为什么机器人关节模块采用双编码器？

双编码器机器人关节在高性能机器人领域正变得越来越重要。但是，增加第二个编码器并非仅仅是安装另一个传感器那么简单。

真正的目的是回答两个不同的问题：

电机移动了多少距离？

和

机器人关节实际移动了多少距离？

在由无框力矩电机、精密减速器、编码器和输出法兰组成的机器人关节模块中，电机侧编码器可以精确测量电机的位置和转速。然而，关节的实际输出仍会受到传动误差、扭转变形、摩擦、热漂移、装配公差和外部负载变化的影响。

这就是为什么双编码器机器人关节能够提供更完整的反馈架构。一个编码器监测电机侧，另一个编码器测量关节输出侧。它们共同作用，使控制器能够同时观察电机动态和关节实际位置。

什么是双编码器机器人关节？

典型的机器人关节双编码器架构可以简化为：

电机 → 电机侧编码器 → 精密减速器 → 输出侧编码器 → 关节输出

电机侧编码器安装在电机转子或输入轴附近。它主要用于为电机换向、磁场定向控制（FOC）、速度控制和电机状态估计提供高速反馈。

输出端编码器，也称为关节端编码器，安装在减速器之后，用于测量机器人关节的实际角度位置。

这种架构通常被描述为：

• 双编码器

• 双反馈

• 双回路控制

• 电机侧和关节侧反馈

这两个编码器不一定需要采用相同的技术。根据应用的不同，机器人关节可以使用增量式编码器、单圈绝对式编码器或多圈绝对式编码器。

为什么电机侧编码器还不够？

在传统的单编码器机器人关节中，编码器通常安装在电机侧。

控制器知道电机的位置，并根据减速比计算理论输出位置：

θout ≈ θmotor / N

其中 N 为还原率。

当传动系统可以被认为是足够刚性和可预测的时候，这种方法效果很好。

然而，真正的机器人关节并不是理想的刚性传动系统。

减速器可能会引入传动误差，而柔性部件在负载下会发生变形。轴承、联轴器和输出法兰也可能引入微小的机械偏差。温度变化还会进一步影响机械结构和编码器测量结果。

因此：

计算关节位置 ≠ 实际关节位置

这种差异是高性能机器人关节中使用输出端编码器的主要原因之一。

辅助编码器可以提供额外的反馈，用于识别和补偿传动误差，尤其是在受柔性、反冲、摩擦和其他机械干扰影响的机器人关节中。

双编码器的核心优势：测量减速器之后发生的情况

双编码器执行器的核心理念很简单：

电机侧编码器测量变速器的输入侧。

输出端编码器测量实际关节输出。

然后，控制器可以比较这两个反馈信号，并识别电机运动和关节运动之间的差异。

例如，由于扭转变形、传动误差或负载相关的机械行为，电机可能会旋转到指令位置，而输出法兰仍略有位移。

单编码器系统可以假设：

电机已到达指令位置，因此关节也已到达指令位置。

双编码器系统可以识别：

电机已到达指令位置，但关节输出仍存在位置误差。

这是机器人关节模块中双环反馈的基本优势之一。

1. 改进机器人关节位置控制

双编码器架构的主要优势之一是位置环路可以利用来自实际关节输出的反馈。

在传统的电机侧反馈系统中，位置控制器主要观察电机位置。

通过双反馈，控制架构可以将这两个功能分离：

电机编码器 → 电机控制

输出编码器 → 关节位置反馈

这样一来，控制器不仅可以调节电机，还可以调节减速器后的实际输出位置。

这种架构尤其适用于：

• 高精度机器人关节

• 协作机器人

• 人形机器人执行器

• 精密运动系统

• 数控旋转轴

• 高性能伺服机构

对于需要精确轨迹跟踪的应用，输出端位置反馈可以帮助减少传动相关误差对最终关节位置的影响。

2. 测量并补偿减速器传动误差

人们普遍误解双编码器可以简单地“消除反冲”。

严格来说，这种说法并不准确。

双编码器机器人关节并不能从机械上消除反冲。相反，第二个编码器允许控制系统测量电机侧和输出侧运动之间的差异，并通过控制算法补偿部分传动误差。

根据减速器和机械设计的不同，相关的误差来源可能包括：

• 传输错误

• 扭转变形

• 滞后现象

• 摩擦

• 弹性形变

• 汇编错误

• 热漂移

通过比较电机侧和关节侧的位置反馈，控制器可以建立误差模型，并根据关节位置、方向、速度、负载和其他运行条件进行补偿。

因此，更准确的描述是：

双编码器可实现传输误差测量和补偿。

而不是：

双编码器消除反冲。

在评估谐波驱动机器人关节或其他精密减速器执行器的实际性能时，这种区别非常重要。

