[0001] 本发明涉及编码技术领域，特别是涉及编码器、关节模组及绝对角度检测方法。

[0002] 随着自动化技术的发展以及人口老龄化导致的人力成本增加，各种功能的机器人已经出现在了各行各业中，机器人的执行机构通常设有关节模组，以实现执行机构各部分
的相对转动。为了保证机器人关节模组的转动角度的精确性，通常需要对关节模组的转动
角度进行检测，目前机器人广泛采用的角位移传感器有旋转变压器、光电编码器和磁电编
码器。磁电编码器主要由永磁体和磁敏元件组成。磁敏元件能够通过霍尔效应或磁阻效应
感应由永磁体旋转运动造成的空间磁场变化，且能将这一磁场变化转化为电压信号的变
化，并能通过后续的信号处理系统达到对旋转部件角位移检测的目的。相比旋转变压器和
光电编码器，磁电编码器具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击、体积小和成本低等优点，
在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。

[0003] 然而传统的磁电编码器需要采用多个磁敏元件，并需要按一定角度布置，导致结构复杂，成本高。并且永磁体和磁敏元件的安装位置，限制了复杂的关节模组内的空间自由
布局。

[0043] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0044] 具体地，本申请一实施例提供一种编码器，用于在机器人关节模组或其他转动装置中对转动角度进行检测。参阅图1‑2，图1‑2示出了本发明一实施例中的编码器的结构示
意图，具体地，一实施例的编码器包括安装座10、环形磁体20、电路板30以及磁敏元件40，其
中，安装座10用于与旋转部件固定连接，并在旋转部件的驱动下转动，环形磁体20设置在安
装座10上，并能跟随安装座10同步转动。例如安装座10固定连接关节模组的电机输出端，电
机输出端转动带动安装座10转动，从而带动环形磁体20随安装座10同步转动。环形磁体20
沿径向形成有一对磁极，较佳地，环形磁体20可沿径向充磁，从而形成一对沿径向分布的磁
极，环形磁体20用于输出磁信号。电路板30沿环形磁体20的轴向与环形磁体20间隔相向设
置。具体地，间隔相向设置指的是电路板30与环形磁体20面对面设置，并且电路板30与环形
磁体20之间存在一定距离的间隙。磁敏元件40设置于电路板30靠近环形磁体20的一侧上并
与电路板30电性连接，磁敏元件40用于接收磁信号，并根据磁信号的变化输出对应的电压
值信号。

[0045] 具体地，由于环形磁体20转动后沿轴向方向上的磁场分布呈正弦波特点，从而当关节模组在一圈范围内转动时，亦即在环形磁体20转动一圈的一个周期内，环形磁体20沿
轴向方向上能产生呈正弦波特点分布的磁场，由于电路板30以及电路板30上的磁敏元件40
在环形磁体20的轴向方向上与环形磁体20间隔设置，磁敏元件40能根据磁场的强度变化输
出对应的电压值信号，因为磁场分布呈正弦波特点，所以磁敏元件40输出对应的电压信号
的也为正弦波形，根据正弦波形某一点的电压值，以及变化量的正负，利用反正弦函数即可
求出关节模组转过的角度值。

[0046] 具体地，假设关节模组在一圈范围内转动时，磁敏元件40输出的最大电压值为Ymax，在转动过程中，关节模组转过第一角度θa时，磁敏元件40输出对应的电压值记为第一
电压值Ymax，关节模组转过第一角度θa时，磁敏元件40对应输出的电压值记为第一电压值
Ya，关节模组转过第二角度θb时，磁敏元件40对应输出的电压值记为第二电压值Yb。由于环
形磁体20转动后沿轴向方向上的磁场分布呈正弦波特点。磁敏元件40输出的一个电压值
(除了最大电压值)会对应有两个角度值，因此在计算关节模组转过的绝对角度值时，需要
先判断该角度的范围区间。

[0047] 具体地，在本实施例中，可根据第一电压值Ya的正负值以及第二电压值Yb与第一电压值Ya的差值的正负值判断第一角度θa与第二角度θb的范围区间。进一步地，参见图7，
第一电压值Ya为正值，第二电压值Yb与第一电压值Ya的差值为正值时，第一角度与第二角
度的范围区间为0～π/2。当第一电压值Ya为正值，第二电压值Yb与第一电压值Ya的差值为
负值时，第一角度θa与第二角度θb的范围区间为π/2～π。当第一电压值Ya为负值，第二电压
值Yb与第一电压值Ya的差值为负值时，第一角度θa与第二角度θb的范围区间为π～3π/2。当
第一电压值Ya为负值，第二电压值Yb与第一电压值Ya的差值为正值时，第一角度θa与第二
角度θb的范围区间为3π/2～2π。值得说明的是在选取第一角度θa与第二角度θb时，两个角
度之间的间隔需要尽可能的小，以确保判断角度范围区间的准确性。

