CN116802026A - 位移检测传感器、控制装置以及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种位移检测传感器，具备安装于以能够相对于预定的轴线相对运动的方式连结的第一连杆和第二连杆的两个编码器，两个编码器具备离轴线的距离不同的两个标尺部件、分别检测两个标尺部件的刻度的两个检测器，标尺部件与检测器的位置关系根据由第二连杆的前端受到的外力而变化，由两个编码器检测出的两个刻度产生差，能够基于两个刻度来检测第二连杆的前端的位移。

Description

位移检测传感器、控制装置以及控制系统

技术领域

本发明涉及机械控制，尤其涉及能够检测机械前端的位移的位移检测传感器、控制装置以及控制系统。

背景技术

工业用机器人、机床等机械具备以能够相对运动的方式连结的多个连杆。在使机械前端具有加工工具或工件来进行加工的应用中，由于机械前端受到外力，因此机械前端的位置由于因外力而产生的连杆的挠曲、连杆连结部的扭转等的影响而变化。由于机械前端的位移直接影响加工精度，因此要求由外力引起的位移小的机械。与此相对，已知有通过安装于连结部的输出轴的编码器来控制输出轴的位置，从而消除连结部的扭转、齿隙等的影响的技术。然而，在利用安装于输出轴的编码器来控制输出轴的位置的情况下，无法应对因比连结部靠前的连杆的挠曲而引起的机械前端的位移。作为与本申请相关的技术，例如公知有后述的文献。

在专利文献1中公开了一种机械臂，在机械臂中，具备：承担主要的负荷的主臂；具备固定于主臂的根部侧的固定端和向主臂的前端侧延伸的自由端的副臂；以及安装于自由端侧并检测由负荷引起的主臂的挠曲的位移检测器，使用位移检测器校正挠曲来进行臂前端的定位。

在专利文献2中记载有如下多边形机器人：在多关节型机器人中，除了驱动转动臂的电动机的旋转角度检测器之外，在各关节上直接连结或经由增速齿轮附设有检测转动臂彼此所成的实际角度的角度检测器。

在专利文献3中记载了一种编码器装置，在具备两个编码器的编码器装置中，将安装于第一轴的第一标尺与安装于第二轴的第二标尺相邻配置，在第二标尺具备用于检测第一标尺的光透射部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭61-125786号公报

专利文献2：日本特开昭64-45592号公报

专利文献3：日本特开2016-3947号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明是鉴于以往的问题点而提出的，其目的在于提供一种高精度地检测机械前端的位移的技术。

用于解决课题的手段

本公开的一方式提供一种位移检测传感器，该位移检测传感器具备安装于以能够相对于预定的轴线相对运动的方式连结的第一连杆和第二连杆的两个编码器，两个编码器具备离轴线为止的距离不同的两个标尺部件、分别检测两个标尺部件的刻度的两个检测器，标尺部件与检测器的位置关系根据由第二连杆的前端受到的外力而变化，由两个编码器分别检测出的两个刻度产生差，能够基于两个刻度来检测第二连杆的前端的位移。

本公开的其他方式提供一种控制装置，其对具备安装有上述位移检测传感器的多个连杆的机械进行控制，该控制装置具备动作指令生成部，该动作指令生成部基于与多个连杆各自的前端的位移对应的校正量来生成机械的动作指令。

本公开的另一方式提供一种控制系统，其具备：上述的位移检测传感器；机械，其具备安装有位移检测传感器的多个连杆；以及控制装置，其控制机械，控制装置具备动作指令生成部，该动作指令生成部基于与多个连杆各自的前端的位移对应的校正量来生成机械的动作指令。

发明效果

根据本公开的方式，能够高精度地检测机械前端的位移。

附图说明

图1是表示第一实施方式的位移检测传感器的机械的俯视图。

图2是表示第一实施方式的位移检测传感器的机械的立体图。

图3是表示第一实施方式的位移检测传感器的机械的侧视图。

图4是图3所示的位移检测传感器的局部放大图。

图5是表示连杆前端的位移的计算例的几何学图。

图6是第一实施方式的控制系统的框图。

图7是表示第二实施方式的位移检测传感器的机械的侧视图。

图8是表示连杆前端的位移的计算例的几何学图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本公开的实施方式。在各附图中，对相同或类似的构成要素标注相同或类似的附图标记。另外，以下记载的实施方式并不限定请求专利保护的范围所记载的发明的技术范围以及用语的意义。

