Robot Eklem Modülleri Neden Çift Enkoder Kullanır?

Çift enkoderli robot eklemleri, yüksek performanslı robotikte giderek daha önemli hâle gelmektedir. Ancak ikinci bir enkoder eklemek, yalnızca başka bir sensör takmak anlamına gelmez.

Asıl amaç, iki farklı soruyu yanıtlamaktır:

Motor ne kadar hareket etti?

ve

Robot eklemi gerçekte ne kadar hareket etti?

Çerçevesiz tork motoru, hassas redüktör, enkoder ve çıkış flanşından oluşan bir robot eklem modülünde, motor tarafı enkoderi motor konumunu ve hızını doğru şekilde ölçebilir. Bununla birlikte, gerçek eklem çıkışı; iletim hatası, burulma deformasyonu, sürtünme, termal kayma, montaj toleransları ve harici yükteki değişimlerden etkilenebilir.

Bu nedenle çift enkoderli robot eklemi daha eksiksiz bir geri besleme mimarisi sunabilir. Bir enkoder motor tarafını izlerken, diğeri eklem çıkış tarafını ölçer. Birlikte, kontrolörün hem motor dinamiklerini hem de gerçek eklem konumunu gözlemlemesine olanak tanırlar.

Çift Enkoderli Robot Eklemi Nedir?

Tipik bir robot eklemi çift enkoder mimarisi şu şekilde basitleştirilebilir:

Motor → Motor Tarafı Enkoderi → Hassas Redüktör → Çıkış Tarafı Enkoderi → Eklem Çıkışı

Motor tarafı enkoderi, motor rotoru veya giriş milinin yakınına monte edilir. Esas olarak motor komütasyonu, alan yönlendirmeli kontrol (FOC), hız kontrolü ve motor durumu tahmini için yüksek hızlı geri besleme sağlar.

Eklem tarafı enkoderi olarak da bilinen çıkış tarafı enkoderi, redüktörden sonra monte edilir ve robot ekleminin gerçek açısal konumunu ölçer.

Bu mimari yaygın olarak şu şekilde tanımlanır:

• Çift enkoder

• Çift geri besleme

• Çift çevrimli kontrol

• Motor tarafı ve eklem tarafı geri beslemesi

İki enkoderin aynı teknolojiyi kullanması zorunlu değildir. Uygulamaya bağlı olarak, bir robot eklemi artımlı enkoderler, tek turlu mutlak enkoderler veya çok turlu mutlak enkoderler kullanabilir.

Motor Tarafı Enkoderi Neden Yeterli Değildir?

Geleneksel tek enkoderli bir robot ekleminde enkoder genellikle motor tarafına monte edilir.

Kontrolör motor konumunu bilir ve teorik çıkış konumunu redüksiyon oranına göre hesaplar:

θout ≈ θmotor / N

Burada N, redüksiyon oranıdır.

Bu yaklaşım, iletim sistemi yeterince rijit ve öngörülebilir kabul edilebildiğinde iyi çalışır.

Ancak gerçek bir robot eklemi ideal rijit bir iletim sistemi değildir.

Redüktör iletim hatası oluşturabilirken, esnek bileşenler yük altında deformasyona uğrayabilir. Rulmanlar, kaplinler ve çıkış flanşları da küçük mekanik sapmalara neden olabilir. Sıcaklık değişimleri hem mekanik yapıyı hem de enkoder ölçümlerini daha da etkileyebilir.

Sonuç olarak:

Hesaplanan Eklem Konumu ≠ Gerçek Eklem Konumu

Bu fark, yüksek performanslı robot eklemlerinde çıkış tarafı enkoderlerinin kullanılmasının başlıca nedenlerinden biridir.

İkincil bir enkoder, özellikle esneklik, boşluk, sürtünme ve diğer mekanik bozulmalardan etkilenen robot eklemlerinde iletim hatalarını belirlemek ve telafi etmek için ek geri besleme sağlayabilir.

