具有絕對多轉(zhuǎn)編碼器的機器人部件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及機器人部件(10)，其包括機械手節(jié)段(12)、用于促動機械手節(jié)段(12)的驅(qū)動器(20)，以及絕對多轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器用于確定驅(qū)動器(20)的絕對多轉(zhuǎn)角且以此確定機械手節(jié)段(12)的位置。絕對多轉(zhuǎn)編碼器包括用于對第一旋轉(zhuǎn)盤(34)的轉(zhuǎn)角編碼的第一轉(zhuǎn)編碼器(48)和用于對第二旋轉(zhuǎn)盤(36)的轉(zhuǎn)角編碼的第二轉(zhuǎn)編碼器(46)。通過施加近似于但不等于1:1的齒輪傳動比來以機械的方式聯(lián)接(26-44-28)兩個旋轉(zhuǎn)盤(34，36)，使得在旋轉(zhuǎn)(66，68)時，在兩個盤(34，36)之間出現(xiàn)干涉角(70，82)。預(yù)見到轉(zhuǎn)動軸(22)將相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)從驅(qū)動器(20)施加在旋轉(zhuǎn)盤(34，36)上，同時預(yù)見到基于第一旋轉(zhuǎn)盤(34)的轉(zhuǎn)角和干涉角(70，82)來確定軸的絕對多轉(zhuǎn)角的器件(54)。
【專利說明】具有絕對多轉(zhuǎn)編碼器的機器人部件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人部件，其包括機械手節(jié)段、用于促動機械手節(jié)段的驅(qū)動器和絕對多轉(zhuǎn)編碼器，絕對多轉(zhuǎn)編碼器用于確定驅(qū)動器的絕對多轉(zhuǎn)角且以此確定機械手節(jié)段的位置。
【背景技術(shù)】
[0002]已知，機器人用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，諸如組裝、碼垛或油漆。機器人典型地包括機器人機械手、安裝在機器人機械手的末端上的工具(例如夾持器)，以及用于根據(jù)給定機器人程序協(xié)調(diào)機器人運動的機器人控制器。機械手本身典型地具有六個或七個運動自由度，而六個自由度在理論上足以以各個定向達(dá)到機器人的工作范圍內(nèi)的各個點。因而各個運動自由度需要優(yōu)選可樞軸地與相鄰的機械手節(jié)段連接的機械手節(jié)段。各個機械手節(jié)段需要用于促動這種樞轉(zhuǎn)的專用驅(qū)動器。在那些(例如六個)機械手節(jié)段的傳動系的端部(機器人末端)處，典型地預(yù)見到有工具，諸如夾持器。夾持器本身能看作機器人的一部分，因為夾持器運動(例如打開和關(guān)閉)與機器人機械手的運動協(xié)調(diào)。
[0003]機器人末端(相應(yīng)地機器人工具)的期望運動典型地沿著直線或彎曲運動路徑行進。因為所有機械手節(jié)段通?？蓸修D(zhuǎn)地連接到彼此上，所以各個機械手節(jié)段的控制需要知道各個可樞轉(zhuǎn)連接部的樞轉(zhuǎn)角。為了這個目的，轉(zhuǎn)計數(shù)器是普遍的，其計算驅(qū)動器的轉(zhuǎn)數(shù)，作為用于控制系統(tǒng)的輸入，相應(yīng)地作為機器人控制器的輸入。知道驅(qū)動器和相關(guān)的可樞轉(zhuǎn)的機械手節(jié)段之間的齒輪傳動比，能夠基于經(jīng)校準(zhǔn)的基準(zhǔn)位置和驅(qū)動器的整數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)來確定相應(yīng)的機械手節(jié)段的樞轉(zhuǎn)角。為了有較高的精度，此外不僅需要考慮整數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)，而且還要考慮實際值。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)不利的是，需要基準(zhǔn)位置，基準(zhǔn)位置可能由于不適當(dāng)?shù)那樾味R時失去，使得不時地需要新的校準(zhǔn)。為了避免這樣的情形，已知絕對多轉(zhuǎn)編碼器，其不僅能夠確定在0°和360°之間的范圍內(nèi)的絕對轉(zhuǎn)角，還能夠確定在高達(dá)20X360°和更高的范圍內(nèi)的絕對轉(zhuǎn)角。那些多個轉(zhuǎn)計數(shù)器例如基于升降絲桿，升降絲桿不利地會磨損、重量大和尺寸大。
