一种安全编码器以及机器人的制作方法

1.本技术涉及编码器技术领域，特别是涉及一种安全编码器以及机器人。


背景技术：

2.编码器是将数据从一种形式转换为另一种形式的一种设备或过程。在位置感应领域，编码器是一种可以检测机械运动并将其转换为模拟或数字编码的输出信号的设备。
3.而在设备运行过程中，运动执行机构是否已经按照要求做出适当的动作反应，以及执行结果是否达到要求，此时就需要安全编码器进行检测。安全编码器的作用，就是为设备的安全运动提供可靠的位置和速度反馈，配合安全控制系统完成所需的安全功能。当前技术中的安全编码器，多采用传感器冗余的方式进行设计，冗余的传感器能够保证采集的数据的准确，进而实现安全控制。
4.但是该设计中的安全等级较低，其仅能实现传感器的冗余，在数据传输或者数据处理方面没有保护。
5.因此，如何提供一种安全编码器，提高安全控制等级是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供一种安全编码器以及机器人，用于提高安全控制等级。
7.为解决上述技术问题，本技术提供一种安全编码器，包括至少两个编码单元；
8.各编码单元包括：传感器、处理器、通信芯片；
9.所述传感器用于检测电机转子的位置和转速；
10.所述传感器连接所述处理器，以将检测到的电机转子的位置和转速发送至处理器；
11.当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的处理器，以获取其他编码单元采集的电机转子的位置和转速，并根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型；
12.所述信号类型包括安全信号和非安全信号；
13.各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口。
14.优选的，各编码单元中的传感器为采用不同测量原理的传感器。
15.优选的，各编码单元中的处理器间具备时间同步通道和数据交互通道，处理器间按照预设周期进行时间同步，并对传感器发送的电机转子的位置和转速进行同步采样。
16.优选的，各编码单元还包括控制开关；
17.所述通信芯片通过所述控制开关与安全通信接口连接；
18.当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的控制开关，以在检测到其他编码单元中的元件故障时，切断其他编码单元中通信芯片的信号传输。
19.优选的，所述根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安
全通信接口的信号类型包括：
20.记录传感器在预设时间内转子的位置数据，并根据采集的时间推算出转速；
21.判断推算的转速与采集的转速之间的误差是否超出阈值；
22.若是，则发送非安全信号到安全信号接口。
23.优选的，所述根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型包括：
24.若处理器接收到当前编码单元中的传感器和其他编码单元中的传感器检测到的转子位置的误差大于可容许位置差，则发送非安全信号至安全通信接口。
25.优选的，所述根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型包括：
26.若处理器接收到当前编码单元中的传感器和其他编码单元中的传感器检测到的转子速度均在安全速度区间内，则判断两个传感器的检测的转子速度之间的误差是否小于可容许速度差值；
27.若是，则发送安全信号至安全通信接口，并将当前编码单元中的传感器检测的电机转子的位置和转速发送至安全通信接口；
28.若不是，则发送非安全信号至安全通信接口；
29.若处理器接收到当前编码单元中的传感器和其他编码单元中的传感器检测到的转子速度至少存在一个不在安全速度区间内，则发送非安全信号至安全通信接口。
30.优选的，包括两个编码单元；传感器为主传感器和监控传感器；
31.主传感器连接的处理器将接收的数据发送至安全通信总线上；
32.监控传感器连接的处理器监听安全通信总线并接收数据；
33.判断所述数据是否与预期一致，若是，则发送数据的二进制值取反或者将数据的值乘以-1后发送至安全通信总线；
34.若否，则通过控制开关关闭其他编码单元的数据发送。
35.优选的，所述传感器还包括非安全通信输出接口，用于连接驱动器，以反馈电机转子的位置和转速以控制电机。
36.为解决上述技术问题，本技术还提供一种机器人，包括上述的安全编码器。
37.本技术所提供的安全编码器，包括至少两个编码单元；各编码单元包括：传感器、处理器、通信芯片；传感器用于检测电机转子的位置和转速；传感器连接处理器，以将检测到的电机转子的位置和转速发送至处理器；当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的处理器，以获取其他编码单元采集的电机转子的位置和转速，并根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型；信号类型包括安全信号和非安全信号；各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口。
