旋转编码器的制作方法

本发明涉及旋转编码器，例如用于感测机器人关节中的旋转位置的旋转编码器。

背景技术：

旋转编码器广泛用于感测可旋转元件(例如轴)的位置。旋转编码器的应用的示例包括机器人手臂关节、汽车传动轴和控制轮或旋钮。

一种常见类型的位置传感器是霍尔效应磁传感器。这些传感器具有环，其中，围绕环布置有一组交替的磁极。传感器与环相互作用，并且定位成使得当发生期望被感测的旋转时，磁极运动经过传感器。例如，环可以附接为围绕轴，并且传感器可以附接到轴在其内旋转的壳体。传感器在磁极运动经过传感器时检测磁极性的变化。通过对极性变化的次数进行计数，可以感测到从基准位置开始的旋转量。为了感测旋转的方向，可以设置两对这样的环和传感器，并且将其布置成使得一个传感器在旋转位置处检测其环的磁性转变，其中该旋转位置相对于另一个传感器检测其环的磁性转变的位置发生偏移。通过考虑每一个传感器检测到的转变的相对时序，可以感测到旋转的方向。

可以从其他形式的双态旋转感测装置(例如感测旋转盘上从黑色到白色的转变的光学传感器，或者检测是否存在旋转经过传感器的齿轮上的齿的涡流传感器)获得类似的性质。

上面讨论的方法的改进是以多位精度测量磁极相对于传感器的位置，并且布置磁极的环使得轴在360°范围内的每个位置与来自传感器的唯一的一组输出相关联。这可以通过在每一个环上提供不同数量的磁极并使得这些环的磁极数量互质来实现。

这种性质的传感器的问题在于它们只能检测相对位置，或者如果它们能检测到绝对位置，则该绝缘位置只能在360°的范围内。由(一个或多个)传感器检测到的状态与轴的整个转数无关。这对于某些应用是不重要的，但是对于其他应用，为了形成绝对位置的测量需要采取额外的步骤。绝对位置是重要的应用的一个示例是在机器人技术中。一些机器人关节可能可以旋转超过360°，并且当机器人操作时，重要的是知道从基准位置开始已经经过多少转。这些信息对于以下情况可能是必要的：避免由于在一个方向上驱动关节太远而导致内部缆绳过度扭曲；或者提供如下保证，即确保如果机器人通过程序在中途进行重设，则机器人的在重设时保持的任何部件都可以恢复到其原始条件。在一些应用中，其运动被感测的轴连接到对轴在经过若干次旋转之后的行程提供限制的另外的机构。在这种情况下，通过使轴旋转来标定编码器，直到达到极限并且然后重置编码器上的计数。然后可以保持由于轴处于极限而检测到的转变的净数量的计数，该计数根据旋转方向而递增或递减。可以通过将该计数除以完整旋转中预期的转变次数来确定从轴处于极限开始进行的整个旋转的次数。与此有关的一个问题是为了执行标定轴必须转动到极限。这可能在某些情况下是受期望的，例如，如果轴上保持有插入到可能由于器械的大量旋转而被损坏的物体中的仪器。

期望具有能够感测旋转物体的位置的改进或替代方式。

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种用于对第一部件和第二部件围绕旋转轴线的相对旋转位置进行感测的装置，装置包括从动件，从动件被限制为在与第一部件固定的第一轨道上运动以及在与第二部件固定的第二轨道上运动，第一轨道是线性的，以及第二轨道包括多个圆弧以及使圆弧彼此连接的至少一个过渡部段，轨道被布置成将部件的相对旋转转换成从动件的线性运动。

