Warum verwenden Roboter-Gelenkmodule Doppelgeber?

Robotergelenke mit zwei Encodern gewinnen in der Hochleistungsrobotik zunehmend an Bedeutung. Das Hinzufügen eines zweiten Encoders ist jedoch nicht einfach eine Frage der Installation eines weiteren Sensors.

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

Um wie viel hat sich der Motor bewegt?

Und

Wie weit hat sich das Robotergelenk tatsächlich bewegt?

In einem Robotergelenkmodul, bestehend aus einem rahmenlosen Drehmomentmotor, einem Präzisionsgetriebe, einem Encoder und einem Abtriebsflansch, kann der motorseitige Encoder die Motorposition und -drehzahl präzise messen. Die tatsächliche Gelenkleistung kann jedoch weiterhin durch Übertragungsfehler, Torsionsverformung, Reibung, thermische Drift, Montagetoleranzen und Änderungen der externen Last beeinflusst werden.

Aus diesem Grund bietet ein Robotergelenk mit zwei Encodern eine umfassendere Feedback-Architektur. Ein Encoder überwacht die Motorseite, der andere die Gelenkausgangsseite. Gemeinsam ermöglichen sie der Steuerung, sowohl die Motordynamik als auch die tatsächliche Gelenkposition zu erfassen.

Was ist ein Dual-Encoder-Robotergelenk?

Eine typische Dual-Encoder-Architektur für Robotergelenke lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

Motor → Motorseitiger Encoder → Präzisionsgetriebe → Ausgangsseitiger Encoder → Gelenkausgang

Der motorseitige Encoder ist in der Nähe des Motorrotors oder der Eingangswelle installiert. Er liefert primär Hochgeschwindigkeits-Rückmeldungen für die Motorkommutierung, die feldorientierte Regelung (FOC), die Drehzahlregelung und die Motorzustandsbestimmung.

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

Diese Architektur wird üblicherweise wie folgt beschrieben:

• Doppel-Encoder

• Doppelte Rückkopplung

• Doppelschleifensteuerung

• Rückmeldung auf Motor- und Gelenkseite

Die beiden Encoder müssen nicht zwangsläufig dieselbe Technologie verwenden. Je nach Anwendung können an einem Robotergelenk Inkremental-, Ein- oder Mehrumdrehungs-Absolutwertgeber zum Einsatz kommen.

Warum reicht ein motorseitiger Encoder nicht aus?

Bei einem herkömmlichen Robotergelenk mit nur einem Encoder ist der Encoder üblicherweise auf der Motorseite montiert.

Die Steuerung kennt die Motorposition und berechnet die theoretische Ausgangsposition anhand des Untersetzungsverhältnisses:

θout ≈ θmotor / N

wobei N das Reduktionsverhältnis ist.

Dieser Ansatz funktioniert gut, wenn das Getriebesystem als ausreichend starr und vorhersagbar angesehen werden kann.

Ein reales Robotergelenk ist jedoch kein ideales, starres Übertragungssystem.

Das Untersetzungsgetriebe kann Übertragungsfehler verursachen, während sich flexible Bauteile unter Last verformen können. Lager, Kupplungen und Abtriebsflansche können ebenfalls geringfügige mechanische Abweichungen hervorrufen. Temperaturänderungen können zudem sowohl die mechanische Struktur als auch die Messwerte des Encoders beeinflussen.

Infolge:

Berechnete Gelenkposition ≠ Tatsächliche Gelenkposition

Dieser Unterschied ist einer der Hauptgründe, warum in Hochleistungsrobotergelenken ausgangsseitige Encoder eingesetzt werden.

Ein sekundärer Encoder kann zusätzliches Feedback zur Identifizierung und Kompensation von Übertragungsfehlern liefern, insbesondere in Robotergelenken, die von Flexibilität, Spiel, Reibung und anderen mechanischen Störungen betroffen sind.

Der Hauptvorteil von Dual-Encodern: Messung dessen, was nach dem Reducer passiert

Das wichtigste Konzept hinter einem Dual-Encoder-Aktor ist einfach:

Der motorseitige Encoder misst die Eingangsseite des Getriebes.

Der ausgangsseitige Encoder misst die tatsächliche Gelenkausgangsleistung.

Der Regler kann dann die beiden Rückkopplungssignale vergleichen und Unterschiede zwischen der Motorbewegung und der Gelenkbewegung feststellen.

Beispielsweise kann sich der Motor in die vorgegebene Position drehen, während der Abtriebsflansch aufgrund von Torsionsverformungen, Übertragungsfehlern oder lastabhängigem mechanischem Verhalten noch leicht verschoben ist.

