Magnetische encoderschijf

'Gezamenlijke perceptie' in robots: onthulling hoe magnetische encoderschijven robots flexibele bewegingen mogelijk maken

In sciencefictionfilms kunnen robots handelingen met een hoge moeilijkheidsgraad uitvoeren, zoals dansen, een operatie uitvoeren of zelfs parkour. Achter dit vermogen schuilt een cruciaal onderdeel: het gewricht . Voor moderne robots – of het nu industriële manipulatoren of mensachtige robots zijn – heeft elk gewricht niet alleen krachtige ‘spieren’ (motoren) nodig, maar ook acute ‘zenuwen’ om hoeken en posities waar te nemen. De kern van deze ‘zenuwen’ is de hoofdpersoon van onze discussie van vandaag: de magnetische encoderschijf.

Wat is een encoder? De 'proprioceptie' van de robot

Stel je voor dat je je neus nauwkeurig kunt aanraken met je ogen dicht. Dit is mogelijk omdat uw spieren en gewrichten positie-informatie terugsturen naar uw hersenen. Op het gebied van robotica speelt een encoder een soortgelijke rol. Het is een sensor die mechanische bewegingen (zoals rotatiehoek en snelheid) omzet in elektrische signalen, waardoor kritische positie-, snelheids- en richtingsgegevens worden verstrekt aan het besturingssysteem van de robot, waardoor de algehele systeemprestaties worden geoptimaliseerd.

Momenteel zijn er drie hoofdtypen encodertechnologieën: optisch, magnetisch en capacitief. lange tijd Optische encoders zijn een populaire keuze op de markt geweest vanwege hun hoge nauwkeurigheid. Ze werken als een precisie-cd-speler en bepalen de positie door transparante en ondoorzichtige lijnen op een gecodeerde schijf te lezen.

Optische encoders worden echter geconfronteerd met verschillende inherente uitdagingen in robottoepassingen:

1. Gevoeligheid voor besmetting : Stof en olie kunnen het optische pad belemmeren, wat tot signaalverlies leidt.

2. Gevoeligheid voor trillingen : De glazen schijven die in optische encoders worden gebruikt, zijn gevoelig voor breuk tijdens snelle robotbewegingen of schokken.

3. Grootte en energieverbruik : Optische encoders met hoge resolutie hebben doorgaans grotere vormfactoren en een hoger energieverbruik.

Tegen deze achtergrond beginnen magnetische encoders te schitteren op het gebied van robotverbindingen, waarbij ze hun unieke voordelen benutten.

Magnetische encoderschijven: 'Mapping' Beweging met magnetische velden

De structuur van een magnetische encoder is vergelijkbaar met die van een optische encoder, maar maakt gebruik van magnetische velden in plaats van lichtstralen. Het kernonderdeel is een magnetische encoderschijf . Deze kleine schijf is voorzien van een reeks afwisselende magnetische polen (vergelijkbaar met talloze kleine noord- en zuidpolen).

Terwijl de schijf met de motoras meedraait, worden deze wisselende magnetische velden gedetecteerd door nabijgelegen magnetoresistieve sensoren of Hall-sensoren . De sensoren zetten de magnetische veldvariaties om in elektrische signalen, die vervolgens door circuits worden verwerkt om de precieze positie van de as te berekenen.

Als we een optische encoder vergelijken met 'het lezen van een rooster', dan is een magnetische encoder hetzelfde als 'het interpreteren van een magnetische veldkaart.'

Waarom geven robotgewrichten de voorkeur aan magnetische encoders?

De afgelopen jaren, met de toename van belichaamde intelligentie en mensachtige robots, zijn magnetische encoders om verschillende redenen een favoriete keuze geworden bij het ontwerpen van gezamenlijke modules:

1. Inherente robuustheid, onaangedaan door zware omstandigheden
   Robotgewrichten zijn vaak gevuld met smeervet en kunnen in stoffige omgevingen werken. Bij optische encoders kan het zicht onder dergelijke omstandigheden wazig worden. Magnetische encoders, die contactloze magnetische veldsensoren zijn, zijn daarentegen 'immuun' voor stof, olie en vocht en bieden een hoge betrouwbaarheid en uitstekende weerstand tegen trillingen en schokken.