Çift Enkoderlerin Temel Avantajı: Redüktörden Sonra Olanı Ölçmek

Çift enkoderli aktüatörün arkasındaki en önemli kavram basittir:

Motor tarafı enkoderi, iletimin giriş tarafını ölçer.

Çıkış tarafı enkoderi, gerçek eklem çıkışını ölçer.

Kontrolör daha sonra iki geri besleme sinyalini karşılaştırabilir ve motor hareketi ile eklem hareketi arasındaki farkları belirleyebilir.

Örneğin, motor komut verilen konuma dönebilirken çıkış flanşı, burulma deformasyonu, iletim hatası veya yüke bağlı mekanik davranış nedeniyle hâlâ hafifçe yer değiştirmiş olabilir.

Tek enkoderli bir sistem şunu varsayabilir:

Motor komut verilen konuma ulaştıysa eklem de komut verilen konuma ulaşmıştır.

Çift enkoderli bir sistem ise şunu belirleyebilir:

Motor komut verilen konuma ulaştı, ancak eklem çıkışında hâlâ bir konum hatası var.

Bu, robot eklem modüllerinde çift çevrimli geri beslemenin temel avantajlarından biridir.

1. Robot Eklem Konum Kontrolünü İyileştirme

Çift enkoder mimarisinin temel avantajlarından biri, konum çevriminin gerçek eklem çıkışından gelen geri beslemeyi kullanabilmesidir.

Geleneksel motor tarafı geri besleme sisteminde, konum kontrolörü öncelikle motor konumunu gözlemler.

Çift geri beslemeyle kontrol mimarisi iki işlevi ayırabilir:

Motor Enkoderi → Motor Kontrolü

Çıkış Enkoderi → Eklem Konumu Geri Beslemesi

Bu, kontrolörün yalnızca motoru değil, redüktörden sonraki gerçek çıkış konumunu da düzenlemesine olanak tanır.

Bu mimari özellikle şu uygulamalar için kullanışlıdır:

• Yüksek hassasiyetli robot eklemleri

• İşbirlikçi robotlar

• İnsansı robot aktüatörleri

• Hassas hareket sistemleri

• CNC döner eksenleri

• Yüksek performanslı servo mekanizmalar

Hassas yörünge takibi gerektiren uygulamalarda, çıkış tarafı konum geri beslemesi iletim kaynaklı hataların nihai eklem konumu üzerindeki etkisini azaltmaya yardımcı olabilir.

2. Redüktör İletim Hatasını Ölçme ve Telafi Etme

Yaygın bir yanlış anlama, çift enkoderin basitçe “boşluğu ortadan kaldırabileceği” yönündedir.

Bu, teknik olarak doğru değildir.

Çift enkoderli robot eklemi boşluğu mekanik olarak ortadan kaldırmaz. Bunun yerine ikinci enkoder, kontrol sisteminin motor tarafı ve çıkış tarafı hareketi arasındaki farkı ölçmesine ve kontrol algoritmaları yoluyla iletim hatasının bir kısmını telafi etmesine olanak tanır.

Redüktöre ve mekanik tasarıma bağlı olarak ilgili hata kaynakları şunları içerebilir:

• İletim hatası

• Burulma deformasyonu

• Histerezis

• Sürtünme

• Elastik deformasyon

• Montaj hatası

• Termal kayma

Kontrolör, motor tarafı ve eklem tarafı konum geri beslemelerini karşılaştırarak bir hata modeli oluşturabilir ve eklem konumu, yön, hız, yük ve diğer çalışma koşullarına göre telafi uygulayabilir.

Bu nedenle daha doğru açıklama şudur:

Çift enkoderler, iletim hatasının ölçülmesini ve telafi edilmesini sağlar.

Şu ifade yerine:

Çift enkoderler boşluğu ortadan kaldırır.

Bu ayrım, harmonik tahrikli robot eklemi veya diğer hassas redüktör tabanlı aktüatörlerin gerçek performansını değerlendirirken önemlidir.