图1和图2是表示第一实施方式的位移检测传感器20的机械10的俯视图和立体图。机械10例如是工业用机器人、机床等机械。机械10具备以能够相对于轴线O进行相对运动的方式连结的第一连杆11和第二连杆12。位移检测传感器20安装在第一连杆11和第二连杆12上。第一连杆11和第二连杆12例如以能够绕轴线O旋转的方式连结。第二连杆12由致动器驱动。致动器例如是电动机13和减速器14。致动器也可以由不具备减速器的直接驱动电动机构成。

位移检测传感器20具备安装于第一连杆11和第二连杆12的两个编码器21、22。两个编码器21、22例如是检测第一连杆11与第二连杆12的相对角度的旋转编码器。两个编码器21、22例如是光学式编码器，但也可以是磁式编码器等其他方式的编码器。两个编码器21、22具备从轴线O到检测位置为止的距离不同的两个标尺部件21a、22a和检测两个标尺部件21a、22a的刻度的检测器21b、22b。两个标尺部件21a、22a例如是直径不同的两个环状部件，配置在以轴线O为中心的同心圆上。另一方面，两个检测器21b、22b配置在分别与两个标尺部件21a、22a相对的位置。

位移检测传感器20还可以具备支承两个检测器21b、22b的基座部件23。基座部件23例如是棒状部件，具备固定于第二连杆12的前端的固定端23a、以及配置于第一连杆11与第二连杆12的连结部而不被约束的自由端23b。在基座部件23的自由端23b安装有检测器21b、22b，在第一连杆11固定有标尺部件21a、22a。由此，标尺部件21a、22a与检测器21b、22b的位置关系根据由第二连杆12的前端受到的外力而变化，由两个编码器21、22检测出的两个刻度产生差。

图3是表示第一实施方式的位移检测传感器20的机械10的侧视图。在该图中，受到外力前的第二连杆12由双点划线描绘，受到外力而挠曲的第二连杆12由实线描绘。如箭头所示，当第二连杆12的前端受到外力时，由于第二连杆12的挠曲、连杆连结部的扭转等的影响，第二连杆12的前端(基座部件23的固定端23a)从位置A移动到位置B。即，第二连杆12的前端发生位移δ。另一方面，基座部件23虽然固定端23a固定于第二连杆12的前端，但自由端23b未被约束，因此基座部件23自身不变形(即，不挠曲)。因此，检测器21b、22b与标尺部件21a、22a的位置关系变化第二连杆12的前端的位移δ的量，由两个编码器21、22检测出的两个刻度产生差。

图4是图3所示的位移检测传感器20的局部放大图。检测器21b、22b与标尺部件21a、22a的位置关系根据第二连杆12的前端的位移δ而变化，由两个编码器21、22检测出的两个刻度、即两个角度θ1、θ2产生差。两个角度θ1、θ2是外力作用前后的角度变化。位移检测传感器20能够基于两个角度θ1、θ2来检测第二连杆12的前端的位移δ。

位移检测传感器20还可以具备位移计算部(未图示)，该位移计算部除了基于两个角度θ1、θ2之外，还基于从轴线O到两个标尺部件21a、22a的检测位置C、D(或者C’、D’)为止的不同的两个距离r1、r2(参照图4)、以及从第二连杆12的前端(基座部件23的固定端23a)到标尺部件22a的检测位置C为止的距离L(参照图3)，来计算第二连杆12的前端的位移δ。r1、r2分别是标尺部件21a、22a的半径，L是从外力作用前的基座部件23的固定端23a到标尺部件22a的检测位置C为止的距离，因此r1、r2、L是已知的值。虽未图示，但位移计算部例如是具备执行程序的处理器、存储器、输入输出部等的计算机装置，但也可以由不执行程序的FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)、ASIC(applicationspecific integrated circuit：专用集成电路)等半导体集成电路构成。

图5是表示连杆前端的位移δ的计算例的几何学图。首先，位移检测传感器20将作为已知值的r1、r2、L和外力作用前的两个编码器21、22的刻度存储在存储器中。然后，位移检测传感器20取得外力作用后的两个编码器21、22的刻度而取得两个角度θ1、θ2。

在图5中，当绘制与将外力作用前的第二连杆的前端的位置A(基座部件的固定端的位置)和标尺部件的检测位置C连结的线段AC平行且通过外力作用后的标尺部件的检测位置C’的线段EF，进而从外力作用后的基座部件的固定端的位置B向线段EF绘制垂线BE，将线段AC与垂线BE的交点设为G，将线段EG的长度设为L2，将垂线BE的长度设为L3时，第二连杆的前端的位移δ能够由下式表示。

