Varför använder robotledmoduler dubbla givare?

Robotleder med dubbla givare blir allt viktigare inom högpresterande robotik. Att lägga till en andra givare handlar dock inte bara om att installera ytterligare en sensor.

Det verkliga syftet är att besvara två olika frågor:

Hur mycket har motorn rört sig?

och

Hur mycket har robotleden faktiskt rört sig?

I en robotledsmodul som består av en ramlös vridmomentsmotor, precisionsreducerare, givare och utgående fläns, kan givaren på motorsidan noggrant mäta motorns position och hastighet. Det faktiska leduttaget kan dock fortfarande påverkas av transmissionsfel, torsionsdeformation, friktion, termisk drift, monteringstoleranser och förändringar i extern belastning.

Därför kan en robotled med dubbla givare ge en mer komplett återkopplingsarkitektur. Den ena givaren övervakar motorsidan, medan den andra mäter ledens utgående sida. Tillsammans gör de det möjligt för styrenheten att observera både motordynamiken och den faktiska ledpositionen.

Vad är en robotled med dubbla givare?

En typisk arkitektur med dubbla givare i en robotled kan förenklas enligt följande:

Motor → Givare på motorsidan → Precisionsreducerare → Givare på utgående sida → Ledutgång

Givaren på motorsidan installeras nära motorrotorn eller ingående axel. Den tillhandahåller främst höghastighetsåterkoppling för motorkommutering, fältorienterad reglering (FOC), hastighetsreglering och uppskattning av motortillstånd.

Givaren på utgående sida, även kallad givare på ledsidan, installeras efter reduceraren och mäter robotledens faktiska vinkelposition.

Denna arkitektur beskrivs ofta som:

• Dubbla givare

• Dubbel återkoppling

• Dubbelkretsreglering

• Återkoppling på motor- och ledsida

De två givarna behöver inte nödvändigtvis använda samma teknik. Beroende på tillämpningen kan en robotled använda inkrementella givare, absoluta givare med ett varv eller absoluta givare med flera varv.

Varför räcker inte en givare på motorsidan?

I en konventionell robotled med en enda givare installeras givaren vanligtvis på motorsidan.

Styrenheten känner till motorpositionen och beräknar den teoretiska utgående positionen utifrån utväxlingsförhållandet:

θout ≈ θmotor / N

där N är utväxlingsförhållandet.

Denna metod fungerar väl när transmissionssystemet kan betraktas som tillräckligt styvt och förutsägbart.

En verklig robotled är dock inte ett idealt stelt transmissionssystem.

Reduceraren kan ge upphov till transmissionsfel, medan flexibla komponenter kan deformeras under belastning. Lager, kopplingar och utgående flänsar kan också orsaka små mekaniska avvikelser. Temperaturförändringar kan dessutom påverka både den mekaniska strukturen och givarmätningarna.

Resultatet blir:

Beräknad ledposition ≠ Faktisk ledposition

Denna skillnad är en av de främsta anledningarna till att givare på utgående sida används i högpresterande robotleder.

En sekundär givare kan ge ytterligare återkoppling för att identifiera och kompensera transmissionsfel, särskilt i robotleder som påverkas av flexibilitet, glapp, friktion och andra mekaniska störningar.

Kärnfördelen med dubbla givare: att mäta vad som sker efter reduceraren

Det viktigaste konceptet bakom ett ställdon med dubbla givare är enkelt:

Givaren på motorsidan mäter transmissionens ingående sida.

Givaren på utgående sida mäter den faktiska ledutgången.

Styrenheten kan sedan jämföra de två återkopplingssignalerna och identifiera skillnader mellan motorns rörelse och ledens rörelse.

Motorn kan exempelvis rotera till den kommenderade positionen medan den utgående flänsen fortfarande är något förskjuten på grund av torsionsdeformation, transmissionsfel eller lastberoende mekaniskt beteende.

