CN103459103B - 具有绝对多转编码器的机器人部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人部件(10)，其包括机械手节段(12)、用于促动机械手节段(12)的驱动器(20)，以及绝对多转编码器，该编码器用于确定驱动器(20)的绝对多转角且以此确定机械手节段(12)的位置。绝对多转编码器包括用于对第一旋转盘(34)的转角编码的第一转编码器(48)和用于对第二旋转盘(36)的转角编码的第二转编码器(46)。通过施加近似于但不等于1:1的齿轮传动比来以机械的方式联接(26‑44‑28)两个旋转盘(34，36)，使得在旋转(66，68)时，在两个盘(34，36)之间出现干涉角(70，82)。预见到转动轴(22)将相应的旋转从驱动器(20)施加在旋转盘(34，36)上，同时预见到基于第一旋转盘(34)的转角和干涉角(70，82)来确定轴的绝对多转角的器件(54)。

Description

具有绝对多转编码器的机器人部件

技术领域

本发明涉及机器人部件，其包括机械手节段、用于促动机械手节段的驱动器和绝对多转编码器，绝对多转编码器用于确定驱动器的绝对多转角且以此确定机械手节段的位置。

背景技术

已知，机器人用于广泛的工业应用领域中，诸如组装、码垛或油漆。机器人典型地包括机器人机械手、安装在机器人机械手的末端上的工具(例如夹持器)，以及用于根据给定机器人程序协调机器人运动的机器人控制器。机械手本身典型地具有六个或七个运动自由度，而六个自由度在理论上足以以各个定向达到机器人的工作范围内的各个点。因而各个运动自由度需要优选可枢轴地与相邻的机械手节段连接的机械手节段。各个机械手节段需要用于促动这种枢转的专用驱动器。在那些(例如六个)机械手节段的传动系的端部(机器人末端)处，典型地预见到有工具，诸如夹持器。夹持器本身能看作机器人的一部分，因为夹持器运动(例如打开和关闭)与机器人机械手的运动协调。

机器人末端(相应地机器人工具)的期望运动典型地沿着直线或弯曲运动路径行进。因为所有机械手节段通常可枢转地连接到彼此上，所以各个机械手节段的控制需要知道各个可枢转连接部的枢转角。为了这个目的，转计数器是普遍的，其计算驱动器的转数，作为用于控制系统的输入，相应地作为机器人控制器的输入。知道驱动器和相关的可枢转的机械手节段之间的齿轮传动比，能够基于经校准的基准位置和驱动器的整数转数来确定相应的机械手节段的枢转角。为了有较高的精度，此外不仅需要考虑整数转数，而且还要考虑实际值。

在现有技术内不利的是，需要基准位置，基准位置可能由于不适当的情形而临时失去，使得不时地需要新的校准。为了避免这样的情形，已知绝对多转编码器，其不仅能够确定在0°和360°之间的范围内的绝对转角，还能够确定在高达20×360°和更高的范围内的绝对转角。那些多个转计数器例如基于升降丝杆，升降丝杆不利地会磨损、重量大和尺寸大。

基于现有技术，本发明的目标是提供机器人部件，其具有避免前面提到的缺点的绝对多转编码器。

发明内容

这个问题由前面提到的种类的机器人部件解决。其特征在于，绝对多转编码器包括用于对第一旋转盘的转角进行编码的第一单转编码器和用于对第二旋转盘的转角进行编码的第二单转编码器，其中通过施加近似于但不等于1:1的齿轮传动比来以机械的方式联接两个旋转盘，使得在旋转时在两个盘之间出现干涉角，其中预见到转动轴从驱动器对旋转盘施加相应的旋转，其中预见到基于第一旋转盘的转角和干涉角来确定轴的绝对多转角的器件。要理解绝对单转编码器为用于确定在单转范围(0°到360°)内的绝对定向角的编码器。要理解绝对多转编码器为用于确定多转角(0°到n×360°)的编码器。

