本發明屬于機器人設備領域，更具體地，涉及一種機械臂傳動關節機構。

背景技術：

機械臂是機器人技術領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業制造、醫學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造以及太空探索等領域都能見到它的身影。隨著技術的發展，機械臂的人機協作性能受到了國內外學者的廣泛重視，為了提高機械臂的人機協作能力，機械臂必須能感知周邊環境(力，力矩，位移等信息)對機械臂自身的影響，并根據環境的變化改變自身的行為。比如，當機械臂撞擊到人類手臂時，機械臂可根據力傳感器感知到人類手臂的存在，并及時做出停止、遠離等保護人類安全的動作。因此，如何提高機械臂的感知能力成為機器人領域中一個重要課題。

目前存在的人機協作機械臂解決方案要么是簡單的在機械臂的末端安裝力/力矩傳感器，要么是僅僅采用機械臂各關節的伺服電機自身的電流環、位置環來推算各關節的力矩與位置信息。前一種方案獲得的僅僅是機械臂末端力/力矩信息，控制方案復雜，計算量大，而且高性能力/力矩感器價格昂貴，體積龐大；后一種方案雖然能得到各個關節的力位信息，但均沒有考慮傳動鏈對力位信息的影響，獲得的信息不夠準確，誤差較大。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種具有力位測量功能的機械臂傳動關節機構，本發明通過分別測量兩個第一套筒的位移與力矩信息，進行簡單的計算即可得到第二套筒的位移與力矩信息，成本低,體積小。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種具有力位測量功能的機械臂傳動關節機構，其特征在于，包括T型齒輪架和主支架，其中，

所述T型齒輪架具有兩根第一安裝軸和一根第二安裝軸，兩根所述第一安裝軸的軸線同線，第二安裝軸的軸線與所述第一安裝軸的軸線垂直，每根所述第一安裝軸上分別安裝有動力輸入機構，所述第二安裝軸上安裝有動力輸出機構；

所述動力輸入機構包括第一套筒-錐齒輪復合體、軸承座和傳動裝置，其中，所述第一套筒-錐齒輪復合體包括一體成型的第一套筒和第一錐齒輪，所述第一套筒通過第一軸承安裝在所述第一安裝軸上，所述軸承座通過第二軸承安裝在所述第一套筒上并且所述軸承座與所述主支架固定連接，所述傳動裝置與所述第一套筒連接，以用于帶動所述第一套筒旋轉；

所述動力輸出機構包括第二套筒-錐齒輪復合體，所述第二套筒-錐齒輪復合體包括一體成型的第二套筒和第二錐齒輪，所述第二套筒通過第三軸承安裝在所述第二安裝軸上，所述第二錐齒輪分別與每個所述第一錐齒輪嚙合；

每個所述第一套筒的內腔分別設置有用于測量所述第一套筒角位移的角位移傳感器，所述角位移傳感固定安裝在所述主支架上；每個所述第一套筒的外壁均周向布置有多個應變片，以用于測量第一套筒的力矩。

優選地，所述傳動裝置為鏈傳動裝置。

優選地，每個所述應變片上分別敷有樹脂，以防應變片受到機油腐蝕或機械損傷。

優選地，所述第一套筒-錐齒輪復合體和/或第二套筒-錐齒輪復合體采用0Cr17Ni4Cu4Nb制成。

優選地，所述第一錐齒輪和/或第二錐齒輪上的齒為直齒。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發明將機械臂傳動關節機構與力位測量傳感器集成為一體，減小了機構的體積，降低了機構重量。

2)本發明通過分別測量兩個第一套筒的位移與力矩信息，進行簡單的計算即可得到第二套筒的位移與力矩信息，成本低,體積小巧。

3)本發明可廣泛運用于機械臂肩關節、肘關節、腕關節，其體積小的特點使其尤其適用于仿生假肢機械臂。

4)本發明極大解決了人機協作機械臂機構體積龐大和控制困難的問題。本發明結構體積小，測量精確，安全可靠，適用范圍廣，具有很大的發展空間及應用前景。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2、圖3分別為不同視角下第一套筒-錐齒輪復合體的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

