CN209857924U - 一种磁编码器及机器人关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种一种磁编码器及机器人关节，所述磁编码器的设计方案中，将磁编码器设计为包括第一径向磁环和第二径向磁环，第一径向磁环包括一对磁极，第二径向磁环包括至少两对磁极，第二径向磁环与第一径向磁环共轴；在磁环固定部件相对磁场传感器固定部件旋转时，带动第一径向磁环和第二径向磁环相对第一磁场传感器和第二磁场传感器的旋转，第一磁场传感器和第二磁场传感器分别感测第一径向磁环和第二径向磁环的磁场数据。由于第二径向磁环具有至少两对磁极，使得第二径向磁环可产生与磁极对数个周期信号，从而提高第二磁场传感器的读数的分辨率，进而实现对磁编码器的分辨率提高。

Description

一种磁编码器及机器人关节

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种一种磁编码器及机器人关节。

背景技术

机器人及自动化装备有着广阔的应用市场，以机器人为例，机器人技术作为先进制造技术的典型代表，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。其中，机器人一般都具有旋转底座，旋转底座的作用是带动机器人的机械手进行轴向圆周运动。其中，旋转底座外一般连接有导线，而当旋转底座进行轴向圆周运动时容易因为缠绕导线而影响机械手进行轴向圆周运动，那么就需要设置旋转编码器来控制轴向圆周运动只能够在一定旋转角度范围内转动，从而实现防缠线。

现有的旋转编码器主要分为光电式编码器、电容式编码器以及磁编码器等。其中，磁编码器由于其体积小、工作稳定等优点，在对体积要求较高的机器人等行业应用越来越广泛。然而磁编码器由于其工作原理限制，其分辨率通常只有单圈14-15位，难以满足高精度的需求。

针对现有技术中磁编码器存在的不足，本领域技术人员一直在寻找解决的方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种一种磁编码器及机器人关节，以解决使用现有技术中磁编码器分辨率不高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种磁编码器，所述磁编码器包括：磁环固定部件、固定于所述磁环固定部件上的第一径向磁环和第二径向磁环、磁场传感器固定部件、以及固定于所述磁场传感器固定部件上的第一磁场传感器和第二磁场传感器；其中，所述第一径向磁环包括一对磁极，所述第二径向磁环包括至少两对磁极，所述第二径向磁环与所述第一径向磁环共轴；所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器分别对应朝向所述第一径向磁环和所述第二径向磁环；所述磁环固定部件相对所述磁场传感器固定部件旋转时，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器分别感测所述第一径向磁环和所述第二径向磁环的磁场数据。

可选的，在所述的磁编码器中，所述第一径向磁环相对所述第一磁场传感器转动一个周期，所述第一磁场传感器的读数变化范围是0～(2¹⁵-1)。

可选的，在所述的磁编码器中，所述第二径向磁环相对所述第二磁场传感器转动一个周期，所述第二磁场传感器的读数变化范围是0～(2^15+N-1-1)，其中，N为所述第二径向磁环中的磁极对数，N≥2。

可选的，在所述的磁编码器中，还包括：单片机，所述单片机分别与所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器连接，以读取所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器读取的数据，并存储磁编码器的标定数值。

可选的，在所述的磁编码器中，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器均包括两个由巨磁电阻组成的全桥电路，且两个全桥电路互相垂直。

可选的，在所述的磁编码器中，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器均采用英飞凌TLE5012芯片。

本实用新型还提供一种机器人关节，所述机器人关节包括如上所述的磁编码器、以及与所述磁编码器连接的电机编码器。

在本实用新型所提供的一种磁编码器及机器人关节中，通过将磁编码器设计为包括第一径向磁环和第二径向磁环，第一径向磁环包括一对磁极，第二径向磁环包括至少两对磁极，第二径向磁环与第一径向磁环共轴；第一磁场传感器和第二磁场传感器分别对应朝向第一径向磁环和第二径向磁环；在磁环固定部件相对磁场传感器固定部件旋转时，带动第一径向磁环和第二径向磁环相对第一磁场传感器和第二磁场传感器的旋转，第一磁场传感器和第二磁场传感器分别感测第一径向磁环和第二径向磁环的磁场数据。由于第二径向磁环具有至少两对磁极，使得第二径向磁环可产生与磁极对数个周期信号，从而提高第二磁场传感器的读数的分辨率，进而实现对磁编码器的分辨率提高。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中磁编码器的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中机器人关节的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例中磁编码器的标定方法的流程图。