第二轨道可以大体上是螺旋形的。每一个圆弧可以具有围绕旋转轴线的恒定的半径。第一轨道可以垂直于旋转轴线。

每一个圆弧可以具有与其他一个或多个圆弧不同的半径。

所有圆弧可以位于垂直于旋转轴线的单个平面中。

第二轨道可以大体上是螺旋形的。每一个圆弧可以位于垂直于旋转轴线的单个平面中。第一轨道可以与旋转轴线平行。

所有圆弧可以具有相同的半径。

每一个圆弧可以位于与旋转轴线垂直的其它一个或多个平面不同的平面中。

每一个圆弧可以占据大于270°的圆。

该装置还可以包括用于感测从动件在第一轨道中的位置的传感器。

传感器可以是提供一位输出的开关。

装置可以包括第二感测机构，第二感测机构用于感测第一部件和第二部件围绕旋转轴线在不大于360°的范围内的绝对或相对旋转位置。

第二感测机构可以是磁性感测机构。

第一轨道和第二轨道可以由通道界定。从动件可以位于两个通道中。

从动件可以包括位于两个通道中的刚性线性元件。

第二轨道可以包括通道，通道通向径向外部并且与圆弧中的最外侧圆弧连通，由此从动件能够被引入到第二轨道的最外侧圆弧中。

根据本发明的第二方面，提供一种机器人手臂，其包括前述装置。装置可以布置为用于感测围绕手臂的关节的旋转。关节可以是旋转关节，旋转关节被布置成使得其旋转轴线相对于其所在的手臂的肢体纵向地延伸。

附图说明

现在将参照附图通过示例描述本发明。

在附图中：

图1是设置有位置编码器机构的轴的总体视图。

图2示出了图1的盘5的周缘的一部分，以更详细地示出位置编码器的大致螺旋轨道。

具体实施方式

在以下要描述的布置中，用于两个物体的相对旋转位置的编码器能够独立地确定整个旋转中的相对旋转位置。(“独立确定”是指可以从(一个或多个)传感器的输出直接确定位置，而不需要例如由于相对旋转位置处于基准配置而累计运动量)。优选地，独立确定在大于360°的范围内。这是通过从动件来实现，该从动件(a)围绕旋转轴线以大致螺旋或盘旋形路径运动，并且(b)沿着或横向于旋转轴线的直线路径运动。螺旋或盘旋路径的主要部分是圆形的，因此对于两个物体的大部分相对旋转行程，从动件不沿着线性路径运动。

图1示出了设置有位置编码器的轴1。位置编码器能够检测轴的运动、该运动的方向以及轴从极限位置开始的绝对转数。

轴被构造成绕旋转轴线2旋转。三个盘附接在轴上以与轴一起旋转。盘3和4允许旋转位置的磁性编码。盘5允许旋转位置的机械编码。

盘3和4带有限定磁极6的多个永磁体。在每一个盘上，磁极布置成以轴1的旋转轴线2为轴线的圆。在每一个盘上，磁体被布置成使得在感测表面7、8处暴露的磁极围绕磁极的圆在北极和南极之间交替。磁性传感器9、10被设置成邻近感测表面7、8并且与磁极6的环对齐。磁性传感器例如通过固定到用于轴1的壳体上而与轴1相对于其旋转的主体固定在一起。因此，当轴与盘7、8一起旋转时，磁极6的环旋转经过传感器9、10。传感器能够在磁极的环中发生北极和南极之间的转变时检测该转变。传感器可以例如是霍尔效应传感器、簧片传感器、磁阻传感器或电感式传感器。为了相对位置感测，每一个传感器9、10被布置成使得当从北极到南极的转变通过传感器时，传感器的输出从高到低，并且当从南极到北极的转变通过传感器时，传感器的输出从低到高。为了在360°的范围内的绝对位置感测，每一个传感器布置成提供表示相邻磁极相对于该传感器的相对位置的多位输出，并且磁极的环布置成使得轴在360°范围内的每一个位置与来自传感器的唯一的一组输出相关联。这可以通过在每一个环上提供不同数量的磁极并且使得这些环的磁极数量互质来实现。来自传感器的输出传递给处理单元11。

选择传感器9、10的圆周位置和盘7、8绕轴2的旋转位置，使得由传感器9感测到的盘7上的磁极之间的转变与由传感器10感测到的盘8上的磁极之间的转变针对轴的不同旋转位置而发生。这允许由每一个传感器感测到的高/低和低/高转变的相对顺序推断轴的旋转方向。环和传感器能够确定轴的相对位置。