參照圖1～圖3，一種具有力位測量功能的機械臂傳動關節機構，包括T型齒輪架1和主支架2，其中，

所述T型齒輪架1具有兩根第一安裝軸3和一根第二安裝軸4，兩根所述第一安裝軸3的軸線同線，第二安裝軸4的軸線與所述第一安裝軸3的軸線垂直，每根所述第一安裝軸3上分別安裝有動力輸入機構5，所述第二安裝軸4上安裝有動力輸出機構9；

所述動力輸入機構5包括第一套筒-錐齒輪復合體、軸承座53和傳動裝置54，其中，第一套筒-錐齒輪復合體包括一體成型的第一套筒51和第一錐齒輪52所述第一套筒51通過第一軸承安裝在所述第一安裝軸3上，所述軸承座53通過第二軸承安裝在所述第一套筒51上并且所述軸承座53與所述主支架2固定連接，所述傳動裝置54與所述第一套筒51連接，以用于帶動所述第一套筒51旋轉；

所述動力輸出機構9包括第二套筒91和第二錐齒輪92，所述第二套筒91通過第三軸承安裝在所述第二安裝軸4上，所述第二錐齒輪92分別與每個所述第一錐齒輪52嚙合；

每個所述第一套筒51的內腔分別設置有用于測量所述第一套筒51角位移的角位移傳感器6，所述角位移傳感6的內圈固定安裝在所述主支架2上；每個所述第一套筒51的外壁均周向布置有多個應變片7，以用于測量第一套筒51的力矩。

進一步，所述傳動裝置54為鏈傳動裝置54，每個所述應變片7上分別敷有樹脂，以防應變片7受到機油腐蝕或機械損傷，所述第一套筒-錐齒輪復合體和/或第二套筒-錐齒輪復合體采用0Cr17Ni4Cu4Nb制成，所述第一錐齒輪52和/或第二錐齒輪92上的齒為直齒。

角位移傳感器6與安裝底板安裝在第一套筒-錐齒輪復合體的第一套筒51內的安裝槽55處，通過安裝槽55的內壁限制安裝底板，進而限制角位移傳感器6的外圈，主支架2上設置的半圓凸臺與角位移傳感器6內圈上的半圓孔固連，當第一錐齒輪52轉動時，角位移傳感器6的內外圈會產生相對位移，角位移傳感器6即可將位移數據傳輸至上位機。

主支架2與第一錐齒輪52之間安裝有軸承，軸承緊貼第一安裝軸3的軸肩安裝，鏈傳動裝置54的大鏈輪緊貼軸承另一端并通過鍵槽與卡簧槽與第一錐齒輪52固連。第一錐齒輪52的中間區域貼有應變片7，應變片7的安裝方式為兩橫兩縱，周向排列，并在表面敷有樹脂材料以防止應變片7組合受到機油腐蝕或機械損傷。

鏈傳動裝置54的小鏈輪通過鏈條帶動大連輪旋轉，進而帶動第一錐齒輪52旋轉，此時第一錐齒輪52上的扭矩可被應變片7檢測到并傳遞給上位機。

第二錐齒輪92通過鍵槽與第二套筒91固連，并通過第二套筒91上的法蘭8與動力輸出軸93連接。

若主支架2被固定不動，則如果兩個第一錐齒輪52分別由鏈輪帶動旋轉，當兩個第一錐齒輪52以相同的速度同向轉動時，動力輸出機構9沿著第一安裝軸3的軸線旋轉運動；當兩個錐齒輪測量傳動模塊以相同的速度反向轉動時，動力輸出機構9沿著T形齒輪架的第二安裝軸4的軸線旋轉運動；當兩個錐齒輪測量傳動模塊以不同的速度轉動時，動力輸出機構9繞著T形齒輪架的豎軸旋轉，同時沿著T形齒輪架的橫軸旋轉。

若動力輸出機構9被固定不動，則動力輸入機構5的可相對于動力輸出機構9運動，運動方式可參考上文的運動。

在完成以上傳動功能的同時角位移傳感器6與應變片7可以檢測兩個第一套筒51上產生的角位移與力矩，通過簡單的計算可以得到第二套筒91上兩個自由度的位移與力矩數據。

本發明的優勢在于將機械臂傳動關節機構與力位測量傳感器集成為一體，減小了機構的體積，降低了機構重量。通過分別測量兩個第一套筒51的位移與力矩信息，進行簡單的計算即可得到第二套筒91的位移與力矩信息，成本低可廣泛應用于各類機器人上。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。