光学编码器及其操作方法与流程

本发明大体上涉及一种用于使用传感器装置检测位置及运动的设备及方法，且更具体来说，涉及一种用于使用光学编码器传感器检测位置及运动的设备及方法。

背景技术：

光学编码器适用于许多应用中。举例来说，绝对编码器可用以通过将物理位置变换成对应于此位置的电信号来确定对象的位置、运动或角度。在比较性旋转机构(例如，机器人臂)中，绝对编码器包含用以读取或检测形成于码板上的预定图案(例如，条形码)且产生指示旋转机构的绝对位置的信号的传感器。一般来说，为增加旋转机构的经检测部分的准确度，需要增加码板上的图案的分辨率及/或码板的大小。然而，增加圆盘的大小将妨碍编码器的小型化，且增加码板上的图案的分辨率将增加成本，其又将降低在市场中的竞争力。

技术实现要素：

在一或多个实施例中，提供一种连接到对象的编码器。所述编码器包含板、传感器、存储器及处理器。所述板在其上具有图案。所述传感器经配置以获得所述图案的部分的图像。所述存储器经配置以存储对应于所述图案的一部分的第一组参考图像及对应于所述第一组图像的角度及/或位置信息。所述处理器经配置以使所述第一组参考图像移位以获得第二组参考图像，且比较所述所获得图像与所述第一组参考图像及/或所述第二组参考图像。

在一或多个实施例中，提供一种用于操作连接到对象的编码器的方法。所述方法包含(a)获得图案的一部分的图像；(b)使第一组参考图像移位相位以获得第二组参考图像；及(c)比较所述所获得图像与所述第一组参考图像及/或所述第二组参考图像。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下实施方式最佳地理解本发明的方面。应注意，各种特征可能未按比例绘制，且各种特征的尺寸可出于论述的清晰起见而任意增大或减小。

图1说明根据本发明的一些实施例的可旋转机构的透视图；

图2说明本发明的一些实施例中的光学编码器的透视图；

图3a、3b及3c说明根据本发明的一些实施例的图2中的图案的一部分；

图4说明根据本发明的一些实施例的用于操作光学编码器的方法；

图5说明根据本发明的一些实施例的用于操作光学编码器的方法；及

图6a及6b说明根据本发明的一些实施例的图2中的图案的一部分。

贯穿图式及具体实施方式使用共同参考数字以指示相同或类似元件。从结合随附图式进行的以下具体实施方式，本发明将更显而易见。

具体实施方式

下文详细论述本发明的实施例的结构、制造及使用。然而，应了解，所述实施例阐述可实施于广泛多种特定情境中的许多适用概念。应理解，以下揭示内容提供实施各种实施例的不同特征的许多不同实施例或实例。下文出于论述的目的而描述组件及布置的特定实例。当然，此些组件及布置仅为实例且并不意欲为限制性的。

下文使用特定语言揭示说明于图式中的实施例或实例。然而，将理解，实施例或实例并不意欲为限制性的。如所属领域的技术人员通常将想到，所揭示实施例的任何更改及修改以及揭示于本文中的原理的任何其它应用处于本发明的范围内。

此外，本发明可在各种实例中重复参考数字及/或字母。此重复是出于简单及清晰的目的，且本身并不规定所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

图1说明根据本发明的一些实施例的可旋转机构100的透视图。在一些实施例中，可旋转机构100是机器人臂或机器人臂的一部分。可旋转机构100包含具有第一末端部分100a及与第一末端部分100a相对的第二末端部分100b。可旋转机构100进一步包含电动机110、齿轮减速器120、驱动板130、螺杆140及接头150。

齿轮减速器120连接到可旋转机构100的第一末端部分100a且安装到电动机110以转变电动机110的旋转速度。此些电动机110及齿轮减速器120提供用于可旋转机构100的多个不同驱动器。驱动板130可旋转地安装到可旋转机构100的第一末端部分100a。螺杆140连接到可旋转机构100的第一末端部分100a与可旋转机构100的第二末端部分100b以使用由电动机110所产生的电力来驱动接头150旋转或移动。

