CN110260894A - 一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，包括底座，底座上固定有电路板，电路板的正上方设有码盘座，码盘座与轴固定连接，轴的外侧套设有轴承，轴承设于底座内，码盘座的底部设有外圈增量式光电码盘和内圈磁环，内圈磁环设于轴的外侧；电路板包括绝对位置磁性读头芯片、外圈增量光电码盘读头芯片、外部通信接口和信息存储芯片。本发明利用低成本低精度的磁性绝对值编码器，再配合高精度低成本的增量式光电编码器组成复合结构的整体式绝对位置编码器，两者数据融合获得高精度绝对值光电编码器的性能，满足机器人关节定位所需要的精度要求的同时，大幅度降低成本。

Description

一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器
技术领域
本发明涉及一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，属于机器人技术领域。
背景技术
当前普遍应用于各类机器人关节定位中的绝对值编码器，包括磁性编码器、光电编码器、电容式编码器、电感式编码器等，定位精度可达12bit-23bit。磁性/电容/电感编码器多为分体式，定位精度低，一般在15bit以下，且安装位置误差导致精度进一步降低，但对于震动、粉尘、油污、光线等干扰具有很强的抑制能力。光电编码器多为整体式定位精度高，一般在17bit以上，但容易受到震动、粉尘、油污、光线等干扰的影响，其中增量光电编码器无法获取绝对位置。上述编码器互有优缺点，但能够满足机器人关节定位各项要求的价格都非常昂贵，不利于机器人的普及与应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决了如何使得编码器的定位精度高、获取绝对位置且价格便宜的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，包括底座，底座上固定有电路板，电路板的正上方设有码盘座，码盘座与轴固定连接，轴的外侧套设有轴承，轴承设于底座内，码盘座的底部设有外圈增量式光电码盘和内圈磁环，内圈磁环设于轴的外侧，电路板上设有与其连接的绝对位置磁性读头芯片、外圈增量光电码盘读头芯片、信息存储芯片和连接电机主控板的外部通信接口，绝对位置磁性读头芯片、外圈增量光电码盘读头芯片设于电路板与码盘座之间。
优选地，所述的电路板与码盘座平行且同心。
优选地，所述的底座的外侧固定有外壳。
优选地，所述的底座的底面上固定有弹性连接件。
优选地，所述的轴内设有利于机器人各类管线通过的通孔。
优选地，所述的内圈磁环与绝对位置磁性读头芯片组成绝对位置编码器；外圈增量式光电码盘与外圈增量光电码盘读头芯片组成增量位置编码器。
优选地，所述的电机主控板上设有算法部分，算法部分包括校准算法和绝对角度位置重构算法；
校准算法如下，磁编代表磁性绝对值编码器，光编代表光电增量编码器：
将磁编的绝对位置数据按照光编的索引信号数据进行分区，并使光编的索引信号位于每一个磁编位置分区中固定的位置；
设磁编一整圈的分辨率Ms线，对其分区，共分N个区从MS0到MSN-1，每个分区对应为Ms/N线，代表360/N度；
设光编一整圈的分辨率Ls线，对其分区，共分N个区从LS0到LSN-1，每个分区对应为Ls/N线，代表360/N度；相邻分区之间设置一条索引信号线；
旋转编码器，即码盘座，捕获光编的任意一个索引信号，作为光编的绝对0 度，即LS0分区的起始点；然后继续旋转小于360/N度的任意角度，比如360/ (2N)度，作为磁编的绝对0度，即MS0的起始点，使磁编与光编的每个分区错开360/(2N)度；以此重复旋转直到码盘座旋转一周，即建立了N个磁编分区与N个光编分区以及每个光编分区与磁编分区的相对角度；保存校准数据；完成编码器的校准；
绝对角度位置重构算法如下：
首先读取磁编位置数据获取机器人关节当前大约所处的绝对位置，然后旋转关节，找到最近的光编的索引信号，同时再次读取磁编绝对位置确定准确的分区号，最后根据校准数据将分区号和索引信号重构精确的绝对位置角度；
设磁编一整圈的分辨率Ms线，对其分区，共分N个区从MS0到MSN-1，每个分区对应为Ms/N线，代表360/N度；
设光编一整圈的分辨率Ls线，对其分区，共分N个区从LS0到LSN-1，每个分区对应为Ls/N线，代表360/N度；分区之间设置一条索引信号线；
通过前期编码器校准算法已经确定了磁编与光编分区错开的相对位置；
上电时通过读取磁编获得当前关节角度为a度，那么可以确定其处于MSn 分区，n＝INT(a*N/360)；转动机器人关节电机，从而带动码盘座旋转，开始搜索光编的索引信号，当捕获到索引信号时，再次读取磁编的角度如果为b度，再次获得当前磁编位置所在的分区，可以确定其处于MSn分区，n＝INT(b*N/360)；
然后通过磁编位置的分区，再根据编码器的校准数据，可以准确的确定当前捕获到的光编的索引信号代表的绝对位置角度；比如上面的例子磁编角度为b度代表为MSn分区，n＝INT(b*N/360)；从校准数据得到处于MSn分区中的光编索引信号代表精确角度为(n+1)*(360/N)度，即完成了编码器绝对位置的重构。
