Почему в модулях роботизированных шарниров используются два энкодера?

В высокопроизводительной робототехнике шарниры с двумя энкодерами приобретают все большее значение. Однако добавление второго энкодера — это не просто установка еще одного датчика.

На самом деле цель состоит в том, чтобы ответить на два разных вопроса:

Насколько сместился двигатель?

и

Насколько фактически сместился шарнир робота?

В модуле шарнира робота , состоящем из бескаркасного моментного двигателя, прецизионного редуктора, энкодера и выходного фланца, энкодер со стороны двигателя может точно измерять положение и скорость двигателя. Однако на фактический выходной сигнал шарнира все еще могут влиять погрешности передачи, деформация кручения, трение, температурный дрейф, допуски сборки и изменения внешней нагрузки.

Именно поэтому шарнир робота с двумя энкодерами может обеспечить более полную архитектуру обратной связи. Один энкодер контролирует работу двигателя, а другой измеряет выходной сигнал шарнира. Вместе они позволяют контроллеру наблюдать как динамику двигателя, так и фактическое положение шарнира.

Что такое шарнир робота с двумя энкодерами?

Типичная архитектура двойного энкодера в шарнирах робота может быть упрощена следующим образом:

Двигатель → Энкодер со стороны двигателя → Прецизионный редуктор → Энкодер со стороны выхода → Выходной каскад

Энкодер со стороны двигателя устанавливается рядом с ротором двигателя или входным валом. Он в основном обеспечивает высокоскоростную обратную связь для коммутации двигателя, управления с ориентацией поля (FOC), управления скоростью и оценки состояния двигателя.

Выходной энкодер, также известный как энкодер со стороны шарнира, устанавливается после редуктора и измеряет фактическое угловое положение шарнира робота.

Такую архитектуру обычно описывают следующим образом:

• Двойной энкодер

• Двойная обратная связь

• Двухконтурное управление

• Обратная связь со стороны двигателя и со стороны шарнира.

Два энкодера не обязательно должны использовать одну и ту же технологию. В зависимости от области применения, в шарнире робота могут использоваться инкрементальные энкодеры, однооборотные абсолютные энкодеры или многооборотные абсолютные энкодеры.

Почему одного энкодера со стороны двигателя недостаточно?

В обычном шарнире робота с одним энкодером энкодер обычно устанавливается со стороны двигателя.

Контроллер знает положение двигателя и вычисляет теоретическое положение выходного вала в соответствии с передаточным отношением:

θout ≈ θmotor / N

где N — коэффициент уменьшения.

Этот подход хорошо работает, когда трансмиссионная система может считаться достаточно жесткой и предсказуемой.

Однако настоящий шарнир робота не является идеальной жесткой системой передачи.

Редуктор может вносить погрешности в передачу, а гибкие компоненты могут деформироваться под нагрузкой. Подшипники, муфты и выходные фланцы также могут вызывать небольшие механические отклонения. Изменения температуры могут дополнительно влиять как на механическую структуру, так и на измерения энкодера.

Как результат:

Расчетное положение сустава ≠ Фактическое положение сустава

Это различие является одной из главных причин, по которой в высокопроизводительных шарнирах роботов используются энкодеры на выходной стороне.

Дополнительный энкодер может обеспечить дополнительную обратную связь для выявления и компенсации ошибок передачи, особенно в шарнирах роботов, подверженных влиянию гибкости, люфта, трения и других механических возмущений.

Основное преимущество двойных энкодеров: измерение того, что происходит после редуктора.

Главная идея, лежащая в основе двухконтурного энкодерного привода, проста:

Энкодер со стороны двигателя измеряет входное напряжение трансмиссии.

Энкодер на выходной стороне измеряет фактический выходной сигнал шарнира.

Затем контроллер может сравнить два сигнала обратной связи и выявить различия между движением двигателя и движением сустава.

Например, двигатель может повернуться в заданное положение, в то время как выходной фланец останется слегка смещенным из-за деформации кручения, погрешности передачи или механических особенностей, зависящих от нагрузки.

