、无名指、小指的四指根部共同由一个电机驱动，与人手差别过大(人手的四个手指的根 部关节是可以分别独立转动的)，灵巧性不够；该装置的拇指上仅有2个关节根部侧摆转动 和末端欠驱动关节，这与人手拇指的3个关节有差别；另外该装置的四指根部关节上采用食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧占地空间大，影响手指美观。一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手，如中国发明专利CN1292712C，有5个手指， 14个关节自由度，其中主动关节仅有3个拇指中部转动关节、食指根部转动关节、三指根 部转动关节(中指、无名指、小指)其余为模块化(即相同结构)的连杆传动欠驱动关节。 另一种已有的欠驱动模块化拟人机器人多指手，如中国发明专利CN1283429C,有5个手指， 12个关节自由度，其中主动关节仅3个，关节布置与前述专利类似。其欠驱动关节采用了一 种模块化的具有自解耦效果的多级齿轮传动机构实现。这两个专利的不足之处为这两个装置 的中指、无名指、小指三个手指的根部采用同样一个电机驱动，不能分别独立转动，与人手 差别过大，灵巧性不够；拇指固定安装在手掌上的四指正对面，拇指不能在手掌侧方和正对 面来回转动，这也与人手差别较大。 发明内容本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种齿条欠驱动模块化拟人机器人 多指手装置。该装置具有多个可以主动驱动和独立控制的手指、关节自由度多、电机、传动 机构全部藏入手内，尽量采用相似的模块化结构，降低成本且便于维修，结构简单、重量轻、控制容易，外观、尺寸和动作均更加模仿人手，具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取 的功能，可以变抓取力抓取物体，适合安装在拟人机器人上使用。 本发明采用如下技术方案一种齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指 和手掌；所说的拇指包括拇指基座、拇指电机、拇指减速器、拇指第一齿轮、拇指第二齿轮、拇 指近关节轴、拇指中部指段、拇指远关节轴和拇指末端指段，所说的拇指电机和拇指减速器 与拇指基座固接，拇指电机的输出轴与拇指减速器的输入轴相连，拇指减速器的输出轴与拇 指第一齿轮固接，拇指第一齿轮与拇指第二齿轮啮合，拇指第二齿轮套固在拇指近关节轴上， 所说的拇指近关节轴套设在拇指基座中，所说的拇指远关节轴套设在拇指中部指段中，所说 的拇指末端指段套固在拇指远关节轴上；所说的食指包括食指基座、食指电机、食指减速器、食指第一齿轮、食指第二齿轮、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、食指远关节轴和食指 末端指段，所说的食指电机和食指减速器与食指基座固接，食指电机的输出轴与食指减速器 的输入轴相连，食指减速器的输出轴与食指第一齿轮固接，食指第一齿轮与食指第二齿轮啮 合，食指第二齿轮套固在食指近关节轴上，所说的食指近关节轴套设在食指基座中，所说的 食指中关节轴套设在食指第一中部指段中，所说的食指远关节轴套设在食指第二中部指段中， 所说的食指末端指段套固在食指远关节轴上；所说的中指、无名指、小指与食指结构相同；所说的手掌包括手掌骨架、手掌电机、手 掌减速器、手掌第一齿轮、手掌第二齿轮和手掌关节轴；所说的手掌电机和手掌减速器与手 掌骨架固接，手掌电机的输出轴与手掌减速器的输入轴相连，手掌减速器的输出轴与手掌第 一齿轮固接，手掌第一齿轮与手掌第二齿轮啮合，手掌第二齿轮套固在手掌关节轴上，手掌 关节轴套设在手掌骨架中，拇指基座套固在手掌关节轴上；所说的食指通过食指基座与手掌 骨架固接，所说的中指、无名指、小指分别与手掌骨架固接，连接方式同食指一致；所说的 食指、中指、无名指、小指和拇指与手掌之间的相对位置模仿人手各手指与手掌的相对位置；其特征在于a、 拇指包括拇指主动齿轮、拇指齿条、拇指从动齿轮和拇指簧件，所说的拇指中部指段 套接在拇指近关节轴上，所说的拇指主动齿轮套固在拇指近关节轴上，拇指从动齿轮套固在 拇指远关节轴上，拇指齿条镶嵌在拇指中部指段中，拇指齿条与拇指主动齿轮啮合，拇指齿 条与拇指从动齿轮啮合，拇指簧件的两端分别连接拇指中部指段和拇指末端指段；b、 食指包括食指近关节主动齿轮、食指中关节齿条、食指中关节从动齿轮、食指中关节 簧件、食指中关节主动齿轮、食指远关节齿条、食指远关节从动齿轮和食指远关节簧件；所 