本发明涉及一种柔性型的机械手与机器人的手部机构，特别是一种自适应通用的柔性机械手机构。

现行的机械手、机器人的手部机构，虽式样很多，一般说来有两种类型，一种类型为刚性的夹持机构，一种类型是带有多关指的机械手或机器人的手部机构。前者手指结构简单、主要起夹与卡的作用，称为夹持器（或夹持装置），在工业机器人的应用中，对于不同的工件，往往需要进行更换夹持器，既不方便，又不灵活，影响工作效率。后者带有多关指的机械手，其形状、动作与功能和人的手更接近了一步，有些优点，但其结构与控制较为复杂，手指的每一个关节处，须安装一个小的马达或小型的油缸，或者是一根驱动与控制的传动带。这种机构造价昂贵，承受工作载荷小。

本发明的目的是要提供一种柔性型的机械手和机器人的手部机构这种机构用一个动力驱动控制就能使各柔性手指运动灵活敏捷，能自动协调地抓取各种异形与大小不同的物体或工件，其构造与控制比较简单，载荷量大、造价低，仿真性较强，适用范围广，且能在各种环境和条件下作业的自适应、通用的柔性机械手机构。

本发明所述机构的主要构造，是由一种新的柔性链式机构所组成 的柔性手指、柔性手腕和柔性关节、手掌，新型结构的换向段及其装置和空心的或管式的手臂组成柔性机械手机构的柔性支承骨架。在柔性支承骨架的外部，包有一种类似皮肤保护支承骨架的弹性材料，作为柔性支承骨架的外部保护装置。柔性机械手机构的一切驱动控制与传输线路都在柔性支承骨架中所留有的通道或孔洞中通过，其驱动控制是采用一根或几根（一组或几组）连动的绳索装置进行传动，绳索装置中具有由形状自动协调装置连动手指的分支绳索，最后由一根总的绳索牵引进行驱动控制，使一个动力驱动能使各手指自动协调地去适应于所抓取的不同形状与大小的物体或工件，而手指的运动姿势各有所异，这种绳索装置叫做手指连动绳索装置。绳索装置中的另一种是用来分别驱动控制各柔性关节（包括柔性手腕）的运动，这种绳索装置叫做柔性关节绳索装置，把这两种绳索装置分别与机械手或机器人的主机相连，由主机和控制系统进行驱动与控制，这样，这种柔性机械手机构就能按照自己的特点运动或进行作业。

本发明所述机构的主要构造及其主要特征，功能和作用，就具体机构进行描述。柔性手指是由一种新的柔性链式机构所组成的，这种手指适合于抓取各种不同形状和大小的物体，手 指的弯曲变化可随所抓物体的形状而变化，总是与所抓物体表面接触贴切。柔性机械手机构有单指手和多指手，在有两个以上手指的柔性机械手机构上，都配有手掌，手指在手掌上的分布和排列方式是多样的。在有两个或三个手指的柔性机械手机构中，驱动控制柔性手指的分支绳索在手掌中进行合并，由一根总的绳索牵引，驱动合并后这一根总的手指连动绳索就可以使各手指对所抓取的不同形状或大小的物体自动协调。而在三个以上手指的柔性机械手机构中，在手掌内的空间里，必须设置一个形状自动协调装置，以自动协调各手指的运动。各柔性手指的分支绳索在手掌中由形状自动协调装置进行连接与连动，自动协调地由一根总的绳索牵引，进行驱动控制。这样就完成了由一个动力驱动控制柔性机械手机构上的若干柔性手指进行自动协调运动，抓取不同形状与大小的物体或工件。由此，使本发明具有结构控制简单而具有自适应通用的性能。柔性手腕是由若干类似园环形的基本组合元件，首先组合成一种柔性链式机构的支承骨架，一般做成单自由度的平面弯曲的支承骨架，骨架内所通过的驱动控制绳索装置都使其绳索保持在柔性手腕的弯曲变形中性面上通过，而手指连动协调绳索装置则保持在柔性手腕的弯曲变形中性面的中心线上通过。若柔性手腕需有 两个自由度，作前后左右的弯曲运动，就必须在这两个平面弯曲支承骨架之间，设置一个换向段，在换向段中设有换向装置。换向段将改变柔性手腕的性质，由平面柔性机构变为空间柔性机构。换向装置的作用是把换向段两头驱动控制绳索从一个弯曲变形中性面保持稳定地过渡到另一个弯曲变形中性面去。这样，在柔性机械手机构中，各驱动控制绳索分别进行各自的驱动与控制互不牵动，互不影响，这样，可说明本机构的构造和控制简单。柔性手腕在结构上和运动姿态上都更进一步仿真，有良好抗扭和受力性能，适应较大的载荷。柔性关节包括肘关节或肩关节，其结构型式与柔性手腕相同。柔性手臂必须是空心的或管式的，并与其两头的柔性关节相连，手臂内都设有换向装置。一个手臂实际上是一个较长的换向段。若把手臂缩短把柔性关节（或柔性手腕）加长，这种柔性机械手机构，就是一种全柔性机构，其外形和动作姿态象象鼻子一样。柔性机械手机构在具体应用中，根据特定的要求，还可增加特殊的附加装置。柔性机械手机构与主机相连，其中各绳索装置与主机的各动力驱动控制装置分别相连结，可用液压、气压或电机驱动