图中：

磁编码器-3；磁环固定部件-30；第一径向磁环-31；第二径向磁环-32；磁场传感器固定部件-36；第一磁场传感器-33；第二磁场传感器-34；单片机-35；旋转轴-7；电机定子-11；电机转子-12；第一电机定子固定件-131；第二电机定子固定件132；第一电机转子固定件-141；第二电机转子固定件142；机端磁铁-15；第一电机轴承-16；电机编码器-17；第二电机轴承-19；谐波减速器-20；刚轮-21；波发生器-22；柔轮-23；关节输出法兰-24；第一轴承-25；第二轴承-26；编码器固定连接板-37；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种磁编码器及机器人关节作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明，然而，本实用新型可以用不同的形式实现，不应认为只是局限在的实施例。

请参考图1，其为本实用新型的磁编码器的结构示意图。如图1所示，所述磁编码器3包括：磁环固定部件30、固定于所述磁环固定部件30上的第一径向磁环31和第二径向磁环32、磁场传感器固定部件36、以及固定于所述磁场传感器固定部件36上的第一磁场传感器33和第二磁场传感器34；其中，所述第一径向磁环31包括一对磁极，所述第二径向磁环32包括至少两对磁极，所述第二径向磁环32与所述第一径向磁环31共轴；所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34分别对应朝向所述第一径向磁环31和所述第二径向磁环32；所述磁环固定部件30相对所述磁场传感器固定部件36旋转时，所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34分别感测所述第一径向磁环31和所述第二径向磁环32的磁场数据。优选的，可选择将磁环固定部件30和磁场传感器固定部件36共轴设置。

具体的，请继续参考图1，所述磁环固定部件30相对所述磁场传感器固定部件36旋转时，所述磁环固定部件30绕旋转轴7沿顺时针或逆时针方向旋转，此时，所述第一径向磁环31和所述第二径向磁环32在所述磁环固定部件30的带动下相对所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34旋转，从而使得第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34感测过程中产生的磁场数据。

其中，所述第一径向磁环31相对所述第一磁场传感器33转动一个周期，所述第一磁场传感器33的读数变化范围是0～(2¹⁵-1)，第一磁场传感器33的输出分辨率为15位；所述第二径向磁环32相对所述第二磁场传感器34转动一个周期，所述第二磁场传感器34的读数变化范围是0～(2^15+N-1-1)，其中，N为所述第二径向磁环32中的磁极对数，N≥2，第二磁场传感器34的输出分辨率提高到了(15+N-1)位(在不做最后几位数据舍弃的情况下)；文中涉及的读数，为传感器(第一磁场传感器33和/或第二磁场传感器34)返回的数值，可以理解为刻度，在应用中，一个刻度对应的值是360°/215，单位为inc(increasement的缩写，即一个增量值)。由此可见，第二径向磁环32中的磁极对数增加会直接提高第二磁场传感器34的读数的分辨率，进而使得磁编码器3的分辨率提高。因此，可以通过增减第二径向磁环32中磁极对数，来实现对磁编码器3的分辨率调整。

具体的，所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34均包括两个由巨磁电阻组成的全桥电路，且两个全桥电路互相垂直，以测量磁场与磁场传感器(第一磁场传感器33或第二磁场传感器34)的方向。

优选的，所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34均采用英飞凌TLE5012芯片，当然还可以选用其他同类型芯片代替，只要符合磁场感测性能需求即可。即当磁环(具有一对磁极的情形)相对于磁场传感器转动一个完整的磁性周期时，磁场传感器能够输出0-360°绝对值信号，分辨率为15位。

进一步地，所述磁编码器3还包括单片机35，所述单片机35分别与所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34连接，以读取所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34读取的数据，并存储磁编码器3的标定数值。具体的，所述第一磁场传感器33和所述第二磁场传感器34固定在磁场传感器固定部件36的一侧，所述单片机35安装固定于所述磁场传感器固定部件36的另一侧。

请参考图2，其为本实用新型另一实施例中提供的机器人关节的结构示意图。如图2所示，所述机器人关节包括如上所述的磁编码器3、以及与所述磁编码器3连接的电机编码器17。其中，所述电机编码器17用于电机控制，可选用相对值编码器，也选用绝对值编码器。

此外，所述机器人关节还包括电机、谐波减速器20，其中，所述电机包括电机定子11和电机转子12；所述包括柔轮23、刚轮21及波发生器22。由于本实用新型的核心在于设计了一种新型的磁编码器3替换机器人关节原有的磁编码器，因此，对于机器人关节其他部件的位置关系可以参考现有公开结构及分布位置，这里仅对重要部件做详细阐述。

