为什么机器人关节模块使用双编码器？

双编码器机器人关节在高性能机器人领域正变得愈发重要。但增加第二个编码器并非只是再安装一个传感器那么简单。

其真正目的在于回答两个不同的问题：

电机移动了多少？

以及

机器人关节实际移动了多少？

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组中，电机侧编码器可精确测量电机位置和速度。然而，实际关节输出仍可能受到传动误差、扭转变形、摩擦、热漂移、装配公差和外部负载变化的影响。

这正是双编码器机器人关节能够提供更完整反馈架构的原因。一个编码器监测电机侧，另一个则测量关节输出侧。二者结合，使控制器能够同时观察电机动态和实际关节位置。

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。它主要为电机换相、磁场定向控制（FOC）、速度控制和电机状态估算提供高速反馈。

输出侧编码器也称关节侧编码器，安装在减速器之后，用于测量机器人关节的实际角位置。

这种架构通常称为：

• 双编码器

• 双反馈

• 双环控制

• 电机侧和关节侧反馈

两个编码器不一定必须采用相同技术。根据应用不同，机器人关节可采用增量式编码器、单圈绝对式编码器或多圈绝对式编码器。

为什么仅有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。

控制器获知电机位置，并根据减速比计算理论输出位置：

θout ≈ θmotor / N

其中 N 为减速比。

当传动系统可视为具有足够刚性且可预测时，该方法效果良好。

然而，实际机器人关节并非理想的刚性传动系统。

减速器可能引入传动误差，而柔性部件会在负载下变形。轴承、联轴器和输出法兰同样可能造成微小机械偏差。温度变化还可能进一步影响机械结构和编码器测量结果。

因此：

计算的关节位置 ≠ 实际关节位置

这种差异是高性能机器人关节采用输出侧编码器的主要原因之一。

第二编码器可提供额外反馈，用于识别和补偿传动误差，尤其适用于受柔性、背隙、摩擦及其他机械扰动影响的机器人关节。

双编码器的核心优势：测量减速器之后发生的情况

双编码器执行器背后最重要的概念很简单：

电机侧编码器测量传动系统的输入侧。

输出侧编码器测量实际关节输出。

控制器随后可比较两个反馈信号，并识别电机运动与关节运动之间的差异。

例如，电机可能已转至指令位置，但由于扭转变形、传动误差或负载相关的机械行为，输出法兰仍存在轻微位移。

单编码器系统可能会假定：

电机已到达指令位置，因此关节也已到达指令位置。

双编码器系统则能够识别：

电机已到达指令位置，但关节输出仍存在位置误差。

这是机器人关节模组中双环反馈的根本优势之一。

1. 改善机器人关节位置控制

双编码器架构的主要优势之一，是位置环可使用实际关节输出的反馈。

在传统电机侧反馈系统中，位置控制器主要监测电机位置。

采用双反馈时，控制架构可将两项功能分开：

电机编码器 → 电机控制

输出编码器 → 关节位置反馈

这使控制器不仅能够调节电机，也能调节减速器后的实际输出位置。

该架构尤其适用于：

• 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

• CNC 旋转轴

• 高性能伺服机构

对于要求精确轨迹跟踪的应用，输出侧位置反馈有助于减小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

一种常见误解是，双编码器可以简单地“消除背隙”。

从技术角度看，这并不准确。

双编码器机器人关节并不能从机械上消除背隙。相反，第二个编码器使控制系统能够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，相关误差来源可能包括：

• 传动误差

• 扭转变形

• 滞后

• 摩擦

• 弹性变形

• 装配误差

• 热漂移

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

因此，更准确的描述应为：

双编码器支持传动误差的测量和补偿。

而不是：

双编码器消除背隙。

在评估谐波传动机器人关节或其他基于精密减速器的执行器实际性能时，这一区别至关重要。

3. 改善实际关节位置反馈

高编码器分辨率并不自动意味着高机器人定位精度。

应清晰区分以下三个技术概念：

分辨率

分辨率描述编码器可辨别的最小位置增量。

例如，23 位单圈编码器可提供：

2²³ = 每转 8,388,608 个计数

理论角度增量约为：

每个计数 0.154 角秒

然而，这只是编码器分辨率，并非机器人关节的整体定位精度。

精度

精度描述测量位置与实际物理位置的接近程度。

重复精度

重复精度描述在重复相同运动时，系统返回同一位置的一致性。

因此：

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完整系统，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。