下面结合附图1，作进一步描述。

图1是自适应通用柔性机械手机构的一种实施例结构的纵 向剖面示意图。

参照图1，在手掌（2）上，分别连接柔性手指（1），柔性手指（1）的数量在三个或三个以上，分行排列在两边，在纵向剖面图上只能见到所剖到的两指，指间（指缝）的宽度大于手指的宽度，两边手指相间对应排列。抓取物体时，两边的手指都可以互相插入对方的指间中。以适应抓取各种大小物体。柔性手指（1）中安装有分支绳索（9），由绳索装置的连动而驱动分支绳索（9），柔性手指就能运动，作抓取动作，手指纵向各段的弯曲程度随所抓物体形状的不同而不同。在手掌（2）中，设有形状自动协调装置（10）（10）分别与各手指中的分支绳索（9）相连接与连动，并由手指连动绳索（11）总牵引出去，通过柔性手腕、柔性关节的弯曲变形中性面，通过换向段中的换向装置及手臂之后，达到主机中的动力驱动控制装置。当主机只要驱动控制手指连动绳索（11），由于形状自动协调装置的协调与连动作用，各柔性手指（1）就可根据所抓物体的形状自动协调各手指的运动，达到用一个动力驱动控制就能使各个柔性手指运动灵活敏捷，能自动协调地抓取各种不同形状与大小的物体或工件。手腕由前柔性手腕（3），换向段（4）和 后柔性手腕（5）组成，前柔性手腕（3）与手掌（2）相连接并作前后伸缩运动，后柔性手腕（5）作左右摆动的运动，由换段（4）连接（3）和（5），这种柔性手腕是一种空间柔性机构。前柔性手腕（3）由柔性关节绳索（12）驱动与控制，手腕中的弹簧或弹性装置起辅助性的回弹复位的功能与作用，绳索（16）可引入到主机中连接一段拉簧起加强辅助性回弹复位的作用，必要的，也可作为驱动控制前柔性手腕（3）的驱动控制绳索。绳索（12）通过换向段（4）中的换向装置，进入后柔性手腕弯曲变形中性面牵引到主机进行驱动控制。后柔性手腕（5）在结构上同前柔性手腕（3）相同，只是其断面在安装的方向上，正好与前柔性手腕相差90°，其驱动控制绳索及其装置有对称的变化。柔性关节（7）在结构上同前柔性手腕（3），只是其断面尺寸大于前柔性手腕（3）的断面尺寸。换向段（4）手臂（6）和（8）中的换向装置均把前一段柔性关节驱动绳索过渡到后一段柔性关节的运动伸缩中性面去，其作用是使各驱动控制绳索单独进行驱动控制，互不受其影响。如在手臂（8）中，所通过的驱动控制绳索（14），（17）是在柔性机械手机构设有柔性肩关节的情况下，驱动控制绳索的走向，若有柔性肩关节，其（14）、 （17）的虚线方向通过换向装置过渡到肩关节的运动伸缩中性面去，以便进行分别地驱动与控制。在柔性手腕关节与手臂之中还设有另外一些孔洞或通道，使各种传感、传输信息控制线路通过。具体情况，可根据具体的应用而定。