请继续参考图2，机器人关节中固定部分为：电机定子11、第一电机定子固定件131、第二电机定子固定件132、编码器固定连接板37、磁场传感器固定部件36、第一磁场传感器33、第二磁场传感器34、单片机35、电机编码器17、第一电机轴承16、第二电机轴承19、第一轴承25、第二轴承26；机器人关节中高速转动部分为：电机转子12、第一电机转子固定件141、第二电机转子固定件142、谐波减速器20的波发生器22、电机端磁铁15、第一电机轴承16、第二电机轴承19；机器人关节中低速转动部分为：谐波减速器20的柔轮23、关节输出法兰24、第一轴承25、第二轴承26、第一径向磁环31和第二径向磁环32。

具体的，电机定子11与第一电机定子固定件31、第二电机定子固定件32固定，电机转子12与第一电机转子固定件141、第二电机转子固定件142固定；电机转子12绕旋转轴7与电机定子11保持相对转动；电机定子11与电机转子12通过第一电机轴承16和第二电机轴承19连接；第二电机定子固定件32与谐波减速器20的刚轮21通过螺栓固定，第二电机转子固定件142与谐波减速器20的波发生器22通过螺栓固定，电机转子12带动波发生器22转动，在电机转子12转动时，谐波减速器20的柔轮23以低速转动，(谐波减速器20原理不做阐述)，关节输出法兰24与谐波减速器20的柔轮23通过螺栓连接；第一径向磁环31和第二径向磁环32固定在关节输出法兰24上(这里机器人关节中的关节输出法兰24充当磁编码器3中的磁环固定部件30)，随着谐波减速器20的柔轮23一起绕旋转轴7做旋转运动；第一电机转子固定件141上安装有电机端磁铁15，随着电机转子12绕旋转轴7做旋转运动；编码器固定连接板37与第一电机定子固定件31通过螺栓连接，编码器固定连接板37上有电机编码器17；磁场传感器固定部件36通过螺栓与编码器固定连接板37固定，该零件上安装有第一磁场传感器33、第二磁场传感器34、单片机35；第一轴承25和第二轴承26安装在关节输出法兰24和磁场传感器固定部件36之间(可选，用于保证同心度)。

相应的，本实施例还提供了一种磁编码器的标定方法。下面参考图2及图3详细说明本实施例所述磁编码器的标定方法。

首先，执行步骤S1，记录磁环固定部件30相对磁场传感器固定部件36旋转一个周期过程中(对应为机器人关节低速端转动一圈，电机转过的角度为2kπ，k为谐波减速器20的速比记)，数值从0到32767(15位分辨率)；第一磁场传感器33产生的一个周期信号的数据、第二磁场传感器34产生的N个周期信号的数据、以及在第二磁场传感器34产生的周期信号跳变(从0跳变到32767或者从32767跳变到0)时第一磁场传感器33的所有读取数据，记为Index＝[I₀,I₁,...,I_N-1]，Index中数值按照从小到大升序排列；其中，N为第二径向磁环32中的磁极对数；

为了便于理解，S1换言之想表达的意思如下：

控制电机使得电机转子朝某一方向转动，使机器人关节低速端转动一圈，电机转过的角度为2kπ。在一个周期中，第一磁场传感器33读取到一个完整的周期，此时，第二磁场传感器34读取到N个完整的周期。通常由于安装误差、磁铁充磁不均匀等各种因素，第一磁场传感器33/第二磁场传感器34读取到的角度变化与实际机器人关节转动的角度变化呈非线性关系(但在同一个周期内呈单调变化)。

接着，执行步骤S2，将第一磁场传感器33产生的一个周期信号的数据α₁、第二磁场传感器34产生的N个周期信号的数据α₂以及所述所有读取数据Index进行数据融合，以获得新的编码器地址值Add；

所述S2具体包括如下步骤：

S21：根据所述在第二磁场传感器34产生的周期信号跳变时第一磁场传感器33的所有读取数据Index查找当前时刻第一磁场传感器33的扇区J；

其中，I_J＜α₁＜I_J+1

S22：将所述第一磁场传感器33产生的一个周期信号的数据α₁和所述第二磁场传感器34产生的N个周期信号的数据α₂进行数据融合，以获得初始的新的编码器数值；其中，获得初始的新的编码器数值M采用的计算公式如下：

M＝J*2¹⁵+α₂；

其中，M为初始的新的编码器数值，M∈[0,2¹⁵*N]；J为当前时刻第一磁场传感器33的扇区，J∈[0,N-1]；α₂为第二磁场传感器34产生的N个周期信号的数据。

