CN106052724B - 一种机器人、旋转测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人、旋转测量装置及方法，装置包括编码器，编码器包括一环形码道及一检测器，环形码道同轴地安装在测定目标的旋转轴上，环形码道包括环形排列检测目标，检测目标构成首尾相接的第一区域和第二区域，第一区域包括相同且重复排列的第一检测目标；第二区域包括至少一个第二检测目标；检测检测目标输出脉冲信号，根据脉冲信号计算测定目标的预设零位位置、旋转角度及旋转速度。码盘加在测定目标上，消除了低成本行星减速器回程间隙造成的编码器与末端执行器之间的误差，降低了产品成本，提高了系统精度；采用非均匀刻线的码盘方法，可以通过一个读头，一个码道，以低成本的方式实现区分不同旋转区域的功能，如工作区和限位区。

Description

一种机器人、旋转测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机械设备旋转测量领域，特别是涉及一种机器人、旋转测量装置及方法。

背景技术

机器人及自动化装备有着广阔的应用市场，以机器人为例，机器人技术作为先进制造技术的典型代表，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。其中，机器人一般都具驱动电机，驱动电机的作用是带动机器人的各个运动关节进行轴向运动。另外，机器人的控制系统在控制运动关节运动的过程中，需要获取或限制各个关节运动姿态，一般采用检测驱动电机的旋转角速度及角位移等数据以得到其运动姿态。

现有的有使用码盘为标准码盘的旋转编码器，宽度相同的编码狭缝均匀分布，只能够输出增量式位置信息，使用时，定位零点较为困难，存在一定的局限性。另外，也有使用带编码器的电机，因减速器的存在，为了获得末端执行器的绝对角度编码信息或者零位角度信息，如此需要使用绝对式多圈编码器，成本高昂。减速器选用低成本行星减速器，存在回程间隙，造成编码器信息与末端执行器之间存在误差。如果选用回程间隙小的谐波减速器，成本高昂。

发明内容

本发明目的在于提供一种机器人、旋转测量装置及方法，旨在解决传统的旋转测量方法测试零位位置困难和成本高的问题。

本发明提供了一种旋转测量装置，包括编码器和计算单元，所述编码器包括一环形码道及一与所述计算单元连接的检测器，所述环形码道同轴地安装在测定目标的旋转轴上，所述检测器与所述环形码道相对放置，所述环形码道包括环形排列检测目标，所述检测目标构成首尾相接的第一区域和第二区域，所述第一区域包括相同且重复排列的第一检测目标；所述第二区域包括至少一个且与所述第一检测目标不同的第二检测目标；所述检测器检测所述环形码道上的所述检测目标输出脉冲信号，所述计算单元根据所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置、旋转角度及旋转速度中的一种或多种。

本发明还提供了一种旋转测量方法，包括编码器，所述编码器包括一环形码道及一与所述环形码道相对放置的检测器，所述环形码道同轴地安装在测定目标的旋转轴上，所述环形码道包括环形排列检测目标，所述检测目标构成首尾相接的第一区域和第二区域，所述第一区域包括相同且重复排列的第一检测目标；所述第二区域包括至少一个且与所述第一检测目标不同的第二检测目标；所述方法包括：

控制所述测定目标旋转，并获取所述编码器的检测目标输出的脉冲信号；

利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置、旋转转速及旋转角度中的一种或多种。

本发明还提供了一种机器人，包括至少一个可作旋转运动的运动关节，及上述的旋转测量装置

本发明的技术方案中码盘加在测定目标(执行器)上，消除了低成本行星减速器回程间隙造成的编码器与末端执行器之间的误差，不再需要使用价格高昂的谐波减速器，降低了产品成本。采用非均匀刻线的码盘方法，可以通过一个读头，一个码道，以低成本的方式实现区分不同旋转区域的功能，如工作区和限位区。

附图说明

图1为本发明实施例提供的旋转测量装置的模块示意图；

图2为本发明实施例一提供的码盘的结构示意图；

图3为图2中A处的局部放大示意图。

图4为本发明实施例提供的旋转测量方法的流程图；

图5为图4所示的旋转测量方法的计算零位位置的流程图；

图6为图4所示的旋转测量方法的计算转动转速的流程图；

图7为图4所示的旋转测量方法的计算旋转角度的流程图；

图8为本发明实施例二提供的码盘的结构示意图；

图9为图8中A处的局部放大示意图；

图10为本发明实施例提供的机器人的结构示意图；

图11为沿图10中C-C线的剖切视图；

图12为图11中B处的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请参阅图1至图3，本发明较佳实施例中一种旋转测量装置，包括编码器500和计算单元600，所述编码器500包括一环形码道510及一与所述计算单元600连接的检测器520，所述环形码道510同轴地安装在测定目标100的旋转轴上。码盘加在测定目标100上，消除了低成本行星减速器回程间隙造成的编码器500与末端测定目标100之间的误差。不再需要使用价格高昂的谐波减速器。

