[发明专利]分离式磁双编码器

说明书

本发明分离式磁双编码器，使用两组分离式的磁敏感元件来分别测量磁环上的磁场信息，并交付给后续处理电路进行计算得出两个磁环的角度位置，可计算得到两个编码器在一定数比下的理论与测量差值用以推算外部扭矩大小，最终通过一组通信线路与上位机交互，精简了双编码器的物理空间结构与电路分布结构，得到了更优的双编码器系统，为机器人结构、控制提供更佳的设计。

技术领域

本发明专利涉及位置、扭矩测量的一种装置，特别是涉及旋转测量的编码器装置。

背景技术

在机器人应用领域越来越多的同时，协作机器人作为与人类进行协同工作的自动化劳力，进入到了更多的轻工业生产中。而新的应用领域却也为协作机器人提出了更高的要求指标，即其需要专业技术要求低的易操作性，以及与人共同协作时的高安全性。

易操作性的实践即机器人并不是靠复杂的编程来进行指令下达，其可以通过拖拽的形式对机械臂进行示教，而这个示教的过程，则要求机器人对外力的拖拽的拥有极敏感的感知能力。同时，高安全性则是体现在与外界发生碰撞时，要保证机器人会立即停止，不会继续进行工作对人体或外部其它物体选成破坏性的伤害，这也要求的是机器人对外部非可预知力的高感知能力。

可以发现，协作机器人与传统机器人的最大不同之处在于，其需要拥有灵敏的对动态、静态外部力的感知能力。协作机器人的每个自由度的运动，都是由其每个关节处的执行器来产生的，而执行器则是集成了电机、编码器、减速机等核心元件的一体化结构。

机器人在空间中所受的外部力都会直接或间接地作用到关节执行器上，如六轴机器人的六个关节则可以感知来自空间中的六个自由度的受力。所以机器人的外部受力感知能力其实就是要求执行器需要拥有外部受力感知能力。

但是执行器作为一个力的输出装置，使用其来感知外部受力的话，则需要在结构和算法上做一定的专门设计，而现有的方案有：电流计算、扭矩传感器计算、应变片计算、双编码器计算，以下为这几个方案的优缺点：

电流计算：当电机输出受到外部力的干扰时，电机的堵转电流会增加，根据该电流增量来计算扭矩，其无需修改结构，但是精度低。

扭矩传感器计算：通过在执行器输出端加装扭矩传感器，成本高，算法难度高。

应变片计算：在谐波柔轮上装贴多组应变片以测量扭矩，结构极其复杂，标定难度高。

双编码器计算：加装高分辨率编码器以测量输出端位置的变化用来计算扭矩，成本低，精度高。

双编码器策略在感知外部扭矩上拥有更优秀的成本、精度，双编码器即表示执行器中安置了两个编码器，需要的安置空间也是进一步地增大。而对于机器人来说，更紧凑的结构，更优秀的外力感知灵敏度都是协作机器人当下或未来的所需的重要设计。

发明内容

本发明设计了一种基于分离式磁编码器的双编码器结构。该设计将两个分离式磁编码器进行了融合，进一步减小了双编码器的空间占用和成本，减小了执行器的通信系统复杂度。

分离式磁编码器即由分布在编码器本体空间中的多个磁敏感元件，来测量被测量磁化装置上产生的磁场，然后将该测量数据交付于后续处理电路计算得到该被测量装置在空间中与编码器本体所在的相对位置。使用分离式测量方案可以使得编码器的中空成为可能。

基于分离式磁编码器原理的编码器结构，同时也是借用PCB的双面性，本发明将两个分离式磁编码器的磁敏感元件分别布于PCB的两侧，即在轴向空间上既使用了PCB的正面轴向空间，也使用了PCB的背面轴向空间。

与此同时，要测量两个轴的旋转位置数据，需将两个磁环分别与各轴固定安装，则在轴旋转时，磁环跟着一并旋转，一周的两组磁敏感元件可以分别对对应的磁场数据进行测量并交付后继处理。