输出端编码器、关节模组、机器人及旋转角度的确定方法与流程

1.本发明实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种输出端编码器、关节模组、机器人及旋转角度的确定方法。


背景技术：

2.随着工业化的不断演进，工业机器人和服务机器人不断发展，对机器人关节模组的要求也越来越高，需要整个关节模组体积小，质量低。同时，由于机器人的关节模组中存在减速器，在关节模组断电重启后，关节模组输出端的位置相对于关节模组电机端的位置无法确定，因此需要确定关节模组输出端的旋转角度。
3.现有的确定关节模组输出端旋转角度的方式为，在输出端设置编码器，例如在输出端安装偏置式磁编码器，由磁编码器检测输出端旋转角度，但这种编码器需要配套安装一对极或多对极磁环。又如在输出端安装绝对值式光电编码器，由光电编码器检测输出端旋转角度，但这种编码器需要配套安装相应的绝对值式光电码盘。现有技术中的输出端编码器，无法满足关节模组具有严格尺寸和质量限制的要求。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种输出端编码器、关节模组、机器人及旋转角度的确定方法，以实现灵活应用于具有严格空间尺寸重量限制的关节模组。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种输出端编码器，该输出端编码器设置于关节模组的输出端，包括非导电贴片、导电凸起、电容屏、驱动板以及至少两个接收电极；
6.所述非导电贴片贴附于所述输出端表面，所述导电凸起嵌入在非导电贴片中；
7.所述电容屏与所述输出端的外壳固定连接，所述驱动板与所述电容屏固定连接，所述至少两个接收电极与所述电容屏固定连接。
8.可选的，所述输出端编码器还包括处理器；
9.所述驱动板，用于向所述电容屏施加驱动信号；
10.所述至少两个接收电极，用于测量接收到的电荷大小，并将测量到的电荷发送给所述处理器；
11.所述处理器，用于根据接收到的至少两个电荷大小，确定所述输出端的旋转角度。
12.可选的，所述输出端为空心轴或者实心轴；
13.当所述输出端为空心轴时，所述电容屏为环形；
14.当所述输出端为实心轴时，所述电容屏为圆形。
15.可选的，所述驱动板，具体用于向所述电容屏施加周期性驱动电流。
16.第二方面，本发明实施例还提供了一种关节模组，包括电机、电机端编码器、减速器、驱动器、输出端以及输出端编码器，所述输出端编码器为本发明实施例中任一所述的输出端编码器。
17.第三方面，本发明实施例还提供了一种机器人，包括本发明实施例中任一所述的
输出端编码器，或者本发明实施例中任一所述的关节模组。
18.第四方面，本发明实施例还提供了一种旋转角度的确定方法，所述方法由输出端编码器执行，包括：
19.获取与电容屏相连的至少两个接收电极测量得到的电荷数值；所述至少两个接收电极测量得到的电荷数值与设置在输出端表面的导电凸起的位置相匹配；
20.根据至少两个电荷数值，确定导电凸起的位置，并根据所述导电凸起的位置，确定输出端的旋转角度。
21.可选的，在获取与电容屏相连的至少两个接收电极测量得到的电荷数值之前，还包括：
22.向驱动板发送指令，以指示所述驱动板在电容屏上施加驱动信号。
23.可选的，根据至少两个电荷数值，确定导电凸起的位置，包括：
24.根据至少两个电荷数值，以及预设的电荷数值与导电凸起位置的映射关系，确定导电凸起的位置。
25.可选的，根据所述导电凸起的位置，确定输出端的旋转角度，包括：
26.根据所述导电凸起的位置，以及预设的零点位置，计算输出端的旋转角度。
27.本发明实施例通过在输出端表面贴附非导电贴片，并在非导电贴片中设置一个导电凸起，将电容屏与输出端的外壳固定连接，电容屏连接驱动板，以及至少两个接收电极。解决了现有技术中的输出端编码器，无法满足关节模组具有严格尺寸和质量限制要求的问题，可以灵活应用于具有严格空间尺寸重量限制的关节模组。
