Wenn Sie an der nächsten Generation von humanoiden Robotern arbeiten, wissen Sie wahrscheinlich schon eines: Alles hängt davon ab, wie genau die Gelenke wissen, wo sie sind.
Die Motoren können noch so leistungsstark sein, die Algorithmen noch so ausgeklügelt, aber wenn die Positionsrückmeldung an einem Ellbogen- oder Hüftgelenk auch nur um 0,05 Grad abweicht, sieht Ihr Roboter wackelig, zögerlich oder einfach nur unheimlich aus.
Das ist der Punkt, an dem optische Encodersensoren wirklich glänzen.
Heute werde ich Ihnen erläutern, warum optische Encoder zur ersten Wahl für ernsthafte humanoide Entwicklungsteams geworden sind, die eine felsenfeste Motorsteuerung und Positionserfassung benötigen, worauf es bei der Auswahl eines Encoders wirklich ankommt und welche praktischen Dinge wir in realen Projekten gesehen haben, die funktionieren (und auch nicht funktionieren).
Warum humanoide Roboter bei der Positionsrückmeldung so wählerisch sind
Menschen sind nicht wie Industriearme, die tausendmal am Tag dieselbe Bewegung in einer schönen, sauberen Umgebung wiederholen.
Das müssen sie auch:
- Auf unebenem Boden gehen, ohne zu stürzen
- Weiche Gegenstände greifen, ohne sie zu zerdrücken
- Machen Sie während des Gesprächs aussagekräftige Handgesten
- Gleichgewicht beim Tragen verschiedener Nutzlasten
- Wechseln Sie zwischen Gehen, Hocken, Treppensteigen usw.
All dies erfordert eine Genauigkeit der Gelenkposition, die in der Regel im Bereich von 0.01°~0.05° (je nach Gelenkgröße und Untersetzungsverhältnis) und sehr geringe Positionsgeräusche.
Die meisten Teams finden schnell heraus, dass magnetische Encoder (selbst die guten 14-16-Bit-Encoder) spürbare Schwankungen und Temperaturschwankungen aufweisen, wenn man diese Auflösung für ein kompaktes Gelenk mit harmonischem Antrieb anstrebt.
Optische Encodersensoren lösen viele dieser Probleme, da sie Muster mit Licht statt mit Magnetfeldern lesen.
Si-PIN-Fotodiode Serie PDCP08 PDCPO8-502
Präzise Abtastung: Die PDCP08-502 ist eine kompakte Silizium-PIN-Photodiode mit einer spezifischen 2,9×2,8 mm großen Messfläche.
Verlässlichkeit: Mit ihrer niedrigen Sperrschichtkapazität gewährleistet diese PIN-Photodiode schnelle Reaktionszeiten. Sie ist das perfekte Bauteil für photoelektrische Anwendungen mit geringem Platzbedarf, die eine stabile Signalausgabe erfordern.
Wie optische Encoder tatsächlich funktionieren (die einfache Version)
Das Herzstück ist eine Codescheibe (aus Glas oder manchmal aus hochwertigem Kunststoff) mit sehr präzisen eingravierten oder gedruckten Mustern - in der Regel abwechselnd transparente und undurchsichtige Linien.
Eine LED leuchtet durch die Scheibe hindurch (oder wird von ihr reflektiert), und auf der anderen Seite (oder auf derselben Seite bei reflektierenden Typen) befindet sich eine Reihe von Fotodetektoren, die das Hell-Dunkel-Muster aufnehmen.
Moderne High-End-Geräte verwenden Interpolationselektronik, um aus der Grundzeilenzahl eine wesentlich höhere Auflösung herauszuholen.
Gängige optische Inkrementalgeber beginnen heutzutage mit 5000-20000 physikalischen Strichen, mit ×4 Quadratur + Interpolation kommt man dann leicht auf 19-22 Bit wirksame Entschließung.
Bei absoluten optischen Drehgebern ist das etwas anders - sie haben in der Regel mehrere konzentrische Spuren (Gray-Code + Feinspur) oder verwenden komplizierte Pseudo-Zufallscodes.