图2说明本发明的一些实施例中的光学编码器200的透视图。在一些实施例中，光学编码器200为绝对编码器且可安置于图1中的可旋转机构100的第二末端部分100b处。举例来说，光学编码器200可连接到或邻近于图1中的可旋转机构100的接头150。替代地，光学编码器200可连接到任何其它对象、装置或机构以检测其角度及/或位置。光学编码器200包含圆盘(也可被称作“编码圆盘”)210、传感器220及处理器230。

圆盘210邻近于传感器220而安置。圆盘210在其上包含预定图案。在一些实施例中，所述图案包含一系列条形码符号。举例来说，所述图案包含多个黑色部分210a及白色部分210b。在一些实施例中，块部分210a及白色部分210b的布置表示关于图1中的可旋转机构100的角度及/或位置的信息。在一些实施例中，块部分210a是由可阻挡光的不透明材料形成或包含可阻挡光的不透明材料。白色部分210b是由允许光穿过的透明材料形成或包含允许光穿过的透明材料。替代地，取决于设计要求，白色部分210b可由孔隙或槽孔替换。在一些实施例中，图案包含标准二进制码、格雷码、单码道格雷码或任何其它合适码。在一些实施例中，圆盘210可由板、框架、杆或上面具有图案的任何其它合适元件替换。

传感器220经配置以获得圆盘210上的图案的一部分且将所获得图像发送到处理器230。举例来说，如果圆盘210旋转使得以正方形a圈出的图案的一部分位于传感器220的俘获区处，那么以正方形a圈出的图案的所述部分的图像通过传感器220获得。因此，随着圆盘210旋转，由传感器220所获得的图案的图像发生变化。

在一些实施例中，传感器220可包含摄像机以获得圆盘210上的图案的不同部分的图像。在一些实施例中，传感器220可包含光发射器及光检测器(也可被称作“光电检测器”、“光电传感器”或“光学传感器”)。光发射器可为激光二极管(ld)、发光二极管(led)、垂直腔面发射激光(vcsel)二极管、边缘发射激光二极管或其它照明组件。光发射器经配置以朝向圆盘210上的图案发射光，且光检测器经配置以接收或检测从圆盘210反射的光。在一些实施例中，光检测器可包含pin二极管(包含p型半导体区、纯质半导体区及n型半导体区)或光电二极管或光电晶体管。

处理器230经配置以从传感器220接收所获得图像且确定图1中的可旋转机构100的角度及/或位置。处理器230可包含经配置以存储图案的不同部分的一系列图像的存储器(例如，ram、快闪存储器及其类似者)，其中每一图像表示或指示可旋转机构100的对应位置或角度。举例来说，图3a中的图像说明表示可旋转机构100的角度及/或位置3a1的图案(以正方形a圈出，如图2中所展示)的一部分；且图3b中的图像说明表示可旋转机构100的角度及/或位置3b1的图案(由正方形b圈出，如图2中所展示)的一部分。

处理器230也经配置以比较从传感器220接收的所获得图像与存储于存储器中的图像，识别或检查存储于存储器中的哪一图像最类似于或等同于所获得图像，且基于对应于存储器中所存储的经识别图像或最类似图像的角度及位置信息而确定可旋转机构100的角度或位置。举例来说，如果处理器230从传感器220接收由正方形a圈出的图案的一部分的所获得图像，那么处理器230经配置以比较所获得图像与存储于存储器中的图3a及3b(其分别对应于角度或位置3a1及3b1)中所说明的图像。由于所获得图像相同于图3a中的图像，因此处理器230经配置以确定可旋转机构100位于角度或位置3a1处。因此，可旋转机构100的角度及/或位置可基于由传感器220获得的圆盘210上的图案的图像而确定。

