电感编码器原理及人形机器人热点

导语：近期人形机器人的话题火热，其中对应到自动化行业，就有人形机器人部件编码器大热的话题。

近期人形机器人的话题火热，其中对应到自动化行业，就有人形机器人部件编码器大热的话题。编码器行业也有很多朋友来问我并讨论，哪一种编码器可能会成为人形编码器的热点爆发?事实上就像无人驾驶的激光雷达与视觉都还在争论到现在没有定论，我还无法肯定究竟是哪一种编码器能得到人形机器人的首选。

反射型光编?扇形磁编?电容式编码器(在无人机中曾经热过)、以及现在热起来的电感式编码器等等，究竟会用哪一种编码器呢，实际上取决于人形机器人对于关节传感器的结构要求，以及编码器最重要的两个方向——精度与可靠性，及结构安装可行性和较为经济的使用成本。

其中电感式编码器借助人形机器人热点，最近在宣传上也是很热闹。人形机器人真的会大量落地进入家庭吗?这要取决于最终成熟产品的精度与可靠性。试想一台人形机器人据介绍大约有51个关节执行器，如果没有编码器的精度与可靠性，你敢买回来放家里玩吗?是养一个药罐子呢，还是养一个“二哈”一样的闯祸胚子在家里呢?好玩又不敢玩。

那么电感式编码器是否能成为人形编码器的首选吗，就取决于电感编码器的效果精度与效果可靠性究竟如何?

德国海德汉的电感双编码器，图片来自海德汉公众号，致谢!

电感编码器原理

电感是电流闭合回路的一种属性，是一个物理量L。当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，处于感应磁场中的导体，例如金属体中又会产生感应电流，来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈的相互作用关系，称为电的感抗，也就是电感L。

电感计算公式：L=μ×Ae*N^2/ l

其中：L表示电感量、μ表示磁心的磁导率、Ae表示磁心的截面积、N表示线圈源的匝数、l表示磁心的磁路长度。

假如处于感应磁场中的导体是一个平面金属体，并垂直于线圈方向，金属体感应电流就像一个漩涡，称为感应电涡流。感应电涡流又会再产生一个被动感应磁场。

电感传感器就是去感知后面发生的这个被动产生的感应磁场。电感接近开关，电感距离传感器，电感面积传感器等等。

电感编码器的设计原理是感应面积的变化对应计算角度。在电感编码器的转动部分即转子上，可以设计有图形的电极板，在角度旋转变化中，电涡流变化而被感应，计算感应到的信息及与电极图形比较，以此推算出编码器旋转的角度值。

其中，在编码器定子电路板上设计有一个发送固定高周波信号(大于100KHz)，产生一个交变的磁场，在磁场下方有电极板(转子)就会产生电涡流。

转子电极板上的电涡流继续产生一个被动的磁场，再一次被定子电路板上的两个线圈感应到信号大小的变化。

这样的信号变化被设计为一定的SIN/COS规律，计算相位差得到转子角度值。

电感编码器转子上的电极图案是可以多样设计的，不同的图案得到不同的周期性变化规律

转子感应电涡流有几组，图中分布只是示意图，实际分布图是一个编码设计图形。

德国海德汉公司的电感编码器—取自海德汉公众号图片。

电感编码器感应的被动磁场电涡流信号是很微弱的，需要信号放大电路的矫正放大，并换算出角度值，这将由一颗专用设计的电感编码器芯片完成，此又类似于磁编芯片了。

芯片技术ADC模拟信号处理技术，算法与响应精度，时间抖动克服，等等，似乎我们又回到了磁编芯片走过的过程。

电感编码器的精度和可靠性的揣测

我要坦诚而言，我对电感编码器还没有过实践经验，仅从其电感编码器的原理分析，去揣测推算它的精度与可靠性难点。真实情况还需要有实践者的答案，实践是检验真理的唯一标准。

从电感编码器的工作原理看，从初级线圈发出感应的磁场——转子金属电极电涡流——被动磁场发生并再次感应——定子次级线圈的小信号放大，这四个过程不仅仅是有晶振的时钟精度，还有四次的模拟量信号精度的模拟电路技术。