3. 改进实际关节位置反馈

高编码器分辨率并不一定意味着高机器人定位精度。

应明确区分以下三个技术概念：

解决

分辨率是指编码器能够区分的最小位置增量。

例如，一个 23 位单圈编码器可提供：

2²³ = 每转 8,388,608 次计数

理论角度增量约为：

每次计数 0.154 角秒

然而，这只是编码器分辨率，而不是机器人关节的整体定位精度。

准确性

准确度描述的是测量位置与实际物理位置的接近程度。

重复性

重复性描述的是系统在重复相同动作时，能够多么一致地回到相同位置。

所以：

高编码器分辨率≠ 高系统精度

机器人关节的最终性能取决于整个系统，包括编码器精度、减速器传动误差、轴承跳动、机械刚度、热效应、校准和控制算法。

因此，应该将双编码器反馈作为完整的运动控制架构的一部分进行评估，而不是仅仅根据编码器位数进行评估。

4. 将电机运动与实际关节运动区分开来

这是机器人关节双编码器架构的另一个重要优势。

考虑一个采用 100:1 减速比的机器人关节。

电机可能旋转较大的角度，而输出关节仅旋转该角度的一小部分。

同时，随着外部载荷的变化，减速器和机械结构可能会发生轻微变形。

因此，控制器可以根据电机编码器计算出一个理论关节位置，但这并不一定代表实际的输出位置。

输出编码器提供来自关节侧的直接反馈。

因此，控制系统可以观察到两种不同的状态：

运动动力学

和

关节动力学

这种区别在高速机器人运动、动态负载变化和高精度轨迹控制中变得越来越重要。

双编码器能否防止断电后位置丢失？

答案是：

它们可以有所帮助，但仅靠双编码器并不能自动消除归位。

机器人关节在断电后能否保持其位置主要取决于编码器类型和多圈位置保持机构。

增量编码器

增量式编码器在断电后通常无法保留绝对位置信息，可能需要参考或归位程序。

单圈绝对式编码器

单圈绝对编码器可以识别一圈内的角度位置，但它本身并不能提供无限的多圈位置信息。

多圈绝对编码器

多圈绝对式编码器既可以提供单圈位置，也可以提供多圈累积旋转位置。

多圈定位保持可采用不同的技术实现，包括电池供电系统、机械计数机制和无电池定位保持技术。

例如，东方马达的 ABZO 编码器采用无电池机械绝对位置系统，断电后仍能保留位置信息。

因此，这种工程关系可以更好地描述为：

双编码器 + 适当的多圈绝对反馈 → 可能减少或消除传统归位

而不是：

双编码器 → 自动消除归位

双编码器能否提高机器人功能安全性？

是的，但必须做出一个重要的区别：

两个编码器并不一定意味着功能安全冗余。

如果两个编码器只是简单地连接到传统的控制器，而没有适当的诊断、故障检测和安全架构，则系统不能自动声称具有 PL d、PL e、SIL 2 或 SIL 3 等级。

双反馈在安全相关应用中的价值在于，控制器可以比较两种不同的位置测量值。

例如：

电机编码器位置 ≠ 关节编码器位置

可能表明：

• 编码器故障

• 机械传动故障

• 减少伤害

• 轴或联轴器问题

• 意外的机械位移

• 通信或信号错误

控制系统随后可以检测到异常情况并执行相应的故障响应。

IEC 61800-5-3 涉及安全相关的编码器，而 IEC 61800-5-2 涵盖电力驱动系统的安全相关功能。

因此，从技术角度来说，正确的说法是：

双编码器可以支持功能安全架构，但最终的 PL 或 SIL 能力取决于完整的安全相关系统、诊断、架构和验证。

双编码器与功能安全标准有何关系？

机器人关节的功能安全性并非由单个编码器决定。

它是基于完整的安全相关控制系统。

相关标准可能包括：

IEC 61508

为功能安全和安全完整性等级 (SIL) 提供一般框架。

IEC 61800-5-2

定义动力驱动系统的安全相关功能，包括安全转矩关闭 (STO) 等功能以及其他与驱动相关的安全功能。

IEC 61800-5-3

规定了功能安全应用中使用的安全相关编码器的要求。

EN ISO 13849-1

涉及控制系统的安全相关部分，并定义性能等级（PL）。

ISO 10218-1:2025

规定了工业机器人系统的安全要求。

ISO 10218-2:2025

满足工业机器人应用和机器人单元的安全要求。

关键在于，双编码器可以作为安全相关反馈架构的一部分，但编码器的数量本身并不能决定最终的安全级别。

