本发明涉及机器人关节的技术领域，尤其是涉及一种复合增量式关节电机位置检测装置及协作机器人。
背景技术：
随着科技的飞速发展，协作机器人在各个行业得到了普遍应用，在生产过程中逐渐取代单调、重复性高、危险性强的工作，极大提高了工作效率。协作机器人的关键组成部分就是一体化关节，它是将无框力矩电机、谐波减速器、位置检测编码器、关节驱动板等集成在一个狭小的空间内，是一个高度集成的部件。
协作机器人的初始启动顺畅与否，直接影响到机器人的实际应用效果。而协作机器人初始启动，即关节的初始启动需要知道关节电机转子的初始位置信息，现在市场上的主流的解决办法有三种：
一种是利用关节末端的绝对式编码器通过减速比换算得到关节电机转子的初始位置信息，由于谐波减速器采用机械齿轮传动，不可避免有传动间隙，这将导致通过关节位置换算得到的关节电机转子位置是不准确的，存在一定的误差，误差大小取决于谐波减速器的性能和选用的绝对式编码器精度，采用选用更高质量性能的谐波减速器和更好精度的绝对编码器，势必带来关节成本的大幅上升；
另一种方式采用转子初始定位高级算法来实现对关节电机初始位置信息的检测，这种方式技术壁垒较高，电机转子初始定位算法大都针对电机无负载启动效果显著，但协作机器人在启动时，各个关节都是带载启动，这使得通过高级的软件算法也难以得到较好的关节启动效果；
还有一种方式是采用两个绝对式编码器来检测关节电机转子的初始位置，但是，不管何种原理(光电式、磁电式、电感式或电容式等)的绝对式编码器结构都较复杂，价格昂贵，安装复杂，且关节内部空间狭小，不利于两个绝对式编码器的设置。
技术实现要素：
本发明提供了一种复合增量式关节电机位置检测装置及协作机器人，上述复合增量式关节电机位置检测装置在带载工况下，能够令协作机器人各关节初始启动顺畅，以便令整个协作机器人顺畅启动，不发生突跳、颤抖等现象；且结构简单、成本低廉、性能可靠。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种复合增量式关节电机位置检测装置，包括：信号处理电路板；固定于协作机器人关节电机轴端面的菲林码盘；固定于信号处理电路板的码盘读数头，码盘读数头包括位于菲林码盘一侧的发光部以及位于菲林码盘另一侧的收光部，码盘读数头用于输出a相脉冲信号、b相脉冲信号以及z相脉冲信号；固定于信号处理电路板的第一光电开关，第一光电开关包括位于菲林码盘一侧的第一发射部以及位于菲林码盘另一侧的第一接收部，第一光电开关用于输出u相脉冲信号；固定于信号处理电路板的第二光电开关，第二光电开关包括位于菲林码盘一侧的第二发射部以及位于菲林码盘另一侧的第二接收部，第二光电开关用于输出v相脉冲信号；固定于信号处理电路板的第三光电开关，第三光电开关包括位于菲林码盘一侧的第三发射部以及位于菲林码盘另一侧的第三接收部，第三光电开关用于输出w相脉冲信号，第一光电开关与第二光电开关之间的电角度夹角为120°或120°的正整数倍，第二光电开关与第三光电开关之间的电角度夹角为120°或120°的正整数倍；固定于信号处理电路板的信号输出接插件。
本发明提供的复合增量式关节电机位置检测装置，安装时，需保证第一光电开关、第二光电开关以及第三光电开关与菲林码盘和码盘读数头无干涉，避免干扰信号的输出。信号处理电路板将码盘读数头输出的a、b、z三路脉冲信号和第一光电开关输出的u相信号、第二光电开关输出的v相信号、第三光电开关输出的w相信号以及电源信号汇总于信号输出接插件，进行对外统一输出。两个相邻的光电开关(例如第一光电开关与第二光电开关、第二光电开关与第三光电开关)之间的机械角度夹角均可通过下列公式计算：
p*θ＝120*k；(1)
在公式(1)中：p为关节电机的极对数，θ为两个相邻的光电开关之间的机械角度夹角，k为正整数。
由公式(1)可推出：
θ＝120*k/p；(2)
因此，通过公式(2)即可计算出两个相邻的光电开关之间所需的机械角度夹角，即：该机械角度夹角为相邻两个光电开关之间的电角度夹角与关节电机的极对数的比值。
关节电机转子初始定位原理为：u、v、w三个脉冲信号每转变化p*360°，电机转子360°空间被分成p等分，每一等分对应电信号一个周期。在每一个360°电角度空间,u、v、w三个脉冲信号按所对应的状态将该空间分成6份。u、v、w三个脉冲信号构成状态信号在一个电信号周期内为010、011、001、101、100、110。他们各对应电信号的60°的区间,对应机械角60°/p。在电机初始上电时,由u、v、w状态可以判定电机转子所处空间位置的相应区间(见下图)，取其中间值作为同步电机的初始值，这使得电机转子初始位置值最大误差不大于30°电角度，该误差值不会影响同步电机初始运转。