Ett system med en enda givare kan anta:

Motorn har nått den kommenderade positionen, alltså har leden nått den kommenderade positionen.

Ett system med dubbla givare kan identifiera:

Motorn har nått den kommenderade positionen, men ledutgången har fortfarande ett positionsfel.

Detta är en av de grundläggande fördelarna med återkoppling med dubbla slingor i robotledsmoduler.

1. Förbättra positionsregleringen för robotleder

En av de främsta fördelarna med en arkitektur med dubbla givare är att positionsslingan kan använda återkoppling från den faktiska ledutgången.

I ett konventionellt återkopplingssystem på motorsidan observerar positionsregulatorn främst motorpositionen.

Med dubbel återkoppling kan reglerarkitekturen separera de två funktionerna:

Motorgivare → Motorstyrning

Utgående givare → Återkoppling av ledposition

Detta gör det möjligt för styrenheten att reglera inte bara motorn utan även den faktiska utgående positionen efter reduceraren.

Denna arkitektur är särskilt användbar för:

• Robotleder med hög precision

• Kollaborativa robotar

• Ställdon för humanoida robotar

• Precisionsrörelsesystem

• CNC-rotationsaxlar

• Högpresterande servomekanismer

För tillämpningar som kräver noggrann banföljning kan positionsåterkoppling på utgående sida bidra till att minska inverkan av transmissionsrelaterade fel på den slutliga ledpositionen.

2. Mäta och kompensera reducerarens transmissionsfel

Ett vanligt missförstånd är att dubbla givare helt enkelt kan ”eliminera glapp”.

Detta är inte tekniskt korrekt.

En robotled med dubbla givare eliminerar inte glapp mekaniskt. I stället gör den andra givaren det möjligt för styrsystemet att mäta skillnaden mellan rörelsen på motorsidan och den utgående sidan samt kompensera för en del av transmissionsfelet med hjälp av styralgoritmer.

Beroende på reduceraren och den mekaniska konstruktionen kan relevanta felkällor omfatta:

• Transmissionsfel

• Torsionsdeformation

• Hysteres

• Friktion

• Elastisk deformation

• Monteringsfel

• Termisk drift

Genom att jämföra positionsåterkopplingen på motorsidan och ledsidan kan styrenheten bygga en felmodell och tillämpa kompensation utifrån ledposition, riktning, hastighet, belastning och andra driftförhållanden.

Därför är en mer korrekt beskrivning:

Dubbla givare möjliggör mätning och kompensation av transmissionsfel.

I stället för:

Dubbla givare eliminerar glapp.

Denna åtskillnad är viktig vid utvärdering av den faktiska prestandan hos en robotled med harmonisk drivning eller annat ställdon baserat på en precisionsreducerare.

3. Förbättra återkopplingen av faktisk ledposition

Hög givarupplösning innebär inte automatiskt hög positioneringsnoggrannhet för roboten.

Tre tekniska begrepp bör tydligt skiljas åt:

Upplösning

Upplösning beskriver det minsta positionssteg som en givare kan särskilja.

Exempelvis ger en 23-bitars givare med ett varv:

2²³ = 8,388,608 räkningar per varv

Det teoretiska vinkelsteget är ungefär:

0.154 bågsekunder per räkning

Detta är dock givarens upplösning, inte robotledens övergripande positioneringsnoggrannhet.

Noggrannhet

Noggrannhet beskriver hur nära den uppmätta positionen motsvarar den faktiska fysiska positionen.

Repeterbarhet

Repeterbarhet beskriver hur konsekvent systemet återgår till samma position när samma rörelse upprepas.

Därför:

Hög givarupplösning ≠ Hög systemnoggrannhet

En robotleds slutliga prestanda beror på hela systemet, inklusive givarnoggrannhet, reducerarens transmissionsfel, lagerkast, mekanisk styvhet, termiska effekter, kalibrering och styralgoritmer.

