旋转编码器制造技术

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，其中，第二轨道大体上是螺旋形的，每一个圆弧具有围绕旋转轴线的恒定的半径，并且第一轨道垂直于旋转轴线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】旋转编码器
本专利技术涉及旋转编码器，例如用于感测机器人关节中的旋转位置的旋转编码器。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术，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。根据本专利技术的第二方面，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专利技术。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.22 GB 1512967.91.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：基思·马歇尔，克里斯托弗·詹姆斯·罗奇，保罗·克里斯托弗·罗伯特，史蒂文·詹姆斯·兰德尔，
申请(专利权)人：剑桥医疗机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB