第４０卷第１０期２００４年１ｏ月
机械工程学报
ＣＨ烈ＥＳＥ
ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲｎｑＧ
ｖｏｌ４０ｏｃｔ
Ｎ０１０２ｏｏ４
具有形状自适应的欠驱动拟人机器人手指４
张文增
陈强孙振国
（清华大学机械工程系北京１０００８４）
赵冬斌
伸国科学院自动化研究所北京１０００８０】
摘要：为了实现使用较少驱动器获得较多的自由度，从而在不增加控制难度的前提下，更好地抓取物体以及增加手的拟人化，需要研究欠驱动机械手指装置。提出了一种新的设计思想，以此为指导设计了一种机械手指装置，并对其主要设计参数进行了详细分析。试验证明，该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性，降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与人手的手指相似，结构简单、可靠、易加工、体积小和重量轻。关键词：欠驱动机构形状自适应拟人机器人手指中图分类号：ＴＨｌｌ
的机构。即在抓取中，某些手指在驱动器驱动下接
０前言
欠驱动手指是指驱动器的数目少于关节自由度数目…，由于欠驱动机械手具有简化控制、减轻重量、降低能耗及降低制作成本等优点，近几年更引起国外研究者的研究兴趣口’…。
在拟人机器人手的设计上，由于人手的自由度多达２０，为了增加手部的拟人化，手部就应设计较多的关节自由度。然而，在现有控制技术水平上，控制这些自由度所需要的驱动及控制系统会很庞大，因而为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手的体积、重量，就应尽可能设计较少的驱动器数目。这两者有一定矛盾。另外，为了更好地抓取物体，还希望手指在抓取物体时具有一定的自适应性。综合满足这三个方面要求就产生了自适应欠驱动机械手指装置。
触碰撞物体，使物体对其他手指施加压力，如果能够利用此压力“驱动”后者某个手指关节的类似“主动”的转动，这样也同样可实现欠驱动效果。
提出的欠驱动手指的具体设计思想为：当其他手指在驱动器主动驱动下转动，挤压物体，必然使物体挤压此欠驱动手指的一个指段ｆ第一指段），如果在该第一指段上特别的设有一个能够转动的主动板，主动板在挤压力的作用下转动，通过相应的增速传动机构，将主动板的转动转换成为欠驱动手指末端指段的大幅度转动，这样第二指段将快速旋转，直到其扣紧物体为止，因而该手指在没有驱动器的情况下实现了转动，并且对物体的形状尺寸具有一定的适应性。
２欠驱动手指受力分析与结构优化
欠驱动手指的机构原理如图Ｉ所示。以手指第二指段旋转中心为原点０，以指向拇指末端为ｙ轴方向，以指向食指并垂直于ｙ轴的方向为ｚ的方向，
１欠驱动手指设计思想
传统的欠驱动手指的设计思想是如何将位于手指根部的驱动器动力传递到手指多个关节，没有积极利用手指抓取物体时与物体存在的相互运动关系‘１～”。
与上述思想不同，将手掌、多个手指与所抓取物体作为一个大系统来综合考虑，会得到一种特殊
・国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ５０２７５０８３）。２００３１０２２收到初稿２００４０４叭收到修改稿
建立一个固接在拇指第一指节上的坐标系，于是有
爿（轴，朋），ｓ（Ｏ，见）。另外，拇指第二指段的旋转角度记为日，主动板的旋转角度记为ｄ，主动板的初始角度为∥。其余符号说明如下。
一——物体对主动板的力（Ｎ）
ｒｌ——Ｆｌ到主动板旋转中心的距离（ｍｍ）Ｒ——第二指段对物体的力（Ｎ）
也——兄到第二指段旋转中心的距离（ｍｍ）ｆ１——拉簧的原始长度（ｍｍ）
万方数据
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机械工程学报第４０卷第１０期
ｆ２——拉簧的长度（ｍｍ）
ｂ——拉簧力到第二指段旋转中心的距离血∞）
（ｂ）
图１欠驱动手指的机构原理
根据力学、传动关系和几何关系，可以得出
只：墨塑＝丝二业
‘
吃
∽‘＝厄■历■了
圆屯；瓜焉五再磊
ｔ＝罕
④∽…。ｓ［一音＋刁④卿ｔｎ（一音＋口］
＠口：竺
ｌ
∽
式中
口——齿轮传动系统的总传动比
女——拉簧的刚度（Ｎ恤ｍ）万
方数据由式（１）可知，增大ｆ和减小女都能增大尼。假设手指具有如下参数：口＝０．９６，翔＝Ｊｍｍ，
姐＝３．５ｍｍ，儿＝３５ｍｍ，女＝０．７４ｌＮ／ｍｍ，ｆ＿０２５。根据这些数据和前述公式，可以得到其他变量之间的关系。
图２ａ显示了ｎ，ｎ和心的关系（此时取口＝ｌｏ。，Ｆｌ＝２０Ｎ）。由图可知，增大，１或减小ｒ２都会增大尼。
图２ｂ显示了Ｆ２，Ｆｌ与口的关系（此时取ｎ＝３５ｍｍ，圪＝２０ｍｍ，女＝０．７４１Ｎ／Ⅱｌｒｎ）。由图可知，显示了增大一将使Ｒ增大。
图２ｃ显示了ｎ，ｔ与口的关系（此时取ｎ＝
３５
ｍｍ，ｒ２＿２０ｍｍ，Ｆ１．２０Ｎ）。由图可知，女的变
化大大地改变了口对，２的影响程度。
基
霎乏
斟卤
嚣量
墙
萋专
§ｉ
蠊
萋专
§ｌ
蠊
（ｃ）
图２各主要变量之间的关系
２００４年１０月张文增等：具有形状自适应的欠驱动拟人机器人手指
１１７
当用手指抓取一个横截面半径为月的圆柱体时，可以得到关于ｎ，圪，口和Ｒ的公式
嵋＝屹＝Ｒｃ。ｔ［；＠一∥一口，］
ｃ８，
３欠驱动手指的具体设计
根据前述方案，研制了一种新的欠驱动手指机构，并将此欠驱动手指机构应用到了拟人机器人ＴＨ．１的拇指中。３．１欠驱动手指结构
欠驱动拇指机构如图３所示。该欠驱动手指包括第一指段、主动板、第二指段、欠驱动关节；第一指段、主动板与第二指段之间套设该欠驱动关节；欠驱动关节包括大齿轮轴、双联齿轮轴、小齿轮轴和弹簧。大齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合。三个齿轮轴均套设在第一指段上。大齿轮轴与主动板固接。小齿轮轴与第二指段固接。弹簧连接在第一指段与第二指段之间。
拣料。
主动板表面板和第二指段表面板采用有适当弹性的工业橡胶材料。
整个手指除各齿轮轴、弹簧外均采用尼龙６１０，较大程度的减轻了重量，同时由于尼龙６１０具有一定的润滑作用，省去了各齿轮轴与第一指段之间的
滑动轴承零件。
当手指伸直时，弹簧为原长，第一指段与主动板之间呈口＝２０。的初始角度。３．２工作原理
欠驱动手指的工作原理描述如下。（１）未抓取物体时，欠驱动手指如图３。ｆ２）抓取物体时，物体在食指的压迫下，挤压
万
方数据主动板，使主动板转动角度口，通过总减速比ｆ（设计卢０．２５）的两级齿轮传动带动拇指第二指段转动，转动角度口（口＝∥订，如图４ａ～ｄ，直到第二指段接触
物体，因而具有对物体大小、形状的适应性。由于齿轮传动为增速传动，所以第二指段转动的角度远
大于主动板转动的角度，使得第二指段转动时仿佛有驱动器驱动一般，能够快速扣住物体。放开物体时，食指不再压迫物体，物体不再压迫主动板，拉
簧将拇指第二指段向外伸展，通过齿轮传动，将主
动板恢复未抓取物体时的位置。
另外，如果抓取的物体直径较小，不适合接触到第一指段主动板，则可以采用其他手指的最末尾一个指段与此自适应欠驱动手指的第二指段接触的
方式抓取，此时，欠驱动关节不会转动，也同样能
够很好地抓取物体，如图４ｅ。
的的晒囝
图４欠驱动拇指抓取物体
３．３欠驱动手指抓取试验
ＴＨ—ｌ手和其欠驱动拇指如图５ａ所示。
图５ｂ～ｅ分别显示了ＴＨ．１手抓取粗圆柱体、细圆柱体、三棱柱和立方体的情况。试验证明，ＴＨ．１手能够稳定抓取多数常见物体，达到设计目标。
（ｃ）（ｄ）（０
图５带欠驱动拇指的机器人手ＴＨ一１
４结论
扩展了欠驱动机械手指的实现方式：不需要直
机械工程学报
第４０卷第ｌＯ期
接的驱动器，而利用其他手指的驱动器和物体的力传递来驱动关节。根据此思路，可以设计出各种欠驱动手指。
研制了一种新的具有形状自适应的欠驱动机械手指。该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性，降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与人手的手指相似，结构简单、可靠、易加工、体积小且重量轻。
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作者简介：张文增．男，１９７５年出生，博士研究生。研究方向为拟人机
器人手，机器人视觉。
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具有形状自适应的欠驱动拟人机器人手指
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张文增， 陈强， 孙振国， 赵冬斌
张文增,陈强,孙振国(清华大学机械工程系,北京,100084)， 赵冬斌(中国科学院自动化研究所,北京,100080)
机械工程学报
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