可以根据应用来选择围绕盘的磁极的数量；但是例如可以有大约30到40对南北极。对于使用上述技术的360°范围内的绝对位置感测，环上的对数应该互质。

现在将描述包括盘5的机械编码器。

盘5与轴1固定以与轴一起旋转。盘5具有一系列成型部20，该成型部具有沿轴的方向的延伸部。该成型部界定在盘5的平面内(即在垂直于轴的轴线的平面内)的大致螺旋状的路径21。从动件30由成型部在径向方向上(即，在垂直于轴的轴线的方向上)引导，使得轴的旋转可以引起从动件在径向方向上的运动。如将在下面进行描述的，可以检测从动件的径向位置以建立轴1从基准位置开始在整个旋转中的绝对位置。

更详细地，盘5具有在轴向方向上(即，沿着轴1的轴线2)延伸的脊的成型部20。脊被构造成界定在它们之间的大致螺旋状的槽21。对于其路径的大部分，螺旋槽具有围绕旋转轴线2的恒定半径，例如如图2中的22和23所示。区域22具有第一半径，区域22内的区域23具有比第一半径小的第二半径。在过渡区域24中，脊被构造成界定槽的半径在第一半径和第二半径之间的平滑变化，如25所示。槽的内部轨道23终止于端壁26。槽的外部轨道23终止于径向通道27，该径向通道27径向向外延伸并且通向盘5的圆周。

机械感测装置28位于盘5的附近。例如通过固定到用于轴1的壳体上，机械感测装置与轴1相对于其旋转的主体固定。因此，当轴使固定在轴上的盘5旋转时，旋转传递到感测装置28。感测装置具有轨道29，从动件30被限制在轨道内运动。轨道29被定向成垂直于轴线2。从动件是沿着轴线2延伸的销。销紧贴在槽21中并且也在轨道29中运动。机械感测装置被布置成例如通过限制销的扁平头部31(在图2中示为d形状)而使销保持在平行于轴线2的定向上，以防止头部围绕垂直于轴线2的轴线旋转。

轨道29、槽21和从动件30的相互作用使得当盘5旋转时，从动件在槽内的径向方向上的位置通过从动件在槽21中的运动来控制。当槽22、23的具有恒定横截面的区域之一与轨道29对齐时，盘可以旋转而不使从动件30在轨道29中运动。从动件将保持在与槽部分22对齐的径向向外位置或与槽部分23对齐的径向向内位置。当轴旋转使得过渡区域24旋转经过轨道29时，迫使从动件从径向向内位置到达径向向外位置(当轴如图2所示逆时针旋转时)，或者从径向向外位置到达径向向内位置(当轴如图2所示顺时针转动时)。

微型开关32定位成检测从动件30何时处于其径向向外位置，即与槽部分22对齐。微型开关的输出形成机械传感器装置28的输出，并被传递到处理单元11。可以以其他方式检测从动件30在轨道29中的径向位置。例如，可以在径向内部位置处而不是在径向外部位置处检测从动件存在与否；以及检测器可以是一位(开/关)开关(例如机械开关、磁开关或光开关)，或者可以提供沿着轨道29的长度的位置的更详细指示。传感器28的输出是表示轴从基准点开始的转数的绝对位置信号。

传感器9、10、28的输出传递给处理单元11。处理单元包括处理器装置40，该处理器装置可以被硬编码以解释来自传感器9、10、28的信号，或者可以是被配置为执行以非瞬态方式存储在存储器41中的软件代码的通用处理器。处理器装置在42处组合来自传感器的信号以形成集成输出信号。

来自传感器的数据可以以多种方式供处理器装置40使用。

1.可以(单独地或者与另外的位置编码器一起实施，该另外的位置编码器例如是由盘3、4和传感器9、10提供的位置编码器)实施机械编码器装置5、28，以提供表示轴1从基准位置开始的整个转数的简单输出。如果基准位置被认为是路径21的末端26，则微型开关32未检测到从动件30可以指示零转，并且微型开关32检测到从动件30可以指示一转。