3. Gerçek Eklem Konumu Geri Beslemesini İyileştirme

Yüksek enkoder çözünürlüğü, otomatik olarak yüksek robot konumlandırma doğruluğu anlamına gelmez.

Üç teknik kavram açıkça ayırt edilmelidir:

Çözünürlük

Çözünürlük, bir enkoderin ayırt edebileceği en küçük konum artışını tanımlar.

Örneğin, 23 bitlik tek turlu bir enkoder şunları sağlar:

2²³ = devir başına 8,388,608 sayım

Teorik açısal artış yaklaşık olarak şudur:

Sayım başına 0.154 ark saniye

Ancak bu, enkoder çözünürlüğüdür; robot ekleminin genel konumlandırma doğruluğu değildir.

Doğruluk

Doğruluk, ölçülen konumun gerçek fiziksel konuma ne kadar yakın karşılık geldiğini tanımlar.

Tekrarlanabilirlik

Tekrarlanabilirlik, aynı hareket tekrarlandığında sistemin aynı konuma ne kadar tutarlı döndüğünü tanımlar.

Dolayısıyla:

Yüksek Enkoder Çözünürlüğü ≠ Yüksek Sistem Doğruluğu

Bir robot ekleminin nihai performansı; enkoder doğruluğu, redüktör iletim hatası, rulman salınımı, mekanik rijitlik, termal etkiler, kalibrasyon ve kontrol algoritmaları dâhil olmak üzere eksiksiz sisteme bağlıdır.

Bu nedenle çift enkoder geri beslemesi yalnızca enkoder bit sayısına göre değil, eksiksiz hareket kontrol mimarisinin bir parçası olarak değerlendirilmelidir.

4. Motor Hareketini Gerçek Eklem Hareketinden Ayırma

Bu, robot eklemi çift enkoder mimarisinin bir diğer önemli avantajıdır.

100:1 redüksiyon oranı kullanan bir robot eklemini düşünün.

Motor nispeten büyük bir açıyla dönebilirken, çıkış eklemi bu açının yalnızca küçük bir bölümü kadar döner.

Aynı zamanda redüktör ve mekanik yapı, harici yük değiştikçe hafifçe deforme olabilir.

Bu nedenle kontrolör motor enkoderinden teorik bir eklem konumu hesaplayabilir, ancak bu her zaman gerçek çıkış konumunu temsil etmez.

Çıkış enkoderi eklem tarafından doğrudan geri besleme sağlar.

Bu nedenle kontrol sistemi iki farklı durumu gözlemleyebilir:

Motor Dinamikleri

ve

Eklem Dinamikleri

Bu ayrım, yüksek hızlı robot hareketlerinde, dinamik yük değişimlerinde ve yüksek hassasiyetli yörünge kontrolünde giderek daha önemli hâle gelir.

Çift Enkoderler Güç Kesildikten Sonra Konum Kaybını Önleyebilir mi?

Yanıt şudur:

Yardımcı olabilirler, ancak çift enkoderler tek başına referanslama işlemini otomatik olarak ortadan kaldırmaz.

Bir robot ekleminin güç kaybından sonra konumunu koruyup koruyamayacağı, esas olarak enkoder tipine ve çok turlu konum koruma mekanizmasına bağlıdır.

Artımlı Enkoder

Artımlı enkoder genellikle güç kaybından sonra mutlak konum bilgisini korumaz ve bir referans veya referanslama işlemi gerektirebilir.

Tek Turlu Mutlak Enkoder

Tek turlu mutlak enkoder, bir devir içindeki açısal konumu belirleyebilir; ancak tek başına sınırsız çok turlu konum bilgisi sağlamaz.

Çok Turlu Mutlak Enkoder

Çok turlu mutlak enkoder, hem tek turlu konumu hem de birden fazla devirde biriken dönüş konumunu sağlayabilir.