根据u、v、w脉冲的高低电平关系就可较准确地估计电动机磁极当前的位置，其对应的机械角度误差为±(30°/p)。由于协作机器人关节为了增大输出能力，均选用无框力矩电机，关节电机的极对数p都较大，比如p＝6或p＝8等。这样使的通过第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关输出的u、v、w三路脉冲信号进行关节电机的初始定位误差在±5°(以p＝6计算)以内，这种误差对于关节电机的初始启动足够使用，可保证关节初始启动顺畅，无跳动、颤抖现象。当关节顺畅启动后，配合菲林码盘，关节电机旋转一周后，即可找到码盘读数头输出的z相脉冲信号，之后便可以利用码盘读数头输出的a相、b相脉冲信号对关节运动进行准确控制。
本发明的设置，在带载工况下，利用三个光电开关输出的u、v、w三路脉冲信号能够获取关节电机的转子初始位置空间范围，从而能够令协作机器人各关节初始启动顺畅，当关节顺利运转起来，利用码盘读数头输出的a、b、z三路脉冲信号，实现关节电机位置的准确获取，保证关节平稳运转，进而实现整个协作机器人的平稳工作，不发生突跳、颤抖等现象，性能可靠；且只需在信号处理电路板上安装三个光电开关，不会占用太多协作机器人的内部空间、结构简单、成本低廉。
优选地，发光部、第一发射部、第二发射部以及第三发射部均位于靠近菲林码盘的正面的一侧。
优选地，码盘读数头通过螺栓与信号处理电路板可拆卸地固定连接；码盘读数头和信号处理电路板上均设置有与螺栓配合的通孔。
优选地，复合增量式关节电机位置检测装置还包括与螺栓配合的垫圈；垫圈用于调节码盘读数头的收光部与菲林码盘的反面之间的距离。
优选地，螺栓与两个垫圈配合，其中：一个垫圈位于螺栓的头部与码盘读数头的发光部之间，另一个垫圈位于码盘读数头的收光部与信号处理电路板之间。
优选地，收光部靠近菲林码盘一侧的表面与菲林码盘的反面之间的距离范围为0.26-0.64mm。
优选地，螺栓为多个。
优选地，码盘读数头与信号处理电路板焊接。
优选地，信号输出接插件与信号处理电路板焊接。
一种协作机器人，包括上述的任一种复合增量式关节电机位置检测装置。
附图说明
图1为本发明实施例提供的复合增量式关节电机位置检测装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的u、v、w三路脉冲信号与电角度以及初始值的关系示意图；
图3为本发明实施例提供的协作机器人的剖视图。
图标：1-信号处理电路板；2-菲林码盘；3-码盘读数头；4-发光部；5-收光部；6-第一光电开关；7-第一发射部；8-第一接收部；9-第二光电开关；10-第二发射部；11-第三光电开关；12-第三发射部；13-信号输出接插件；14-螺栓；15-垫圈；16-固定支架；17-关节外壳体；18-电机轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的复合增量式关节电机位置检测装置结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的复合增量式关节电机位置检测装置，包括：信号处理电路板1；固定于协作机器人关节电机轴端面的菲林码盘2；固定于信号处理电路板1的码盘读数头3，码盘读数头3包括位于菲林码盘2一侧的发光部4以及位于菲林码盘2另一侧的收光部5，码盘读数头3用于输出a相脉冲信号、b相脉冲信号以及z相脉冲信号；固定于信号处理电路板1的第一光电开关6，第一光电开关6包括位于菲林码盘2一侧的第一发射部7以及位于菲林码盘2另一侧的第一接收部8，第一光电开关6用于输出u相脉冲信号；固定于信号处理电路板1的第二光电开关9，第二光电开关9包括位于菲林码盘2一侧的第二发射部10以及位于菲林码盘2另一侧的第二接收部(图中未视出)，第二光电开关9用于输出v相脉冲信号；固定于信号处理电路板1的第三光电开关11，第三光电开关11包括位于菲林码盘2一侧的第三发射部12以及位于菲林码盘2另一侧的第三接收部(图中未视出)，第三光电开关11用于输出w相脉冲信号，第一光电开关6与第二光电开关9之间的电角度夹角为120°或120°的正整数倍，第二光电开关9与第三光电开关11之间的电角度夹角为120°或120°的正整数倍；固定于信号处理电路板1的信号输出接插件13。
本发明提供的复合增量式关节电机位置检测装置，安装时，需保证第一光电开关6、第二光电开关9以及第三光电开关11与菲林码盘2和码盘读数头3无干涉，避免干扰信号的输出。信号处理电路板1将码盘读数头3输出的a、b、z三路脉冲信号和第一光电开关6输出的u相信号、第二光电开关9输出的v相信号以及第三光电开关11输出的w相信号汇总于信号输出接插件13，进行对外统一输出。两个相邻的光电开关(例如第一光电开关6与第二光电开关9、第二光电开关9与第三光电开关11)之间的机械角度夹角均可通过下列公式计算：