在图2中，图案的最小分辨率是在圆盘210的最外圆处的可包含黑色部分或白色部分的块。因此，如果由传感器220获得的图像不包含完整块，那么处理器230无法找到存储于存储器中的相同图像。举例来说，如果获得如图3c中所展示的图像，那么处理器230无法找到存储于存储器中的相同图像，此是因为图3c中的图像包含图3a中的图像的一部分及图3b中的图像的一部分。在此状况下，可旋转机构100的位置位于位置3a1与位置3b1之间。然而，归因于图案的分辨率不足(例如，圆盘20的最外圆处的块)，处理器230无法确定可旋转机构100的精确部位。实情为，由于相比图3b中的图像，图3c中的所获得图像更接近图3a中的图像(即，图3c中的图像最类似于图3a中的图像)，因此处理器230经配置以确定可旋转机构100位于位置3a处。因此，发生可旋转机构100的位置的误差或失真(例如，位移误差)。在当前方法中，为消除或减小此误差，需要增加圆盘上的图案的分辨率或增加圆盘的大小以包含更多图案符号。然而，增加圆盘的大小将妨碍光学编码器的小型化，且增加圆盘上的图案的分辨率将增加成本，其又将降低在市场中的竞争力。

图4说明根据本发明的一些实施例的用于操作光学编码器的方法的流程图。在一些实施例中，图4中的方法用以操作如图2中所展示的光学编码器200。替代地，图4中的方法可用以操作任何其它光学编码器，从而确定对象的角度或位置。

参看操作s40，图2中的传感器220经配置以获得圆盘210上的图案的一部分的图像，且将所获得图像传输到处理器230。

参看操作s42，处理器230经配置以比较所获得图像与存储于存储器中的图像，从而检查存储于存储器中的任何图像是否相同于所获得图像。如果相同，那么处理器230经配置以基于存储于存储器中的角度及位置信息而确定连接到光学编码器200的对象(例如，图1中的可旋转机构100)的角度及/或位置，如操作s48中所展示。

参看操作s44，如果无存储于存储器中的图像相同于所获得图像，那么使存储于存储器中的所有图像移位相位以获得经移位图像。在一些实施例中，所述图像通过处理器230移位。在一些实施例中，相位是对应于存储于存储器中的图案的图像的角度及/或位置的校准值。在一些实施例中，如果图案的最小分辨率是x度，那么相位对应于x/n度，其中n为大于1的整数。举例来说，如果图案的最小分辨率为1度，那么相位对应于1/n度(例如，1/5或1/6度)。举例来说，如上文所揭示，图3c中所展示的所获得图像包含图3a中的图像的一部分及图3b中的图像的一部分，且因此处理器230无法定位存储于存储器中的相同于所获得图像的任何图像。因此，处理器230可使图3a及3b中的图像逆时针地移位相位以分别形成如图6a及6b中所展示的经移位图像。在其它实施例中，处理器230可取决于设计要求而使图像顺时针地移位相位

参看操作s46，处理器230经配置以检查经移位图像中的任一者是否相同于所获得图像。如果相同，那么处理器230经配置以基于存储于存储器中的角度或位置信息及对应于经移位相位的校准值而确定连接到光学编码器200的对象的角度及/或位置，如操作s49中所展示。举例来说，假定相位对应于1/5度(例如，0.2度)，如果对应于图3a中的图像的角度为30度且对应于图3b中的图像的角度为31度，那么对应于图6a中的经移位图像的角度为30.2度且对应于图6b中的经移位图像的角度为31.2度。由于图3c中的所获得图像相同于图6a中的经移位图像，因此处理器230经配置以确定连接到光学编码器200的对象的角度为30.2度。

如果无经移位图像相同于所获得图像，那么处理器230经配置以重复操作s44及s46直至处理器230找到相同于或最类似于所获得图像的经移位图像。根据图4中的实施例，通过使存储于存储器中的图像移位相位(其等于(最小分辨率)/n)，光学编码器200的分辨率增加n倍而无需使用较大圆盘或具有较高分辨率图案的圆盘。

图5说明根据本发明的一些实施例的用于操作光学编码器的方法的流程图。在一些实施例中，图5中的方法用以操作如图2中所展示的光学编码器200。替代地，图5中的方法可用以操作任何其它光学编码器从而确定对象的角度或位置。

