本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)編碼器的領(lǐng)域。明確地說，本發(fā)明涉及絕對旋轉(zhuǎn)編碼器。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)編碼器為測量圍繞編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線的軸桿的角位置的裝置。存在兩個(gè)類型的旋轉(zhuǎn)編碼器：遞增，其確定軸桿的相對位置改變或運(yùn)動(dòng)；和絕對，其確定圍繞編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線的軸桿的絕對位置。絕對旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛地用于一系列應(yīng)用和技術(shù)領(lǐng)域，例如，機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療裝置、望遠(yuǎn)鏡和cnc機(jī)器。

存在許多類型的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器裝置(例如，磁性、電容性、機(jī)械和光學(xué))。對于需要相對高分辨率編碼器的應(yīng)用，光學(xué)和磁性旋轉(zhuǎn)編碼器是最廣泛使用的裝置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器為通常高分辨率且高準(zhǔn)確度裝置，但傾向于昂貴。除了其成本之外，光學(xué)編碼器由于其缺乏穩(wěn)固性也不適合于許多應(yīng)用；其必須精確對準(zhǔn)且特別對例如塵土或水分的污染物敏感，污染物可造成光學(xué)誤差且導(dǎo)致不正確的位置讀數(shù)。磁性編碼器具有比光學(xué)編碼器低的分辨率和準(zhǔn)確度，但更廉價(jià)且更穩(wěn)固。因?yàn)槭褂么判孕盘柖枪鈱W(xué)信號計(jì)算絕對角位置，所以磁性編碼器不會(huì)以光學(xué)編碼器受影響的方式受受到污染的水分或顆粒的存在影響。磁性編碼器因此更好地得多地適合于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境。

存在兩個(gè)主要類型的磁性旋轉(zhuǎn)編碼器：軸上和離軸，其中一些裝置是這兩者的組合。軸上磁性旋轉(zhuǎn)編碼器包括橫向于旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線極化的單個(gè)磁體，和布置于編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線上的磁性傳感器布置。此方法的實(shí)例描述于us7317313b2中。然而，此類裝置具有相對低的分辨率，且組件的布局排除編碼器具有適合于使布線穿過的中空軸桿的可能性。較高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器使用兩個(gè)磁場，例如，us8760153b2的旋轉(zhuǎn)編碼器，除了軸上磁體之外，其還并有離軸磁化的元件。那項(xiàng)發(fā)明的磁化元件為與編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線同軸布置的環(huán)。包括許多磁極對的圓形磁道與旋轉(zhuǎn)軸線同軸地布置于磁化的元件的表面上。

雖然解決了低分辨率的問題，但歸因于軸上磁體的存在，布線仍然不能穿過編碼器的軸桿。完全離軸磁性旋轉(zhuǎn)編碼器通過考慮到在磁化的元件的中心中的孔洞來克服此問題。然而，在不存在軸上磁體的情況下，需要多個(gè)離軸磁道以便達(dá)成高分辨率。離軸磁性旋轉(zhuǎn)編碼器因此包括具有多個(gè)磁道的磁化的元件，每一磁道包括許多磁極對。將多個(gè)磁道平行于編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線布置于磁化的元件的那些表面上(如同us8358124b2的編碼器)，或垂直于旋轉(zhuǎn)軸線布置于磁化的元件的那些表面上(如同us7999536b2的編碼器)。

高分辨率離軸編碼器允許可穿過布線的中空軸桿的可能性。然而，必須維持多個(gè)磁道中的每一個(gè)之間的間隙以便防止個(gè)別磁道的磁場之間的干擾。因此，多個(gè)磁道的使用增大了編碼器的磁化的元件的厚度或?qū)挾龋乙虼嗽龃罅司幋a器的總大小。顯然，存在對于具有足夠高分辨率和緊湊結(jié)構(gòu)的可靠磁性旋轉(zhuǎn)編碼器的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)編碼器，其用于測量圍繞所述旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的絕對旋轉(zhuǎn)，包括：