说的食指第一中部指段套接在食指近关节轴上，所说的食指第二中部指段套接在食指中关节 轴上；所说的食指近关节主动齿轮套固在食指近关节轴上，食指中关节从动齿轮套固在食指 中关节轴上，食指中关节齿条镶嵌在食指第一中部指段中，食指中关节齿条与食指近关节主动齿轮啮合，食指中关节齿条与食指中关节从动齿轮啮合，食指中关节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；所说的食指中关节主动齿轮套固在食指中关节轴上， 食指远关节从动齿轮套固在食指远关节轴上，食指远关节齿条镶嵌在食指第二中部指段中， 食指远关节齿条与食指中关节主动齿轮啮合，食指远关节齿条和食指远关节从动齿轮啮合， 食指远关节簧件的两端分别连接食指第二中部指段和食指末端指段。本发明所述的齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于所说的拇指簧件、 食指中关节簧件、食指远关节簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性 绳。本发明所述的齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于所说的食指、中 指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的中关节簧件的弹力限制作 用。本发明具有以下优点及突出性效果该装置具有5个可以主动驱动和独立控制的拟人手指，各手指均可以独立运动；具有15 个关节自由度，其中包括6个电机驱动的主动关节和9个欠驱动关节；各手指的欠驱动关节 均采用齿轮齿条和簧件驱动的一种模块化结构，既降低了成本也便于维修，电机、传动机构 全部藏入手内，结构简单、重量轻、控制容易、集成度高；整个装置外观、尺寸和动作模仿 人手，具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能，可以变抓取力抓取物体，适合安 装在拟人机器人上使用。
图1是本发明的一种齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的实施例正视图，此时拇 指已摆动到手掌侧面。图2是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的侧面外观图，此时拇指已摆 动到手掌的正对面。图3是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的俯视外观图，此时拇指已摆 动到手掌的正对面。(虚线部分表示转到手掌侧面的拇指。)图4是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的正面局部剖视图，此时拇指 已摆动到与手掌侧面。图5是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指的正面外观图，未完整 画出拇指基座。图6是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指的侧面外观图，未完整 画出拇指基座。图7是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指正面剖视图，未完整画 出拇指基座。图8是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指侧面剖视图，未完整画 出拇指基座。图9是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指齿条镶嵌在拇指中部指段中的位置示意图，也是图8的A—A剖面图。图IO是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的拇指簧件、拇指远关节轴、拇指末端指段和拇指中部指段之间的相对位置和连接示意。图11是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的正面外观图。 图12是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的侧面外观图。 图13是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的正面剖视图。 图14是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指的侧面剖视图。 