p*θ＝120*k；(1)
在公式(1)中：p为关节电机的极对数，θ为两个相邻的光电开关之间的机械角度夹角，k为正整数。
由公式(1)可推出：
θ＝120*k/p；(2)
通过公式(2)即可计算出两个相邻的光电开关之间所需的机械角度夹角，即：该机械角度夹角为相邻两个光电开关之间的电角度夹角与关节电机的极对数的比值。
图2为本发明实施例提供的u、v、w三路脉冲信号与电角度以及初始值的关系示意图，如图2所示，关节电机转子初始定位原理为：u、v、w三个脉冲信号每转变化p*360°，电机转子360°空间被分成p等分，每一等分对应电信号一个周期。在每一个360°电角度空间,u、v、w三个脉冲信号按所对应的状态将该空间分成6份。u、v、w三个脉冲信号构成状态信号在一个电信号周期内为010、011、001、101、100、110。他们各对应电信号的60°的区间,对应机械角60°/p。在电机初始上电时,由u、v、w状态可以判定电机转子所处空间位置的相应区间(见下图)，取其中间值作为同步电机的初始值，这使得电机转子初始位置值最大误差不大于30°电角度，该误差值不会影响同步电机初始运转。
由于u、v、w三路脉冲信号只能推测出转子空间位置的区间范围,不能给出准确的空间位置。而仅凭转子所处位置空间范围是不能实施矢量控制的,因此必须得到准确的位置角。想要完成电机转子位置的初始定位,还需要将电机旋转起来,在检测到电机转子的z相脉冲信号情况下,控制程序实现电机转子位置的适时修正。这时控制系统所反映的角度,才是转子的具体位置。
因此还需检测电机转子的z相脉冲信号，具体过程如下：首先，根据u、v、w脉冲的高低电平关系就可较准确地估计电动机磁极当前的位置，其对应的机械角度误差为±(30°/p)。由于协作机器人关节为了增大输出能力，均选用无框力矩电机，关节电机的极对数p都较大，比如p＝6或p＝8等。这样使的通过第一光电开关6、第二光电开关9、第三光电开关11输出的u、v、w三路脉冲信号进行关节电机的初始定位误差在±5°(以p＝6计算)以内，这种误差对于关节电机的初始启动足够使用，可保证关节初始启动顺畅，无跳动、颤抖现象。然后，当关节顺畅启动后，配合菲林码盘2，关节电机旋转一周后，即可找到码盘读数头3输出的z相脉冲信号，之后便可以利用码盘读数头3输出的a相、b相脉冲信号对关节运动进行准确控制。
本实施例的设置方式，在带载工况下，利用三个光电开关输出的u、v、w三路脉冲信号能够获取关节电机的转子初始位置空间范围，从而能够令协作机器人各关节初始启动顺畅，当关节顺利运转起来，利用码盘读数头3输出的a、b、z三路脉冲信号，实现关节电机位置的准确获取，保证关节平稳运转，进而实现整个协作机器人的平稳工作，不发生突跳、颤抖等现象，性能可靠；且只需在信号处理电路板1上安装三个光电开关，不会占用太多协作机器人的内部空间、结构简单、成本低廉。
其中，第一光电开关6、第二光电开关9以及第三光电开关11的封装均可选用直插式。
另外，菲林码盘2可通过内六角螺丝固定于协作机器人关节电机轴端面。
如图1所示，优选地，发光部4、第一发射部7、第二发射部10以及第三发射部12均位于靠近菲林码盘2的正面的一侧。
本实施例中，由于发光部4、第一发射部7、第二发射部10以及第三发射部12均位于靠近菲林码盘2的正面的一侧，则收光部5、第一接收部8、第二接收部以及第三接收部均位于靠近菲林码盘2的反面的一侧。
这种设置方式，保证了发出脉冲信号的结构件与接收脉冲信号的结构件分别位于菲林码盘2的两侧，避免了不同的脉冲信号之间产生干扰，保证了信号处理电路板1能够接受到每一路脉冲信号，再将其输出给信号输出接插件13，从而统一进行对外从输出。提升了脉冲信号的输出效率，从而提高了复合增量式关节电机位置检测装置的可靠性。
如图1所示，优选地，码盘读数头3通过螺栓14与信号处理电路板1可拆卸地固定连接；码盘读数头3和信号处理电路板1上均设置有与螺栓14配合的通孔。
复合增量式关节电机位置检测装置还包括与螺栓14配合的垫圈；垫圈用于调节码盘读数头3的收光部5与菲林码盘2的反面之间的距离。
螺栓14与两个垫圈配合，其中：一个垫圈位于螺栓14的头部与码盘读数头3的发光部4之间，另一个垫圈位于码盘读数头3的收光部5与信号处理电路板1之间。
本实施例中，先通过螺栓14将码盘读数头3预装在信号处理电路板1上，同时可根据实际工况选用厚度不同的垫圈来调节码盘读数头3的收光部5与菲林码盘2的反面之间的距离，避免码盘读数头3与菲林码盘2发生干涉，最后再将螺栓14拧紧，以将码盘读数头3牢固地安装在信号处理电路板1上。螺栓14和垫圈的设置操作简单、且成本低廉。