磁化的元件，其包括相互成角度的第一和第二表面；

提供于所述第一表面上的第一磁道和提供于所述第二表面上的第二磁道，其中所述第一和第二磁道圍繞所述旋轉(zhuǎn)編碼器的所述軸線對向成角度θ，其中每一磁道包括許多磁極對，磁極對由相反磁性極化的兩個(gè)區(qū)域形成，其中每一軌道中的磁極對的數(shù)目不同且具有最大公因數(shù)一；以及

第一和第二磁性傳感器布置，所述第一磁性傳感器布置被布置以檢測所述第一磁道的磁場且所述第二磁性傳感器布置被布置以檢測所述第二磁道的磁場，其中所述磁性傳感器布置圍繞所述旋轉(zhuǎn)編碼器的所述軸線可旋轉(zhuǎn)地耦接至所述磁化的元件。

本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器可確定圍繞編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線的絕對位置。如果磁化的元件將圍繞編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，那么由每一磁性傳感器布置檢測到的磁場將歸因于在每一磁道中的多個(gè)磁極對的存在和隨后的磁性極化變化而波動(dòng)。因?yàn)樵诿恳卉壍乐械脑趪@旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的對向角度θ內(nèi)的每一軌道內(nèi)的極對的數(shù)目(即，磁極對的數(shù)目)不同且具有最大公因數(shù)一，所以組合來自兩個(gè)磁性傳感器布置的測量結(jié)果可給出唯一值，其對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)編碼器的絕對位置。本發(fā)明具有高效架構(gòu)；在磁化的元件的不同表面上的兩個(gè)磁道的布置意味著可以制造小于當(dāng)前可用的編碼器但具有相同分辨率的磁性旋轉(zhuǎn)編碼器。還可制造具有可使電線穿過的中空軸桿的本發(fā)明，所述裝置并不比當(dāng)前可用的裝置有任何大的地方。對于串聯(lián)地接合多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用，這可為有利的。

優(yōu)選地，磁化的元件的第一與第二表面相互垂直。此外，在優(yōu)選實(shí)施例中，磁性傳感器布置垂直于彼此定向。此架構(gòu)確保編碼器的總大小被最小化。

在優(yōu)選實(shí)施例中，每一磁道形成圓弧。取決于所需的測量范圍，弧可完整或不完整。在優(yōu)選實(shí)施例中，弧完整，從而允許圍繞全圓的測量。舉例來說，磁化的元件可優(yōu)選地為圍繞旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線同軸布置的圓環(huán)。此外，在優(yōu)選實(shí)施例中，角度θ等于360度。這些優(yōu)選實(shí)施例的幾何形狀允許編碼器測量通過完全360度范圍的絕對位置，同時(shí)仍然允許具有可使布線穿過的在磁化的元件中的孔洞的選項(xiàng)的小裝置。在優(yōu)選實(shí)施例中，每一傳感器布置包括多個(gè)傳感器。優(yōu)選地，第一磁性傳感器布置中的傳感器圍繞旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線按角距離φ分開，所述角距離φ與第一磁道內(nèi)的極的角寬度相同。類似地，第二磁性傳感器布置中的傳感器可優(yōu)選地圍繞旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線按角距離φ'分開，所述角距離φ'與第二磁道內(nèi)的極的角寬度相同。以此方式，可關(guān)于對應(yīng)的磁道的磁極對合適地定位每一傳感器。

在優(yōu)選實(shí)施例中，第一磁性傳感器布置的傳感器距旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的距離r對第一磁道中的磁極對的數(shù)目n的比率等于第二磁性傳感器布置的傳感器距旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的距離r'對第二磁道中的磁極對的數(shù)目m的比率。以此方式，相同設(shè)計(jì)(確切地說，傳感器之間的相同分隔)的傳感器布置可用于兩個(gè)磁性傳感器布置且關(guān)于第一和第二磁道合適地定位。

優(yōu)選地，傳感器為霍爾傳感器。這些傳感器提供可容易地與其它電子器件集成的可靠的測量結(jié)果。

附圖說明

現(xiàn)將參看附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1說明磁化的元件和磁性傳感器布置的布置；

圖2展示兩個(gè)磁性傳感器布置的示范性輸出讀數(shù)；

圖3說明圍繞編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)編碼器的絕對位置的計(jì)算的方法；

圖4說明在用于機(jī)器人用途的接頭中的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)選實(shí)施例的使用；以及

