用于确定第一对象与第二对象的相互位置的方法和位置传感器布置的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于确定第一对象(1)与第二对象(2)之间的相互位置的方法和位置传感器组件。位置传感器组件包括第一主体(3)、第二主体(4)、控制单元和传感器电路，所述第一主体(3)和所述第二主体(4)相对于彼此能够相互移位并且所述第二主体(4)对于所述第一主体(3)与所述第二主体(4)之间的每个相互位置给出明确的电感值。传感器电路又包括连接到第一分支的比较器，该第一分支包括彼此串联耦合的所述第二主体(4)、电源开关和测量电阻器。
【专利说明】
用于确定第一对象与第二对象的相互位置的方法和位置传感毋士罢
技术领域
[0001]本发明一般而言涉及用于确定第一对象与第二对象之间的相互位置的方法和位置传感器组件。特别地，本发明涉及用于确定例如装配机器人或机器当中例如可转动地连接到彼此的第一臂/杆与第二臂/杆之间的相互位置的方法和位置传感器组件。
[0002]位置传感器组件包括第一主体、第二主体、控制单元和传感器电路，所述第一主体和所述第二主体相对于彼此可相互移位并且所述第二主体对于所述第一主体和所述第二主体之间的每个相互位置给出明确的电感值。传感器电路又依次包括连接到第一分支的比较器，第一分支包括彼此串联耦合的所述第二主体、电源开关以及测量电阻器。
[0003]在本文中，本发明将联系第一臂/杆与第二臂/杆之间的相互位置的确定来描述， 但不限于此；例如，本发明可被用于确定装配机器人或机器等等当中臂的不同部分之间的相互位置，其中具有高速的对象的定位必须以高精度做出。【背景技术】
[0004]被布置成相对于第二对象确定/遵循第一对象的位置的位置传感器组件长久以来就已经已知。但是，早期型号的位置传感器组件不够快速和准确，以便可结合以非常高速度移动的对象，诸如装配机器人的或“拾放”机器人的臂片段/杆，使用。在工业中，存在要被使用的系统应当鲁棒并且以低成本具有高可靠性的附加需求。近年来，包括与由导电材料制成的可移动主体交互的固定线圈/电感器的系统已出现，所述可移动主体连接到内燃机的阀门并且与其一起移动。
[0005]参见例如，US7，032，549，其公开了一种位置传感器组件，该位置传感器组件包括振荡器、第一主体、线圈、控制单元以及传感器电路，所述第一主体相对于所述线圈并在其外部在轴向方向上可往复移位。传感器电路又包括连接到第一分支的比较器，第一分支包括彼此串联耦合的所述线圈、振荡器以及测量电阻器。当线圈通电时，它被布置成生成振荡的磁场，这又在可移位的主体中感应出涡流电流，这导致线圈短路。线圈短路的程度与线圈和主体之间相互重叠的变化成比例地改变。然后，比较器基于振荡器的电源电压与跨测量电阻器的电压之间的相移来确定阀门的位置，所述相移随着线圈与主体之间增加的重叠而增加。
[0006]但是，所述位置传感器组件受其包括振荡器或者提供交流电压信号的类似信号发生器的缺点的影响，相对而言，由于振荡器连续处于操作中，所以是耗能的。此外，所述方法包括部分模拟信号，这使得相互位置只能以，相对而言，低时间和位置分辨率来确定。
【发明内容】
[0007]本发明意在避免上面提到的缺点和先前已知的位置传感器组件的失败并且意在提供用于确定第一对象与第二对象之间的相互位置的改进的方法和位置传感器组件。本发明的主要目的是提供通过介绍方式定义的类型的改进方法和位置传感器组件，其中相互位置的确定可以以尚精度，同时，以能耗低执tx。
[0008]本发明的另一个目的是提供启用相互位置的相互隔离确定之间的可选择距离的方法。
[0009]本发明的另一个目的是提供完全数字化的位置传感器组件，其给出了简单且廉价的解决方案，它仍能够以高精度来确定相互位置。
[0010]本发明的另一个目的是提供鲁棒的且无接触的位置传感器组件。
[0011]本发明的另一个目的是提供包括数量少且价格便宜的部件的位置传感器组件。