参看操作s50，图2中的传感器220经配置以获得圆盘210上的图案的一部分的图像，且将所获得图像发射到处理器230。

参看操作s52，处理器230经配置以比较所获得图像与存储于存储器中的m个图像，从而检查存储于存储器中的任何图像是否相同于所获得图像。如果相同，那么处理器230经配置以基于存储于存储器中的角度及位置信息而确定连接到光学编码器200的对象(例如，图1中的可旋转机构100)的角度及/或位置，如操作s53中所展示。

参看操作s54，如果无存储于存储器中的图像相同于所获得图像，那么使存储于存储器中的所有m个图像移位相位达n次以获得m×n个经移位图像。在一些实施例中，所述图像通过处理器230移位。在一些实施例中，相位是对应于存储于存储器中的图案的图像的角度及/或位置的校准值。在一些实施例中，如果图案的最小分辨率为x度，那么相位对应于x/(n+1)度，其中n是大于1的整数。举例来说，如果图案的最小分辨率为1度，那么相位对应于1/(n+1)度(例如，1/5或1/6度)。因此，假定相位对应于1/5度(0.2度，即，移位四次)，如果对应于图3a中的图像的角度为30度，那么对应于第一经移位图像(经移位)的角度为30.2度；对应于第二经移位图像(经移位)的角度为30.4度；对应于第三经移位图像(经移位)的角度为30.6度；且对应于第四经移位图像(经移位)的角度为30.8度(由于对应于第五经移位图像(经移位)的角度为31度，其等于对应于图3b中的图像的角度，因此执行第五移位为不必要的)。在一些实施例中，处理器230可取决于设计要求而使图像顺时针或逆时针地移位相位

参看操作s56，处理器230经配置以检查m×n个经移位图像中的任一者是否相同于或最类似于所获得图像。参看操作s58，处理器230经配置以基于存储于存储器中的角度或位置信息及对应于经移位相位的校准值而确定连接到光学编码器200的对象的角度及/或位置，如操作s58中所展示。举例来说，如果发现图3a中的图像的第三经移位图像(经移位)相同于或最类似于所获得图像，那么处理器230经配置以确定连接到光学编码器200的对象是在30.6度的角度下。

根据图5中的实施例，通过使存储于存储器中的图像移位相位达n次，光学编码器200的分辨率增加n倍而无需使用较大圆盘或具有较高分辨率图案的圆盘。

如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“大体”及“大约”用以描述及考虑小的变化。当与事件或情形结合使用时，术语可指事件或情形明确发生的情况以及事件或情形极近似于发生的情况。举例来说，当结合数值使用时，所述术语可指小于或等于那个数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或小于或等于±0.05％的变化范围。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或小于或等于±0.05％，那么可认为所述两个数值“大体上”或“大约”相同或相等。举例来说，“大体上”平行可指相对于0°来说小于或等于±10°的角度变化范围，例如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或小于或等于±0.05°的角度变化范围。举例来说，“大体上”垂直可指相对于90°来说小于或等于±10°的角度变化范围，例如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或小于或等于±0.05°的角度变化范围。

除非上下文另外清楚地规定，否则如本文中所使用，单数术语“一(a/an)”及“所述”可包含多个指示物。在一些实施例的描述中，设置“在”另一组件“上”或“上方”的组件可涵盖前一组件直接在后一组件上(例如，与后一组件物理接触)的状况以及一或多个介入组件位于前一组件与后一组件之间的状况。

虽然已参考本发明的特定实施例描述及说明本发明，但此些描述及说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清楚地理解，可作出各种改变，且可在实施例内替代等效组件而不脱离如由所附权利要求书所界定的本发明的真实精神及范围。所述说明可不必按比例绘制。归因于制造工艺之类中的变数，本发明中的艺术再现与实际设备之间可存在区别。可存在并未特定说明的本发明的其它实施例。应将本说明书及图式视为说明性而非限制性的。可作出修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或过程适应于本发明的目标、精神及范围。所有此类修改意欲在此处所附的权利要求书的范围内。虽然已参考以特定次序执行的特定操作来描述本文中所揭示的方法，但可理解，可组合、再分或重新定序此些操作以形成等效方法而不脱离本发明的教示内容。因此，除非在本文中特定地指示，否则操作的次序及分组并非对本发明的限制。