Çok turlu konum koruma; batarya destekli sistemler, mekanik sayma mekanizmaları ve bataryasız konum koruma teknolojileri dâhil farklı teknolojiler kullanılarak uygulanabilir.

Örneğin Oriental Motor'un ABZO enkoderi, güç kesildikten sonra konum bilgisini koruyabilen bataryasız mekanik mutlak konum sistemi kullanır.

Bu nedenle mühendislik ilişkisi daha doğru şekilde şu şekilde tanımlanır:

Çift Enkoder + Uygun Çok Turlu Mutlak Geri Besleme → Geleneksel Referanslama İhtiyacının Potansiyel Olarak Azalması veya Ortadan Kalkması

şu ifade yerine:

Çift Enkoder → Referanslamayı Otomatik Olarak Ortadan Kaldırır

Çift Enkoderler Robot Fonksiyonel Güvenliğini Artırabilir mi?

Evet, ancak önemli bir ayrım yapılmalıdır:

İki enkoder, otomatik olarak fonksiyonel güvenlik yedekliliği anlamına gelmez.

İki enkoder uygun tanılama, arıza algılama ve güvenlik mimarisi olmadan yalnızca geleneksel bir kontrolöre bağlanırsa, sistem otomatik olarak PL d, PL e, SIL 2 veya SIL 3 iddiasında bulunamaz.

Güvenlikle ilgili uygulamalarda çift geri beslemenin değeri, kontrolörün iki farklı konum ölçümünü karşılaştırabilmesidir.

Örneğin:

Motor Enkoderi Konumu ≠ Eklem Enkoderi Konumu

şunlara işaret edebilir:

• Enkoder arızası

• Mekanik iletim arızası

• Redüktör hasarı

• Mil veya kaplin sorunları

• Beklenmeyen mekanik yer değiştirme

• İletişim veya sinyal hataları

Kontrol sistemi daha sonra anormal durumu algılayabilir ve uygun bir arıza yanıtı uygulayabilir.

IEC 61800-5-3 güvenlikle ilgili enkoderleri ele alırken, IEC 61800-5-2 güç tahrik sistemleri için güvenlikle ilgili işlevleri kapsar.

Bu nedenle teknik olarak doğru ifade şudur:

Çift enkoderler fonksiyonel güvenlik mimarisini destekleyebilir, ancak nihai PL veya SIL kapasitesi; eksiksiz güvenlikle ilgili sisteme, tanılamaya, mimariye ve doğrulamaya bağlıdır.

Çift Enkoderler Fonksiyonel Güvenlik Standartlarıyla Nasıl İlişkilidir?

Bir robot eklemindeki fonksiyonel güvenlik, tek bir enkoder tarafından belirlenmez.

Eksiksiz güvenlikle ilgili kontrol sistemine dayanır.

İlgili standartlar şunları içerebilir:

IEC 61508

Fonksiyonel güvenlik ve Güvenlik Bütünlük Seviyeleri (SIL) için genel çerçeveyi sağlar.

IEC 61800-5-2

Güvenli Tork Kapatma (STO) ve diğer tahrikle ilgili güvenlik işlevleri dâhil olmak üzere güç tahrik sistemlerine yönelik güvenlikle ilgili işlevleri tanımlar.

IEC 61800-5-3

Fonksiyonel güvenlik uygulamalarında kullanılan güvenlikle ilgili enkoderlere yönelik gereksinimleri sağlar.

EN ISO 13849-1

Kontrol sistemlerinin güvenlikle ilgili parçalarını ele alır ve Performans Seviyelerini (PL) tanımlar.

ISO 10218-1:2025

Endüstriyel robot sistemleri için güvenlik gereksinimlerini belirtir.

ISO 10218-2:2025

Endüstriyel robot uygulamaları ve robot hücreleri için güvenlik gereksinimlerini ele alır.

Temel nokta, çift enkoderin güvenlikle ilgili bir geri besleme mimarisinin parçası olabilmesi, ancak yalnızca enkoder sayısının nihai güvenlik seviyesini belirlememesidir.

