Warum verwenden Roboter-Gelenkmodule zwei Encoder?

Roboterachsen mit zwei Encodern gewinnen in der Hochleistungsrobotik zunehmend an Bedeutung. Das Hinzufügen eines zweiten Encoders bedeutet jedoch nicht einfach, einen weiteren Sensor zu installieren.

Der eigentliche Zweck besteht darin, zwei unterschiedliche Fragen zu beantworten:

Wie weit hat sich der Motor bewegt?

und

Wie weit hat sich das Robotergelenk tatsächlich bewegt?

In einem Robotergelenkmodul, das aus einem rahmenlosen Drehmomentmotor, Präzisionsgetriebe, Encoder und Ausgangsflansch besteht, kann der motorseitige Encoder die Motorposition und -drehzahl präzise messen. Der tatsächliche Gelenkausgang kann jedoch weiterhin durch Übertragungsfehler, Torsionsverformung, Reibung, thermische Drift, Montagetoleranzen und Änderungen der externen Last beeinflusst werden.

Deshalb kann ein Robotergelenk mit zwei Encodern eine umfassendere Rückmeldungsarchitektur bieten. Ein Encoder überwacht die Motorseite, während der andere die Gelenkausgangsseite misst. Zusammen ermöglichen sie dem Regler, sowohl die Motordynamik als auch die tatsächliche Gelenkposition zu erfassen.

Was ist ein Robotergelenk mit zwei Encodern?

Eine typische Dual-Encoder-Architektur für Robotergelenke kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden:

Motor → Motorseitiger Encoder → Präzisionsgetriebe → Ausgangsseitiger Encoder → Gelenkausgang

Der motorseitige Encoder wird in der Nähe des Motorrotors oder der Eingangswelle installiert. Er liefert hauptsächlich schnelle Rückmeldungen für die Motorkommutierung, feldorientierte Regelung (FOC), Drehzahlregelung und Motormodellschätzung.

Der ausgangsseitige Encoder, auch gelenkseitiger Encoder genannt, wird hinter dem Getriebe installiert und misst die tatsächliche Winkelposition des Robotergelenks.

Diese Architektur wird üblicherweise bezeichnet als:

• Zwei Encoder

• Duale Rückmeldung

• Zweikreisregelung

• Motorseitige und gelenkseitige Rückmeldung

Die beiden Encoder müssen nicht zwingend dieselbe Technologie verwenden. Je nach Anwendung kann ein Robotergelenk inkrementale Encoder, Singleturn-Absolutwertgeber oder Multiturn-Absolutwertgeber verwenden.

Warum reicht ein motorseitiger Encoder nicht aus?

Bei einem herkömmlichen Robotergelenk mit einem Encoder wird der Encoder normalerweise auf der Motorseite installiert.

Der Regler kennt die Motorposition und berechnet die theoretische Ausgangsposition anhand des Übersetzungsverhältnisses:

θout ≈ θmotor / N

wobei N das Übersetzungsverhältnis ist.

Dieser Ansatz funktioniert gut, wenn das Antriebssystem als ausreichend steif und vorhersehbar betrachtet werden kann.

Ein reales Robotergelenk ist jedoch kein ideales starres Antriebssystem.

Das Getriebe kann Übertragungsfehler verursachen, während sich flexible Komponenten unter Last verformen können. Lager, Kupplungen und Ausgangsflansche können ebenfalls geringe mechanische Abweichungen verursachen. Temperaturänderungen können zusätzlich sowohl die mechanische Struktur als auch die Encodermessungen beeinflussen.

Daraus ergibt sich:

Berechnete Gelenkposition ≠ Tatsächliche Gelenkposition

Dieser Unterschied ist einer der Hauptgründe, weshalb ausgangsseitige Encoder in Hochleistungs-Robotergelenken eingesetzt werden.

Ein zweiter Encoder kann zusätzliche Rückmeldungen zur Erkennung und Kompensation von Übertragungsfehlern liefern, insbesondere bei Robotergelenken, die durch Elastizität, Spiel, Reibung und andere mechanische Störungen beeinflusst werden.