[数式1]

δ＝L3-L2···式1

另外，当将外力作用后的基座部件的角度∠BC’E设为β，将从基座部件的固定端的位置B到标尺部件的检测位置C’为止的边BC’的长度设为L’时，L3能够由下式表示。

[数式2]

L3＝L′×sinβ···式2

关于L’，由于在外力作用后，标尺部件与检测器之间的距离发生微小变化，所以如果将该变化量设为ΔL，则边BC’的长度L’表示为L’＝L+ΔL。在此，ΔL相对于L足够小，因此能够近似为L’＝L。因此，L3还能够用以下的式子表示。

[数式3]

L3＝L×sinβ···式3

另一方面，L2等于作为从标尺部件的检测位置C’向线段AO引出的垂线的边C’H的长度，因此能够根据角度θ2和标尺部件的半径r2用以下的式子表示。

[数式4]

L2＝r2×sinθ2···式4

如果根据式3、式4求出不是已知的值的β，则求出第二连杆的前端的位移δ。这里，当∠D’C’O被定义为α时，β可以用以下的式子表示。

[数式5]

β＝α-θ2···式5

如果根据式5求出不是已知的值的α，则求出第二连杆的前端的位移δ。这里，当关注ΔOC’D’并且边C’D’的长度是L1时，根据余弦定理，α可以用以下的式子表示。

[数式6]

如果根据式6求出不是已知的值的L1，则求出第二连杆的前端的位移δ。在此，进一步关注△OC’D’，边OD’的长度为r1，边OC’的长度为r2，这两边夹着的角∠C’OD’是两个角度θ1、θ2之差，因此根据余弦定理，L1能够用以下的式子表示。

[数式7]

其中，由于r1、r2、θ1、θ2是已知的，因此求出第二连杆的前端的位移δ。

另外，在对第二连杆的前端的位移δ进行校正的情况下，需要使第二连杆从位置B绕轴线O旋转至位置A。若将该旋转角度设为校正量ε，则位移计算部也可以进一步计算对第二连杆的前端的位移δ进行校正的校正量ε。校正量ε能够用以下的式子表示。

[数式8]

其中，边GO为边EC’与边C’F之和。若关注△BC’E，则边EC’能够用以下的式子表示。

[数式9]

边EC′＝L×cosβ˙˙˙式9

另外，当关注△C’OF时，边C’F能够用以下的式子表示。

[数式10]

边C′F＝r2×cosθ2˙˙˙式10

能够根据式9、式10计算校正量ε。

图6是第一实施方式的控制系统1的框图。控制系统1具备位移检测传感器20、具备安装有位移检测传感器20的多个连杆的机械10、以及控制机械10的控制装置30。机械10例如是垂直多关节机器人。机械10在多个连杆各自的连结部具备电动机13和位移检测传感器20。位移检测传感器20例如是旋转编码器。位移检测传感器20能够检测多个连杆各自的前端的位移δ。若对多个连杆各自的前端的位移δ进行校正，则能够对机械10的前端的位移进行校正。

控制装置30具备按照示教程序生成机械10的动作指令的动作指令生成部33。机械10的动作指令例如包括电动机13的位置指令、速度指令、转矩指令等。动作指令生成部33根据与多个连杆各自的前端的位移δ对应的校正量ε来生成机械10的动作指令。动作指令生成部33例如由控制电动机13的控制器、放大器等构成。

控制装置30也可以还具备：存储器31，其存储θ1、θ2、r1、r2以及L；以及位移计算部32，其基于θ1、θ2、r1、r2以及L来计算多个连杆各自的前端的位移δ。位移计算部32例如是具备执行程序的处理器、存储器、输入输出部等的计算机装置，但也可以由不执行程序的FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)、ASIC(application specificintegrated circuit：专用集成电路)等半导体集成电路构成。在控制装置30中设置位移计算部32的情况下，不需要在位移检测传感器20中设置位移计算部。在该情况下，位移检测传感器20只要根据由机械10的前端受到的外力将由两个编码器检测出的两个角度θ1、θ2输出到控制装置30即可。

位移计算部32可以针对每个连杆进一步计算对多个连杆各自的前端的位移δ进行校正的校正量ε。动作指令生成部33根据这些校正量ε生成机械10的动作指令。

需要注意的是，第一实施方式的位移检测传感器20、控制装置30以及控制系统1的结构以及动作是一个例子，能够适当变更。例如，基座部件23也可以不支承两个检测器21b、22b，而支承两个标尺部件21a、22a。即，也可以在基座部件23的自由端23b安装标尺部件21a、22a，在第一连杆11固定检测器21b、22b。另外，例如位移检测传感器20也可以不具备基座部件23，而机械10具备基座部件23。