Sistem mimarisi, tanılama kapsamı, arıza yanıtı, ortak nedenli arıza koruması ve doğrulamanın tümü dikkate alınmalıdır.

Çift Enkoderli ve Tek Enkoderli Robot Eklemleri

Tek enkoder ile çift enkoder arasındaki seçim uygulamaya bağlıdır.

Özellik Tek Enkoder Çift Enkoder

Motor konumu geri beslemesi Evet Evet

Doğrudan çıkış konumu geri beslemesi Genellikle hayır Evet

İletim hatası izleme Sınırlı İyileştirilmiş

Çift çevrimli kontrol Sınırlı Evet

Redüktör hatası telafisi Sınırlı İyileştirilmiş

Çok turlu mutlak konum Enkodere bağlı Enkodere bağlı

Arıza çapraz kontrolü Sınırlı İyileştirilmiş

Sistem karmaşıklığı Daha düşük Daha yüksek

Maliyet Daha düşük Daha yüksek

Yüksek performanslı eklemler için uygunluk Uygulamaya bağlı Güçlü avantaj

Maliyete duyarlı robot eklemleri veya iletim doğruluğunun hâlihazırda yeterli olduğu sistemler için tek enkoder yeterli olabilir.

Uygulama yüksek konumlandırma performansı, iletim hatası telafisi, gelişmiş hareket kontrolü veya ek konum tanılaması gerektirdiğinde çift enkoder mimarisi daha cazip hâle gelir.

Çift Enkoderler Neden Her Robot Ekleminde Kullanılmaz?

Çift enkoderler ek geri besleme sağlıyorsa, neden her yerde kullanılmıyorlar?

Yanıt sistem karmaşıklığıdır.

Çıkış enkoderi eklemek şunları artırır:

• BOM maliyeti

• Mekanik entegrasyon karmaşıklığı

• Kablolama gereksinimleri

• EMC tasarım gereksinimleri

• Kalibrasyon gereksinimleri

• Kontrolör karmaşıklığı

• Tanılama gereksinimleri

• Montaj gereksinimleri

Çıkış tarafı enkoderi ayrıca mekanik montaj hatalarına karşı hassas olabilir.

Enkoder eksantrikliği, mil salınımı, flanş deformasyonu ve kaplin hatalarının tümü ölçülen çıkış konumunu etkileyebilir.

Bu nedenle amaç mümkün olduğunca çok sensör takmak değildir.

Amaç, gereken robot eklemi performansı için doğru geri besleme mimarisini kullanmaktır.

Tipik Çift Enkoderli Robot Eklemi Mimarisi

Yüksek performanslı bir robot eklemi, üç ana geri besleme katmanı olarak anlaşılabilir.

Motor Tarafı Geri Beslemesi

Motor tarafı enkoderi öncelikle şunları destekler:

Komütasyon

Alan Yönlendirmeli Kontrol (FOC)

Akım ve hız kontrolü

Motor konumu geri beslemesi

Geri beslemenin, dinamik motor kontrolü için yeterince hızlı ve kararlı olması gerekir.

Eklem Tarafı Geri Beslemesi

Eklem tarafı enkoderi öncelikle şunları sağlar:

• Gerçek eklem konumu

• Çıkış konumu geri beslemesi

• İletim hatası izleme

• Mekanik durum izleme

Redüktörden sonra monte edildiği için, motor tarafı enkoderinden doğrudan elde edilemeyen bilgileri sağlar.

Kontrolör

Kontrolör her iki geri besleme kaynağını birleştirir:

• Motor Konumu → Motor Durumu

• Çıkış Konumu → Eklem Durumu

• Konum Farkı → İletim ve Mekanik Hata Bilgisi

Bu, robot eklemi için daha eksiksiz bir geri besleme çevrimi oluşturur.

Çift Enkoderler Yalnızca Daha Yüksek Doğruluktan İbaret Değildir

İki enkoder kullanmanın en önemli nedeni yalnızca enkoder çözünürlüğünü artırmak değildir.

