偏心计算方法、旋转编码器、机器人臂和机器人装置与流程

本发明涉及用于获得旋转编码器的刻度的偏心信息的技术。

背景技术：

旋转编码器是已知的，其围绕旋转轴线相对地旋转具有相对于传感器单元的图案的刻度，使得传感器单元读取图案，并且确定刻度的旋转角度。

旋转编码器包括增量型和绝对型，但是为了以高精度检测旋转角度，有必要对于相对于旋转轴线的刻度的偏心误差采取对策。

为此，已经提出了一种技术，其包括考虑偏心误差的特性，将一对传感器单元布置在相对于旋转轴线对称的位置处，并且确定已经去除了偏心误差的旋转角度(参见日本专利no.4749154)。在日本专利no.4749154中，该技术包括从先前存储的参数ψ和φ计算偏心因子，并校正测量角度的值。

另一方面，还提出了一种旋转编码器，其通过使用用于旋转检测的光检测器和用于偏心检测的光检测器来输出指示编码轮的旋转量的旋转信号，并输出指示偏心量的偏心信号(参见日本专利申请特开no.2003-130688)。

然而，如在日本专利no.4749154中那样，即使在确定了已经去除了偏心误差的刻度的旋转角度的情况下，为了准确地确定旋转角度，刻度相对于旋转轴线的偏心量必须在允许的范围内。此外，刻度相对于旋转轴线的偏心量也根据旋转编码器的服务时间和使用情况而变化。因此，在偏心量在初始状态超过允许范围的情况下，或者在偏心量由于服务时间或使用状况而超过允许范围的情况下，即使通过使用先前存储的偏心因子的值来确定旋转角度，也存在确定的旋转角度大大偏离真实值的问题。

在这种情况下，为了检查偏心状态，考虑如在日本专利申请特开no.2003-130688中那样在除了一对传感器单元之外，还在旋转编码器上提供用于偏心检测的检测器，但是存在旋转编码器巨大或成本增加的问题。

然后，本发明的目的是使得能够通过使用一对传感器单元容易地检查刻度的偏心状态。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种偏心计算方法，所述偏心计算方法用于在旋转编码器中确定刻度的中心线相对于旋转轴线的偏心信息，其中旋转编码器具有刻度，图案被布置在所述刻度中，并且具有读取刻度的图案的一对传感器单元，其中刻度围绕旋转轴线相对于所述一对传感器单元移动，以及所述一对传感器单元被布置成彼此相对，旋转轴线被夹在所述一对传感器单元之间，所述偏心计算方法包括：在所述刻度相对于所述一对传感器单元移动的多个旋转角度中，从所述一对传感器单元中的每一个传感器单元获取输出信号，基于从所述一对传感器单元中的一个传感器单元获得的输出信号确定第一相位信息，以及基于从所述一对传感器单元中的另一个传感器单元获得的输出信号确定第二相位信息，确定第一相位信息和第二相位信息中的任何一个与第一相位信息和第二相位信息的平均值之间的差值，以及基于所述差值确定偏心信息。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是图示了根据第一实施例的机器人装置的说明图。

图2是图示了根据第一实施例的机器人装置的机器人臂的关节的局部剖视图。

图3a是根据第一实施例的旋转编码器的说明图；以及图3b是根据第一实施例的旋转编码器的一对传感器单元中的一个传感器单元的前视图。

图4a是根据第一实施例的旋转编码器的刻度的平面图；以及图4b是图示了刻度的图案的示意图。

图5是图示了旋转编码器中的传感器单元的光接收元件阵列的光接收面的布置的平面图。

图6是图示了处理系统中的处理电路的电路图。

图7是图示了游标信号sv21、相位φ2和刻度的旋转角度之间的关系的图。

图8是图示了其中刻度的中心线从旋转轴线偏心的情况的说明图。

图9a是用于确定绝对角度信息的流程图，其中刻度的中心线相对于旋转轴线的偏心误差已从该绝对角度信息中被去除；以及图9b是用于确定刻度的中心线相对于旋转轴线的偏心分量的偏心计算方法的流程图。

图10是图示了通过将刻度旋转360度而获得的abs1、abs和(abs1-abs)的角度信息的一个示例的曲线图。

图11是图示了在第二实施例中通过外推处理(extrapolationprocessing)确定波动分量的一例的曲线图。

图12是图示了根据第三实施例的机器人臂的关节j2的示意图。

图13是图示了参考示例的绝对型旋转编码器中的刻度的偏心量、同步精度和绝对角度精度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

[第一实施例]

图1是图示了根据第一实施例的机器人装置的说明图。图1所示的机器人装置100包括：机器人200；控制机器人200的操作的控制装置300；用作输入单元的示教板400；用作警告单元的灯单元500；以及用作显示单元的显示装置600。

机器人200具有：垂直连接的机器人臂201；以及机器人手202，其安装在机器人臂201的前端并用作端部执行器。

机器人臂201具有固定到支架的基座单元(基端侧的连杆)210和传递各位移和力的多个连杆211至216，并且构造成使得连杆210至216以可摆动或可旋转的方式由关节j1至j6连接。机器手202安装在连杆(前端侧的连杆)216上。

图2是图示出根据第一实施例的机器人装置100的机器人臂201的关节j2的局部剖视图。下面将作为代表性示例描述关节j2。其它关节j1以及j3j6具有相似的配置，因此省略其说明。

机器人臂201的一对连杆211和212通过交叉滚子轴承237可旋转地耦接。机器臂201具有驱动关节j2的驱动装置230。具体而言，驱动装置230相对于连杆(第一连杆)211相对地驱动连杆(第二连杆)212。