[0048] 进一步地，当确定第一角度θa与第二角度θb的范围区间后，利用反正弦函数即可计算出第一角度θa与第二角度θb的值。具体地则第一角度θa＝arcsin(Ya/Ymax)；第二角度θb
＝arcsin(Yb/Ymax)。

[0049] 上述编码器通过在环形磁体20充磁一对磁极，并使得环形磁体20与具有磁敏元件40的电路板30在轴向方向上相向设置，从而当关节模组在一圈范围内转动时，亦即在环形
磁体20转动一圈的一个周期内时，环形磁体20能产生呈正弦波特点分布的磁场，磁敏元件
40能根据磁场的变化输出对应的电压值信号，最终利用反正弦函数即可求出关节模组转过
的角度值。相比与传统的复杂的磁电编码器，本申请的编码器通过单个磁敏元件40即可检
测出关节模组的转过的角度值，结构更为简单，成本低。并且通过电路板30与环形磁体20间
隔设置，使得电路板30与环形磁体20之间有足够的空间安装关节模组的其他部件，实现了
关节模组内的空间自由布局，使得关节模组的结构更为合理紧凑。进一步地，参见图3‑5，安
装座10设有第一走线孔11，环形磁体20设有第二走线孔21，电路板30设有第三走线孔31，第
一走线孔11与第二走线孔21相通，第二走线孔21与第三走线孔31相通。通过第一走线孔11、
第二走线孔21以及第三走线孔31，能满足在编码器中自由穿线，相比于传统的实心编码器，
本申请的编码器能满足机器人或关节模组内的自由穿线需求，使得机器人或关节模组的结
构更为合理紧凑。

[0050] 进一步地，参见图1以及图6，编码器还设有分隔件50，分隔件50设置在电路板30与环形磁体20之间，分隔件50分隔电路板30与环形磁体20。分隔件50上用于安装布置关节模
组的其他零部件。进一步地，分隔件50设有第四走线孔51，第四走线孔51与第二走线孔21以
及第三走线孔31相通。第四走线孔51也用于穿设走线。进一步地，分隔件50为非导磁材料，
从而避免分隔件50对环形磁体20产生的磁场造成干扰。结构形状和第四走线孔51的开孔尺
寸不限，可根据产品的装配需求进行设计。较佳地，分隔件50固定在关节模组的壳体内。

[0051] 进一步地，参见图2，磁敏元件40所在的电路板30的表面与环形磁体20表面平行或近似平行设置。其中近似平行指的是，在制造误差与装配误差允许范围内电路板30的表面
与环形磁体20表面存在可忽视的细微夹角。具体地，环形磁体20在与其表面平行的平面上
的磁场分布均呈正弦波特点，通过将磁敏元件40所在的电路板30的表面配置为与环形磁体
20的表面平行，能提高磁敏元件40检测的准确性。

[0052] 进一步地，环形磁体20的旋转轴线经过电路板30，较佳地，环形磁体20的旋转轴线经过电路板30的中心。进一步地，磁敏元件40相对环形磁体20的旋转轴线具有沿环形磁体
20的径向方向上的偏置距离。即磁敏元件40的安装位置不在环形磁体20的旋转轴线，磁敏
元件40的相对环形磁体20的旋转轴线具有一定距离的偏置。由于环形磁体20在旋转轴线上
的磁场强度较弱，沿径向方向远离旋转轴线上的磁场强度较强，因此相比于将磁敏元件40
的安装位置正对环形磁体20的旋转轴线的编码器，本申请的编码器通过将磁敏元件40相对
环形磁体20的旋转轴线偏置一定距离，使得磁敏元件40接收到的磁信号更强，提高编码器
的检测结果的准确性。较佳地，磁敏元件40在环形磁体20的表面所在平面上的投影位于环
形磁体20外，使得磁敏元件40接收到的磁信号更强，进一步提高编码器的检测结果的准确
性。

[0053] 进一步地，磁敏元件40为贴片式线性霍尔元件，贴片式线性霍尔元件与电路板30焊接连接。霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在
各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，
寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