[0012]根据本发明，至少主要目的是由通过介绍方式定义并具有在独立权利要求中定义的特征的方法和位置传感器组件实现的。本发明的优选实施例在从属权利要求中进一步定义。
[0013]根据本发明的第一方面，提供了一种通过介绍方式定义的类型的方法，它包括步骤:
[0014]-从控制单元向电源开关发送数字输入信号脉冲的向上侧(upflank)，以产生电源开关从打开到关闭的状态变化，
[0015]-在控制单元中，探测来自比较器的输出信号的第一状态变化，和
[0016]-基于输入信号脉冲的向上侧与输出信号的第一状态变化之间的时间延迟确定所述第一主体和所述第二主体之间的相互位置，
[0017]或者包括步骤:
[0018]-从控制单元向电源开关发送数字输入信号脉冲的向上侧，以产生电源开关从打开到关闭的状态变化，[〇〇19]-在控制单元中，探测来自比较器的输出信号的第一状态变化，
[0020]-在控制单元中，探测所述输出信号的第二状态变化，和
[0021]-基于输出信号的第一状态变化与输出信号的第二状态变化之间的时间延迟确定所述第一主体和所述第二主体之间的相互位置。
[0022]根据本发明的第二方面，提供了位置传感器组件，其传感器电路包括:
[0023]-第一分支，包括所述第二主体、测量电阻器，以及电源开关，所述电源开关具有可操作连接到所述控制单元用于接收各个数字输入信号脉冲的输入，及
[0024]-比较器，其经由第一输入连接到所述第一分支，以获得跨测量电阻器的瞬时测量电压，并且其进一步包括用于获得瞬时参考电压的第二输入，以及输出，所述输出可操作连接到所述控制单元用于基于所述测量电压与所述参考电压之间的相互关系来输出数字输出信号的各个状态变化。
[0025]因此，本发明是基于以下理解，S卩，通过利用各个数字输出信号脉冲以及由此引起的各个数字输出信号脉冲，获得以较大的时间和位置分辨率以及低能耗来确定第一对象与第二对象之间相互位置的可能性。
[0026]根据本发明的优选实施例，来自比较器的输出信号的所述第一状态变化是数字输出信号脉冲的向上侧，并且其中来自比较器的输出信号的第二状态变化是所述数字输出信号脉冲的向下侧。
[0027]根据优选实施例，位置传感器组件的传感器电路包括连接在比较器的输出和比较器的第二输入之间的反馈分支。这意味着，当来自比较器的输出信号发生状态变化时，作为状态变化被确保的结果，促进相互位置的确定，并且由电噪声等等引起的多个快速状态变化被消除。
[0028]优选地，通过绕枢轴可转动，位置传感器组件的第一主体相对于所述第二主体可移位。
[0029]本发明的更多优点和特征从其它从属权利要求以及在以下优选实施例的详细描述中是清楚的。【附图说明】
[0030]参考附图，本发明的上面提到的和其它的特征和优点的更完整理解将从下面对优选实施例的详细描述变得清楚，其中:[〇〇31 ]图1是第一主体和第二主体的第一实施例的示意性截面视图，[〇〇32]图2是第一主体和第二主体的第二实施例的示意性截面视图，[〇〇33]图3是第一主体和第二主体的第三实施例的示意性截面视图，
[0034]图4是第一主体和第二主体的第四实施例的示意性截面视图，
[0035]图5是第一主体和第二主体的第五实施例的示意性截面视图，
[0036]图6是根据第一实施例的传感器电路的示意图，
[0037]图7是根据第二实施例的传感器电路的示意图，[〇〇38]图8是根据第三实施例的传感器电路的示意图，
[0039]图9是根据第四实施例的传感器电路的示意图，
[0040]图10是根据第五实施例的传感器电路的示意图，及
[0041]图11是根据第六实施例的传感器电路的示意图。【具体实施方式】
[0042]首先参照图1-5,这些图示意性地公开了包括本发明的不同应用。本发明一般而言涉及用于确定第一对象1与第二对象2之间的相互位置的方法和位置传感器组件，参见图1。 在图1中所示的应用中，第一对象1由例如装配机器人(未示出)的第一臂构成并且第二对象 2由第二臂构成。第一对象1和第二对象2相互可移位，并且应当认识到，第一对象1和第二对象2可以相对于第三对象(未示出)共同移位。第三对象可以例如是装配机器人的固定部分。 [〇〇43]第一对象1和第二对象2相对于彼此相互可移位，但是，本发明将结合第一可移动对象1与固定的第二对象2之间的相互位置的确定来描述，但不限于此。