驱动装置230具有用作驱动源的旋转马达(以下称为“马达”)231和减速器234。

马达231是伺服马达，并且例如是无刷dc伺服马达或ac伺服马达。马达231具有固定到连杆212的壳体232；并且具有容纳在壳体232中的未示出的定子和未示出的转子。未示出的定子被固定到壳体232的内部。旋转轴233被固定到未示出的转子。

减速器234在本实施例中是波齿轮减速器。减速器234包括：腹板(web)发生器241，其耦接到马达231的旋转轴233；以及固定到连杆212的圆形花键242。减速器234具有布置在腹板发生器241和圆形花键242之间并且被固定到连杆211的柔性花键243。柔性花键243相对于腹板发生器241的旋转以预定的减速比被减速，并且相对于圆形花键242相对旋转。因此，马达231的旋转轴233的旋转通过减速器234以预定的减速比被减速，并且使固定有圆形花键242的连杆212围绕旋转轴线c0相对于固定有柔性花键243的连杆211相对旋转。

在关节j2中，设置有检测马达231的旋转轴233的旋转角度的旋转编码器250。另外，在关节j2中，设置有检测连杆212相对于连杆211的角度(关节j2的角度)的旋转编码器260。

旋转编码器260具有布置在一对连杆211和212的一个连杆212上的刻度2以及布置在另一个连杆211上的一对传感器单元7和17。刻度2用诸如螺钉之类的紧固构件固定到连杆212，以便相对于连杆212可调节位置。连杆212相对于连杆211旋转，因此刻度2相对于一对传感器单元7和17围绕旋转轴线c0相对旋转。一对传感器单元7和17相对于旋转轴线c0布置在对称位置。

具体来说，在从一对传感器单元7和17观察刻度2的情况下，当连杆211相对于连杆212围绕旋转轴线c0旋转时，刻度2会围绕旋转轴线c0旋转。该情况也类似于上述刻度2被布置在连杆212上，并且一对传感器单元7和17被布置在连杆211上的情况。

在本实施例中，旋转编码器250和260是绝对型。这里，旋转编码器250和260可以是增量型。顺便提及，旋转编码器250检测马达231的旋转轴233的相位信息(旋转角度)，因此在减速器234具有例如50:1的减速比的情况下，当连杆212相对于连杆211旋转一次，马达231的旋转轴233旋转50次。因此，旋转编码器260需要以比旋转编码器250更高的精度检测旋转角度。换句话说，旋转编码器260需要相对于旋转轴线c0被高精度地安装。在本实施例中，将在后面描述的旋转编码器260的处理装置确定刻度2的中心线相对于旋转轴线c0的偏心信息。

控制装置300由计算机构成，并且包括cpu(中央处理单元)301。控制装置300还包括rom(只读存储器)302、ram(随机存取存储器)303和hdd(硬盘驱动器)304。此外，控制装置300包括接口(i/f)305。rom302、ram303、hdd304和接口305通过总线连接到cpu301。机器人200、示教板400、灯单元500和显示装置600被连接到接口305。

cpu301通过接口305从机器人臂201的关节j1到j6中的每个关节中的旋转编码器250和260获取与相位信息相对应的输出信号，并且控制机器人200，具体地说，控制关节j1至j6中的每个关节的马达231。此外，cpu301通过接口305从关节j1至j6中的每个关节的旋转编码器260获取偏心信息。cpu301基于获取的偏心信息来控制灯单元500和显示装置600。

在rom302中，存储用于使cpu301执行基本计算的程序。ram303是将cpu301的计算结果等暂时存储在其中的存储单元。hdd304是存储cpu301的计算处理结果、cpu301从外部获取的各种数据等的存储单元。

示教板400接收用户的操作。灯单元500具有分别发射不同颜色的光的多个(在本实施例中为三个)灯501、502和503。灯501发出蓝光，灯502发出黄光，灯503发出红光。灯501至503的闪烁由控制装置300的cpu301控制。

显示装置600例如是诸如液晶显示器之类的在其上显示图像的装置。显示装置600显示与显示装置600已经从控制装置300的cpu301获取的图像数据相对应的图像。

图3a是根据第一实施例的旋转编码器260的说明图。图3b是根据第一实施例的旋转编码器260的一对传感器单元7和17中的一个传感器单元7的前视图。

以下将描述旋转编码器260是光学型的情况，但旋转编码器260可以是磁型或电容型。此外，下面将描述旋转编码器260是光反射型的情况，但是旋转编码器260可以是光透射型。

在本实施例中，附接有刻度2的构件是连杆212，并且附接有传感器单元7和17的构件是连杆211(图2)。如图3a所示，旋转编码器260具有上述刻度2和一对传感器单元7和17、作为处理单元的处理系统60和存储单元66。

一对传感器单元7和17被布置在相对于旋转轴线c0按180度对称的位置处。

处理系统60具有包括cpu601、rom602、ram603等的处理装置65以及连接到处理装置65的处理电路61、62、63和64。处理电路61和62被安装在例如印刷电路板4上，并且处理电路63和64安装在例如印刷电路板14上。顺便提及，处理系统60(处理装置65)可以被配置为具有诸如asic和fpga之类的专用ic。处理系统60执行：对已经从传感器单元7和17获得的旋转编码器信号(读取信息)的内插处理；从存储单元66读出信号(数据)和将信号(数据)写入存储单元66；输出相位信息；等等。