以上就整体机构的综述，说明柔性机械手机构的柔性自适应和通用性，其构造控制较为简单，其外形与运动姿态具有仿真性能，载荷量大，造价低，适应范围广，能在各种较为恶劣的环境和条件下作业。

本发明所述机械手机构，可制成手持式工具型机械手，大型操纵型运载与自动装卸机械手，用于各种搬运、装卸、地震水灾、火灾的抢险、排险和清理，在发展的基础上，可制成各种工业生产机械手及用电脑控制具有传感功能的工业机器人和服务性机器人的手部机构，还可用于航天、海洋开发、核工业和军事工业诸方面。

以下，就柔性机械手机构的几个有主要特征的装置，分别作进一步的描述。

1.柔性手指：柔性手指由连续系列的若干基本组合元件用铰接，弹簧组合连接或其它连续的组合方法，连接成类似于链条式的连动的链式组合机构。

在链式组合机构的每一个基本组合元件上，在所选定的部位依次对应地安装上挡片或制动闸块，使其链式组合机构受到在某些方向或方式上的限制，而让其机构按照人们预先规定的方向或方式作弯曲运动，这种装置，叫做定向运动装置。

安装有定向运动装置的链式组合机构，就能定向运动，但还是一种链式的组合机构，在此机构上的每一个基本组合元件之间，再安装具有一定承受能力的弹簧或弹性装置，叫做回弹柔性装置，装有回弹柔性装置的链式组合机构就会起很大的变化，变成能伸直、能定向弯曲和自动回弹的链式柔性“杆件”机构，并称之为链式柔性机构。

在链式柔性机构里，在与各种连接支承（或铰接轴）轴线垂直方向并使距离为最大的部位，安装驱动控制柔性手指的绳索分支装置，驱动其绳索分支装置，柔性手指就能作曲线形伸屈运动，这样，链式柔性机构由被动的或非驱动控制的机构，变成一个主动的或能驱动控制的机构，即柔性机械手的手指机构。

由链式组合机构，定向运动装置、回弹柔性装置所组成的链式柔性机构在手指分支绳索的驱动控制作用下，将产生一种综合性的功能与作用，使这种机构所制成的机械手指能自动随 所抓物体或工件的形状与大小而变化。起一种自适应或自动协调的功能与作用。在手指内的分支绳索通过各基本组合元件的空间通道与支承点，分支绳索在各基本组合元件上的支承点进行滑动与摩擦和调整方向，这种装置，叫做导滑装置。若要增加柔性手指的抗扭转功能就必须在基本组合元件的连续组合中依次组合连续“之字形”抗扭转装置或把各基本组合元件组成抗扭转的柔性支承机构。在手指的外部，包装上类似皮肤起保护作用的弹性材料，安装稍有凹槽为指甲的指尖，在指尖的内侧凹槽处安装由弹性材料所制成的指头。具体应用时，根据其特殊的需要，还可增设新的附加装置，以满足或加强其柔性手指的功能和作用（如回弹增力迁移装置，侧向稳定装置，导向受拉增力装置、指勾、指刺及其传感装置）。

