Магнитный энкодерный диск

«Совместное восприятие» у роботов: раскрытие того, как магнитные энкодеры обеспечивают роботам маневренность

В научно-фантастических фильмах роботы могут выполнять действия высокой сложности, такие как танцы, хирургические операции или даже паркур. За этой возможностью стоит важнейший компонент: соединение . У современных роботов — будь то промышленные манипуляторы или роботы-гуманоиды — каждый сустав требует не только мощных «мышц» (моторов), но и острых «нервов» для восприятия углов и положений. Сердцевиной этих «нервов» является главный герой нашей сегодняшней дискуссии: магнитный диск-энкодер..

Что такое кодировщик? «Проприоцепция» робота

Представьте, что вы можете аккуратно коснуться носа с закрытыми глазами. Это возможно, потому что ваши мышцы и суставы передают информацию о положении обратно в мозг. В сфере робототехники энкодер играет аналогичную роль. Это датчик, который преобразует механическое движение (например, угол поворота и скорость) в электрические сигналы, предоставляя важные данные о положении, скорости и направлении в систему управления робота, тем самым оптимизируя общую производительность системы.

В настоящее время существует три основных типа технологий кодирования: оптические, магнитные и емкостные. уже долгое время Оптические энкодеры пользуются популярностью на рынке благодаря своей высокой точности. Они действуют как точный проигрыватель компакт-дисков, определяя положение путем считывания прозрачных и непрозрачных строк на закодированном диске.

Однако оптические энкодеры сталкиваются с рядом проблем, присущих робототехническим приложениям:

1. Подверженность загрязнению : Пыль и масло могут препятствовать оптическому пути, что приводит к потере сигнала.

2. Подверженность вибрации . Стеклянные диски, используемые в оптических энкодерах, склонны к поломке во время высокоскоростного движения робота или ударов.

3. Размер и энергопотребление . Оптические энкодеры высокого разрешения обычно имеют больший форм-фактор и более высокое энергопотребление.

На этом фоне магнитные энкодеры начали проявлять себя в области роботизированных соединений, используя свои уникальные преимущества.

Магнитные энкодеры: «отображение» движения с помощью магнитных полей

Структура магнитного кодера аналогична структуре оптического кодера, но магнитные поля . вместо световых лучей в нем используются Его основным компонентом является магнитный диск-энкодер . Этот небольшой диск имеет множество чередующихся магнитных полюсов (сродни бесчисленным крошечным северным и южным полюсам).

Когда диск вращается вместе с валом двигателя, эти переменные магнитные поля обнаруживаются близлежащими магниторезистивными датчиками или датчиками Холла . Датчики преобразуют изменения магнитного поля в электрические сигналы, которые затем обрабатываются схемами для расчета точного положения вала.

Если мы сравним оптический энкодер с «чтением решетки», то магнитный энкодер подобен «интерпретации карты магнитного поля».

Почему роботизированные соединения предпочитают магнитные энкодеры?

В последние годы, с ростом популярности встроенного интеллекта и роботов-гуманоидов, магнитные энкодеры стали предпочтительным выбором при проектировании совместных модулей по нескольким причинам:

1. Присущая надежность, устойчивость к суровым условиям
   Роботизированные соединения часто заполняются смазкой и могут работать в пыльных условиях. В таких условиях «видение» оптических кодировщиков может быть размытым. Напротив, магнитные энкодеры, будучи бесконтактными датчиками магнитного поля, «невосприимчивы» к пыли, маслу и влаге, обеспечивая высокую надежность и превосходную устойчивость к вибрации и ударам.

2. Компактный размер и плоская структура

   Современные роботизированные соединения стремятся к «интегрированным силовым модулям», требующим высокой степени интеграции двигателей, редукторов и приводов. Магнитные энкодеры устраняют необходимость в громоздких источниках света и системах оптических линз; чипы и диски можно сделать очень тонкими, что позволяет создавать «миниатюрные, легкие и плоские» конструкции соединений.

3. Прорыв в высоком разрешении для точного управления силой

   Когда-то говорили, что магнитные энкодеры отстают по точности от оптических. Однако ситуация меняется. На Китайской ярмарке высоких технологий (CHTF) 2024 года отечественные производители продемонстрировали высокоточные магнитные энкодеры, достигающие 19-битного или даже 20-битного разрешения . Например, расположив сложные пары магнитных полюсов — например, «126 полюсов на внутреннем кольце и 128 полюсов на внешнем кольце» — на очень маленьком диске, датчики могут обнаруживать чрезвычайно мелкие движения. Это позволяет роботам выполнять деликатные операции, такие как сборка точных деталей.

4. Экономические преимущества и преимущества локализации

   Долгое время на рынке магнитных энкодеров высокого разрешения (например, 19-битных, 20-битных) доминировали иностранные компании, что делало их дорогими и длительными сроками поставки — классический пример технологического узкого места. Сегодня отечественные компании, такие как Yuzhi Power Technology, добились прорыва. Их технологии достигли уровня мирового класса, а затраты были сокращены до половины или двух третей импортной продукции, что значительно снизило себестоимость производства домашних роботов.

Технологические рубежи: от «однооборотного» к «многооборотному», от «сенсорного» к «интеллектуальному»

По мере расширения сценариев применения роботов технология магнитных энкодеров продолжает развиваться:

• Память абсолютного положения . Высокопроизводительные магнитные энкодеры теперь поддерживают «многооборотную» функцию. Даже если соединение робота перемещается под действием внешней силы после потери питания, энкодер, питаемый от батареи, может записать количество оборотов и сразу же узнать абсолютное положение при перезапуске, устраняя необходимость повторного возврата в исходное положение.

• Алгоритмы защиты от помех . Чтобы противостоять сильным электромагнитным помехам, создаваемым работающими двигателями, современные чипы магнитных энкодеров (например, использующие технологию AMR) объединяют алгоритмы динамической компенсации угловой ошибки, обеспечивая стабильный выходной сигнал даже в шумных условиях.

• Инновации в производстве дисков : Точное намагничивание традиционно было серьезной проблемой для магнитных дисков. Теперь, благодаря таким уникальным технологиям, как «однократное намагничивание», точность магнитных дисков отечественного производства была значительно повышена, что заложило прочную основу для высокоточных соединений роботов.

Если двигатель — это сердце робота, то магнитный энкодер, включающий в себя высокоточный диск, — это «проприоцептивный нерв» робота. Он не только позволяет роботу воспринимать собственную позу, но и дает ему возможность стабильно и точно действовать в сложных условиях.