以下将描述处理装置65从旋转编码器250和260获取的输出信号的相位信息是与旋转角度相对应的角度信息的情况。具体地，下面将描述相对于刻度2的一次旋转(角度360度)的22位(＝2²²[lsb]/360度＝4194304[lsb]/360度)的分辨率被获得作为角度信息的情况。

首先，下面将描述传感器单元7。如图3b所示，传感器单元7包括由led形成的光源1、具有光接收元件阵列9的光接收元件3和具有光接收元件阵列10的光接收元件8。光源1和光接收元件3和8被安装在印刷电路板4上，并被透明树脂5密封。透明玻璃板6被设置在树脂5上。因此，传感器单元7是整体封装的光接收和发射型。

两个光接收元件3和8可以被配置为具有相同的结构，因为这样存在许多优点，即组件可以被制成共同的，并且共同性也导致成本降低。顺便提及，光接收元件3和8可以具有不同的结构，只要元件被分别对于光接收元件3和8读取的轨道的角度调制周期进行优化即可。

在本实施例中，如图3b所示，光源1的光发射中心与光接收元件阵列9和10的光接收中心之间的距离被设置为相同的d1。以下，将说明距离d1设置为1.75[mm]的情况。

传感器单元17包括由led形成的光源11、具有光接收元件阵列19的光接收元件13和具有光接收元件阵列20的光接收元件18。光源11以及光接收元件13和18被安装在印刷电路板14上，并被透明树脂15密封。在树脂15上设置透明玻璃板16。因此，传感器单元17是整体封装的光接收和发射型。在本实施例中，传感器单元17具有与传感器单元7相同的结构。因此，可以通过组件的共同性来实现成本降低。

图4a是根据第一实施例的旋转编码器260的刻度2的平面图。图。图4b是图示了刻度2的图案40的示意图。如图4a所示，刻度2被形成为以中心线c1为中心的圆形形状，更具体地，呈中心部形成有通孔的环形形状。刻度2具有传感器单元7和17要读取的图案40。图案40是例如沿着以中心线c1为中心的圆周方向布置的径向图案。

图案40具有两个轨道41和42。作为第一轨道的轨道41是具有标记51的径向轨道，标记51是例如沿着以中心线c1为中心的圆周方向cr布置的多个第一标记。作为第二轨道的轨道42是具有布置在轨道41的外侧的标记52的径向轨道，标记52被布置在圆周方向cr上并且是具有与标记51的数量不同数量的多个第二标记。轨道41的多个标记51相对于中心线c1径向地形成。轨道42的多个标记52相对于中心线c1径向地形成。轨道41是具有角度调制周期pθ1的刻度图案，并且轨道42是具有与角度调制周期pθ1不同的角度调制周期pθ2的刻度图案。

一对传感器单元7和17中的每一个被布置在各自读取轨道41和42这两者的位置处。换句话说，光接收元件8和18被布置在元件读取轨道41的位置处，并且光接收元件3和13被布置在元件读取轨道42的位置处。

刻度2由在诸如像玻璃材料的基材上图案化的标记51和52构成，标记由铬膜形成为反射膜。顺便提及，刻度2的基材可以是诸如聚碳酸酯之类的树脂或诸如sus之类的金属；并且反射膜可以是由诸如铝膜之类的其它材料制成的膜，只要膜反射光即可。

在本实施例中，角度调制周期pθ1和调制周期pθ2彼此稍微不同。旋转编码器通过根据这些角度调制周期pθ1和pθ2执行确定角度调制周期的信号之间的相位差的游标操作来检测角度，从而获得与原始周期pθ1和pθ2不同的周期信号。具体地说，根据角度调制周期pθ1和角度调制周期pθ2获得的游标检测信号的周期成为角度调制周期pθ1和角度调制周期pθ2的最小公倍数。因此，角度调制周期pθ1和角度调制周期pθ2被确定为成为期望的游标周期。例如，两个轨道41和42中的标记的间距以如下方式彼此稍微偏离：使得角度调制周期pθ1为360/1650度，并且角度调制周期pθ2为360/1649度，并且在360度中存在一个间距的差异。

如图3a所示，从被布置成面向刻度2的传感器单元7的光源1发射出来的发散光束照射轨道41和42二者。已经被轨道41反射的光束被朝向传感器单元7的光接收元件阵列10反射，并且在光接收元件阵列10中，轨道41的反射率分布被接收作为图像。由轨道42反射的光束被朝向传感器单元7的光接收元件阵列9反射，并且在光接收元件阵列9中，轨道42的反射率分布被接收作为图像。由光接收元件阵列9和10接收的光束被转换为电信号，并且作为与刻度2的旋转角度相对应的从轨道42和41读取的信息的位置信号被传送到处理系统60中的处理电路61和62。

对于传感器单元17，类似于传感器单元7，从被布置成面向刻度2的传感器单元17的光源11发射出来的发散光束照射轨道41和42二者。已经被轨道41反射的光束被朝向传感器单元17的光接收元件阵列20反射，并且在光接收元件阵列20中，轨道41的反射率分布被接收作为图像。由轨道42反射的光束被朝向传感器单元17的光接收元件阵列19反射，并且在光接收元件阵列19中，轨道42的反射率分布被接收作为图像。由光接收元件阵列19和20接收的光束被转换为电信号，并且作为与刻度2的旋转角度相对应的从轨道42和41读取的信息的位置信号被传送到处理系统60中的处理电路64和63。

这里，首先，将描述用于获取轨道42的旋转相位信息的操作。图5是图示了旋转编码器260中的传感器单元7的光接收元件阵列9的光接收面的布置的平面图。图5中所示的光接收元件阵列9被配置为使得32个光接收元件在x方向上以64μm的间距并排对齐。一个光接收元件在x方向上的宽度x_pd为64μm，在y方向上的宽度y_pd为800μm。光接收元件阵列9的总宽度x_total为2048μm。

