CN110836678A - 光学编码器及其操作方法 - Google Patents

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CN110836678A CN201811601203.0A CN201811601203A CN110836678A CN 110836678 A CN110836678 A CN 110836678A CN 201811601203 A CN201811601203 A CN 201811601203A CN 110836678 A CN110836678 A CN 110836678A
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Aeolus Robotics Corp Ltd
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Abstract

本公开涉及一种光学编码器及其操作方法。所述光学编码器包含一种代码板，在其上包含图案。所述图案包含第一代码集及第二代码集。所述第一代码集与第一波形相关联。所述第二代码集与第二波形相关联。

Description

光学编码器及其操作方法
技术领域
本公开大体上涉及一种设备及一种使用传感器装置检测其位置及运动的方法，且更具体来说，涉及一种设备及一种使用光学编码器传感器检测其位置及运动的方法。
背景技术
光学编码器适用于许多应用中。举例来说，绝对编码器可用以通过将物理位置变换成对应于此位置的电信号来确定对象的位置、运动或角度。在比较性旋转机构(例如，机器人臂)中，绝对编码器包含用以读取或检测形成于代码板上的预定图案(例如，条形码)且产生指示旋转机构的绝对位置的信号的传感器(或相机)。然而，归因于绝对编码器的老化或劣化，代码板与传感器之间的距离可能变化，这会导致所捕获图像的像差或失真(例如，散焦或模糊)。这会不利地影响由绝对编码器检测到的位置、运动或角度的准确度。
发明内容
在一或多个实施例中，提供一种代码板，在其上包含图案。所述图案包含第一代码集及第二代码集。所述第一代码集与第一波形相关联。所述第二代码集与第二波形相关联。
在一或多个实施例中，一种编码器包含板、传感器及处理器。所述板在其上包含图案。所述传感器经配置以获得所述图案的一部分的图像。所述处理器经配置以将由所述传感器获得的所述图像转换成至少两个波形。
在一或多个实施例中，一种用于确定对象的位置的方法包含：(a)获得连接到所述对象的代码板上的图像；(b)将由所述传感器获得的所述图像转换成至少两个波形；(c)确定所述波形的相位信息；及(d)基于所述相位信息而确定所述对象的所述位置。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下实施方式最优选地理解本公开的方面。应注意，各种特征可能未按比例绘制，且各种特征的尺寸可出于论述的清晰起见而任意增大或减小。
图1说明根据本公开的一些实施例的可旋转机构的透视图。
图2A说明根据本公开的一些实施例的光学编码器的透视图。
图2B说明根据本公开的一些实施例的圆盘上的图案的一部分的放大视图。
图3A及图3B说明根据本公开的一些实施例的对应于图2B中所展示的图案的部分的波形。
图4A及图4B说明根据本公开的一些实施例的模拟结果。
图5说明根据本公开的一些实施例的用于操作光学编码器的方法。
贯穿所述图式及详细描述使用共同参考标号以指示相同或类似元件。结合随附图式，从以下详细描述，本公开将更显而易见。
具体实施方式
在下文详细地论述本公开的实施例的结构、制造及使用。然而，应了解，所述实施例阐述可实施于广泛多种特定情境中的许多适用概念。应理解，以下揭露内容提供实施各种实施例的不同特征的许多不同实施例或实例。下文出于论述的目的而描述组件及布置的特定实例。当然，这些仅为实例且不打算为限制性的。
下文使用特定语言公开说明于图式中的实施例或实例。然而，将理解，实施例或实例并不打算为限制性的。如相关领域中的普通技术人员通常将想到，所公开实施例的任何更改及修饰，及公开于本文件中的原理的任何其它应用属于本公开的范围内。
另外，本公开内容可在各种实例中重复参考标号及/或字母。此重复是出于简化及清楚的目的，且本身并不指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