38.相对于当前技术中，安全编码器仅实现传感器的冗余，安全等级较低，采用本技术方案，各编码单元中均包括传感器、处理器和通信芯片，不仅实现传感器的冗余，还实现处理器和通信芯片的冗余，实现了逻辑运算以及信号传输的冗余，各编码单元中的传感器连接，同时获取当前编码单元中的传感器采集的数据和其他编码单元中的传感器采集的数据，在不同的传感器中都能实现对传感器采集的数据的处理，不仅能校验传感器采集数据的准确性，还能保证处理器运算的准确性。并且，各编码单元中的通信芯片连接至同一安全
通信接口，能够保证数据传输的安全，在一个通信通道故障时还能由另一个通道进行信号的传输。本技术方案实现了传感器、处理器和通信芯片的冗余，提高了安全控制等级。
39.此外，本技术所提供的机器人，包括上述的安全编码器，效果同上。
附图说明
40.为了更清楚地说明本技术实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本技术所提供的一种安全编码器的结构图；
42.图2为本技术实施例提供的一种具体的安全编码器的结构图。
具体实施方式
43.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护范围。
44.编码器是将数据从一种形式转换为另一种形式的一种设备或过程。在位置感应领域，编码器是一种可以检测机械运动并将其转换为模拟或数字编码的输出信号的设备。更为确切的描述是，它可以测量位置，而速度、加速度和方向数据则可以从直线或旋转运动的位置信息中得出。
45.而在设备运行过程中，运动执行机构是否已经按照要求做出适当的动作反应，以及执行结果是否达到要求，此时就需要安全编码器进行检测。安全编码器的作用，就是为设备的安全运动提供可靠的位置和速度反馈，配合安全控制系统完成所需的安全功能。
46.当前技术中的安全编码器，多采用传感器冗余的方式进行设计，冗余的传感器能够保证采集的数据的准确，以实现安全控制。但是该设计中的安全等级较低，其仅能实现传感器的冗余，在数据传输或者数据处理方面没有保护。
47.因此，如何提供一种安全编码器，提高安全控制等级是本领域技术人员亟待解决的问题。
48.本技术的核心是提供一种安全编码器以及机器人，用于提高安全控制等级。
49.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
50.图1为本技术所提供的一种安全编码器的结构图，如图1所示，该安全编码器包括至少两个编码单元；
51.各编码单元包括：传感器、处理器、通信芯片；
52.传感器用于检测电机转子的位置和转速；
53.传感器连接处理器，以将检测到的电机转子的位置和转速发送至处理器；
54.当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的处理器，以获取其他编码单元采集的电机转子的位置和转速，并根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型；
55.信号类型包括安全信号和非安全信号；
56.各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口。
57.在具体实施中，安全编码器主要用于配合系统例如自动导向车(automated guided vehicle，agv)中的其他安全设备，实现对系统的安全控制，为设备的安全运动提供可靠的位置和速度反馈，确认运动执行机构是否已经按照要求做出适当的动作反应，以及执行结果是否达到要求，例如：是否停下来了。本实施例提供的安全编码器，除了包括用于反馈安全信号或非安全信号的安全通信接口外，还包括用于反馈电机转子位置和转速的非安全通信接口。在具体实施中，非安全通信接口与安全编码器中的一个传感器连接，接收传感器发送的电机转子的位置和转速，外部与驱动器连接，实现信号反馈以便于电机控制。安全通信接口通常与安全控制器连接，以将安全信号或非安全信号发送至安全控制器，安全控制器即可根据信号类型确认是否停止系统的运行。
58.在提高安全等级的条件下，为了减少成本和资源浪费，安全编码器中可以包括两个编码单元，在具体操作中，两个编码单元中的一个传感器作为主传感器，另一个作为监控传感器。如图1所示，将传感器1作为主传感器，传感器2作为监控传感器，传感器1具备两路输出接口，一路连接至非安全通信接口，另一路连接处理器1。
59.在具体实施中，为了避免共因失效，增加系统的多样性，各编码单元中的传感器为采用不同测量原理的传感器。传感器1可以使用磁性角度编码器芯片，传感器2还可以使用是霍尔传感器、光电式传感器(光源 关电码盘 光敏元件)或其它测量电机转子速度和位置的传感器。
