机器人关节模块单圈绝对式编码器与多圈绝对式编码器：如何选择？

在开发人形机器人、协作机械臂和外骨骼时，工程师都知道，准确的关节位置反馈至关重要。绝对值编码器广泛应用于机器人关节模组，因为只要正确配置编码器和控制系统，设备上电后即可立即提供位置信息，无需执行传统的回零程序。

不过，您应该选择单圈绝对值编码器还是多圈绝对值编码器？

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。本文将以 HONPINEHPJM 谐波关节执行器PRO 系列为例，介绍这两种编码器配置的主要区别、它们在实际应用中的表现，以及如何为机器人关节选择合适的方案。

编码器配置选择不当，可能导致断电后位置不明确、机器人姿态错误、站立不稳、需要反复回零，以及手动移动后出现意外的关节位置误差。

关键在于理解一个根本区别：单圈绝对值编码器测量一圈范围内的角位置，而多圈绝对值编码器还会跟踪旋转圈数。不过，断电后是否保留多圈信息，取决于编码器采用的具体存储技术和备用电源方案。

单圈与多圈绝对值编码器有什么区别？

单圈绝对值编码器用于识别一整圈范围内的角位置，通常为 0° 至 360°。它本身无法识别轴已经旋转了多少个完整圈数。

多圈绝对值编码器既能提供一圈范围内的角位置，也能提供累计圈数，使系统能够在其支持的测量范围内确定多圈绝对位置。

单圈绝对值编码器：360° 范围内的位置

单圈绝对值编码器报告轴在一圈范围内的角位置。例如，轴旋转了不同数量的整圈后，可能会出现相同的角度读数。

如果机器人关节受到机械限位，角度活动范围有限，且控制系统能够可靠地确定该范围内的关节位置，那么单圈编码器可能就足够了。

对于许多人形机器人关节，例如膝关节、髋关节、肩关节和躯干俯仰关节，机械行程限位使单圈反馈成为一种实用选择。

多圈绝对值编码器：角位置加圈数

多圈绝对值编码器会跟踪一圈范围内的角位置，以及其支持范围内的旋转圈数。

对于可旋转多圈，或驱动器断电时可能被手动移动的关节，这些附加信息尤其有用。

不过，并非所有多圈编码器都以相同方式保留圈数信息。有些采用非易失性存储或能量采集技术，另一些则依靠备用电池维持电子多圈计数。

对于电池供电的编码器，圈数信息能否保留取决于备用电源是否符合规定的工作条件。如果备用电源失效，根据编码器设计，已存储的圈数可能无法使用。

HONPINE HPJM PRO 系列：两种绝对值编码器配置

HONPINEHPJM 谐波关节执行器PRO 系列提供多种编码器配置，以满足机器人应用的位置反馈要求。其中，两种值得对比的配置是双编码器单圈版本和电池备用供电多圈版本。

重要区别并不只是编码器的数量，而在于主电源断开时，该配置能否保留关节的累计圈数。

HPJM 单圈绝对值编码器关节模组——双编码器版本

硬件配置：根据指定配置，采用双编码器反馈，测量单圈绝对位置，且不提供编码器备用电池接口。

工作原理？

单圈编码器提供一圈范围内的角位置。断电后，它不会保留累计多圈计数。

机器人重新启动时，编码器可以报告当前单圈角度。如果关节仍处于已知的机械行程范围内，且控制器可以根据该读数唯一确定关节位置，系统便可恢复运行位置，无需执行传统的回零程序。