图15是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指中关节齿条镶嵌在食指第一中部指段中的位置示意图，也是图14的A—A剖面图。图16是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指远关节齿条镶嵌在食指第二中部指段中的位置示意图，也是图14的B—B剖面图。图17是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指中关节簧件、食指中关节轴、食指第二中部指段和食指第一中部指段之间的相对位置和连接示意。图18是本实施例齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置的食指远关节簧件、食指远关节轴、食指末端指段和食指第二中部指段之间的相对位置和连接示意。图19、图20、图21、图22是本实施例的拇指在抓取物体过程中的几个关键位置的侧面外观示意图。图23、图24、图25是是本实施例的拇指在抓取物体过程中的几个关键位置的侧面剖视 示意图，分别对应图19、图20、图21的位置。图26、图27、图28、图29、图30、图31、图32是本实施例的食指在抓取物体过程中 的几个关键位置的侧面外观示意图。图33、图34、图35、图36是是本实施例的食指在抓取物体过程中的几个关键位置的侧面剖视示意图，分别对应图26 在图1至图32中 1_手掌， 4_中指， ll一手掌电机， 14一手掌扭簧， 17—手掌骨架， 21—拇指基座， 24 —拇指中部指段， 27—拇指主动齿轮， 210—拇指簧件， 212—拇指第一齿轮， 31—食指基座，图27、图28、图29的位置'2_拇指， 5 —无名指， 12—手掌关节轴， 15 —减速器，3_食指 6_小指13 —手掌第一齿轮， 16—手掌第二齿轮，22—拇指电机， 25 —拇指远关节轴， 28 —拇指齿条， 211 —拇指减速器， 213 —拇指第二齿轮， 32—食指电机，23 —拇指近关节轴， 26—拇指末端指段， 29—拇指从动齿轮，33—食指近关节轴，34—食指第一中部指段， 35 —食指中关节轴， 36—食指第二中部指段，37—食指远关节轴， 38—食指末端指段， 39—食指近关节主动齿轮，310—食指中关节齿条， 311—食指中关节从动齿轮，312 —食指中关节簧件，313 —食指中关节主动齿轮， 314—食指远关节齿条，315 —食指远关节从动齿轮， 316—食指远关节簧件， 317—食指减速器， 318 —食指第一齿轮， 319—食指第二齿轮。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。本发明设计的一种齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置实施例外观如图1、图2、图 3所示，主要包括手掌l、拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6。本实施例的正面的局 部剖视图如图4所示。本实施例的拇指外观及剖视图如图5、图6、图7、图8、图9、图IO 所示(未完整画出拇指基座)。本实施例的食指外观及剖视图如图11、图12、图13、图14、 图15、图16、图17、图18所示。本实施例的拇指抓取物体过程中几个关键位置示意如图19、 图20、图21、图22所示。本实施例的拇指抓取物体过程中几个关键位置的剖视示意如图23、 图24、图25所示。本实施例的食指抓取物体过程中几个关键位置示意如图26、图27、图28、 图29所示。本实施例的食指抓取物体过程中几个关键位置的剖视示意如图33、图34、图35、 图36所示。本实施例的中指、无名指、小指与食指结构相同，所不同的只是大小尺寸，工作 原理也一致。本实施例的拇指的工作原理与食指的工作原理也类似，只是少一个转动关节。