因而能够使用两个小的标准绝对单转编码器，而非一个大型多转编码器。小的标准单转编码器为例如奥地利微系统公司(Austria Microsystems)的AS5043。这种编码器为具有例如10mm×10mm边长的尺寸的标准壳体中的集成电路的一部分。旋转盘的直径典型地与其相适应，例如为10mm。绝对多转编码器的组件包括两个标准的单转转编码器，其典型地对在0°至360°的范围内的旋转进行编码。它们例如安装在覆盖具有几厘米的边长的长方形区域的公共的印刷电路板上。如果假设旋转盘的高度为大约1mm，并且相应的轴承的高度假设为10mm，则这种绝对多转编码器的总高度不超过25mm。典型地预见到可旋转盘在相应的编码器(诸如AS5043)的有效表面上在一毫米的距离内旋转。

由于这种多转编码器组件的小尺寸和低重量，所以它可实现到机器人机械手中。机器人机械手围绕其旋转基部具有例如60cm至3m的工作区域。如上面阐述的那样，普通的绝对多转编码器基于例如升降丝杆，升降丝杆的特征在于较大尺寸和较重的重量。

特别地，机器人机械手必须优选地构造成纤细的，因为各个机械手节段对于机器人机械手的其它相邻机械手节段的运动范围是可能的阻碍。因而使用本发明描述的绝对多转编码器使得能够构造在其工作范围内具有高的运动自由度(相应地具有改进的可到达性)的机器人机械手。

此外，机器人机械手的主要问题是其负荷性能，负荷性能对于捡和放应用可限于几百克，而对于操纵操作可限于几千克。因而提出的绝对多转编码器的重量轻的方面也非常有利于机器人的操作，因为它的负荷性能不会部分地浪费来佩戴不必要的重型转编码器。

在本发明的变型中，第一和第二单转编码器在0°和360°之间对相应的旋转盘的旋转角进行线性编码。编码的信号可为模拟电压信号或相应地为数字。线性编码具有的优点是，通过建立第一编码器和第二编码器的编码信号之间的差异，易于计算它们之间的干涉角。在差异高于对应于360°的值的情况下，通常要减去或加上对应于360°的值，使得修改后的角差在0°到360°内。当然还可想到将这个范围限定在-180°和+180°之间。

假设将两个旋转盘校准在零位置上，在这个位置上，在它们之间不存在干涉角。当然，旋转盘的各个位置都可校准为零。如果例如在两个旋转盘之间选择20:21的齿轮传动比，则在旋转盘的20(相应地21)转之后，干涉角将再次为零。所以在那20转内，绝对角的增加是干涉角的20倍。因而在这个情况下，能通过干涉角乘以20倍来计算绝对多转角。因为还要乘以测量的(相应地计算的)干涉角的公差，所以在这个示例中，确定的绝对多转角的精度减小到1/20。优选第一绝对转编码器的绝对转角可用于增大最终结果的精度。因此，最终结果将优选通过360°乘以整数转数来建立，整数转数本身可根据干涉角获得。第一旋转盘的绝对角加上整数乘积的结果，使得确定具有高精度的绝对多转角。优选预见到至少编码器具有执行这样的操作的器件。

在本发明的优选的形式中，旋转盘之间的齿轮传动比的范围为0.9至0.99，相应地为1.01至1.1。必须避免确切为一的齿轮传动比，因为将不产生干涉角。上面提到齿轮传动比将允许确定在满10转(0.9和1.1)和满100转(0.99和1.01)之间的绝对多转角。这在一方面是足够的转数，其在一方面覆盖典型的机器人节段运动的大多数需求。在另一方面，转数没有高到预期有与测量的角的精度有关的问题。为了确定720转的数量，例如必须以低于0.5°的精度测量干涉角，这不易于实现。

在本发明的另一个实施例中，第一和第二旋转盘由传动带以机械的方式联接。为了避免两个盘之间的滑动，传动带优选实施为正时带。尽管如此，避免滑动的各种带都是适当的。还可想到使用具有相应的齿轮齿数的一组齿轮，以用于联接旋转盘。这个是容易和可靠的、以近似于1:1的传动比联接两个旋转盘的方法。还可想到不直接联接盘本身，而是通过与旋转盘布置在相同的轴上的传动带联接轮。齿轮传动比通过轮的相应的直径确定。