2.机械编码器装置5、28可以用于指示用于重置与相对位置测量系统相关联的相对位置计数的基准位置。当需要重置计数时，机械位置编码器的输出是已知的。然后，轴1在根据该输出而选择的方向上旋转，以使过渡区域24朝向从动件运动。参照图2，如果机械位置编码器的输出指示从动件处于外轨道区域22中，则轴顺时针旋转，以及如果机械位置编码器的输出指示从动件处于内轨道区域23中，则轴逆时针旋转。该确定可以由处理单元11响应于重置计数的信号进行，并且该信号可以被发送到驱动单元(例如电动机)以在合适的方向上驱动轴。接下来，当处理单元检测到机械位置编码器的输出转变时，就知道过渡区域与传感器28对齐。此时，可以重置计数。该方法的优点在于，避免需要将轴移动到极限位置以在已知轴的从预定基准位置开始的旋转位置和转数两者的位置处重置计数。当从动件位于过渡区域28中时，轴在机械开关的输出转变处的精确旋转位置可能根据轴的旋转方向而不同。在这种情况下，当在来自传感器28的输出中检测到转变时，在轴的一个方向上轴以相反的方向旋转并且随后的转变用于指示计数的重置，除此之外，可以遵循上述的相同步骤。

3.在上述示例中，盘7、8和传感器9、10能够感测相对位置。在替换布置中，它们可以在轴的360°旋转内感测绝对位置。这可以通过多种方式来完成。例如，传感器9、10能够感测它们在磁极6之间的相对位置并且输出该相对位置的模拟或多位表示，并且可以选择盘7、8上的磁极的数量，使得传感器9、10组合以产生表示轴在360°旋转的范围内的位置的唯一表示的值。在另外示例中，磁极可以以二进制编码方式位于盘上，从而传感器组合产生唯一代表轴在360°旋转内的位置的数字输出。结合机械编码装置5、24，这种方法允许在不需要轴的运动的情况下立即确定轴在360°旋转内的以及从端点开始在整个旋转中的绝对位置。这是有用的，因为它允许在启动系统时立即完全确定轴的位置，而不需要如上面2所讨论的标定步骤。

在上面讨论的示例中，槽21的半径关于轴线2变化，从动件30的径向位置表示轴的绝对位置。在替换布置中，槽可以是大致螺旋状槽，并且从动件可以在槽中轴向地运动以指示绝对轴位置。在其大部分长度上，这种螺旋槽将沿着轴线2具有恒定的位置，并且将存在其轴向位置随着轴的径向位置而变化的过渡区域。轨道29将布置在轴向方向上。传感器32将感测从动件的轴向运动。

优选地，部分圆弧22、23或它们的螺旋等同部分延伸超过半个圆、更优选地延伸超过270°、更优选地延伸超过300°。如图2所示，过渡区域25优选地以50°或更小的角度延伸到与其连接的弧。优选地，过渡区域包括线性路径部段。

并非在槽21/29中运动，从动件30可以以另一种方式被引导，例如通过骑跨在重叠在任一侧的升高的轨道上。

延伸到盘5的周缘的槽27可以用于帮助组装机械位置编码器。在图1和图2的示例中，在组装期间，传感器28可以被径向地引导到盘以及从动件可以通过槽27插入到螺旋通道21中。

在图1和图2的示例中，机械传感器可以仅区分零转和从端部止挡件26开始的一个完整的旋转。螺旋槽可以延伸以获得更多旋转，并且用于每一个旋转的恒定半径的区域被槽和每对相邻的恒定半径区域之间的过渡区域覆盖。过渡区域将位于围绕旋转轴线2的共同圆周位置处。类似地，在螺旋槽的情况下，槽可以延伸以获得更多旋转，并且用于每一个旋转的恒定轴向位置的区域被槽和每对相邻的恒定轴向位置区域之间的过渡区域覆盖。在这种情况下，过渡区域将再次位于围绕旋转轴线2的共同圆周位置处。传感器装置28将适应为使其能够确定从动件与哪个恒定的径向/轴向位置区域对齐。例如，传感器装置可以具有多个微型开关，一个微型开关与恒定的径向/轴向位置区域中的每一个对齐，或者与这些区域中除了一个以外的所有区域对齐。

在上面的示例中，盘3、4和传感器9、10通过盘和传感器之间的磁性相互作用来感测相对位置。它们可以用其他方式感测运动。例如，传感器可以是光传感器，其感测从在旋转盘上的一种颜色到另外的颜色或从一种反射性另外反射性的转变，或者传感器可以是涡电流传感器或其他电传感器，其检测是否存在旋转经过传感器的齿轮上的齿。如果传感器3、4是磁性传感器，则它们可以是任何合适的类型，例如霍尔传感器或簧片开关传感器。

