CN114425690A - 一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器，该机械多圈编码器包括主动齿轮、主磁铁、从动齿轮、从磁铁、主磁感应芯片和从磁感应芯片，其中，主动齿轮与电机轴同轴连接，主磁铁安装于电机轴端，与主动齿轮同轴设置，主动齿轮和所述主磁铁与电机轴一同旋转；从动齿轮安装于电机后端盖上，从磁铁与从动齿轮同轴设置；主动齿轮与从动齿轮啮合，主动齿轮带动从动齿轮和从磁铁转动；主磁感应芯片和从磁感应芯片与电机驱动器中的控制器相连接，主磁感应芯片和从磁感应芯片分别正对主磁铁和从磁铁布置。该编码器的齿轮直接安装在电机上，磁感应芯片集成到电机驱动板上，极大地降低了编码器的成本和体积。

Description

一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器

技术领域

本发明涉及足式机器人领域，尤其涉及一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器。

背景技术

足式机器人是近年来特别热门的研究领域，因为足式机器人具有很好的环境适应性，其能够在草地、崎岖山地、坑洼等复杂环境下运动，可以在危险环境下完成救援和探险任务。足式机器人的关节是其核心部件，关节的性能将直接影响足式机器人的动力和控制等性能。

足式机器人的关节是一个高度集成的模组，包括了电机、减速器、驱动器、编码器等。其中，编码器是用来获取关节的位置信息，是机器人控制必不可少的传感器。目前足式机器人关节的编码器方案一般是在电机端安装一个多圈编码器，根据圈数计数原理的不同，多圈编码器可以分为电子多圈编码器和机械多圈编码器。电子多圈编码器需要通过电子计数的方式来记录电机转过的圈数，断电后需要通过电池维持计数值。电子多圈编码器具有体积小、成本低、计数范围大等优点，但是电子多圈编码器存在其固有的缺点，其一，电池掉电后存在丢失零点的缺点，其二，电池需要更换，其三，电子计数值若受到干扰导致计数出错，则会导致位置数据的错误。机械多圈编码器可以很好地克服电子多圈编码器的缺点，不需要电池且其多圈计数依靠机械齿轮的位置，不易被干扰。但是，传统的机械多圈编码器采用减速齿轮进行计数，多级减速齿轮结构复杂体积较大且生产制造困难成本较高。对于足式机器人的关节而言，要求体积小、重量轻且价格低廉，因此，传统的机械多圈编码器也不适用于足式机器人的关节。

因此，亟需要设计出一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器，能同时具备电子多圈编码器和机械多圈编码器的优点，既具备电子多圈编码器体积小成本低的优点，也具备传统机械多圈编码器不需要电池且稳定性较高的优点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器，通过将机械多圈编码器的齿轮与电机一同设计，省去了编码器与电机中间的传动结构，极大地减小了编码器的体积和成本；此外，磁感应芯片集成到电机驱动板上，驱动器控制器可以直接读取磁感应芯片的位置数据，省去了编码器芯片的专用电路板和连接线缆，进一步降低了编码器的成本和体积。

本发明的一个方面，提供一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器，其特征在于，包括主动齿轮、主磁铁、从动齿轮、从磁铁、主磁感应芯片和从磁感应芯片，其中，所述主动齿轮的齿数为m，所述从动齿轮的齿数为n；所述主动齿轮与电机轴同轴连接，所述主磁铁安装于电机轴端，与所述主动齿轮同轴设置，所述主动齿轮和所述主磁铁与电机轴一同旋转；所述从动齿轮安装于电机后端盖上，所述从磁铁与从动齿轮同轴设置；所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述主动齿轮带动所述从动齿轮和所述从磁铁转动；所述主磁感应芯片和所述从磁感应芯片与电机驱动器中的控制器相连接，所述主磁感应芯片和所述从磁感应芯片分别正对主磁铁和从磁铁布置。