[0005]基于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目標(biāo)是提供機器人部件，其具有避免前面提到的缺點的絕對多轉(zhuǎn)編碼器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]這個問題由前面提到的種類的機器人部件解決。其特征在于，絕對多轉(zhuǎn)編碼器包括用于對第一旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角進行編碼的第一單轉(zhuǎn)編碼器和用于對第二旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角進行編碼的第二單轉(zhuǎn)編碼器，其中通過施加近似于但不等于1:1的齒輪傳動比來以機械的方式聯(lián)接兩個旋轉(zhuǎn)盤，使得在旋轉(zhuǎn)時在兩個盤之間出現(xiàn)干涉角，其中預(yù)見到轉(zhuǎn)動軸從驅(qū)動器對旋轉(zhuǎn)盤施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，其中預(yù)見到基于第一旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角和干涉角來確定軸的絕對多轉(zhuǎn)角的器件。要理解絕對單轉(zhuǎn)編碼器為用于確定在單轉(zhuǎn)范圍(0°到360° )內(nèi)的絕對定向角的編碼器。要理解絕對多轉(zhuǎn)編碼器為用于確定多轉(zhuǎn)角(0°到nX360° )的編碼器。
[0007]因而能夠使用兩個小的標(biāo)準(zhǔn)絕對單轉(zhuǎn)編碼器，而非一個大型多轉(zhuǎn)編碼器。小的標(biāo)準(zhǔn)單轉(zhuǎn)編碼器為例如奧地利微系統(tǒng)公司(Austria Microsystems)的AS5043。這種編碼器為具有例如IOmmX IOmm邊長的尺寸的標(biāo)準(zhǔn)殼體中的集成電路的一部分。旋轉(zhuǎn)盤的直徑典型地與其相適應(yīng)，例如為10_。絕對多轉(zhuǎn)編碼器的組件包括兩個標(biāo)準(zhǔn)的單轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)編碼器，其典型地對在0°至360°的范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)進行編碼。它們例如安裝在覆蓋具有幾厘米的邊長的長方形區(qū)域的公共的印刷電路板上。如果假設(shè)旋轉(zhuǎn)盤的高度為大約1mm，并且相應(yīng)的軸承的高度假設(shè)為10mm，則這種絕對多轉(zhuǎn)編碼器的總高度不超過25mm。典型地預(yù)見到可旋轉(zhuǎn)盤在相應(yīng)的編碼器(諸如AS5043)的有效表面上在一毫米的距離內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
[0008]由于這種多轉(zhuǎn)編碼器組件的小尺寸和低重量，所以它可實現(xiàn)到機器人機械手中。機器人機械手圍繞其旋轉(zhuǎn)基部具有例如60cm至3m的工作區(qū)域。如上面闡述的那樣，普通的絕對多轉(zhuǎn)編碼器基于例如升降絲桿，升降絲桿的特征在于較大尺寸和較重的重量。
[0009]特別地，機器人機械手必須優(yōu)選地構(gòu)造成纖細(xì)的，因為各個機械手節(jié)段對于機器人機械手的其它相鄰機械手節(jié)段的運動范圍是可能的阻礙。因而使用本發(fā)明描述的絕對多轉(zhuǎn)編碼器使得能夠構(gòu)造在其工作范圍內(nèi)具有高的運動自由度(相應(yīng)地具有改進的可到達(dá)性)的機器人機械手。
[0010]此外，機器人機械手的主要問題是其負(fù)荷性能，負(fù)荷性能對于撿和放應(yīng)用可限于幾百克，而對于操縱操作可限于幾千克。因而提出的絕對多轉(zhuǎn)編碼器的重量輕的方面也非常有利于機器人的操作，因為它的負(fù)荷性能不會部分地浪費來佩戴不必要的重型轉(zhuǎn)編碼器。
[0011]在本發(fā)明的變型中，第一和第二單轉(zhuǎn)編碼器在0°和360°之間對相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角進行線性編碼。編碼的信號可為模擬電壓信號或相應(yīng)地為數(shù)字。線性編碼具有的優(yōu)點是，通過建立第一編碼器和第二編碼器的編碼信號之間的差異，易于計算它們之間的干涉角。在差異高于對應(yīng)于360°的值的情況下，通常要減去或加上對應(yīng)于360°的值，使得修改后的角差在0°到360°內(nèi)。當(dāng)然還可想到將這個范圍限定在-180°和+180°之間。
