CN109676635A - 一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，属于机器人技术领域，包括关节外壳及设置在关节外壳的底端开口处的输出法兰，输出法兰上由下至上依次套设有谐波减速机、刹车装置、驱动器和绝对式磁编码器码盘，在谐波减速机与刹车装置之间设有中空无框电机定子，中空无框电机定子内设有中空无框电机转子，在刹车装置与驱动器之间设有增量式光栅编码器码盘和增量式光栅编码器读数头，绝对式磁编码器码盘设置在输出法兰的顶端。本发明通过模块化中空无框电机、中空减速器和双编码器实现机器人运动过程中的碰撞检测，模块化关节质量轻，可以低成本检测外力干扰。

Description

一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器

技术领域

本发明涉及一种双编码器，特别是涉及一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，属于机器人技术领域。

背景技术

目前，传统工业机器人速度快、惯量大、精度高，不够安全只能在围栏里使用，在碰撞检测技术上还存在巨大的潜力，碰撞检测技术是一种对传统工业机器人在安全性方面的重要改进，使之可以与人一起协同工作，是一种相对安全的工业机器人，为了达到安全的目的需要达到以下三个标准：1、需要限制速度、刚度、本体质量；2、具有碰撞检测(电流/力传感器)功能和拖动示教功能；3、符合相关协作机器人的安全标准。

目前，所有的标准或定义中都没有规定协作机器人的结构形式，只要满足相关标准的，都可以认为是协作机器人，协作机器人市场有这么几大流派，它们的结构形式不尽相同，但都可以称之为协作机器人，更高级的叫柔性机器人，现有技术的协作机器人存在如下缺陷和不足：

1、基于传统工业机器人升级版，在传统工业机器人底座或末端法兰添加六维力传感器，在软件算法改进后就称为协作机器人，这种类型机器人关节结构和普通机器人结构一样，结构上并未作出任何大的改变，总体重量依然相当笨重。

2、基于串联弹性驱动器SEA关节，这类关节模仿自然界的柔性关节，可发生弹性变形，本质上具有较高的安全性，但是负载能力有限，无法达到工业级别的要求。

3、基于含力矩检测的柔性机器人模块化关节，这类关节是目前最复杂最先进成本最高的关节，它的特点是各关节多了力矩传感器，更安全更灵敏，可实现更高级力控，但是机器人成本太高，无法在工业制造领域得到大规模的推广应用，后续力矩传感器成本大幅下降的前提下有望得到大规模应用。

4、基于直流无刷电机的平行轴关节，这类关节以雄克的机器人和ABB yumi为代表，都是直流无刷电机驱动减速器，靠检测电流实现碰撞检测和拖动示教。这种关节功率小，质量轻，本质上就比较安全，但检测精度相对有限，负载也无法做到普通工业机器人那样。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，通过模块化中空无框电机、中空减速器和双编码器实现机器人运动过程中的碰撞检测，模块化关节质量轻，可以低成本检测外力干扰。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，包括顶端封闭、底端开口的关节外壳及设置在所述关节外壳的底端开口处的输出法兰，所述输出法兰上由下至上依次套设有谐波减速机、刹车装置、驱动器和绝对式磁编码器码盘，在所述谐波减速机与所述刹车装置之间设有中空无框电机定子，所述中空无框电机定子内设有中空无框电机转子，在所述刹车装置与所述驱动器之间设有增量式光栅编码器码盘和增量式光栅编码器读数头，所述绝对式磁编码器码盘设置在所述输出法兰的顶端。

