CN112008763A - 一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器及检测方法，该一体化双编码器高度集成了磁感应元件和光感应元件，可用来分别检测电机端和关节输出端的角度位置。经过计算处理后，还能得到关节的转速和转矩信息，并可通过通讯接口传递给外部。利用该发明提供的一体化双编码器及方法，能大大减小结构尺寸，尤其是轴向方向的尺寸，并能输出位置、转速和转矩信息，特别适用于机器人关节驱动模组应用。

Description

一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器及检测方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器及检测方法。

背景技术

当前由伺服电机、减速器、编码器等组成的关节驱动模组广泛应用于工业机器人、足式机器人、协作机器人等领域，这些应用领域对关节驱动模组的控制精度和集成度也提出了更高的要求。

由于减速器一般存在一定齿轮侧隙和回程误差，为了提高控制精度和测量输出转矩，机器人关节通常会使用两个编码器，分别放在关节的电机输出端和减速器后的输出端(也即关节输出端)。在关节输出端加装一个编码器，这又会导致关节驱动模组的尺寸更大，结构设计和走线也更复杂。

目前常用的方法是采用中空轴结构设计方法，即将关节输出端的编码器通过中空轴结构放在电机前端，来解决关节输出端编码器结构设计和走线问题，如中国专利号CN111230922A所述。但这种双编码器方案的关节驱动模组尺寸依然较大，尤其是轴向的尺寸。

为了降低关节驱动模组尺寸，其中一种方法是可以考虑将两个编码器集成为一体，以降低编码器的尺寸，传统含双编码器的关节驱动模组结构示意图如图1所示，关节驱动模组由驱动器、零个分离式编码器、电机、减速器组成，关节模组的尺寸大，尤其在轴向方向上较长.中国专利号CN109910061A提出了一种基于分离式磁编码器的双编码器的结构，其在轴向空间上结合了两个编码器，将双编码器做到了一体化，一定程度上能减小关节尺寸。但由于两个分离磁编码器分别位于电路板板的两侧，尺寸依然较大，且采用两个磁编码器进行一体化设计时，需要注意电磁屏蔽问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器及检测方法，该一体化双编码器能够检测机器人关节的电机端和输出端的位置信息，并能够计算得到机器人关节的转速和输出转矩，具体技术方案如下：

一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器，该双编码器包括编码器检测板、光栅码盘和磁性块，所述的光栅码盘安装在关节模组的电机端转动轴上，所述的磁性块固定在关节模组的减速器输出中空旋转轴上，所述的编码器检测板固定在关节模组上，且与所述的光栅码盘和磁性块相对布置，所述的编码器检测板上的光电感应元件和磁感应元件均布置在所述的编码器检测板面向所述的光栅码盘的一侧，且所述的光电感应元件正对所述的光栅码盘的的检测区域，所述的磁感应元件正对所述的磁性块。

进一步地，所述的编码器检测板包括微处理器，以及与所述的微处理器连接的光电感应模块、磁感应模块、通信接口模块；

所述的光电感应模块用于光源产生、光感应及处理，配合所述的光栅码盘来实现电机端位置检测，并将信号发送给所述的微处理器；

所述的磁感应模块用于磁信号感应和信号处理，配合所述的磁性块实现减速器输出端的位置检测，并将信号发送给所述的微处理器；

所述的微处理器根据光电感应模块和磁感应模块发送的信号，处理得到机器人关节电机端和输出端的位置和转速，以及输出端转矩；

所述的通信接口模块用于实现双编码器与关节驱动器的通讯，包括接收关节驱动器的指令，以及反馈当前双编码器检测得到的位置、转速和转矩信息。

进一步地，所述的编码器检测板还包括指示模块和电源模块，所述的指示模块用于指示系统运行状态，在系统出现故障时进行告警；所述电源模块用于给系统各个模块供电。

进一步地，所述的光电感应模块采用增量式方式，并采用光源产生、感应及处理于一体的光电芯片实现，输出A-B-Z信号给微处理器。

进一步地，所述的磁感应模块采用集成磁信号感应和信号处理的磁位置传感器芯片实现，并通过SPI接口传递数据给微处理器。

进一步地，所述的微处理器采用STM32控制器；所述通信接口支持串口及CAN总线方式。

一种基于所述双编码器的机器人关节位置、转速和转矩检测方法，该方法由所述的微处理器执行，具体包括如下步骤：

S1：按照周期T对所述的光电感应模块、磁感应模块的数据进行处理，得到电机端和减速器输出端位置，记第i个周期时电机端位置为θ_i，减速器输出端位置为Φ_i；

S2：根据第i个周期和第i-1个周期时电机端θ_i、θ_i-1的差值，以及减速器输出端位置Φ_i、Φ_i-1的差值，来计算得到第i个周期时电机端转速n_i和减速器输出端转速N_i；