[0012]假設(shè)將兩個旋轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)在零位置上，在這個位置上，在它們之間不存在干涉角。當(dāng)然，旋轉(zhuǎn)盤的各個位置都可校準(zhǔn)為零。如果例如在兩個旋轉(zhuǎn)盤之間選擇20:21的齒輪傳動t匕，則在旋轉(zhuǎn)盤的20 (相應(yīng)地21)轉(zhuǎn)之后，干涉角將再次為零。所以在那20轉(zhuǎn)內(nèi)，絕對角的增加是干涉角的20倍。因而在這個情況下，能通過干涉角乘以20倍來計算絕對多轉(zhuǎn)角。因為還要乘以測量的(相應(yīng)地計算的)干涉角的公差，所以在這個示例中，確定的絕對多轉(zhuǎn)角的精度減小到1/20。優(yōu)選第一絕對轉(zhuǎn)編碼器的絕對轉(zhuǎn)角可用于增大最終結(jié)果的精度。因此，最終結(jié)果將優(yōu)選通過360°乘以整數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)來建立，整數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)本身可根據(jù)干涉角獲得。第一旋轉(zhuǎn)盤的絕對角加上整數(shù)乘積的結(jié)果，使得確定具有高精度的絕對多轉(zhuǎn)角。優(yōu)選預(yù)見到至少編碼器具有執(zhí)行這樣的操作的器件。
[0013]在本發(fā)明的優(yōu)選的形式中，旋轉(zhuǎn)盤之間的齒輪傳動比的范圍為0.9至0.99，相應(yīng)地為1.01至1.1。如主權(quán)利要求中所闡述的那樣，必須避免確切為一的齒輪傳動比，因為將不產(chǎn)生干涉角。上面提到齒輪傳動比將允許確定在滿10轉(zhuǎn)(0.9和1.1)和滿100轉(zhuǎn)(0.99和1.01)之間的絕對多轉(zhuǎn)角。這在一方面是足夠的轉(zhuǎn)數(shù)，其在一方面覆蓋典型的機器人節(jié)段運動的大多數(shù)需求。在另一方面，轉(zhuǎn)數(shù)沒有高到預(yù)期有與測量的角的精度有關(guān)的問題。為了確定720轉(zhuǎn)的數(shù)量，例如必須以低于0.5°的精度測量干涉角，這不易于實現(xiàn)。
[0014]在本發(fā)明的另一個實施例中，第一和第二旋轉(zhuǎn)盤由傳動帶以機械的方式聯(lián)接。為了避免兩個盤之間的滑動，傳動帶優(yōu)選實施為正時帶。盡管如此，避免滑動的各種帶都是適當(dāng)?shù)?。還可想到使用具有相應(yīng)的齒輪齒數(shù)的一組齒輪，以用于聯(lián)接旋轉(zhuǎn)盤。這個是容易和可靠的、以近似于1:1的傳動比聯(lián)接兩個旋轉(zhuǎn)盤的方法。還可想到不直接聯(lián)接盤本身，而是通過與旋轉(zhuǎn)盤布置在相同的軸上的傳動帶聯(lián)接輪。齒輪傳動比通過輪的相應(yīng)的直徑確定。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施例，第一和/或第二單轉(zhuǎn)編碼器包括霍爾傳感器，以用于確定安裝在一個與其相關(guān)的旋轉(zhuǎn)盤上的磁體的磁場定向。布置成在它們之間有90°角的典型地四個霍爾傳感器適于檢測相關(guān)的旋轉(zhuǎn)盤上的磁體的定向。使用霍爾傳感器的優(yōu)點在于高的測量精度，以及以高的分辨率持續(xù)確定磁體的定向角。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施例，機械手節(jié)段為夾持器工具。典型地安裝在機器人機械手的末端上的夾持器工具能看作機器人本身的一部分。通常對這種夾持器工具的控制與對機器人機械手本身的控制結(jié)合在同一機器人控制系統(tǒng)中。當(dāng)然，還可想到對夾持器工具提供集成在其中的專用控制器。對機械手節(jié)段的減小的重量和小尺寸的要求越高，則這個構(gòu)件就定位得離機器人機械手的末端越近。因而最高的效果利用處于機器人末端的改進的構(gòu)件(即其上安裝有促動器的夾持器或另一個構(gòu)件)獲得。
[0017]而且具有機械手節(jié)段(其為機器人機械手本身的一部分)的機器人部件將使得能夠構(gòu)造較纖細(xì)的機器人機械手，并且使得能夠在它們的工作范圍內(nèi)有較高的能達(dá)到性，相應(yīng)地有較高的運動自由度。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點還通過一種機器人機械手系統(tǒng)獲得，其包括根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的至少一個機器人部件。已經(jīng)在上面闡述了優(yōu)點。
[0019]本發(fā)明的另外的有利的實施例在從屬權(quán)利要求中提到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]現(xiàn)在將借助于示例性實施例和參照附圖來進一步闡述本發(fā)明，其中:
圖1顯示示例性機器人部件；