优选的，在所述绝对式磁编码器码盘的顶部安装有绝对式磁编码读数头，在所述绝对式磁编码读数头的顶部安装有将其安装在所述关节外壳顶端内的安装支架。

优选的，所述绝对式磁编码读数头安装在所述安装支架上，通过检测所述绝对式磁编码器码盘转动的角度来读取机器人关节输出端转动的角度。

优选的，所述输出法兰的底部为盘状，该盘状的底部的中心位置设有一圆轴，该圆轴插进所述关节外壳内。

优选的，所述输出法兰盘状的底部的上端面与所述谐波减速机相连，该圆轴的顶端端面与所述绝对式磁编码器码盘相连。

优选的，所述关节外壳的侧身设有关节接口，该关节接口使所述关节外壳既可以用于机器人关节的外壳又可用于所述中空无框电机定子的外壳。

优选的，所述中空无框电机转子与所述谐波减速机的输入端相连，所述中空无框电机转子与所述谐波减速机的输入端同轴。

优选的，所述增量式光栅编码器码盘与所述中空无框电机转子相连，所述增量式光栅编码器码盘与所述中空无框电机转子的转速一致。

优选的，所述增量式光栅编码器读数头安装在所述驱动器上，通过检测所述增量式光栅编码器码盘转动的角度来读取机器人关节输入端转动的角度。

本发明的有益技术效果：

1、本发明提供的用于协作机器人碰撞检测的双编码器，主要用于实现机器人运动过程中的碰撞检测，所设计的机器人各关节主要由模块化中空无框电机、中空减速器和双编码器等构造组成，这种模块化关节质量轻，可以低成本检测外力干扰，避免操作人员受到机械碰撞的危险、减少了操作过程中的危险性、提高生产安全，从而达到人机协作的理想状态。

2、本发明提供的用于协作机器人碰撞检测的双编码器，使用了双编码器位置误差检测的方式，大大降低传统方法中碰撞检测的复杂程度，不使用六维力传感器、力矩传感器、加速度传感器、弹性驱动器等方法检测碰撞，从而大大降低了机器人的整体成本，使得协作机器人能够更容易的得到广泛推广应用。

附图说明

图1为按照本发明的用于协作机器人碰撞检测的双编码器的一优选实施例的整体结构示意图；

图2为按照本发明的用于协作机器人碰撞检测的双编码器的一优选实施例的输出法兰结构示意图。

图中：1-输出法兰，2-谐波减速机，3-关节外壳，4-中空无框电机定子，5-中空无框电机转子，6-刹车装置，7-增量式光栅编码器码盘，8-增量式光栅编码器读数头，9-驱动器，10-绝对式磁编码器码盘，11-绝对式磁编码读数头，12-安装支架。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例提供的用于协作机器人碰撞检测的双编码器，包括顶端封闭、底端开口的关节外壳3及设置在关节外壳3的底端开口处的输出法兰1，输出法兰1上由下至上依次套设有谐波减速机2、刹车装置6、驱动器9和绝对式磁编码器码盘10，在谐波减速机2与刹车装置6之间设有中空无框电机定子4，中空无框电机定子4内设有中空无框电机转子5，在刹车装置6与驱动器9之间设有增量式光栅编码器码盘7和增量式光栅编码器读数头8，绝对式磁编码器码盘10设置在输出法兰1的顶端。

在本实施例中，如图1所示，在绝对式磁编码器码盘10的顶部安装有绝对式磁编码读数头11，在绝对式磁编码读数头11的顶部安装有将其安装在关节外壳3顶端内的安装支架12，绝对式磁编码读数头11安装在安装支架12上，通过检测绝对式磁编码器码盘10转动的角度来读取机器人关节输出端转动的角度。

在本实施例中，如图1和图2所示，输出法兰1的底部为盘状，该盘状的底部的中心位置设有一圆轴，该圆轴插进关节外壳3内，输出法兰1盘状的底部的上端面与谐波减速机2相连，该圆轴的顶端端面与绝对式磁编码器码盘10相连，关节外壳3的侧身设有关节接口，该关节接口使关节外壳3既可以用于机器人关节的外壳又可用于中空无框电机定子4的外壳。

在本实施例中，如图1所示，中空无框电机转子5与谐波减速机2的输入端相连，中空无框电机转子5与谐波减速机2的输入端同轴，增量式光栅编码器码盘7与中空无框电机转子5相连，增量式光栅编码器码盘7与中空无框电机转子5的转速一致，增量式光栅编码器读数头8安装在驱动器9上，通过检测增量式光栅编码器码盘7转动的角度来读取机器人关节输入端转动的角度。

在本实施例中，如图2所示，输出法兰1的底部为盘状，该盘状的底部的中心位置设有一圆轴，该圆轴插进关节外壳3内，输出法兰1盘状的底部的上端面与谐波减速机2相连，该圆轴的顶端端面与绝对式磁编码器码盘10相连，从而实现绝对式磁编码器码盘10与关节末端输出转速一致的条件。结构尺寸依据谐波减速机2及中空无框电机4的尺寸设计。

在本实施例中，如图1所示，关节外壳3既是机器人关节的外壳又可视为中空无框电机4的外壳，从而大大减小关节尺寸及质量。

在本实施例中，如图1所示，中空无框电机转子5与谐波减速机2的输入端相连，定制谐波的输入端在加工及安装过程中需要满足足够的同心度要求，如此能够使中空无框电机发挥最大的性能。