另外，第一连杆11和第二连杆12也可以不是以能够绕轴线O旋转的方式连结，而是以能够沿着轴线直行的方式连结。即，两个编码器21、22也可以不是旋转编码器，而是线性编码器。

图7是表示第二实施方式的位移检测传感器20的机械10的侧视图。以下，仅对与第一实施方式的位移检测传感器20不同的结构及动作进行说明。第一连杆11与第二连杆12例如以能够沿着轴线O直行的方式连结。编码器21、22例如是检测第一连杆11与第二连杆12的相对位置的线性编码器。两个标尺部件21a、22a例如是从轴线O到检测位置为止的距离不同的两个线状部件，配置在轴线O的平行线上。另一方面，两个检测器21b、22b配置在分别与两个标尺部件21a、22a相对的位置。在基座部件23的自由端23b安装有检测器21b、22b，在第一连杆11固定有标尺部件21a、22a。由此，标尺部件21a、22a与检测器21b、22b的位置关系根据由第二连杆12的前端受到的外力而变化，由两个编码器21、22检测出的两个刻度产生差。

检测器21b、22b与标尺部件21a、22a的位置关系根据第二连杆12的前端的位移δ而变化，在由两个编码器21、22检测的两个刻度、即两个位置P1、P2产生差。两个位置P1、P2是外力作用前后的位置变化。位移检测传感器20能够基于两个位置P1、P2检测第二连杆12的前端的位移δ。

位移检测传感器20还可以具备位移计算部(未图示)，该位移计算部除了基于两个位置P1、P2之外，还基于从轴线O到两个标尺部件21a、22a的检测位置C、D为止的不同的两个距离r1、r2、以及从第二连杆12的前端(基座部件23的固定端23a)到标尺部件22a的检测位置C为止的距离L，来计算第二连杆12的前端的位移δ。r1、r2分别是从轴线O到标尺部件21a、22a的检测位置C、D为止的距离，L是从外力作用前的基座部件23的固定端23a到基座部件22a的检测位置C为止的距离，因此r1、r2、L是已知的值。

图8是表示连杆前端的位移δ的计算例的几何学图。首先，位移检测传感器20将作为已知值的r1、r2、L和外力作用前的两个编码器21、22的刻度存储在存储器中。然后，位移检测传感器20取得外力作用后的两个编码器21、22的刻度而取得两个位置P1、P2。

在图8中，当引出与连结外力作用前的第二连杆的前端的位置A(基座部件的固定端的位置)和标尺部件的检测位置C的线段AC平行且通过外力作用后的标尺部件的检测位置C’的线段EF，进而从外力作用后的基座部件的固定端的位置B向线段EF引出垂线BE，将线段AC与垂线BE的交点设为G，将线段EG的长度设为L2，将垂线BE的长度设为L3时，第二连杆的前端的位移δ能够由以下式子表示。

[数式11]

δ＝L3-L2···式11

另外，当将外力作用后的基座部件的角度∠BC’E设为β，将从基座部件的固定端的位置B到标尺部件的检测位置C’为止的边BC’的长度设为L’时，L3能够由以下的式子表示。

[数式12]

L3＝L′×sinβ···式12

关于L’，由于在外力作用后，标尺部件与检测器之间的距离发生微小变化，所以如果将该变化量设为ΔL，则边BC’的长度L’表示为L’＝L+ΔL。在此，ΔL相对于L足够小，因此能够近似为L’＝L。因此，L3还能够用以下的式子表示。

[数式13]

L3＝L×sinβ···式13

另一方面，L2等于从标尺部件的检测位置C到检测位置C’为止的长度，因此可以由以下的式子表示。

[数式14]

L2＝P2···式14

如果根据式13、式14求出不是已知的值的β，则求出第二连杆的前端的位移δ。这里，当关注ΔC’FD’时，β可以由以下的式子表示。

[数式15]

在此，由于r1、r2、P1、P2是已知的，因此求出第二连杆的前端的位移δ。

另外，在对第二连杆的前端的位移δ进行校正的情况下，需要使第二连杆从位置B沿轴线O直线前进至位置A。若将该直行位置设为校正量ε，则位移计算部也可以进一步计算对第二连杆的前端的位移δ进行校正的校正量ε。校正量ε与位移δ相等，因此能够用以下的式子表示。

