電感編碼器原理及人形機(jī)器人熱

文:上海奧深精浦科技有限公司 裘奮2024年第三期

  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?

機(jī)器人

  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

機(jī)器人

  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。

機(jī)器人

  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。

機(jī)器人

  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。

機(jī)器人

  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。

機(jī)器人

機(jī)器人

  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。

機(jī)器人

  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。

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