圖2顯示兩個示例性旋轉(zhuǎn)盤的俯視圖；以及 圖3顯示編碼器關(guān)于轉(zhuǎn)角的示意性輸出值。
【具體實施方式】
[0021]圖1顯示示例性機器人部件10，其包括由馬達(dá)驅(qū)動器20促動的示例性夾持器工具12。這兩個構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動軸24以機械的方式聯(lián)接。夾持器工具12本身示意性地勾畫成具有包括例如齒輪機構(gòu)的夾持器基部14，以及兩個夾持器指部16，夾持器指部16可如箭頭18所指示的那樣打開和關(guān)閉。馬達(dá)驅(qū)動器20的旋轉(zhuǎn)運動能夠通過兩個齒輪50從轉(zhuǎn)動軸24傳遞到轉(zhuǎn)動軸22。在轉(zhuǎn)動軸22上，安裝了第一輪26和第一旋轉(zhuǎn)盤34，而相應(yīng)的軸承未顯不。第一輪26具有直徑30,直徑30略微大于第二輪的直徑32,第二輪通過傳動帶44來與第一輪26聯(lián)接，在這個情況下，通過正時帶來與第一輪26聯(lián)接，以避免任何滑動。因為第二輪28的直徑32小于第一輪的直徑30,所以第二輪28比第一輪旋轉(zhuǎn)得快一點點。優(yōu)選的傳動比為例如20:21。第二輪28和第二旋轉(zhuǎn)盤36布置在第二傳動軸58上。[0022]第一旋轉(zhuǎn)盤34和第二旋轉(zhuǎn)盤36包括安裝在它們的下表面上的相應(yīng)的磁體38、40，磁體面對面地布置在第一編碼器48和第二編碼器46之上。第一編碼器48和第二編碼器46各自包括四個霍爾傳感器42，霍爾傳感器42相對于彼此以90°的角布置在相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)盤34、36的旋轉(zhuǎn)軸線周圍。當(dāng)盤34、36旋轉(zhuǎn)時，磁體38、40的磁場的實際定向由霍爾傳感器42確定。編碼器46、48布置在標(biāo)準(zhǔn)集成電路的殼體內(nèi)，并且通過傳輸線路52將測量的定向角的數(shù)據(jù)提供給用于確定絕對多轉(zhuǎn)角的器件54，而在輸出56上提供確定的角。器件54能通過單獨的計算單元(諸如ASIC)實現(xiàn)，但也可通過集成在編碼器46、48中的一個中的計算單元實現(xiàn)，如果在其中預(yù)見到有足夠的計算能力的話。在傳輸線路52上提供的信號可為例如模擬電壓信號，但是還可為一些數(shù)字值，相應(yīng)地為數(shù)字。
[0023]輸出56的信號提供給未顯示的控制馬達(dá)驅(qū)動器20的旋轉(zhuǎn)的控制機構(gòu)。在這個情況下，如果夾持器指部關(guān)閉，則輸出56的值為零，并且如果夾持器指部在它們的最大外部位置上，則為例如二十。所以需要馬達(dá)驅(qū)動器的二十轉(zhuǎn)來使夾持器指部16在它們的兩個端部位置之間移動。夾持器指部的實際位置可根據(jù)確定的絕對多轉(zhuǎn)角α絕對值獲得。
[0024]根據(jù)未顯示的實施例，還可想到將第一輪26和第二輪28集成到馬達(dá)驅(qū)動器20和夾持器工具12之間的傳動裝置中。當(dāng)然，輪能實現(xiàn)為齒輪，而不需要傳動帶，相應(yīng)地不需要正時帶。
[0025]圖2顯示兩個相鄰的示例性旋轉(zhuǎn)盤62、64的俯視圖60。它們以機械的方式以某個傳動比聯(lián)接，而聯(lián)接件本身未顯示。第一旋轉(zhuǎn)盤62以第一速度沿箭頭66的方向旋轉(zhuǎn)，而第二旋轉(zhuǎn)盤以第二速度沿箭頭68的方向旋轉(zhuǎn)。因為假設(shè)第一速度小于第二速度,所以出現(xiàn)第一干涉角70，第一干涉角70隨著兩個盤的轉(zhuǎn)數(shù)的增大而增大。取決于傳動比，干涉角超過360°，使得測量的干涉角將落回到0°。
[0026]圖3在曲線圖80中顯示編碼器關(guān)于轉(zhuǎn)角的示意性輸出值。實線84對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)絕對角轉(zhuǎn)編碼器的電壓信號，該電壓信號隨著旋轉(zhuǎn)盤的定向角的增大而線性地增大。在執(zhí)行完整一轉(zhuǎn)360°之后，信號再次從其最小值開始。在同一曲線圖中的虛線86指示第二編碼器在相應(yīng)的同一時間的電壓信號，該電壓信號確定旋轉(zhuǎn)得略微更慢的另一個旋轉(zhuǎn)盤的定向角。由于相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度的差異，所以出現(xiàn)干涉角82，干涉角82隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增大而增大。
[0027]參考標(biāo)號列表:
10示例性機器人部件 12示例性夾持器工具 14夾持器基部
16夾持器指部
18夾持器指部的運動方向
20馬達(dá)驅(qū)動器
