JP6971822B2 - エンコーダ、ロボット及びギャップ測定方法 - Google Patents
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Description
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るエンコーダ50の模式図である。エンコーダ50は、光学式の光干渉型エンコーダであって、インクリメンタル方式のリニアエンコーダである。また、エンコーダ50は、反射型のエンコーダである。
S(A)=S(A+)−S(A−) ・・・(1)
S(B)=S(B+)−S(B−) ・・・(2)
これにより、直流分が除去された、A相信号S(A)、及びA相信号S(A)に対して90度位相のずれたB相信号S(B)が生成される。
Φ=ATAN2[S(A),S(B)] ・・・(3)
ここで、ATAN2[X,Y]は、例えばC言語などで用いられる、象限を判別して0〜2π位相に変換する逆正接を演算する関数である。位相Φを求めることで、スケール部2の1ピッチ以下の移動量を求めることができる。よって、1ピッチが狭くなると分解能が高くなる。
amp1=SQRT[S1(A)^2+S1(B)^2] ・・・(4)
amp2=SQRT[S2(A)^2+S2(B)^2] ・・・(5)
2×P^2/λ ・・・(6)
PはピッチP1,P2、λは光源1から発せられる光の波長である。例えば、式(6)から、P1=64[μm]、λ=650[nm]の場合の、位相を考慮した信号振幅の変動周期は約12.60[mm]と算出される。また、例えば、式(6)から、P2=128[μm]、λ=650[nm]の場合の、位相を考慮した信号振幅の変動周期は約50.41[mm]と算出される。
amp=cos(2π×G/(2×P^2/λ)) ・・・(7)
G=(2×P^2/λ)/2π×arccos(amp) ・・・(8)
次に、第2実施形態のエンコーダについて説明する。第1実施形態では、エンコーダが光学式のインクリメンタル型である場合について説明したが、第2実施形態では、エンコーダが光学式のアブソリュート型である場合について説明する。第2実施形態におけるエンコーダの構成は、第1実施形態で説明したエンコーダと同様であり、詳細な説明を省略する。
S1(A)’=cos(θ+e/2) ・・・(9)
S1(B)’=sin(θ−e/2) ・・・(10)
S1(A)’+S1(B)’=2×cos(θ−π/4)sin(e/2−π/4)・・・(11)
−S1(A)’+S1(B)’=2×sin(θ−π/4)cos(e/2−π/4)・・・(12)
相対位相差誤差eは、設計値よりe=(1−64/64.249)×πと表わせる。
S1(A)=(S1(A)’+S1(B)’)/(2×sin(e/2−π/4))=cosφ・・・(13)
S1(B)=(−S1(A)’+S1(B)’)/(2×cos(e/2−π/4))=sinφ・・・(14)
Φ1=ATAN2[S1(A),S1(B)] ・・・(15)
amp1=SQRT[S1(A)^2+S1(B)^2] ・・・(16)
ここで、ATAN2[Y,X]は、象限を判別して±π位相に変換する逆正接演算関数、SQRT[X]は、平方根を演算する関数である。
Φ2=ATAN2[S2(A),S2(B)] ・・・(17)
amp2=SQRT[S2(A)^2+S2(B)^2] ・・・(18)
Sv=2×Φ2−Φ1 ・・・(19)
ここで、Sv<0のときはSv=Sv+2π、Sv>2πのときはSv=Sv−2πの演算を繰り返し行って、0〜2πの出力範囲に変換する。
第3実施形態では、上述の第1又は第2実施形態の光学式のエンコーダを、ロボットアームに搭載した場合について説明する。図12は、第3実施形態に係るロボット100の斜視図である。図12に示すように、ロボット100は、垂直多関節のロボットであり、マニピュレータであるロボット本体200と、ロボット本体200の動作を制御する、制御部の一例であるロボット制御装置300と、を備えている。また、ロボット100は、ロボット制御装置300に教示データを送信する教示装置としての教示ペンダント400と、表示装置であるディスプレイ700とを備えている。教示ペンダント400は、操作者が操作するものであり、ロボット本体200やロボット制御装置300の動作を指定するのに用いる。
図16は、変形例における受光素子アレイ9の平面図である。受光素子アレイ9は、クロックタイミングCLKに同期して、光電変換する複数の受光素子91それぞれの受光量に対応した出力信号(Signal)を順番に取り出すことができる、いわゆるリニアイメージセンサであってもよい。信号処理回路51は、複数の受光素子91から出力信号を順番に取り出して、一括で処理することが可能であり、上述の第1実施形態で説明した図3又は図4に示すスイッチ回路41で切り替えて、それぞれに対応した周期信号を時間差で取得する必要がない。信号処理回路51は、複数の受光素子91から一括して受信した信号を処理して、A相信号S1(A)及びB相信号S1(B)、並びにA相信号S2(A)及びB相信号S2(B)を生成する。受光素子アレイ9によって検出されたリニアイメージ信号よりトラック11,12の各周期信号成分を分離する方法としては、FFT処理を行っても良いし、各周期に対応した4相正弦波に変換しても良い。
Claims (12)
- 第1ピッチで周期的に配置された複数の第1パターンを有する第1トラック、及び前記第1ピッチよりも広い第2ピッチで周期的に配置された複数の第2パターンを有する第2トラックを備えたスケール部と、
