CN204594473U - 巡检机器人转向角度测量编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种巡检机器人转向角度测量编码器，包括编码器壳体、信号测量电路和测量传动部件；所述测量传动部件包括角度传递轴和磁钢，角度传递轴安装在所述编码器壳体内，所述磁钢安装在所述角度传递轴的上端；所述编码器壳体中设置有支撑板，所述测量传动部件位于该支撑板的下方；所述信号测量电路安装在该支撑板的下表面，正对于所述磁钢。本实用新型体积小重量轻，很好地满足了机器人垂直转向机构部件较多、空间狭小的使用限制要求，测量传动部件采用高精度部件将被测转动轴与磁钢连接，将机械角度位移直接转换成磁场变化，同时使用集成磁性角度位置传感器测量磁场变化，保证了编码器具有0.02°工作分辨率，满足了测量高精度的要求。

Description

巡检机器人转向角度测量编码器

技术领域

本实用新型涉及一种巡检机器人转向角度测量编码器。

背景技术

编码器是将电信号或数据转换成为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器按照工作原理可分为增量式和绝对式两类，按照本身属性又可以分为光电编码器和磁电编码器。磁电编码器是一种新型的角度或者位移测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量，磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。

中国发明专文献CN201110449167.2提供了一种绝对值编码器，包括外壳、设于外壳内的主轴、套设于主轴外侧的主体、码盘座、及金属码盘，所述主轴与主体之间设有轴承，该主轴外侧还设有狭缝组件，该狭缝组件包括一金属狭缝片、发光管印制板、及联接金属狭缝片与发光管印制板的联接板，所述主体采用塑钢绝缘材料制作而成，外壳、及联接板均采用ABS加玻璃纤维材料制作而成。该绝对值编码器采用码盘座和金属码盘结构，设计制造安装较为复杂，不利于进一步小型化。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种结构简单小巧、精度高的巡检机器人转向角度测量编码器。

本实用新型所提供的巡检机器人转向角度测量编码器，包括编码器壳体，其特征在于：还包括信号测量电路和测量传动部件；所述测量传动部件包括角度传递轴和磁钢，该角度传递轴安装在所述编码器壳体内，所述磁钢安装在所述角度传递轴的上端；所述编码器壳体中设置有支撑板，所述测量传动部件位于该支撑板的下方；所述信号测量电路安装在该支撑板的下表面，正对于所述磁钢。

使用时，将被测旋转轴安装在角度传递轴的下端，被测旋转轴、角度传递轴、磁钢同轴同心连接，并配以精密轴承来保证巡检机器人转向角度传递的机械精度，测量传动部件通过被测传动轴、角度传递轴和磁钢的机械硬连接准确地传递被测对象的角度变化，并将机械角度变化信号转换为磁场变化信号；信号测量电路将磁场信号转化为电信号，处理电信号后输出多种形式的标准信号供给外部应用电路。

本实用新型所述信号测量电路包括信号测量电路板及布置在信号测量电路板上的电源管理电路、角度位置传感器、DSP控制器和信号接口，该信号接口分别与所述DSP控制器、电源管理电路连接；所述角度位置传感器依次连接差分放大器、模数转换器后，与所述DSP控制器连接。该信号测量电路可采用集成14位处理芯片，减小电路板设计复杂度和信号处理引入的误差。

优选地，所述角度位置传感器在所述信号测量电路板上至少布置两对。利用两对角度位置传感器便于实施查表误差修正方法，在本实用新型所提供的编码器出厂前，将其与高精度编码器同轴连接，建立其中一对角度传感器的输出电压与高精度编码器的测量角度之间的对应关系表格，实际测量时使用测量值加查表法对转向角度进行修正。该角度位置传感器通常使用霍尔传感器。

为便于磁钢的安装，所述角度传递轴的上端设置有U型孔，所述磁钢镶嵌在该U型孔内。磁钢可采用分别为南北磁极的两个半圆柱体拼合而成。

为便于被测旋转轴的安装，所述角度传递轴的底部设置有U型连接孔，将被测旋转轴安装在该U型连接孔内，U型连接孔的侧壁上可开设顶丝孔，利用顶丝将被测旋转轴固定在U型连接孔内。