Der zentrale Vorteil von zwei Encodern: Messung dessen, was nach dem Getriebe geschieht

Das wichtigste Konzept hinter einem Aktuator mit zwei Encodern ist einfach:

Der motorseitige Encoder misst die Eingangsseite der Übertragung.

Der ausgangsseitige Encoder misst den tatsächlichen Gelenkausgang.

Der Regler kann dann die beiden Rückmeldesignale vergleichen und Unterschiede zwischen Motorbewegung und Gelenkbewegung erkennen.

Beispielsweise kann sich der Motor in die vorgegebene Position drehen, während der Ausgangsflansch aufgrund von Torsionsverformung, Übertragungsfehlern oder lastabhängigem mechanischem Verhalten noch leicht versetzt ist.

Ein System mit nur einem Encoder könnte annehmen:

Der Motor hat die Sollposition erreicht, also hat das Gelenk die Sollposition erreicht.

Ein System mit zwei Encodern kann erkennen:

Der Motor hat die Sollposition erreicht, aber der Gelenkausgang weist noch einen Positionsfehler auf.

Dies ist einer der grundlegenden Vorteile der Zweikreisrückmeldung in Robotergelenkmodulen.

1. Verbesserung der Positionsregelung von Robotergelenken

Einer der Hauptvorteile einer Dual-Encoder-Architektur besteht darin, dass der Positionsregelkreis die Rückmeldung des tatsächlichen Gelenkausgangs nutzen kann.

In einem herkömmlichen motorseitigen Rückmeldesystem erfasst der Positionsregler hauptsächlich die Motorposition.

Mit dualer Rückmeldung kann die Regelungsarchitektur die beiden Funktionen trennen:

Motorencoder → Motorregelung

Ausgangsencoder → Gelenkpositionsrückmeldung

Dadurch kann der Regler nicht nur den Motor, sondern auch die tatsächliche Ausgangsposition nach dem Getriebe regeln.

Diese Architektur ist besonders nützlich für:

• Hochpräzise Robotergelenke

• Kollaborative Roboter

• Humanoide Roboteraktuatoren

• Präzisionsbewegungssysteme

• CNC-Drehachsen

• Hochleistungs-Servomechanismen

Bei Anwendungen, die eine präzise Bahnverfolgung erfordern, kann die ausgangsseitige Positionsrückmeldung dazu beitragen, den Einfluss übertragungsbedingter Fehler auf die endgültige Gelenkposition zu verringern.

2. Messung und Kompensation von Getriebeübertragungsfehlern

Ein häufiges Missverständnis ist, dass ein Dual-Encoder-System einfach „Spiel beseitigen“ kann.

Dies ist technisch nicht korrekt.

Ein Robotergelenk mit zwei Encodern beseitigt Spiel nicht mechanisch. Stattdessen ermöglicht der zweite Encoder dem Regelungssystem, den Unterschied zwischen motorseitiger und ausgangsseitiger Bewegung zu messen und einen Teil des Übertragungsfehlers durch Regelalgorithmen zu kompensieren.

Abhängig vom Getriebe und der mechanischen Konstruktion können relevante Fehlerquellen umfassen:

• Übertragungsfehler

• Torsionsverformung

• Hysterese

• Reibung

• Elastische Verformung

• Montagefehler

• Thermische Drift

Durch den Vergleich der motorseitigen und gelenkseitigen Positionsrückmeldung kann der Regler ein Fehlermodell erstellen und eine Kompensation entsprechend Gelenkposition, Richtung, Geschwindigkeit, Last und anderen Betriebsbedingungen anwenden.

Daher lautet eine präzisere Beschreibung:

Zwei Encoder ermöglichen die Messung und Kompensation von Übertragungsfehlern.

Statt:

Zwei Encoder beseitigen Spiel.

Diese Unterscheidung ist wichtig bei der Bewertung der tatsächlichen Leistung eines Robotergelenks mit Harmonic Drive oder eines anderen Aktuators auf Basis eines Präzisionsgetriebes.

