CN106808469A - 一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构 - Google Patents

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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears

Abstract

本发明属于机器人设备领域，并公开了一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，包括T型齿轮架和主支架，T型齿轮架具有两根第一安装轴和一根第二安装轴，所述第一安装轴上分别安装有动力输入机构，第二安装轴上安装有动力输出机构；动力输入机构包括第一套筒‑锥齿轮复合体、轴承座和传动装置；动力输出机构包括第二套筒和第二锥齿轮；所述第一套筒的内腔设置有角位移传感器，所述角位移传感的内圈固定安装在所述主支架上；每个所述第一套筒的外壁均周向布置有多个应变片，以用于测量第一套筒的力矩。本发明通过分别测量两个第一套筒的位移与力矩信息，进行简单的计算即可得到第二套筒的位移与力矩信息，成本低,体积小巧。

Description

一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构
技术领域
本发明属于机器人设备领域，更具体地，涉及一种机械臂传动关节机构。
背景技术
机械臂是机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。随着技术的发展，机械臂的人机协作性能受到了国内外学者的广泛重视，为了提高机械臂的人机协作能力，机械臂必须能感知周边环境(力，力矩，位移等信息)对机械臂自身的影响，并根据环境的变化改变自身的行为。比如，当机械臂撞击到人类手臂时，机械臂可根据力传感器感知到人类手臂的存在，并及时做出停止、远离等保护人类安全的动作。因此，如何提高机械臂的感知能力成为机器人领域中一个重要课题。
目前存在的人机协作机械臂解决方案要么是简单的在机械臂的末端安装力/力矩传感器，要么是仅仅采用机械臂各关节的伺服电机自身的电流环、位置环来推算各关节的力矩与位置信息。前一种方案获得的仅仅是机械臂末端力/力矩信息，控制方案复杂，计算量大，而且高性能力/力矩感器价格昂贵，体积庞大；后一种方案虽然能得到各个关节的力位信息，但均没有考虑传动链对力位信息的影响，获得的信息不够准确，误差较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，本发明通过分别测量两个第一套筒的位移与力矩信息，进行简单的计算即可得到第二套筒的位移与力矩信息，成本低,体积小。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，其特征在于，包括T型齿轮架和主支架，其中，
所述T型齿轮架具有两根第一安装轴和一根第二安装轴，两根所述第一安装轴的轴线同线，第二安装轴的轴线与所述第一安装轴的轴线垂直，每根所述第一安装轴上分别安装有动力输入机构，所述第二安装轴上安装有动力输出机构；
所述动力输入机构包括第一套筒-锥齿轮复合体、轴承座和传动装置，其中，所述第一套筒-锥齿轮复合体包括一体成型的第一套筒和第一锥齿轮，所述第一套筒通过第一轴承安装在所述第一安装轴上，所述轴承座通过第二轴承安装在所述第一套筒上并且所述轴承座与所述主支架固定连接，所述传动装置与所述第一套筒连接，以用于带动所述第一套筒旋转；
所述动力输出机构包括第二套筒-锥齿轮复合体，所述第二套筒-锥齿轮复合体包括一体成型的第二套筒和第二锥齿轮，所述第二套筒通过第三轴承安装在所述第二安装轴上，所述第二锥齿轮分别与每个所述第一锥齿轮啮合；
每个所述第一套筒的内腔分别设置有用于测量所述第一套筒角位移的角位移传感器，所述角位移传感固定安装在所述主支架上；每个所述第一套筒的外壁均周向布置有多个应变片，以用于测量第一套筒的力矩。
优选地，所述传动装置为链传动装置。
优选地，每个所述应变片上分别敷有树脂，以防应变片受到机油腐蚀或机械损伤。
优选地，所述第一套筒-锥齿轮复合体和/或第二套筒-锥齿轮复合体采用0Cr17Ni4Cu4Nb制成。
优选地，所述第一锥齿轮和/或第二锥齿轮上的齿为直齿。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明将机械臂传动关节机构与力位测量传感器集成为一体，减小了机构的体积，降低了机构重量。
2)本发明通过分别测量两个第一套筒的位移与力矩信息，进行简单的计算即可得到第二套筒的位移与力矩信息，成本低,体积小巧。
3)本发明可广泛运用于机械臂肩关节、肘关节、腕关节，其体积小的特点使其尤其适用于仿生假肢机械臂。
4)本发明极大解决了人机协作机械臂机构体积庞大和控制困难的问题。本发明结构体积小，测量精确，安全可靠，适用范围广，具有很大的发展空间及应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2、图3分别为不同视角下第一套筒-锥齿轮复合体的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，包括T型齿轮架1和主支架2，其中，
所述T型齿轮架1具有两根第一安装轴3和一根第二安装轴4，两根所述第一安装轴3的轴线同线，第二安装轴4的轴线与所述第一安装轴3的轴线垂直，每根所述第一安装轴3上分别安装有动力输入机构5，所述第二安装轴4上安装有动力输出机构9；
