单编码器与双编码器机器人关节模组有什么区别？

应选择单编码器还是双编码器机器人关节模组？这取决于您的定位要求、传动特性、力控制策略和预算。

双编码器系统可同时测量电机位置和关节实际输出位置。增加的反馈有助于提升控制性能，但要实现这些优势，需要配备合适的硬件、控制算法并进行校准。

本指南将介绍双编码器机器人关节模组的工作原理、单编码器可能足以满足需求的情况，以及双反馈对精度、力估算和功能安全的作用。

什么是双编码器机器人关节模组？

双编码器机器人关节模组通常包含两个角位置传感器，分别位于传动机构的两侧。

电机侧编码器

电机侧编码器测量电机轴上的转子角度，位置在减速器的高速侧。

其反馈通常用于电机换相和速度控制。

输出侧编码器

输出侧编码器测量减速器输出轴或关节输出法兰上的实际输出角度，位置在低速侧。

它直接反馈关节位置，而不是仅依靠根据电机转动计算得出的结果。

两个编码器共同提供电机侧和负载侧的位置信息。配合兼容的控制器，可支持双环控制架构。仅安装两个编码器并不能自动实现双环控制。

双编码器机器人关节模组有哪些主要优势？

主要优势是能够更全面地了解传动机构的运行情况。通过测量实际输出位置，控制器可以减小电机侧编码器无法直接检测到的误差影响。

传动相关定位误差的常见来源包括：

背隙和空程：改变运动方向时，电机运动可能不会立即产生预期的输出运动。

弹性变形：减速器、皮带、联轴器及其他传动部件可能在负载作用下发生扭转。

传动误差：即使标称传动比固定，制造和装配差异也可能导致实际角传动偏离理想状态。

温度和磨损：运行条件和部件状态的变化可能影响传动特性。

采用单个电机侧编码器时，输出角度根据电机位置和减速比估算。减速比定义为电机转数与输出转数之比时：

估算输出角度 = 电机角度 ÷ 减速比

该计算还必须考虑旋转方向和参考偏移。它无法直接测量负载侧挠曲或空程。

提高输出位置控制精度

在典型的双环配置中，输出编码器为外部位置环提供反馈，而电机编码器用于换相和内部速度环。电机电流反馈来自电流检测，而不是编码器本身。

这种配置使控制器能够根据测得的输出位置作出响应，并补偿部分传动相关误差。

不过，双反馈并不能消除所有定位误差。性能仍取决于编码器精度、安装质量、校准、机械特性和控制器调试。

它也无法直接测量输出编码器之后发生的结构挠曲，例如机器人连杆或末端执行器的弯曲。

补偿背隙和弹性变形

将两个编码器的读数转换到相同的参考坐标系后，控制器可以比较由电机推算的输出位置与测得的输出位置。

两者之间的差值有助于识别空程、弹性挠曲和其他传动影响。根据控制策略，这些信息可用于反馈修正或基于模型的补偿。

实际收益是降低定位误差。机械背隙依然存在，仍需在具有代表性的负载和速度下验证换向性能。

适用于特定关节设计的扭矩估算

对于具有已知且经过校准的弹性元件的关节，可利用该元件两端的角变形估算传递扭矩。

因此，双编码器反馈可用于某些柔性关节和串联弹性执行器的扭矩估算。

估算结果取决于刚度模型、编码器精度、摩擦、滞后、温度和动态特性。普通齿轮箱不会仅仅因为两端安装了编码器就自动成为精确的扭矩传感器。

如果需要精确测量扭矩，仍可考虑使用专用关节扭矩传感器。

提供额外的诊断信息

电机侧与输出侧测量值之间出现意外差异，可能表明存在异常情况，例如传动打滑、过度挠曲，或某些传感器及机械故障。

这些比较可用于故障监测，但不能保证检测到所有碰撞或故障。用于安全相关场景时，需要经过验证的诊断和响应策略。

双编码器关节模组是否总是优于单编码器模组？

不是。双编码器可提供额外反馈，但也会增加成本和集成要求。

是否适用，取决于直接测量输出位置能否为具体应用带来显著收益。

如果完整系统能够满足定位、运动和安全要求，单编码器机器人关节模组可能已经足够。

什么情况下单编码器可能足够？

1. 传动误差处于应用容差范围内

选择合适的精密减速器后，采用电机侧反馈也可能获得足够的性能。

不过，低背隙和高刚度是不同的特性。减速器即使背隙极低，在负载作用下仍可能出现明显的扭转挠曲。

应评估减速器的实际规格和负载条件，不要假设所有谐波减速器或RV减速器的性能都相同。

2. 无需输出反馈即可达到所需定位性能

部分搬运、焊接、喷涂和重复性自动化任务采用电机侧反馈即可有效完成。

应在完整机器人上验证结果。仅凭编码器计数无法确定特定的末端执行器精度，例如±0.1 mm。还必须分别评估精度和重复定位精度。

3. 力控制使用其他测量来源

有些系统采用末端执行器六轴力/扭矩传感器测量交互力，而关节主要在位置控制模式下运行。

在这些应用中，可能不需要通过双编码器直接估算关节扭矩。

4. 优先考虑成本和集成简便性

增加第二个编码器可能会提高部件成本，增加机械集成工作、信号处理要求和调试工作量。

实际成本差异取决于编码器技术、模组设计和产量。应根据供应商报价进行评估，而非采用通用百分比。

5. 负载和运行条件具有可预测性

如果负载曲线稳定，且整个运行周期内的传动误差均可接受，那么第二个编码器带来的性能提升可能有限。