附图说明
28.图1是本发明实施例一中的一种输出端编码器的结构示意图；
29.图2a是本发明实施例二中的一种输出端编码器的结构示意图；
30.图2b是本发明具体适用场景一中的一种输出端编码器的结构示意图；
31.图2c是本发明具体适用场景一中的一种非导电贴片的结构示意图；
32.图3是本发明实施例三中的一种关节模组的结构示意图；
33.图4是本发明实施例四中的一种旋转角度的确定方法的流程图；
34.图5是本发明实施例五中的一种旋转角度的确定方法的流程图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
36.实施例一
37.图1是本发明实施例一提供的一种输出端编码器的结构示意图，本实施例可适用于关节模组对输出端编码器有严格的尺寸和重量要求的情况。该输出端编码器10设置于关节模组的输出端110，包括非导电贴片120、导电凸起130、电容屏140、驱动板150以及至少两个接收电极160；
38.所述非导电贴片120贴附于所述输出端110表面，所述导电凸起130嵌入在非导电
贴片120中；
39.所述电容屏140与所述输出端110的外壳170固定连接，所述驱动板150与所述电容屏140固定连接，所述至少两个接收电极160与所述电容屏140固定连接。
40.其中，输出端110可以是输出轴或者输出法兰，非导电贴片120可以是高介电常数贴片，例如可以是塑料贴片，介电常数指束缚电荷的能力，介电常数越高，束缚电荷的能力越强，材料的绝缘性能越好，导电凸起130可以是金属凸起。电容屏140与输出端110的外壳170固定连接，电容屏的位置相对于输出端外壳固定不变，输出端110旋转时，非导电贴片120和导电凸起130随输出端110一起旋转，电容屏140和外壳170不随输出端110旋转。驱动板150和电容屏140相连，接收电极160和电容屏140相连，接收电极160至少设置两个，但本实施例对接收电极160的数量和排布方式不进行限制。
41.在本发明实施例中，非导电贴片120、导电凸起130、电容屏140、驱动板150以及两个接收电极160尺寸都较小，结构简单，易于实现，并且可以灵活配置为中空轴或实心轴，可以满足严格空间尺寸重量限制的要求。并且本发明实施例的输出端编码器采用非接触式的方式，不存在机械磨损，使用寿命长，受外界温度变化和电磁环境的影响较小。
42.本实施例的技术方案，通过在输出端表面贴附非导电贴片，并在非导电贴片中设置一个导电凸起，将电容屏与输出端的外壳固定连接，电容屏连接驱动板，以及至少两个接收电极。解决了现有技术中的输出端编码器，无法满足关节模组具有严格尺寸和质量限制要求的问题，可以灵活应用于具有严格空间尺寸重量限制的关节模组。
43.实施例二
44.图2a是本发明实施例二提供的一种输出端编码器的结构示意图，本发明实施例在上述实施例的基础上，对各组件的功能进行了进一步的说明。
45.在上述实施例的基础上，所述输出端编码器还包括处理器210；
46.所述驱动板150，用于向所述电容屏140施加驱动信号；
47.所述至少两个接收电极160，用于测量接收到的电荷大小，并将测量到的电荷发送给所述处理器210；
48.所述处理器210，用于根据接收到的至少两个电荷大小，确定所述输出端的旋转角度。
49.可选的，所述驱动板150，具体用于向所述电容屏140施加周期性驱动电流。
50.在本发明实施例中，当导电凸起130位于电容屏140上方时，会改变该处电容屏的电容大小，因此，由驱动板150向电容屏140施加驱动信号，可选的，驱动信号可以是周期性驱动电流，则与电容屏140相连的接收电极160接收到的电荷大小，相比于不存在导电凸起时接收到的电荷大小会发生变化。因此，通过不同接收电极处的电荷大小，即可确定导电凸起的位置，从而确定输出端相对于外壳的旋转角度。