所说的拇指2包括拇指基座21、拇指电机22、拇指减速器211、拇指第一齿轮212、拇 指第二齿轮213、拇指近关节轴23、拇指中部指段24、拇指远关节轴25和拇指末端指段26; 所说的拇指电机22和拇指减速器211与拇指基座21固接，拇指电机22的输出轴与拇指减速 器211的输入轴相连，拇指减速器211的输出轴与拇指第一齿轮212固接，拇指第一齿轮212 与拇指第二齿轮213啮合，拇指第二齿轮213套固在拇指近关节轴23上，所说的拇指近关节 轴23套设在拇指基座21中，所说的拇指远关节轴25套设在拇指中部指段24中，所说的拇 指末端指段26套固在拇指远关节轴25上；所说的食指3包括食指基座31、食指电机32、食指减速器317、食指第一齿轮318、食 指第二齿轮319、食指近关节轴33、食指第一中部指段34、食指中关节轴35、食指第二中部 指段36、食指远关节轴37和食指末端指段38，所说的食指电机32和食指减速器317与食指 基座31固接，食指电机32的输出轴与食指减速器317的输入轴相连，食指减速器317的输 出轴与食指第一齿轮318固接，食指第一齿轮318与食指第二齿轮319啮合，食指第二齿轮 319套固在食指近关节轴33上，所说的食指近关节轴33套设在食指基座31中，所说的食指 中关节轴35套设在食指第一中部指段34中，所说的食指远关节轴37套设在食指第二中部指 段36中，所说的食指末端指段38套固在食指远关节轴37上；所说的中指4、无名指5、小指6与食指3结构相同，仅尺寸大小不同；所说的手掌l包 括手掌骨架17、手掌电机ll、手掌减速器15、手掌第一齿轮13、手掌第二齿轮16和手掌关 节轴12;所说的手掌电机11和手掌减速器15与手掌骨架17固接，手掌电机ll的输出轴与手掌减速器15的输入轴相连，手掌减速器15的输出轴与手掌第一齿轮13固接，手掌第一齿 轮13与手掌第二齿轮16啮合，手掌第二齿轮16套固在手掌关节轴12上，手掌关节轴12套 设在手掌骨架17中，拇指基座21套固在手掌关节轴12上；所说的食指3通过食指基座31与手掌骨架17固接，所说的中指4、无名指5、小指6分 别与手掌骨架17固接，连接方式同食指3—致；所说的食指3、中指4、无名指5、小指6 和拇指2与手掌1之间的相对位置模仿人手各手指与手掌的相对位置；拇指2包括拇指主动齿轮27、拇指齿条28、拇指从动齿轮29和拇指簧件210;所说的拇 指中部指段24套接在拇指近关节轴23上，所说的拇指主动齿轮27套固在拇指近关节轴23 上，拇指从动齿轮29套固在拇指远关节轴25上，拇指齿条28镶嵌在拇指中部指段24中， 拇指齿条28与拇指主动齿轮27啮合，拇指齿条与拇指从动齿轮29啮合，拇指簧件210的两 端分别连接拇指中部指段24和拇指末端指段26;食指3包括食指近关节主动齿轮39、食指中关节齿条310、食指中关节从动齿轮311、食 指中关节簧件312、食指中关节主动齿轮313、食指远关节齿条314、食指远关节从动齿轮315 和食指远关节簧件316;所说的食指第一中部指段34套接在食指近关节轴33上，所说的食 指第二中部指段36套接在食指中关节轴35上；所说的食指近关节主动齿轮39套固在食指近 关节轴33上，食指中关节从动齿轮311套固在食指中关节轴35上，食指中关节齿条310镶 嵌在食指第一中部指段34中，食指中关节齿条310与食指近关节主动齿轮39啮合，食指中 关节齿条310与食指中关节从动齿轮311啮合，食指中关节簧件312的两端分别连接食指第 一中部指段34和食指第二中部指段36;所说的食指中关节主动齿轮313套固在食指中关节 轴35上，食指远关节从动齿轮315套固在食指远关节轴37上，食指远关节齿条314镶嵌在 食指第二中部指段36中，食指远关节齿条314与食指中关节主动齿轮313啮合，食指远关节 齿条314和食指远关节从动齿轮315啮合，食指远关节簧件316的两端分别连接食指第二中 部指段36和食指末端指段38。本实施例还包括手掌扭簧14，所说的手掌扭簧14的一端连接手掌关节轴12，另一端连 接手掌骨架17。本实施例中，拇指齿条28、食指中关节齿条310、食指远关节齿条314采用平带，所说 的拇指主动齿轮27、食指近关节主动齿轮39、食指中关节主动齿轮313采用带轮，所说的拇 指从动齿轮29、食指中关节从动齿轮311、食指远关节从动齿轮315釆用带轮。本发明所述的齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，所说的拇指簧件210、食指中关 节簧件312、食指远关节簧件316采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性 绳。本实施例中，拇指簧件210、食指中关节簧件312、食指远关节簧件316采用扭簧。 本发明所述的齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，所说的食指、中指、无名指、 小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的中关节簧件的弹力限制作用。本实施例中，食指、中指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的中关节簧件的弹力限制作用。 