检测器520与所述环形码道510相对放置，所述环形码道510包括环形排列检测目标，所述检测目标构成首尾相接的第一区域511和第二区域512，所述第一区域511包括相同且重复排列的第一检测目标5111；所述第二区域512包括至少一个且与所述第一检测目标5111不同的第二检测目标5121；所述检测器520检测所述环形码道510上的所述检测目标输出脉冲信号，所述计算单元600根据所述脉冲信号计算所述测定目标100的预设零位位置、旋转角度及旋转速度中的一种或多种。

更加具体地，当所述环形码道510或检测器520匀速转动时，检测器520所述检测所述第一检测目标5111输出第一脉冲信号，检测所述第二检测目标5121输出与所述第一脉冲信号不同的第二脉冲信号。其中，该第一脉冲信号和第二脉冲信号为占空比、周期和脉冲宽度中有至少一种不同。或者第二脉冲信号为第一脉冲信号的一半，即第二脉冲信号为只为第一脉冲信号的一个高电平或一个低电平。

具体地，控制所述测定目标100旋转。通过当获取到的相邻的脉冲信号的脉宽发生变化时，确定两个不同脉宽的脉冲信号之间的跳变沿位置；根据所述跳变沿位置和预设校准参数确定所述预设零位位置。

其中，所述预设校准参数为预设脉冲信号个数，即实际预设零位位置可以是不同脉宽的脉冲信号之间的跳变沿位置B，预设脉冲信号为零个。也可以是与该跳变沿位置B相距预设个脉冲信号(第一脉冲信号或第二脉冲信号)的某一位置。另外，获取到的相邻的脉冲信号的脉宽发生变化，则需要控制测定目标100的旋转方向，带动具有环形码道510的码盘上转动，使得第一区域511和第二区域512都经过检测器520的检测，则可以使得相邻的脉冲信号的脉宽发生变化。

通过获取到的旋转的预设时间内的脉冲信号个数；根据所述预设时间和所述脉冲信号个数计算所述测定目标100的旋转转速。若获取的脉冲信号都为其中一种脉冲信号，则计算转速的方法比较简单，为：(脉冲信号个数*每个脉冲信号代表的角位移)/预设时间＝旋转转速。若获取的脉冲信号包含两种脉冲信号，则放弃计算；或者，以单个脉冲信号计算旋转转速，具体为：脉冲信号代表的角位移)/脉冲信号的周期＝旋转转速。

通过获取所述测定目标100旋转过程中的脉冲信号个数；根据所述旋转过程中的脉冲信号个数计算所述测定目标100的当前旋转角度。具体地，通过将脉冲信号代表的角位相加则得到当前旋转角度。若其中包含不同脉宽的脉冲信号，可以先确定预设零位位置，在根据旋转的终点与预设零位位置之间的脉冲个数计算测定目标100与预设零位位置之间旋转角度。

本实施例中，关于环形码道510的设置规则。述第一区域511占所述环形码道510的比例与所述第二区域512占所述环形码道510的比例之比为1/14～2/7。第一检测目标5111包括第一有效检测部5111A和第一无效检测部5111B，所述第一区域511上的所述第一有效检测部5111A间隔设置，所述第一无效检测部5111B位于相邻的所述第一有效检测部5111A之间。

在其中一个实施例中，第二检测目标5121包括第二有效检测部5121A和第二无效检测部5121B，所述第二区域512上的所述第二有效检测部5121A和第二无效检测部5121B的排列规律，与所述第一区域511上的所述第一有效检测部5111A和所述第一无效检测部5111B位排列规律相同；所述第一无效检测部5111B的宽度与所述第二无效检测部5121B的宽度不同和/或所述第一有效检测部5111A的宽度与所述第二有效检测部5121A的宽度不同。此时，检测器520检测该第一检测目标5111和第二检测目标5121，分别得到的第一脉冲信号和第二脉冲信号为占空比、周期和脉冲宽度中有至少一种不同。

在另一个实施例中，所述第二区域512包括一个所述第二检测目标5121，且所述第二检测目标5121包括一个所述第一有效检测部5111A或一个所述第一无效检测部5111B。此时，检测器520检测该第一检测目标5111和第二检测目标5121，得到第二脉冲信号为第一脉冲信号的一半。