[0044]位置传感器组件被布置成确定第一对象1与第二对象2之间的相互位置，S卩，确定第一对象1相对于第二对象2位于哪里。
[0045]在图1-5中，示出了相对于彼此可相互移位的第一主体3和第二主体4,并且所述第二主体4对于所述第一主体3与所述第二主体4之间的每个相互位置给出明确的电感值。第一主体3可与第一对象1连接并且被布置成与第一对象1共同移位，并且第二主体4可与第二对象2连接并被布置成与第二对象2共同移位。优选地，第二主体由电感器构成，并且最优选地由诸如图1-5中所示的线圈构成。
[0046]在图1中，第一主体3由弧形片段构成，并且第一主体3被布置成绕枢轴5转动。第二主体4由与第一主体3对应地弯曲的线圈构成。当弧形片段绕枢轴5转动时，该弧形片段相对于线圈移位，优选地在所述线圈内部，于是第二主体4的电感改变。应当认识到，作为替代， 第一主体3可以静置并且第二主体4可以绕枢轴5转动，并且应当指出，这适用于所有实施例。在图1中，第一主体3可以绕枢轴5转动180度，同时获得第二主体4的电感的明确值。
[0047]在图2中，第一对象3由布置在第二对象2中的阀门体或盘构成，其中第二对象2由管道/导管构成。第二主体4布置在第二对象2的外部或内部。第一主体3被布置成绕枢轴5转动，并且当第一主体3转动时，第二主体4的电感改变。在图2中，第一主体3可以绕枢轴5转动 90度，同时获得第二主体4的电感的明确值。
[0048]在图3和4中，示出了第一主体3的替代实施例，当绕枢轴5转动时，改变第二主体4 的电感。在图3中，第一主体3可以绕枢轴5转动360度，并且在图4中，第一主体可以绕枢轴5 转动180度，同时获得第二主体4的电感的明确值。
[0049]在图5中，示出了第五实施例，其中第二主体4是不均匀的并且第一主体3被布置成被第二主体4完全包围，第一主体3与第二主体4的相互轴向移位使得第二主体4的电感被改变。
[0050]现在也参照图6,该图示出了根据第一实施例的传感器电路的示意图。位置传感器组件包括可连接到所述第一对象1的第一主体3,可连接到所述第二对象2的第二主体4,例如线圈或电感器，控制单元(未示出)，以及总体上指定为6的传感器电路。
[0051]第一主体3由导电主体构成，优选地由非磁性金属制成，诸如铝。但是，所述第一主体3由磁性金属，诸如压缩的铁粉体，制成是可行的。应当指出的是，第一主体3可以构成第一对象1。[〇〇52]第二主体4在下面将被称为线圈4。[〇〇53]线圈4优选地布置在第二对象2的座(未示出)中。线圈4优选地由铜制成并且包括大量绕组。
[0054] 传感器电路6包括第一分支和比较器7。传感器电路6的第一分支包括所述线圈4、 具有可操作连接到所述控制单元用于输入各个数字输入信号脉冲的输入9的电源开关8,以及测量电阻器10,线圈4、电源开关8和测量电阻器10彼此串联耦合。此外，所述第一分支连接在电压源11和地之间，其中电压源11优选地是大约+5V。应当指出的是，所述线圈可以由串联连接的两个线圈组成，其中第一线圈属于第一阀门并且第二线圈属于第二阀门，其前提是第一阀门和第二阀门不具有重叠的阀门升程曲线(valve lift curve)。[〇〇55] 传感器电路6的比较器7经由第一输入12连接到所述第一分支，以获得跨测量电阻器10的瞬时测量电压，并且包括第二输入13,以获得瞬时参考电压，以及可操作连接到所述控制单元用于输出数字输出信号的各个状态变化的输出14。