60.本实施例中的处理器用于根据传感器传输的数据确认发送的信号类型。在传感器发送的数据不符合预设条件或者安全编码器中的部件出现故障时，处理器可以发送非安全信号至安全通信接口，外部连接的安全控制器可以根据该信号切断系统的运行，以实现保护功能。处理器在确认发送的信号类型时，具体可以依据：判断传感器1的磁场强度是否超出传感器允许的工作区间，若是则处理器1发送非安全信号到安全通信接口。处理器1和处理器2之间具备数据通道，进行数据交互。数据通道可以是以太网、usb、串口、spi、iic或其它通信总线。
61.在具体实施中，各编码单元中的处理器间具备时间同步通道，各编码单元中的处理器间具备时间同步通道和数据交互通道，处理器间按照预设周期进行时间同步，并对传感器发送的电机转子的位置和转速进行同步采样。完成时间同步后，按固定的周期，分别采集传感器1、2的位置、速度、磁场强度等数据。因为有时间同步，可以认为两个传感器每次都在同一时刻采集。微处理器在每次采集完成后，都通过数据通道，将采集到的数据发送给另一个处理器，这样两个处理器都获得了2个传感器的数据。获取到数据后，处理器可以验证两个传感器采集的数据是否一致以确认发送的信号类型。
62.本技术中的通信芯片1和通信芯片2共用1个安全通信接口，在安全总线上共用一个地址。
63.处理器可以通过控制通信芯片上电、控制通信芯片的使能管脚、控制通信芯片发送管脚与外部总线是否连通、控制通信芯片进入静默模式等方式实现对信号发送与否的控制。
64.在包括两个编码单元的安全编码器中，传感器为主传感器和监控传感器；主传感
器连接的处理器将接收的数据发送至安全通信总线上；监控传感器连接的处理器监听安全通信总线并接收数据；判断数据是否与预期一致，若是，则发送数据的二进制值取反(0变1、1变0)或者将数据的值乘以-1后发送至安全通信总线；若否，则通过控制开关关闭其他编码单元的数据发送。主传感器连接的处理器为主处理器，监控传感器连接的处理器为监控处理器，在具体实施中，可选的，例如主处理器发送的数据为 1，表示非安全信号，则监控处理器在确认数据与预期一致后，发送-1至安全通信总线，安全控制器将两个数据相加为0，则确认两个处理器工作正常，安全控制器根据主处理器发送的信号为根据控制系统的运行。
65.本技术所提供的安全编码器，包括至少两个编码单元；各编码单元包括：传感器、处理器、通信芯片；传感器用于检测电机转子的位置和转速；传感器连接处理器，以将检测到的电机转子的位置和转速发送至处理器；当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的处理器，以获取其他编码单元采集的电机转子的位置和转速，并根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型；信号类型包括安全信号和非安全信号；各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口。
66.相对于当前技术中，安全编码器仅实现传感器的冗余，安全等级较低，采用本技术方案，各编码单元中均包括传感器、处理器和通信芯片，不仅实现传感器的冗余，还实现处理器和通信芯片的冗余，实现了逻辑运算以及信号传输的冗余，各编码单元中的传感器连接，同时获取当前编码单元中的传感器采集的数据和其他编码单元中的传感器采集的数据，在不同的传感器中都能实现对传感器采集的数据的处理，不仅能校验传感器采集数据的准确性，还能保证处理器运算的准确性。并且，各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口，能够保证数据传输的安全，在一个通信通道故障时还能由另一个通道进行信号的传输。本技术方案实现了传感器、处理器和通信芯片的冗余，提高了安全控制等级。
67.在上述实施例的基础上，在本实施例中，各编码单元还包括控制开关；
68.通信芯片通过控制开关与安全通信接口连接；在具体实施中，安全通信接口可以与安全控制器连接；
69.当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的控制开关，以在检测到其他编码单元中的元件例如通信芯片或者处理器故障时，切断其他编码单元中通信芯片的信号传输。
70.如图1所示，在本实施例中，处理器1控制通信芯片2是否能发送数据到安全通信总线上，微处理器2控制通信芯片1。在具体实施中，存在通信芯片故障或者处理器故障的情况，为了避免错误信号的发送，本实施例中的处理器除了与当前编码单元的通信芯片连接外，还与其他编码单元中的控制开关连接。在处理器检测到另一侧处理器或通信芯片故障时，则控制另一侧的通信芯片从安全总线上脱离或无法发送数据，并发送非安全信号到安全通信接口。在具体实施中，可检测的故障包括：超时未执行时间同步、时间同步失败、超时未接收到同步数据、同步数据未通过校验、安全总线上监听到的数据与预期不同、预期时间内未在安全总线上监听到的数据。
71.在具体实施中，根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型包括：