在其中一个实施例中，所述第一有效检测部5111A和所述第二有效检测部5121A为透光区域，所述第一无效检测部5111B和所述第二无效检测部5121B为非透光区域，所述检测器520为光电读头。即该编码器500为光电编码器500。

在另一个实施例中，所述第一有效检测部5111A和所述第二有效检测部5121A为绝缘部件，所述第一无效检测部5111B和所述第二无效检测部5121B为导电部件，所述检测器520为电刷。即该编码器500为接触编码器500。

此外，还公开了一种旋转测量方法，系统包括编码器和控制器，所述编码器包括一环形码道及一与所述环形码道相对放置的检测器，所述环形码道同轴地安装在测定目标的旋转轴上，所述环形码道包括环形排列检测目标，所述检测目标构成首尾相接的第一区域和第二区域，所述第一区域包括相同且重复排列的第一检测目标；所述第二区域包括至少一个且与所述第一检测目标不同的第二检测目标。

请参阅图4，所述方法包括：步骤S110，控制所述测定目标旋转，并获取所述编码器的检测目标输出的脉冲信号。控制所述测定目标旋转，测定目标带动编码器同步转动，检测器检测第一检测目标和/第二检测目标输出第一脉冲信号和/或第二脉冲信号。

步骤S120，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置、旋转转速及旋转角度中的一种或多种。

具体地，在步骤S120中，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置，请参阅图5，具体包括：

步骤S201，控制所述测定目标旋转；

步骤S202，当获取到的相邻的脉冲信号的脉宽发生变化时，确定两个不同脉宽的脉冲信号之间的跳变沿位置；

步骤S203，根据所述跳变沿位置和预设校准参数确定所述预设零位位置，所述预设校准参数为预设脉冲信号个数。

具体地，在步骤S120中，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的旋转转速，请参阅图6，具体包括：

步骤S301，控制所述测定目标旋转；

步骤S302，获取到的预设时间内的脉冲信号个数；

步骤S303，根据所述预设时间和所述脉冲信号个数计算所述测定目标的旋转转速。

具体地，在步骤S120中，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的旋转角度，请参阅图7，具体包括：

步骤S401，控制所述测定目标旋转；

步骤S402，获取所述测定目标旋转过程中的脉冲信号个数；

步骤S403，根据所述旋转过程中的脉冲信号个数计算所述测定目标的当前旋转角度。

一种机器人，如桌面级机械臂，包括至少一个可作旋转运动的运动关节(如机械臂、转盘等)和旋转测量装置。

本发明的技术方案中码盘加在测定目标(执行器)上，消除了低成本行星减速器回程间隙造成的编码器与末端执行器之间的误差，不再需要使用价格高昂的谐波减速器，降低了产品成本；采用非均匀刻线的码盘方法，可以通过一个读头，一个码道，以低成本的方式实现区分不同旋转区域的功能，如工作区和限位区。

在另一个实施方式中，如图8至图12所示，本发明实施例提供的码盘1，包括具有中空孔11的环形盘体10，所述环形盘体10上设有环形码道20，所述环形码道20至少包括第一区域21和第二区域22，所述第一区域21内间隔设有第一非透光区211和位于相邻的所述第一非透光区211之间的第一透光区212，所述第二区域22间隔设有第二非透光区221和位于相邻的所述第二非透光区221之间的第二透光区222；所述第一非透光区211的宽度与所述第二非透光区221的宽度不同和/或所述第一透光区212的宽度与所述第二透光区22的宽度不同。

本发明实施例的码盘1，由于第一区域21内设置的相邻的第一非透光区211之间的距离与第二区域22内设置的相邻的第二非透光区221之间的距离不同，第一区域21和第二区域22可以输出不同的位置信息，那么可以将第一区域21与第二区域22的分界线23定义为零点，当检测到该分界线23时，即可以该分界线23作为起始零点开始计算，从而方便判断检测出码盘1转动的具体角度值。其中，本发明实施例提供的码盘1主要作为旋转编码器3的部件使用，而使用有该码盘1的旋转编码器3则主要作为机器人9的部件使用。

具体的，本发明实施例提供的码盘1的结构至少有三个方式：

一、第一非透光区211的宽度与第二非透光区221的宽度不同；这样，第一区域21和第二区域22可以输出不同的位置信息；

二、第一透光区212的宽度与第二透光区22的宽度不同；同样可以确保第一区域21和第二区域22输出不同的位置信息；

三、第一非透光区211的宽度与第二非透光区221的宽度不同和第一透光区212的宽度与第二透光区22的宽度不同；同样也可以确保第一区域21和第二区域22输出不同的位置信息。