本发明利用低成本低精度的磁性绝对值编码器，再配合高精度低成本的增量式光电编码器组成复合结构的整体式绝对位置编码器，两者数据融合获得高精度绝对值光电编码器的性能，满足机器人关节定位所需要的精度要求的同时，大幅度降低成本。
附图说明
图1为一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器的结构示意图(无外壳)；
图2为一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器的结构示意图(无外壳和码盘座)；
图3为一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器的结构示意图(有外壳)。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明为一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，如图1所示，其包括底座15，底座15上固定有电路板4，电路板4的正上方设有码盘座3，电路板4与码盘座3平行且同心。码盘座3与轴8固定连接，轴8的外侧套设有轴承9，轴承9设于底座15内，码盘座3的底部设有外圈增量式光电码盘2和内圈磁环1，内圈磁环1设于轴8的外侧，底座15的外侧固定有外壳10。电路板 4上设有与其连接的绝对位置磁性读头芯片5、外圈增量光电码盘读头芯片6、信息存储芯片14和连接电机主控板的外部通信接口16，绝对位置磁性读头芯片 5、外圈增量光电码盘读头芯片6设于电路板4与码盘座3之间。码盘由内圈磁环1、外圈增量式光电码盘2及其固定作用的码盘座3组成。电路板4通过螺丝与底座15固定，码盘座3通过第一螺丝7与轴8固定，轴8通过轴承9与底座 15固定。外壳10通过第二螺丝11与底座15固定。弹性连接件12通过第三螺丝13与底座15的底面固定。轴8内有通孔，利于机器人各类管线的通过。
内圈磁环1与绝对位置磁性读头芯片5组成绝对位置编码器(下称绝对编码器)。外圈增量式光电码盘2与外圈增量光电码盘读头芯片6组成增量位置编码器(下称增量编码器)。
算法位于电机主控板上，电机主控板通过线缆连接编码器的外部通信接口 16，从而读取编码器的磁编角度数据和光编的脉冲信号。这样做的好处是，充分利用电机主控板的过剩计算能力，省去了编码器内部的计算芯片和通信芯片，有效降低了编码器的成本。
算法部分上电后，首先由绝对编码器获取当前的绝对位置，此时位置精度较低，机器人处于预备状态，不可直接进入工作状态；随后电机缓慢转动，随之机器人的关节将转动一个很小的角度，带动编码器(码盘座3)旋转，在此期间通过增量编码器的索引信号获取高精度的位置信息，随后即可操作机器人进入正常工作状态。首次使用前通过校准算法进行校准。信息存储芯片14用于存储绝对编码器与增量编码器索引信号的对应信息等校准数据，以及多圈数据等。
其中，算法部分，分为校准算法和绝对角度位置重构算法；
校准算法如下：(以下磁编代表磁性绝对值编码器，光编代表光电增量编码器)
将磁编的绝对位置数据按照光编的索引信号数据进行分区，并使光编的索引信号位于每一个磁编位置分区中固定的位置。
设磁编一整圈的分辨率Ms线，对其分区，共分N个区从MS0到MSN-1，每个分区对应为Ms/N线，代表360/N度。
设光编一整圈的分辨率Ls线，对其分区，共分N个区从LS0到LSN-1，每个分区对应为Ls/N线，代表360/N度。相邻分区之间设置一条索引信号线。
一般地Ls＞＞Ms，受制于磁编与光编的分辨率一般2＜＜N＜＜360。
旋转编码器(码盘座3)，捕获光编的任意一个索引信号，作为光编的绝对0 度，即LS0分区的起始点。然后继续旋转小于360/N度的任意角度，比如360/ (2N)度，作为磁编的绝对0度，即MS0的起始点，使磁编与光编的每个分区错开360/(2N)度。以此重复旋转直到编码器(码盘座3)旋转一周，即建立了 N个磁编分区与N个光编分区以及每个光编分区与磁编分区的相对角度。保存校准数据。
完成编码器的校准。
绝对角度位置重构算法如下：
首先读取磁编位置数据获取机器人关节当前大约所处的绝对位置，然后旋转关节，找到最近的光编的索引信号，同时再次读取磁编绝对位置确定准确的分区号，最后根据校准数据将分区号和索引信号重构精确的绝对位置角度。
设磁编一整圈的分辨率Ms线，对其分区，共分N个区从MS0到MSN-1，每个分区对应为Ms/N线，代表360/N度。
设光编一整圈的分辨率Ls线，对其分区，共分N个区从LS0到LSN-1，每个分区对应为Ls/N线，代表360/N度。分区之间设置一条索引信号线。
一般地Ls＞＞Ms，受制于磁编与光编的分辨率一般2＜＜N＜＜360。
通过前期编码器校准算法已经确定了磁编与光编分区错开的相对位置。
假设上电时通过读取磁编获得当前关节角度为a度，那么可以确定其处于 MSn分区，n＝INT(a*N/360)。转动机器人关节电机(带动编码器(码盘座3) 旋转)开始搜索光编的索引信号，当捕获到索引信号时，再次读取磁编的角度如果为b度，再次获得当前磁编位置所在的分区，可以确定其处于MSn分区，n＝INT (b*N/360)。
