近期，人形機(jī)器人的話題火熱，其中對(duì)應(yīng)到自動(dòng)化行業(yè)，就有人形機(jī)器人部件編碼器這一大熱話題。有很多編碼器行業(yè)的朋友來(lái)和我討論，究竟哪種編碼器會(huì)成為人形機(jī)器人應(yīng)用的爆發(fā)點(diǎn)?事實(shí)上，就像無(wú)人駕駛領(lǐng)域應(yīng)用到的激光雷達(dá)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)一樣，現(xiàn)在還沒(méi)有定論，還無(wú)法肯定哪一種編碼器能成為人形機(jī)器人的首選。這實(shí)際上要取決于人形機(jī)器人對(duì)于關(guān)節(jié)傳感器的結(jié)構(gòu)要求，以及編碼器最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)——精度與可靠性，還有結(jié)構(gòu)安裝的可行性和較為經(jīng)濟(jì)的使用成本。

　　文/上海奧深精浦科技有限公司 裘奮

　　目前的一個(gè)現(xiàn)象是，電感式編碼器借助人形機(jī)器人這一熱點(diǎn)，最近在市場(chǎng)推廣上引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。人形機(jī)器人真的會(huì)大量落地進(jìn)入家庭嗎?這要取決于最終成熟產(chǎn)品的精度與可靠性。據(jù)介紹，一臺(tái)人形機(jī)器人大約有51個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器，如果沒(méi)有編碼器的精度與可靠性做支持，你敢買(mǎi)回家里嗎?是養(yǎng)一個(gè)“藥罐子”呢，還是養(yǎng)一個(gè)“二哈”一樣的闖禍“胚子”在家里呢?——好玩又不敢玩。那么，電感式編碼器是否會(huì)成為人形編碼器的首選呢，這就要看看電感式編碼器的效果精度與效果可靠性究竟如何?

　　海德漢電感式雙編碼器(圖片來(lái)源：海德漢微信公眾號(hào))

　　1 電感編碼器的原理

　　電感是電流閉合回路的一種屬性，是一個(gè)物理量L。當(dāng)線圈通過(guò)電流后，在線圈中形成磁場(chǎng)感應(yīng)，處于感應(yīng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)體，例如金屬體中又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，來(lái)抵制通過(guò)線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系，被稱為電的感抗，也就是電感L。電感計(jì)算公式為：

　　L=μ×Ae*N^2/ l

　　其中：L表示電感量、μ表示磁心的磁導(dǎo)率、Ae表示磁心的截面積、N表示線圈源的匝數(shù)、l表示磁心的磁路長(zhǎng)度。

　　假如處于感應(yīng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)體是一個(gè)平面金屬體，并垂直于線圈方向，金屬體感應(yīng)電流就像一個(gè)漩渦，被稱為感應(yīng)電渦流。感應(yīng)電渦流又會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)被動(dòng)感應(yīng)磁場(chǎng)。電感傳感器就是去感知后面發(fā)生的這個(gè)被動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，產(chǎn)品種類包括電感接近開(kāi)關(guān)、電感距離傳感器、電感面積傳感器等等。

　　電感式編碼器的設(shè)計(jì)原理是感應(yīng)面積的變化對(duì)應(yīng)計(jì)算角度。在電感編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分即轉(zhuǎn)子上，可以設(shè)計(jì)有圖形的電極板，在角度旋轉(zhuǎn)變化中，電渦流變化而被感應(yīng)，計(jì)算感應(yīng)到的信息及與電極圖形比較，以此推算出編碼器旋轉(zhuǎn)的角度值

　　其中，在編碼器定子電路板上設(shè)計(jì)有一個(gè)發(fā)送固定高周波信號(hào)(大于100KHz)，產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)下方有電極板(轉(zhuǎn)子)就會(huì)產(chǎn)生電渦流。

　　轉(zhuǎn)子電極板上的電渦流繼續(xù)產(chǎn)生一個(gè)被動(dòng)的磁場(chǎng)，再一次被定子電路板上的兩個(gè)線圈感應(yīng)到信號(hào)大小的變化。