这就是为何双编码器反馈应作为完整运动控制架构的一部分进行评估，而不能仅依据编码器位数判断。

4. 将电机运动与实际关节运动分离

这是机器人关节双编码器架构的另一项重要优势。

以采用 100:1 减速比的机器人关节为例。

电机可能旋转相对较大的角度，而输出关节仅旋转该角度的一小部分。

与此同时，减速器和机械结构可能会随着外部负载变化而发生轻微变形。

因此，控制器可根据电机编码器计算理论关节位置，但这不一定代表实际输出位置。

输出编码器直接提供来自关节侧的反馈。

因此，控制系统可观察两种不同状态：

电机动态

以及

关节动态

在高速机器人运动、动态负载变化和高精度轨迹控制中，这一区别变得愈发重要。

双编码器能否防止断电后位置丢失？

答案是：

它们可以提供帮助，但双编码器本身并不会自动消除回零需求。

机器人关节能否在断电后保留其位置，主要取决于编码器类型和多圈位置保持机制。

增量式编码器

增量式编码器通常无法在断电后保留绝对位置信息，可能需要参考点或回零程序。

单圈绝对式编码器

单圈绝对式编码器可识别一圈内的角位置，但其本身无法提供无限的多圈位置信息。

多圈绝对式编码器

多圈绝对式编码器可提供单圈位置以及跨多圈的累积旋转位置。

多圈位置保持可通过不同技术实现，包括电池供电系统、机械计数机构和无电池位置保持技术。

例如，Oriental Motor 的 ABZO 编码器采用无电池机械式绝对位置系统，能够在断电后保留位置信息。

因此，更适合的工程关系描述为：

双编码器 + 合适的多圈绝对反馈 → 可能减少或消除传统回零

而不是：

双编码器 → 自动消除回零

双编码器能否提升机器人功能安全？

可以，但必须作出一个重要区分：

两个编码器并不自动意味着具备功能安全冗余。

如果两个编码器仅连接至传统控制器，而没有适当的诊断、故障检测和安全架构，系统不能自动宣称达到 PL d、PL e、SIL 2 或 SIL 3。

双反馈在安全相关应用中的价值在于，控制器可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

可能表示：

• 编码器故障

• 机械传动故障

• 减速器损坏

• 轴或联轴器问题

• 意外机械位移

• 通信或信号错误

控制系统随后可检测异常状态并执行适当的故障响应。

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

因此，技术上正确的表述是：

双编码器可支持功能安全架构，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？

机器人关节中的功能安全并非由单个编码器决定。

它基于完整的安全相关控制系统。

相关标准可能包括：

IEC 61508

提供功能安全和安全完整性等级（SIL）的通用框架。

IEC 61800-5-2

定义电力驱动系统的安全相关功能，包括安全扭矩关闭（STO）等驱动相关安全功能。

IEC 61800-5-3

规定功能安全应用中使用的安全相关编码器要求。

EN ISO 13849-1

涉及控制系统的安全相关部件，并定义性能等级（PL）。

ISO 10218-1:2025

规定工业机器人系统的安全要求。

ISO 10218-2:2025

涉及工业机器人应用和机器人单元的安全要求。

关键在于，双编码器可作为安全相关反馈架构的一部分，但编码器数量本身并不决定最终安全等级。

必须综合考虑系统架构、诊断覆盖率、故障响应、共因失效防护和验证。

双编码器与单编码器机器人关节对比

单编码器和双编码器之间的选择取决于应用。

特性 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

传动误差监测 有限 改善

双环控制 有限 是

减速器误差补偿 有限 改善

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 改善

系统复杂度 较低 较高

成本 较低 较高

适用于高性能关节 取决于应用 优势显著

对于成本敏感型机器人关节，或传动精度已足够的系统，单编码器可能已足够。

当应用需要高定位性能、传动误差补偿、先进运动控制或额外位置诊断时，双编码器架构更具吸引力。

为什么并非每个机器人关节都采用双编码器？

如果双编码器可提供额外反馈，为什么不在所有场景中使用？

答案是系统复杂度。

增加输出编码器会提高：

• BOM 成本

• 机械集成复杂度

• 布线要求

• EMC 设计要求

• 校准要求

• 控制器复杂度

• 诊断要求

• 装配要求

输出侧编码器也可能对机械安装误差较为敏感。

编码器偏心、轴跳动、法兰变形和联轴器误差都会影响测得的输出位置。

因此，目标并不是尽可能安装更多传感器。

目标是针对所需机器人关节性能采用正确的反馈架构。

典型双编码器机器人关节架构

高性能机器人关节可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：

换相

磁场定向控制（FOC）

电流和速度控制

电机位置反馈

该反馈需要足够快速且稳定，以满足动态电机控制需求。

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

• 传动误差监测

• 机械状态监测

由于其安装在减速器之后，因此可提供无法直接从电机侧编码器获得的信息。

控制器

控制器结合两种反馈来源：

• 电机位置 → 电机状态

• 输出位置 → 关节状态

• 位置差 → 传动和机械误差信息

这为机器人关节构建了更完整的反馈回路。

双编码器的意义不止于更高精度

使用两个编码器最重要的原因，并不只是提高编码器分辨率。

而是使测量对象更加完整。

单编码器主要测量：

• 电机

• 双编码器系统测量：

• 电机 + 关节

这使控制系统能够区分电机运动和实际关节运动。

当机器人关节包含谐波减速器或 RV 减速器等大减速比精密减速器时，这一区别尤具价值。

何时应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，值得考虑双编码器架构：

高精度关节定位

当最终输出位置比计算得到的电机位置更重要时。

传动误差补偿

当需要测量并补偿减速器和机械传动误差时。

先进运动控制

当控制系统需要来自电机侧和关节侧的精确反馈时。

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

当需要持续比较电机侧和关节侧位置，以检测异常机械行为时。

功能安全架构

当完整安全相关控制系统的一部分需要冗余或交叉检查的位置反馈时。

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持续要求更高精度、更快响应和更强诊断能力，机器人关节架构正变得更加复杂。

传统结构：

电机 + 减速器 + 编码器

正日益演变为：

电机 + 电机编码器 + 精密减速器 + 关节编码器 + 控制器

关键变化并不只是增加了一个传感器。

而是从基于电机运动估算关节位置，转变为直接测量实际关节状态。

对于采用谐波减速器的机器人关节，这一区别尤为重要。精密减速器提供高减速比、高扭矩密度和紧凑机械结构，但最终关节性能仍受传动误差、扭转刚度、热效应、机械公差和外部负载影响。

双编码器架构使控制器能够获取传动链两侧的信息。

这为以下功能提供更坚实的基础：

• 高精度位置控制

• 传动误差补偿

• 关节状态监测

• 双环运动控制

• 先进机器人运动控制

• 特定功能安全架构

换言之，双编码器并非只是“多一个传感器”。

它在机器人关节内部构建了更完整的输入—传动—输出反馈链。

对于下一代机器人执行器而言，从估算关节位置转向直接测量关节行为，可能比单纯提高编码器分辨率更具价值。