运行速度本身并不能决定是否需要双编码器，还必须考虑动态特性和控制稳定性。

示例：移动操作机器人上的力控清洁

设想一台移动操作机器人使用末端执行器六轴力/扭矩传感器来调节清洁接触力。

机器人关节可在位置控制模式下运行，同时由导纳控制器根据测得的接触力调整指令运动。

在此架构下，单编码器关节模组配合合适的减速器可能已经足够，前提是测试确认其跟踪性能、接触力调节和稳定性均可接受。

如果未来需要手动引导示教或关节空间阻抗控制，增加反馈可能会有益。可选方案包括输出编码器、专用关节扭矩传感器，或其他经过验证的感测和估算方法。

应根据预期的控制架构和性能要求作出选择。

单编码器与双编码器机器人关节模组：对比

双编码器如何助力机器人的功能安全？

双反馈可以用于安全架构，但两个编码器并不会自动达到Category 3、PL d、PL e或SIL 3能力。

用于运动控制的位置反馈与功能安全所需的冗余，是相关但不同的设计问题。

1. 通道架构和共因失效

安装在不同位置的两个传感器不一定构成彼此独立的安全通道。它们可能共用电源、电子设备或通信路径，也可能受到相同的环境风险影响。

在相关的ISO 13849-1评估中，采用计分制评估防止共因失效的措施。常见参考门槛是至少65分（满分100分），而不是“CCF ≤65%”。

仅仅采用不同的安装位置或通信协议，并不能证明符合要求。

2. 集成所需的安全功能

安全相关反馈必须集成到完整的传感、逻辑和驱动架构中。

根据应用情况，所需功能可能包括安全停止、速度限制、位置限制或制动器控制。

故障阈值和响应时间必须根据系统要求确定。±0.5°之类的固定编码器偏差限值不应视为通用设置。

对于采用功率和力限制的协作应用，可接受的接触条件取决于受影响的身体部位、接触类型、力和压力等因素。150 N这一单一限值并不是人机安全接触的通用标准。

3. 可靠性和诊断覆盖率

安全评估会考虑架构、部件可靠性、诊断覆盖率和共因失效。

不能简单地将两个编码器的失效率数值并联，就计算出每小时危险失效概率（PFHD）。

作为参考，PL d和PL e对应的PFHD范围如下：

PL d：10⁻⁷ ≤ PFHD < 10⁻⁶ 每小时。

PL e：10⁻⁸ ≤ PFHD < 10⁻⁷ 每小时。

仅达到数值范围并不能确立相应的性能等级；还必须满足其他适用要求。

4. 故障检测和适当的安全响应

设计合理的系统可以利用反馈偏差检测某些故障，并启动相应的响应措施。

不过，仅凭编码器数量无法判断系统是否具有故障安全能力。单个物理编码器也可以包含面向安全相关应用的独立测量通道和诊断功能，前提是与适当的安全控制器集成。

因此，认为每个单编码器系统在发生任何编码器故障后都会失控，或认为每个双编码器系统都能达到特定安全完整性等级，都是不正确的。

为什么双编码器反馈对人形机器人关节有用？

人形机器人包含多个关节，负载不断变化，同时还需满足平衡要求并频繁与环境交互。

这些特性使精确的关节状态反馈十分重要。不过，感测架构因机器人设计而异，不应认为双编码器适用于所有机器人。

更好地观测传动特性

在齿轮传动关节中，电机运动和输出运动可能因背隙、传动误差或弹性变形而不一致。

电机侧编码器只能测量电机位置。输出编码器则能提供关节实际角度的直接信息。

这可以改善机器人控制器获得的关节位置信息。

测量负载相关挠曲

机器人转移自重、脚部着地或搬运外部负载时，其关节和传动部件可能发生挠曲。

有意采用柔顺设计的关节（例如串联弹性执行器）可能会在弹性元件两端出现额外的相对运动。

测量传动机构两侧有助于观测这种行为。结合适当的模型，这些反馈还可能用于控制和估算。

不过，仅使用双编码器并不能确保动态平衡。整体性能还取决于机器人的机械设计、惯性感测、接触信息、状态估算和控制算法。

启动时获取输出绝对位置

绝对值输出编码器可以在上电时报告其测量范围内的关节位置，从而减少归零运动的需要。

这一能力来自编码器的绝对测量技术，而不是来自安装了两个编码器。

单个编码器也可以是绝对值编码器，而双编码器配置也可能使用增量式传感器。

仍需进行校准、必要时跟踪转数，并执行启动检查。仅知道上电时的关节角度，并不能保证人形机器人可以安全站立或开始运动。

如何选择单编码器或双编码器关节模组？

首先根据完整机器人的要求进行评估，然后确定每个关节需要何种反馈。

请考虑以下问题：

需要达到怎样的输出定位精度和重复定位精度？

在预期负载下会产生多少背隙、空程和扭转挠曲？

力控制将采用电机电流估算、弹性元件模型、关节扭矩传感器，还是末端执行器力/扭矩传感器？

控制器是否支持双环运行和适当的调试？

是否需要在启动时获得绝对输出位置？

系统需要提供哪些诊断和安全功能？

性能收益是否足以抵消额外的集成成本？

如果完整系统采用电机侧反馈即可满足要求，单编码器可能是有效的选择。

如果直接测量输出位置能够明显改善定位、传动监测或柔顺关节控制，则值得考虑双编码器机器人关节模组。

如果您正在为新项目选型机器人关节模组，请与HONPINE讨论您的定位目标、负载曲线、力控制策略和反馈要求。