通过将光接收元件阵列9的x方向布置成与刻度2的切线方向大致平行，并且将光接收元件阵列9的y方向布置成与刻度2的径向方向大致平行，可以检测刻度2的角度信息。刻度2的图案40成为具有两倍尺寸的投影，因此刻度2上的检测范围变为1024μm×400μm的范围。如果在光接收元件阵列9读取轨道42时在刻度2上要读取的半径位置被调整为33.593mm，则pθ2变为128μm，因此轨道42上的检测范围变为8×pθ2。以下，将描述通过使用矩形的光接收元件阵列9读取径向图案40的示例，但是光接收部分的形状可以是放射形状，以适应图案40的形状。在本实施例中，光接收元件阵列10、19和20具有与光接收元件阵列9的结构类似的结构。

图6是图示了处理系统60的处理电路61的电路图。下面将描述处理电路61的配置和处理操作。处理电路62、63和64具有与处理电路61相同的配置。

处理电路61具有四个i-v转换放大器34、35、36和37，它们是连接到光接收元件阵列9的输出的第一级放大器。四个i-v转换放大器34、35、36和37从光接收元件阵列9的输出(读取信号)a+、b+、a-和b-生成四相正弦波输出s(a+)、s(b+)、s(a-)和s(b-)。四相正弦波的相对相位对于该检测间距具有如下的关系：s(b+)相对于s(a+)为约+90度，s(a-)相对于s(a+)为约+180度，并且s(b-)相对于s(a+)约为+270度。

此外，处理电路61具有用于a相的差分放大器39，其根据四相正弦波输出s(a+)、s(b+)、s(a-)和s(b-)中的s(a+)和s(a-)来计算以下表达式(1)。此外，处理电路61具有用于b相的差分放大器40，其根据四相正弦波输出s(a+)、s(b+)、s(a-)和s(b-)中的s(b+)和s(b-)来计算以下表达式(2)。通过表达式(1)和(2)的计算来生成已经去除了直流分量的两相正弦波信号s(a)和s(b)。

s(a)＝s(a+)-s(a-)...(1)

s(b)＝s(b+)-s(b-)...(2)

这里，期望在每个放大器中校正源自偏移和增益的分散等的、包含在两相正弦波信号s(a)和s(b)中的偏移误差和增益比。

因此，图3a所示的处理装置65基于预定区域中的两相正弦波信号s(a)和s(b)中的每一个的(最大值-最小值)/2来确定幅度比，并且将幅度校正为变得彼此相等。类似地，处理装置65根据(最大值+最小值)/2来确定偏移误差的量，并校正偏移。在任一情况下，处理装置65将校正值存储在存储单元66中，在位置检测时读出该校正值，并执行校正。

此外，处理装置65执行以下表达式(3)的计算。

φ2＝atan2[s(a)，s(b)]...(3)

这里，atan2[y，x]是判别象限并将判别的象限转换为0到2π的相位的反正切函数。

图7是图示了游标信号sv21、相位φ2和刻度2的旋转角度之间的关系的图。相位φ2如图7所示，可以用于检测刻度2的旋转角度的相对变化作为增量信号。

接下来，下面将描述轨道41的旋转相位信息的获取。如上所述，处理电路62具有与处理电路61的电路配置类似的电路配置。结果，处理电路62根据处理电路62已经从传感器单元7的光接收元件阵列10获取的读取信号来生成两相正弦波信号s(a)'和s(b)'。

这里，如上所述，如果在光接收元件阵列9读取轨道42时在刻度2上读取的半径位置被调整为33.593mm，则pθ2变为128μm。在本实施例中，光源1的光发射中心与光接收元件阵列9和10的光接收中心中的每个的距离d1为1.75mm，因此在光接收元件阵列10读取轨道41时在刻度2上要读取的半径位置变为31.843mm。

在这种情况下，从轨道41获得的信号的周期pθ1变为121.3μm，其相对于光接收元件阵列10的检测间距(＝128μm)偏离刻度2上的图案周期的两倍。因此，期望处理装置65对两相正弦波信号s(a)'和s(b)'之间的相对相位差执行校正处理。以下，将说明用于校正相位差的方法。

包含相对相位差的误差e的两相正弦波信号s(a)'和s(b)'由表达式(4)和(5)表示，其中θ表示相位。

s(a)'＝cos(θ+e/2)...(4)

s(b)'＝sin(θ-e/2)...(5)

然后，根据表达式(4)和(5)，计算两相正弦波信号s(a)'和s(b)'的和以及它们之间的差。然后，如表达式(6)和(7)所示，误差分量e可以被分离。

s(a)'+s(b)'＝2×cos(θ-π/4)sin(e/2-π/4)...(6)

-s(a)'+s(b)'＝2×sin(θ-π/4)cos(e/2-π/4)...(7)

相对于设计值的相对相位差的误差e可以表示为e＝(1-128/121.3)×π。

然后，处理装置65通过分别乘以表达式(6)和(7)的幅度分量2sin(e/2-π/4)和2cos(e/2-π/4)的倒数，来计算表达式(8)和(9)中所示的相位差的误差已被校正的两相正弦波信号s(a)和s(b)。

s(a)＝(s(a)'+s(b)')/(2sin(e/2-π/4))＝cosφ...(8)

s(b)＝(-s(a)'+s(b)')/(2cos(e/2-π/4))＝sinφ...(9)