Optisch vs. magnetisch vs. kapazitiv - Schnellvergleichstabelle
| Merkmal | Optischer Encoder | Magnetischer Kodierer | Kapazitiver Encoder |
|---|---|---|---|
| Typische Auflösung (Bits) | 19-24 Bit | 12-18 Bit | 16-20 Bit |
| Positionsrauschen / Jitter | Sehr niedrig | Mittel-Hoch | Niedrig bis mittel |
| Temperaturdrift | Ausgezeichnet (±5 ppm/°C gemeinsam) | Spürbar (50-150 ppm/°C) | Gut |
| Empfindlichkeit gegenüber externem Magnetfeld | Keine | Sehr hoch | Niedrig |
| Empfindlichkeit gegenüber Staub/Öl | Mittel-Hoch (muss versiegelt werden) | Sehr niedrig | Mittel |
| Größe bei gleicher Auflösung | Größere | Kleiner | Mittel |
| Kosten für 20+ Bit Auflösung | $$$ | $ | $$ |
| Am besten für humanoide Gelenke | Hochwertige drehmomentstarke Gelenke | Kostenempfindliche / schmutzige Umwelt | Anwendungen im mittleren Bereich |
Nach dem, was wir bei tatsächlichen humanoiden Projekten gesehen haben, gewinnt in der Regel die optische Technik, sobald man über ~18,5 effektive Bits hinausgeht und eine konsistente Leistung über -10°C bis +60°C benötigt.
Si-PIN-Photodioden-Array Vier-Quadranten-PD PDCA04-102
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Wichtige Spezifikationen, die Sie bei humanoiden Gelenken beachten sollten
Hier sind die Dinge, die Teams am häufigsten zu schaffen machen:
- Effektive Bits nach Interpolation und Rauschen
Achten Sie nicht nur auf die Marketingangabe “24 Bit”. Achten Sie auf das RMS-Rauschen in Bogensekunden oder die tatsächliche Positionswiederholgenauigkeit. - Verfahren zur Signalinterpolation
Die analoge Sinus/Cosinus-Interpolation ist in der Regel besser als die digitale Unterteilung, wenn es um geringen Jitter geht. - Hysterese
Einige optische Drehgeber weisen aufgrund von Lagerspiel oder Scheibenexzentrizität eine Hysterese von 1-3 Bogensekunden auf. Bei guten Geräten bleibt sie unter 0,8 Bogensekunden. - Axial-/Radialschlagtoleranz
Humanoide Gelenke bewegen sich viel. Billige Drehgeber versagen schnell, wenn die Welle um 0,02 mm wackelt. - Kompromiss zwischen maximaler Geschwindigkeit und Auflösung
Viele optische 22-Bit-Encoder fallen bei >3000 U/min auf 19-20 Bit effektiv ab. Ihr harmonisches Antriebsverhältnis beträgt wahrscheinlich 80-120:1, so dass die Motordrehzahl bei schnellen Bewegungen hoch werden kann. - Absolut vs. Inkremental + Batterie-Backup
Für Humanoide, die häufig mit Strom versorgt werden müssen, wird die absolute Variante bevorzugt.
Beispiele aus der Praxis, die sich bewährt haben
Ich kann die Namen der Kunden nicht nennen, aber hier sind ein paar anonymisierte Muster, die immer wieder auftauchen:
- Zweibeinige Forschungsplattform in voller Größe (160-185 cm)
Verwendung absoluter optischer 22-Bit-Encoder an allen 12 Bein- und Armgelenken. Ergebnis: Die Abstimmungszeit für das Gehen verringerte sich von 9 Monaten auf etwa 3,5 Monate, weil die Positionsdaten so sauber waren. - Mittelgroßer (120 cm) Service-Humanoid für den Einsatz in Hotels
Versuchte es mit magnetischen High-End-Geräten → wechselte zu optischen Geräten für Schulter und Ellbogen, nachdem sich Gäste über “zittrige Händedrücke” beschwert hatten. Das Problem ist praktisch verschwunden. - Humanoide Hand mit 20+ DoF
Für die Fingergelenke wurden optische 19-Bit-Miniatur-Inkrementalgeber mit kundenspezifischen Glas-Codescheiben Ø11 mm verwendet. Die taktile + Positionsfusion wurde viel zuverlässiger.