В системе с одним кодировщиком может предполагаться следующее:

Двигатель достиг заданного положения, следовательно, шарнир также достиг заданного положения.

Система с двумя энкодерами может идентифицировать:

Двигатель достиг заданного положения, но на выходе шарнира по-прежнему присутствует ошибка позиционирования.

Это одно из основных преимуществ двухконтурной обратной связи в модулях шарниров роботов.

1. Улучшение управления положением суставов робота.

Одним из главных преимуществ архитектуры с двумя энкодерами является то, что контур позиционирования может использовать обратную связь от фактического выходного сигнала шарнира.

В традиционной системе обратной связи со стороны двигателя контроллер положения в основном отслеживает положение двигателя.

Благодаря двойной обратной связи, архитектура управления позволяет разделить две функции:

Энкодер двигателя → Управление двигателем

Выходной энкодер → Обратная связь по положению сустава

Это позволяет контроллеру регулировать не только двигатель, но и фактическое положение выходного вала после редуктора.

Данная архитектура особенно полезна для:

• Высокоточные шарниры роботов

• Коллаборативные роботы

• Приводы человекоподобных роботов

• Системы точного перемещения

• Поворотные оси ЧПУ

• Высокопроизводительные сервомеханизмы

В приложениях, требующих точного отслеживания траектории, обратная связь по положению на выходе может помочь уменьшить влияние ошибок, связанных с передачей данных, на конечное положение шарнира.

2. Измерение и компенсация погрешности передачи редуктора.

Распространенное заблуждение заключается в том, что двойной энкодер может просто «устранить люфт».

Это технически неверно.

Шарнир робота с двумя энкодерами не устраняет люфт механически. Вместо этого второй энкодер позволяет системе управления измерять разницу между движением со стороны двигателя и со стороны выходного вала и компенсировать часть ошибки передачи с помощью алгоритмов управления.

В зависимости от конструкции редуктора и механического узла, к соответствующим источникам ошибок могут относиться:

• Ошибка передачи

• крутильная деформация

• Гистерезис

• Трение

• Упругая деформация

• Ошибка сборки

• Тепловой дрейф

Сравнивая данные о положении со стороны двигателя и со стороны шарнира, контроллер может построить модель ошибки и применить компенсацию в соответствии с положением шарнира, направлением движения, скоростью, нагрузкой и другими условиями эксплуатации.

Таким образом, более точное описание звучит так:

Использование двух энкодеров позволяет измерять и компенсировать ошибки передачи.

Скорее, чем:

Двойные энкодеры исключают люфт.

Это различие важно при оценке фактической производительности шарнира робота с гармоническим приводом или другого исполнительного механизма на основе прецизионного редуктора.

3. Улучшение обратной связи о фактическом положении суставов.

Высокое разрешение энкодера не означает автоматически высокую точность позиционирования робота.

Следует четко различать три технических понятия:

Разрешение

Разрешение описывает наименьшее приращение положения, которое может различить энкодер.

Например, 23-битный однооборотный энкодер обеспечивает:

2²³ = 8 388 608 отсчетов на оборот

Теоретическое угловое приращение составляет приблизительно:

0,154 угловых секунд на отсчет

Однако это разрешение энкодера, а не общая точность позиционирования шарнира робота.

Точность

Точность описывает, насколько точно измеренное положение соответствует фактическому физическому положению.

Повторяемость

Повторяемость описывает, насколько стабильно система возвращается в одно и то же положение при повторении одного и того же движения.

Поэтому:

Высокое разрешение энкодера ≠ Высокая точность системы

Конечные характеристики шарнира робота зависят от всей системы в целом, включая точность энкодера, погрешность передачи редуктора, биение подшипников, механическую жесткость, тепловые эффекты, калибровку и алгоритмы управления.

Именно поэтому обратную связь от двух энкодеров следует оценивать как часть полной архитектуры управления движением, а не только по количеству бит энкодера.