以下，就柔性手指的具体实施例机构，结合附图2、3、4，做进一步的描述。

A.连续片关节弹簧组合式柔性手指机构。

图2是连续片关节弹簧组合式柔性手指机构的纵向剖面示意图。

图3是该机构的横向剖面图。

参照图2、图3，手指由若干片状基本组合元件（18）进行连续系列的组合，在基本组合元件（18）的边沿上制成边 齿与凹槽，用通长拉簧（19）卡住基本组合元件（18）的凹槽，并把边齿弯起，压住通长拉簧（19），通长的拉簧（19）与基本组合元件（18）互相连接牢固，以此方法或其它连接方法依次连续地连接若干片状的基本组合元件（18），组成具有弹性的链式组合机构。用同样的方法，再连接通长的定向拉簧（20），使链式组合机构具有定向的功能，只能往前弯，而不能往后屈。连接固定好分支绳索（9）的一端于指尖处，另一端与形状自动协调装置相连，以进行驱动控制。有抗扭要求的，可安装抗扭转“之字形”片状的抗扭转装置（21），使弹性链式组合机构变成一种定向弯曲和回弹的整体性链式柔性机构。在这里面，通长的定向拉簧（20）使手指机构起定向与回弹的双层作用，通长拉簧（19）起整体连接与保持一定的侧向稳定，绳索（22）用于加强手指的侧向稳定。压簧（23）、（24）将增加手指的回弹力，分布片状的基本组合元件（18）在作业时与手指外部维护装置（25）集中的应力，减少冲击、震动、摩擦、延长使用寿命。由柔性驱动控制装置末端的分支绳索（9）通过片状的基本组合元件（18）上的柔性驱动控制导滑装置（26）进行驱动或控制。然后，再安装外部维护装置（25），连接指尖（27）和弹性摩擦 指头（28），根据需要再连接特定的附加装置，这样，连续片关节弹簧组合式柔性手指主要机构就组成了。根据需要按一定的排列方式与手掌互相连接，通过分支绳索的连动及其形状自动协调装置的动态协调，这种手指机构就可以具体应用与作业。

B.连续铰接多关指柔性手指机构。

图4是连续铰接多关指柔性手指机构其中一段的纵向剖面图与机械原理示意图。

参照图4，手指由连续系列的片状或壳体的基本组合元件（18）互相依次由轴铰（29）进行铰接，连接成一种链式组合机构。再连接压簧（30），设置定向制动挡闸（31），必要时，安装抗扭转装置（32），使链式组合机构变成一种定向弯曲和能回弹的链式柔性机构。在这里，手指机构的侧向稳定由轴铰（29）承受与控制，同时轴铰（29）还承受一部分抗扭转的力。再安装柔性驱动控制装置末端的分支绳索（9），通过片状或壳体状的基本组合元件（18）上的柔性驱动控制导滑装置（26）进行驱动与控制。这是手指柔性支承机构的主要构造，其它装置和配件在结构与组合型式上和连续片关节弹簧组合式柔性手指机构相同，只是每一个配件的外 形、材质、各有所异。

连续铰接多关指柔性手指机构与连续片关节弹簧组合式柔性手指机构相比，一般本身的重量较大，其中所设置的回弹柔性装置的弹力有可能不够（这种装置不可能设置得很大），因此，必须增设回弹增力迁移装置（33），通过绳索（34）的连动，把增加手指回弹力的装置迁往并安装于手掌、手臂或机器人的“身躯”内，使手指结构轻巧灵活。增力迁移装置可以是弹簧，弹性绳索或动力驱动。以上所例举的二个实施例机构，虽然在构造上有较大的差异，但其结构组合原理与实施的基本方法是相同的。

2.手掌与形状自动协调装置

柔性机械手机构有单指与多指之分，设有手掌的柔性机械手机构，至少是两个手指以上的柔性机械手机构。手指在手掌上的排列和分布分为对称式与非对称式。对称式包括成排对称和园盘放射形对称。非对称式包括手指相间对抱式、园盘放射式、义肢式与异形式。

手掌壳体除连接手指和手腕外，在设有四个或四个以上手指的手掌壳体内。设置形状自动协调装置。手指的弯曲程度不同，其柔性驱动控制装置（绳索）的伸缩量也不同。若把每二 个或三个手指中的柔性驱动控制绳索配为一组成杠杆连动式组合，用此方法类推进行多级组合，直至最后合并为一根总的驱动控制绳索引出进行驱动与控制，在抓取物体时每一个手指弯曲变形程度都可随所抓取的物体的形状与大小而自动协调，达到自适应各种异形物体或工件。这种杠杆连动式组合机构，逐级合并的连动装置叫做形状自动协调装置。

以下就手掌与形状自动协调装置的具体实施机构，综合附图5作进一步的描述。

图5中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）6个分项图都是形状自动协调装置的杠杆连动式组合的机械原理图。

参见图1、图5、图1中柔性手指驱动控制的分支绳索（9）在进入手掌（2）里，就与手掌中的形状自动协调装置互相连接。见图5，分支绳索（9）与形状自动协调装置的力平衡组合式连动杠杆系统（35）铰接成一体，最后由一根总的柔性手指连动绳索（11）引出，进行总的驱动与控制，当驱动手指连动绳索（11）时，由图5中力平衡组合式连动杠杆的综合作用及其运动，把各手指及其手指上的各部位的受阻力不同，手指在弯曲变化和运动的状态各不相同，也就是手指 中的分支绳索（9）的伸缩量也各不相同，在此情况下，通过受力平衡进行自动协调，从不平衡重新过渡到平衡，使各手指受力均衡。这样，通过形状自动协调装置。一个动力驱动控制，就可以使许多手指自动协调地抓取各种不同形状与大小的物体或工件达到自适应、通用的目的。

手指在手掌上的不同排列与组合方法，形状自动协调装置在结构上稍有差异，如图5中的（a）、（b）、（c）三个分图所表示的适应于双排式不对称的对抱式排列与组合型式，图中（36）为双排同步合并装置，由手指连动绳索（11）合并引出，这样两排手指柔性驱动控制同步运动，而每一排上的手指则可以自动协调。这样，使手部的功能更加完善灵活。图5中的（d）、（e）、（f）分图所表示的，适应于园盘放射式的排列与组合机构，适应于抓取各种异形的块状物体或工件。

在实际应用中按照这个原理和方法，可灵活运用。例如义肢上的手指形状自动协调装置，就可以首先采用大姆指与其它四指组成双排同步合并装置，然后在另四指上组成二级自动协调的柔性驱动控制分支绳索装置。这样，各手指的运动就很灵活了。

3.柔性手腕、关节、手臂及其控制与传动装置。

自适应通用柔性机械手的柔性手腕、柔性关节，都是由若干环形、带有多孔洞的片形或各种壳体形关节分段依次连续组合，组成链式组合机构或抗扭转的链式组合机构。在链式组合机构的基础上，安装定向装置，回弹柔性装置。这样，就组成了柔性手腕或柔性关节的弹性支承机构。这种机构在结构上要比柔性手指机构复杂，主要是解决多自由度，多条动力线路及各种传输控制线路都在柔性手腕、关节中通过，进行驱动、控制与传输的问题，在柔性手腕、关节的外部，除安装具有弹性或密封的“皮肤”式外部围护装置外，别无其它装置。

一个自由度的柔性手腕与关节的弯曲运动，可看成是在一个平面内的运动。在结构型式上，类同于单个的柔性手指机构。多自由度的柔性手腕与关节，它的运动是一种空间运动，这种机构，就是一种柔性空间机构。柔性手腕与关节的空间机构的关键不只在于其本身的弹性支承机构，而是使这种机构内部所设置与通过的各种动力与传输线路顺利通过，并且在机构运动时，各种动力驱动控制线路单独进行驱动与控制，互不牵动，影响和约束。这样，就简化了控制程序与控制机构。