该机械多圈编码器具有以下优势：(1)结构简单，只需要两个齿轮的一级传动即可实现多圈计数，代替了传统的多级减速齿轮方案，有效地简化了机械多圈绝对值编码器的结构，克服了传统机械多圈编码器结构复杂、安装困难的缺点；(2)该机械多圈编码器的齿轮部分与电机结构一同设计，省去了中间的传动结构，极大地减小了编码器的体积和成本；(3)该机械多圈编码器的磁感应芯片集成于电机驱动板上，电机驱动器电路中的控制器可以直接读取磁感应芯片中的位置数据，省去了编码器芯片专用电路板以及连接线缆，进一步降低了编码器的成本和体积。

优选地，所述主磁感应芯片和所述主磁铁用于获取主动齿轮的位置；所述从磁感应芯片和所述从磁铁用于获取从动齿轮的位置。

优选地，所述主动齿轮的齿数m与所述从动齿轮的齿数n互斥。当主动齿轮的齿数与从动齿轮的齿数互斥时，将尽可能扩大机械多圈编码器的量程，且确定机械多圈编码器的量程为从动齿轮4的齿轮数。

优选地，所述主动齿轮的齿数m比所述从动齿轮的齿数n多一个或者少一个。当主动齿轮的齿数比从动齿轮的齿数多一个或者少一个时，主动齿轮和从动齿轮的齿轮大小比较接近，可以使得机械多圈编码器的结构更加紧凑，体积更小，更能适用于足式机器人的关节。

优选地，述主动齿轮和所述从动齿轮的材质为尼龙。尼龙具有容易加工、成本低等优点，且其质量较轻且运行时噪声较低，其本身具有一定的自润滑性，非常适用于足式机器人关节。

优选地，所述主磁铁和所述从磁铁的材质为钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁具有较高的磁性能，其本身的机械加工性能很好且质地坚硬，性能稳定，工作温度最高可达200摄氏度。主磁铁和从磁铁选用钕铁硼磁铁时，可以降低对主磁感应芯片和从磁感应芯片和磁铁之间的距离误差要求。

优选地，所述主磁感应芯片和所述从磁感应芯片为绝对值编码器芯片。

优选地，所述机械多圈编码器根据所述主动齿轮的位置确定电机的单圈位置，根据所述主动齿轮和从动齿轮的位置，确定电机的多圈位置。

附图说明

图1为本发明的机械多圈编码器的齿轮示意图。

图2为本发明的电机驱动器模块示意图。

图3为本发明的机械多圈编码器工作方法中的标定流程图。

图4为本发明的机械多圈编码器初始化流程图。

图5为本发明的机械多圈编码器位置计算流程图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

请参照图1所示，图1为本发明的机械多圈编码器的齿轮示意图。该机械多圈编码器包括主动齿轮2、主磁铁3、从动齿轮4、从磁铁5、主磁感应芯片以及从磁感应芯片(主磁感应芯片和从磁感应芯片未在图1中示出)。其中，主动齿轮2与电机轴同轴连接，主磁铁3安装于电机轴端，与主动齿轮2同轴设置，主动齿轮2和主磁铁3与电机轴一同旋转。从动齿轮4安装于电机后端盖1 上，从磁铁5与从动齿轮4同轴设置，主动齿轮2与从动齿轮4啮合，主动齿轮2带动从动齿轮4和从磁铁5转动。由图1中的齿轮示意图可以看出，本发明提供的机械多圈编码器中，齿轮直接安装在电机上，编码器的齿轮部分与电机结构一同设计，省去了中间的传动结构，极大地减小了编码器的体积和成本；除此之外，本发明中的编码器只需要两个齿轮的一级传动代替了传统的多级减速齿轮方案，有效地简化了机械多圈绝对值编码器的结构，克服了传统机械多圈编码器结构复杂、安装困难的缺点。