Därför bör återkoppling med dubbla givare utvärderas som en del av den kompletta rörelsestyrningsarkitekturen, snarare än enbart utifrån givarens bitantal.

4. Separera motorrörelse från faktisk ledrörelse

Detta är ytterligare en viktig fördel med en arkitektur med dubbla givare för robotleder.

Tänk på en robotled med ett utväxlingsförhållande på 100:1.

Motorn kan rotera genom en relativt stor vinkel medan den utgående leden endast roterar en liten del av denna vinkel.

Samtidigt kan reduceraren och den mekaniska strukturen deformeras något när den externa belastningen förändras.

Styrenheten kan därför beräkna en teoretisk ledposition från motorgivaren, men detta representerar inte nödvändigtvis den faktiska utgående positionen.

Den utgående givaren ger direkt återkoppling från ledsidan.

Styrsystemet kan därför observera två olika tillstånd:

Motordynamik

och

Leddynamik

Denna åtskillnad blir allt viktigare vid robotrörelser med hög hastighet, dynamiska belastningsförändringar och banstyrning med hög precision.

Kan dubbla givare förhindra positionsförlust efter strömavbrott?

Svaret är:

De kan hjälpa, men dubbla givare eliminerar inte automatiskt behovet av referenskörning.

Om en robotled kan behålla sin position efter strömavbrott beror främst på givartypen och mekanismen för positionsbevarande över flera varv.

Inkrementell givare

En inkrementell givare behåller normalt inte absolut positionsinformation efter strömavbrott och kan kräva en referens- eller homingprocedur.

Absolutgivare med ett varv

En absolutgivare med ett varv kan identifiera vinkelpositionen inom ett varv, men ger inte i sig obegränsad positionsinformation över flera varv.

Absolutgivare med flera varv

En absolutgivare med flera varv kan ge både position inom ett varv och ackumulerad rotationsposition över flera varv.

Positionsbevarande över flera varv kan implementeras med olika tekniker, inklusive batteribackade system, mekaniska räknemekanismer och batterifria tekniker för positionsbevarande.

Exempelvis använder Oriental Motors ABZO-givare ett batterifritt mekaniskt system för absolut position som kan behålla positionsinformation efter att strömmen har brutits.

Därför beskrivs det tekniska sambandet bättre som:

Dubbel givare + Lämplig absolut återkoppling med flera varv → Potentiellt minskad eller eliminerad konventionell referenskörning

snarare än:

Dubbel givare → Eliminerar automatiskt referenskörning

Kan dubbla givare förbättra robotens funktionella säkerhet?

Ja, men en viktig åtskillnad måste göras:

Två givare innebär inte automatiskt redundans för funktionell säkerhet.

Om två givare endast ansluts till en konventionell styrenhet utan lämplig diagnostik, felidentifiering och säkerhetsarkitektur kan systemet inte automatiskt göra anspråk på PL d, PL e, SIL 2 eller SIL 3.

Värdet av dubbel återkoppling i säkerhetsrelaterade tillämpningar är att styrenheten kan jämföra två olika positionsmätningar.

Exempelvis:

Motorgivarposition ≠ Ledgivarposition

kan indikera:

• Givarfel

• Fel i mekanisk transmission

• Skada på reduceraren

• Problem med axel eller koppling

• Oväntad mekanisk förskjutning

• Kommunikations- eller signalfel

Styrsystemet kan därefter identifiera det onormala tillståndet och utföra en lämplig felåtgärd.

IEC 61800-5-3 behandlar säkerhetsrelaterade givare, medan IEC 61800-5-2 omfattar säkerhetsrelaterade funktioner för elektriska drivsystem.

Därför är det tekniskt korrekta påståendet:

Dubbla givare kan stödja en funktionell säkerhetsarkitektur, men den slutliga PL- eller SIL-kapaciteten beror på det kompletta säkerhetsrelaterade systemet, diagnostiken, arkitekturen och valideringen.