72.记录传感器在预设时间内转子的位置数据，并根据采集的时间推算出转速；
73.判断推算的转速与采集的转速之间的误差是否超出阈值；
74.若是，则发送非安全信号到安全信号接口。
75.还包括：
76.若处理器接收到当前编码单元中的传感器和其他编码单元中的传感器检测到的转子位置的误差大于可容许位置差，则发送非安全信号至安全通信接口。
77.还包括：
78.若处理器接收到当前编码单元中的传感器和其他编码单元中的传感器检测到的转子速度均在安全速度区间内，则判断两个传感器的检测的转子速度之间的误差是否小于可容许速度差值；
79.若是，则发送安全信号至安全通信接口，并将当前编码单元中的传感器检测的电机转子的位置和转速发送至安全通信接口；
80.若不是，则发送非安全信号至安全通信接口；
81.若处理器接收到当前编码单元中的传感器和其他编码单元中的传感器检测到的转子速度至少存在一个不在安全速度区间内，则发送非安全信号至安全通信接口。
82.此外，处理器检测到自身故障时，也可以发送非安全信号到安全通信接口。
83.上述中的可容许位置差等信息，可以预先在处理器1、2中设置安全速度区间、可容许速度差、可容许位置差，并且在两个处理器中设置的数值应一致。
84.本技术还提供安全通信接口的逻辑处理，以安全编码器包括两个编码单元为例，在具体实施中，安全通信接口可以采用符合iec 61784-3标准的安全通信协议，该接口一般用于接入到安全控制器，以实现安全速度监控，进而实现安全减速和安全制动等。通信芯片1和通信芯片2共用1个通信接口，在安全总线上共用一个地址。处理器1控制通信芯片2是否能发送数据到安全总线上，处理器2控制通信芯片1。从处理器开始向传感器采集数据，到两颗处理器完成数据同步，期间处理器不向安全通信接口发送数据。数据在同步时通过crc码等手段进行数据有效性校验。完成数据处理后，处理器1首先发送数据到安全通信总线上；处理器2监听总线并接收到该数据，若与预期一致，则发送该数据的反码到安全通信总线。如果处理器检测到另一侧处理器故障，则控制另一侧的通信芯片从安全总线上脱离或无法发送数据，并发送非安全信号到通信接口。可检测的故障包括：超时未执行时间同步、时间同步失败、超时未接收到同步数据、同步数据未通过校验、安全总线上监听到的数据与预期不同、预期时间内未在安全总线上监听到的数据。
85.图2为本技术实施例提供的一种具体的安全编码器的结构图，如图2所示，传感器1、2均采用磁性角度编码器芯片，例如都使用麦歌恩mt6835，当然如果选择不同品牌不同型号的芯片，可以进一步增加系统多样性。传感器1作为主传感器，且mt6835同时具备abz uvw和spi接口。传感器1的abz uvw接口作为非安全通信接口对外输出。处理器使用stm32h743。处理器1、2使用spi接口分别接入芯片1和芯片2。处理器通过can总线收发器(tja1050)接入can总线，tja1050有1个静默管脚，处理器通过控制该管脚，可控制tja1050进入只收不发的状态。安全总线使用canopen总线协议的cia 304安全子集。
86.此外，本技术还提供一种机器人，包括上述的安全编码器。
87.由于机器人部分的实施例与安全编码器部分的实施例相互对应，因此机器人部分的实施例请参见安全编码器部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
88.本技术所提供的机器人，包括上述的安全编码器，该安全编码器包括至少两个编
码单元；各编码单元包括：传感器、处理器、通信芯片；传感器用于检测电机转子的位置和转速；传感器连接处理器，以将检测到的电机转子的位置和转速发送至处理器；当前编码单元中的处理器连接其他编码单元中的处理器，以获取其他编码单元采集的电机转子的位置和转速，并根据获取的电机转子的位置和转速确认是否通过通信芯片发送至安全通信接口的信号类型；信号类型包括安全信号和非安全信号；各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口。
89.相对于当前技术中，安全编码器仅实现传感器的冗余，安全等级较低，采用本技术方案，各编码单元中均包括传感器、处理器和通信芯片，不仅实现传感器的冗余，还实现处理器和通信芯片的冗余，实现了逻辑运算以及信号传输的冗余，各编码单元中的传感器连接，同时获取当前编码单元中的传感器采集的数据和其他编码单元中的传感器采集的数据，在不同的传感器中都能实现对传感器采集的数据的处理，不仅能校验传感器采集数据的准确性，还能保证处理器运算的准确性。并且，各编码单元中的通信芯片连接至同一安全通信接口，能够保证数据传输的安全，在一个通信通道故障时还能由另一个通道进行信号的传输。本技术方案实现了传感器、处理器和通信芯片的冗余，提高了安全控制等级。
90.以上对本技术所提供的安全编码器以及机器人进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
91.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。