必须考虑系统架构、诊断覆盖范围、故障响应、共因故障保护和验证。

双编码器与单编码器机器人关节

单编码器和双编码器之间的选择取决于具体应用。

单编码器双编码器

电机位置反馈 是 是

直接输出位置反馈 通常否 是

传输错误监控有限改进

双回路控制 有限 是

减速器误差补偿有限改进

多圈绝对位置取决于编码器 取决于编码器

故障交叉检查有限改进

系统复杂度 低 高

成本较低 较高

适用于高性能连接，应用场景因应用而异，优势显著。

对于成本敏感的机器人关节或传输精度已经足够高的系统，单个编码器可能就足够了。

当应用需要高定位性能、传输误差补偿、高级运动控制或额外的位置诊断时，双编码器架构就更具吸引力了。

为什么并非所有机器人关节都使用双编码器？

如果双编码器能够提供额外的反馈，为什么不到处都使用它们呢？

答案是系统复杂性。

添加输出编码器可增加：

• 物料清单成本

• 机械集成复杂性

• 布线要求

• EMC设计要求

• 校准要求

• 控制器复杂度

• 诊断要求

• 组装要求

输出端编码器也可能对机械安装误差敏感。

编码器偏心、轴跳动、法兰变形和联轴器误差都会影响测量的输出位置。

因此，我们的目标不是安装尽可能多的传感器。

目标是使用合适的反馈架构来实现所需的机器人关节性能。

典型的双编码器机器人关节结构

高性能机器人关节可以理解为三个主要反馈层。

电机侧反馈

电机侧编码器主要支持：

换向

磁场定向控制（FOC）

电流和速度控制

电机位置反馈

对于动态电机控制而言，反馈需要足够快速和稳定。

关节侧反馈

关节侧编码器主要提供：

• 实际关节位置

• 输出位置反馈

• 传输错误监测

• 机械状态监测

由于它是安装在减速器之后的，因此它提供了无法直接从电机侧编码器获得的信息。

控制器

控制器结合了两种反馈源：

• 电机位置 → 电机状态

• 输出位置 → 关节状态

• 位置差 → 传动和机械故障信息

这样就为机器人关节创建了一个更完整的反馈回路。

双编码器不仅仅意味着更高的精度

使用两个编码器的最重要原因不仅仅是为了提高编码器分辨率。

这是为了让测量目标更加完善。

单个编码器主要测量：

• 发动机

• 双编码器系统测量：

• 电机+关节

这样控制系统就能区分电机运动和实际关节运动。

当机器人关节包含高传动比精密减速器（例如谐波驱动器或 RV 减速器）时，这种区别就显得尤为重要。

何时应该使用双编码器机器人关节？

当机器人关节需要以下一项或多项功能时，双编码器架构值得考虑：

高精度关节定位

当最终输出位置比计算出的电机位置更重要时。

传输误差补偿

当需要测量和补偿减速器和机械传动误差时。

高级运动控制

当控制系统需要来自电机和关节两方面的精确反馈时。

绝对多圈定位

当机器人需要在断电后保留关节位置信息时。

基于位置的诊断

当需要持续比较运动侧和关节侧的位置以检测异常机械行为时。

功能安全架构

当需要冗余或交叉检查的位置反馈作为完整安全相关控制系统的一部分时。

为什么双编码器反馈对下一代机器人执行器至关重要？

随着协作机器人、人形机器人和高性能工业机器人对精度、响应速度和诊断能力的要求不断提高，机器人关节架构也变得越来越复杂。

传统结构：

电机 + 减速器 + 编码器

正日益朝着以下方向发展：

电机 + 电机编码器 + 精密减速器 + 关节编码器 + 控制器

关键的变化并非仅仅是增加了一个传感器。

这是从根据运动估计关节位置过渡到直接测量实际关节状态的过程。

对于采用谐波减速器的机器人关节而言，这种区别尤为重要。精密减速器可提供高减速比、高扭矩密度和紧凑的机械结构，但最终关节性能仍会受到传动误差、扭转刚度、热效应、机械公差和外部载荷的影响。

双编码器架构使控制器能够访问传输链的两端。

这将为以下方面奠定更坚实的基础：

• 高精度位置控制

• 传输误差补偿

• 共同国家监测

• 双环运动控制

• 高级机器人运动控制

• 选定的功能安全架构

换句话说，双编码器并非仅仅是“多一个传感器”。

它在机器人关节内部创建了一个更完整的输入-传输-输出反馈链。

对于下一代机器人执行器而言，从估计关节位置到直接测量关节行为的这种转变，可能比简单地提高编码器分辨率更有价值。