22轉(zhuǎn)動軸
24第一傳動軸
26第一輪
28第二輪
30第一輪的直徑
32第二輪的直徑34第一旋轉(zhuǎn)盤
36第二旋轉(zhuǎn)盤
38在第一旋轉(zhuǎn)盤上的磁體
40在第二旋轉(zhuǎn)盤上的磁體
42霍爾傳感器
44傳動帶
46第二單轉(zhuǎn)編碼器
48第一單轉(zhuǎn)編碼器
50齒輪
52傳輸線路
54用于確定絕對多轉(zhuǎn)角的器件56輸出58第二傳動軸
60兩個示例性旋轉(zhuǎn)盤的俯視圖62第三旋轉(zhuǎn)盤64第四旋轉(zhuǎn)盤66第三旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)68第四旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)70第一干涉角
80編碼器關(guān)于轉(zhuǎn)角的示意性輸出值82第二干涉角84關(guān)于轉(zhuǎn)角的第一電壓輸出86關(guān)于受干涉轉(zhuǎn)角的第二電壓輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種機器人部件(10)，包括機械手節(jié)段(12)、用于促動所述機械手節(jié)段(12)的驅(qū)動器(20)，以及絕對多轉(zhuǎn)編碼器，所述絕對多轉(zhuǎn)編碼器用于確定所述驅(qū)動器(20)的絕對多轉(zhuǎn)角且以此確定所述機械手節(jié)段(12)的位置， 其特征在于 所述絕對多轉(zhuǎn)編碼器包括用于對第一旋轉(zhuǎn)盤(34)的轉(zhuǎn)角進行編碼的第一單轉(zhuǎn)編碼器(48)和用于對第二旋轉(zhuǎn)盤(36)的轉(zhuǎn)角進行編碼的第二單轉(zhuǎn)編碼器(46)，其中通過施加近似于但不等于1:1的齒輪傳動比來以機械的方式聯(lián)接(26-44-28)兩個旋轉(zhuǎn)盤(34，36)，使得在旋轉(zhuǎn)(66，68)時，在兩個盤(34，36)之間出現(xiàn)干涉角(70，82)，其中預(yù)見到轉(zhuǎn)動軸(22)從所述驅(qū)動器(20)對所述旋轉(zhuǎn)盤(34，36)施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，其中預(yù)見到基于所述第一旋轉(zhuǎn)盤(34)的轉(zhuǎn)角和所述干涉角(70，82)來確定所述軸的絕對多轉(zhuǎn)角的器件(54)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人部件，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)編碼器(48)和第二轉(zhuǎn)編碼器(46)在0°和360°之間對相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)盤(34，36)的旋轉(zhuǎn)角進行線性編碼(84)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的機器人部件，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)盤(34，36)之間的齒輪傳動比的范圍為0.9至0.99，相應(yīng)地為1.01至1.1。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的機器人部件，其特征在于，通過傳動帶(44)以機械的方式聯(lián)接所述第一旋轉(zhuǎn)盤(34)和第二旋轉(zhuǎn)盤(36)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的機器人部件，其特征在于，所述第一單轉(zhuǎn)編碼器(48)和/或第二單轉(zhuǎn)編碼器(46)包括霍爾傳感器(42)，以確定安裝在所述旋轉(zhuǎn)盤(34，36)中的與其有關(guān)的一個上的磁體(38，40)的磁場定向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的機器人部件，其特征在于，所述機械手節(jié)段(12)為夾持器工具。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的機器人部件，其特征在于，所述機器人部件為機器人機械手的一部分。
8.一種機器人機械手系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的至少一個機器人部件。
【文檔編號】B25J13/08GK103459103SQ201180067901
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月17日
【發(fā)明者】T.維托爾 申請人:Abb股份公司