3. Verbesserung der tatsächlichen Gelenkpositionsrückmeldung

Eine hohe Encoderauflösung bedeutet nicht automatisch eine hohe Positioniergenauigkeit des Roboters.

Drei technische Konzepte sollten klar unterschieden werden:

Auflösung

Die Auflösung beschreibt den kleinsten Positionsschritt, den ein Encoder unterscheiden kann.

Beispielsweise bietet ein 23-Bit-Singleturn-Encoder:

2²³ = 8,388,608 Schritte pro Umdrehung

Der theoretische Winkelschritt beträgt ungefähr:

0.154 arcsec pro Schritt

Dies ist jedoch die Encoderauflösung und nicht die Gesamtpositioniergenauigkeit des Robotergelenks.

Genauigkeit

Die Genauigkeit beschreibt, wie eng die gemessene Position mit der tatsächlichen physikalischen Position übereinstimmt.

Wiederholgenauigkeit

Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie zuverlässig das System bei Wiederholung derselben Bewegung in dieselbe Position zurückkehrt.

Daher:

Hohe Encoderauflösung ≠ Hohe Systemgenauigkeit

Die endgültige Leistung eines Robotergelenks hängt vom Gesamtsystem ab, einschließlich Encodergenauigkeit, Getriebeübertragungsfehler, Lager-Rundlauf, mechanischer Steifigkeit, thermischen Einflüssen, Kalibrierung und Regelalgorithmen.

Deshalb sollte die Dual-Encoder-Rückmeldung als Teil der vollständigen Bewegungsregelungsarchitektur und nicht allein anhand der Encoder-Bitanzahl bewertet werden.

4. Trennung von Motorbewegung und tatsächlicher Gelenkbewegung

Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil einer Dual-Encoder-Architektur für Robotergelenke.

Betrachten Sie ein Robotergelenk mit einem Übersetzungsverhältnis von 100:1.

Der Motor kann sich um einen relativ großen Winkel drehen, während sich das Ausgangsgelenk nur um einen kleinen Bruchteil dieses Winkels dreht.

Gleichzeitig können sich Getriebe und mechanische Struktur bei Änderungen der externen Last geringfügig verformen.

Der Regler kann daher aus dem Motorencoder eine theoretische Gelenkposition berechnen, doch diese stellt nicht zwangsläufig die tatsächliche Ausgangsposition dar.

Der Ausgangsencoder liefert eine direkte Rückmeldung von der Gelenkseite.

Das Regelungssystem kann daher zwei unterschiedliche Zustände beobachten:

Motordynamik

und

Gelenkdynamik

Diese Unterscheidung wird bei schnellen Roboterbewegungen, dynamischen Laständerungen und hochpräziser Bahnregelung zunehmend wichtiger.

Können zwei Encoder einen Positionsverlust nach dem Ausschalten verhindern?

Die Antwort lautet:

Sie können helfen, aber zwei Encoder allein machen eine Referenzfahrt nicht automatisch überflüssig.

Ob ein Robotergelenk seine Position nach einem Stromausfall beibehalten kann, hängt hauptsächlich vom Encodertyp und dem Mechanismus zur Speicherung der Multiturn-Position ab.

Inkrementalencoder

Ein Inkrementalencoder speichert nach einem Stromausfall im Allgemeinen keine absolute Positionsinformation und kann eine Referenz- oder Homing-Prozedur erfordern.

Singleturn-Absolutwertgeber

Ein Singleturn-Absolutwertgeber kann die Winkelposition innerhalb einer Umdrehung bestimmen, liefert jedoch allein keine unbegrenzte Multiturn-Positionsinformation.

Multiturn-Absolutwertgeber

Ein Multiturn-Absolutwertgeber kann sowohl die Singleturn-Position als auch die über mehrere Umdrehungen akkumulierte Drehposition liefern.