4. Разделяйте двигательные движения от фактических движений суставов.

Это еще одно важное преимущество архитектуры с двумя энкодерами в шарнирах робота.

Рассмотрим шарнир робота с передаточным отношением 100:1.

Двигатель может вращаться на относительно большой угол, в то время как выходной шарнир вращается лишь на небольшую долю этого угла.

В то же время, редуктор и механическая конструкция могут незначительно деформироваться при изменении внешней нагрузки.

Таким образом, контроллер может вычислить теоретическое положение шарнира на основе показаний энкодера двигателя, но это не обязательно соответствует фактическому положению на выходе.

Выходной энкодер обеспечивает прямую обратную связь со стороны шарнира.

Таким образом, система управления может наблюдать два различных состояния:

Динамика двигателя

и

Динамика суставов

Это различие приобретает все большее значение в высокоскоростном движении роботов, динамических изменениях нагрузки и высокоточном управлении траекторией.

Могут ли двойные энкодеры предотвратить потерю положения после выключения питания?

Ответ:

Они могут помочь, но одних только двойных энкодеров недостаточно для автоматического устранения проблемы с возвратом в исходное положение.

Способность шарнира робота сохранять свое положение после отключения питания зависит главным образом от типа энкодера и многооборотного механизма удержания положения.

Инкрементальный энкодер

Как правило, инкрементальный энкодер не сохраняет информацию об абсолютном положении после отключения питания и может потребовать процедуры приведения в исходное положение или возврата в него.

Однооборотный абсолютный энкодер

Однооборотный абсолютный энкодер может определять угловое положение в пределах одного оборота, но сам по себе он не обеспечивает неограниченную информацию о положении за несколько оборотов.

Многооборотный абсолютный энкодер

Многооборотный абсолютный энкодер может обеспечивать как определение положения за один оборот, так и накопленное положение вращения за несколько оборотов.

Многооборотное удержание положения может быть реализовано с использованием различных технологий, включая системы с резервным питанием от батарей, механические счетные механизмы и технологии удержания положения без батарей.

Например, в энкодере ABZO компании Oriental Motor используется механическая система абсолютного позиционирования без батареи, которая может сохранять информацию о положении после отключения питания.

Следовательно, инженерную взаимосвязь лучше описать следующим образом:

Двойной энкодер + соответствующая многооборотная абсолютная обратная связь → Потенциальное снижение или устранение проблем, связанных с традиционным методом возврата в исходное положение.

скорее, чем:

Двойной энкодер → Автоматически исключает возврат в исходное положение

Могут ли двойные энкодеры повысить функциональную безопасность роботов?

Да, но необходимо сделать важное различие:

Наличие двух энкодеров не означает автоматически наличие резервирования по функциональной безопасности.

Если два энкодера просто подключены к обычному контроллеру без надлежащей диагностики, обнаружения неисправностей и архитектуры безопасности, система не сможет автоматически претендовать на уровни PL d, PL e, SIL 2 или SIL 3.

Ценность двойной обратной связи в приложениях, связанных с безопасностью, заключается в том, что контроллер может сравнивать два разных измерения положения.

Например:

Положение энкодера двигателя ≠ Положение энкодера шарнира

может указывать на:

• Сбой кодировщика

• Механическая неисправность трансмиссии

• Снижение повреждений

• Проблемы с валом или муфтой

• Неожиданное механическое смещение

• Ошибки связи или сигнала

Затем система управления может обнаружить нештатную ситуацию и выполнить соответствующее реагирование на ошибку.

Стандарт IEC 61800-5-3 посвящен энкодерам, обеспечивающим безопасность, а стандарт IEC 61800-5-2 охватывает функции, обеспечивающие безопасность систем привода.

Следовательно, технически корректное утверждение звучит так:

Двойные энкодеры могут поддерживать архитектуру функциональной безопасности, но окончательный уровень PL или SIL зависит от всей системы, связанной с безопасностью, диагностики, архитектуры и валидации.