2. Compact formaat en platte structuur

   Moderne robotgewrichten streven naar 'geïntegreerde voedingsmodules', die een hoge mate van integratie van motoren, reductoren en aandrijvingen vereisen. Magnetische encoders elimineren de noodzaak van omvangrijke lichtbronnen en optische lenssystemen; de chips en schijven kunnen zeer dun worden gemaakt, waardoor 'geminiaturiseerde, lichtgewicht en platte' verbindingsontwerpen mogelijk worden gemaakt.

3. Doorbraken in hoge resolutie voor precisiekrachtcontrole

   Er werd ooit algemeen gezegd dat magnetische encoders qua nauwkeurigheid achterbleven bij optische encoders. Dit is echter aan het veranderen. Op de China Hi-Tech Fair (CHTF) van 2024 presenteerden binnenlandse fabrikanten uiterst nauwkeurige magnetische encoderschijven met een resolutie van 19 of zelfs 20 bits . Door bijvoorbeeld complexe magnetische poolparen, zoals '126 polen op de binnenring en 128 polen op de buitenring', op een zeer kleine schijf te plaatsen, kunnen sensoren extreem kleine bewegingen detecteren. Hierdoor kunnen robots delicate handelingen uitvoeren, zoals het assembleren van precisieonderdelen.

4. Kostenvoordelen en lokalisatievoordelen

   Lange tijd werd de markt voor magnetische encoders met hoge resolutie (bijvoorbeeld 19-bit, 20-bit) gedomineerd door buitenlandse bedrijven, waardoor ze duur werden en lange doorlooptijden hadden – een klassiek voorbeeld van een technologisch knelpunt. Tegenwoordig hebben binnenlandse bedrijven zoals Yuzhi Power Technology doorbraken bereikt. Hun technologie heeft een niveau van wereldklasse bereikt, terwijl de kosten zijn teruggebracht tot de helft of tweederde van de geïmporteerde producten, waardoor de productiekosten voor huishoudelijke robots aanzienlijk zijn verlaagd.

Technologische grenzen: van 'Single-Turn' tot 'Multi-Turn', van 'Sensing' tot 'Intelligent'

Terwijl de scenario's voor robottoepassingen zich uitbreiden, blijft de magnetische encodertechnologie evolueren:

• Absoluut positiegeheugen : hoogwaardige magnetische encoders ondersteunen nu de 'multi-turn'-functionaliteit. Zelfs als een robotgewricht na stroomuitval door een externe kracht wordt bewogen, kan de encoder, gevoed door een batterij, het aantal omwentelingen registreren en bij het opnieuw opstarten onmiddellijk de absolute positie kennen, waardoor herplaatsing niet meer nodig is.

• Anti-interferentie-algoritmen : Om de sterke elektromagnetische interferentie tegen te gaan die wordt gegenereerd door draaiende motoren, integreren moderne magnetische encoderchips (bijvoorbeeld die welke AMR-technologie gebruiken) algoritmen voor dynamische hoekfoutcompensatie, waardoor een stabiele signaaluitvoer wordt gegarandeerd, zelfs in luidruchtige omgevingen.

• Innovaties in de productie van schijven : Precisiemagnetisatie is van oudsher een grote uitdaging voor magnetische schijven. Door unieke technieken zoals 'eenmalige magnetisatie' is de nauwkeurigheid van in eigen land geproduceerde magnetische schijven nu aanzienlijk verbeterd, waardoor een solide basis is gelegd voor uiterst nauwkeurige robotverbindingen.

Als de motor het hart van een robot is, dan is de magnetische encoder, waarin een zeer nauwkeurige schijf is verwerkt, de 'proprioceptieve zenuw' van de robot. Deze stelt de robot niet alleen in staat zijn eigen houding waar te nemen, maar geeft hem ook de mogelijkheid om stabiel en nauwkeurig te opereren in complexe omgevingen.