前記第1トラック及び前記第2トラックに光を照射する発光部と、
前記第1トラックで反射又は透過した光、及び前記第2トラックで反射又は透過した光を受光する受光部と、
前記発光部と前記スケール部との間のギャップの測定値を求める処理部と、を備え、
前記処理部は、
前記第1トラックで反射又は透過した光を前記受光部が受光することで得られる第1信号の振幅に基づき、前記ギャップについて複数の候補値を求め、
前記第2トラックで反射又は透過した光を前記受光部が受光することで得られる第2信号の振幅に基づき、前記複数の候補値の中から前記測定値を決めることを特徴とするエンコーダ。 - 前記処理部は、前記第2信号の振幅に基づいて参照値を求め、前記複数の候補値のうち、前記参照値に最も近い候補値を、前記測定値とすることを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ。
- 前記第1信号の振幅は、前記ギャップに対して第1周期で変化し、
前記第2信号の振幅は、前記ギャップに対して前記第1周期よりも長い第2周期で変化し、
前記処理部は、前記第1周期の半周期以上を包含し、かつ前記第2周期の半周期以下の範囲内で、前記測定値を求めることを特徴とする請求項2に記載のエンコーダ。 - 前記処理部は、所定の数式又は所定のテーブルを用いて、前記複数の候補値を求めることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のエンコーダ。
- 前記第1信号及び前記第2信号のそれぞれは、A相信号及び前記A相信号に対して90度位相のずれたB相信号からなり、
前記第1信号の振幅及び前記第2信号の振幅のそれぞれは、前記A相信号の振幅、前記B相信号の振幅、又は前記A相信号と前記B相信号との平均の振幅であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のエンコーダ。 - 前記処理部は、前記第1信号及び前記第2信号のいずれか一方又は両方を用いて、前記スケール部の位置情報を求めることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のエンコーダ。
- 前記受光部は、光電変換する複数の受光素子を有し、
前記処理部は、前記複数の受光素子からの信号の読み出し方を切り替えることにより、前記第1トラックで反射又は透過した光を受光した信号と、前記第2トラックで反射又は透過した光を受光した信号とを、時間差で前記複数の受光素子から受信し、前記第1トラックで反射又は透過した光を受光した信号から前記第1信号を生成し、前記第2トラックで反射又は透過した光を受光した信号から前記第2信号を生成することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のエンコーダ。 - 前記受光部は、光電変換する複数の受光素子を有し、
前記処理部は、前記複数の受光素子から一括して受信した信号を処理して前記第1信号及び前記第2信号を生成することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のエンコーダ。 - 第1リンクと、
前記第1リンクに対して移動するように関節で連結された第2リンクと、
前記第1リンクに対して前記第2リンクを駆動する駆動部と、
請求項1乃至8のいずれか1項に記載のエンコーダと、を備え、
前記発光部及び前記受光部は、前記第1リンク及び前記第2リンクのうち、一方に設けられ、
前記スケール部は、前記第1リンク及び前記第2リンクのうち、他方に設けられていることを特徴とするロボット。 - 前記駆動部を動作させる駆動制御部を更に備え、
前記駆動制御部は、前記エンコーダから関節の位置情報を取得して、前記駆動部をフィードバック制御することを特徴とする請求項9に記載のロボット。 - 前記駆動制御部に位置指令を送り、前記駆動部の動作を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記駆動部に所定動作を開始させる前に、前記駆動部の駆動を一旦停止させ、前記ギャップの前記測定値に基づき、前記第1リンクに対して振動する前記第2リンクの振動振幅値を求め、前記振動振幅値が許容範囲に収まってから、前記駆動部に前記所定動作を開始させることを特徴とする請求項10に記載のロボット。 - 第1ピッチで周期的に配置された複数の第1パターンを有する第1トラック、及び前記第1ピッチよりも広い第2ピッチで周期的に配置された複数の第2パターンを有する第2トラックを備えたスケール部と、
前記第1トラック及び前記第2トラックに光を照射する発光部と、
前記第1トラックで反射又は透過した光、及び前記第2トラックで反射又は透過した光を受光する受光部と、
前記発光部と前記スケール部とのギャップの測定値を求める処理部と、を備えたエンコーダによるギャップ測定方法であって、
前記処理部が、前記第1トラックで反射又は透過した光を前記受光部が受光することで得られる第1信号の振幅に基づき、前記ギャップについて複数の候補値を求める工程と、
前記処理部が、前記第2トラックで反射又は透過した光を前記受光部が受光することで得られる第2信号の振幅に基づき、前記複数の候補値の中から前記測定値を決める工程と、を備えたことを特徴とするギャップ測定方法。
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