为了方便地计算机械多圈编码器中的位置信息，本发明中，主动齿轮2的齿轮数和从动齿轮4的齿轮数互斥，这样将尽可能扩大机械多圈编码器的量程，且确定机械多圈编码器的量程为从动齿轮4的齿轮数。在一个较优的实施例中，为了使本发明中的机械多圈编码器适用于足式机器人关节，主从齿轮2的齿轮数比从动齿轮4的齿轮数多一个或者主动齿轮2的齿轮数比从动齿轮4的齿轮数少一个。主动齿轮2和从动齿轮4采用这样的齿数时，主动齿轮和从动齿轮的齿轮大小比较接近，可以使得机械多圈编码器的结构更加紧凑，体积更小，更能适用于足式机器人的关节。

在主动齿轮2和从动齿轮4的材质选择上，可以选择碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁等金属材料，也可以选择夹布胶木、尼龙等非金属材料，本发明并不对此进行限制。在一个较优的实施例中，主动齿轮2和从动齿轮4的材质选择尼龙，尼龙具有容易加工、成本低等优点，且其质量较轻且运行时噪声较低，其本身具有一定的自润滑性。机械多圈编码器采用尼龙齿轮时，因其具备上述优点，将非常适用于足式机器人。

在主磁铁3和从磁铁5的材质选择上，可以选择钕铁硼磁铁、铁氧体磁铁、铝镍钴磁铁、钐钴磁铁等，本发明并不对其材质进行限制。主磁体2和从磁铁5 径向充磁。在一个较优的实施例中，主磁铁3和从磁铁5选用钕铁硼磁铁，因为钕铁硼磁铁具有较高的磁性能，其本身的机械加工性能很好且质地坚硬，性能稳定，工作温度最高可达200摄氏度。当主磁铁3和从磁铁5选用钕铁硼磁铁时，可以降低对主磁感应芯片和从磁感应芯片和磁铁之间的距离误差要求。

图2是电机驱动器模块示意图。电机驱动器包括通信模块、电源模块、控制器、功率模块、报警及保护模块等，其中，通信模块与上位机连接，用于从上位机处接收控制指令，并将控制指令传输给控制器；电源模块用于输出稳定的电压；功率模块根据控制器的指令，控制电机运行；报警及保护模块用于检测电机系统的工作状态，在电机运行异常时，进行报警。

在本发明提供的机械多圈编码器的主磁感应芯片和从磁感应芯片与电机驱动器中的控制器相连接，主磁感应芯片和从磁感应芯片分别正对主磁铁和从磁铁布置，分别用来感应主磁铁和从磁铁的磁场信息；控制器分别读取主磁感应芯片和从磁感应芯片解码后的位置数据，并将这两个位置数据进行处理得到一个多圈位置数据，即机器人关节的位置信息，用于机器人关节控制。在一个较佳的实施例中，主磁感应芯片和从磁感应芯片选用绝对值编码器芯片，主磁感应芯片、从磁感应芯片与控制器之间通过SPI进行通信，通信速率为10Mbps，采用较高的通信速率可以保证位置数据读取的实时性。

主磁感应芯片和主磁铁构成一个单圈绝对值编码器，用于获取主动齿轮2 当前的单圈位置；从磁感应芯片和从磁铁也构成一个单圈绝对值编码器，用于获取从动齿轮4当前的单圈信息。因为主动齿轮2与电机轴一同旋转，因此，主动齿轮2的位置即为电机的单圈位置，主动齿轮2和从动齿轮4的位置共同确定此时电机的多圈计数值。将主磁感应芯片的位置数据结合多圈计数值，即可得到电机的多圈位置数据，作为机器人关节的位置反馈。

从图2中可以看出，本发明提供的机械多圈编码器的主磁感应芯片和从磁感应芯片与电机的驱动器一同设计，集成于电机驱动板上，电机驱动器电路中的控制器可以直接读取磁感应芯片中的位置数据，省去了编码器芯片专用电路板以及连接线缆，进一步降低了编码器的成本和体积。