Hur förhåller sig dubbla givare till standarder för funktionell säkerhet?

Funktionell säkerhet i en robotled bestäms inte av en enskild givare.

Den bygger på det kompletta säkerhetsrelaterade styrsystemet.

Relevanta standarder kan omfatta:

IEC 61508

Tillhandahåller det allmänna ramverket för funktionell säkerhet och säkerhetsintegritetsnivåer (SIL).

IEC 61800-5-2

Definierar säkerhetsrelaterade funktioner för elektriska drivsystem, inklusive funktioner som Safe Torque Off (STO) och andra drivrelaterade säkerhetsfunktioner.

IEC 61800-5-3

Tillhandahåller krav för säkerhetsrelaterade givare som används i tillämpningar för funktionell säkerhet.

EN ISO 13849-1

Behandlar säkerhetsrelaterade delar av styrsystem och definierar prestandanivåer (PL).

ISO 10218-1:2025

Anger säkerhetskrav för industriella robotsystem.

ISO 10218-2:2025

Behandlar säkerhetskrav för industriella robottillämpningar och robotceller.

Huvudpoängen är att en dubbel givare kan vara en del av en säkerhetsrelaterad återkopplingsarkitektur, men antalet givare i sig avgör inte den slutliga säkerhetsnivån.

Systemarkitektur, diagnostisk täckning, felrespons, skydd mot fel med gemensam orsak och validering måste alla beaktas.

Robotleder med dubbla givare jämfört med en enda givare

Valet mellan en enkel givare och dubbla givare beror på tillämpningen.

Egenskap Enkel givare Dubbla givare

Återkoppling av motorposition Ja Ja

Direkt återkoppling av utgående position Vanligtvis nej Ja

Övervakning av transmissionsfel Begränsad Förbättrad

Dubbelkretsreglering Begränsad Ja

Kompensation av reducerarfel Begränsad Förbättrad

Absolut position över flera varv Beror på givaren Beror på givaren

Korskontroll av fel Begränsad Förbättrad

Systemkomplexitet Lägre Högre

Kostnad Lägre Högre

Lämplig för högpresterande leder Beror på tillämpning Stark fördel

En enda givare kan vara tillräcklig för kostnadskänsliga robotleder eller system där transmissionsnoggrannheten redan är tillräcklig.

En arkitektur med dubbla givare blir mer attraktiv när tillämpningen kräver hög positioneringsprestanda, kompensation av transmissionsfel, avancerad rörelsestyrning eller ytterligare positionsdiagnostik.

Varför används inte dubbla givare i varje robotled?

Om dubbla givare ger ytterligare återkoppling, varför inte använda dem överallt?

Svaret är systemkomplexitet.

Att lägga till en utgående givare ökar:

• BOM-kostnad

• Komplexitet vid mekanisk integration

• Krav på kabeldragning

• Krav på EMC-konstruktion

• Kalibreringskrav

• Styrenhetskomplexitet

• Diagnostikkrav

• Monteringskrav

Givaren på utgående sida kan också vara känslig för fel vid mekanisk installation.

Givarexcentricitet, axelkast, flänsdeformation och kopplingsfel kan alla påverka den uppmätta utgående positionen.

Målet är därför inte att installera så många sensorer som möjligt.

Målet är att använda rätt återkopplingsarkitektur för den prestanda som krävs av robotleden.

Typisk arkitektur för robotled med dubbla givare

En högpresterande robotled kan förstås som tre huvudsakliga återkopplingslager.

Återkoppling på motorsidan

Givaren på motorsidan stöder främst:

Kommutering

Fältorienterad reglering (FOC)

Ström- och hastighetsreglering

Återkoppling av motorposition

Återkopplingen måste vara tillräckligt snabb och stabil för dynamisk motorstyrning.