Ein System mit einem einzigen Encoder kann Folgendes annehmen:

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

Ein Dual-Encoder-System kann Folgendes erkennen:

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

Dies ist einer der grundlegenden Vorteile der Zwei-Schleifen-Rückkopplung in Robotergelenkmodulen.

1. Verbesserung der Gelenkpositionssteuerung des Roboters

Einer der Hauptvorteile einer Dual-Encoder-Architektur ist, dass der Positionsregelkreis Rückkopplungen vom tatsächlichen Gelenkausgang nutzen kann.

In einem herkömmlichen motorseitigen Rückkopplungssystem überwacht der Positionsregler in erster Linie die Motorposition.

Durch die duale Rückkopplung kann die Regelungsarchitektur die beiden Funktionen trennen:

Motor-Encoder → Motorsteuerung

Ausgangscodierer → Gelenkpositionsrückmeldung

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

Diese Architektur eignet sich besonders für:

• Hochpräzise Robotergelenke

• Kollaborative Roboter

• Aktuatoren für humanoide Roboter

• Präzisionsbewegungssysteme

• CNC-Drehachsen

• Hochleistungs-Servomechanismen

Bei Anwendungen, die eine genaue Bahnverfolgung erfordern, kann eine Positionsrückmeldung auf der Ausgangsseite dazu beitragen, den Einfluss von Übertragungsfehlern auf die endgültige Gelenkposition zu verringern.

2. Messung und Kompensation des Getriebeübertragungsfehlers

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

Das ist technisch nicht korrekt.

Ein Robotergelenk mit zwei Encodern beseitigt das Spiel nicht mechanisch. Stattdessen ermöglicht der zweite Encoder dem Steuerungssystem, die Differenz zwischen motorseitiger und ausgangsseitiger Bewegung zu messen und einen Teil des Übertragungsfehlers durch Steuerungsalgorithmen zu kompensieren.

Je nach Getriebe- und Konstruktionsart können relevante Fehlerquellen Folgendes umfassen:

• Übertragungsfehler

• Torsionsverformung

• Hysterese

• Reibung

• Elastische Verformung

• Montagefehler

• Thermische Drift

Durch den Vergleich der Positionsrückmeldungen von der Motorseite und der Gelenkseite kann der Regler ein Fehlermodell erstellen und eine Kompensation entsprechend der Gelenkposition, Richtung, Geschwindigkeit, Last und anderen Betriebsbedingungen vornehmen.

Daher ist eine genauere Beschreibung:

Zwei Encoder ermöglichen die Messung und Kompensation von Übertragungsfehlern.

Statt:

Doppelte Encoder eliminieren Spiel.

Diese Unterscheidung ist wichtig bei der Bewertung der tatsächlichen Leistung eines Harmonic-Drive-Robotergelenks oder eines anderen auf einem Präzisionsgetriebe basierenden Aktuators.

3. Verbesserung des Feedbacks zur tatsächlichen Gelenkposition

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

Drei technische Konzepte sollten klar unterschieden werden:

Auflösung

Die Auflösung beschreibt die kleinste Positionsinkrementierung, die ein Encoder unterscheiden kann.

Ein 23-Bit-Einzelumdrehungs-Encoder bietet beispielsweise Folgendes:

2²³ = 8.388.608 Zählungen pro Umdrehung

Die theoretische Winkeländerung beträgt ungefähr:

0,154 Bogensekunden pro Zählung

Dies ist jedoch die Auflösung des Encoders, nicht die Gesamtgenauigkeit der Positionierung des Robotergelenks.

Genauigkeit

Die Genauigkeit beschreibt, wie genau die gemessene Position der tatsächlichen physikalischen Position entspricht.

Wiederholbarkeit

Die Wiederholbarkeit beschreibt, wie zuverlässig das System in dieselbe Position zurückkehrt, wenn dieselbe Bewegung wiederholt wird.

Daher:

Hohe Encoderauflösung ≠ Hohe Systemgenauigkeit

Die endgültige Leistungsfähigkeit eines Robotergelenks hängt vom Gesamtsystem ab, einschließlich der Genauigkeit des Encoders, des Getriebeübertragungsfehlers, des Lagerrundlaufs, der mechanischen Steifigkeit, thermischer Effekte, der Kalibrierung und der Steuerungsalgorithmen.

Deshalb sollte die Rückmeldung zweier Encoder als Teil der gesamten Bewegungssteuerungsarchitektur und nicht nur anhand der Encoder-Bitanzahl bewertet werden.