在表达式中，φ＝θ-π/4。然而，处理装置可以通过初始化操作将相对相位差的误差e存储在存储单元66中。

例如，处理装置从预定x方向的范围中的s(a)'+s(b)'的(最大值-最小值)/2获取幅度分量2×sin(e/2-π/4)。此外，处理装置还可以从-s(a)'+s(b)'的(最大值-最小值)/2获取幅度分量2×cos(e/2-π/4)，并将幅度分量存储在存储单元66中。在这种情况下，处理装置可以校正包括光源1和光接收元件阵列9的安装高度偏差的影响在内的相位差的误差，以及源自刻度2和传感器单元7之间的相对倾斜度的图像倍率的误差。顺便提及，期望校正源自每个放大器中的偏移和增益等的分散、在s(a)和s(b)中包括的偏移误差和增益比。

处理装置65通过使用以上述方式获得的两相正弦波信号s(a)和s(b)来执行以下表达式(10)的计算。

φ1＝atan2[s(a)，s(b)]...(10)

此外，处理装置65使用表达式(3)和(10)通过计算以下表达式(11)来获取游标信号sv21。

sv21＝φ2-φ1...(11)

这里，当sv21<0时，处理装置65执行sv21＝sv21+2π的计算，并将该值转换为0至2π的输出范围。如此获得的游标信号sv21与刻度2的旋转角度之间的关系变得如图7所示。可以唯一地确定刻度2相对于游标信号sv21的旋转角度，因此可以规定刻度2的旋转角度。

即使当仅使用已经以这种方式获得的游标信号sv21时，也可以检测绝对角度，但是在本实施例中，处理装置65执行游标信号sv21和相位φ2之间的同步处理，并根据表达式(12)生成更准确的绝对角度信号abs1。

abs1＝(round[((sv21/(2π))×(fs/pθ2)-φ2)×(2π)]+φ2/(2π))×pθ2[度]…(12)

这里，round[x]是将x转换为最接近x的整数的函数。另外，fs表示旋转角方向上的总旋转角度，在本实施例中，fs＝360度。

通过处理装置执行mod[abs1,2²²]的计算，abs1的值被设置为取0到2²²之间的值。mod[x，y]是将x转换为通过将x除以y而获得的余数的值的函数。

如上所述，处理装置65基于从传感器单元7获得的读取信号来确定作为第一角度信息的绝对角度信号abs1。

同样在传感器单元17中，如在传感器单元7的情况下，处理装置65基于通过已经从轨道42反射的、入射在光接收元件阵列19上的光获得的两相正弦波信号s(a)和s(b)从以下表达式(13)来确定相位φ2'。

φ2'＝atan2[s(a)，s(b)]...(13)

此外，处理装置65基于通过已经从轨道41反射的、入射在光接收元件阵列20上的光获得的两相正弦波信号s(a)和s(b)从以下表达式(14)来确定相位φ1'。

φ1'＝atan2[s(a)，s(b)]...(14)

此外，处理装置65使用表达式(13)和(14)通过计算以下表达式(15)来确定游标信号sv21'。

sv21'＝φ2'-φ1'...(15)

这里，当sv21'<0时，处理装置65执行sv21'＝sv21'+2π的计算，并将该值转换为0到2π的输出范围。即使只使用已经以这种方式获得的游标信号sv21'，也可以检测绝对角度，但是处理装置65执行游标信号sv21'和相位φ2'之间的同步处理，并且根据表达式(16)生成更准确的绝对角度信号abs2。

abs2＝(round[((sv21'/(2π))×(fs/pθ2)-φ2')×(2π)]+φ2'/(2π))×pθ2[度]...(16)

通过mod[abs2,2²²]的计算，绝对角度信号abs2的值被设置为取0到2²²之间的值。

因此，处理装置65基于已经从传感器单元17获得的读取信号来确定作为第二角度信息的绝对角度信号abs2。

这里，图8是图示了刻度2的中心线c1从旋转轴线c0偏心的情况的说明图。在某些情况下，刻度2以从旋转轴线c0偏心的状态安装在连杆212上，或者根据使用情况或服务时间而偏心。

图9a是用于确定已经去除了刻度2的中心线c1相对于旋转轴线c0的偏心误差的绝对角度信息的流程图。

如上所述，处理系统60基于从一对传感器单元7和17获得的读取信号来确定作为第一和第二角度信息的绝对角度信号abs1和abs2(s101)。

这里，传感器单元7和传感器单元17被布置在单元相对于旋转轴线c0变为按照180度对称的位置处。结果，以下表达式(17)成立。

abs1＝abs2+180[度](17)

处理系统60(处理装置65)通过确定绝对角度信号abs1和绝对角度信号abs2之间的平均值来获取已经去除了偏心误差的绝对角度信息abs(s102)。处理系统60将相对于一对传感器单元7和71的刻度2的相对旋转角度的信号输出到控制装置300，即将与绝对角度信息abs相对应的信号输出到控制装置300。

更具体地，处理系统60(处理装置65)基于绝对角度信号abs1和绝对角度信号abs2，根据以下表达式(18)计算绝对角度信息abs。

abs＝(abs1+abs2)/2...(18)

通过mod[abs，2²²]的计算，使绝对角度信息abs的值取0到2²²之间的值。

如上述描述，处理系统60基于从一对传感器单元7和17获取的读取信息，将与绝对角度信息abs相对应的信号输出到控制装置300，其中绝对角度信息abs是刻度2相对于一对传感器单元7和17的相对旋转角度(绝对角度)。

顺便提及，当刻度2的中心线c1相对于旋转轴线c0的偏心量(偏心误差)超过允许范围(阈值)时，即使绝对角度信息abs是通过平均计算来确定的，绝对角度信息abs相对于真值的误差也增大。