为便于本实用新型所提供的编码器的安装，所述编码器壳体的外部设置有安装耳，安装耳上开设有编码器安装孔，利用安装耳将编码器安装在巡检机器人上。

信号接口具有PWM、SPI、IIC标准信号输出接口的一种或多种，保证了巡检机器人频繁转向时转向闭环控制***具有足够的调整频率。

本实用新型可实现一种巡检器机器人转向角度误差修正方法，该修正方法使用了本实用新型所提供的包括至少两对角度位置传感器的编码器，包括以下步骤：

(1)将标准编码器与巡检机器人转向角度测量编码器连接在同一根转轴上，利用标准编码器对巡检机器人转向角度测量编码器进行标定，建立查找表，在该查找表中，所述巡检机器人转向角度测量编码器中的其中一对角度位置传感器a的输出电压u_a分别对应标准编码器的两个测量角度θ_s1、θ_s2；

(2)在所述巡检机器人转向角度测量编码器实际使用中，获取角度位置传感器a和另一对角度位置传感器b的实际输出电压u_a′、u_b′；根据u_a′、u_b′计算得出带有误差的角度值θ_d′，其中θ_d′＝arctan(u_a′/u_b′)；

(3)根据角度位置传感器a的实际输出电压u_a′在查找表中查询到u_a′对应的标准编码器测量角度θ_s1′、θ_s2′，若|θ_d′-θ_s1′|<|θ_d′-θ_s2′|，则θ_s1′为修正后的转向角度，否则θ_s2′为修正后的转向角度。

在利用标准编码器对巡检机器人转向角度测量编码器进行标定前，先对标准编码器、巡检机器人转向角度测量编码器的初始位置进行调整，使得在建立查找表的过程中两者测量的实际角度一致，包括以下步骤：

(1)将标准编码器安装在转轴的一端固定标准编码器，旋转转轴使标准编码器的输出角度为0后，固定转轴；

(2)将巡检机器人转向角度测量编码器安装在转轴的另一端，转动巡检机器人转向角度测量编码器使其角度位置传感器a输出电压为0后，固定巡检机器人转向角度测量编码器；

(3)松开转轴，转动转轴即可进行全量程标定建表。

本实用新型采用磁性编码器方式而非采用传统的码盘式编码器；将被测旋转轴、角度传递轴、磁钢设计为同轴同心连接，并配以精密轴承来保证机器人转向角度传递的机械精度，结构简单小巧精度高；采用集成14位处理芯片减小电路板设计复杂度、信号处理引入的误差，在信号测量电路板上设置A、B两路霍尔元件，出厂前使用同轴连接的高精度编码器对其A相测量幅值和角度对应关系建立表格，实际测量时使用测量值加查表法获得高精度。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型结构简单，体积小重量轻，制成成品后重量可控制在20g左右，尺寸可仅为22×12.5×11mm，很好地满足了机器人垂直转向机构部件较多、空间狭小的使用限制要求。

(2)测量传动部件采用高精度部件将被测转动轴与磁钢连接，将机械角度位移直接转换成磁场变化，同时使用集成磁性角度位置感器测量磁场变化，保证了编码器具有0.02°工作分辨率，满足了测量高精度的要求。

(3)本实用新型编码器具有良好的动态测量性能，具备PWM，SPI，IIC多种标准信号输出接口，保证机器人频繁转向时转向闭环控制***具有足够的调整频率。

(4)本实用新型使用磁性编码器加辅助查表误差修正法，使得其结构相比传统码盘编码器更加简单，易于小型化，同时其比传统的磁性编码器具有更高的精度。本实用新型使用两对霍尔传感器即可，其中一对霍尔传感器的实际输出电压值对应两个查找表精确值，使用本实用新型编码器实际测得的带误差的角度值排除一个查找表精确值，简化了查找表的构建与查找。