且本发明实施例提供的码盘1，整体结构简单，成本低廉且易于实现。

需要说明的是，结合图8所示，第一区域21和第二区域22是一种相对的区域分布设定，也就是说先定义的一个区域为第一区域21，后于第一区域21定义的区域即为第二区域22。

其中，第一非透光区211和第二非透光区221可以通过镀铬蚀刻等工艺制作而成，第一透光区212和第二透光区222则可以由本身属于透明的环形盘体10形成。

本实施例中，结合图9所示，相邻的所述第一非透光区211之间的距离大于相邻的所述第二非透光区221之间的距离，或者相邻的所述第一非透光区211之间的距离小于相邻的所述第二非透光区221之间的距离(此结构图未示)。具体的，通过将相邻的第一非透光区211之间的距离设定的大于或者小于相邻的第二非透光区221之间的距离，这样可以使得第一区域21与第二区域22形成一条分界线23，码盘1具体工作时，读头2从第一区域21经过分界线23进入第二区域22时，第一区域21和第二区域22分别输出不同的信息，那么以分界线23作为起始零点，读头2继续经过第二区域22开始计算码盘1的转动角度，当码盘1转动到一定的角度后，将该角度信号输出到读头2上，读头2将信号传输到相关的控制模块控制码盘1继续转动，从而实现限位的作用。

本实施例中，结合图8所示，所述第一区域21的面积小于所述第二区域22的面积。具体的，第一区域21的作用是与第二区域22形成一个分界线23，从而方便定义起始零点，那么将第一区域21的面积设定的相对于第二区域22的面积，可以直接增大第二区域22的面积，这样从第一区域21与第二区域22的分界线23开始计算起始零点后，码盘1继续转动时，读头2能够检测的第二区域22的角度范围会更大，也就是可以限定的码盘1的转动角度范围更大，应用范围更广。

本实施例中，结合图8所示，所述第一区域21的面积与所述第二区域22的面积比为1/14～2/7。具体的，第一区域21的面积与第二区域22的面积比可以为1/14、1/7、3/14或者2/7，在该种第一区域21的面积与第二区域22的面积比的设定，可以满足对大部分码盘1转动角度的限位；优选地，第一区域21的面积与第二区域22的面积比为1/7。

本实施例中，所述环形盘体10的厚度≤0.4mm。具体的，环形盘体10的厚度可以为0.1mm、0.2mm、0.3mm或者0.4mm，在上述的厚度值的环形盘体10的设计可以确保码盘1正常输出信号，正常工作，且不会因为厚度太厚而占据更大的安装空间或者影响安装，结构设计合理，实用性强。

本实施例中，所述环形盘体10为金属环形盘体、玻璃环形盘体、树脂环形盘体或者菲林环形盘体。具体的，根据实际使用情况，采用金属、玻璃、树脂或者菲林等材料制成环形盘体10，使得产品多样化，以适应不同的应用环境。

本实施例中，结合图8所示，所述中空孔11的孔缘朝向所述中空孔11的孔心延伸设有至少一个安装凸块12。具体的，码盘1一般安装在转动轴外，例如通过居中元件将码盘1固定在转动轴外，那么为了提升环形码盘1与居中元件安装连接后的稳定性，可通过码盘1的中空孔11延伸设置的安装凸块12嵌装在居中元件上；同时，安装凸块12还具有方便定位和防呆的作用。

结合图8所示，优选地，安装凸块12有两个，且两个安装凸块12外形结构有差异，这样实现的防呆效果更佳。

结合图12所示，本发明实施例还提供了一种旋转编码器3，包括读头2和与所述读头2信号连接的上述的码盘1。

本发明实施例的旋转编码器3，由于使用了上述的码盘1，那么读头2可以将检测到码盘1的第一区域21与第二区域22的分界线23作为起始零点计算码盘1转动的角度，从而可以实现定义码盘1只转动一定的角度来实现限位的功能。

结合图10～12所示，本实施例中的旋转编码器3主要应用在机器人9的旋转底座4内，对旋转底座4进行限位。

结合图8～12所示，本发明实施例还提供了一种机器人9，包括旋转底座4和设于所述旋转底座4上的机械手5，所述旋转底座4内设有上述的旋转编码器3。

本发明实施例的机器人9，由于其旋转底座4内使用了上述的旋转编码器3，其能够通过旋转编码器3内的读头2识别码盘1转动时的起始零点来判断检测码盘1的转动角度，从而对旋转底座4的旋转角度进行限位，起到防止旋转底座4缠线的作用。