根据本发明的优选的实施例，第一和/或第二单转编码器包括霍尔传感器，以用于确定安装在一个与其相关的旋转盘上的磁体的磁场定向。布置成在它们之间有90°角的典型地四个霍尔传感器适于检测相关的旋转盘上的磁体的定向。使用霍尔传感器的优点在于高的测量精度，以及以高的分辨率持续确定磁体的定向角。

根据本发明的另一个优选的实施例，机械手节段为夹持器工具。典型地安装在机器人机械手的末端上的夹持器工具能看作机器人本身的一部分。通常对这种夹持器工具的控制与对机器人机械手本身的控制结合在同一机器人控制系统中。当然，还可想到对夹持器工具提供集成在其中的专用控制器。对机械手节段的减小的重量和小尺寸的要求越高，则这个构件就定位得离机器人机械手的末端越近。因而最高的效果利用处于机器人末端的改进的构件(即其上安装有促动器的夹持器或另一个构件)获得。

而且具有机械手节段(其为机器人机械手本身的一部分)的机器人部件将使得能够构造较纤细的机器人机械手，并且使得能够在它们的工作范围内有较高的能达到性，相应地有较高的运动自由度。

本发明的优点还通过一种机器人机械手系统获得，其包括根据至少一个机器人部件。已经在上面阐述了优点。

附图说明

现在将借助于示例性实施例和参照附图来进一步阐述本发明，其中：

图1显示示例性机器人部件；

图2显示两个示例性旋转盘的俯视图；以及

图3显示编码器关于转角的示意性输出值。

具体实施方式

图1显示示例性机器人部件10，其包括由马达驱动器20促动的示例性夹持器工具12。这两个构件通过第一传动轴24以机械的方式联接。夹持器工具12本身示意性地勾画成具有包括例如齿轮机构的夹持器基部14，以及两个夹持器指部16，夹持器指部16可如箭头18所指示的那样打开和关闭。马达驱动器20的旋转运动能够通过两个齿轮50从第一传动轴24传递到转动轴22。在转动轴22上，安装了第一轮26和第一旋转盘34，而相应的轴承未显示。第一轮26具有直径30，直径30略微大于第二轮的直径32，第二轮通过传动带44来与第一轮26联接，在这个情况下，通过正时带来与第一轮26联接，以避免任何滑动。因为第二轮28的直径32小于第一轮的直径30，所以第二轮28比第一轮旋转得快一点点。优选的传动比为例如20:21。第二轮28和第二旋转盘36布置在第二传动轴58上。

第一旋转盘34和第二旋转盘36包括安装在它们的下表面上的相应的磁体38、40，磁体面对面地布置在第一单转编码器48和第二单转编码器46之上。第一单转编码器48和第二单转编码器46各自包括四个霍尔传感器42，霍尔传感器42相对于彼此以90°的角布置在相应的第一旋转盘34和第二旋转盘36的旋转轴线周围。当第一旋转盘34和第二旋转盘36旋转时，磁体38、40的磁场的实际定向由霍尔传感器42确定。第一单转编码器48和第二单转编码器46布置在标准集成电路的壳体内，并且通过传输线路52将测量的定向角的数据提供给用于确定绝对多转角的器件54，而在输出56上提供确定的角。器件54能通过单独的计算单元(诸如ASIC)实现，但也可通过集成在第一单转编码器48和第二单转编码器46中的一个中的计算单元实现，如果在其中预见到有足够的计算能力的话。在传输线路52上提供的信号可为例如模拟电压信号，但是还可为一些数字值，相应地为数字。

输出56的信号提供给未显示的控制马达驱动器20的旋转的控制机构。在这个情况下，如果夹持器指部关闭，则输出56的值为零，并且如果夹持器指部在它们的最大外部位置上，则为例如二十。所以需要马达驱动器的二十转来使夹持器指部16在它们的两个端部位置之间移动。夹持器指部的实际位置可根据确定的绝对多转角α绝对值获得。