附图说明

图1为本实用新型整体示意图；

图2为本实用新型机械剖面图；

图3为本实用新型所述被测旋转轴、磁钢、测量电路板位置示意图；

图4为本实用新型信号测量电路板示意图；

图5为图3俯视图；

图6为磁钢旋转一周内，A对霍尔传感器经过差分放大电路后输出电压值与角度的对应关系图。

图中：110，编码器壳体；111，组装定丝孔；112，走线孔；113，编码器安装孔；114，轴承；115，支撑板；120，测量传动部件；121，被测旋转轴；122，顶丝孔；123，角度传递轴；124，磁钢；130，信号测量电路板；131，测量电路板定位孔；132，电源管理电路；133，角度位置传感器；134，编码器控制器；135，信号接口；136，Led指示电路。

具体实施方式

如图1-4所示，本实用新型包括编码器壳体110、信号测量电路板130和测量传动部件；编码器壳体110的外部设置有两个小型安装耳，在安装耳上开设有编码器安装孔113，通过安装耳、编码器安装孔将本实用新型提供的编码器安装在机器人上。编码器壳体110上还设置有走线孔112，走线孔112用于信号测量电路板130的电源线和信号线的引出。编码器壳体上还设置有组装定丝孔111，组装本实用新型编码器时，利用螺丝定于该组装定丝孔内，使编码器壳体与设置于壳体内的内部部件紧密连接。编码器壳体110内设置有支撑板115，支撑板115上预设有测量电路板定位孔131，使用顶丝穿过测量电路板定位孔131将圆形信号测量电路板130安装在支撑板115的下表面。测量传动部件位于支撑板115下方，测量传动部件包括角度传递轴123和磁钢124；角度传递轴123中部穿过微型轴承114内环并固定，轴承114安装在编码器壳体110内；角度传递轴123的上端设置有U型孔；磁钢124的前后两个半圆柱体分别为南北磁极，磁钢124镶嵌在角度传递轴上端的U型孔内；角度传递轴123的下端设置有具有顶丝孔122的U型连接孔，被测旋转轴121***该U型连接孔内，顶丝穿过顶丝孔122将被测旋转轴固定在角度传递轴123上。圆形信号测量电路板130安装在支撑板115上，并利用螺钉穿过测量电路板定位孔131将其固定，信号测量电路板130正对于磁钢124，信号测量电路板130用于安装各元器件以组成信号测量电路。

被测旋转轴121转动，从而带动角度传递轴123和磁钢124转动，并且在磁钢124顶端产生变化的磁场，被测传动轴121、角度传递轴123和磁钢124的机械硬连接准确地传递被测对象的角度变化，并将机械角度变化信号转换为磁场变化信号；信号测量电路将磁场信号转化为电信号，处理电信号后输出多种形式的标准信号供给外部应用电路。

如图3、4、5所示，信号测量电路板130上布置有电源管理电路132、角度位置传感器133、DSP控制器134、信号接口135、差分放大器和模数转换器ADC，信号接口135分别连接电源管理电路132、DSP控制器134；电源管理电路132将外部DC5V电源转换为角度位置传感器133和DSP控制器134所需的DC3.3V电源。本实用新型编码器的角度位置传感器133可使用霍尔传感器，在信号测量电路板上布置至少两对霍尔传感器(A+、A-与B+、B-)，该两对霍尔传感器对称布置，两对霍尔传感器感知变化的磁场并转换为相应的模拟电信号，模拟电信号分别经差分放大器放大后送入模数转换器ADC进行模数转换，转换后再送入DSP控制器134，DSP控制器134将处理结果通过信号接口135以PWM、SPI、IIC等信号形式输出。DSP控制器134还可以连接LED指示电路136，将本实用新型编码器的运行状态通过LED指示电路136加以显示。