Die Speicherung der Multiturn-Position kann mit unterschiedlichen Technologien umgesetzt werden, einschließlich batteriegestützter Systeme, mechanischer Zählmechanismen und batterieloser Technologien zur Positionsspeicherung.

Beispielsweise verwendet der ABZO-Encoder von Oriental Motor ein batterieloses mechanisches Absolutpositionssystem, das Positionsinformationen nach dem Abschalten der Stromversorgung speichern kann.

Daher lässt sich der technische Zusammenhang besser wie folgt beschreiben:

Dual Encoder + Geeignete Multiturn-Absolutrückmeldung → Potenziell verringerter oder entfallender herkömmlicher Referenzfahrtbedarf

anstatt:

Dual Encoder → Beseitigt Referenzfahrten automatisch

Können zwei Encoder die funktionale Sicherheit von Robotern verbessern?

Ja, jedoch muss eine wichtige Unterscheidung getroffen werden:

Zwei Encoder bedeuten nicht automatisch Redundanz für die funktionale Sicherheit.

Wenn zwei Encoder ohne geeignete Diagnose, Fehlererkennung und Sicherheitsarchitektur lediglich an einen herkömmlichen Regler angeschlossen werden, kann das System nicht automatisch PL d, PL e, SIL 2 oder SIL 3 beanspruchen.

Der Wert der dualen Rückmeldung in sicherheitsrelevanten Anwendungen besteht darin, dass der Regler zwei unterschiedliche Positionsmessungen vergleichen kann.

Zum Beispiel:

Motorencoderposition ≠ Gelenkencoderposition

kann hinweisen auf:

• Encoderfehler

• Fehler der mechanischen Übertragung

• Getriebeschaden

• Probleme mit Welle oder Kupplung

• Unerwartete mechanische Verschiebung

• Kommunikations- oder Signalfehler

Das Regelungssystem kann dann den anormalen Zustand erkennen und eine geeignete Fehlerreaktion ausführen.

IEC 61800-5-3 behandelt sicherheitsrelevante Encoder, während IEC 61800-5-2 sicherheitsrelevante Funktionen für elektrische Antriebssysteme abdeckt.

Daher lautet die technisch korrekte Aussage:

Zwei Encoder können eine funktionale Sicherheitsarchitektur unterstützen, die endgültige PL- oder SIL-Fähigkeit hängt jedoch vom vollständigen sicherheitsrelevanten System, der Diagnose, Architektur und Validierung ab.

Wie stehen zwei Encoder mit Normen zur funktionalen Sicherheit in Zusammenhang?

Die funktionale Sicherheit eines Robotergelenks wird nicht durch einen einzelnen Encoder bestimmt.

Sie basiert auf dem vollständigen sicherheitsrelevanten Steuerungssystem.

Relevante Normen können umfassen:

IEC 61508

Stellt den allgemeinen Rahmen für funktionale Sicherheit und Safety Integrity Levels (SIL) bereit.

IEC 61800-5-2

Definiert sicherheitsrelevante Funktionen für elektrische Antriebssysteme, einschließlich Funktionen wie Safe Torque Off (STO) und anderer antriebsbezogener Sicherheitsfunktionen.

IEC 61800-5-3

Legt Anforderungen an sicherheitsrelevante Encoder fest, die in Anwendungen der funktionalen Sicherheit verwendet werden.

EN ISO 13849-1

Behandelt sicherheitsrelevante Teile von Steuerungssystemen und definiert Performance Levels (PL).

ISO 10218-1:2025

Legt Sicherheitsanforderungen für Industrierobotersysteme fest.

ISO 10218-2:2025

Behandelt Sicherheitsanforderungen für Industrieroboteranwendungen und Roboterzellen.

Der entscheidende Punkt ist, dass zwei Encoder Teil einer sicherheitsrelevanten Rückmeldungsarchitektur sein können, die Anzahl der Encoder allein jedoch nicht das endgültige Sicherheitsniveau bestimmt.