S3：根据第i个周期时电机端和减速器输出端位置θ_i、Φ_i和转速n_i、N_i，来估计第i个周期时输出端的输出转矩T_i；

S4：将当前电机端和减速器输出端的位置、转速、转矩状态数据通过通信接口模块传递给外部。

进一步地，所述的电机端转速n_i和减速器输出端转速N_i的计算公式如下：

所述的输出转矩T_i的计算公式如下：

T_i＝M_i*(Φ_i-θ_i/D)

M_i＝f(Φ_i,N_i)

其中，D为减速器的减速比，M_i表示第i个周期时估计的减速器刚度，与关节角度和转速有关；f(Φ_i,N_i)曲线通过借助外部转矩传感器通过离线实验测试得到。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一体化双编码器在一个电路板上集成了磁感应元件和光感应元件，可用来分别检测电机端和关节输出端的角度位置，并可来估算关节转速和转矩信息。利用该发明的方法，可简化一体化双编码器尺寸，并能输出位置、转速和转矩信息。

附图说明

图1是传统含双编码器的关节驱动模组组成示意图；

图2是基于本发明的双编码器的关节驱动模组组成结构示意图；

图3是本发明的双编码器检测板的电路结构图；

图4利用本发明的双编码器检测位置、转速和转矩方法的流程图。

图中，双编码器检测板1、光电感应元件2、磁感应元件3、光栅码盘4、磁性块5。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。

如图2所示，本发明的应用于机器人关节模组的一体化双编码器，该双编码器包括编码器检测板1、光栅码盘4、光电感应元件2、磁感应元件3和磁性块5，光栅码盘4安装在关节模组的电机端转动轴上，磁性块5固定在关节模组的减速器输出中空旋转轴上，编码器检测板1固定在关节模组上，且与光栅码盘4相对布置，编码器检测板1上的光电感应元件2、磁感应元件3均布置在面向光栅码盘4的一侧，且光电感应元件2正对光栅码盘4的的检测区域，磁感应元件3正对磁性块5。

该双编码器结合使用了光电感应和磁感应两种方式，不需要考虑编码器间的电磁干扰。且光电感应元件2、磁感应元件3均固定在编码器检测板1面向的光栅码盘4的同一侧，大大减小了关节驱动模组尺寸。

如图3所示，编码器检测板1包括微处理器，以及与微处理器连接的光电感应模块、磁感应模块、通信接口模块、指示模块和电源模块；

光电感应模块用于光源产生、光感应及处理，配合光栅码盘4来实现电机端位置检测，并将信号发送给微处理器；

磁感应模块用于磁信号感应和信号处理，配合磁性块5实现减速器输出端的位置检测，并将信号发送给微处理器；

微处理器根据光电感应模块和磁感应模块发送的信号，处理得到机器人关节电机端和输出端的位置和转速，以及输出端转矩；

通信接口模块用于实现双编码器与关节驱动器的通讯，包括接收关节驱动器的指令，以及反馈当前双编码器检测得到的位置、转速和转矩信息。

指示模块用于指示系统运行状态，在系统出现故障时进行告警；

电源模块用于给系统各个模块供电。

为降低系统成本和尺寸，光电感应模块采用增量式方式，并采用反射式光电编码器集成芯片实现，输出A-B-Z信号给微处理器。优选的，光电感应模块采用iC-Haus公司的iC-PR系列芯片。

为降低系统电路复杂性，所述的磁感应模块采用集成磁信号感应和信号处理的磁位置传感器芯片实现，并通过SPI接口传递数据给微处理器。优选的，磁感应模块采用磁感应芯片AS5047P。

作为一种优选示例，所述的微处理器采用STM32控制器；所述通信接口支持串口及CAN总线方式。

本发明的基于所述双编码器的机器人关节位置、转速和转矩检测方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1：所述的微处理器按照周期T对所述的光电感应模块、磁感应模块的数据进行处理，得到电机端和减速器输出端位置，记第i个周期时电机端位置为θ_i，减速器输出端位置为Φ_i；

S2：所述的微处理器根据第i个周期和第i-1个周期时电机端θ_i、θ_i-1的差值，以及减速器输出端位置Φ_i、Φ_i-1的差值，来计算得到第i个周期时电机端转速n_i和减速器输出端转速N_i，计算公式如下：