圖5展示使用絕對旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)選實(shí)施例的機(jī)器人接頭的動(dòng)力學(xué)鏈的示意性平面。

具體實(shí)施方式

參看圖1，展示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器。圍繞編碼器112的旋轉(zhuǎn)軸線測量旋轉(zhuǎn)編碼器的絕對位置。此實(shí)施例的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器包括：磁化的元件100；第一磁道102和第二磁道104；和第一磁性傳感器布置106和第二磁性傳感器布置108。在此實(shí)施例中，絕對旋轉(zhuǎn)編碼器還包括與編碼器112的旋轉(zhuǎn)軸線同軸布置的中空軸桿110。

在此實(shí)施例中的磁化的元件100為圓形磁化環(huán)100，但可使用替代性幾何形狀。圍繞旋轉(zhuǎn)軸線112和中空軸桿110同軸布置磁化環(huán)100，使得中空軸桿110突出于在磁化環(huán)100的中心處的孔洞。磁化環(huán)100壓印有第一磁道102和第二磁道104。在此實(shí)施例中，兩個(gè)磁道102和104為圓形磁道，但可使用替代性幾何形狀。每一磁道102和104壓印于磁化環(huán)100的不同的相互垂直表面上，使得兩個(gè)磁道102和104與旋轉(zhuǎn)軸線112同軸地布置且圍繞旋轉(zhuǎn)軸線112對向成360度的角度。第一磁道102壓印于磁化環(huán)100的具有垂直于編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線112定向的表面法線向量的表面上。第二磁道104壓印于磁化環(huán)100的具有平行于編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線112定向的表面法線向量的表面上。

每一壓印的磁道102和104包括許多磁性極性對，磁極對由相反磁性極化的兩個(gè)區(qū)域形成。第一磁道102中的每一磁極具有極長度(磁極的寬度)d，其對應(yīng)于圍繞旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的角寬度φ。因此，每一磁極對具有極對長度2d。第一磁道102包括n個(gè)磁極對，且第二磁道104包括m個(gè)磁極對；n大于m，且n和m具有最大公因數(shù)1。在優(yōu)選實(shí)施例中，n＝50且m＝47。

軌道104中的每一磁極的極長度隨給定點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)軸的距離而變化。然而，每一極的角寬度恒定于φ'。

第一磁性傳感器布置106和第二磁性傳感器布置108被布置以分別檢測第一磁道102和第二磁道104的磁場。磁性傳感器布置106和108圍繞編碼器的旋轉(zhuǎn)軸線112可旋轉(zhuǎn)地耦接至磁化的元件100。因而，其可圍繞此軸線旋轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，磁性傳感器布置106和108各自包含四個(gè)同等間隔的霍爾傳感器114。磁性傳感器布置106和108中的霍爾傳感器114之間的距離d對應(yīng)于由那個(gè)布置檢測到的磁道內(nèi)的極的角寬度。因而，在第一傳感器布置的情況下，分開霍爾傳感器114的編碼器的圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的角距離為φ，且在第二傳感器布置中為φ'。

在此實(shí)施例中，兩個(gè)傳感器布置中的霍爾傳感器114之間的距離d相同。這簡化了制造。此外，距離d可另外實(shí)質(zhì)上等于表示第一磁道102中的極對的寬度的距離d。第一磁性傳感器布置106被布置以檢測第一磁道102的磁場且被安置使得四個(gè)霍爾傳感器114位于與第一磁道102同心的圓上，所述圓具有2*n*d的周長。類似地，第二磁性傳感器布置108被布置以檢測第二磁道104的磁場且垂直于第一磁性傳感器布置106安置，使得第二磁性傳感器布置108中的四個(gè)霍爾傳感器114位于與磁道104同心的圓上，所述圓具有2*m*d的周長。因而，第一磁性傳感器布置106距旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的距離r對第一磁道102中的磁極對的數(shù)目n的比率等于第二磁性傳感器布置108的距離r'對第二磁道104中的磁極的數(shù)目m的比率(r:n等于r':m)。對于磁道102和104不形成全圓的實(shí)施例，所述關(guān)系可同理適合。