Systemarchitektur, Diagnosedeckungsgrad, Fehlerreaktion, Schutz vor Fehlern gemeinsamer Ursache und Validierung müssen sämtlich berücksichtigt werden.

Robotergelenke mit zwei Encodern vs. einem Encoder

Die Wahl zwischen einem einzelnen Encoder und zwei Encodern hängt von der Anwendung ab.

Merkmal Einzelner Encoder Zwei Encoder

Motorpositionsrückmeldung Ja Ja

Direkte Ausgangspositionsrückmeldung In der Regel nein Ja

Übertragungsfehlerüberwachung Begrenzt Verbessert

Zweikreisregelung Begrenzt Ja

Kompensation von Getriebefehlern Begrenzt Verbessert

Absolute Multiturn-Position Abhängig vom Encoder Abhängig vom Encoder

Fehlerquerprüfung Begrenzt Verbessert

Systemkomplexität Geringer Höher

Kosten Geringer Höher

Geeignet für Hochleistungsgelenke Anwendungsabhängig Deutlicher Vorteil

Ein einzelner Encoder kann für kostensensitive Robotergelenke oder Systeme ausreichen, bei denen die Übertragungsgenauigkeit bereits ausreichend ist.

Eine Dual-Encoder-Architektur wird attraktiver, wenn die Anwendung eine hohe Positionierleistung, Übertragungsfehlerkompensation, erweiterte Bewegungsregelung oder zusätzliche Positionsdiagnostik erfordert.

Warum werden zwei Encoder nicht in jedem Robotergelenk eingesetzt?

Wenn zwei Encoder zusätzliche Rückmeldungen liefern, warum werden sie nicht überall verwendet?

Die Antwort lautet Systemkomplexität.

Das Hinzufügen eines Ausgangsencoders erhöht:

• BOM-Kosten

• Komplexität der mechanischen Integration

• Anforderungen an die Verdrahtung

• EMV-Konstruktionsanforderungen

• Kalibrierungsanforderungen

• Reglerkomplexität

• Diagnoseanforderungen

• Montageanforderungen

Der ausgangsseitige Encoder kann außerdem empfindlich gegenüber mechanischen Montagefehlern sein.

Exzentrizität des Encoders, Wellenrundlauf, Flanschverformung und Kupplungsfehler können die gemessene Ausgangsposition beeinflussen.

Das Ziel besteht daher nicht darin, möglichst viele Sensoren zu installieren.

Das Ziel ist die Verwendung der passenden Rückmeldungsarchitektur für die geforderte Leistung des Robotergelenks.

Typische Dual-Encoder-Architektur für Robotergelenke

Ein Hochleistungs-Robotergelenk kann als drei wesentliche Rückmeldungsebenen verstanden werden.

Motorseitige Rückmeldung

Der motorseitige Encoder unterstützt hauptsächlich:

Kommutierung

Feldorientierte Regelung (FOC)

Strom- und Drehzahlregelung

Motorpositionsrückmeldung

Die Rückmeldung muss für eine dynamische Motorregelung schnell und stabil genug sein.

Gelenkseitige Rückmeldung

Der gelenkseitige Encoder liefert hauptsächlich:

• Tatsächliche Gelenkposition

• Ausgangspositionsrückmeldung

• Übertragungsfehlerüberwachung

• Überwachung des mechanischen Zustands

Da er nach dem Getriebe installiert ist, liefert er Informationen, die nicht direkt vom motorseitigen Encoder erfasst werden können.

Regler

Der Regler kombiniert beide Rückmeldungsquellen:

• Motorposition → Motorzustand

• Ausgangsposition → Gelenkzustand

• Positionsdifferenz → Übertragungs- und mechanische Fehlerinformationen

Dadurch entsteht ein vollständigerer Rückmelderegelkreis für das Robotergelenk.

Bei zwei Encodern geht es um mehr als höhere Genauigkeit

Der wichtigste Grund für den Einsatz von zwei Encodern besteht nicht einfach darin, die Encoderauflösung zu erhöhen.

Es geht darum, das Messziel vollständiger zu erfassen.