[0056]比较器7被布置为获得并比较跨测量电阻器10的瞬时测量电压与瞬时参考电压， 并且被布置为，基于测量电压与参考电压之间的相互关系，生成数字输出信号的状态变化。 来自比较器7的输出14的数字输出信号的状态变化是在测量电压和参考电压相互改变量值等级，即，相互改变关于其中最大的值的次序(order)，时生成的。[〇〇57]位置传感器组件按以下方式操作。当第一主体3相对于线圈4被移位/转向时，第一主体3和线圈4(更精确地说是线圈4的磁场)之间的重叠被改变，并且当第一主体3对线圈4 的磁场的影响增加时，作为线圈4由于来自第一主体3的影响而被不同程度短路的结果，测量电压要改变预定值所经过的时间与其比例地减小。当跨线圈4的电压改变时，跨测量电阻器10的测量电压改变，并且，作为电源开关8从打开到关闭的状态变化发生的结果，跨线圈4 的电压改变。
[0058]在本发明的共同发明概念的范围内，变化的所述持续时间可以根据两种方法来确定，这些方法对现有技术提供了一致的贡献，但它们是不适于被一致定义的相同基本想法的实现。
[0059]根据第一种方法，根据本发明的方法包括步骤:从控制单元向电源开关8发送数字输入信号脉冲的向上侧，或正侧，以产生电源开关8从打开到闭合的状态变化;探测来自比较器7的输出信号的第一状态变化;及基于输入信号脉冲的向上侧与输出信号的第一状态变化之间的时间延迟确定所述第一主体3与所述线圈4之间的相互位置。
[0060]根据第二种方法，根据本发明的方法包括步骤:从控制单元向电源开关8发送数字输入信号脉冲的向上侧，或正侧，以产生电源开关8从打开到闭合的状态变化;探测来自比较器7的输出信号的第一状态变化;探测所述输出信号的第二状态变化;及基于输出信号的第一状态变化与输出信号的第二状态变化之间的时间延迟确定所述第一主体3与所述线圈 4之间的相互位置。
[0061]上面提到的第一种方法是基于其中在输入信号脉冲的向上侧与输出信号的第一状态变化之间存在时间延迟的传感器电路设计。上面提到的第二种方法是代替地基于其中输入信号脉冲的向上侧与输出信号的第一状态变化一起发生的传感器电路设计。
[0062]优选地，来自比较器7的输出信号的所述第一状态变化是数字输出信号脉冲的向上侧，来自比较器7的输出信号的所述第二状态变化是所述数字输出信号脉冲的向下侧。
[0063]根据优选实施例，上面提到的第一种方法还包括以下步骤，基于来自比较器7的输出信号的所述第一状态变化的探测，从控制单元向电源开关8发送所述数字输入信号脉冲的向下侧，或负侧，以产生电源开关8从关闭到打开的状态变化。根据优选实施例，上面提到的第二种方法还包括以下步骤，基于来自比较器7的输出信号的第二状态变化的探测，从控制单元向电源开关8发送所述数字输入信号脉冲的向下侧，以产生电源开关8从关闭到打开的状态变化。换句话说，数字输入信号脉冲的持续时间应当保持尽可能短，以节省能源。
[0064]本发明的一大优点在于，只在存在确定相互位置的原因时，S卩，当第一对象1在运动中时，才选择进行第一对象1与第二对象2之间的相互位置的确定。
[0065]在下文中，将描述位置传感器组件的传感器电路6的多种实现，所有实现的共同点是传感器电路6包括连接在电压源11和地之间的第二分支并且包括彼此串联耦合的第一参考电阻器15和第二参考电阻器16,比较器7的第二输入13在位于所述第一参考电阻器15和所述第二参考电阻器16之间的点处连接到第二分支。此外，比较器7的第一输入12在位于所述测量电阻器10和线圈4之间的点处连接到所述第一分支。
[0066]为了根据上面提到的第一种方法工作，传感器电路6可以，例如，根据图7或者根据图8来实现，其中图7示出根据第二实施例的传感器电路6的示意性表示，图8示出根据第三实施例的传感器电路6的不意性表不。这些实施例的共同点是线圈4位于电压源11和第一分支上连接到比较器7的第一输入12的点之间。应当指出的是，电源开关8相对于线圈4和测量电阻器10的位置可自由选择。在图8所示的第三实施例中，除了在根据图7的第二实施例中所示出的，传感器电路6还包括连接在比较器7的输出14和比较器7的第二输入13之间的反馈分支17,或放大分支，以便确保比较器7的输出信号的状态变化用于消除由电噪声等造成的多个快速状态变化。