然后通过磁编位置的分区，再根据编码器的校准数据，可以准确的确定当前捕获到的光编的索引信号代表的绝对位置角度。比如上面的例子磁编角度为b度代表为MSn分区，n＝INT(b*N/360)。从校准数据得到处于MSn分区中的光编索引信号代表精确角度为(n+1)*(360/N)度。即完成了编码器绝对位置的重构。

Claims (7)

1.一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，包括底座(15)，底座(15)上固定有电路板(4)，电路板(4)的正上方设有码盘座(3)，码盘座(3)与轴(8)固定连接，轴(8)的外侧套设有轴承(9)，轴承(9)设于底座(15)内，码盘座(3)的底部设有外圈增量式光电码盘(2)和内圈磁环(1)，内圈磁环(1)设于轴(8)的外侧，电路板(4)上设有与其连接的绝对位置磁性读头芯片(5)、外圈增量光电码盘读头芯片(6)、信息存储芯片(14)和连接电机主控板的外部通信接口(16)，绝对位置磁性读头芯片(5)、外圈增量光电码盘读头芯片(6)设于电路板(4)与码盘座(3)之间。
2.如权利要求1所述的一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，所述的电路板(4)与码盘座(3)平行且同心。
3.如权利要求1所述的一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，所述的底座(15)的外侧固定有外壳(10)。
4.如权利要求1所述的一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，所述的底座(15)的底面上固定有弹性连接件(12)。
5.如权利要求1所述的一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，所述的轴(8)内设有利于机器人各类管线通过的通孔。
6.如权利要求1所述的一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，所述的内圈磁环(1)与绝对位置磁性读头芯片(5)组成绝对位置编码器；外圈增量式光电码盘(2)与外圈增量光电码盘读头芯片(6)组成增量位置编码器。
7.如权利要求1所述的一种整体式机器人关节定位的绝对值编码器，其特征在于，所述的电机主控板上设有算法部分，算法部分包括校准算法和绝对角度位置重构算法；
校准算法如下，磁编代表磁性绝对值编码器，光编代表光电增量编码器：
将磁编的绝对位置数据按照光编的索引信号数据进行分区，并使光编的索引信号位于每一个磁编位置分区中固定的位置；
设磁编一整圈的分辨率Ms线，对其分区，共分N个区从MS0到MSN-1，每个分区对应为Ms/N线，代表360/N度；
设光编一整圈的分辨率Ls线，对其分区，共分N个区从LS0到LSN-1，每个分区对应为Ls/N线，代表360/N度；相邻分区之间设置一条索引信号线；
旋转编码器，即码盘座(3)，捕获光编的任意一个索引信号，作为光编的绝对0度，即LS0分区的起始点；然后继续旋转小于360/N度的任意角度，比如360/(2N)度，作为磁编的绝对0度，即MS0的起始点，使磁编与光编的每个分区错开360/(2N)度；以此重复旋转直到码盘座(3)旋转一周，即建立了N个磁编分区与N个光编分区以及每个光编分区与磁编分区的相对角度；保存校准数据；完成编码器的校准；
绝对角度位置重构算法如下：
首先读取磁编位置数据获取机器人关节当前大约所处的绝对位置，然后旋转关节，找到最近的光编的索引信号，同时再次读取磁编绝对位置确定准确的分区号，最后根据校准数据将分区号和索引信号重构精确的绝对位置角度；
设磁编一整圈的分辨率Ms线，对其分区，共分N个区从MS0到MSN-1，每个分区对应为Ms/N线，代表360/N度；
设光编一整圈的分辨率Ls线，对其分区，共分N个区从LS0到LSN-1，每个分区对应为Ls/N线，代表360/N度；分区之间设置一条索引信号线；
通过前期编码器校准算法已经确定了磁编与光编分区错开的相对位置；
上电时通过读取磁编获得当前关节角度为a度，那么可以确定其处于MSn分区，n＝INT(a*N/360)；转动机器人关节电机，从而带动码盘座(3)旋转，开始搜索光编的索引信号，当捕获到索引信号时，再次读取磁编的角度如果为b度，再次获得当前磁编位置所在的分区，可以确定其处于MSn分区，n＝INT(b*N/360)；
然后通过磁编位置的分区，再根据编码器的校准数据，可以准确的确定当前捕获到的光编的索引信号代表的绝对位置角度；比如上面的例子磁编角度为b度代表为MSn分区，n＝INT(b*N/360)；从校准数据得到处于MSn分区中的光编索引信号代表精确角度为(n+1)*(360/N)度，即完成了编码器绝对位置的重构。
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