在本实施例中，如图1所示，增量式光栅编码器码盘7与中空无框电机转子5相连，从而实现增量式光栅编码器码盘7与中空无框电机转速一致的条件，便于检测两个编码器的误差值来判断碰撞发生与否。

在本实施例中，如图1所示，增量式光栅编码器读数头8安装于驱动器9上，通过检测增量式磁编码器码盘7转动的角度来读取机器人关节输入端转动的角度。

在本实施例中，如图1所示，绝对式磁编码器读数头11安装于安装支架12上，通过检测绝对式磁编码器码盘10转动的角度来读取机器人关节输出端转动的角度。

在本实施例中，如图1所示，本实施例提供的用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其工作原理如下：

碰撞检测功能的实现主要是通过增量式光栅编码器与绝对式磁编码器在碰撞作用发生时所检测到的位置信号变化的不一致所实现的。谐波减速机2具有一定的柔性，在其中可以假设为一个弹簧，当碰撞发生时与谐波减速机2输出端连接的绝对式磁编码器读数头11首先检测到碰撞，由于均是刚性接触，关节末端的位置变化能够实时的体现出来。与中空无框电机转子5连接的增量式光栅编码器也能检测到碰撞，但是由于谐波减速机2具有一定的柔性，使其位置变化具有一定的时延。将绝对式编码器读数头11所检测到的位置信号乘以谐波减速机2的减速比，然后与增量式光栅编码器读数头8所检测的位置信号作差。所求得的差值即为碰撞发生时的误差值。通过设置碰撞阈值来判定误差发生与否，从而实现碰撞检测。

综上所述，在本实施例中，本实施例提供的用于协作机器人碰撞检测的双编码器，使用了双编码器位置误差检测的方式，大大降低传统方法中碰撞检测的复杂程度，不使用六维力传感器、力矩传感器、加速度传感器、弹性驱动器等方法检测碰撞，从而大大降低了机器人的整体成本，使得协作机器人能够更容易的得到广泛推广应用。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，包括顶端封闭、底端开口的关节外壳(3)及设置在所述关节外壳(3)的底端开口处的输出法兰(1)，其特征在于，所述输出法兰(1)上由下至上依次套设有谐波减速机(2)、刹车装置(6)、驱动器(9)和绝对式磁编码器码盘(10)，在所述谐波减速机(2)与所述刹车装置(6)之间设有中空无框电机定子(4)，所述中空无框电机定子(4)内设有中空无框电机转子(5)，在所述刹车装置(6)与所述驱动器(9)之间设有增量式光栅编码器码盘(7)和增量式光栅编码器读数头(8)，所述绝对式磁编码器码盘(10)设置在所述输出法兰(1)的顶端。

2.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，在所述绝对式磁编码器码盘(10)的顶部安装有绝对式磁编码读数头(11)，在所述绝对式磁编码读数头(11)的顶部安装有将其安装在所述关节外壳(3)顶端内的安装支架(12)。

3.根据权利要求2所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述绝对式磁编码读数头(11)安装在所述安装支架(12)上，通过检测所述绝对式磁编码器码盘(10)转动的角度来读取机器人关节输出端转动的角度。

4.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述输出法兰(1)的底部为盘状，该盘状的底部的中心位置设有一圆轴，该圆轴插进所述关节外壳(3)内。

5.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述输出法兰(1)盘状的底部的上端面与所述谐波减速机(2)相连，该圆轴的顶端端面与所述绝对式磁编码器码盘(10)相连。

6.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述关节外壳(3)的侧身设有关节接口，该关节接口使所述关节外壳(3)既可以用于机器人关节的外壳又可用于所述中空无框电机定子(4)的外壳。

7.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述中空无框电机转子(5)与所述谐波减速机(2)的输入端相连，所述中空无框电机转子(5)与所述谐波减速机(2)的输入端同轴。

8.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述增量式光栅编码器码盘(7)与所述中空无框电机转子(5)相连，所述增量式光栅编码器码盘(7)与所述中空无框电机转子(5)的转速一致。

9.根据权利要求1所述的一种用于协作机器人碰撞检测的双编码器，其特征在于，所述增量式光栅编码器读数头(8)安装在所述驱动器(9)上，通过检测所述增量式光栅编码器码盘(7)转动的角度来读取机器人关节输入端转动的角度。