Häufige Probleme und wie gute optische Encoder sie lösen
- Temperaturschwankungen bei langem Betrieb
Gute optische Drehgeber ändern sich um weniger als 5 Bogensekunden bei einem Delta von 50°C. Viele magnetische Geber driften um 30-80 Bogensekunden. - EMI von Hochstrom-Servoantrieben
Optisch ist es völlig unempfindlich (kein magnetischer Aufnehmer). - Vibrationsbedingter Zählverlust
Moderne LED- und Fotodetektor-Designs mit Differenzsignalen kommen mit Vibrationen viel besser zurecht als noch vor 10 Jahren. - Lange Kabelwege
Der RS-422-Differenzialausgang kann ohne Qualitätsverlust mehr als 20 Meter weit gehen.
Die Wahl des richtigen optischen Drehgebers für Ihr Projekt
Wenn Sie sich ernsthaft mit humanoiden Präzisionsgelenken beschäftigen, finden Sie hier einen groben Entscheidungsbaum, den wir normalerweise durchlaufen:
- Benötigt absolute Position nach Stromausfall → absolut optisch gehen
- Das Budget ist sehr knapp bemessen und die Umgebung ist sauber → vielleicht ein High-End-Magnet
- Sie wollen ein möglichst sauberes Positionssignal und können sich die Größe/Preis leisten → optisch inkremental oder absolut
- Fugendurchmesser < Ø18 mm → spezielle Mikrooptik wird sehr teuer, suchen Sie nach kundenspezifischen Lösungen
Bei Bee Photon konzentrieren wir uns genau auf diese letzte Kategorie - hochpräzise optische Encodersensoren, die klein genug und sauber genug für die neueste Generation von drehmomentstarken humanoiden Gelenken sind.
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Sind Sie bereit, über Ihre Herausforderungen bei der Gelenkkontrolle zu sprechen?
Wenn Sie derzeit mit unruhigen Flugbahnen, temperaturbedingter Drift zu kämpfen haben oder einfach nur wollen, dass Ihre Positionsbestimmung nicht länger der Engpass in Ihrem Humanoiden-Projekt ist, schreiben Sie uns.
Wir lieben es, uns mit Kontrollproblemen auf gemeinsamer Ebene zu beschäftigen.
→ Kontakt-Seite: https://photo-detector.com/contact-us/
→ E-Mail: info@photo-detector.com
Kein Druck, nur ehrliche Gespräche darüber, was Ihr Projekt tatsächlich voranbringen könnte.
FAQ
Q1: Sind optische Encodersensoren wirklich die zusätzlichen Kosten im Vergleich zu guten magnetischen Sensoren wert?
Für die meisten mittelgroßen Humanoiden vielleicht nicht. Aber sobald man mit harmonischen Antrieben eine Genauigkeit von weniger als 0,03° bei Schulter-, Ellbogen- und Hüftgelenken anstrebt, ist der Unterschied in der Abstimmungszeit und der endgültigen Bewegungsqualität in der Regel sehr deutlich. Viele Teams, die zuerst sagten “zu teuer”, kamen nach 6-12 Monaten der Frustration zurück.
F2: Wie klein kann ein hochauflösender optischer Encoder für Fingergelenke eigentlich werden?
Derzeit liegt der Sweet Spot für zuverlässige optische 19+ Bit bei Ø13-18 mm. Bei einem kleineren Durchmesser muss man in der Regel Abstriche bei der Auflösung, der Signalqualität oder der langfristigen Zuverlässigkeit machen. Wir haben jedoch einige kundenspezifische Ø11-mm-Prototypen in den Labors laufen.
F3: Benötige ich absolute Drehgeber oder reichen inkrementale Drehgeber mit Referenzfahrt aus?
Das hängt von Ihrem Anwendungsfall ab. Wenn der Roboter bei jedem Einschalten eine Referenzfahrt durchführen darf (wie bei vielen Forschungsplattformen), ist inkrementell in Ordnung und in der Regel billiger. Wenn Sie wollen, dass der Roboter nach dem Einschalten sofort einsatzbereit ist (z. B. bei kundenorientierten Servicerobotern), erspart Ihnen die absolute Methode eine Menge Kopfzerbrechen.