下面介绍该装置的工作原理。(a) 手掌关节轴12转动的工作原理为手掌电机ll转动，带动手掌减速器15转动，手掌第一齿轮13转动，使手掌第二齿轮16 转动，使手掌关节轴12转动，于是带动拇指2整体绕着手掌关节轴12的轴线转动，实现了 拇指2在手掌1侧面和正对面的来回侧向摆动。当需要抓取物体时，先将拇指2摆动到手掌 l正对面，如图l、 3、 4所示。不需要抓取物体时，将拇指2摆动到手掌1侧面，如图2及 图3的虚线所示拇指位置所示。(b) 拇指2工作原理为拇指2的初始位置如图19、图23所示，此时类似于人的手指伸直的位置。 当本实施例装置抓取物体时，拇指电机22的输出轴转动，拇指减速器211转动，拇指第一齿轮转动212，带动拇指第二齿轮213转动，使拇指近关节轴23转动，带动拇指主动齿轮27转动。由于拇指簧件210的弹力限制作用，拇指中部指段24与拇指末端指段26仿佛固接在一 起的"刚体"，而且拇指中部指段24是套接在拇指近关节轴23上的，并没有固接在拇指近关 节轴23上，因此拇指主动齿轮27的转动将通过拇指齿条28、拇指从动齿轮29、拇指远关节 轴25，优先带动拇指中部指段24和拇指末端指段26作为一个整体一起绕着拇指近关节轴23 转动。若在此过程中，拇指末端指段26碰到物体被阻挡时，拇指抓取结束，如图22所示； 否则直到拇指中部指段24碰到物体，如图20、图24所示。当拇指中部指段24碰到物体被阻挡而无法继续旋转时，此时拇指主动齿轮27的转动将 使拇指齿条28相对拇指中部指段24移动，使拇指从动齿轮29转动，使得拇指远关节轴25 转动，从而使末端指段26克服拇指簧件210的变形弹力而转动，同时拇指簧件210变形量逐 渐增大。此过程直到拇指末端指段26也碰到物体，拇指抓取结束，如图21、图25所示。至 此，拇指中部指段24和拇指末端指段26均分别绕拇指近关节轴23和拇指远关节轴25的轴 线转动并抓紧了物体。当放开物体时，拇指电机22反转，通过拇指减速器211、拇指第一齿轮212、拇指第二 齿轮213带动拇指近关节轴23反转，带动拇指主动齿轮27反转，从而通过拇指齿条28带动 拇指从动齿轮29反向转动，此时拇指簧件210的变形量逐渐减小，拇指末端指段26绕拇指 远关节轴25的轴线反转，直到拇指末端指段26已到达伸直状态，如图20、图24所示。在 拇指中部指段24的后背上方有凸台可以限制拇指末端指段26反向转动超过其初始伸直的位 置。由于被拇指中部指段24阻挡而不能再继续反转，此时拇指电机22继续反向转动，将带 动整个拇指中部指段24、拇指远关节轴25、拇指从动齿轮29和拇指末端指段26作为一个整 体一起绕着拇指近关节轴23的轴线反向转动，最终恢复到拇指2初始伸直的位置，如图19、 图23所示。(c) 食指3、中指4、无名指5、小指6结构和工作原理相同，所不同的仅是尺寸大小的不同，以食指3为例介绍其工作原理如下-图26、图33为食指还未开始抓取物体的初始伸直位置的剖视示意图。当抓取物体时，食指电机32转动，食指减速器317转动，食指第一齿轮318转动，带动 食指第二齿轮319转动，使食指近关节轴33转动，带动食指近关节主动齿轮39转动。由于 食指中关节簧件312和食指远关节簧件316的弹力限制作用，食指第一中部指段34、食指第 二中部指段36和食指末端指段38就像一个固接的刚体一般，因此，食指近关节主动齿轮39 的转动将通过食指中关节齿条310、食指中关节从动齿轮311、食指中关节轴35，带动食指 第一中部指段34、食指第二中部指段36和食指末端指段38作为一个整体绕食指近关节轴33 的轴线转动。有三种情况(cl)当食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束，如图32所示。(c2)当食指第二中部指段36碰到物体被阻挡，如图30所示。此时，食指近关节主动齿轮 39继续转动，将通过食指中关节齿条310、食指中关节从动齿轮311、食指中关节主动齿轮 313、食指远关节齿条314的传动，带动食指远关节从动齿轮315、食指远关节轴37、食指末 端指段38克服食指远关节簧件316的变形弹力而绕食指远关节轴37的轴线转动，最终食指 末端指段38碰到物体被阻挡时，如图31所示，食指3抓取结束。(c3)当食指第一中部指段34碰到物体被阻挡不能再继续转动，如图27、图34所示。由于 食指远关节簧件的弹力限制作用强于食指中关节簧件的弹力限制作用，此时食指近关节主动 齿轮39继续转动，通过食指中关节齿条310、食指中关节从动齿轮311、食指中关节轴35、 食指中关节主动齿轮313、食指远关节齿条314的传动，拉动食指第二中部指段36和食指末 端指段38作为一个整体抵抗食指中关节簧件312的变形弹力而绕食指中关节轴35的轴线转 动。