本发明提出的用于足式机器人关节的机械多圈编码器具有如下优势：(1) 该机械多圈编码器结构简单，只需要两个齿轮的一级传动即可实现多圈计数，代替了传统的多级减速齿轮方案，有效地简化了机械多圈绝对值编码器的结构，克服了传统机械多圈编码器结构复杂、安装困难的缺点；(2)该机械多圈编码器的齿轮部分与电机结构一同设计，省去了中间的传动结构，极大地减小了编码器的体积和成本；(3)该机械多圈编码器的磁感应芯片集成于电机驱动板上，电机驱动器电路中的控制器可以直接读取磁感应芯片中的位置数据，省去了编码器芯片专用电路板以及连接线缆，进一步降低了编码器的成本和体积。

本发明的另一方面，还提供了一种配合该机械多圈编码器的位置计算方法。在进行位置计算时，主要分为三个步骤：标定、初始化和位置计算。

如图3所示，在机械多圈编码器安装完成之后，执行标定操作，对主动齿轮和从动齿轮的零位进行标定，标定过程主要是在机械多圈编码器的量程范围内，记录每次当主动齿轮2运行到零位位置时，从动齿轮4的位置数据，将标定结果存储在非易失性存储器中，标定操作只需要在出厂时执行一次即可。标定开始后，电机以一定的速度匀速转动，并不断读取主磁感应芯片的位置数据和从磁感应芯片的位置数据，当主磁感应芯片测量的主动齿轮位置到达零位时，保存此时的零位标定数值和从动齿轮4的位置数据，并将零位标定数值加1(此处的零位标定数值表示多圈编码器运行的圈数，当主磁感应芯片运动到零点时，表示其圈数增加一圈)，当零位标定数值达到设定数值N时，标定结束。其中一个实施例中，主从齿轮2的齿轮数比从动齿轮4的齿轮数多一个或者主动齿轮2 的齿轮数比从动齿轮4的齿轮数少一个，则零位标记数值的设定数值N为从动齿轮的齿数。标定完成后，得到N个位置数据，将零位标定数值及其对应的从动齿轮的位置形成零位标定表格，并将上述零位标定表格保存在非易失性存储器中。通过标定的方式，可以简化其安装步骤，在安装时，主磁铁和从磁铁的零位不需要对齐，可以任意安装。

如图4所示，图4为编码器执行初始化的流程图。编码器的初始化主要是为了确定在初始位置时的多圈计数值。在进行初始化时，首先，系统上电，读取当前主磁感应芯片和从磁感应芯片测量的位置数据；然后根据主磁感应芯片和从磁感应芯片测量的位置数据推算从动齿轮对应的零位位置，根据推算得到的零位位置，查询标定过程中存储的零位标定表格，获得当前的圈数数值，并以此值作为多圈计数值的初始值。

在进行零位位置推算时，假设主动齿轮的齿数为m，从动齿轮的齿数为n，其中m与n互斥。读取当前主磁感应芯片和从磁感应芯片的位置数据，分别为 PM和PS，则此时主动齿轮2回到对应圈数的零点需要转动的角度为-PM，从动齿轮4跟随转动的角度为

则对应圈数的从动齿轮位置为

若得到的

为负数，则增加一个周期的数据进行调整。将得到的从动齿轮位置在零位标定表格中查找，则可以得到此时对应的圈数。

如图5所示，图5为位置计算的流程图。在正常运行过程中，需要实时读取主磁感应芯片的数据，并根据主磁感应芯片的数据检测主动齿轮是否经过零点，若正向经过零点，则多圈计数值加1，若反向经过零点，则多圈计数值减1，由此可以得到电机的圈数信息。因为主动齿轮2与电机轴一同旋转，则主动齿轮2的位置即为电机的单圈位置。结合多圈数值和主磁感应芯片的位置数据计算得到多圈位置数据，用作机器人关节位置反馈。

