Енкодери за роботи

• Енкодерите са ключови компоненти от съвременните системи за управление на движението
  
  
• С динамичното развитие на индустриалната роботика важността на тези устройства непрекъснато нараства
  
  
• Приложенията им се разгръщат във все повече промишлени и специализирани приложения

Енкодерите са ключови компоненти от съвременните системи за управление на движението, които осигуряват точна информация за скоростта, позицията, посоката и ъгъла. С динамичното развитие на индустриалната роботика важността на тези устройства непрекъснато нараства, а приложенията им се разгръщат във все повече промишлени и специализирани приложения.

В наши дни роботи се използват масово за автоматизирането на монотонни, опасни или тежки операции, където прецизните и повторяеми движения са критични. Всяко реално движение на една мехатронна система обаче може да се различава от зададеното поради промени в натоварването и механични допуски или да се измени вследствие на динамиката на работните условия. Ето защо информацията за действителните движения на роботите е важна част от тяхното управление. Енкодерите осигуряват обратна връзка за скоростта на електромотора и действителното положение на съответната ос, като позволяват на контролера да сравнява зададеното и реалното движение.

При колесните роботи например данните от енкодерите могат да се използват за определяне на скоростта и посоката на колелата, изминатото разстояние и движението по зададена траектория. При роботизираните манипулатори те предоставят информация за положението на отделните оси и шарнирни съединения (стави), което е необходимо за позиционирането на хващача или инструмента в работното пространство.

Функции и принцип на действие

Без обратна връзка контролерът следва просто да приеме, че двигателят и свързаният с него механизъм реагират точно според очакванията на подадената команда. На практика това невинаги е така. Промяната на натоварването, различията между електромоторите и механичните допуски могат да доведат до отклонение между зададеното и действителното движение.

Енкодерът преобразува механичното движение или положение в електрически сигнал, който се подава към системата за управление. Ротационните енкодери обикновено се монтират върху вал на двигател или редуктор и измерват въртенето, докато линейните енкодери се използват за измерване на линейно движение.
При инкременталните енкодери движението се представя чрез импулси. Те могат да бъдат използвани за определяне на относителното преместване и скоростта, като честотата на импулсите е свързана със скоростта на движение. При квадратурните енкодери се използват два сигнала с фазово отместване. Чрез сравнението между тях се определя и посоката на движение.

Абсолютните енкодери работят на различен принцип. Всяка позиция има определена стойност, така че системата може директно да получи информация за текущото положение. Това е полезно при приложения, при които позицията трябва да бъде известна веднага след активирането на системата, без да се разчита на натрупване на импулси от начална позиция с течение на времето. Получената информация служи като база за обратна връзка към системата за управление. Контролерът сравнява командата с действителното движение и при наличие на отклонение може да коригира управляващия сигнал. Така се реализира управление със затворен контур, при което реакцията на механизма не се приема за даденост, а фактически се измерва.

При сервозадвижванията енкодерът също е важна част от системата за обратна връзка и се използва при управление както на скоростта, така и на позицията. В зависимост от приложението може да бъде необходимо поддържане на постоянна скорост, достигане на определено положение или проследяване на зададена траектория.

Ключови приложения

Енкодерите намират широко приложение в сегмента на индустриалните роботи, особено при шарнирните конфигурации, при които няколко оси трябва да извършват координирано движение. На прецизно позициониране при изпълнението на различни задачи разчитат роботизирани системи в автомобилостроенето, машиностроенето, електрониката и други промишлени сектори. Типични примери са заваряването, сглобяването и pick-and-place операциите. В тези случаи движенията на инструмента или хващача трябва да се характеризират с висока повторяемост, а пространственото им положение да се поддържа в определени лимити във връзка с конфигурираната дълбочина на обсег. При многоосните роботи към това се добавя и необходимостта от координиране на отделните шарнирни съединения.