此过程中，若食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束。若食指第二中部指段36碰到物体被阻挡不能再继续转动，如图28、图35所示。此时食 指近关节主动齿轮39继续转动，将依次通过食指中关节齿条310、食指中关节从动齿轮311、 食指中关节轴35、食指中关节主动齿轮313、食指远关节齿条314的转动传动，拉动食指远 关节从动齿轮315、食指远关节轴37和食指末端指段38作为一个整体绕食指远关节轴37的 轴线转动。直到食指末端指段38碰到物体被阻挡时，食指3抓取结束，如图29、 36所示。以食指的第一中部指段、食指的第二中部指段、食指的末端指段均接触物体的一般情形， 如图29、 36所示，来介绍食指放开物体的工作原理。当放开物体时，食指电机32反转，食指减速器317反转，食指第一齿轮318反转，食指 第二齿轮319反转，带动食指近关节轴3反转，带动食指近关节主动齿轮39反转，带动食指 中关节齿条310相对食指第一中部指段34移动，通过食指中关节从动齿轮311、食指中关节 轴35、食指中关节主动齿轮313的反转，带动食指远关节齿条314相对于食指第二中部指段 36移动，使食指远关节从动齿轮315、食指远关节轴37、食指末端指段38反向转动，同时 食指远关节簧件316的变形随之逐渐减小为零，此时食指末端指段38己经反向转动到其相对 于食指第二中部指段36的初始伸直位置，如图28、图35所示。由于在食指第二中部指段36的后背上方有凸台，可以阻止食指末端指段38反转时超过其伸直的初始位置，因此受到食指 第二中部指段36的阻碍，食指末端指段38将不再反转。此时食指中关节主动齿轮313将拉 动已经伸直的食指第二中部指段36和食指末端指段38作为一个整体一起绕食指中关节轴35 的轴线反向转动，同时食指中关节簧件312的变形随之逐渐减小，此时食指第二中部指段36 已经反向转动到其相对于食指第一中部指段34的初始伸直位置，如图27、图34所示。由于 在食指第一中部指段34的后背上方有凸台，可以阻止食指第二指段36反转时超过其伸直的 初始位置，因此受到食指第一中部指段34的阻碍，食指第二中部指段36将不再反转。食指 近关节主动齿轮39将拉动已经伸直的食指第一中部指段34、食指第二中部指段36、食指末 端指段38作为一个整体一起绕食指近关节轴33的轴线反向转动，直到食指3完全恢复到最 开始的伸直位置，如图26、图33所示。中指、无名指、小指的抓取原理与食指完全相同，不再赘述。
权利要求
1、一种齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，包括拇指、食指、中指、无名指、小指和手掌；所说的拇指(2)包括拇指基座(21)、拇指电机(22)、拇指减速器(211)、拇指第一齿轮(212)、拇指第二齿轮(213)、拇指近关节轴(23)、拇指中部指段(24)、拇指远关节轴(25)和拇指末端指段(26)；所说的拇指电机(22)和拇指减速器(211)与拇指基座(21)固接，拇指电机(22)的输出轴与拇指减速器(211)的输入轴相连，拇指减速器(211)的输出轴与拇指第一齿轮(212)固接，拇指第一齿轮(212)与拇指第二齿轮(213)啮合，拇指第二齿轮(213)套固在拇指近关节轴(23)上，所说的拇指近关节轴(23)套设在拇指基座(21)中，所说的拇指远关节轴(25)套设在拇指中部指段(24)中，所说的拇指末端指段(26)套固在拇指远关节轴(25)上；所说的食指(3)包括食指基座(31)、食指电机(32)、食指减速器(317)、食指第一齿轮(318)、食指第二齿轮(319)、食指近关节轴(33)、食指第一中部指段(34)、食指中关节轴(35)、食指第二中部指段(36)、食指远关节轴(37)和食指末端指段(38)，所说的食指电机(32)和食指减速器(317)与食指基座(31)固接，食指电机(32)的输出轴与食指减速器(317)的输入轴相连，食指减速器(317)的输出轴与食指第一齿轮(318)固接，食指第一齿轮(318)与食指第二齿轮(319)啮合，食指第二齿轮(319)套固在食指近关节轴(33)上，所说的食指近关节轴(33)套设在食指基座(31)中，所说的食指中关节轴(35)套设在食指第一中部指段(34)中，所说的食指远关节轴(37)套设在食指第二中部指段(36)中，所说的食指末端指段(38