机器人拟人多指手装置 【技术领域】
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种机器入拟人多指手装置的结构设计。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。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尽量高的拟人化的前提下，尽量减少手部的驱动器数目。
一种已有的机器人拟人多指手装置的结构，如国内发明专利CN1136988A，包括独立的3个手指，每个手指有3个关节，整个手具有9个关节自由度，采用由电机牵动钢丝绳，由钢丝绳牵动手指指节的三关节驱动机构组合而成。其不足之处为：该装置关节数目多，控制复杂；在手部的外部有一个体积很大的驱动箱，用于安装驱动器和绕制钢丝绳；该装置无论从控制、外观、重量还是体积上，都不适合安装于拟人机器人上使用。
一种已有的机器人拟人多指手装置，如国内发明专利CN1365877A，包括一个手掌、一个外形像人手四指(食指、中指、无名指、小指)的食指，一个拇指。食指有2个主动驱动的关节自由度，拇指有1个主动驱动的关节自由度和1个欠驱动地关节自由度。其不足之处为：该手实际仅有2个手指，其食指仅2个关节，整个手仅有4个关节自由度，这些与人手从外观、手指数目、关节自由度数目、动作灵活性上均相差较大。发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种机器人拟人多指手装置。该装置手指多、关节自由度多、集成度高，需要的电机驱动器少，驱动器全部藏入手里，体积小、重量轻、控制容易，外观、尺寸和动作均更加模仿人手，能够实现招手、握拳、稳定抓取不同形状、尺寸的物体的功能，适合安装在拟人机器人上使用。
本发明采用如下技术方案：一种机器人拟人多指手装置，主要包括手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指、拇指根部关节、四指根部关节；所说的拇指包括拇指根部指节、拇指末端欠驱动关节、拇指末端指节；其特征在于：所说的食指、中指、无名指和小指均分别包括根部指节、中部欠驱动关节、中部指节、末端欠驱动关节、末端指节；所说的食指、中指、无名指和小指分别套接在同一个四指根部关节上与手掌相连，所说的拇指根部关节和四指根部关节为电机驱动的主动关节，所说的食指、中指、无名指、小指的中部欠驱动关节、末端欠驱动关节和拇指末端欠驱动关节均采用结构相同的一种欠驱动关节。
所说的欠驱动关节包括主动滑块、齿条、关节齿轮轴、弹簧，其连接关系为：所说的关节齿轮轴套设在两个指节之间，并与远离手掌的一个指节固接，所说的主动滑块镶嵌在靠近手掌的一个指节中，所说的齿条固接在主动滑块上并与关节齿轮轴上的齿轮啮合，所说的弹簧设置在靠近手掌的一个指节与主动滑块之间。
所说的四指根部关节包括电机、与电机相连的减速器、与减速器相连的传动机构、与传动机构相连的关节轴、食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧，其连接关系为：所说的关节轴套设于手掌与食指、中指、无名指、小指的根部指节之间，所说的电机、减速器和传动机构设置在手掌中，所说的食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧的一端分别与关节轴固接，其另一端分别插入食指、中指、无名指和小指的根部指节。
所说的传动机构采用齿轮传动机构、齿轮齿条传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构、腱络传动机构、连杆传动机构或滚珠丝杠传动机构中任意一种。
四指根部关节还包括扭簧，其两端分别与所说的关节轴、手掌相连。