根据未显示的实施例，还可想到将第一轮26和第二轮28集成到马达驱动器20和夹持器工具12之间的传动装置中。当然，轮能实现为齿轮，而不需要传动带，相应地不需要正时带。

图2显示两个相邻的示例性旋转盘62、64的俯视图60。它们以机械的方式以某个传动比联接，而联接件本身未显示。第三旋转盘62以第一速度沿箭头66的方向旋转，而第四旋转盘以第二速度沿箭头68的方向旋转。因为假设第一速度小于第二速度，所以出现第一干涉角70，第一干涉角70随着两个盘的转数的增大而增大。取决于传动比，干涉角超过360°，使得测量的干涉角将落回到0°。

图3在曲线图80中显示编码器关于转角的示意性输出值。实线84对应于标准绝对角转编码器的电压信号，该电压信号随着旋转盘的定向角的增大而线性地增大。在执行完整一转360°之后，信号再次从其最小值开始。在同一曲线图中的虚线86指示第二编码器在相应的同一时间的电压信号，该电压信号确定旋转得略微更慢的另一个旋转盘的定向角。由于相应的旋转速度的差异，所以出现第二干涉角82，第二干涉角82随着转数的增大而增大。

参考标号列表：

10示例性机器人部件

12示例性夹持器工具

14夹持器基部

16夹持器指部

18夹持器指部的运动方向

20马达驱动器

22转动轴

24第一传动轴

26第一轮

28第二轮

30第一轮的直径

32第二轮的直径

34第一旋转盘

36第二旋转盘

38在第一旋转盘上的磁体

40在第二旋转盘上的磁体

42霍尔传感器

44传动带

46第二单转编码器

48第一单转编码器

50齿轮

52传输线路

54用于确定绝对多转角的器件

56输出

58第二传动轴

60两个示例性旋转盘的俯视图

62第三旋转盘

64第四旋转盘

66第三旋转盘的旋转

68第四旋转盘的旋转

70、δ第一干涉角

80编码器关于转角的示意性输出值

82、δ第二干涉角。

Claims (7)

1.一种机器人部件(10)，包括机械手节段(12)、用于促动所述机械手节段(12)的马达驱动器(20)，以及绝对多转编码器，所述绝对多转编码器用于确定所述马达驱动器(20)的绝对多转角且以此确定所述机械手节段(12)的位置，

其特征在于

所述绝对多转编码器包括用于对第一旋转盘(34)的转角进行编码的第一单转编码器(48)和用于对第二旋转盘(36)的转角进行编码的第二单转编码器(46)，其中通过施加0.9至0.99或者1.01至1.1的齿轮传动比来以机械的方式联接(26-44-28)第一旋转盘(34)和第二旋转盘(36)，使得在旋转时，在第一旋转盘(34)和第二旋转盘(36)之间出现干涉角，其中预见到转动轴(22)从所述马达驱动器(20)对所述第一旋转盘(34)和第二旋转盘(36)施加相应的旋转，其中器件(54)基于所述第一旋转盘(34)的转角和所述干涉角(70，82)来确定所述转动轴的绝对多转角。

2.根据权利要求1所述的机器人部件，其特征在于，所述第一单转编码器(48)和第二单转编码器(46)在0°和360°之间对相应的第一旋转盘(34)和第二旋转盘(36)的旋转角进行线性编码。

3.根据权利要求1或2所述的机器人部件，其特征在于，通过传动带(44)以机械的方式联接所述第一旋转盘(34)和第二旋转盘(36)。

4.根据权利要求1或2所述的机器人部件，其特征在于，所述第一单转编码器(48)和/或第二单转编码器(46)包括霍尔传感器(42)，以确定安装在所述第一旋转盘(34)和/或第二旋转盘(36)上的磁体(38，40)的磁场定向。

5.根据权利要求1或2所述的机器人部件，其特征在于，所述机械手节段(12)为夹持器工具。

6.根据权利要求1或2所述的机器人部件，其特征在于，所述机器人部件为机器人机械手的一部分。

7.一种机器人机械手系统，包括至少一个根据权利要求5或6所述的机器人部件。