其中，还有机械安装精度，机械旋转精度。

还有，转子并不是静止的，是在运动中的或者有抖动的，就有电涡流在其运动方向上的分量的误差。

所以，电感编码器不仅仅是初级线圈发送信号的精度，转子电极板加工精度，还有多次的模拟电路信号技术。一讲到模拟信号技术，我要告诉大家，模拟信号的高精度技术远远比数字电路技术复杂与高难度的，需要高精度实验室仪器，这是我们的短板。

主动发送线圈，处于磁场中感应的金属体，被动感知线圈，这三个部分还有一个机械安装与运动精度。在高速旋转中的旋转方向带给转子的电涡流的方向性分量误差。

然后还要取决于这颗专用电感器编码器芯片的模拟信号处理技术。

总之，电感编码器的每一道工艺，都需要有很好的科学仪器的测量与工艺过程控制，才能有较好的精度保证。并且基础的材料学和长期的科学实验室经验积累。

电感编码器的可靠性分析：

电感编码器的特征是线圈高周波发生器和电涡流感应，模拟量小信号放大整理技术，这似乎对于设计的EMI有比较高的要求，对于电路设计宽容度以避免电气损坏有较高的要求。个人感觉可能对于同为高周波的电气干扰是可靠性的死穴，设计中应有屏蔽，避免自激损坏。

前面我们设想是电感编码器可能会大量用于人形机器人上。我最近看到了海德汉用于机器人电感编码器，推出了双编码器的概念：

“海德汉KCI 120 Dplus双编码器一体双能，提供电机反馈和位置测量功能。为实现这两个功能，此编码器采用一个读数头和两个独立的感应式扫描码盘。在齿轮箱的后方测量轴位置，补偿多关节、高动态性能机器人无法避免的误差。”——海德汉文字介绍

为什么需要双编码器?那么还有视觉传感器能否取代电感双编码器?

思考，人形机器人究竟是干什么用的?

科技向善是为人类的进步的。所谓人形机器人，就是有双脚双手的像人一样的做动作，因为那些为我们日常生活的各种环境设计，都是对人的运动性设计的，所以我认为人形机器人的目标市场并不是在车间生产线上，也不是手术机器人，也不是家庭中学习娱乐功能，那些并不需要有人形那样的双脚与双手这么复杂的设计，就可以完成预设任务。那么，人形机器人就是要进入到人的家庭的日常生活，去帮助人干活去的。

也就是说，机械运动是要像人一样的，利用原来为人设计的那些环境和完成任务。因此，人形机器人的机械运动的精度与可靠性是人形机器人最重要的参数， 51个关节，不可靠性的概率就是级数增加的，人形机器人每一个动作都需要由多个关节执行器的配合完成，假如没有精度，就要像老太太穿针引线般的没有了工作效率。

人形机器人每一个动作都要有多个关节执行器的配合，就需要有独立于电机的感知坐标系并相互间通讯同步，这就是运动轨迹外部的坐标系。电机上的第一编码器是运动轨迹，机械末端的第二编码器就是独立于电机的坐标系，观察多个电机的运动轨迹，怎么可能只用自己的电机自己看自己，而没有外部的参考坐标呢?第二编码器的真正作用，是多个执行器感知的可靠性，多个执行器信号联通同步的可靠性。

不仅仅是需要双编码器，人形机器人还需要对目标任务的视觉感知、自学习记忆的比较，并对动作修正补偿。

优质传感器的大量使用，并且要有精度与可靠性的保证，才会有人形机器人可能的发展，并能否真正落地进入到家庭中大量推广的保证。真需求还是伪需求，在于是否能真心科技向善的是为了人。做好产品可靠性就是这个“善”。

产品的精度与可靠性，需要有基础材料学、高精度科学仪器及长期的实践时间积累，还有一颗专用的电感编码器芯片技术。电感编码器是否能够胜任，我还没有答案，答案或许在上面找并思考中，或许会争论很久。