圖1中展示的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器測量圍繞旋轉(zhuǎn)軸線112的絕對位置。磁化的元件100關(guān)于磁性傳感器布置106和108圍繞旋轉(zhuǎn)軸線110旋轉(zhuǎn)。隨著磁化的元件100旋轉(zhuǎn)，磁性傳感器布置106和108分別檢測來自磁道102和104的磁場的改變。在每一磁極對內(nèi)，取決于四個(gè)霍爾傳感器114關(guān)于磁極對的位置，由相應(yīng)磁性傳感器布置檢測到的磁場將改變。隨著磁化的元件100旋轉(zhuǎn)，來自每一磁性傳感器布置的輸出從零變化到最大讀數(shù)h_max。當(dāng)達(dá)到下一個(gè)磁極對且重復(fù)型樣時(shí)，輸出然后下降到零，其中隨著磁化的元件100繼續(xù)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線112旋轉(zhuǎn)，輸出增大到h_max。

在此實(shí)施例中，磁性傳感器布置106的傳感器輸出將具有n個(gè)重復(fù)型樣(a1、a2到an)，且磁性傳感器布置108的傳感器輸出將具有m個(gè)重復(fù)型樣(b1、b2到bm)。來自兩個(gè)磁性傳感器布置106和108的實(shí)例輸出展示于圖2中。歸因于兩個(gè)磁道102和104的存在，在不同數(shù)目個(gè)磁極對的情況下，可確定圍繞旋轉(zhuǎn)軸線112的編碼器的絕對角度；每一角位置與磁性傳感器布置輸出的唯一組合相關(guān)。

磁道102和104可連續(xù)地壓印于磁化的元件100上。優(yōu)選地，兩個(gè)圓形磁道102和104的中心應(yīng)與磁化環(huán)100的中心緊密對準(zhǔn)。然而，實(shí)際上，可存在在制造期間引起的輕微變化，從而使兩個(gè)磁道102和104并不很精確地同心和與磁化環(huán)100對準(zhǔn)。在磁道102和104的定位中的此不完美影響磁性傳感器布置106和108的輸出。優(yōu)選實(shí)施例的絕對旋轉(zhuǎn)編碼器可因此如下校準(zhǔn)。

磁性傳感器布置106和108的輸出之間的信號差異s_diff為具有多個(gè)循環(huán)的階躍函數(shù)。假定p_1為磁性傳感器布置106的傳感器輸出，且p_2為磁性傳感器布置108的傳感器輸出，信號差異s_diff計(jì)算如下：

s_diff＝p_1-(n/m)*p_2，如果p_1-(n/m)*p_2>b_threshold

s_diff＝p_1-(n/m)*p_2+h_max*(n/m)，否則

其中b_threshold為接近0的數(shù)且h_max為最大傳感器讀數(shù)。

在每一循環(huán)中存在n個(gè)步驟，且存在n-m個(gè)循環(huán)。階躍函數(shù)的這些多個(gè)循環(huán)展示于圖3中。如果磁化的元件100和磁道102和104在制造期間精確且準(zhǔn)確地對準(zhǔn)，那么每一循環(huán)中的信號差異s_diff將相同。然而，兩個(gè)磁道102和104的同心度的變化意味著在每一步驟的信號輸出在循環(huán)之間稍微不同。對于每一步驟1到n，找出在n-m個(gè)循環(huán)上的平均信號差異；這過程在每一步驟給出針對信號差異的參考線r_i(對于i＝1到n、r_1、r_2到r_n)。為了確定給定信號差異步驟s_t等于哪一位置，可找出信號差異s_t與參考線r_i(對于i＝1到n)之間的誤差；誤差最小化的r_i為用于s_t的最可能的參考線。

圖4展示在用于機(jī)器人用途的接頭450中的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的使用。將機(jī)動(dòng)變速箱耦接到磁化的元件400和中空軸桿410。磁性傳感器布置可旋轉(zhuǎn)地耦接到磁化的元件400。磁性傳感器布置406和408可布置于印刷電路板416和連接到其它電子器件的霍爾傳感器114上。旋轉(zhuǎn)的編碼器可放置于外殼422中且通過接口424控制。