S3：所述的微处理器根据第i个周期时电机端和减速器输出端位置θ_i、Φ_i和转速n_i、N_i，来估计第i个周期时输出端的输出转矩T_i，计算公式如下：

T_i＝M_i*(Φ_i-θ_i/D)

M_i＝f(Φ_i,N_i)

其中，D为减速器的减速比，M_i表示第i个周期时估计的减速器刚度，与关节角度和转速有关；f(Φ_i,N_i)曲线通过借助外部转矩传感器通过离线实验测试得到。

S4：所述的微处理器将当前电机端和减速器输出端的位置、转速、转矩状态数据通过通信接口模块传递给外部。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于机器人关节模组的一体化双编码器，其特征在于，该双编码器包括编码器检测板、光栅码盘和磁性块，所述的光栅码盘安装在关节模组的电机端转动轴上，所述的磁性块固定在关节模组的减速器输出中空旋转轴上，所述的编码器检测板固定在关节模组上，且与所述的光栅码盘和磁性块相对布置，所述的编码器检测板上的光电感应元件和磁感应元件均布置在所述的编码器检测板面向所述的光栅码盘的一侧，且所述的光电感应元件正对所述的光栅码盘的的检测区域，所述的磁感应元件正对所述的磁性块。

2.根据权利要求1所述的应用于机器人关节模组的一体化双编码器，其特征在于，所述的编码器检测板包括微处理器，以及与所述的微处理器连接的光电感应模块、磁感应模块、通信接口模块；

所述的光电感应模块用于光源产生、光感应及处理，配合所述的光栅码盘来实现电机端位置检测，并将信号发送给所述的微处理器；

所述的磁感应模块用于磁信号感应和信号处理，配合所述的磁性块实现减速器输出端的位置检测，并将信号发送给所述的微处理器；

所述的微处理器根据光电感应模块和磁感应模块发送的信号，处理得到机器人关节电机端和输出端的位置和转速，以及输出端转矩；

所述的通信接口模块用于实现双编码器与关节驱动器的通讯，包括接收关节驱动器的指令，以及反馈当前双编码器检测得到的位置、转速和转矩信息。

3.根据权利要求1所述的应用于机器人关节模组的一体化双编码器，其特征在于，所述的编码器检测板还包括指示模块和电源模块，所述的指示模块用于指示系统运行状态，在系统出现故障时进行告警；所述电源模块用于给系统各个模块供电。

4.根据权利要求1所述的应用于机器人关节模组的一体化双编码器，其特征在于，所述的光电感应模块采用增量式方式，并采用光源产生、感应及处理于一体的光电芯片实现，输出A-B-Z信号给微处理器。

5.根据权利要求1所述的应用于机器人关节模组的一体化双编码器，其特征在于，所述的磁感应模块采用集成磁信号感应和信号处理的磁位置传感器芯片实现，并通过SPI接口传递数据给微处理器。

6.根据权利要求1所述的应用于机器人关节模组的一体化双编码器，其特征在于，所述的微处理器采用STM32控制器；所述通信接口支持串口及CAN总线方式。

7.一种基于所述双编码器的机器人关节位置、转速和转矩检测方法，其特征在于，该方法由所述的微处理器执行，具体包括如下步骤：

S1：按照周期T对所述的光电感应模块、磁感应模块的数据进行处理，得到电机端和减速器输出端位置，记第i个周期时电机端位置为θ_i，减速器输出端位置为Φ_i；

S2：根据第i个周期和第i-1个周期时电机端θ_i、θ_i-1的差值，以及减速器输出端位置Φ_i、Φ_i-1的差值，来计算得到第i个周期时电机端转速n_i和减速器输出端转速N_i；

S3：根据第i个周期时电机端和减速器输出端位置θ_i、Φ_i和转速n_i、N_i，来估计第i个周期时输出端的输出转矩T_i；

S4：将当前电机端和减速器输出端的位置、转速、转矩状态数据通过通信接口模块传递给外部。

8.根据权利要求7所述的基于所述双编码器的机器人关节位置、转速和转矩检测方法，其特征在于，所述的电机端转速n_i和减速器输出端转速N_i的计算公式如下：

所述的输出转矩T_i的计算公式如下：

T_i＝M_i*(Φ_i-θ_i/D)

M_i＝f(Φ_i,N_i)

其中，D为减速器的减速比，M_i表示第i个周期时估计的减速器刚度，与关节角度和转速有关；f(Φ_i,N_i)曲线通过借助外部转矩传感器通过离线实验测试得到。

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