)套固在食指远关节轴(37)上；所说的中指(4)、无名指(5)、小指(6)与食指(3)结构相同；所说的手掌(1)包括手掌骨架(17)、手掌电机(11)、手掌减速器(15)、手掌第一齿轮(13)、手掌第二齿轮(16)和手掌关节轴(12)；所说的手掌电机(11)和手掌减速器(15)与手掌骨架(17)固接，手掌电机(11)的输出轴与手掌减速器(15)的输入轴相连，手掌减速器(15)的输出轴与手掌第一齿轮(13)固接，手掌第一齿轮(13)与手掌第二齿轮(16)啮合，手掌第二齿轮(16)套固在手掌关节轴(12)上，手掌关节轴(12)套设在手掌骨架(17)中，拇指基座(21)套固在手掌关节轴(12)上；所说的食指(3)通过食指基座(31)与手掌骨架(17)固接，所说的中指(4)、无名指(5)、小指(6)分别与手掌骨架(17)固接，连接方式同食指(3)一致；所说的食指(3)、中指(4)、无名指(5)、小指(6)和拇指(2)与手掌(1)之间的相对位置模仿人手各手指和手掌的相对位置；其特征在于a、拇指(2)包括拇指主动齿轮(27)、拇指齿条(28)、拇指从动齿轮(29)和拇指簧件(210)；所说的拇指中部指段(24)套接在拇指近关节轴(23)上，所说的拇指主动齿轮(27)套固在拇指近关节轴(23)上，拇指从动齿轮(29)套固在拇指远关节轴(25)上，拇指齿条(28)镶嵌在拇指中部指段(24)中，拇指齿条(28)与拇指主动齿轮(27)啮合，拇指齿条与拇指从动齿轮(29)啮合，拇指簧件(210)的两端分别连接拇指中部指段(24)和拇指末端指段(26)；b、食指(3)包括食指近关节主动齿轮(39)、食指中关节齿条(310)、食指中关节从动齿轮(311)、食指中关节簧件(312)、食指中关节主动齿轮(313)、食指远关节齿条(314)、食指远关节从动齿轮(315)和食指远关节簧件(316)；所说的食指第一中部指段(34)套接在食指近关节轴(33)上，所说的食指第二中部指段(36)套接在食指中关节轴(35)上；所说的食指近关节主动齿轮(39)套固在食指近关节轴(33)上，食指中关节从动齿轮(311)套固在食指中关节轴(35)上，食指中关节齿条(310)镶嵌在食指第一中部指段(34)中，食指中关节齿条(310)与食指近关节主动齿轮(39)啮合，食指中关节齿条(310)与食指中关节从动齿轮(311)啮合，食指中关节簧件(312)的两端分别连接食指第一中部指段(34)和食指第二中部指段(36)；所说的食指中关节主动齿轮(313)套固在食指中关节轴(35)上，食指远关节从动齿轮(315)套固在食指远关节轴(37)上，食指远关节齿条(314)镶嵌在食指第二中部指段(36)中，食指远关节齿条(314)与食指中关节主动齿轮(313)啮合，食指远关节齿条(314)和食指远关节从动齿轮(315)啮合，食指远关节簧件(316)的两端分别连接食指第二中部指段(36)和食指末端指段(38)。
2、 如权利要求1所述的齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于所说的 拇指簧件(210)、食指中关节簧件(312)、食指远关节簧件(316)釆用扭簧、拉簧、压簧、片簧、 板簧、发条、皮筋或弹性绳。
3、 如权利要求1或2所述的齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，其特征在于所 说的食指、中指、无名指、小指的远关节簧件的弹力限制作用分别强于该手指的中关节簧件 的弹力限制作用。
全文摘要
齿条欠驱动模块化拟人机器人多指手装置，属于拟人机器人技术领域，包括拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌；中指、无名指、小指与食指结构相同，各采用1个电机驱动3个关节转动；手掌采用1个电机驱动拇指根部的侧摆转动，拇指采用1个电机驱动2个关节转动。该装置具有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齿轮齿条及簧件驱动的一种模块化结构，电机、传动机构藏入手内，结构简单、重量轻、控制容易、集成度高；整个装置外观、尺寸和动作模仿人手，具有对不同形状、尺寸的物体自动包络抓取的功能，适合安装在拟人机器人上使用。
文档编号B25J15/00GK101214656SQ200810055898
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者欢 刘, 伟 张, 张文增, 段宇波, 东 都, 强 陈 申请人:清华大学