用于轴的控制机构可以被布置成根据处理单元11输出的位置数据自动地防止轴过度旋转经过端部位置26、27。

盘可以附接到相对于另一部件旋转的任何其他部件，而不是附接到轴上。在轴的情况下，一个或多个盘可以附接到轴的壳体，并且传感器可以与轴一起旋转。盘可以由具有相同功能但形状不同的元件代替，例如该元件可以是圆柱体、环形体或长方体的形式。

这种装置的一些应用如下。该装置可用于机器人手臂，其中形成手臂的肢体的刚性元件通过旋转关节联接。轴可以与手臂的一个肢体固定，并且壳体可以由手臂的邻接肢体形成，轴相对于壳体的旋转表示两个肢体的相对旋转。然后可以使用位置编码装置来建立手臂的相对位置。在另外的示例中，轴可以是从车辆的方向盘延伸的轴，并且壳体可以是用于该轴的壳体，该轴是车辆的主体的一部分。可以感测转向轴的运动以控制电动助力转向系统或简单地建立转向需求(例如，以帮助控制车辆的稳定性控制系统)。

由此，申请人在以下程度上独立地公开了在此描述的每一个个体特征以及两个或更多此类特征的任意组合：不论此类特征或者特征组合是否解决了本文公开的任何问题并且并非限制权利要求的范围，按照本领域技术人员的公知常识这些特征或者组合均能够基于本说明书而作为整体实施。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的个体特征或特征组合组成。鉴于前面的描述，在本发明的范围内进行各种修改对于本领域技术人员而言显而易见的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于对第一部件和第二部件围绕旋转轴线的相对旋转位置进行感测的装置，所述装置包括：从动件，所述从动件被限制为在与所述第一部件固定的第一轨道上运动以及在与所述第二部件固定的第二轨道上运动，所述第一轨道是线性的，以及所述第二轨道包括多个圆弧以及使所述圆弧彼此连接的至少一个过渡部段，轨道被布置成将所述部件的相对旋转转换成所述从动件的线性运动，其中，所述第二轨道大体上是螺旋形的，每一个所述圆弧具有围绕所述旋转轴线的恒定的半径，并且所述第一轨道垂直于所述旋转轴线。

2.根据权利要求1所述的装置，其中每一个所述圆弧具有与其他一个或多个圆弧不同的半径。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所有所述圆弧位于垂直于所述旋转轴线的单个平面中。

4.一种用于对第一部件和第二部件围绕旋转轴线的相对旋转位置进行感测的装置，所述装置包括：从动件，所述从动件被限制为在与所述第一部件固定的第一轨道上运动以及在与所述第二部件固定的第二轨道上运动，所述第一轨道是线性的，以及所述第二轨道包括多个圆弧以及使所述圆弧彼此连接的至少一个过渡部段，轨道被布置成将所述部件的相对旋转转换成所述从动件的线性运动，其中，所述第二轨道大体上是螺旋形的，每一个所述圆弧位于垂直于所述旋转轴线的单个平面中，并且所述第一轨道与所述旋转轴线平行。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所有所述圆弧具有相同的半径。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，每一个所述圆弧位于与所述旋转轴线垂直的其它一个或多个平面不同的平面中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每一个圆弧占据大于270°的圆。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括用于感测所述从动件在所述第一轨道中的位置的传感器。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述传感器是提供一位输出的开关。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括第二感测机构，所述第二感测机构用于感测所述第一部件和所述第二部件围绕所述旋转轴线在不大于360°的范围内的绝对或相对旋转位置。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第二感测机构是磁性感测机构。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一轨道和所述第二轨道由通道界定，并且所述从动件位于两个所述通道中。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述从动件包括位于两个所述通道中的刚性线性元件。

14.根据从属于权利要求1的权利要求12或13所述的装置，其中，所述第二轨道包括所述通道，所述通道通向径向外部并且与所述圆弧中的最外侧圆弧连通，由此所述从动件能够被引入到所述第二轨道的最外侧圆弧中。

15.一种机器人手臂，其包括根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述机器人手臂被布置成用于感测围绕所述手臂的关节的旋转。

16.根据权利要求15所述的机器人手臂，其中，所述关节是旋转关节，所述旋转关节被布置成使得其旋转轴线相对于其所在的所述手臂的肢体纵向地延伸。