为了实现速度闭环控制，在所说的电机上安装有编码器作为速度传感器；为了实现关节转动位置闭环控制，在关节轴一端安装有电位器作为位置传感器；为了防止手指指节转动时关节转动角度过大，造成手部机械和电气损坏，在所说的手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指上安装有限位开关，限制关节转动角度范围。
为了实现握拳动作，欠驱动关节还包括一个固接在所说的主动滑动块上拨片。
为了增加机器人拟人多指手抓取物体时的感觉，在所说的手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指的部分或全部表面安装接近觉传感器、压力传感器、滑觉传感器、温度传感器中一种或多种。
所说的手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指的表面覆盖工业橡皮材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。
机器人拟人多指手的主要材料采用尼龙610，能较大程度的减轻重量。
本发明具有以下优点及突出性效果：该装置具有5个拟人手指、11个关节自由度，其中包括2个主动关节和9个欠驱动关节，集成度高，但仅需2个电机驱动器，驱动器全部藏入手掌内部，欠驱动关节均采用结构相同的一种模块化结构，整个装置体积小、重量轻、控制容易，兼顾实现多数抓取任务和外形、动作模仿人手，能够实现招手、握拳、稳定抓取不同形状、尺寸的物体的功能，适合安装在拟人机器人上使用。附图说明
图1是本发明的一种机器人拟人多指手的实施例侧面外观图，此时拇指已摆动到与手掌正对的位置。
图2是本实施例机器人拟人多指手的正面外观图，此时拇指已摆动到手掌的侧面。
图3是本实施例机器人拟人多指手的俯视外观图，此时拇指已摆动到手掌的侧面。(双点画线部分表示转到手掌正对面的拇指外观示意。)
图4是本实施例机器人拟人多指手的侧面结构图，为图5中的A-A视图，此时拇指已摆动到与手掌正对的位置。
图5是本实施例机器人拟人多指手的正面结构图，为图4中的B-B视图，此时拇指已摆动到手掌的侧面。
图6是本实施例机器人拟人多指手的中指的侧面外观图。
图7是本实施例机器人拟人多指手的中指的正面外观图。
图8是本实施例机器人拟人多指手的无名指的侧面外观图。
图9是本实施例机器人拟人多指手的无名指的正面外观图。
图10是本实施例机器人拟人多指手的小指的侧面外观图。
图11是本实施例机器人拟人多指手的小指的正面外观图。
图12是本实施例机器人拟人多指手握持圆柱物体的示意图。
在图1至图6中：
1是手掌， 2是拇指， 3是食指，
4是中指， 5是无名指， 6是小指，
7是拇指根部关节， 8是四指根部关节，
11是手掌表面板， 12是手掌侧面盖板， 13是手掌背面盖板，
14是手腕连接板， 15是手掌底部轴承板， 16是手掌骨架，
17是手掌侧面轴承板，
21是拇指根部指节， 22是拇指根部滑块表面罩，
23是拇指根部滑块表面板， 24是拇指末端指节，
25是拇指连接饭， 26是拇指肚滑块表面罩，
27是拇指根部背面板， 28是拇指根部侧面板， 29是拇指末端齿条，
210是拇指末端关节齿轮轴， 211是圆锥销，
212是弹簧， 213是拇指肚表面板， 214是拇指末端欠驱动关节，
31是食指根部表面板， 32是食指根部滑块体， 33是食指中部拨片，
34是食指中部表面板， 35是食指中部滑块体， 36是食指根部拨片，
38是食指根部背面板， 39是弹簧， 310是圆锥销，
311是食指中部背面板， 312是弹簧， 313是食指末端骨架，
314是食指根部骨架， 315是食指中部齿条，
316是食指中部关节齿轮轴， 317是食指中部骨架，
318是食指末端齿条， 319是食指末端关节齿轮轴，
