Robot Mafsal Modüllerinde Neden Çift Enkoder Kullanılır?

Çift enkoderli robot eklemleri, yüksek performanslı robotikte giderek daha önemli hale geliyor. Ancak ikinci bir enkoder eklemek, sadece başka bir sensör takmak meselesi değil.

Asıl amaç iki farklı soruyu yanıtlamaktır:

Motor ne kadar hareket etti?

Ve

Robotun eklemi gerçekte ne kadar hareket etti?

Çerçevesiz tork motoru, hassas redüktör, enkoder ve çıkış flanşından oluşan bir robot eklem modülünde , motor tarafındaki enkoder motorun konumunu ve hızını doğru bir şekilde ölçebilir. Bununla birlikte, gerçek eklem çıkışı yine de iletim hatası, burulma deformasyonu, sürtünme, termal kayma, montaj toleransları ve dış yükteki değişikliklerden etkilenebilir.

Bu nedenle çift kodlayıcılı bir robot eklemi daha eksiksiz bir geri bildirim mimarisi sağlayabilir. Bir kodlayıcı motor tarafını izlerken, diğeri eklem çıkış tarafını ölçer. Birlikte, kontrolörün hem motor dinamiklerini hem de eklemin gerçek konumunu gözlemlemesini sağlarlar.

Çift Kodlayıcılı Robot Eklemi Nedir?

Tipik bir robot ekleminin çift kodlayıcı mimarisi şu şekilde basitleştirilebilir:

Motor → Motor Tarafı Enkoder → Hassas Redüktör → Çıkış Tarafı Enkoder → Bağlantı Çıkışı

Motor tarafındaki enkoder, motor rotorunun veya giriş milinin yakınına monte edilir. Başlıca işlevi, motor komütasyonu, alan yönlendirmeli kontrol (FOC), hız kontrolü ve motor durum tahmini için yüksek hızlı geri besleme sağlamaktır.

Çıkış tarafı kodlayıcısı, diğer adıyla eklem tarafı kodlayıcısı, redüktörden sonra takılır ve robot ekleminin gerçek açısal konumunu ölçer.

Bu mimari genellikle şu şekilde tanımlanır:

• Çift kodlayıcı

• Çift geri bildirim

• Çift döngülü kontrol

• Motor tarafı ve eklem tarafı geri bildirimi

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

Motor tarafındaki enkoder neden yeterli değil?

Geleneksel tek kodlayıcılı robot eklemlerinde, kodlayıcı genellikle motor tarafına monte edilir.

Kontrol ünitesi motorun konumunu bilir ve azaltma oranına göre teorik çıkış konumunu hesaplar:

θout ≈ θmotor / N

Burada N, indirgeme oranıdır.

Bu yaklaşım, iletim sisteminin yeterince sağlam ve öngörülebilir olduğu durumlarda iyi sonuç verir.

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

Redüktör, iletim hatasına neden olabilirken, esnek bileşenler yük altında deforme olabilir. Rulmanlar, kaplinler ve çıkış flanşları da küçük mekanik sapmalara yol açabilir. Sıcaklık değişimleri ise 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 kodlayıcıların kullanılmasının başlıca nedenlerinden biridir.

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

Çift Enkoderlerin Temel Avantajı: Redüktörden Sonra Ne Olduğunu Ölçmek

Çift kodlayıcılı aktüatörün ardındaki en önemli kavram basittir:

Motor tarafındaki kodlayıcı, şanzımanın giriş tarafını ölçer.

Çıkış tarafındaki kodlayıcı, eklemin gerçek çıkışını ölçer.

Kontrol ünitesi daha sonra iki geri bildirim sinyalini karşılaştırabilir ve motor hareketi ile eklem hareketi arasındaki farklılıkları belirleyebilir.

Örneğin, burulma deformasyonu, iletim hatası veya yüke bağlı mekanik davranış nedeniyle çıkış flanşı hala hafifçe yer değiştirmiş haldeyken motor komut edilen konuma dönebilir.

Tek kodlayıcılı bir sistem şu varsayımları yapabilir:

Motor istenen konuma ulaştı, dolayısıyla bağlantı noktası da istenen konuma ulaştı.

Çift kodlayıcılı bir sistem şunları tanımlayabilir:

Motor istenen konuma ulaştı, ancak bağlantı çıkışında hala konum hatası mevcut.