В мобилната роботика енкодерите най-често са свързани със задвижването на колелата на роботизираната платформа. Те дават информация за скоростта и посоката на въртене и могат да се използват за оценяване на изминатото разстояние. Въз основа на тези данни роботът може да изчислява промяната в собственото си положение чрез т. нар. одометрия. Колесната одометрия е широко използвана при навигацията на мобилни роботи в складовата и логистичната дейност. При робот с диференциално задвижване например движението на двете колела може да бъде сравнено, за да се определи дали системата се движи направо или завива. Ако двете колела се движат с приблизително еднаква скорост, изводът е, че роботът следва праволинейна траектория. Разлика между скоростите обаче е показател за промяна в посоката.

Реалните експлоатационни условия често внасят допълнителни отклонения. Еднаква команда към два мотора не означава непременно еднаква скорост. Влияние оказват още напрежението на батерията, полезният товар, наклонът и повърхността, по която се движи роботът. Обратната връзка от енкодерите позволява всякакви релевантни разлики да бъдат отчитани и при необходимост скоростта на отделните колела да бъде коригирана.

Приплъзването на колелата е често срещан проблем. Към него се добавят деформацията на гумите, неравните повърхности в промишлените обекти на закрито и открито и механичните допуски. Натрупването на привидно малки грешки може с времето да доведе до значително отклонение в оценката на положението. Поради това при по-сложни по устройство и функционалност мобилни роботи енкодерите обикновено се използват в комбинация с допълнителни прецизни сензори.

Основни типове енкодери в роботиката

Различните типове енкодери в практиката се разграничават помежду си по няколко основни признака. Според характера на движението, което проследяват, те биват ротационни или линейни. Ротационните измерват ъгъла, положението или скоростта на въртене, докато линейните се използват при линейно преместване.

Във връзка с начина на определяне на положението основното разграничение е между инкрементални и абсолютни енкодери. Инкременталните генерират последователност от импулси при движение. Чрез тях системата проследява промяната спрямо референтната позиция. Те са широко използвани при управление на двигатели и могат да осигурят висока резолюция и точност. Недостатък е, че при прекъсване на захранването системата може да загуби натрупаните данни за пространственото положение. След неговото възстановяване обикновено е необходимо повторно установяване на референтна позиция.

При абсолютните енкодери всяка позиция се представя с уникална стойност. Това позволява положението да бъде определяно директно и е особено полезно при роботизирани системи, при които загубата на информация за местоположението е крайно нежелателна, тъй като би довела до отчетливи усложнения в последващата работа.

Различават се и технологиите, използвани за отчитане на движението. Оптичните енкодери използват светлинен източник, оптичен диск или скала и сензор за регистриране на движението. Те позволяват висока точност и резолюция, но замърсяването на оптичните елементи може да повлияе на работата им.

Магнитните енкодери, както подсказва и наименованието им, са базирани на магнитно поле и сензор за определяне на положението или движението. Те са подходящи за среди, в които са налице вибрации, влага или замърсяване, и намират обширно приложение в разнообразни по тежест на условията промишлени среди. Капацитивните и индуктивните енкодери използват други доказани физични принципи и също имат специфични области на употреба.

Енкодери при роботизирани манипулатори

При роботизираните манипулатори (рамена) основната задача на енкодерите е да предоставят информация за положението на отделните стави. Положението на крайния изпълнителен механизъм зависи от конфигурацията на всички оси, затова грешка при едно съединение може да се отрази на оценката на цялото движение.

Абсолютните енкодери имат предимство при такива приложения, когато е необходимо положението да бъде известно непосредствено след активиране. Ако рамото е преместено, докато системата е била изключена, абсолютният енкодер може да предостави информация за новото положение без задължително преминаване през процедура за намиране на начална позиция.

При инкременталните енкодери положението се проследява спрямо референтна точка. След включване на системата може да се наложи установяване на начално местоположение чрез краен изключвател, индексен сигнал или друга известна позиция. Изборът между двата типа зависи от изискванията на конкретния робот и системата за управление.

Информацията от енкодерите се използва и при изчисляване на движението чрез обратна кинематика. Когато е зададена желана позиция на хващача или инструмента в триизмерното пространство, системата следва да определи необходимите позиции на отделните стави. По време на движението енкодерите показват дали тези позиции действително са достигнати.

При манипулаторите трябва да се вземат предвид и физическите ограничения на шарнирните съединения. Това е особено важно за предотвратяване на нежелани движения и сблъсъци с други системни елементи или обекти в работната среда.