320是食指根部滑块表面罩， 321是食指根部侧面板，
322是食指中部滑块表面罩， 323是食指中部侧面板， 324是圆锥销，
325是食指末端表面块， 326是食指中部欠驱动关节，327是食指末端欠驱动关节，
41是中指根部指节， 42是中指中部指节， 43是中指末端指节，
44是中指中部欠驱动关节， 45是中指末端欠驱动关节， 46是中指根部主动滑动块，
47是中指中部主动滑动块，
51是无名指根部指节， 52是无名指中部指节， 53是无名指末端指节，
54是无名指中部欠驱动关节， 55是无名指末端欠驱动关节，
56是无名指根部主动滑动块， 57是无名指中部主动滑动块，
61是小指根部指节， 62是小指中部指节， 63是小指末端指节，
64是小指中部欠驱动关节， 65是小指末端欠驱动关节， 66是小指根部主动滑动块，
67是小指中部主动滑动块，
71是拇指根部键孔块， 72是拇指根部小齿轮， 73是拇指根部减速器，
74是圆锥销， 75是拇指根部电机， 76是拇指根部关节齿轮轴，
77是扭簧， 78是滑动轴承，
81是编码器， 82是四指根部电机， 83是四指根部减速器，
84是四指根部键孔块， 85是四指根部齿轮， 86是四指根部关节齿轮轴，
87是滑动轴承， 88是食指根部拨块， 89是圆锥销，
810是食指片簧， 811是中指片簧， 812是无名指片簧，
813是小指片簧。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。
本发明设计的一种机器人拟人多指手装置实施例外观如图1、2、3所示，主要包括手掌1、拇指2、食指3、中指4、无名指5、小指6、拇指根部关节7、四指根部关节8；整个装置的外形与人手的外形相似。本实施例的详细结构图如图4、5所示。所说的拇指2包括拇指根部指节21、拇指末端欠驱动关节214、拇指末端指节24；所说的食指3、中指4、无名指5和小指6均分别包括根部指节、中部欠驱动关节、中部指节、末端欠驱动关节、末端指节；所说的食指、中指、无名指和小指分别套接在同一个四指根部关节8上与手掌1相连，所说的拇指根部关节7和四指根部关节8为电机驱动的主动关节，所说的食指、中指、无名指、小指的中部欠驱动关节、末端欠驱动关节和拇指末端欠驱动关节均采用结构相同的一种欠驱动关节。
本发明所采用的欠驱动关节包括主动滑块、齿条、关节齿轮轴、弹簧，其连接关系为：所说的关节齿轮轴套设在两个指节之间，并与远离手掌的一个指节固接，所说的主动滑块镶嵌在靠近手掌的一个指节中，所说的齿条固接在主动滑块上并与关节齿轮轴上的齿轮啮合，所说的弹簧设置在靠近手掌的一个指节与主动滑块之间。下面以含有2个这样欠驱动关节的食指为例详细介绍(参见图1、2、4、5)：
食指3包括食指根部表面板31、食指根部滑块体32、食指中部拨片33、食指中部表面板34、食指中部滑块体35、食指根部拨片36、食指根部背面板38、弹簧39、圆锥销310、食指中部背面板311、弹簧312、食指末端骨架313、食指根部骨架314、食指中部齿条315、食指中部关节齿轮轴316、食指中部骨架317、食指末端齿条318、食指末端关节齿轮轴319、食指根部滑块表面罩320、食指根部侧面板321、食指中部滑块表面罩322、食指中部侧面板323、圆锥销324、食指末端表面块325。其连接关系为：