图13是图示了参考示例的绝对型旋转编码器中的刻度的偏心量、同步精度和绝对角度精度之间的关系的曲线图。为了以高精度计算绝对角度，多个信号abs1和abs2之间的同步精度是重要的。如图13所示，当偏心量小(小于200μm)时，确保了信号之间的同步，并且通过对信号abs1和abs2进行平均来消除偏心误差的操作，由于刻度2的偏心而对绝对角度信息abs的精度的影响小。然而，当偏心量超过200μm时，同步精度导致超过某个阈值(例如，100[a.u])，并且不能确保同步。因此，要计算的绝对角度信息abs导致很大的偏差。

在旋转编码器260中，当旋转编码器已经被结合到机器人臂201中或者在结合之后的服务时，由于过载、诸如轴承之类的经受定期更换的部件的寿命等，在旋转轴线c0和刻度2的中心线c1之间偶尔会发生偏心。因此，当偏心量变大到一定程度时，变得需要调整连杆211和212以及旋转编码器260。在本实施例中，在处理系统60中，关于刻度2的中心线c1相对于旋转轴线c0的偏心的信息(偏心信息)被计算。

图9b是用于确定刻度2的中心线c1相对于旋转轴线c0的偏心分量的偏心计算方法的流程图。

处理系统60基于已经从一对传感器单元7和17获得的读取信号来确定作为第一和第二角度信息的绝对角度信号abs1和abs2(s201)。

处理系统60(处理装置65)确定作为绝对角度信号abs1和绝对角度信号abs2之间的平均值的绝对角度信息abs(s202)。

处理系统60(处理装置65)确定绝对角度信号abs1和绝对角度信号abs2中的任何一个(在本实施例中为绝对角度信号abs1)与绝对角度信号abs之间的差值(abs1-abs)(s203)。

刻度2旋转到下一个旋转角度(s204)，并且处理系统60(处理装置65)确定处理系统是否已经获取了预定范围内的角度数据(s205)。当没有获取预定范围内的角度数据时(s205：否)，处理系统60返回到步骤s201中的处理。

因此，在处理系统60相对于一对传感器单元7和17将刻度2旋转到的多个旋转角度处，处理系统60根据来自一对传感器单元7和17中的每一个的旋转角度来获取读取信号，并且确定abs1和abs2。然后，处理系统60确定在所述多个旋转角度处在abs1与abs之间的差值(abs1-abs)。

这里，为了使得偏心状态(偏心分量)的计算高度精确(这将在之后进行描述)，期望处理系统60通过将刻度2的旋转角度设置为360度或更大的角度范围来获取大量的角度数据。换句话说，步骤s205中的预定范围为360度或更大的角度范围。

计算多个abs1和abs集合的如此获得的角度信息中的每一个之间的差异，然后根据表达式(18)确定以下表达式(19)。

abs1-abs＝abs1-(abs1+abs2)/2＝(abs1-abs2)/2...(19)

假设刻度2的中心线c1具有偏心，则abs1中包含的偏心分量应由a'×sinθ表示，并且abs2中包含的偏心分量应由a'×sin(θ+π)表示。这里，a'是以22比特的分辨率表示源自偏心的角度信息的误差的角度信息的幅度，并且θ是源自偏心的角度信息的误差的相位。

假设在刻度2的中心线c1没有偏心的情况下的传感器单元7的读取角度由abs1'表示，并且在刻度2的中心线c1没有偏心的情况下的传感器单元17的读取角度由abs2'表示，abs1'和abs2'可以用以下表达式(20)和(21)表示。

abs1＝abs1'+a'×sinθ...(20)

abs2＝abs2'+a'×sin(θ+π)...(21)

当使用表达式(20)和(21)时，表达式(19)可以表示为以下表达式(22)。

abs1-abs＝(abs1'+a'×sinθ-(abs2'+a'×sin(θ+π)))/2...(22)

这里，sin(θ+π)＝-sinθ，因此表达式(22)可以表示为以下表达式(23)。

abs1-abs＝(abs1'-abs2')/2+a'×sinθ...(23)

这里，通过处理装置执行mod[abs1-abs，2²²]的计算，将(abs1-abs)的值设置为取0至2²²之间的值。

图10是图示了通过将刻度2旋转360度而获得的abs1、abs和(abs1-abs)的角度信息的一个示例的曲线图。在图10中，横轴表示刻度2的旋转角度。左纵轴是绝对角度信息abs(实线)和角度信息abs1(虚线)，右纵轴是角度信息(abs1-abs)(交替长短虚线)。每个角度信息以22比特的分辨率(数字值)显示。

当中心线c1具有相对于旋转轴线c0的偏心时，随着刻度2旋转360度，(abs1-abs)的值表现为具有一个周期的正弦波的特征的波动分量，如图10所示。

然后，在本实施例中，处理系统60(处理装置65)使刻度2旋转360度或更大，并提取具有已经由表达式(23)表示的(abs1-abs)的一个周期的正弦波特征的波动分量，换句话说，偏心分量(＝a'×sinθ)。

以这种方式，处理系统60(处理装置65)提取包含在差值(abs1-abs)中的周期性波动分量，从而确定刻度2的中心线c1相对于旋转轴线c0的偏心信息(偏心分量(＝a'×sinθ))(s206)。

对于提取a'×sinθ的方法，可以使用最小二乘法或傅立叶分析，换句话说，fft(快速傅里叶变换)。顺便提及，可以使用除了这些方法之外的另一种方法，只要该方法可以提取a'×sinθ即可。