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

1. Robot Eklem Pozisyon Kontrolünü İyileştirme

Çift kodlayıcı mimarisinin başlıca avantajlarından biri, pozisyon döngüsünün gerçek eklem çıkışından gelen geri bildirimi kullanabilmesidir.

Geleneksel bir motor tarafı geri besleme sisteminde, konum kontrolcüsü öncelikle motorun konumunu gözlemler.

Çift geri bildirim sayesinde, kontrol mimarisi iki işlevi birbirinden ayırabilir:

Motor Kodlayıcı → Motor Kontrolü

Çıkış Kodlayıcı → Eklem Pozisyonu Geri Beslemesi

Bu, kontrol ünitesinin yalnızca motoru değil, aynı zamanda redüktörden sonraki gerçek çıkış konumunu da düzenlemesine olanak tanır.

Bu mimari özellikle şu alanlarda kullanışlıdır:

• Yüksek hassasiyetli robot eklemleri

• İşbirlikçi robotlar

• İnsansı robot aktüatörleri

• Hassas hareket sistemleri

• CNC döner eksenler

• Yüksek performanslı servo mekanizmaları

Doğru yörünge takibi gerektiren uygulamalar için, çıkış tarafındaki konum geri bildirimi, iletimle ilgili hataların nihai eklem konumuna etkisini azaltmaya yardımcı olabilir.

2. Redüktör İletim Hatasını Ölçme ve Telafi Etme

Sık karşılaşılan bir yanılgı, çift kodlayıcının "geri tepmeyi ortadan kaldırabileceği" düşüncesidir.

Bu teknik olarak doğru değil.

Çift kodlayıcılı bir robot eklemi, mekanik olarak boşluğu ortadan kaldırmaz. Bunun yerine, ikinci kodlayıcı, kontrol sisteminin motor tarafındaki ve çıkış tarafındaki hareket arasındaki farkı ölçmesine ve kontrol algoritmaları aracılığıyla iletim hatasının bir kısmını telafi etmesine olanak tanır.

Redüktör ve mekanik tasarıma bağlı olarak, ilgili hata kaynakları şunları içerebilir:

• İletim hatası

• Burulma deformasyonu

• Histerezis

• Sürtünme

• Elastik deformasyon

• Montaj hatası

• Termal kayma

Kontrolör, motor tarafındaki ve eklem tarafındaki konum geri bildirimlerini karşılaştırarak bir hata modeli oluşturabilir ve eklem konumuna, yönüne, hızına, yüküne ve diğer çalışma koşullarına göre telafi uygulayabilir.

Dolayısıyla daha doğru bir açıklama şöyledir:

Çift kodlayıcılar, iletim hatası ölçümünü ve telafisini mümkün kılar.

Bunun yerine:

Çift kodlayıcılar geri tepmeyi ortadan kaldırır.

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

3. Gerçek Eklem Pozisyonu Geri Bildirimini İyileştirin

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

Üç teknik kavram açıkça birbirinden ayırt edilmelidir:

Çözünürlük

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

Örneğin, 23 bitlik tek turlu bir kodlayıcı şunları sağlar:

2²³ = devir başına 8.388.608 sayım

Teorik açısal artış yaklaşık olarak şöyledir:

Sayım başına 0,154 ark saniye

Ancak bu, robot ekleminin genel konumlandırma doğruluğu değil, kodlayıcı çözünürlüğüdür.

Kesinlik

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

Tekrarlanabilirlik

Tekrarlanabilirlik, aynı hareket tekrarlandığında sistemin aynı konuma ne kadar tutarlı bir şekilde geri döndüğünü açıklar.

Öyleyse:

Yüksek Kodlayıcı Çözünürlüğü ≠ Yüksek Sistem Doğruluğu

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

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

4. Motor Hareketini Eklem Hareketinden Ayırın

Bu, robot ekleminde çift kodlayıcı mimarisinin bir diğer önemli avantajıdır.

100:1 oranında bir küçültme oranına sahip bir robot eklemini ele alalım.

Motor nispeten büyük bir açıyla dönebilirken, çıkış eklemi bu açının sadece küçük bir bölümü kadar dönebilir.

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

Bu nedenle kontrol ünitesi, motor kodlayıcısından teorik bir eklem pozisyonu hesaplayabilir, ancak bu, gerçek çıkış pozisyonunu mutlaka temsil etmez.

Çıkış kodlayıcısı, eklem tarafından doğrudan geri bildirim sağlar.