根部骨架314套接在四指根部关节齿轮轴86上，可绕关节轴86旋转，根部骨架314与根部背面板38、根部侧面板321固接在一起，其中镶嵌可以自由直线运动的根部滑块体32，弹簧39设置在根部滑块体32与根部背面板321之间，使根部滑块体始终靠向外侧，根部滑块体外表面固接根部滑块表面罩320和根部表面板31，根部滑块体上固接中部齿条315和根部拨片36，中部齿条315与中部关节齿轮轴316啮合，中部关节齿轮轴316套设在根部骨架314与中部骨架317之间，并通过圆锥销310与中部骨架317固接，中部骨架317与中部背面板311、中部侧面板323固接在一起，其中镶嵌可以自由直线运动的中部滑块体35，弹簧312设置在中部滑块体35与中部背面板311之间，使中部滑块体始终靠向外侧，中部滑块体35外表面固接中部滑块表面罩322和中部表面板34，中部滑块体35上固接末端齿条318和中部拨片33，末端齿条318与末端关节齿轮轴319啮合，末端关节齿轮轴319套设在中部骨架317与末端骨架313之间，并通过圆锥销324与末端骨架313固接，末端表面块325与末端骨架313固接。
中指4、无名指5、小指6的结构与食指3结构相似，只是尺寸、零件的排布位置上的差别，因而对这三个手指下面只介绍其总体结构，不再赘述。
如图6、7所示，中指4包括中指根部指节41、中指中部指节42、中指末端指节43、中指中部欠驱动关节44、中指末端欠驱动关节45、中指根部主动滑动块46、中指中部主动滑动块47。其连接关系为：中指根部指节41套设在四指根部关节齿轮轴86上，其中镶嵌中指根部主动滑动块46，中指中部欠驱动关节44套设在中指根部指节41和中指中部指节44之间，中指中部指节44中镶嵌中指中部主动滑动块47，中部末端欠驱动关节43套设在中指中部指节44和中指末端指节45之间。
如图8、9所示，无名指5包括无名指根部指节51、无名指中部指节52、无名指末端指节53、无名指中部欠驱动关节54、无名指末端欠驱动关节55、无名指根部主动滑动块56、无名指中部主动滑动块57。其连接关系为：无名指根部指节51套设在四指根部关节齿轮轴86上，其中镶嵌无名指根部主动滑动块56，无名指中部欠驱动关节54套设在无名指根部指节51和无名指中部指节54之间，无名指中部指节54中镶嵌无名指中部主动滑动块57，中部末端欠驱动关节53套设在无名指中部指节54和无名指末端指节55之间。
如图10、11所示，小指6包括小指根部指节61、小指中部指节62、小指末端指节63、小指中部欠驱动关节64、小指末端欠驱动关节65、小指根部主动滑动块66、小指中部主动滑动块67。其连接关系为：小指根部指节61套设在四指根部关节齿轮轴86上，其中镶嵌小指根部主动滑动块66，小指中部欠驱动关节64套设在小指根部指节61和小指中部指节64之间，小指中部指节64中镶嵌小指中部主动滑动块67，中部末端欠驱动关节63套设在小指中部指节64和小指末端指节65之间。
拇指2包括拇指根部指节21、拇指根部滑块表面罩22、拇指根部滑块表面板23、拇指末端指节24、拇指连接板25、拇指肚滑块表面罩26、拇指根部背面板27、拇指根部侧面板、拇指末端齿条29、拇指末端关节齿轮轴210、圆锥销211、弹簧212、拇指肚表面板213。其连接关系为：拇指连接板25套固在拇指根部关节齿轮轴76上，其上固接拇指根部指节21，拇指肚滑块表面罩26扣在连接板25上，可以相对连接板作直线滑动，弹簧212设置在连接板与滑块表面罩26之间，滑块表面板23与滑块表面罩26固接，其余部分的连接关系与食指3的末端欠驱动关节327完全相同，请参考后面的食指部分的描述。
机器人拟人多指手的拇指根部关节7为侧摆转动，即在手掌的侧面与正对面来回转动，拇指末端欠驱动关节214向食指3、中指4方向转动或反向转动。四指根部关节8，除拇指外的其他手指3、4、5、6的中部欠驱动关节326、44、54、64和末端欠驱动关节327、45、55、65均向手掌1方向转动或反向转动。这样安排关节，兼顾了实现多数抓取功能和手部的拟人化特点。