使用本发明中提供的位置计算方法，具有以下优点：(1)该方法在进行位置计算时，只需要在初始化时读取从动齿轮4的位置信息，在后续的位置计算中，将只需要读取主动齿轮2的位置信息进行单圈位置确认，不再读取从动齿轮4的位置信息。因此，该方法无需实时计算即可以确定圈数的位置信息，极大地减少了多圈编码器的计算量；(2)因为该方法在进行位置计算时，只需要在初始化时读取从动齿轮4的位置信息，后续将不再读取从动齿轮2的位置信息，相比于实时计算圈数的编码器，其对传动齿轮间隙的要求较低，可以容忍较大的齿轮啮合背隙，不易受到传动间隙的影响，采用该方法将大大降低了对装配以及齿轮加工的要求，极大地降低了成本。

为了更好地理解上述机械多圈编码器的位置计算方法，我们举一个实施例进行说明。一个多圈数值为16的机械多圈编码器，主动齿轮齿数为15齿，从动齿轮齿数为16齿。

首先进行标定，标定操作只需要在第一次安装完成之后执行一次即可。标定时，电机匀速转动，按照图1的标定流程，得到16个从动齿轮4的位置数据，分别为P0，P1，…，P15，零位标定数值分别为0,1，…，15，将上述零位标定数值及其对应的从动齿轮4的位置数据制成零位标定表格存储到非易失存储器中。

在实际使用中，只需要进行初始化和位置计算即可。进行初始化时，主要是为了确定在初始位置时的多圈计数值。系统上电，首先读取当前主磁感应芯片和从磁感应芯片的位置数据，分别为PM和PS；然后根据PM推算零位位置，零位位置PZ的计算如下：

若PZ为负数，需要增加一个周期数据进行调整。根据PZ的数值查询存储在非易失存储器中的零位标定表格，确定当前的多圈数值，将此时的多圈计数值确定为零位位置对应的零位标定数值。如PZ＝P1，则多圈计数初始值为1。

初始化完成后，只需要读取主磁感应芯片的位置数据，并实时检测主动齿轮是否过零点，若正向过零点，则多圈数值加1，若反向过零点，则多圈数值减 1。主磁感应芯片的位置数据作为单圈数据，再结合多圈计数值，得到多圈位置数据，作为机器人关节的反馈数据。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于足式机器人关节的机械多圈编码器，其特征在于，包括主动齿轮、主磁铁、从动齿轮、从磁铁、主磁感应芯片和从磁感应芯片，其中，

所述主动齿轮的齿数为m，所述从动齿轮的齿数为n；

所述主动齿轮与电机轴同轴连接，所述主磁铁安装于电机轴端，与所述主动齿轮同轴设置，所述主动齿轮和所述主磁铁与电机轴一同旋转；

所述从动齿轮安装于电机后端盖上，所述从磁铁与从动齿轮同轴设置；

所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述主动齿轮带动所述从动齿轮和所述从磁铁转动；

所述主磁感应芯片和所述从磁感应芯片与电机驱动器中的控制器相连接，所述主磁感应芯片和所述从磁感应芯片分别正对主磁铁和从磁铁布置。

2.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，所述主磁感应芯片和所述主磁铁用于获取主动齿轮的位置；所述从磁感应芯片和所述从磁铁用于获取从动齿轮的位置。

3.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，所述主动齿轮的齿数m与所述从动齿轮的齿数n互斥。

4.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，所述主动齿轮的齿数m比所述从动齿轮的齿数n多一个或者少一个。

5.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，所述主动齿轮和所述从动齿轮的材质为尼龙。

6.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，所述主磁铁和所述从磁铁的材质为钕铁硼磁铁。

7.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，所述主磁感应芯片和所述从磁感应芯片为绝对值编码器芯片。

8.根据权利要求1中所述的机械多圈编码器，其特征在于，根据所述主动齿轮的位置确定电机的单圈位置，根据所述主动齿轮和从动齿轮的位置，确定电机的多圈位置。

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