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

　　文/上海奧深精浦科技有限公司 裘奮

　　目前的一個現(xiàn)象是，電感式編碼器借助人形機器人這一熱點，最近在市場推廣上引起了人們越來越多的關(guān)注。人形機器人真的會大量落地進入家庭嗎?這要取決于最終成熟產(chǎn)品的精度與可靠性。據(jù)介紹，一臺人形機器人大約有51個關(guān)節(jié)執(zhí)行器，如果沒有編碼器的精度與可靠性做支持，你敢買回家里嗎?是養(yǎng)一個“藥罐子”呢，還是養(yǎng)一個“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(圖片來源：海德漢微信公眾號)

　　1 電感編碼器的原理

　　電感是電流閉合回路的一種屬性，是一個物理量L。當線圈通過電流后，在線圈中形成磁場感應(yīng)，處于感應(yīng)磁場中的導(dǎo)體，例如金屬體中又會產(chǎn)生感應(yīng)電流，來抵制通過線圈中的電流。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表示磁心的磁路長度。

　　假如處于感應(yīng)磁場中的導(dǎo)體是一個平面金屬體，并垂直于線圈方向，金屬體感應(yīng)電流就像一個漩渦，被稱為感應(yīng)電渦流。感應(yīng)電渦流又會再產(chǎn)生一個被動感應(yīng)磁場。電感傳感器就是去感知后面發(fā)生的這個被動產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，產(chǎn)品種類包括電感接近開關(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)計原理是感應(yīng)面積的變化對應(yīng)計算角度。在電感編碼器的轉(zhuǎn)動部分即轉(zhuǎn)子上，可以設(shè)計有圖形的電極板，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)計有一個發(fā)送固定高周波信號(大于100KHz)，產(chǎn)生一個交變的磁場，在磁場下方有電極板(轉(zhuǎn)子)就會產(chǎn)生電渦流。

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

　　這樣的信號變化被設(shè)計為一定的SIN/COS規(guī)律，計算相位差得到轉(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，實際分布圖是一個編碼設(shè)計圖形。

　　電感式編碼器感應(yīng)的被動磁場電渦流信號是很微弱的，需要信號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)計的電感編碼器芯片完成，這里又類似于磁編芯片了。

　　在通過芯片技術(shù)、ADC模擬信號處理技術(shù)，實現(xiàn)算法與響應(yīng)精度、時間抖動克服功能等等，幾乎與磁編芯片的處理過程一樣。

　　2 電感編碼器的精度和可靠性

　　在此，必須坦誠而言，本人對電感式編碼器還沒有過真正的實踐經(jīng)驗，僅從其電感編碼器的原理分析，去揣測和推算它的精度與可靠性難點，至于真實情況還需要有實踐者的答案，畢竟實踐是檢驗真理的唯一標準。

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

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

　　主動發(fā)送線圈、處于磁場中感應(yīng)的金屬體、被動感知線圈，這三個部分還有機械安裝與運動精度、在高速旋轉(zhuǎn)中的旋轉(zhuǎn)方向，都會帶給轉(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儀器的測量與工藝過程控制，才能有較好的精度保證，再加上基礎(chǔ)材料學和長期的科學實驗室經(jīng)驗積累。

　　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)，模擬量小信號放大整理技術(shù)，這似乎對于設(shè)計的EMI有比較高的要求，對于電路設(shè)計寬容度以避免電氣損壞有較高的要求。個人感覺可能對于同為高周波的電氣干擾是可靠性的“死穴”，設(shè)計中應(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大量被用于人形機器人上，最近看到了海德漢用于機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，提供電機反饋和位置測量功能。為實現(xiàn)這兩個功能，此編碼器采用一個讀數(shù)頭和兩個獨立的感應(yīng)式掃描碼盤。在齒輪箱的后方測量軸位置，補償多關(guān)節(jié)、高動態(tài)性能機器人無法避免的誤差?！?/p>

　　3 為什么需要雙編碼器

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

　　科技向善，是為人類的進步。所謂人形機器人，就是有雙腳雙手的像人一樣做動作的機器人，因為那些為我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N環(huán)境設(shè)計，都是針對人體運動而設(shè)計的，所以人形機器人的目標市場并不是在車間生產(chǎn)線上，也不是手術(shù)機器人，也不是家庭中的學習娛樂功能，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，就可以完成預(yù)設(shè)任務(wù)。那么，人形機器人就是要進入到人類家庭的日常生活中去幫助人們工作。

　　也就是說，機械運動要像人一樣的，利用原來為人設(shè)計的那些環(huán)境來完成任務(wù)。因此，人形機器人的機械運動的精度與可靠性是人形機器人最重要的兩個參數(shù)，假設(shè)以 51個關(guān)節(jié)為例，不可靠性的概率就是級數(shù)增加的，人形機器人每一個動作都需要由多個關(guān)節(jié)執(zhí)行器來配合完成。假如沒有精度，就會像老太太穿針引線般的沒有工作效率。人形機器人每一個動作都要有多個關(guān)節(jié)執(zhí)行器的配合，這就需要有獨立于電機的感知坐標系并相互間通訊同步，也就是運動軌跡外部的坐標系。電機上的第一編碼器是運動軌跡，機械末端的第二編碼器就是獨立于電機的坐標系，觀察多個電機的運動軌跡，第二編碼器的真正作用是實現(xiàn)多個執(zhí)行器感知的可靠性，以及多個執(zhí)行器信號聯(lián)通同步的可靠性。

　　同時，不僅僅需要雙編碼器，人形機器人還需要對目標任務(wù)的視覺感知、自學習記憶的比較，并對動作修正補償。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，才會有人形機器人未來的發(fā)展，并能真正落地進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、高精度科學儀器以及長期的實踐時間積累，還要有專用的電感式編碼器芯片技術(shù)，由此可見，電感式編碼器是否能夠勝任，目前還沒有答案，答案或許在本文中，或許還需要人們認真思考甚至會爭論很久。