[数式16]

ε＝δ···式16

根据以上的实施方式，能够高精度地检测机械10的前端的位移。另外，能够根据各种连杆连结构造高精度地校正机械10的前端的位移。

此外，由上述的处理器执行的程序可以记录于计算机可读取的非瞬态的记录介质、例如CD-ROM等来提供，或者也可以经由有线或无线从WAN(wide area network：广域网)或LAN(local area network：局域网)上的服务器装置发布来提供。

在本说明书中对各种实施方式进行了说明，但本发明并不限定于前述的实施方式，希望认识到在请求专利保护的范围所记载的范围内能够进行各种变更。

符号说明

1 控制系统；

10 机械；

11 第一连杆；

12 第二连杆；

13 电动机；

14 减速器；

20 位移检测传感器；

21、22 编码器；

21a、22a 标尺部件；

21b、22b 检测器；

23 基座部件；

23a 固定端；

23b 自由端；

30 控制装置；

31 存储器；

32 位移计算部；

33 动作指令生成部；

O 轴线；

δ 位移；

ε 校正量；

L 从基座部件的固定端到标尺部件的检测位置为止的距离；

r1、r2 从轴线到标尺部件的检测位置为止的距离；

θ1、θ2 两个编码器检测到的两个角度；

P1、P2 两个编码器检测到的两个位置。

Claims (10)

1.一种位移检测传感器，其特征在于，

所述位移检测传感器具备安装于以能够相对于预定的轴线相对运动的方式连结的第一连杆和第二连杆的两个编码器，

所述两个编码器具备从所述轴线到检测位置为止的距离不同的两个标尺部件、分别检测两个标尺部件的刻度的两个检测器，

所述标尺部件与所述检测器的位置关系根据由所述第二连杆的前端受到的外力而变化，由所述两个编码器检测出的两个刻度产生差，能够基于所述两个刻度来检测所述第二连杆的前端的位移。

2.根据权利要求1所述的位移检测传感器，其特征在于，

所述位移检测传感器还具备支承所述检测器和所述标尺部件中的一方的基座部件，

所述基座部件具备：固定端，其固定于所述第二连杆的前端；以及自由端，其配置于所述第一连杆与第二连杆的连结部而不被约束，

在所述自由端安装有所述检测器和所述标尺部件中的所述一方，在所述第一连杆固定有所述检测器和所述标尺部件中的另一方。

3.根据权利要求2所述的位移检测传感器，其特征在于，

所述位移检测传感器还具备位移计算部，该位移计算部除了基于所述两个刻度之外，还基于从所述轴线到所述两个标尺部件的检测位置为止的不同的两个距离、以及从所述第二连杆的前端到所述标尺部件的所述检测位置为止的距离，来计算所述第二连杆的前端的所述位移。

4.根据权利要求3所述的位移检测传感器，其特征在于，

所述位移计算部还计算与所述第二连杆的前端的所述位移对应的校正量。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的位移检测传感器，其特征在于，

所述两个编码器是旋转编码器，所述旋转编码器检测以能够绕所述轴线旋转的方式连结的所述第一连杆与所述第二连杆的相对角度。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的位移检测传感器，其特征在于，

所述两个编码器是线性编码器，所述线性编码器检测以能够沿着所述轴线直行的方式连结的所述第一连杆与所述第二连杆的相对位置。

7.一种控制装置，其对具备安装有权利要求1至6中的任一项所述的位移检测传感器的多个连杆的机械进行控制，其特征在于，

所述控制装置具备动作指令生成部，该动作指令生成部基于与所述多个连杆各自的前端的所述位移对应的校正量来生成所述机械的动作指令。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，

所述控制装置还具备位移计算部，该位移计算部除了基于所述两个刻度之外，还基于从所述轴线到所述两个标尺部件的检测位置为止的不同的两个距离、以及从所述第二连杆的前端到所述标尺部件的所述检测位置为止的距离，来计算所述多个连杆各自的前端的所述位移。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，

所述位移计算部还针对每个所述连杆计算与所述多个连杆各自的前端的所述位移对应的所述校正量。

10.一种控制系统，其特征在于，具备：

权利要求1至6中的任一项所述的位移检测传感器；

机械，其具备安装有所述位移检测传感器的多个连杆；以及

控制装置，其控制所述机械，

所述控制装置具备动作指令生成部，该动作指令生成部基于与所述多个连杆各自的前端的所述位移对应的校正量来生成所述机械的动作指令。