Bu nedenle kontrol sistemi iki farklı durumu gözlemleyebilir:

Motor Dinamiği

Ve

Eklem Dinamiği

Bu ayrım, yüksek hızlı robot hareketlerinde, dinamik yük değişikliklerinde ve yüksek hassasiyetli yörünge kontrolünde giderek daha önemli hale gelmektedir.

Çift kodlayıcılar, güç kesildikten sonra konum kaybını önleyebilir mi?

Cevap şudur:

Yardımcı olabilirler, ancak çift kodlayıcılar tek başlarına otomatik olarak ev konumuna dönme sorununu ortadan kaldırmazlar.

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

Artımlı Kodlayıcı

Artımlı bir enkoder genellikle güç kaybından sonra mutlak konum bilgisini korumaz ve bir referans veya başlangıç konumlandırma prosedürü gerektirebilir.

Tek Turlu Mutlak Enkoder

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

Çok Turlu Mutlak Kodlayıcı

Çok turlu mutlak enkoder, hem tek tur pozisyonunu hem de birden fazla devir boyunca birikmiş dönme pozisyonunu sağlayabilir.

Çok turlu pozisyon tutma özelliği, pil destekli sistemler, mekanik sayma mekanizmaları ve pilsiz pozisyon tutma teknolojileri de dahil olmak üzere farklı teknolojiler kullanılarak uygulanabilir.

Örneğin, Oriental Motor'un ABZO kodlayıcısı, güç kesildikten sonra bile konum bilgisini koruyabilen, pilsiz mekanik bir mutlak konum sistemi kullanır.

Dolayısıyla, mühendislik ilişkisi şu şekilde daha iyi tanımlanabilir:

Çift Enkoder + Uygun Çok Turlu Mutlak Geri Besleme → Geleneksel Başlangıç Noktasına Dönüşün Potansiyel Olarak Azaltılması veya Ortadan Kaldırılması

yerine:

Çift Kodlayıcı → Otomatik Olarak Ana Konuma Dönmeyi Ortadan Kaldırır

Çift kodlayıcılar robotların fonksiyonel güvenliğini artırabilir mi?

Evet, ancak önemli bir ayrım yapılması gerekiyor:

İki kodlayıcı, otomatik olarak işlevsel güvenlik yedekliliği anlamına gelmez.

İki enkoder, uygun teşhis, arıza tespiti ve güvenlik mimarisi olmadan geleneksel bir kontrol cihazına basitçe bağlanırsa, sistem otomatik olarak PL d, PL e, SIL 2 veya SIL 3 iddiasında bulunamaz.

Güvenlikle ilgili uygulamalarda çift geri bildirimin değeri, kontrol cihazının iki farklı konum ölçümünü karşılaştırabilmesidir.

Örneğin:

Motor Enkoder Konumu ≠ Eklem Enkoder Konumu

Şunları gösterebilir:

• Kodlayıcı arızası

• Mekanik şanzıman arızası

• Hasarı azaltıcı

• Şaft veya kaplin sorunları

• Beklenmeyen mekanik yer değiştirme

• İletişim veya sinyal hataları

Kontrol sistemi daha sonra anormal durumu tespit edebilir ve uygun bir arıza müdahalesi gerçekleştirebilir.

IEC 61800-5-3 güvenlik ile ilgili enkoderleri ele alırken, IEC 61800-5-2 güç tahrik sistemleri için güvenlik ile ilgili işlevleri kapsamaktadır.

Dolayısıyla, teknik olarak doğru ifade şudur:

Çift kodlayıcılar fonksiyonel güvenlik mimarisini destekleyebilir, ancak nihai PL veya SIL yeteneği, güvenlik ile ilgili sistemin tamamına, teşhise, mimariye ve doğrulamaya bağlıdır.

Çift kodlayıcılar fonksiyonel güvenlik standartlarıyla nasıl ilişkilidir?

Bir robot eklemindeki fonksiyonel güvenlik tek bir kodlayıcı tarafından belirlenmez.

Bu, güvenlikle ilgili tüm kontrol sistemine dayanmaktadır.

İlgili standartlar şunları içerebilir:

IEC 61508

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

IEC 61800-5-2

Güvenli Tork Kesme (STO) ve diğer tahrikle ilgili güvenlik fonksiyonları da dahil olmak üzere, güç tahrik sistemleri için güvenlikle ilgili fonksiyonları tanımlar.