但是，如果关节被手动旋转超过一整圈，或移动至导致单圈读数存在歧义的位置，控制器可能无法仅凭单圈测量结果确定真实的机械位置。

实际工程优势

1. 适用于角度行程有限的关节

对于在明确机械范围内工作的关节，例如 ±180° 或 ±120°，只要机械限位和控制逻辑能够避免位置歧义，单圈反馈就可能提供足够的位置信息。

2. 简化备用电源要求

不带编码器电池接口的配置无需使用编码器备用电池来进行多圈计数，因此可避免与电池备用供电圈数保持功能相关的电池老化和维护问题。

3. 适用于面向量产的机器人关节

当关节机械行程受限，且能够通过单圈反馈可靠地重建其位置时，单圈配置可简化系统架构并降低维护要求。

单圈绝对值编码器的局限性

主要局限在于无法独立保留多圈计数。

如果关节在断电时被手动移动，且移动后相同的单圈读数可能对应多个机械位置，控制器就可能无法确定关节的实际位置。

例如，读数 30° 可能对应 30°、390° 或其他等效角度，具体取决于关节允许的行程范围和参考约定。

这并不意味着每次断电重启都会导致位置误差。只有当机械位置发生变化，且现有单圈反馈和其他参考信息无法消除歧义时，才会产生这种风险。

建议应用

以下应用可考虑采用 HPJM 单圈配置：

• 人形机器人膝关节

• 具有明确机械行程限位的髋关节

• 转动受限的肩关节

• 躯干俯仰关节

• 角度行程有限的协作机器人关节

在预设运动范围内工作的外骨骼关节

对于这些应用，如果机械设计、控制策略和操作流程能够确保可靠地恢复位置，单圈反馈可以是实用的选择。

HPJM 多圈绝对值编码器关节模组——电池备用供电版本

硬件配置：根据指定配置，采用多圈绝对位置反馈，并配有专用的编码器备用电池接口。

工作原理？

电池备用供电多圈配置使用备用电源，在主电源断开时维持电子多圈计数。

如果配置正确，且工作条件符合编码器规定的备用电源要求，编码器便可保留累计圈数，并在重新启动后报告当前单圈角度和多圈位置。

这有助于减少断电重启后的回零或手动位置重建需求，也能使开发流程更加便利。

断电后移动关节是否仍能保留其绝对位置，取决于编码器实际的多圈保持能力、备用电池状态以及允许的测量范围。

实际工程优势

1. 断电后更容易恢复位置

正确保留多圈信息时，控制器重启后可以恢复关节的绝对位置，而不必仅依赖单圈角度。

2. 便于原型开发

在机器人开发过程中，工程师经常调整关节位置、手动引导机构并重复进行运动测试。如果主电源关闭时关节可能旋转多圈，多圈位置保持功能可简化这些工作流程。

3. 更适用于多圈关节

对于需要旋转超过一整圈的关节，多圈反馈能够提供单圈编码器无法独立提供的位置信息。

这对于腕关节或其他设计为连续旋转或多圈运动的旋转机构尤其重要。

电池备用供电多圈编码器的局限性

主要需要考虑的是备用电池维护。

如果电池老化、耗尽，或在规定环境条件下无法提供足够电力，编码器可能会丢失累计圈数。具体表现取决于编码器设计及其故障处理逻辑。

不应默认多圈计数丢失后会自动安全、无缝地切换到单圈运行。控制器必须按照制造商文档的要求，检测并处理任何编码器状态故障或位置有效性故障。

因此，工程师应确认电池寿命、更换周期、低电量诊断、工作温度限制，以及多圈数据失效时的恢复流程。

建议应用

以下应用可考虑采用 HPJM 电池备用供电多圈配置：

需要旋转多圈的机器人关节

在机械限位范围内设计为连续旋转或不受限旋转的腕关节

开发过程中经常需要手动移动的机器人原型

需要反复手动定位的教学和演示系统

断电后移动关节时保留关节位置是重要运行要求的应用

对于任何能够连续旋转的关节，都应确认编码器支持的圈数范围及完整机械设计满足应用要求。

如何为机器人关节选择合适的绝对值编码器？

单圈与多圈绝对值编码器的选择应基于关节机械行程范围、断电期间预期的运动、位置恢复要求和维护策略。

以下情况选择单圈绝对值编码器……

关节具有明确的机械行程范围。

控制系统能够根据现有单圈反馈确定关节的实际位置。

预计系统断电时，关节不会移动到存在歧义的位置。

您希望避免依赖电池进行多圈计数。

应用优先考虑更简单的维护安排。

以下情况选择电池备用供电多圈绝对值编码器……

关节可能旋转多个完整圈。

主电源断开时，关节可能被手动移动。

应用要求重启后仍能获得多圈位置信息。

原型测试涉及频繁手动移动和反复断电重启。

您能够实施适当的电池监测和维护流程。

选择编码器前需要确认的问题

在确定集成式机器人关节执行器的编码器配置前，工程师应确认：

关节的最大机械旋转范围是多少？

主电源关闭时，关节能否被手动移动？

编码器在没有外部备用电源的情况下能否保留多圈信息？

编码器电池耗尽时会发生什么？

控制器是否会在允许运动前验证绝对位置？

编码器发生故障或位置信息丢失后，是否需要执行回零程序？

这些问题有助于避免位置歧义，并提高启动和恢复流程的可靠性。

结论：让编码器匹配关节的机械设计

单圈和多圈绝对值编码器适用于不同的工程需求。

对于角度行程有限的机器人关节，只要机械设计和控制系统能够可靠地确定关节位置，单圈绝对值编码器就是一种实用选择。当需要在断电期间保留累计旋转信息时，尤其是对于多圈关节和涉及频繁手动移动的应用，电池备用供电多圈编码器则更为合适。

对于 HONPINEHPJM 谐波关节执行器 PRO 系列，合适的配置取决于关节的旋转范围、位置保持要求和维护策略。

HONPINE 为人形机器人、协作机械臂、外骨骼和其他精密运动控制应用提供谐波关节执行器。

联系 HONPINE，了解更多 HPJM PRO 系列信息，并选择符合机器人关节设计要求的编码器配置。