[發(fā)明專利]旋轉編碼器

有效

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• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN107850462B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發(fā)明（設計）人: 基思·馬歇爾;克里斯托弗·詹姆斯·羅奇;保羅·克里斯托弗·羅伯特;史蒂文·詹姆斯·蘭德爾
• 申請（專利權）人: CMR外科有限公司
• 主分類號: G01D5/14
• 分類號: G01D5/14;G01D5/245
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 柳春雷

一種用于對第一部件和第二部件圍繞旋轉軸線的相對旋轉位置進行感測的裝置，裝置包括：從動件，從動件被限制為在與第一部件固定的第一軌道上運動以及在與第二部件固定的第二軌道上運動，第一軌道是線性的，以及第二軌道包括多個圓弧以及使圓弧彼此連接的至少一個過渡部段，軌道被布置成將部件的相對旋轉轉換成從動件的線性運動，其中，第二軌道大體上是螺旋形的，每一個圓弧具有圍繞旋轉軸線的恒定的半徑，并且第一軌道垂直于旋轉軸線。

技術領域

本發(fā)明涉及旋轉編碼器，例如用于感測機器人關節(jié)中的旋轉位置的旋轉編碼器。

背景技術

旋轉編碼器廣泛用于感測可旋轉元件(例如軸)的位置。旋轉編碼器的應用的示例包括機器人手臂關節(jié)、汽車傳動軸和控制輪或旋鈕。

一種常見類型的位置傳感器是霍爾效應磁傳感器。這些傳感器具有環(huán)，其中，圍繞環(huán)布置有一組交替的磁極。傳感器與環(huán)相互作用，并且定位成使得當發(fā)生期望被感測的旋轉時，磁極運動經過傳感器。例如，環(huán)可以附接為圍繞軸，并且傳感器可以附接到軸在其內旋轉的殼體。傳感器在磁極運動經過傳感器時檢測磁極性的變化。通過對極性變化的次數(shù)進行計數(shù)，可以感測到從基準位置開始的旋轉量。為了感測旋轉的方向，可以設置兩對這樣的環(huán)和傳感器，并且將其布置成使得一個傳感器在旋轉位置處檢測其環(huán)的磁性轉變，其中該旋轉位置相對于另一個傳感器檢測其環(huán)的磁性轉變的位置發(fā)生偏移。通過考慮每一個傳感器檢測到的轉變的相對時序，可以感測到旋轉的方向。

可以從其他形式的雙態(tài)旋轉感測裝置(例如感測旋轉盤上從黑色到白色的轉變的光學傳感器，或者檢測是否存在旋轉經過傳感器的齒輪上的齒的渦流傳感器)獲得類似的性質。

上面討論的方法的改進是以多位精度測量磁極相對于傳感器的位置，并且布置磁極的環(huán)使得軸在360°范圍內的每個位置與來自傳感器的唯一的一組輸出相關聯(lián)。這可以通過在每一個環(huán)上提供不同數(shù)量的磁極并使得這些環(huán)的磁極數(shù)量互質來實現(xiàn)。

這種性質的傳感器的問題在于它們只能檢測相對位置，或者如果它們能檢測到絕對位置，則該絕緣位置只能在360°的范圍內。由(一個或多個)傳感器檢測到的狀態(tài)與軸的整個轉數(shù)無關。這對于某些應用是不重要的，但是對于其他應用，為了形成絕對位置的測量需要采取額外的步驟。絕對位置是重要的應用的一個示例是在機器人技術中。一些機器人關節(jié)可能可以旋轉超過360°，并且當機器人操作時，重要的是知道從基準位置開始已經經過多少轉。這些信息對于以下情況可能是必要的：避免由于在一個方向上驅動關節(jié)太遠而導致內部纜繩過度扭曲；或者提供如下保證，即確保如果機器人通過程序在中途進行重設，則機器人的在重設時保持的任何部件都可以恢復到其原始條件。在一些應用中，其運動被感測的軸連接到對軸在經過若干次旋轉之后的行程提供限制的另外的機構。在這種情況下，通過使軸旋轉來標定編碼器，直到達到極限并且然后重置編碼器上的計數(shù)。然后可以保持由于軸處于極限而檢測到的轉變的凈數(shù)量的計數(shù)，該計數(shù)根據(jù)旋轉方向而遞增或遞減。可以通過將該計數(shù)除以完整旋轉中預期的轉變次數(shù)來確定從軸處于極限開始進行的整個旋轉的次數(shù)。與此有關的一個問題是為了執(zhí)行標定軸必須轉動到極限。這可能在某些情況下是受期望的，例如，如果軸上保持有插入到可能由于器械的大量旋轉而被損壞的物體中的儀器。

期望具有能夠感測旋轉物體的位置的改進或替代方式。

發(fā)明內容

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于對第一部件和第二部件圍繞旋轉軸線的相對旋轉位置進行感測的裝置，裝置包括從動件，從動件被限制為在與第一部件固定的第一軌道上運動以及在與第二部件固定的第二軌道上運動，第一軌道是線性的，以及第二軌道包括多個圓弧以及使圓弧彼此連接的至少一個過渡部段，軌道被布置成將部件的相對旋轉轉換成從動件的線性運動。

第二軌道可以大體上是螺旋形的。每一個圓弧可以具有圍繞旋轉軸線的恒定的半徑。第一軌道可以垂直于旋轉軸線。

每一個圓弧可以具有與其他一個或多個圓弧不同的半徑。

所有圓弧可以位于垂直于旋轉軸線的單個平面中。