IEC 61800-5-3

Fonksiyonel güvenlik uygulamalarında kullanılan güvenlik ile ilgili kodlayıcılar için gereksinimleri sağlar.

EN ISO 13849-1

Kontrol sistemlerinin güvenlikle ilgili kısımlarını 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.

Önemli nokta şu ki, çift kodlayıcı güvenlik ile ilgili geri bildirim mimarisinin bir parçası olabilir, ancak kodlayıcı sayısı tek başına nihai güvenlik seviyesini belirlemez.

Sistem mimarisi, teşhis kapsamı, arıza müdahalesi, ortak nedenli arıza koruması ve doğrulama gibi hususların tümü dikkate alınmalıdır.

Çift Enkoderli ve Tek Enkoderli Robot Eklemleri Karşılaştırması

Tek kodlayıcı ile çift kodlayıcı arasındaki seçim, uygulamaya bağlıdır.

Özellik Tek Kodlayıcı Çift Kodlayıcı

Motor konum geri bildirimi Evet Evet

Doğrudan çıkış pozisyonu geri bildirimi Genellikle hayır Evet

İletim hatası izleme Sınırlı İyileştirme

Çift döngülü kontrol Sınırlı Evet

Azaltıcı hata telafisi Sınırlı İyileştirme

Çok turlu mutlak konum Enkodere bağlıdır Enkodere bağlıdır

Hata çapraz kontrolü Sınırlı İyileştirilmiş

Sistem karmaşıklığı Daha düşük Daha yüksek

Maliyet Daha Düşük Daha Yüksek

Yüksek performanslı bağlantılar için uygundur. Uygulamaya bağlıdır. Güçlü avantaj.

Maliyet hassasiyeti yüksek robot eklemleri veya iletim doğruluğunun zaten yeterli olduğu sistemler için tek bir kodlayıcı yeterli olabilir.

Çift kodlayıcı mimarisi, uygulamanın yüksek konumlandırma performansı, iletim hatası telafisi, gelişmiş hareket kontrolü veya ek konum teşhisi gerektirmesi durumunda daha cazip hale gelir.

Neden her robot ekleminde çift kodlayıcı kullanılmıyor?

Çift kodlayıcılar ek geri bildirim sağlıyorsa, neden her yerde kullanılmasınlar?

Cevap sistem karmaşıklığıdır.

Çıkış kodlayıcısı eklemek şunları artırır:

• BOM maliyeti

• Mekanik entegrasyon karmaşıklığı

• Kablolama gereksinimleri

• EMC tasarım gereksinimleri

• Kalibrasyon gereksinimleri

• Denetleyici karmaşıklığı

• Teşhis gereksinimleri

• Montaj gereksinimleri

Çıkış tarafındaki kodlayıcı, mekanik montaj hatalarına karşı da hassas olabilir.

Enkoder eksantrikliği, şaft salınımı, flanş deformasyonu ve bağlantı hataları, ölçülen çıkış konumunu etkileyebilir.

Dolayısıyla amaç mümkün olduğunca çok sensör kurmak değil.

Amaç, robot eklemlerinin gerektirdiği performans için doğru geri bildirim mimarisini kullanmaktır.

Tipik Çift Kodlayıcılı Robot Eklem Mimarisi

Yüksek performanslı bir robot eklemi, üç ana geri bildirim katmanı olarak düşünülebilir.

Motor Tarafı Geri Beslemesi

Motor tarafındaki kodlayıcı öncelikle şunları destekler:

İşe gidip gelme

Alan Odaklı Kontrol (FOC)

Akım ve hız kontrolü

Motor pozisyonu geri bildirimi

Dinamik motor kontrolü için geri bildirimin yeterince hızlı ve istikrarlı olması gerekir.

Eklem Tarafı Geri Bildirimi

Eklem tarafı kodlayıcısı esas olarak şunları sağlar:

• Eklemlerin gerçek konumu

• Çıkış pozisyonu geri bildirimi

• İletim hatası izleme

• Mekanik durum izleme

Redüktörden sonra takıldığı için, motor tarafındaki enkoderden doğrudan elde edilemeyen bilgileri sağlar.

Kontrolör

Kontrol ünitesi her iki geri bildirim kaynağını da birleştirir:

• Motor Konumu → Motor Durumu

• Çıkış Konumu → Eklem Durumu

• Konum Farkı → İletim ve Mekanik Hata Bilgileri

Bu, robot eklemi için daha eksiksiz bir geri bildirim döngüsü oluşturur.