所述动力输入机构5包括第一套筒-锥齿轮复合体、轴承座53和传动装置54，其中，第一套筒-锥齿轮复合体包括一体成型的第一套筒51和第一锥齿轮52所述第一套筒51通过第一轴承安装在所述第一安装轴3上，所述轴承座53通过第二轴承安装在所述第一套筒51上并且所述轴承座53与所述主支架2固定连接，所述传动装置54与所述第一套筒51连接，以用于带动所述第一套筒51旋转；
所述动力输出机构9包括第二套筒91和第二锥齿轮92，所述第二套筒91通过第三轴承安装在所述第二安装轴4上，所述第二锥齿轮92分别与每个所述第一锥齿轮52啮合；
每个所述第一套筒51的内腔分别设置有用于测量所述第一套筒51角位移的角位移传感器6，所述角位移传感6的内圈固定安装在所述主支架2上；每个所述第一套筒51的外壁均周向布置有多个应变片7，以用于测量第一套筒51的力矩。
进一步，所述传动装置54为链传动装置54，每个所述应变片7上分别敷有树脂，以防应变片7受到机油腐蚀或机械损伤，所述第一套筒-锥齿轮复合体和/或第二套筒-锥齿轮复合体采用0Cr17Ni4Cu4Nb制成，所述第一锥齿轮52和/或第二锥齿轮92上的齿为直齿。
角位移传感器6与安装底板安装在第一套筒-锥齿轮复合体的第一套筒51内的安装槽55处，通过安装槽55的内壁限制安装底板，进而限制角位移传感器6的外圈，主支架2上设置的半圆凸台与角位移传感器6内圈上的半圆孔固连，当第一锥齿轮52转动时，角位移传感器6的内外圈会产生相对位移，角位移传感器6即可将位移数据传输至上位机。
主支架2与第一锥齿轮52之间安装有轴承，轴承紧贴第一安装轴3的轴肩安装，链传动装置54的大链轮紧贴轴承另一端并通过键槽与卡簧槽与第一锥齿轮52固连。第一锥齿轮52的中间区域贴有应变片7，应变片7的安装方式为两横两纵，周向排列，并在表面敷有树脂材料以防止应变片7组合受到机油腐蚀或机械损伤。
链传动装置54的小链轮通过链条带动大连轮旋转，进而带动第一锥齿轮52旋转，此时第一锥齿轮52上的扭矩可被应变片7检测到并传递给上位机。
第二锥齿轮92通过键槽与第二套筒91固连，并通过第二套筒91上的法兰8与动力输出轴93连接。
若主支架2被固定不动，则如果两个第一锥齿轮52分别由链轮带动旋转，当两个第一锥齿轮52以相同的速度同向转动时，动力输出机构9沿着第一安装轴3的轴线旋转运动；当两个锥齿轮测量传动模块以相同的速度反向转动时，动力输出机构9沿着T形齿轮架的第二安装轴4的轴线旋转运动；当两个锥齿轮测量传动模块以不同的速度转动时，动力输出机构9绕着T形齿轮架的竖轴旋转，同时沿着T形齿轮架的横轴旋转。
若动力输出机构9被固定不动，则动力输入机构5的可相对于动力输出机构9运动，运动方式可参考上文的运动。
在完成以上传动功能的同时角位移传感器6与应变片7可以检测两个第一套筒51上产生的角位移与力矩，通过简单的计算可以得到第二套筒91上两个自由度的位移与力矩数据。
本发明的优势在于将机械臂传动关节机构与力位测量传感器集成为一体，减小了机构的体积，降低了机构重量。通过分别测量两个第一套筒51的位移与力矩信息，进行简单的计算即可得到第二套筒91的位移与力矩信息，成本低可广泛应用于各类机器人上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，其特征在于，包括T型齿轮架和主支架，其中，
所述T型齿轮架具有两根第一安装轴和一根第二安装轴，两根所述第一安装轴的轴线同线，第二安装轴的轴线与所述第一安装轴的轴线垂直，每根所述第一安装轴上分别安装有动力输入机构，所述第二安装轴上安装有动力输出机构；
所述动力输入机构包括第一套筒-锥齿轮复合体、轴承座和传动装置，其中，所述第一套筒-锥齿轮复合体包括一体成型的第一套筒和第一锥齿轮，所述第一套筒通过第一轴承安装在所述第一安装轴上，所述轴承座通过第二轴承安装在所述第一套筒上并且所述轴承座与所述主支架固定连接，所述传动装置与所述第一套筒连接，以用于带动所述第一套筒旋转；
所述动力输出机构包括第二套筒-锥齿轮复合体，所述第二套筒-锥齿轮复合体包括一体成型的第二套筒和第二锥齿轮，所述第二套筒通过第三轴承安装在所述第二安装轴上，所述第二锥齿轮分别与每个所述第一锥齿轮啮合；
每个所述第一套筒的内腔分别设置有用于测量所述第一套筒角位移的角位移传感器，所述角位移传感固定安装在所述主支架上；每个所述第一套筒的外壁均周向布置有多个应变片，以用于测量第一套筒的力矩。
2.根据权利要求1所述的一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，其特征在于，所述传动装置为链传动装置。
3.根据权利要求1所述的一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，其特征在于，每个所述应变片上分别敷有树脂，以防应变片受到机油腐蚀或机械损伤。
4.根据权利要求1所述的一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，其特征在于，所述第一套筒-锥齿轮复合体和/或第二套筒-锥齿轮复合体采用0Cr17Ni4Cu4Nb制成。
5.根据权利要求1所述的一种具有力位测量功能的机械臂传动关节机构，其特征在于，所述第一锥齿轮和/或第二锥齿轮上的齿为直齿。
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