为了提高磁编码器的稳定性，考虑由于环境因素变化、第一磁场传感器33/第二磁场传感器34本身不稳定等原因，第二磁场传感器34读取到数据的最后几位可能发生跳动，在执行完S22之后，还可执行S23，具体如下：

S23：舍去所述初始的新的编码器数值的跳动位数T，作为最终的新的编码器数值Add。

进一步地，所述最终的新的编码器地址值Add采用的计算公式如下：

Add＝(2¹⁵*J+α₂)＞＞T；

其中，Add为最终的新的编码器地址值；J为当前时刻第一磁场传感器33的扇区；>>T表示在二进制中左移T位，T为跳动位数。

接着，执行步骤S3，读取与磁编码器3连接的电机编码器17的数据，对所述电机编码器17的数据进行比例缩放，以获得第一缩放数值δ；

较佳的，对所述电机编码器17的数据进行比例缩放采用的计算公式如下：

其中，θ为电机端编码器的角度数值，θ∈[0,2πk]，k为谐波减速器20的速比；H为由电机端编码器的读数、第一磁场传感器33产生的一个周期信号的数据α₁和所述第二磁场传感器34产生的N个周期信号的数据α₂构建的数组长度，经过缩放以使得δ和数组长度H变化范围保持一致，在数值上一一对应。

接着，执行步骤S4，选择基地址A_base，在所述基地址A_base的基础上，以新的编码器地址值Add为偏移地址保存所述第一缩放数值δ(即保存第一缩放数值δ的地址是A_base+Add)。

具体的，第一缩放数值δ保存在单片机35的FLASH中(也可以是其它存储设备)。

在使用时，直接读取单片机35的FLASH中地址为A_base+Add的数值，该数值即为最终的传感器数值。

接着，执行步骤S5，判断磁编码器3的每个地址是否都存储有对应的第一缩放数值，若无，则执行S2；反之，执行S6；

接着，执行步骤S6，磁编码器3标定完成。

在完成标定后，机器人关节中除了电机外均需保持固定，否则需要重新进行标定，标定过程可以全部自动完成，无需人为干预。

综上，在本实用新型所提供的一种磁编码器及机器人关节中，通过将磁编码器设计为包括第一径向磁环和第二径向磁环，第一径向磁环包括一对磁极，第二径向磁环包括至少两对磁极，第二径向磁环与第一径向磁环共轴；第一磁场传感器和第二磁场传感器分别对应朝向第一径向磁环和第二径向磁环；在磁环固定部件相对磁场传感器固定部件旋转时，带动第一径向磁环和第二径向磁环相对第一磁场传感器和第二磁场传感器的旋转，第一磁场传感器和第二磁场传感器分别感测第一径向磁环和第二径向磁环的磁场数据。由于第二径向磁环具有至少两对磁极，使得第二径向磁环可产生与磁极对数个周期信号，从而提高第二磁场传感器的读数的分辨率，进而实现对磁编码器的分辨率提高。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁编码器，其特征在于，包括：磁环固定部件、固定于所述磁环固定部件上的第一径向磁环和第二径向磁环、磁场传感器固定部件、以及固定于所述磁场传感器固定部件上的第一磁场传感器和第二磁场传感器；其中，所述第一径向磁环包括一对磁极，所述第二径向磁环包括至少两对磁极，所述第二径向磁环与所述第一径向磁环共轴；所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器分别对应朝向所述第一径向磁环和所述第二径向磁环；所述磁环固定部件相对所述磁场传感器固定部件旋转时，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器分别感测所述第一径向磁环和所述第二径向磁环的磁场数据。

2.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述第一径向磁环相对所述第一磁场传感器转动一个周期，所述第一磁场传感器的读数变化范围是0～(2¹⁵-1)。

3.如权利要求2所述的磁编码器，其特征在于，所述第二径向磁环相对所述第二磁场传感器转动一个周期，所述第二磁场传感器的读数变化范围是0～(2^15+N-1-1)，其中，N为所述第二径向磁环中的磁极对数，N≥2。

4.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，还包括：单片机，所述单片机分别与所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器连接，以读取所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器读取的数据，并存储磁编码器的标定数值。

5.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器均包括两个由巨磁电阻组成的全桥电路，且两个全桥电路互相垂直。

6.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器均采用英飞凌TLE5012芯片。

7.一种机器人关节，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述的磁编码器、以及与所述磁编码器连接的电机编码器。