所说的四指根部关节8包括编码器81、电机82、与电机相连的减速器83、与减速器相连的由四指根部键孔块84、四指根部齿轮85组成的传动机构、与传动机构相连的关节轴86、滑动轴承87、食指根部拨块88、圆锥销89、食指片簧810、中指片簧811、无名指片簧812、小指片簧813，其连接关系为：所说的关节轴86套设于手掌与食指、中指、无名指、小指的根部指节之间，所说的电机、减速器和传动机构设置在手掌中，电机82与减速器83设置在手掌中，电机82的输出轴与减速器83相连，减速器83输出轴与键孔块84、齿轮85相连，齿轮85与关节齿轮轴86相连。食指根部拨块88通过圆锥销89与关节齿轮轴86固接，食指片簧810的一端与拨块88固接，另一端插入食指3中，中指片簧811、无名指片簧812、小指片簧813分别与关节齿轮轴86按照类似食指片簧810的方式与关节齿轮轴86固接，它们的另一端分别插入中指4、无名指5、小指6。编码器81与电机82固接，测量电机的转速用。
所说的传动机构采用了齿轮传动机构，也可以采用齿轮齿条传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构、腱络传动机构、连杆传动机构或滚珠丝杠传动机构中任意一种。所说的四指根部关节还可包括扭簧，其两端分别与所说的关节轴、手掌相连，用于消除传动机构传动过程中产生的间隙。
拇指根部关节7为电机驱动的主动关节，包括拇指根部键孔块71，拇指根部小齿轮72，拇指根部减速器73，圆锥销74，拇指根部电机75，拇指根部关节齿轮轴76，扭簧77，滑动轴承78。其连接关系为：关节齿轮轴76套设于手掌1与拇指连接板25之间，并与拇指连接板25通过圆锥销74固接在一起。滑动轴承78设置在关节齿轮轴76与手掌1之间。电机75与所说的减速器73设置在手掌1中，电机75的输出轴与减速器73相连，减速器73输出轴与键孔块71、小齿轮72固接，小齿轮72与关节齿轮轴76啮合，扭簧77两端分别与关节齿轮轴76和手掌1相连。
为了实现速度闭环控制，在电机82上安装有编码器81作为速度传感器；为了实现关节转动位置闭环控制，在关节轴一端可安装有电位器作为位置传感器；为了防止手指指节转动时关节转动角度过大，造成手部机械和电气损坏，在所说的手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指上可安装有限位开关，限制关节转动角度范围。
为了增加机器人拟人多指手抓取物体时的感觉，在所说的手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指的部分或全部表面安装接近觉传感器、压力传感器、滑觉传感器、温度传感器中一种或多种。
所说的手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指的表面覆盖工业橡皮材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。
机器人拟人多指手的主要材料采用尼龙610，少数关键零件(7、27、34等)采用硬铝合金LY12，齿轮和齿轮轴采用45钢(调质后)，弹簧钢片、扭簧、弹簧采用弹簧钢，手掌、手指表面板采用工业橡皮，从而较大程度的减轻了重量。
下面介绍该装置的工作原理：
拇指根部关节7的工作原理为：
电机75通过减速器73减速后，带动小齿轮72转动，驱动相应的关节齿轮轴76转动，带动拇指2转动。利用在关节齿轮轴76与手掌1之间连接的扭簧77，消除齿轮传动中产生的间隙。
四指根部关节8的工作原理为：
电机82通过减速器83减速后，带动齿轮85转动，驱动关节齿轮轴86转动，带动各手指的片簧810、811、812、813绕关节齿轮轴86的轴线转动，这些片簧的另一端拨动各手指3、4、5、6同时转动，直到手指均接触物体，然后关节齿轮轴86继续转动一个小角度，使各片簧适当变形，此时停止电机82，这些片簧的变形弹力使手指对物体保持一定的抓取力。如果关节齿轮轴86转动中，某个手指先接触物体后停止转动，此时，该手指的相应的片簧开始弯曲变形，其他手指仍继续转动，直到第二个手指接触物体，……，如此继续下去，直到四个手指均接触物体。这样一方面由于各手指的根部关节看似独立的一般，增加抓取不同形状、大小物体的适应性和手外观的拟人性，另一方面，由于抓取力随片簧变形的增大而增大，可以实现抓取力的控制。