[0067]为了根据上面提到的第二种方法工作，传感器电路6可以，例如，根据图9或者根据图10来实现，图9示出根据第四实施例的传感器电路6的示意性表示，图10示出根据第五实施例的传感器电路6的示意性表示。这些实施例的共同点是测量电阻器10位于电压源11和第一分支上连接到比较器7的第一输入12的点之间。应当指出的是，电源开关8相对于线圈4 和测量电阻器10的位置可自由选择。在图9所示的第四实施例中，除了在根据图10的第五实施例中所示出的，传感器电路6还包括连接在比较器7的输出14和比较器7的第二输入13之间的反馈分支17，或放大分支。
[0068]在图11中，可以找到根据第六实施例的传感器电路6的示意图，该传感器电路被实现为根据上面提到的第二种方法工作。在这个实施例中，传感器电路包括连接在比较器7的输出14和比较器7的第一输入12之间的反馈分支17,或放大分支，并且测量电阻器10位于电压源11和第一分支上连接到比较器7的第一输入12的点之间。此外，电源开关8被部署成与地相邻，以及传感器电路6包括跨电源开关8并联连接的同步电阻器18,传感器电路6的第一分支和第二分支当中每一个与同步电阻器18以及电源开关8串联耦合。[〇〇69] 本发明的可行性修改
[0070]本发明并不仅限于上面描述和附图中示出的实施例，这些仅具有说明和举例目的。本专利申请意在覆盖本文所描述的优选实施例的所有修改和变型，并且因此本发明由所附权利要求的措辞定义并且装备可以相应地以所有可行的方式在所附权利要求的范围内被修改。
[0071]还应当指出的是，关于诸如之上、之下、上、下等术语的所有信息应当以装备根据附图定向来解释/阅读，通过附图以这种方式定向，标号可以以适当的方式被阅读。相应地， 这种术语仅指示在所示实施例中的相互关系，如果根据本发明的装备利用另一种构造/设计提供，则这些关系可以改变。
[0072]应当指出的是，即使没有明确提及来自特定实施例的特征可以与其它实施例的特征相结合，在可能的时候，这也应当被视为显然的。
【主权项】
1.一种用于由位置传感器组件确定第一主体(3)与第二主体(4)之间的相互位置的方 法，所述第一主体(3)和第二主体(4)相对于彼此可相互移位并且所述第二主体(4)对于所 述第一主体(3)与所述第二主体(4)之间的每个相互位置给出明确的电感值，其中位置传感 器组件包括所述第一主体(3)、所述第二主体(4)、控制单元和传感器电路(6)，传感器电路 (6)包括连接到第一分支的比较器(7)，该第一分支包括彼此串联耦合的所述第二主体(4)、 电源开关(8)和测量电阻器(10)，比较器(7)被布置成获得并比较跨测量电阻器(10)的瞬时 测量电压与瞬时参考电压，并且被布置成，基于测量电压与参考电压之间的相互关系，生成 数字输出信号的状态变化，该方法包括以下步骤:-从控制单元向电源开关(8)发送数字输入信号脉冲的向上侧，以产生电源开关(8)从 打开到关闭的状态变化，-在控制单元中，探测来自比较器(7)的输出信号的第一状态变化，和_基于输入信号脉冲的向上侧与输出信号的第一状态变化之间的时间延迟确定所述第 一主体(3)与所述第二主体(4)之间的相互位置，或者包括以下步骤:-从控制单元向电源开关(8)发送数字输入信号脉冲的向上侧，以产生电源开关(8)从 打开到关闭的状态变化，-在控制单元中，探测来自比较器(7)的输出信号的第一状态变化，-在控制单元中，探测所述输出信号的第二状态变化，和_基于输出信号的第一状态变化与输出信号的第二状态变化之间的时间延迟确定所述 第一主体(3)与所述第二主体(4)之间的相互位置。2.如权利要求1所述的方法，其中来自比较器(7)的输出信号的所述第一状态变化是数 字输出信号脉冲的向上侧，并且其中来自比较器(7)的输出信号的所述第二状态变化是所 述数字输出信号脉冲的向下侧。3.