4. Motorbewegung von tatsächlicher Gelenkbewegung trennen.

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

Betrachten wir ein Robotergelenk mit einem Untersetzungsverhältnis von 100:1.

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

Gleichzeitig können sich das Reduziergetriebe und die mechanische Struktur bei Änderungen der äußeren Belastung leicht verformen.

Der Controller kann daher aus dem Motor-Encoder eine theoretische Gelenkposition berechnen, die jedoch nicht unbedingt die tatsächliche Ausgangsposition darstellt.

Der Ausgangsencoder liefert eine direkte Rückmeldung von der Gelenkseite.

Das Kontrollsystem kann daher zwei verschiedene Zustände beobachten:

Motordynamik

Und

Gelenkdynamik

Diese Unterscheidung gewinnt zunehmend an Bedeutung bei schnellen Roboterbewegungen, dynamischen Laständerungen und hochpräziser Bahnsteuerung.

Können Dual-Encoder einen Positionsverlust nach dem Ausschalten verhindern?

Die Antwort lautet:

Sie können helfen, aber zwei Encoder allein beseitigen das Referenzieren nicht automatisch.

Ob ein Robotergelenk seine Position nach einem Stromausfall beibehalten kann, hängt hauptsächlich vom Encodertyp und dem Mechanismus zur Positionsstabilisierung über mehrere Umdrehungen ab.

Inkrementeller Encoder

Ein Inkrementalgeber speichert im Allgemeinen nach einem Stromausfall keine absoluten Positionsinformationen und kann eine Referenz- oder Referenzfahrt erfordern.

Absolutwertgeber mit einer Umdrehung

Ein absoluter Drehgeber mit einer Umdrehung kann die Winkelposition innerhalb einer Umdrehung bestimmen, liefert aber von sich aus keine unbegrenzten Positionsinformationen über mehrere Umdrehungen.

Absolutwertgeber mit mehreren Umdrehungen

Ein Absolutwertgeber mit mehreren Umdrehungen kann sowohl die Position bei einer einzelnen Umdrehung als auch die über mehrere Umdrehungen akkumulierte Drehposition liefern.

Die Positionsspeicherung über mehrere Umdrehungen kann mithilfe verschiedener Technologien realisiert werden, darunter batteriegepufferte Systeme, mechanische Zählmechanismen und batterielose Positionsspeichertechnologien.

Der ABZO-Encoder von Oriental Motor verwendet beispielsweise ein batterieloses mechanisches Absolutpositionssystem, das Positionsinformationen auch nach dem Abschalten der Stromversorgung beibehalten kann.

Daher lässt sich die technische Beziehung besser wie folgt beschreiben:

Doppel-Encoder + geeignete Mehrdrehungs-Absolutrückkopplung → Potenziell reduziertes oder eliminiertes konventionelles Referenzieren

statt:

Dual-Encoder → Automatische Eliminierung des Referenzflugs

Können Dual-Encoder die funktionale Sicherheit von Robotern verbessern?

Ja, aber es muss eine wichtige Unterscheidung getroffen werden:

Zwei Encoder bedeuten nicht automatisch funktionale Sicherheitsredundanz.

Werden zwei Encoder einfach an eine herkömmliche Steuerung ohne geeignete Diagnose-, Fehlererkennungs- und Sicherheitsarchitektur angeschlossen, kann das System nicht automatisch PL d, PL e, SIL 2 oder SIL 3 beanspruchen.

Der Vorteil der dualen Rückkopplung in sicherheitsrelevanten Anwendungen liegt darin, dass der Regler zwei unterschiedliche Positionsmessungen vergleichen kann.

Zum Beispiel:

Motor-Encoder-Position ≠ Gelenk-Encoder-Position

kann bedeuten:

• Encoderfehler

• Mechanischer Getriebeausfall

• Schadensreduzierer

• Wellen- oder Kupplungsprobleme

• Unerwartete mechanische Verschiebung

• Kommunikations- oder Signalfehler

Das Steuerungssystem kann dann den abnormalen Zustand erkennen und eine angemessene Fehlerreaktion ausführen.

IEC 61800-5-3 befasst sich mit sicherheitsrelevanten Encodern, während IEC 61800-5-2 sicherheitsrelevante Funktionen für Antriebssysteme abdeckt.

Daher lautet die fachlich korrekte Aussage:

Duale Encoder können eine Architektur für funktionale Sicherheit unterstützen, aber die endgültige PL- oder SIL-Fähigkeit hängt vom gesamten sicherheitsbezogenen System, der Diagnose, der Architektur und der Validierung ab.