[0054] 进一步地，本申请另一方面还提供一种关节模组，具体地，包括旋转部件、静止部件以及上述任一实施例的编码器，编码器的电路板30设置在静止部件上，编码器的安装座
10与旋转部件连接，从而使得安装座10以及环形磁体20能在旋转部件的驱动下相对电路板
30转动，具体地，旋转部件可以为关节模组内减速机的输出端，静止部件可以为关节模组的
壳体。

[0055] 上述关节模组的编码器通过在环形磁体20充磁一对磁极，并使得环形磁体20与具有磁敏元件40的电路板30相向设置，从而当关节模组在一圈范围内转动时，环形磁体20能
产生呈正弦波特点分布的磁场，磁敏元件40能根据磁场的变化输出对应的电压值信号，最
终利用反正弦函数即可求出关节模组转过的角度值。相比与传统的复杂的磁电编码器，本
申请的编码器通过单个磁敏元件40即可检测出关节模组的转过的角度值。结构更为简单，
成本低，并且通过电路板30与环形磁体20相向设置，电路板30与环形磁体20之间有足够的
间隙安装关节模组的其他部件，实现了关节模组内的空间自由布局，使得关节模组的结构
更为合理紧凑。

[0056] 进一步地，参见图7，本申请另一方面还提供一种绝对角度检测方法，具体地，包括以下步骤：

[0057] S110:安装座10在旋转部件的驱动下带动环形磁体20依次转过第一角度θa与第二角度θb。

[0058] 具体地，将上述编码器的安装座10固定在关节模组的旋转部件上，将电路板30固定在关节模组的静止部件上，从而在关节模组转动时，即可带动环形磁体20相对磁敏元件
40转动。

[0059] S120:磁敏元件40获取环形磁体20转过第一角度θa时的磁信号，并经过A/D转换输出第一电压值Ya。

[0060] 具体地，A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的磁信号转换为时间离散、幅值也离散的电压值信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程，在此不做赘
述。

[0061] S130:磁敏元件40获取环形磁体20转过第二角度θb时的磁信号，并经过A/D转换输出第二电压值Yb；

[0062] 具体地，在选取第一角度θa与第二角度θb时，两个角度之间的间隔需要尽可能的小，以确保检测结果的准确性。

[0063] S140:获取第一角度θa与第二角度θb的范围区间。

[0064] 具体地，参见图7，在获取第一角度与第二角度的角度值区间的步骤中，包括：

[0065] 根据第一电压值的正负值以及第二电压值与第一电压值的差值的正负值判断第一角度与第二角度的角度值区间；

[0066] 当第一电压值为正值，第二电压值与第一电压值的差值为正值时，第一角度与第二角度的范围区间为0～π/2；

[0067] 当第一电压值为正值，第二电压值与第一电压值的差值为负值时，第一角度与第二角度的范围区间为π/2～π；

[0068] 当第一电压值为负值，第二电压值与第一电压值的差值为负值时，第一角度与第二角度的范围区间为π～3π/2；

[0069] 当第一电压值为负值，第二电压值与第一电压值的差值为正值时，第一角度与第二角度的范围区间为3π/2～2π。

[0070] S150:根据范围区间，并利用反正弦函数计算出第一角度θa与第二角度θb的值。

[0071] 具体地，在利用反正弦函数计算出第一角度θa与第二角度θb的值的步骤中，包括以下步骤：

[0072] 获取环形磁体20转动一周过程中，磁敏元件40输出的最大电压值并记为Ymax；则第一角度θa＝arcsin(Ya/Ymax)；第二角度θb＝arcsin(Yb/Ymax)。

[0073] 上述绝对角度检测方法通过环形磁体20转动后沿轴向方向上的磁场分布呈正弦波特点。从而当关节模组在一圈范围内转动时，环形磁体20沿轴向方向上能产生呈正弦波
特点分布的磁场，由于电路板30以及电路板30上的磁敏元件40环形磁体20在轴向方向上间
隔设置，磁敏元件40能根据磁场的强度变化输出对应的电压值信号，因为磁场分布呈正弦
波特点，所以磁敏元件40输出对应的电压信号的也为正弦波形，根据正弦波形某一点的电
压值，以及变化量的正负，利用反正弦函数即可求出关节模组转过的角度值。方法简单有
效，减少了编码器磁敏元件40的数量，使得关节模组结构更为简单，成本低。

[0074] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0075] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

[0076] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0077] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0078] 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。

[0079] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0080] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。