图1说明根据本公开的一些实施例的可旋转机构100的透视图。在一些实施例中，可旋转机构100为机器人臂或机器人臂的一部分。可旋转机构100包含第一末端部分100A及与所述第一末端部分100A相对的第二末端部分100B。可旋转机构100进一步包含电动机110、齿轮减速器120、驱动板130、螺杆140及接头150。
齿轮减速器120连接到可旋转机构100的第一末端部分100A且安装到电动机110以转变电动机110的转速。电动机110及齿轮减速器120提供用于可旋转机构100的多个不同驱动器。驱动板130可旋转地安装到可旋转机构100的第一末端部分100A。螺杆140连接到可旋转机构100的第一末端部分100A与可旋转机构100的第二末端部分100B，以使用由电动机110所产生的电力来驱动接头150旋转或移动。
图2A说明在本公开的一些实施例中的光学编码器200的透视图。在一些实施例中，光学编码器200为绝对编码器，且可安置于图1中的可旋转机构100的第二末端部分100B处。举例来说，光学编码器200可连接到或邻近于图1中的可旋转机构100的接头150。替代地，光学编码器200可连接到任何其它对象、装置或机构以检测其角度、运动及/或位置。光学编码器200包含圆盘(其也可被称作“代码板”)210、传感器220及处理器230。
圆盘210被安置成邻近于传感器220。圆盘210在其上包含预定图案。在一些实施例中，如图2B(其说明图2A中的圆盘210上的图案的以点线正方形A圈出的一部分的放大视图)中所展示，图案包含一系列黑色部分210a及白色部分210b。在一些实施例中，圆盘210可由在其上具有图案的板、框架、杆或任何其它合适对象替代。
传感器220经配置以获得圆盘210上的图案的一部分且将所获得图像发送到处理器230。举例来说，如果圆盘210旋转以使得图案的以点线正方形A圈出的一部分位于传感器220的捕获区处，那么图案的以点线正方形A圈出的一部分的图像由传感器220获得或捕获。因此，由传感器220获得的图案的图像随着圆盘210旋转而变化。在一些实施例中，传感器220可包含相机或光学鼠标以获得圆盘210上的图案的不同部分的图像。
在一些实施例中，图2B中的图像为由传感器220捕获的图案的一部分。图2B中的图像包含四个代码集P1、P2、P3及P4。在其它实施例中，由传感器220捕获的图像可取决于不同设计要求而包含任何数目个代码集。举例来说，由传感器220捕获的图像可包含N个代码集，其中N为大于1的整数。图2B中的四个代码集P1、P2、P3及P4中的每一者包含阻挡部分210a及白色部分210b，其中两个邻近白色部分210b通过阻挡部分210a分开。在一些实施例中，每一阻挡部分210a的宽度与每一白色部分210b的宽度大体上相同。在一些实施例中，阻挡部分210a可表示逻辑值(例如，“1”或“0”)，而白色部分210b可表示相反的逻辑值。
在一些实施例中，如图2B中所展示，任何两个邻近代码集均具有相位差。举例来说，代码集P1与代码集P2之间的相位差为约45度，代码集P2与代码集P3之间的相位差
Figure BDA0001922535360000033
为约135度，且代码集P3与代码集P4之间的相位差
Figure BDA0001922535360000032
为约315度。代码集中的任两者之间的相位差可取决于不同实施例而改变。
参考图2A，处理器230经配置以从传感器220接收所获得图像且确定图1中的可旋转机构100的角度及/或位置。在一些实施例中，基于所捕获图像中的两个邻近代码集之间的相位差而确定图1中的可旋转机构100的角度及/或位置。
在一些实施例中，以图2B中所说明的图像作为实例，处理器230经配置以将四个代码集P1、P2、P3及P4转换成对应波形W1、W2、W3及W4(例如，正弦波或余弦波)，如图3A中所展示。在一些实施例中，使用(例如)快速傅立叶变换(FFT)或任何其它合适的算法来进行转换。在将四个代码集P1、P2、P3及P4转换成对应波形W1、W2、W3及W4之后，处理器230经配置以确定对应两个邻近代码集(例如，P1与P2、P2与P3或P3与P4)的两个波形(例如，W1与W2、W2与W3或W3与W4)之间的相位差
Figure BDA0001922535360000041
或
Figure BDA0001922535360000043
在一些实施例中，波形W1与波形W2之间的相位差
Figure BDA0001922535360000047
为约45度，波形W2与波形W3之间的相位差
Figure BDA0001922535360000044
为约135度，且波形W3与波形W4之间的相位差
Figure BDA0001922535360000048
为约315度。
处理器230接着经配置以将相位差
