Magnetisk kodarskiva

'Joint Perception' i robotar: avslöjar hur magnetiska kodarskivor ger robotar smidiga rörelser

I science fiction-filmer kan robotar utföra mycket svåra handlingar som att dansa, utföra operationer eller till och med parkour. Bakom denna förmåga ligger en kritisk komponent: leden . För moderna robotar – vare sig industriella manipulatorer eller humanoida robotar – kräver varje led inte bara kraftfulla 'muskler' (motorer) utan också akuta 'nerver' för att uppfatta vinklar och positioner. Kärnan i dessa 'nerver' är huvudpersonen i vår diskussion idag: den magnetiska kodarskivan.

Vad är en kodare? Robotens 'proprioception'

Föreställ dig att kunna röra din näsa exakt med slutna ögon. Detta är möjligt eftersom dina muskler och leder matar tillbaka positionsinformation till din hjärna. Inom robottekniken spelar en kodare en liknande roll. Det är en sensor som omvandlar mekanisk rörelse (som rotationsvinkel och hastighet) till elektriska signaler, vilket ger kritiska positions-, hastighets- och riktningsdata till robotens styrsystem, och därigenom optimerar systemets övergripande prestanda.

För närvarande finns det tre huvudtyper av kodarteknik: optisk, magnetisk och kapacitiv. Under lång tid har optiska kodare varit ett populärt val på marknaden på grund av deras höga precision. De fungerar som en precisions-CD-spelare och bestämmer position genom att läsa genomskinliga och ogenomskinliga linjer på en kodad skiva.

Optiska kodare står dock inför flera inneboende utmaningar i robotapplikationer:

1. Mottaglighet för kontaminering : Damm och olja kan blockera den optiska vägen, vilket leder till signalförlust.

2. Mottaglighet för vibrationer : Glasskivorna som används i optiska omkodare är benägna att gå sönder under höghastighetsrobotrörelser eller stötar.

3. Storlek och strömförbrukning : Högupplösta optiska kodare har vanligtvis större formfaktorer och högre strömförbrukning.

Mot denna bakgrund har magnetiska kodare börjat lysa inom området för robotförband och utnyttjar deras unika fördelar.

Magnetiska kodarskivor: 'Mapping' Rörelse med magnetfält

Strukturen hos en magnetisk kodare liknar den hos en optisk kodare, men den använder magnetiska fält istället för ljusstrålar. Dess kärnkomponent är en magnetisk kodarskiva . Denna lilla skiva har en rad alternerande magnetiska poler (liknande otaliga små nord- och sydpoler).

När skivan roterar med motoraxeln detekteras dessa alternerande magnetfält av närliggande magnetoresistiva sensorer eller Hall-sensorer . Sensorerna omvandlar magnetfältsvariationerna till elektriska signaler, som sedan bearbetas av kretsar för att beräkna den exakta positionen för axeln.

Om vi ​​liknar en optisk kodare vid att 'läsa ett gitter' så är en magnetisk kodare som att 'tolka en magnetfältskarta'.

Varför gynnar robotkopplingar magnetiska kodare?

Under de senaste åren, med ökningen av förkroppsligade intelligens och humanoida robotar, har magnetiska kodare blivit ett gynnat val i design av gemensamma moduler av flera skäl:

1. Inneboende robusthet, opåverkad av tuffa miljöer
   Robotförband är ofta fyllda med smörjfett och kan fungera i dammiga miljöer. Optiska kodare kan få sin 'seende' suddig under sådana förhållanden. Däremot är magnetiska kodare, som är kontaktlösa magnetfältsensorer, 'immuna' mot damm, olja och fukt, och erbjuder hög tillförlitlighet och utmärkt motståndskraft mot vibrationer och stötar.

2. Kompakt storlek och platt struktur

   Moderna robotkopplingar strävar efter 'integrerade kraftmoduler' som kräver hög integration av motorer, reducerare och frekvensomriktare. Magnetiska kodare eliminerar behovet av skrymmande ljuskällor och optiska linssystem; chipsen och skivorna kan göras mycket tunna, vilket underlättar 'miniatyriserade, lätta och platta' fogdesigner.

3. Genombrott i hög upplösning för precisionskraftkontroll

   Det var en gång vanligt att magnetiska kodare släpade efter optiska i precision. Detta håller dock på att förändras. På China Hi-Tech Fair (CHTF) 2024 visade inhemska tillverkare upp magnetiska kodardiskar med hög precision som uppnår 19-bitars eller till och med 20-bitars upplösning . Till exempel, genom att arrangera komplexa magnetiska polpar - som '126 poler på den inre ringen och 128 poler på den yttre ringen' - på en mycket liten skiva, kan sensorer upptäcka extremt små rörelser. Detta gör det möjligt för robotar att utföra känsliga operationer, som att sätta ihop precisionsdelar.

4. Kostnadsfördelar och lokaliseringsfördelar

   Under lång tid dominerades marknaden för högupplösta (t.ex. 19-bitars, 20-bitars) magnetiska kodare av utländska företag, vilket gjorde dem dyra med långa ledtider – ett klassiskt exempel på en teknikflaskhals. Idag har inhemska företag som Yuzhi Power Technology uppnått genombrott. Deras teknologi har nått världsklassnivåer, samtidigt som kostnaderna har sänkts till hälften eller två tredjedelar av importerade produkter, vilket avsevärt har sänkt tillverkningskostnaden för inhemska robotar.

Tekniska gränser: Från 'Single-Turn' till 'Multi-Turn' från 'Sensing' till 'Intelligent'

När scenarierna för robotapplikationer expanderar fortsätter magnetkodartekniken att utvecklas:

• Absolute Position Memory : Avancerade magnetiska kodare stöder nu 'multi-turn'-funktionalitet. Även om en robotled förflyttas av en extern kraft efter strömavbrott, kan kodaren, som drivs av ett batteri, registrera antalet varv och omedelbart veta den absoluta positionen vid omstart, vilket eliminerar behovet av återplacering.

• Anti-interferensalgoritmer : För att motverka den starka elektromagnetiska störningen som genereras av motorer igång, integrerar moderna magnetiska kodarchips (t.ex. de som använder AMR-teknik) dynamiska vinkelfelskompensationsalgoritmer, vilket säkerställer stabil utsignal även i bullriga miljöer.

• Innovationer inom disktillverkning : Precisionsmagnetisering har traditionellt sett varit en stor utmaning för magnetiska skivor. Nu, genom unika tekniker som 'engångsmagnetisering', har noggrannheten hos inhemskt producerade magnetiska skivor förbättrats avsevärt, vilket lägger en solid grund för robotskarvar med hög precision.

Om motorn är hjärtat i en robot, så är den magnetiska kodaren, som innehåller en högprecisionsskiva, robotens 'proprioceptiva nerv'. Den tillåter inte bara roboten att uppfatta sin egen hållning utan ger den också förmågan att arbeta stabilt och exakt i komplexa miljöer.