传输、管道线路，只要在每一个柔性关节里的侧向空间内 留有足够的伸缩量就可以了。主动的柔性驱动控制装置及其所连动的绳索，为了使控制柔性手腕、关节的各分支动力柔性驱动控制绳索在各自驱动的情况下，互不牵动影响，就必须使动力控制驱动绳索装置沿着整个柔性机构弯曲变形中性面运行，在柔性手腕、关节中，设置在这种弯曲变形中性面上所进行的传输路线的方法及其装置，叫做弯曲变形中性面法及其装置。多自由度的柔性手腕、关节的空间柔性机构，当柔性关节变换方向开始另一个自由度的运动时，将出现一个新的弯曲变形中性面，这种新的弯曲变形中性面将发生转折或突变，动力驱动控制装置及其连动的绳索将要随之适应这种新的转折或突变，这样，就必须增加一个换向段，换向段的功能是起过渡性作用，保证设置其内的动力驱动控制装置及其连动的绳索随一个弯曲变形中性面变换到另一个弯曲变形中性面上去。

换向段一般设置在柔性手腕与关节的中间部位。若在柔性机械手机构中连接有刚性的空心手臂，这种手臂本身就可以兼作一个换向段。

以下，就柔性手腕、关节与弯曲变形中性面及其变换装置的具体实施例机构，结合附图6、7、8作进一步的描述。

图6是柔性手腕、关节的弯曲变形动态示意图。

图7是换向段弯曲变形中性面变换方向的动态示意图。

图8是换向段的一种实施例结构的透视图。

参见图6，当柔性手腕或柔性关节在作连续的弯曲变形运动时，在手腕或关节的换向段支撑骨架（42）的上部，手腕或关节的各基本组合片状单元件（37）的对称中心线总是在一个平面内运动，这个平面就是Zoy平面。同样，在手腕或关节的换向段支撑骨架（42）的下部，手腕或关节的各基本组合片状单元件（40）的对称中心线总是在一个平面内运动，这个平面就是Zox平面。Zoy平面与Zox平面是互相垂直的。这是一种柔性空间机构。当驱动绳索装置（12）时，柔性手腕、关节的机构对称面在ZOY平面内的这一段机构，它总是使本身弯曲变形中性面（38）的对称中心线（39）保持在ZOY平面内进行弯曲运动。当驱动绳索装置（13）时，柔性手腕、关节的机构对称面ZOX平面内的这一段机构基本组合片状单元件（40），它总是使本身弯曲变形中性面（41）的对称中心线（39）保持在ZOX平面内进行弯曲运动。在基本组合片状单元件（37）和基本组合片状单元件（40）这两段之间，有一个换向段支撑骨架（42）把二者连接起来，换向段支撑骨架（42）在ZO轴线上，由ZOY 平面过渡到ZOX平面的关键枢扭上，它把动力驱动绳索的运动线路从ZOY平面引渡到ZOX平面（详见图6），绳索装置（13）的驱动，只使ZOY平面与YOX平面的夹角∠ZOX发生变化，即基本组合片状单元件（40）所发生的运动，并不影响基本组合片状单元件（37）的运动；而驱动绳索装置（12），只使基本组合片状单元件（37）发生运动，而不影响绳索装置（40）的运动。这是柔性手腕、关节减少控制程序的关键所在。这主要是利用弯曲变形中性面和换向段变换装置来解决这一关键问题。

参照图7、图8，CD与AB为弯曲变形中性面与换向段支撑骨架两端面开始折转的交线，即从此处开始变换其方向。从图7中可以看出，CD垂直于AB，动力驱动控制绳索通过换向段的换向装置，从一个弯曲变形中性面折转到另一个弯曲变形中性面。这就是换向段的作用。在换向段中安装滑轮或软轴导管及其它配件，使通过换向段中的驱动控制绳索保障变换的顺利进行，这种装置就是换向段中的换向装置。