本实施例中，结合图10～11所示，所述机械手5包括支撑架6、机械臂7和执行机构8，所述支撑架6固定于所述旋转底座4上，所述机械臂7安装于所述支撑架6上，所述执行机构8与所述机械臂7的末端连接。具体的，旋转底座4转动带动支撑架6转动，支撑架6带动机械臂7转动，机械臂7再带动执行机构8转动，从而实现轴向的运动。具有上述码盘1的旋转编码器3能够对旋转底座4轴向转动的角度进行限定，从而避免机器人9连接在外部的导线缠绕在支撑架6、机械臂7或者执行机构8上，实现防缠线的功能。

综上所述可知本发明乃具有以上所述的优良特性，得以令其在使用上，增进以往技术中所未有的效能而具有实用性，成为一极具实用价值的产品。

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 (10)

1.一种旋转测量装置，其特征在于，包括编码器和计算单元，所述编码器包括一环形码道及一与所述计算单元连接的检测器，所述环形码道同轴地安装在测定目标的旋转轴上，所述检测器与所述环形码道相对放置，所述环形码道包括环形排列检测目标，所述检测目标构成首尾相接的第一区域和第二区域，所述第一区域包括相同且重复排列的第一检测目标；所述第二区域包括至少一个且与所述第一检测目标不同的第二检测目标；所述检测器检测所述环形码道上的所述检测目标输出脉冲信号，所述计算单元根据所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置、旋转角度及旋转速度中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的旋转测量装置，其特征在于，所述第一检测目标包括第一有效检测部和第一无效检测部，所述第一区域上的所述第一有效检测部间隔设置，所述第一无效检测部位于相邻的所述第一有效检测部之间。

3.如权利要求2所述的旋转测量装置，其特征在于，所述第二检测目标包括第二有效检测部和第二无效检测部，所述第二区域上的所述第二有效检测部和第二无效检测部的排列规律，与所述第一区域上的所述第一有效检测部和所述第一无效检测部排列规律相同；所述第一无效检测部的宽度与所述第二无效检测部的宽度不同和/或所述第一有效检测部的宽度与所述第二有效检测部的宽度不同。

4.如权利要求2所述的旋转测量装置，其特征在于，所述第二区域包括一个所述第二检测目标，且所述第二检测目标包括一个所述第一有效检测部或一个所述第一无效检测部。

5.如权利要求3所述的旋转测量装置，其特征在于，所述第一有效检测部和所述第二有效检测部为透光区域，所述第一无效检测部和所述第二无效检测部为非透光区域，所述检测器为光电读头；或

所述第一有效检测部和所述第二有效检测部为绝缘部件，所述第一无效检测部和所述第二无效检测部为导电部件，所述检测器为电刷。

6.一种旋转测量方法，其特征在于，包括编码器，所述编码器包括一环形码道及一与所述环形码道相对放置的检测器，所述环形码道同轴地安装在测定目标的旋转轴上，所述环形码道包括环形排列检测目标，所述检测目标构成首尾相接的第一区域和第二区域，所述第一区域包括相同且重复排列的第一检测目标；所述第二区域包括至少一个且与所述第一检测目标不同的第二检测目标；所述方法包括：

控制所述测定目标旋转，并获取所述编码器的检测目标输出的脉冲信号；

利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置、旋转转速及旋转角度中的一种或多种。

7.如权利要求6所述的旋转测量方法，其特征在于，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的预设零位位置，具体包括：

控制所述测定目标旋转；

当获取到的相邻的脉冲信号的脉宽发生变化时，确定两个不同脉宽的脉冲信号之间的跳变沿位置；

根据所述跳变沿位置和预设校准参数确定所述预设零位位置，其中，所述预设校准参数为预设脉冲信号个数。

8.如权利要求6所述的旋转测量方法，其特征在于，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的旋转转速，具体包括：

控制所述测定目标旋转；

获取到的预设时间内的脉冲信号个数；

根据所述预设时间和所述脉冲信号个数计算所述测定目标的旋转转速。

9.如权利要求6或7所述的旋转测量方法，其特征在于，利用获取到的所述脉冲信号计算所述测定目标的旋转角度，具体包括：

控制所述测定目标旋转；

获取所述测定目标旋转过程中的脉冲信号个数；

根据所述旋转过程中的脉冲信号个数计算所述测定目标的当前旋转角度。

10.一种机器人，包括至少一个可作旋转运动的运动关节，其特征在于，还包括权利要求1至5任一项所述的旋转测量装置。