51.在上述实施例的基础上，所述输出端110为空心轴或者实心轴；
52.当所述输出端110为空心轴时，所述电容屏140为环形；
53.当所述输出端110为实心轴时，所述电容屏140为圆形。
54.本实施例的输出端编码器对输出端的结构没有限制，在一些应用场景下，多个关节模组之间需要设置空心轴以供走线，避免线束裸露在外产生的系统可靠性问题，提高机器人的工作稳定性。因此，输出端110可以根据应用场景配置为空心轴以供走线，或者配置
为实心轴。相对应的，电容屏140也可以根据不同的使用场景，使用环形或圆形，环形适用在需要将输出端110配置为空心轴的场景，圆形适用于输出端110配置为实心轴的场景。
55.本实施例的技术方案，通过在输出端表面贴附非导电贴片，并在非导电贴片中设置一个导电凸起，将电容屏与输出端的外壳固定连接，电容屏连接驱动板，以及至少两个接收电极，由驱动板向电容屏施加周期性驱动电流，与电容屏相连的不同接收电极将测量得到的电荷大小发送至处理器，处理器根据不同接收电极处的电荷大小，确定导电凸起的位置，从而确定输出端的旋转角度。解决了现有技术中的输出端编码器，无法满足关节模组具有严格尺寸和质量限制要求的问题，可以灵活应用于具有严格空间尺寸重量限制的关节模组。
56.具体适用场景一
57.图2b是本发明具体适用场景一中的一种输出端编码器的结构示意图，如图2b所示，输出端编码器包括非导电贴片201、电容屏202以及驱动板203。图2c是本发明具体适用场景一提供的一种非导电贴片的结构示意图，如图2c所示，非导电贴片201上嵌装有导电凸起2010。
58.非导电贴片201可以采用塑料贴片，导电凸起2010可以是金属凸起。非导电贴片上嵌装有导电凸起，当驱动板203向电容屏202施加电流时，导电凸起会影响其附近的电容屏的电容，因此可以根据与电容屏相连的接收电极接收到的电荷大小，确定导电凸起的位置，从而确定输出端的旋转角度。
59.实施例三
60.图3是本发明实施例三中的一种关节模组的结构示意图，关节模组310包括电机320、电机端编码器330、减速器340、驱动器350、输出端360以及输出端编码器370，所述输出端编码器为370本发明实施例中任一所述的输出端编码器。
61.电机端编码器330与电机320连接，用于确定电机320的旋转角度，输出端编码器370与输出端360连接，用于确定输出端的旋转角度。需要进行说明的是，本实施例对电机段编码器的具体类型和工作原理不进行限制。
62.电机320与减速器340连接，减速器340与输出端360连接，可选的，减速器340可以为谐波减速器，但本实施例对此不进行限制。
63.驱动器350与电机320连接，可选的，驱动器350可以采用驱控一体驱动器，可以实现驱动和控制的功能。
64.本发明实施例还提供了一种机器人，所述机器人包括本发明实施例中任一所述的输出端编码器，或者本发明实施例中任一所述的关节模组。
65.具体的，所述机器人可以是建筑机器人、工业机器人、外骨骼机器人或者扫地机器人等，但本实施例对此不进行限制。
66.实施例四
67.图4是本发明实施例四提供的一种旋转角度的确定方法的流程图，所述方法可适用于通过输出端编码器测量输出端旋转角度的情况，该方法可以由输出端编码器执行，并可以集成在机器人的关节模组中。
68.相应的，如图4所示，本发明实施例的方法包括：
69.s410、获取与电容屏相连的至少两个接收电极测量得到的电荷数值；所述至少两
个接收电极测量得到的电荷数值与设置在输出端表面的导电凸起的位置相匹配。
70.采用上述实施例所述结构的输出端编码器确定输出端旋转角度时，由输出端编码器的处理器接收不同接收电极测量得到的电荷大小，接收电极的数量为至少两个，但本实施例对接收电极的具体数量和排布方式不进行限制。