拇指末端欠驱动关节214、食指中部欠驱动关节326、食指末端欠驱动关节327、中指中部欠驱动关节44、中指末端欠驱动关节45、无名指中部欠驱动关节54、无名指末端欠驱动关节55、小指中部欠驱动关节64、小指末端欠驱动关节65为不用电机直接驱动的欠驱动关节，均采用了模块化结构。下面以食指3为例介绍其工作原理。
本实施例机器人拟人手抓取物体的情况如图12所示，抓取物体的工作原理为(主要以食指3为例)：
当抓取物体时，拇指2再电机75带动下转动到手掌正对面的位置，在电机82带动下，四指根部关节8转动，各手指3、4、5、6压迫物体，此时，物体挤压食指根部滑块31、320、32，根部滑块31、320、32沿垂直手指表面向根部指节314、321、38里平移，其上固接的中部齿条315带动中部关节齿轮轴316以较大的幅度转动，与关节齿轮轴316固接的中部指节骨架317也相应大角度绕中部欠驱动关节轴线326转动，直到中部滑动块34、35、322接触并压迫物体，物体的反作用力使中部滑动块34、35、322沿垂直手指表面向中部指节323、317、311里平移，其上固接的末端齿条318带动末端关节齿轮轴319以较大的幅度转动，与关节齿轮轴319固接的末端指节骨架313和末端指节表面块325也相应大角度绕末端欠驱动关节轴线327转动，直到末端指节表面快接触并压迫物体，此时电机82再继续转动一个角度，使得食指片簧810弯曲变形一个角度，从而实现食指3对物体产生一定的压紧力，电机82停止转动后，片簧的变形被保持住，因而食指3保持住了对物体的压紧力。因而这种结构具有对物体大小、形状的自动适应性。由于中部关节齿轮轴316和末端关节齿轮轴319上的齿轮设计为较小的分度圆直径，使得较小的主动滑块位移导致较大的第二指节转动角度，因而在抓取物体时，中部指节317、323、311和末端指节313、325转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有多个关节自由度的目的；当放开物体时，各手指3、4、5、6在电机82转动的带动下离开物体，物体也就不再压迫中部滑动块34、35、322，弹簧312将中部滑块弹回到原始远离中部指节背面板的位置，通过末端欠驱动关节327的齿轮齿条传动，带动末端指节3 13、325转动恢复到原来手指伸直的位置，物体不再压迫根部滑块31、320、32，弹簧39将根部滑块弹回到原始远离根部指节背面板的位置，通过中部欠驱动关节326的齿轮齿条传动，带动中部指节317、323、311等转动恢复到原来手指伸直的位置。
为了实现握拳动作，在各滑动块32、35等上需要分别固接拨片36、33。本实施例机器人拟人手的握拳动作的实现原理为(以食指3为例)：
不抓取物体时，当食指3在电机82带动下转动，由于转动过程中食指没有碰到物体，直到其转动到较大的一定角度，其根部拨片36与手掌骨架16上的凸台发生干涉，在反作用力下根部拨片36以及与其固接的根部滑动块31、32、320向手指里平移，通过中部欠驱动关节326中的齿轮齿条传动，带动中部指节311、317、323绕中部欠驱动关节轴326大幅度转动，在转动中，食指没有碰到物体，于是直到中部指节311、317、323转动到较大的一定角度，其中部拨片33与根部指节骨架314上的凸台发生干涉，在反作用力下中部拨片33以及与其固接的中部滑动块34、35、322向手指里平移，通过中部其他部分“压迫”拨片，从而带动滑动块滑动，通过末端欠驱动关节237中的齿轮齿条传动，带动末端指节313、325绕末端欠驱动关节轴327大幅度转动，直到整个手指完全弯曲。这样便实现了拟人手的握拳动作。