Figure BDA0001922535360000045
及转换成一系列数字或任何其它种类的代码。在一些实施例中，可基于以下方程将相位差转换成对应数字：N＝P/45，其中P为相位差，且N为对应数字。举例来说，45度的相位差可转换成数字“1”，且135度的相位差可转换成数字“3”，且315度的相位差可转换成数字“7”。因此，由如图2B中所展示的传感器220捕获的图像可转换成一系列数字，包含“1”、“3”及“7”(或数字“137”)。在其它实施例中，可基于以下方程将相位差转换成对应数字：N＝P/M，其中P为相位差，N为对应数字，且M取决于不同设计要求而为大于0的整数。
处理器230接着经配置以通过参考转换表基于数字“137”来确定图1中的可旋转机构100的角度及/或位置。在一些实施例中，处理器230可包含或连接到存储器(例如，RAM、快闪存储器及其类似者)，存储器经配置以存储展示一系列数字之间的关系及可旋转机构100的对应角度及/或位置的转换表。
在其它实施例中，处理器230经配置以将波形W1、W2、W3及W4的相位信息(例如，绝对相位)直接转换成一系列数字或任何其它种类的代码，且接着通过参考转换表基于所述数字来确定图1中的可旋转机构100的角度及/或位置。
在一些现有的绝对编码器中，代码板在其上具有条形码，且绝对编码器的相机经配置以捕获展示条形码的一部分的图像且接着将所捕获图像与存储于绝对编码器的存储器中的图像进行比较，以确定可旋转机构的对应位置或角度。然而，归因于绝对编码器的老化或劣化，代码板与传感器之间的距离可能变化，这会导致所捕获图像的像差或失真(例如，散焦或模糊)。这会不利地影响由绝对编码器检测到的位置、运动或角度的准确度。根据本公开的图2A及图2B中的实施例，通过将圆盘210上由传感器220捕获的图案的一部分转换成一系列波形且基于波形的相位差而确定可旋转机构的位置、运动及/或角度，所捕获图像的像差或失真(例如，散焦或模糊)对可旋转机构的位置、运动及/或角度的确定具有较小影响。举例来说，如果由传感器220捕获散焦或模糊图像，那么所捕获图像的图案可转换成如图3B中所展示的一系列波形W1'、W2'、W3'及W4'，其中每一波形归因于噪声而失真。可通过消除或减少每一波形的噪声来补偿图3B中的失真波形W1'、W2'、W3'及W4'以变成图3A中的波形，这将增加由光学编码器200检测到的位置、运动或角度的准确度，而不增加像素的数目或代码板的分辨率。
另外，由于图2A中的光学编码器200的存储器经配置以仅存储展示一系列数字之间的关系及可旋转机构100的对应角度及/或位置的转换表，因此相比于存储器经配置以存储多个图像的现有绝对编码器，对光学编码器200的存储器的存储空间的要求少得多。
图4A说明根据本公开的一些实施例的现有绝对编码器(其直接基于所捕获图像而确定对象的位置或角度)及光学编码器200(其基于从所捕获图像转换的波形之间的相位差而确定对象的位置或角度)的模拟结果。在图4A中，曲线L1展示光学编码器200的模拟结果，而另一曲线L2展示现有绝对编码器的模拟结果。如图4A中所展示，当高斯模糊的标准差增大到2.6时，光学编码器200的准确度保持处于100％，但现有绝对编码器的准确度降到85.5％。
图4B说明根据本公开的一些实施例的现有绝对编码器(其直接基于所捕获图像而确定对象的位置或角度)及光学编码器200(其基于从所捕获图像转换的波形之间的相位差而确定对象的位置或角度)的模拟结果。在图4B中，曲线L1'展示光学编码器200的模拟结果，而另一曲线L2'展示现有绝对编码器的模拟结果。如图4B中所展示，当高斯噪声的方差(例如，噪声电平)从0增大到0.06时，光学编码器200的准确度保持处于100％，但现有绝对编码器的准确度降到99.54％。根据图4A及图4B，使用如图2A中所展示的光学编码器200会增加由光学编码器200检测到的位置、运动或角度的准确度。
图5说明根据本公开的一些实施例的用于操作光学编码器的方法的流程图。在一些实施例中，图5中的方法用以操作如图2A中所展示的光学编码器200。替代地，图5中的方法可用以操作任何其它光学编码器从而确定对象的角度或位置。
参考操作S50，由(例如)图2A中的传感器220获得代码板(例如，图2A中的圆盘210)上的图案的一部分的图像。在一些实施例中，可将所获得图像(例如，图2B中所说明的图像)传输到处理器230以供后续处理。
参考操作S52，将所获得图像转换成对应波形。举例来说，可将图2B中的四个代码集P1、P2、P3及P4转换成图3A中的对应波形W1、W2、W3及W4(例如，正弦波或余弦波)。在一些实施例中，使用(例如)FFT或任何其它合适的算法来进行变换。