顺便提及，在上述说明中，已经描述了处理装置确定差值(abs1-abs)的情况，但是处理装置可以确定绝对角度信号abs2和绝对角度信息abs之间的差值(abs2-abs)。在这种情况下，也可以提取a'×sinθ。

这里，振动分量(偏心分量)的幅度a'的值表示中心线c1相对于旋转轴线c0的偏心量[lbs]。可以使用幅度a'的值本身，但是在本实施例中，处理装置65根据以下的计算来确定以mm为单位表示的偏心分量的幅度a的值。

处理装置65执行使用幅度a'的值以及传感器单元7和传感器单元17中的刻度图案的读取半径r[mm]的以下表达式(24)的计算，并且确定以mm为单位表示的偏心分量的幅度a的值。

a＝2×π×r×(a'/2²²)...(24)

处理装置65可以根据设计值确定r的值，或者可以通过预先测量结合旋转编码器之前的值来确定该值。在处理装置如在传感器单元7和17中那样基于具有2轨道结构的刻度2来获得角度信息的情况下，r的值被确定为从刻度2的中心线c1的半径到传感器单元7和17的光源1和11的半径。例如，当在半径r＝32.718mm处获得值a'＝1000lsb时，该值被计算为约a＝50μm。因此，根据本发明的偏心计算方法能够从诸如偏心分量的幅度a之类的单个参数来计算偏心量。

这样，本发明的偏心计算方法可以基于偏心分量的幅度a的一个参数来计算偏心量。

如果偏心量太大并且不能确保信号之间的同步，则存在获得的角度信息abs1、abs2和abs中的任何一个中出现错误的可能性。因此，在绝对型旋转编码器的情况下，期望通过预先检查abs1和abs2之间的输出角差为大约180度来检查同步可以被确保等等。

此外，当旋转编码器处于可以或者不可以确保同步的边界的偏心状态时，旋转编码器不会成为在刻度2的所有旋转角度处不能确保同步的情况，但是成为在旋转角度的一部分处不能确保同步的情况。因此，可以接受的是通过如上述说明中的方法首先获取可以确保同步的绝对角度信息，并对于后续旋转角度信息确定从绝对角度信息获得的差。因此，处理装置变得能够计算刻度2的所有旋转角度的正确的绝对角度信息，并且也变得在刻度2的旋转角度的一部分中不能确保同步的偏心状态下能够确定偏心信息。

处理系统60(处理装置65)将处理系统60已经根据上述方法确定的偏心信息(偏心量a(或a'))输出到控制装置300。控制装置300根据输入偏心信息来控制发出警告的灯单元500。

在控制装置300的控制下，灯单元500根据偏心信息发射不同的颜色作为警告。具体地，灯单元500具有多个灯501、502和503，因此控制装置300控制灯501至503中的每个的闪烁。具体地，控制装置300根据偏心信息(偏心状态)选择要点亮的灯，并且通过点亮所选择的灯来向操作者发出警告。此外，控制装置300关闭除了所选择的灯之外的灯。

例如，当偏心量超过第一阈值(例如200μm)时，控制装置300接通红灯503，并关闭其它灯501和502。另外，当偏心量超过比第一阈值低的第二阈值(例如，200μm的1/2)，但小于第一阈值时，控制装置300接通黄色灯502，并且关闭其它灯501和503。此外，当偏心量小于第二阈值时，控制装置300接通蓝灯501并关闭其它灯502和503。顺便提及，当偏心量是第一阈值时，控制装置接通黄灯502或红灯503，当偏心量为第二阈值时，控制装置接通蓝灯501或黄灯502。通过上述警告，机器人装置可以将偏心状态等通知给操作者。

顺便提及，已经对灯单元500的与布置在关节j2中的旋转编码器260相对应的仅一个灯单元进行了描述，但是可以安装正好与机器人臂201具有的旋转编码器260的数量相对应的灯单元以便对应于旋转编码器260。

在上面的描述中，机器人装置已被构造成将偏心状态向操作者通知为发光颜色的警告，但是可以省略灯单元500并在显示装置600上显示警告。此外，即使在机器人装置通过灯单元500发出警告或者通过显示装置600发出警告的情况下，机器人装置也可以在显示装置600上同时显示偏心信息。在这种情况下，机器人装置可以显示已经被转换成si单位(mm单位)的a的值，以便操作者也可以理解。此外，机器人装置可以被配置为省略灯单元500以便不发出警告，并且简单地在显示装置600上显示偏心信息。

如上所述，根据第一实施例，机器人装置可以在不另外提供用于偏心检测的检测器的情况下通过使用用于检测角度的一对传感器单元7和17来检查刻度2的偏心状态。因此，机器人装置没有设置用于偏心检测的检测器；并且可以使旋转编码器260小型化并相应地降低成本。

此外，当将旋转编码器260结合到机器人臂201的关节j1至j6中时，操作者可以掌握偏心状态，并且因此可以通过扔入方法(throw-inmethod)组装机器人臂。然后，操作者可根据需要适当调整偏心。因此，可以大大地降低组装机器人臂201(机器人200)的成本。

此外，在第一实施例的旋转编码器260中，两个传感器单元7和17被布置在相对于旋转轴线c0对称的位置处。因此，当偏心量小于允许范围(例如200μm)，并且可以确保信号之间的同步时，刻度2的偏心对绝对角度信息abs的精度的影响小。换句话说，旋转编码器可以通过一对传感器单元7和17来精确地确定已经去除了偏心误差的绝对角度信息abs。