Återkoppling på ledsidan

Givaren på ledsidan tillhandahåller främst:

• Faktisk ledposition

• Återkoppling av utgående position

• Övervakning av transmissionsfel

• Övervakning av mekaniskt tillstånd

Eftersom den installeras efter reduceraren ger den information som inte kan erhållas direkt från givaren på motorsidan.

Styrenhet

Styrenheten kombinerar båda återkopplingskällorna:

• Motorposition → Motortillstånd

• Utgående position → Ledtillstånd

• Positionsskillnad → Information om transmissions- och mekaniska fel

Detta skapar en mer komplett återkopplingsslinga för robotleden.

Dubbla givare handlar om mer än högre noggrannhet

Det viktigaste skälet till att använda två givare är inte enbart att öka givarupplösningen.

Det är att göra mätobjektet mer komplett.

En enda givare mäter främst:

• Motor

• Ett system med dubbla givare mäter:

• Motor + Led

Detta gör det möjligt för styrsystemet att skilja mellan motorrörelse och faktisk ledrörelse.

Denna åtskillnad är särskilt värdefull när robotleden omfattar en precisionsreducerare med hög utväxling, såsom harmonisk drivning eller RV-reducerare.

När bör du använda en robotled med dubbla givare?

En arkitektur med dubbla givare är värd att överväga när robotleden kräver en eller flera av följande funktioner:

Ledpositionering med hög precision

När den slutliga utgående positionen är viktigare än den beräknade motorpositionen.

Kompensation av transmissionsfel

När fel i reduceraren och den mekaniska transmissionen behöver mätas och kompenseras.

Avancerad rörelsestyrning

När styrsystemet behöver noggrann återkoppling från både motor- och ledsida.

Absolut positionering över flera varv

När roboten behöver behålla ledpositionsinformation efter strömavbrott.

Positionsbaserad diagnostik

När positionerna på motorsidan och ledsidan behöver jämföras kontinuerligt för att upptäcka onormalt mekaniskt beteende.

Arkitektur för funktionell säkerhet

När redundant eller korsverifierad positionsåterkoppling krävs som en del av ett komplett säkerhetsrelaterat styrsystem.

Varför är återkoppling med dubbla givare viktig för nästa generations robotställdon?

I takt med att kollaborativa robotar, humanoida robotar och högpresterande industrirobotar fortsätter att kräva högre precision, snabbare respons och bättre diagnostikkapacitet blir robotledsarkitekturerna mer sofistikerade.

Den traditionella strukturen:

Motor + Reducerare + Givare

utvecklas alltmer mot:

Motor + Motorgivare + Precisionsreducerare + Ledgivare + Styrenhet

Den viktigaste förändringen är inte enbart tillägget av ytterligare en sensor.

Det är övergången från att uppskatta ledpositionen utifrån motorrörelsen till att direkt mäta ledens faktiska tillstånd.

För robotleder som använder harmoniska reducerare kan denna åtskillnad vara särskilt viktig. Precisionsreducerare ger höga utväxlingsförhållanden, hög vridmomentsdensitet och kompakta mekaniska strukturer, men den slutliga ledprestandan påverkas fortfarande av transmissionsfel, torsionsstyvhet, termiska effekter, mekaniska toleranser och externa belastningar.

En arkitektur med dubbla givare ger styrenheten tillgång till båda sidor av transmissionskedjan.

Detta ger en starkare grund för:

• Positionsreglering med hög precision

• Kompensation av transmissionsfel

• Övervakning av ledtillstånd

• Rörelsestyrning med dubbla slingor

• Avancerad robotrörelsestyrning

• Utvalda arkitekturer för funktionell säkerhet

Med andra ord är en dubbel givare inte bara ”en sensor till”.

Den skapar en mer komplett återkopplingskedja för inmatning–transmission–utmatning inuti robotleden.

För nästa generations robotställdon kan denna övergång från att uppskatta ledposition till att direkt mäta ledbeteende vara mer värdefull än att enbart öka givarupplösningen.