　　這樣的信號(hào)變化被設(shè)計(jì)為一定的SIN/COS規(guī)律，計(jì)算相位差得到轉(zhuǎn)子角度值。

　　電感編碼器轉(zhuǎn)子上的電極圖案是可以多樣設(shè)計(jì)的，不同的圖案得到不同的周期性變化規(guī)律。

　　轉(zhuǎn)子感應(yīng)電渦流有幾組，圖中分布只是示意圖，實(shí)際分布圖是一個(gè)編碼設(shè)計(jì)圖形。

　　電感式編碼器感應(yīng)的被動(dòng)磁場(chǎng)電渦流信號(hào)是很微弱的，需要信號(hào)放大電路的矯正放大，并換算出角度值，這將由一顆專用設(shè)計(jì)的電感編碼器芯片完成，這里又類似于磁編芯片了。

　　在通過(guò)芯片技術(shù)、ADC模擬信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)算法與響應(yīng)精度、時(shí)間抖動(dòng)克服功能等等，幾乎與磁編芯片的處理過(guò)程一樣。

　　2 電感編碼器的精度和可靠性

　　在此，必須坦誠(chéng)而言，本人對(duì)電感式編碼器還沒(méi)有過(guò)真正的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，僅從其電感編碼器的原理分析，去揣測(cè)和推算它的精度與可靠性難點(diǎn)，至于真實(shí)情況還需要有實(shí)踐者的答案，畢竟實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

　　從電感式編碼器的工作原理看，從初級(jí)線圈發(fā)出感應(yīng)的磁場(chǎng)——轉(zhuǎn)子金屬電極電渦流——被動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生并再次感應(yīng)——定子次級(jí)線圈的小信號(hào)放大，這四個(gè)過(guò)程不僅僅是有晶振的時(shí)鐘精度，還有四次的模擬量信號(hào)精度的模擬電路技術(shù)。

　　其中，還有機(jī)械安裝精度，機(jī)械旋轉(zhuǎn)精度。另外，轉(zhuǎn)子并不是靜止的，是在運(yùn)動(dòng)中的或者有抖動(dòng)的，因此會(huì)產(chǎn)生電渦流在其運(yùn)動(dòng)方向上的分量誤差。所以，電感式編碼器的精度不僅僅涉及到初級(jí)線圈發(fā)送信號(hào)的精度、轉(zhuǎn)子電極板的加工精度，還有包括多次的模擬電路信號(hào)技術(shù)。一講到模擬信號(hào)技術(shù)，必須要告訴大家，模擬信號(hào)的高精度技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比數(shù)字電路技術(shù)要復(fù)雜與高難度得多，需要運(yùn)用到高精度的實(shí)驗(yàn)室儀器，而這是行業(yè)的普遍“短板”。

　　主動(dòng)發(fā)送線圈、處于磁場(chǎng)中感應(yīng)的金屬體、被動(dòng)感知線圈，這三個(gè)部分還有機(jī)械安裝與運(yùn)動(dòng)精度、在高速旋轉(zhuǎn)中的旋轉(zhuǎn)方向，都會(huì)帶給轉(zhuǎn)子電渦流的方向性分量誤差。此外還取決于這顆專用電感式編碼器芯片的模擬信號(hào)處理能力。

　　總之，電感式編碼器的每一道工藝，都需要有很好的科學(xué)儀器的測(cè)量與工藝過(guò)程控制，才能有較好的精度保證，再加上基礎(chǔ)材料學(xué)和長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)積累。

　　而在電感式編碼器的可靠性分析方面，電感編碼器的特征是線圈高周波發(fā)生器和電渦流感應(yīng)，模擬量小信號(hào)放大整理技術(shù)，這似乎對(duì)于設(shè)計(jì)的EMI有比較高的要求，對(duì)于電路設(shè)計(jì)寬容度以避免電氣損壞有較高的要求。個(gè)人感覺(jué)可能對(duì)于同為高周波的電氣干擾是可靠性的“死穴”，設(shè)計(jì)中應(yīng)有屏蔽，避免自激損壞。