本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器較之先前旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)。歸因于在磁化的元件100的不同表面上的磁道102和104的偏移，優(yōu)選實(shí)施例的磁化環(huán)100可在直徑上比相同分辨率的常規(guī)磁性旋轉(zhuǎn)編碼器小。替代地，磁化的元件100可在中心中具有布線可穿過的孔洞，旋轉(zhuǎn)編碼器的大小并不增大來容納孔洞。較小旋轉(zhuǎn)編碼器意味著針對相同功能性，裝置稱重較小，因此降低了材料和運(yùn)輸成本。

本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器中的一或多個(gè)可串聯(lián)使用以形成機(jī)器人臂560，如圖5所示。圖5示意性地說明機(jī)器人臂中的不同接頭550的位置和定向，其中所述接頭為圖4的接頭450。

用于醫(yī)療使用的機(jī)器人裝置為圖5中展示的機(jī)器人臂560的示范性使用。機(jī)器人裝置可包括機(jī)器人臂，且手術(shù)裝置可耦接到機(jī)器人臂的一端。附接裝置可耦接到機(jī)器人臂的另一端以允許安裝機(jī)器人裝置供在外科手術(shù)中使用。

在外科手術(shù)中，手術(shù)器械必須準(zhǔn)確地定位且常常在延長的時(shí)間段內(nèi)維持于穩(wěn)定位置中。在傳統(tǒng)外科手術(shù)中，護(hù)士可在外科醫(yī)生的監(jiān)督下穩(wěn)定地拿著器械。然而，此過程低效且可導(dǎo)致在手術(shù)器械的定位中的不精確性。一個(gè)解決方案是使用具有多個(gè)接頭的機(jī)械支撐臂，接頭由手動(dòng)、電磁、氣動(dòng)或液壓控制器致動(dòng)。然而，機(jī)械支撐臂不能反饋器械的精確位置。此外，歸因于有效負(fù)載限制，機(jī)械支撐臂不能拿著許多器械。為了具有準(zhǔn)確的定位信息或較高有效負(fù)載，需要較重機(jī)器人臂，例如，davinci手術(shù)機(jī)器人臂。然而，此類裝置昂貴，不是便攜式且需要在使用前培訓(xùn)。

在如上所述的機(jī)器人裝置中，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器可確定在每一接頭處的絕對角測量。組合每一接頭的角度測量與每一臂段的預(yù)定義的長度，可計(jì)算醫(yī)療器械的位置和定向。外科醫(yī)生可然后預(yù)定義用于器械的受限工作空間，使得如果器械超出受限工作空間的邊界，那么臂將鎖定。

雖然在以上描述的優(yōu)選實(shí)施例中，磁道102和104形成完整的圓，從而允許大約360度的測量，但替代性實(shí)施例可被設(shè)計(jì)成在特定范圍內(nèi)測量。因而，磁道102和104延伸穿過完整圓是不必要的。舉例來說，在一些實(shí)施例中，每一磁道可形成圓弧的段。然而，因?yàn)樵趪@旋轉(zhuǎn)編碼器的軸線的對向角度θ內(nèi)的每一軌道中的磁極對的數(shù)目不同且具有最大公因數(shù)一，所以唯一地識別相關(guān)范圍內(nèi)的每一位置保持著可能。

其它變化和修改將對技術(shù)人員顯而易見。此類變化和修改可涉及已知且可代替本文中描述的特征使用或除了本文中描述的特征外還使用的等效和其它特征。在單獨(dú)實(shí)施例的上下文中描述的特征可以組合地提供于單個(gè)實(shí)施例中。相反地，在單個(gè)實(shí)施例的上下文中描述的特征也可以單獨(dú)地或以任何子組合提供。應(yīng)注意，術(shù)語“包括”不排除其它元件或步驟，術(shù)語“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)，單個(gè)特征可履行在權(quán)利要求書中敘述的若干特征的功能，且權(quán)利要求書中的參考符不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求書的范圍。還應(yīng)注意，所述圖未必按比例；取而代之，通常對說明本發(fā)明的原理進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。