In welchem Verhältnis stehen Dual-Encoder zu den Normen für funktionale Sicherheit?

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

Es basiert auf dem kompletten sicherheitsrelevanten Kontrollsystem.

Relevante Normen können Folgendes umfassen:

IEC 61508

Bietet den allgemeinen Rahmen für funktionale Sicherheit und Sicherheitsintegritätsstufen (SIL).

IEC 61800-5-2

Definiert sicherheitsrelevante Funktionen für Antriebssysteme, einschließlich Funktionen wie Safe Torque Off (STO) und andere antriebsbezogene Sicherheitsfunktionen.

IEC 61800-5-3

Legt Anforderungen an sicherheitsrelevante Encoder fest, die in Anwendungen zur funktionalen Sicherheit eingesetzt werden.

EN ISO 13849-1

Behandelt sicherheitsrelevante Aspekte von Steuerungssystemen und definiert Leistungsstufen (PL).

ISO 10218-1:2025

Legt Sicherheitsanforderungen für industrielle Robotersysteme fest.

ISO 10218-2:2025

Behandelt Sicherheitsanforderungen für industrielle Roboteranwendungen und Roboterzellen.

Der entscheidende Punkt ist, dass ein Dual-Encoder Teil einer sicherheitsrelevanten Feedback-Architektur sein kann, die Anzahl der Encoder allein jedoch nicht das endgültige Sicherheitsniveau bestimmt.

Systemarchitektur, Diagnoseabdeckung, Fehlerreaktion, Schutz vor Ausfällen durch gemeinsame Ursachen und Validierung müssen alle berücksichtigt werden.

Robotergelenke mit Doppel- bzw. Einzelencoder

Die Wahl zwischen einem Einzel- und einem Doppelencoder hängt von der Anwendung ab.

Funktion Einzelencoder Doppelencoder

Rückmeldung zur Motorposition Ja Ja

Direkte Rückmeldung der Ausgangsposition Normalerweise nein Ja

Übertragungsfehlerüberwachung Eingeschränkt Verbessert

Zweischleifenregelung Eingeschränkt Ja

Fehlerkompensation des Reduzierstücks Begrenzt Verbessert

Absolute Positionsbestimmung über mehrere Umdrehungen. Abhängig vom Encoder.

Fehlerüberprüfung Eingeschränkt Verbessert

Systemkomplexität Niedriger Höher

Kosten niedriger Höher

Geeignet für Hochleistungsverbindungen. Anwendungsabhängig. Starker Vorteil.

Für kostensensible Robotergelenke oder Systeme, bei denen die Übertragungsgenauigkeit bereits ausreichend ist, kann ein einzelner Encoder genügen.

Eine Dual-Encoder-Architektur wird attraktiver, wenn die Anwendung eine hohe Positioniergenauigkeit, Kompensation von Übertragungsfehlern, eine fortschrittliche Bewegungssteuerung oder zusätzliche Positionsdiagnose erfordert.

Warum werden nicht in jedem Robotergelenk Dual-Encoder verwendet?

Wenn Dual-Encoder zusätzliches Feedback liefern, warum sollte man sie nicht überall einsetzen?

Die Antwort lautet: Systemkomplexität.

Durch Hinzufügen eines Ausgangscodierers erhöht sich:

• Stücklistenkosten

• Komplexität der mechanischen Integration

• Verdrahtungsanforderungen

• EMV-Designanforderungen

• Kalibrierungsanforderungen

• Komplexität des Reglers

• Diagnoseanforderungen

• Montageanforderungen

Der ausgangsseitige Encoder kann auch empfindlich auf mechanische Installationsfehler reagieren.

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

Das Ziel besteht daher nicht darin, so viele Sensoren wie möglich zu installieren.

Ziel ist es, die richtige Feedback-Architektur für die erforderliche Gelenkperformance des Roboters einzusetzen.

Typische Dual-Encoder-Robotergelenkarchitektur

Ein Hochleistungsrobotergelenk kann als drei Hauptrückkopplungsebenen verstanden werden.

Motorseitiges Feedback

Der motorseitige Encoder unterstützt in erster Linie Folgendes:

Kommutierung

Feldorientierte Regelung (FOC)

Strom- und Geschwindigkeitsregelung

Rückmeldung zur Motorposition

Das Feedback muss schnell und stabil genug sein, um eine dynamische Motorsteuerung zu ermöglichen.