结合图5、6，本实用新型可实现一种巡检机器人转向角度误差修正方法，利用高精度标准编码器对本实用新型编码器进行标定，建立查找表。

将本实用新型编码器与高精度标准编码器连接在同一个转轴上，使得在建立查找表的过程中二者测量的实际角度一致。调整两个编码器，使得高精度编码器测量值为0时，本实用新型编码器的A路电压输出为0(即A+、A-这对霍尔传感器的输出电压，B+、B-这对霍尔传感器的输出电压记为B路电压)，两个编码器初始位置调整过程如下：(1)将标准编码器安装在转轴的一端并固定标准编码器，旋转转轴使标准编码器的输出角度为0后，固定转轴；(2)将巡检机器人转向角度测量编码器安装在转轴的另一端，转动巡检机器人转向角度测量编码器使其角度位置传感器a输出电压为0后，固定巡检机器人转向角度测量编码器；(3)松开转轴，转动转轴即可进行全量程标定建表。

霍尔传感器A+、A-与B+、B-分别经过差分放大电路后获得幅值较大干扰较小的电压信号u_a、u_b，转轴转动一周A路的输出带有干扰的电压信号u_a＝sinθ+d_a，同理B路的输出带有干扰的电压信号u_b＝sinθ+d_b，其中，θ为转轴转动角度，d_a、d_b为误差值，由于d_a、d_b的值未知，u_a、u_b的值并非通过公式计算得出，而是霍尔传感器输出值；则本实用新型编码器通过A、B两路霍尔传感器输出电压u_a、u_b计算出带有误差的角度θ_d＝arctan(u_a/u_b)；从图6可以看出，本实用新型编码器的一个A路输出电压u_a对应标准编码器的两个测量角度θ_s1和θ_s2，建立一张u_a和标准编码器输出角度θ_s的一对二的对应表格T_s，表格形式如下：

本实用新型编码器使用过程中，被测旋转轴带动角度传递轴、磁钢转动，测得当前A、B两路霍尔传感器电压u_a′、u_b′，计算出带有误差的角度θ_d′，θ_d′＝arctan(u_a′/u_b′)，在表T_s中查询到u_a′对应的值θ_s1′和θ_s2′，若|θ_d′-θ_s1′|<|θ_d′-θ_s2′|，则θ_s1′为修正后的转向角度，否则θ_s2′为修正后的转向角度。

DSP控制器将查询到的修正后的转向角度值转换成PWM、SPI、IIC等标准形式信号通过信号接口输出供用户读取。

本实用新型的一个A路霍尔传感器实际电压值对应标准编码器两个精确值，使用本实用新型编码器测得的带误差的角度值排除一个查找表精确值，从而大大简化了表的构建和查找。

Claims (8)

1.一种巡检机器人转向角度测量编码器，包括编码器壳体，其特征在于：还包括信号测量电路和测量传动部件；所述测量传动部件包括角度传递轴和磁钢，该角度传递轴安装在所述编码器壳体内，所述磁钢安装在所述角度传递轴的上端；所述编码器壳体中设置有支撑板，所述测量传动部件位于该支撑板的下方；所述信号测量电路安装在该支撑板的下表面，正对于所述磁钢。

2.如权利要求1所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述信号测量电路包括信号测量电路板及布置在信号测量电路板上的电源管理电路、角度位置传感器、DSP控制器和信号接口，该信号接口分别与所述DSP控制器、电源管理电路连接；所述角度位置传感器依次连接差分放大器、模数转换器后，与所述DSP控制器连接。

3.如权利要求2所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述角度位置传感器在所述信号测量电路板上至少布置两对。

4.如权利要求1、2或3所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述角度传递轴的上端设置有U型孔，所述磁钢镶嵌在该U型孔内。

5.如权利要求1、2或3所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述角度传递轴的底部设置有U型连接孔。

6.如权利要求1、2或3所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述编码器壳体的外部设置有安装耳。

7.如权利要求1、2或3所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述磁钢由分别为南北磁极的两个半圆柱体拼合而成。

8.如权利要求2或3所述的巡检机器人转向角度测量编码器，其特征在于：所述信号接口具有PWM、SPI、IIC标准信号输出接口的一种或多种。