71.在本发明实施例中，输出端表面贴附有非导电贴片，非导电贴片中嵌入导电凸起，输出端与电容屏进行相对设置，电容屏与输出端外壳进行固定连接，至少两个接收电极与电容屏进行连接。当关节模组的电机带动输出端旋转时，导电凸起随输出端一起旋转，而电容屏因为与输出端外壳固定连接，因此不随输出端一起旋转。输出端表面的导电凸起会影响电容屏的电容大小，从而导电凸起的位置会影响接收电极测量得到的电荷大小。
72.s420、根据至少两个电荷数值，确定导电凸起的位置，并根据所述导电凸起的位置，确定输出端的旋转角度。
73.根据不同接收电极接收到的电荷数值，可以确定导电凸起的位置，进而可以根据导电凸起的位置，确定导电凸起的当前位置相对于零点位置的旋转角度，即为输出端的旋转角度。
74.采用本发明实施例中的旋转角度的确定方法，不仅结构简单，易于实现，可以满足严格空间尺寸重量限制的要求，并且采用非接触式的方式，不存在机械磨损，受外界温度变化和电磁环境的影响较小。同时，无需电机端编码器的共同参与，可以独自检测输出端的旋转角度。
75.本发明实施例的技术方案，通过在输出端表面设置导电凸起，影响电容屏的电容大小，从而影响与电容屏相连的接收电极测量得到的电荷大小，根据接收电极接收到的电荷数值，确定导电凸起的位置，从而确定输出端的旋转角度。解决了现有技术中的输出端编码器，无法满足关节模组具有严格尺寸和质量限制要求的问题，可以在准确测量输出端旋转角度的同时，灵活应用于具有严格空间尺寸重量限制的关节模组。
76.实施例五
77.图5是本发明实施例五提供的一种旋转角度的确定方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上，对确定导电凸起位置以及确定输出端旋转角度的具体过程进行了进一步的具体说明。
78.相应的，如图5所示，本发明实施例的方法包括：
79.s510、向驱动板发送指令，以指示所述驱动板在电容屏上施加驱动信号。
80.在本发明实施例中，驱动板与电容屏相连，用于向电容屏施加周期性驱动电流。在需要测量输出端旋转角度时，例如输出端掉电时，处理器向驱动板发送指令，驱动板收到指令后，向电容屏施加周期性驱动电流。
81.s520、获取与电容屏相连的至少两个接收电极测量得到的电荷数值。
82.驱动板向电容屏施加周期性驱动电流之后，接收电极测量接收到的电荷大小，并把测量得到的电荷数值发送给处理器。
83.s530、根据至少两个电荷数值，以及预设的电荷数值与导电凸起位置的映射关系，确定导电凸起的位置。
84.在本发明实施例中，处理器预存有电荷数值与导电凸起位置的映射关系，由于导电凸起的位置对电容屏的电容大小有影响，并且接收电极与电容屏固定连接，位置相对不
变，同样对电容屏施加周期性驱动电流，导电凸起到接收电极的距离与接收电极接收的电荷大小相匹配，因此根据接收电极接收到的电荷大小即可确定导电凸起到接收电极的距离。同时根据不同接收电极接收到的电荷大小，即可确定导电凸起的位置。
85.s540、根据所述导电凸起的位置，以及预设的零点位置，计算输出端的旋转角度。
86.在本发明实施例中，可以预先规定导电凸起的零点位置，根据导电凸起的当前位置和零点位置，即可确定导电凸起的旋转角度，也即输出端的旋转角度。
87.本发明实施例的技术方案，通过在输出端表面设置导电凸起，影响电容屏的电容大小，从而影响与电容屏相连的接收电极测量得到的电荷大小，根据接收电极接收到的电荷数值，以及预设的电荷数值与导电凸起位置的映射关系，确定导电凸起的位置，根据导电凸起的位置以及预设的零点位置，确定输出端的旋转角度。解决了现有技术中的输出端编码器，无法满足关节模组具有严格尺寸和质量限制要求的问题，可以在准确测量输出端旋转角度的同时，灵活应用于具有严格空间尺寸重量限制的关节模组。
88.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
89.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。