如权利要求1所述的方法，其中该方法除了以下步骤:-从控制单元向电源开关(8)发送数字输入信号脉冲的向上侧，以产生电源开关(8)从 打开到关闭的状态变化，-在控制单元中，探测来自比较器(7)的输出信号的第一状态变化，和_基于输入信号脉冲的向上侧与输出信号的第一状态变化之间的时间延迟确定所述第 一主体(3)与所述第二主体(4)之间的相互位置，还包括以下步骤:-基于来自比较器(7)的输出信号的所述第一状态变化的探测，从控制单元向电源开关 (8)发送所述数字输入信号脉冲的向下侧，以产生电源开关(8)从关闭到打开的状态变化。4.如权利要求1或2所述的方法，其中该方法除了以下步骤:-从控制单元向电源开关(8)发送数字输入信号脉冲的向上侧，以产生电源开关(8)从 打开到关闭的状态变化，-在控制单元中，探测来自比较器(7)的输出信号的第一状态变化，-在控制单元中，探测所述输出信号的第二状态变化，和_基于输出信号的第一状态变化与输出信号的第二状态变化之间的时间延迟确定所述 第一主体(3)与所述第二主体(4)之间的相互位置，还包括以下步骤:-基于来自比较器(7)的输出信号的所述第二状态变化的探测，从控制单元向电源开关 (8)发送所述数字输入信号脉冲的向下侧，以产生电源开关(8)从关闭到打开的状态变化。5.—种用于确定第一对象(1)与第二对象(2)之间的相互位置的位置传感器组件，该位 置传感器组件包括:能够连接到所述第一对象(1)的第一主体(3)、能够连接到所述第二对象(2)的第二主 体(4)、控制单元和传感器电路(6)，所述第一主体(3)和所述第二主体(4)相对于彼此能够 相互移位并且所述第二主体(4)对于所述第一主体(3)与所述第二主体(4)之间的每个相互 位置给出明确的电感值，传感器电路(6)包括:-第一分支，包括所述第二主体(4)、电源开关(8)以及测量电阻器(10)，其中电源开关 (8)具有操作连接到所述控制单元用于接收各个数字输入信号脉冲的输入，第二主体(4)、 电源开关(8)以及测量电阻器(10)彼此串联耦合，-比较器(7)，经由第一输入(12)连接到所述第一分支，以获得跨测量电阻器(10)的瞬 时测量电压，并且其进一步包括用于获得瞬时参考电压的第二输入(13)，以及操作性地连 接到所述控制单元用于基于所述测量电压与所述参考电压之间的相互关系输出数字输出 信号的各个状态变化的输出(14)。6.如权利要求5所述的位置传感器组件，其中传感器电路(6)包括连接在比较器(7)的 输出(14)和比较器(7)的第二输入(13)之间的反馈分支(17)。7.如权利要求5或6所述的位置传感器组件，其中传感器电路(6)的第一分支连接在电 压源(11)和地之间，并且其中传感器电路(6)包括连接在电压源(11)和地之间并且包括彼 此串联耦合的第一参考电阻器(15)和第二参考电阻器(16)的第二分支，比较器(7)的第二 输入(13)在位于所述第一参考电阻器(15)和所述第二参考电阻器(16)之间的点处连接到 所述第二分支。8.如权利要求7所述的位置传感器组件，其中电源开关(8)被设置成与地相邻。9.如权利要求8所述的位置传感器组件，其中传感器电路(6)包括跨电源开关(8)并联 连接的同步电阻器(18)，传感器电路(6)的第一分支和第二分支当中每一个与同步电阻器 (18)以及电源开关(8)串联耦合。10.如权利要求5-9中任何一项所述的位置传感器组件，其中所述第一主体(3)是导电 主体，优选地由铝制造。11.如权利要求5-10中任何一项所述的位置传感器组件，其中所述第一主体(3)相对于 所述第二主体(4)能够移位。12.如权利要求10所述的位置传感器组件，其中所述第一主体(3)绕枢轴(5)能够转动。13.如权利要求5-12中任何一项所述的位置传感器组件，其中所述第二主体(4)由线圈 构成。
【文档编号】G01B7/00GK106062325SQ201480074774
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年12月19日
【发明人】A·霍格伦德
【申请人】弗瑞瓦勒夫股份公司