Çift kodlayıcılar daha yüksek doğruluktan daha fazlasını ifade eder.

İki kodlayıcı kullanmanın en önemli nedeni, yalnızca kodlayıcı çözünürlüğünü artırmak değildir.

Bu, ölçüm hedefini daha eksiksiz hale getirmek içindir.

Tek bir kodlayıcı öncelikle şunları ölçer:

• Motor

• Çift kodlayıcılı bir sistem şunları ölçer:

• Motor + Bağlantı

Bu, kontrol sisteminin motor hareketini ve eklemin gerçek hareketini birbirinden ayırt etmesini sağlar.

Bu ayrım, robot ekleminde harmonik tahrik veya RV redüktörü gibi yüksek oranlı hassas bir redüktör bulunduğunda özellikle değerlidir.

Çift kodlayıcılı robot eklemini ne zaman kullanmalısınız?

Robot ekleminin aşağıdaki özelliklerden bir veya daha fazlasına ihtiyaç duyması durumunda çift kodlayıcı mimarisi dikkate alınmaya değerdir:

Yüksek hassasiyetli eklem konumlandırma

Son çıkış pozisyonunun, hesaplanan motor pozisyonundan daha önemli olduğu durumlarda.

İletim hatası telafisi

Redüktör ve mekanik aktarım arızalarının ölçülmesi ve telafi edilmesi gerektiğinde.

Gelişmiş hareket kontrolü

Kontrol sisteminin hem motor hem de eklem tarafından doğru geri bildirim alması gerektiğinde.

Mutlak çok turlu konumlandırma

Robotun güç kaybından sonra eklem pozisyon bilgilerini koruması gerektiğinde.

Pozisyon bazlı teşhisler

Anormal mekanik davranışları tespit etmek için motor tarafı ve eklem tarafı pozisyonlarının sürekli olarak karşılaştırılması gerektiğinde.

Fonksiyonel güvenlik mimarisi

Güvenlikle ilgili eksiksiz bir kontrol sisteminin parçası olarak yedekli veya çapraz kontrol edilmiş konum geri bildirimine ihtiyaç duyulduğunda.

Yeni Nesil Robot Aktüatörlerinde Çift Kodlayıcı Geri Beslemesi Neden Önemlidir?

İşbirlikçi robotlar, insansı robotlar ve yüksek performanslı endüstriyel robotlar daha yüksek hassasiyet, daha hızlı tepki ve daha iyi teşhis yetenekleri talep etmeye devam ettikçe, robot eklem mimarileri daha da karmaşık hale geliyor.

Geleneksel yapı:

Motor + Redüktör + Enkoder

giderek şu yöne doğru evriliyor:

Motor + Motor Enkoderi + Hassas Redüktör + Eklem Enkoderi + Kontrol Cihazı

Asıl değişiklik sadece başka bir sensörün eklenmesi değil.

Bu, eklem pozisyonunu motor hareketinden tahmin etmekten, eklemin gerçek durumunu doğrudan ölçmeye geçiş anlamına gelir.

Harmonik redüktör kullanan robot eklemlerinde bu ayrım özellikle önemli olabilir. Hassas redüktörler yüksek redüksiyon oranları, yüksek tork yoğunluğu ve kompakt mekanik yapılar sağlar, ancak nihai eklem performansı yine de iletim hatası, burulma sertliği, termal etkiler, mekanik toleranslar ve dış yüklerden etkilenir.

Çift kodlayıcı mimarisi, kontrol ünitesine iletim zincirinin her iki tarafına da erişim imkanı sağlar.

Bu, aşağıdakiler için daha güçlü bir temel sağlar:

• Yüksek hassasiyetli konum kontrolü

• İletim hatası telafisi

• Devlet ortak izlemesi

• Çift döngülü hareket kontrolü

• Gelişmiş robot hareket kontrolü

• Seçilen fonksiyonel güvenlik mimarileri

Başka bir deyişle, çift kodlayıcı sadece "bir sensör daha" anlamına gelmez.

Bu, robot ekleminin içinde daha eksiksiz bir giriş-iletim-çıkış geri bildirim zinciri oluşturur.

Yeni nesil robot aktüatörleri için, eklem pozisyonunu tahmin etmekten doğrudan eklem davranışını ölçmeye geçiş, kodlayıcı çözünürlüğünü artırmaktan daha değerli olabilir.