　　前面設(shè)想的是電感式編碼器可能會(huì)大量被用于人形機(jī)器人上，最近看到了海德漢用于機(jī)器人的電感式編碼器，他們推出了雙編碼器的概念：“海德漢KCI 120 Dplus雙編碼器一體雙能，提供電機(jī)反饋和位置測(cè)量功能。為實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，此編碼器采用一個(gè)讀數(shù)頭和兩個(gè)獨(dú)立的感應(yīng)式掃描碼盤(pán)。在齒輪箱的后方測(cè)量軸位置，補(bǔ)償多關(guān)節(jié)、高動(dòng)態(tài)性能機(jī)器人無(wú)法避免的誤差。”

　　3 為什么需要雙編碼器

　　那么，視覺(jué)傳感器能否取代電感式雙編碼器呢?這需要首先思考一下，人形機(jī)器人究竟是干什么用的?

　　科技向善，是為人類的進(jìn)步。所謂人形機(jī)器人，就是有雙腳雙手的像人一樣做動(dòng)作的機(jī)器人，因?yàn)槟切槲覀內(nèi)粘Ｉ畹母鞣N環(huán)境設(shè)計(jì)，都是針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，所以人形機(jī)器人的目標(biāo)市場(chǎng)并不是在車(chē)間生產(chǎn)線上，也不是手術(shù)機(jī)器人，也不是家庭中的學(xué)習(xí)娛樂(lè)功能，那些并不需要有人形那樣的雙腳與雙手這么復(fù)雜的設(shè)計(jì)，就可以完成預(yù)設(shè)任務(wù)。那么，人形機(jī)器人就是要進(jìn)入到人類家庭的日常生活中去幫助人們工作。

　　也就是說(shuō)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)要像人一樣的，利用原來(lái)為人設(shè)計(jì)的那些環(huán)境來(lái)完成任務(wù)。因此，人形機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的精度與可靠性是人形機(jī)器人最重要的兩個(gè)參數(shù)，假設(shè)以 51個(gè)關(guān)節(jié)為例，不可靠性的概率就是級(jí)數(shù)增加的，人形機(jī)器人每一個(gè)動(dòng)作都需要由多個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器來(lái)配合完成。假如沒(méi)有精度，就會(huì)像老太太穿針引線般的沒(méi)有工作效率。人形機(jī)器人每一個(gè)動(dòng)作都要有多個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器的配合，這就需要有獨(dú)立于電機(jī)的感知坐標(biāo)系并相互間通訊同步，也就是運(yùn)動(dòng)軌跡外部的坐標(biāo)系。電機(jī)上的第一編碼器是運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)械末端的第二編碼器就是獨(dú)立于電機(jī)的坐標(biāo)系，觀察多個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，第二編碼器的真正作用是實(shí)現(xiàn)多個(gè)執(zhí)行器感知的可靠性，以及多個(gè)執(zhí)行器信號(hào)聯(lián)通同步的可靠性。

　　同時(shí)，不僅僅需要雙編碼器，人形機(jī)器人還需要對(duì)目標(biāo)任務(wù)的視覺(jué)感知、自學(xué)習(xí)記憶的比較，并對(duì)動(dòng)作修正補(bǔ)償。優(yōu)質(zhì)傳感器的大量使用，并且要有精度與可靠性的保證，才會(huì)有人形機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展，并能真正落地進(jìn)入到家庭中大量推廣使用?？傊?，產(chǎn)品的精度與可靠性，需要有基礎(chǔ)材料學(xué)、高精度科學(xué)儀器以及長(zhǎng)期的實(shí)踐時(shí)間積累，還要有專用的電感式編碼器芯片技術(shù)，由此可見(jiàn)，電感式編碼器是否能夠勝任，目前還沒(méi)有答案，答案或許在本文中，或許還需要人們認(rèn)真思考甚至?xí)?zhēng)論很久。