Ein einzelner Encoder misst hauptsächlich:

• Motor

• Ein Dual-Encoder-System misst:

• Motor + Gelenk

Dadurch kann das Regelungssystem zwischen der Motorbewegung und der tatsächlichen Gelenkbewegung unterscheiden.

Diese Unterscheidung ist besonders wertvoll, wenn das Robotergelenk ein Präzisionsgetriebe mit hoher Übersetzung wie ein Harmonic-Drive- oder RV-Getriebe enthält.

Wann sollten Sie ein Robotergelenk mit zwei Encodern einsetzen?

Eine Dual-Encoder-Architektur ist erwägenswert, wenn das Robotergelenk eine oder mehrere der folgenden Anforderungen erfüllen muss:

Hochpräzise Gelenkpositionierung

Wenn die endgültige Ausgangsposition wichtiger ist als die berechnete Motorposition.

Übertragungsfehlerkompensation

Wenn Getriebe- und mechanische Übertragungsfehler gemessen und kompensiert werden müssen.

Erweiterte Bewegungsregelung

Wenn das Regelungssystem präzise Rückmeldungen sowohl von der Motor- als auch von der Gelenkseite benötigt.

Absolute Multiturn-Positionierung

Wenn der Roboter nach einem Stromausfall Informationen zur Gelenkposition beibehalten muss.

Positionsbasierte Diagnose

Wenn motorseitige und gelenkseitige Positionen kontinuierlich verglichen werden müssen, um anormales mechanisches Verhalten zu erkennen.

Architektur für funktionale Sicherheit

Wenn redundante oder gegengeprüfte Positionsrückmeldungen als Teil eines vollständigen sicherheitsrelevanten Steuerungssystems erforderlich sind.

Warum ist die Dual-Encoder-Rückmeldung für Roboteraktuatoren der nächsten Generation wichtig?

Da kollaborative Roboter, humanoide Roboter und Hochleistungs-Industrieroboter weiterhin höhere Präzision, schnellere Reaktion und bessere Diagnosefähigkeiten erfordern, werden die Architekturen von Robotergelenken immer anspruchsvoller.

Die traditionelle Struktur:

Motor + Getriebe + Encoder

entwickelt sich zunehmend weiter zu:

Motor + Motorencoder + Präzisionsgetriebe + Gelenkencoder + Regler

Die wesentliche Änderung ist nicht einfach das Hinzufügen eines weiteren Sensors.

Sie besteht im Übergang von der Schätzung der Gelenkposition aus der Motorbewegung zur direkten Messung des tatsächlichen Gelenkzustands.

Bei Robotergelenken mit Harmonic-Getrieben kann diese Unterscheidung besonders wichtig sein. Präzisionsgetriebe bieten hohe Übersetzungsverhältnisse, hohe Drehmomentdichte und kompakte mechanische Strukturen, doch die endgültige Gelenkleistung wird weiterhin durch Übertragungsfehler, Torsionssteifigkeit, thermische Einflüsse, mechanische Toleranzen und externe Lasten beeinflusst.

Eine Dual-Encoder-Architektur ermöglicht dem Regler Zugriff auf beide Seiten der Übertragungskette.

Dies bietet eine solidere Grundlage für:

• Hochpräzise Positionsregelung

• Übertragungsfehlerkompensation

• Überwachung des Gelenkzustands

• Zweikreis-Bewegungsregelung

• Erweiterte Roboterbewegungsregelung

• Ausgewählte Architekturen für funktionale Sicherheit

Mit anderen Worten: Ein Dual-Encoder-System ist nicht einfach „ein weiterer Sensor“.

Es schafft eine vollständigere Rückmeldungskette aus Eingang, Übertragung und Ausgang innerhalb des Robotergelenks.

Für Roboteraktuatoren der nächsten Generation kann dieser Wechsel von der Schätzung der Gelenkposition zur direkten Messung des Gelenkverhaltens wertvoller sein als die bloße Erhöhung der Encoderauflösung.