Как двойные энкодеры соотносятся со стандартами функциональной безопасности?

Функциональная безопасность шарнира робота определяется не одним-единственным энкодером.

Она основана на комплексной системе управления, обеспечивающей безопасность.

К соответствующим стандартам могут относиться:

IEC 61508

Предоставляет общую основу для функциональной безопасности и уровней целостности безопасности (SIL).

МЕК 61800-5-2

Определяет функции безопасности для систем привода силовых агрегатов, включая такие функции, как безопасное отключение крутящего момента (STO) и другие функции безопасности, связанные с приводом.

МЕК 61800-5-3

В документе изложены требования к энкодерам, используемым в системах функциональной безопасности.

EN ISO 13849-1

Рассматриваются аспекты безопасности систем управления и определяются уровни производительности (УП).

ISO 10218-1:2025

Определяет требования безопасности для промышленных робототехнических систем.

ISO 10218-2:2025

Рассматриваются требования безопасности для применения промышленных роботов и роботизированных ячеек.

Ключевой момент заключается в том, что двойной энкодер может быть частью архитектуры обратной связи, связанной с безопасностью, но количество энкодеров само по себе не определяет конечный уровень безопасности.

Необходимо учитывать архитектуру системы, охват диагностики, реагирование на неисправности, защиту от отказов по общей причине и валидацию.

Шарниры робота с двумя и одним энкодером

Выбор между одноканальным и двухканальным энкодером зависит от области применения.

Характеристики: Одиночный энкодер, Двойной энкодер

Обратная связь по положению двигателя Да Да

Прямая обратная связь по положению выходного сигнала. Обычно нет. Да.

Мониторинг ошибок передачи. Ограниченное улучшение.

Двухконтурное управление Ограниченное Да

Компенсация ошибок редуктора Ограниченное улучшение

Многооборотное абсолютное позиционирование Зависит от энкодера Зависит от энкодера

Перекрестная проверка неисправностей Ограниченная Улучшенная

Сложность системы: Ниже, Выше

Стоимость Ниже Выше

Подходит для высокопрочных соединений. Зависит от области применения. Значительное преимущество.

Для роботизированных шарниров, чувствительных к стоимости, или систем, где точность передачи данных уже достаточна, одного энкодера может быть достаточно.

Архитектура с двумя энкодерами становится более привлекательной, когда приложение требует высокой точности позиционирования, компенсации ошибок передачи, расширенного управления движением или дополнительной диагностики положения.

Почему двойные энкодеры используются не во всех шарнирах роботов?

Если двухканальные энкодеры обеспечивают дополнительную обратную связь, почему бы не использовать их повсюду?

Ответ кроется в сложности системы.

Добавление выходного энкодера увеличивает:

• Стоимость спецификации материалов

• Сложность механической интеграции

• Требования к электропроводке

• Требования к проектированию с учетом электромагнитной совместимости

• Требования к калибровке

• Сложность контроллера

• Диагностические требования

• Требования к сборке

Выходной энкодер также может быть чувствителен к ошибкам механической установки.

Эксцентриситет энкодера, биение вала, деформация фланца и ошибки муфты — все это может влиять на измеряемое положение выходного сигнала.

Поэтому цель состоит не в том, чтобы установить как можно больше датчиков.

Цель состоит в том, чтобы использовать подходящую архитектуру обратной связи для обеспечения требуемой производительности шарниров робота.

Типичная архитектура шарнирного соединения робота с двумя энкодерами

Высокопроизводительный шарнир робота можно рассматривать как систему, состоящую из трех основных уровней обратной связи.

Обратная связь со стороны двигателя

Энкодер со стороны двигателя в основном поддерживает:

Коммутация

Управление, ориентированное на поле (FOC)

Регулирование тока и скорости

Обратная связь по положению двигателя

Обратная связь должна быть достаточно быстрой и стабильной для динамического управления двигателем.