优选地，收光部5靠近菲林码盘2一侧的表面与菲林码盘2的反面之间的距离范围为0.26-0.64mm。
本实施例中，码盘读数头3可选择美国u.s.digital公司的em1-1-720-i型读数头，收光部5靠近菲林码盘2一侧的表面与菲林码盘2的反面之间的距离范围为0.26-0.64mm时，码盘读数头3的检测效果最佳。
如图1所示，优选地，螺栓14为多个。
本实施例中，多个螺栓14的设置能够令码盘读数头3更加牢固、稳定地安装在信号处理电路板1上。
优选地，码盘读数头3与信号处理电路板1焊接。
信号输出接插件13与信号处理电路板1焊接。
本实施例中，焊接的设置方式保证了码盘读数头3和信号输出接插件13能够稳定地与信号处理电路板1连接。
图3为本发明实施例提供的协作机器人的剖视图，如图3所示，本发明实施例还提供了一种协作机器人，包括上述的任一种复合增量式关节电机位置检测装置。
本实施例中，复合增量式关节电机位置检测装置通过螺钉固定于固定支架16上，固定支架16通过螺钉将固定在关节外壳体17上，复合增量式关节电机位置检测装置中的菲林码盘2通过六角螺钉固定于电机轴18的端面，随电机轴一起转动。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
1.一种复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，包括：
信号处理电路板；
固定于协作机器人关节电机轴端面的菲林码盘；
固定于所述信号处理电路板的码盘读数头，所述码盘读数头包括位于所述菲林码盘一侧的发光部以及位于所述菲林码盘另一侧的收光部，所述码盘读数头用于输出a相脉冲信号、b相脉冲信号以及z相脉冲信号；
固定于所述信号处理电路板的第一光电开关，所述第一光电开关包括位于所述菲林码盘一侧的第一发射部以及位于所述菲林码盘另一侧的第一接收部，所述第一光电开关用于输出u相脉冲信号；
固定于所述信号处理电路板的第二光电开关，所述第二光电开关包括位于所述菲林码盘一侧的第二发射部以及位于所述菲林码盘另一侧的第二接收部，所述第二光电开关用于输出v相脉冲信号；
固定于所述信号处理电路板的第三光电开关，所述第三光电开关包括位于所述菲林码盘一侧的第三发射部以及位于所述菲林码盘另一侧的第三接收部，所述第三光电开关用于输出w相脉冲信号，所述第一光电开关与所述第二光电开关之间的电角度夹角为120°或120°的正整数倍，所述第二光电开关与所述第三光电开关之间的电角度夹角为120°或120°的正整数倍；
固定于所述信号处理电路板的信号输出接插件。
2.根据权利要求1所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述发光部、第一发射部、第二发射部以及第三发射部均位于靠近所述菲林码盘的正面的一侧。
3.根据权利要求2所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述码盘读数头通过螺栓与所述信号处理电路板可拆卸地固定连接；
所述码盘读数头和所述信号处理电路板上均设置有与所述螺栓配合的通孔。
4.根据权利要求3所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述复合增量式关节电机位置检测装置还包括与所述螺栓配合的垫圈；
所述垫圈用于调节所述码盘读数头的收光部与所述菲林码盘的反面之间的距离。
5.根据权利要求4所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述螺栓与两个所述垫圈配合，其中：
一个垫圈位于所述螺栓的头部与所述码盘读数头的发光部之间，另一个垫圈位于所述码盘读数头的收光部与所述信号处理电路板之间。
6.根据权利要求4所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述收光部靠近所述菲林码盘一侧的表面与所述菲林码盘的反面之间的距离范围为0.26-0.64mm。
7.根据权利要求3-6任一项所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述螺栓为多个。
8.根据权利要求3所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述码盘读数头与所述信号处理电路板焊接。
9.根据权利要求1所述的复合增量式关节电机位置检测装置，其特征在于，所述信号输出接插件与所述信号处理电路板焊接。
10.一种协作机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的复合增量式关节电机位置检测装置。
技术总结