在一些实施例中，在捕获散焦或模糊图像的情况下，对应经转换波形将归因于噪声而失真(如图3B中所展示)。在彼情况下，可进行操作S53以通过消除或减少每一波形的噪声来补偿图3B中的失真波形W1'、W2'、W3'及W4'，从而变成图3A中的波形W1、W2、W3及W4。
参考操作S54，确定两个邻近波形之间的相位差。举例来说，如图3A中所展示，通过(例如)处理器230来确定两个邻近波形(例如，“W1与W2”、“W2与W3”及“W3与W4”)之间的相位差
Figure BDA0001922535360000061
及
Figure BDA0001922535360000062
参考操作S56，将相位差转换成一系列数字或任何其它种类的代码。在一些实施例中，可基于以下方程将每一相位差转换成对应数字：N＝P/45，其中P为相位差，且N为对应数字。举例来说，如图3A中所展示，可将相位差
Figure BDA0001922535360000063
及
Figure BDA0001922535360000064
(其分别为45度、135度及315度)转换成数字“1”、“3”及“7”(或数字“137”)。在其它实施例中，可基于以下方程将相位差转换成对应数字：N＝P/M，，其中P为相位差，N为对应数字，且M取决于不同设计要求而为大于0的整数。
参考操作S58，通过(例如)参考转换表基于数字(或代码)来确定连接到光学编码器的对象的角度及/或位置，所述转换表记录关于一系列数字或代码及对象的对应角度及/或位置的信息。
在其它实施例中，可将波形W1、W2、W3及W4的相位信息(例如，绝对相位)直接转换成一系列数字或任何其它种类的代码，且接着通过(例如)参考转换表基于所述数字(或代码)来确定连接到光学编码器的对象的角度及/或位置。
根据图5中的实施例，通过将所获得图像转换成一系列波形且基于波形之间的相位差而确定可旋转机构的位置、运动及/或角度，所捕获图像的像差或失真(例如，散焦或模糊)对对象的位置、运动及/或角度的确定具有较小影响，这将增加由光学编码器检测到的位置、运动或角度的准确度，而不增加像素的数目或代码板的分辨率。
如本文所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质性”及“约”用以描述及考虑小的变化。当与事件或情形结合使用时，术语可指事件或情形明确发生的情况以及事件或情形极近似于发生的情况。举例来说，当结合数值使用时，所述术语可指小于或等于彼数值的±10％的变化范围，例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或者小于或等于±0.05％的变化范围。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％(例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或者小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”或“约”相同或相等。举例来说，“大体上”平行可指相对于0°而言小于或等于±10°的角度变化范围，例如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°的角度变化范围。举例来说，“大体上”垂直可指相对于90°而言小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°的角度变化范围。
除非上下文另外清楚地规定，否则如本文中所使用，单数术语“一(a/an)”及“所述”可包含多个指示物。在一些实施例的描述中，设置在另一组件“上”或“上方”的组件可涵盖前一组件直接在后一组件上(例如，与之物理接触)的情况，以及一或多个介入组件位于前一组件与后一组件之间的情况。
虽然已参考本公开的特定实施例描述及说明本公开，但这些描述及说明并不限制本公开。所属领域的技术人员可清楚地理解，可作出各种改变，且可在实施例内替代等效组件而不脱离如由所附权利要求书所界定的本公开的真实精神及范围。说明可不必按比例绘制。归因于制造程序的类中的变量，本公开中的艺术再现与实际设备之间可存在区别。可存在并未特定说明的本公开的其它实施例。应将本说明书及图式视为说明性而非限制性的。可做出修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或程序适应于本公开的目标、精神及范围。所有此类修改打算在此处附加的权利要求书的范围内。尽管已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但可理解，在不脱离本公开的教示的情况下，可组合、细分，或重新定序这些操作以形成等效方法。因此，除非在本文中特定地指示，否则操作的次序及分组并非对本公开的限制。