Gelenkseitiges Feedback

Der gelenkseitige Encoder bietet in erster Linie folgende Funktionen:

• Tatsächliche Gelenkposition

• Ausgangspositionsrückmeldung

• Überwachung von Übertragungsfehlern

• Mechanische Zustandsüberwachung

Da es nach dem Getriebe eingebaut ist, liefert es Informationen, die nicht direkt vom motorseitigen Encoder gewonnen werden können.

Regler

Der Regler kombiniert beide Rückkopplungsquellen:

• Motorposition → Motorzustand

• Ausgangsposition → Gelenkzustand

• Positionsdifferenz → Informationen zu Übertragungs- und mechanischen Fehlern

Dadurch entsteht ein vollständigerer Rückkopplungsmechanismus für das Robotergelenk.

Dual-Encoder bieten mehr als nur höhere Genauigkeit

Der wichtigste Grund für die Verwendung von zwei Encodern ist nicht einfach die Erhöhung der Encoderauflösung.

Es dient dazu, das Messziel zu vervollständigen.

Ein einzelner Encoder misst primär:

• Motor

• Ein Dual-Encoder-System misst:

• Motor + Gelenk

Dadurch kann das Steuerungssystem zwischen Motorbewegung und tatsächlicher Gelenkbewegung unterscheiden.

Diese Unterscheidung ist besonders wertvoll, wenn das Robotergelenk ein hochpräzises Untersetzungsgetriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis wie beispielsweise ein Harmonic Drive oder ein RV-Untersetzungsgetriebe umfasst.

Wann sollte man ein Robotergelenk mit zwei Encodern verwenden?

Eine Dual-Encoder-Architektur ist dann eine Überlegung wert, wenn das Robotergelenk eine oder mehrere der folgenden Anforderungen stellt:

Hochpräzise Gelenkpositionierung

Wenn die endgültige Ausgangsposition wichtiger ist als die berechnete Motorposition.

Übertragungsfehlerkompensation

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

Erweiterte Bewegungssteuerung

Wenn das Steuerungssystem genaue Rückmeldungen sowohl von der Motor- als auch von der Gelenkseite benötigt.

Absolute Mehrdrehungspositionierung

Wenn der Roboter nach einem Stromausfall die Gelenkpositionsinformationen beibehalten muss.

Positionsbasierte Diagnostik

Wenn die Positionen auf der Motorseite und auf der Gelenkseite kontinuierlich verglichen werden müssen, um ein abnormales mechanisches Verhalten zu erkennen.

Architektur für funktionale Sicherheit

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

Warum ist die Rückkopplung zweier Encoder für Roboteraktoren der nächsten Generation wichtig?

Da kollaborative Roboter, humanoide Roboter und Hochleistungs-Industrieroboter immer höhere Präzision, schnellere Reaktionszeiten und bessere Diagnosefähigkeiten erfordern, werden die Gelenkarchitekturen von Robotern immer ausgefeilter.

Die traditionelle Struktur:

Motor + Getriebe + Encoder

entwickelt sich zunehmend in Richtung:

Motor + Motorgeber + Präzisionsgetriebe + Gelenkgeber + Steuerung

Die entscheidende Änderung besteht nicht einfach in der Hinzufügung eines weiteren Sensors.

Es handelt sich um den Übergang von der Schätzung der Gelenkposition anhand der Motorbewegung zur direkten Messung des tatsächlichen Gelenkzustands.

Bei Robotergelenken mit Harmonic-Drive-Getrieben kann diese Unterscheidung besonders wichtig sein. Präzisionsgetriebe bieten hohe Untersetzungsverhältnisse, hohe Drehmomentdichte und kompakte mechanische Bauweisen, die endgültige Gelenkperformance wird jedoch weiterhin durch Übertragungsfehler, Torsionssteifigkeit, thermische Effekte, mechanische Toleranzen und externe Belastungen beeinflusst.

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

Dies schafft eine stärkere Grundlage für:

• Hochpräzise Positionssteuerung

• Übertragungsfehlerkompensation

• Gemeinsame staatliche Überwachung

• Zweischleifen-Bewegungssteuerung

• Fortschrittliche Roboterbewegungssteuerung

• Ausgewählte Architekturen für funktionale Sicherheit

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

Dadurch entsteht eine vollständigere Eingangs-, Übertragungs- und Ausgangsrückkopplungskette innerhalb des Robotergelenks.

Für Roboteraktoren der nächsten Generation kann dieser Übergang von der Schätzung der Gelenkposition zur direkten Messung des Gelenkverhaltens wertvoller sein als eine einfache Erhöhung der Encoderauflösung.