顺便提及，其中结合有旋转编码器的机器人臂被安装在工厂等的生产线中。在机器人臂与构成生产线的构件或相邻的机器人臂碰撞的情况下，偶尔会给机器人臂施加外力或过载。另外，当机器臂使用多年时，诸如轴承之类的定期更换部件会劣化。在绝对型旋转编码器中，特别是由于这些因素等导致偏心量超过允许范围(例如200μm)时，不能确保同步，并且所得到的绝对角度信息大大地偏离真实值，如图13所示。

在第一实施例中，操作者可以通过灯单元500、显示装置600等来检查由于机器人臂201的老化引起的偏心状态(偏心量)。因此，操作人员能够在不拆卸机器人臂201的状态下掌握诸如碰撞之类的外力、过载的存在或不存在、源自偏心的周期性更换部件的劣化等。换句话说，第一实施例的旋转编码器260可以通过应用于机器人装置100来用于机器人臂201的异常诊断和预测维护活动。

[第二实施例]

接下来，将描述根据本发明的第二实施例的旋转编码器。存在依赖于旋转编码器260的布置部分而难以将旋转编码器260的刻度2相对于一对传感器单元7和17旋转360度或更大的情况。具体地，在旋转编码器260布置在机器人臂201的关节中的结构中，存在难以将旋转编码器260旋转360度的情况。例如，当关节为旋转关节时，关节可以旋转360度或更大，但是当关节是可摆动关节时，关节的可移动范围小于360度，并且刻度2旋转的角度范围变得小于360度。在这种情况下，处理系统60(处理装置65)通过外推处理来确定在周期性波动分量(偏心分量)中了刻度2旋转的角度范围之外的分量。

图11是图示了第二实施例中的通过外推处理来确定波动分量的一个示例的曲线图。如图11所示，可以通过对获得的波动分量的数据进行外推处理来确定除了刻度2的驱动角度范围以外的分量，换句话说，除了连杆212的驱动角度范围以外的分量。顺便提及，在图11中，实线表示在驱动角度范围(角度范围120度)内获得的偏心分量，并且虚线表示通过对实线的数据进行外推处理而计算的除了角度范围以外的偏心分量的数据。

因此，即使刻度2旋转的角度范围小于360度，旋转编码器也可以提取源自刻度2的偏心的波动分量，并且具有与刻度2的360度的旋转相关联的一个周期的正弦波的特征。

[第三实施例]

接下来，将描述根据本发明第三实施例的机器人装置。在上述实施例中，已经描述了马达231和减速器234直接连接到布置在关节中的驱动装置230的情况，但驱动装置不限于此。图12是图示了根据第三实施例的机器人臂的关节j2的示意图。如图12所示，驱动装置230a具有与上述实施例相似的马达231和减速器234。

此外，驱动装置230a具有将马达231的旋转轴与减速器234的输入轴连接的带(传动机构)238。由此，关节j2中的驱动装置230a被设计为变得紧凑。

顺便提及，本发明不限于上述实施例，而是可以在本发明的技术概念的范围内以许多方式进行修改。此外，关于实施例中描述的效果，仅列举了由本发明产生的最合适的效果，并且根据本发明的效果不限于已经在实施例中描述的效果。

此外，在上述实施例中，已经描述了机器人臂201垂直连接的情况，但是机器人臂不限于这种情况。机器臂可以是例如各种机器人臂，诸如水平关节臂、平行连杆和正交机器人。

此外，上述实施例中的刻度2已经被描述为游标类型的刻度，其中图案40具有两个轨道，并且是从刻度2的中心线c1向外径向的图案，但图案40的轨道的数量和图案40的形状不限于上述刻度中的数量和形状。此外，本发明还可以应用于使用其它类型的刻度的旋转编码器，例如灰度代码、bcd代码和基于m的图案。

另外，在上述实施例中，已经描述了旋转编码器260是绝对型的情况，但是旋转编码器260可以是增量型。这是因为可以基于较少的测量点来确定偏心信息。

在增量型的情况下，不需要确保同步，这与绝对型的情况不同，因此偏心分量对检测角度的精度的影响小。然而，本发明对于以下是有用的：检查是否对机器人臂施加了外力和/或过载以及这些程度；进一步用于检查诸如轴承之类的定期更换部件是否已经劣化以及这些程度；等等。

此外，在上述实施例中，已经描述了旋转编码器260布置在一对连杆之间的情况，但是本发明也可以应用于布置在马达231中的旋转编码器250。

此外，在上述实施例中，已经描述了将旋转编码器应用于机器人臂的情况，但也可以将旋转编码器应用于机器人臂以外的各种装置。例如，本发明可以应用于检测具有在水平方向(平移)和垂直方向(倾斜)的旋转驱动机构的监视照相机的镜筒的旋转角度的旋转编码器。

其它实施例

本发明的一个或多个实施例也可以由读出并执行在存储介质(其也可被更完整地称作‘非瞬时计算机可读存储介质’)上记录的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(asic))的系统或装置的计算机来实现，以及通过由系统或装置的计算机例如通过读出并执行来自存储介质的计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能并且/或者控制一个或多个电路以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能来执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu))并且可以包括用来读出并执行计算机可执行指令的单独计算机或单独处理器的网络。计算机可执行指令可以例如从网络或者存储介质被提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(cd)、数字多用途盘(dvd)或者蓝光盘(bd)^tm)、闪存装置、存储卡等中的一个或多个。

其它实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)读出并执行程序的方法。

[本发明的效果]

根据本发明的旋转编码器可以通过使用一对传感器单元来检查刻度的偏心状态。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以便包含所有这些修改以及等同的结构和功能。