Ölçüm hedefini daha eksiksiz hâle getirmektir.

Tek enkoder öncelikle şunu ölçer:

• Motor

• Çift enkoderli sistem ise şunu ölçer:

• Motor + Eklem

Bu, kontrol sisteminin motor hareketi ile gerçek eklem hareketini ayırt etmesine olanak tanır.

Bu ayrım, robot eklemi harmonik tahrik veya RV redüktörü gibi yüksek oranlı hassas redüktör içerdiğinde özellikle değerlidir.

Çift Enkoderli Robot Eklemi Ne Zaman Kullanılmalıdır?

Robot eklemi aşağıdakilerden birini veya birkaçını gerektiriyorsa çift enkoder mimarisinin değerlendirilmesi faydalıdır:

Yüksek hassasiyetli eklem konumlandırması

Nihai çıkış konumu hesaplanan motor konumundan daha önemli olduğunda.

İletim hatası telafisi

Redüktör ve mekanik iletim hatalarının ölçülmesi ve telafi edilmesi gerektiğinde.

Gelişmiş hareket kontrolü

Kontrol sisteminin hem motor hem de eklem taraflarından doğru geri beslemeye ihtiyaç duyduğunda.

Mutlak çok turlu konumlandırma

Robotun güç kaybından sonra eklem konumu bilgisini koruması gerektiğinde.

Konum tabanlı tanılama

Anormal mekanik davranışı algılamak için motor tarafı ve eklem tarafı konumlarının sürekli karşılaştırılması gerektiğinde.

Fonksiyonel güvenlik mimarisi

Eksiksiz güvenlikle ilgili kontrol sisteminin parçası olarak yedekli veya çapraz kontrol edilmiş konum geri beslemesi gerektiğinde.

Çift Enkoder Geri Beslemesi Yeni Nesil Robot Aktüatörleri İçin Neden Önemlidir?

İşbirlikçi robotlar, insansı robotlar ve yüksek performanslı endüstriyel robotlar daha yüksek hassasiyet, daha hızlı yanıt ve daha iyi tanılama özellikleri talep etmeye devam ettikçe, robot eklemi mimarileri daha gelişmiş hâle gelmektedir.

Geleneksel yapı:

Motor + Redüktör + Enkoder

giderek şu yapıya dönüşmektedir:

Motor + Motor Enkoderi + Hassas Redüktör + Eklem Enkoderi + Kontrolör

Temel değişim yalnızca başka bir sensörün eklenmesi değildir.

Motor hareketinden eklem konumunu tahmin etmekten, gerçek eklem durumunu doğrudan ölçmeye geçiştir.

Harmonik redüktör kullanan robot eklemleri için bu ayrım özellikle önemli olabilir. Hassas redüktörler yüksek redüksiyon oranları, yüksek tork yoğunluğu ve kompakt mekanik yapılar sunar; ancak nihai eklem performansı yine de iletim hatası, burulma rijitliği, termal etkiler, mekanik toleranslar ve harici yüklerden etkilenir.

Çift enkoder mimarisi, kontrolöre iletim zincirinin her iki tarafına erişim sağlar.

Bu, aşağıdakiler için daha güçlü bir temel sağlar:

• Yüksek hassasiyetli konum kontrolü

• İletim hatası telafisi

• Eklem durumu izleme

• Çift çevrimli hareket kontrolü

• Gelişmiş robot hareket kontrolü

• Seçilmiş fonksiyonel güvenlik mimarileri

Başka bir deyişle, çift enkoder yalnızca “bir sensör daha” değildir.

Robot eklemi içinde daha eksiksiz bir giriş–iletim–çıkış geri besleme zinciri oluşturur.

Yeni nesil robot aktüatörleri için, eklem konumunu tahmin etmekten eklem davranışını doğrudan ölçmeye yönelik bu değişim, yalnızca enkoder çözünürlüğünü artırmaktan daha değerli olabilir.