Обратная связь со стороны сустава

Основной энкодер на стороне соединения обеспечивает:

• Фактическое положение сустава

• Обратная связь по положению выходного сигнала

• Мониторинг ошибок передачи

• Мониторинг механического состояния

Поскольку он устанавливается после редуктора, он предоставляет информацию, которую невозможно получить непосредственно от энкодера со стороны двигателя.

Контроллер

Контроллер объединяет оба источника обратной связи:

• Положение двигателя → Состояние двигателя

• Выходное положение → Состояние сустава

• Разница в положении → Информация о погрешностях передачи и механических неисправностях

Это создает более полную петлю обратной связи для шарнира робота.

Двойные энкодеры — это не только повышение точности.

Самая важная причина использования двух энкодеров заключается не просто в повышении разрешения энкодера.

Это делается для того, чтобы сделать цель измерения более полной.

Один энкодер в основном измеряет:

• Мотор

• Система с двумя энкодерами измеряет:

• Двигатель + Шарнир

Это позволяет системе управления различать движение двигателя и фактическое движение сустава.

Это различие особенно важно, когда шарнир робота включает в себя высокоточный редуктор с высоким передаточным отношением, такой как гармонический привод или редуктор RV.

В каких случаях следует использовать шарнир робота с двумя энкодерами?

Архитектуру с двумя энкодерами стоит рассматривать в тех случаях, когда шарнир робота требует выполнения одного или нескольких из следующих действий:

Высокоточное позиционирование суставов

Когда конечное положение выходного вала имеет большее значение, чем рассчитанное положение двигателя.

Компенсация ошибок передачи

Когда необходимо измерить и компенсировать ошибки редуктора и механической передачи.

Расширенное управление движением

Когда системе управления требуется точная обратная связь как со стороны двигателя, так и со стороны шарнира.

Абсолютное многооборотное позиционирование

Когда роботу необходимо сохранить информацию о положении суставов после отключения питания.

Диагностика на основе положения

Когда необходимо непрерывно сравнивать положение со стороны двигателя и со стороны сустава для выявления аномального механического поведения.

Архитектура функциональной безопасности

Когда требуется избыточная или перекрестно проверяемая обратная связь по положению в рамках комплексной системы управления, связанной с безопасностью.

Почему обратная связь от двух энкодеров важна для приводов роботов следующего поколения?

Поскольку коллаборативные роботы, человекоподобные роботы и высокопроизводительные промышленные роботы продолжают предъявлять все более высокие требования к точности, скорости реакции и улучшенным диагностическим возможностям, архитектура суставов роботов становится все более сложной.

Традиционная структура:

Двигатель + Редуктор + Энкодер

все больше развивается в направлении:

Двигатель + Энкодер двигателя + Прецизионный редуктор + Энкодер шарнира + Контроллер

Ключевое изменение заключается не просто в добавлении еще одного датчика.

Это переход от оценки положения сустава на основе двигательных движений к непосредственному измерению фактического состояния сустава.

Для шарниров роботов, использующих гармонические редукторы, это различие может быть особенно важным. Прецизионные редукторы обеспечивают высокие передаточные числа, высокую плотность крутящего момента и компактную механическую конструкцию, но на конечные характеристики шарнира все еще влияют погрешность передачи, жесткость на кручение, тепловые эффекты, механические допуски и внешние нагрузки.

Архитектура с двумя энкодерами обеспечивает контроллеру доступ к обеим сторонам цепи передачи.

Это обеспечивает более прочную основу для:

• Высокоточное позиционное управление

• Компенсация ошибок передачи

• Совместный государственный мониторинг

• Двухконтурное управление движением

• Усовершенствованное управление движением робота

• Избранные архитектуры функциональной безопасности

Иными словами, двухканальный энкодер — это не просто «ещё один датчик».

Это создает более полную цепочку обратной связи «вход-передача-выход» внутри шарнира робота.

Для приводов роботов следующего поколения этот переход от оценки положения суставов к прямому измерению их поведения может быть более ценным, чем простое повышение разрешения энкодера.