Claims (27)

1.一种代码板，在其上包括图案，其中
所述图案包含第一代码集及第二代码集；
所述第一代码集与第一波形相关联；且
所述第二代码集与第二波形相关联。
2.根据权利要求1所述的代码板，其中所述第一波形具有第一相位信息，且所述第二波形具有第二信息，且所述第一波形的所述相位信息及/或所述第二波形的所述相位信息被校正为连接到所述代码板的对象的位置。
3.根据权利要求2所述的代码板，其中所述第一相位信息及所述第二相位信息为所述第一波形及所述第二波形的绝对相位。
4.根据权利要求2所述的代码板，其中所述第一波形与所述第二波形之间的相位差与连接到所述代码板的对象的位置相关。
5.根据权利要求1所述的代码板，其中所述第一波形及所述第二波形呈正弦波或余弦波的形式。
6.根据权利要求1所述的代码板，其中
所述第一代码集包含多个白色部分及多个黑色部分；
两个邻近白色部分通过阻挡部分分开；且
所述黑色部分中的每一者的宽度与所述白色部分中的每一者的宽度大体上相同。
7.一种编码器，其包括：
板，在其上包含图案；
传感器，其经配置以获得所述图案的一部分的图像；及
处理器，其经配置以将由所述传感器获得的所述图像转换成至少两个波形。
8.根据权利要求7所述的编码器，其中所述处理器经进一步配置以确定所述波形的相位信息。
9.根据权利要求8所述的编码器，其中所述处理器经进一步配置以将所述相位信息转换成数字或代码。
10.根据权利要求7所述的编码器，其中所述处理器经进一步配置以确定两个邻近波形之间的相位差。
11.根据权利要求10所述的编码器，其中所述处理器经进一步配置以将所述相位差转换成数字或代码。
12.根据权利要求11所述的编码器，其中所述处理器经进一步配置以基于所述数字或所述代码而确定所述对象的位置。
13.根据权利要求12所述的编码器，其中所述相位差是基于以下方程而转换成所述数字：N＝P/M，其中P为所述相位差，N为对应于所述相位差的所述数字，且M为大于0的整数。
14.根据权利要求7所述的编码器，其中所述所获得图像包含至少两个代码集，且每一代码集被转换成对应波形。
15.根据权利要求7所述的编码器，其中由所述传感器获得的所述图像通过快速傅立叶变换FFT转换成波形。
16.根据权利要求7所述的编码器，其中所述处理器经进一步配置以消除存在于所述波形中的噪声。
17.根据权利要求7所述的编码器，其中所述波形呈正弦波或余弦波的形式。
18.一种用于确定对象的位置的方法，所述方法包括：
(a)获得连接到所述对象的代码板上的图像；
(b)将由所述传感器获得的所述图像转换成至少两个波形；
(c)确定所述波形的相位信息；及
(d)基于所述相位信息而确定所述对象的所述位置。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将所述相位信息转换成数字或代码。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括基于所述数字或所述代码而确定所述对象的所述位置。
21.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括确定两个邻近波形之间的相位差及将所述相位差转换成数字或代码。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括基于所述数字或所述代码而确定所述对象的所述位置。
23.根据权利要求22所述的方法，其中基于以下方程而将所述相位差转换成数字：N＝P/M，其中P为所述相位差，N为对应于所述相位差的所述数字，且M为大于0的整数。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述所获得图像包含至少两个代码集，且每一代码集被转换成对应波形。
25.根据权利要求18所述的方法，使用快速傅立叶变换FFT来进行操作(b)。
26.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括消除存在于所述波形中的噪声。
27.根据权利要求18所述的方法，其中所述波形呈正弦波或余弦波的形式。
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