Codificadores absolutos de una vuelta frente a multivuelta para módulos de articulación robótica: ¿cómo elegir?

Al desarrollar robots humanoides, brazos robóticos colaborativos y exoesqueletos, los ingenieros saben que la retroalimentación precisa de la posición de las articulaciones es esencial. Los encoders absolutos se utilizan ampliamente enmódulos de articulación robóticaporque pueden proporcionar información de posición inmediatamente después del encendido, sin necesidad de realizar una secuencia de homing convencional, siempre que el encoder y el sistema de control estén configurados correctamente.

Sin embargo, ¿debería elegir un encoder absoluto de una sola vuelta o uno multivuelta?

Hola, soy Theodore Li, director técnico de HONPINE. En este artículo, utilizaré laserie PRO de actuadores armónicos para articulaciones HPJMde HONPINE para explicar las principales diferencias entre estas dos configuraciones de encoder, cómo se comportan en aplicaciones reales y cómo elegir la opción adecuada para la articulación de su robot.

Elegir una configuración de encoder incorrecta puede provocar ambigüedad de posición tras un corte de alimentación, una postura incorrecta del robot, inestabilidad al permanecer de pie, procedimientos de homing repetidos y errores inesperados en la posición de las articulaciones después de un movimiento manual.

La clave está en comprender una diferencia fundamental: un encoder absoluto de una sola vuelta mide la posición angular dentro de una revolución, mientras que un encoder absoluto multivuelta también registra el número de revoluciones. Sin embargo, que la información multivuelta se conserve tras un corte de alimentación depende de la tecnología de memoria específica del encoder y de la configuración de alimentación de respaldo.

¿Cuál es la diferencia entre los encoders absolutos de una sola vuelta y los multivuelta?

Un encoder absoluto de una sola vuelta identifica la posición angular dentro de una revolución completa, normalmente de 0° a 360°. No identifica por sí solo cuántas revoluciones completas ha realizado el eje.

Un encoder absoluto multivuelta proporciona tanto la posición angular dentro de una revolución como el número de vueltas acumuladas, lo que permite al sistema determinar la posición absoluta a lo largo de varias revoluciones dentro de su rango de medición admitido.

Encoder absoluto de una sola vuelta: posición dentro de 360°

Un encoder absoluto de una sola vuelta indica la posición angular del eje dentro de una revolución. Por ejemplo, puede obtenerse la misma lectura angular después de que el eje haya girado un número diferente de vueltas completas.

Si una articulación robótica está limitada mecánicamente a un rango angular reducido y el sistema de control puede determinar de forma fiable la posición de la articulación dentro de ese rango, un encoder de una sola vuelta puede ser suficiente.

En muchas articulaciones de robots humanoides, como las rodillas, las caderas, los hombros y las articulaciones de inclinación del torso, los límites mecánicos de recorrido hacen que la retroalimentación de una sola vuelta sea una opción práctica.

Encoder absoluto multivuelta: posición angular más número de vueltas

Un encoder absoluto multivuelta registra la posición angular dentro de una revolución y también el número de revoluciones dentro de su rango admitido.

Esta información adicional es especialmente valiosa para articulaciones que pueden girar varias veces o que pueden moverse manualmente mientras el accionamiento está apagado.

Sin embargo, no todos los encoders multivuelta conservan la información del número de vueltas de la misma manera. Algunos utilizan tecnologías no volátiles o de captación de energía, mientras que otros dependen de una batería de respaldo para mantener el conteo electrónico de vueltas.

En los encoders con batería de respaldo, la conservación del número de vueltas depende de que la alimentación de respaldo se mantenga dentro de las condiciones de funcionamiento especificadas. Si se pierde la alimentación de respaldo, el número de vueltas almacenado podría dejar de estar disponible, según el diseño del encoder.

Serie HPJM PRO de HONPINE: dos configuraciones de encoder absoluto

Laserie PRO de actuadores armónicos para articulaciones HPJMde HONPINE ofrece distintas configuraciones de encoder para satisfacer los requisitos de retroalimentación de posición de las aplicaciones robóticas. Dos configuraciones que merece la pena comparar son la versión de doble encoder de una sola vuelta y la versión multivuelta con batería de respaldo.

La diferencia importante no es simplemente el número de encoders. Lo que importa es si la configuración puede conservar el número de vueltas acumuladas de la articulación cuando se desconecta la alimentación principal.

Módulo de articulación HPJM con encoder absoluto de una sola vuelta: versión de doble encoder

Configuración de hardware: retroalimentación de doble encoder con medición de posición absoluta de una sola vuelta y sin interfaz para batería de respaldo del encoder, de acuerdo con la configuración especificada.

¿Cómo funciona?

El encoder de una sola vuelta proporciona la posición angular dentro de una revolución. No conserva un número de vueltas acumuladas tras un corte de alimentación.

Cuando el robot se reinicia, el encoder puede indicar el ángulo actual de una sola vuelta. Si la articulación permanece dentro de un rango de recorrido mecánico conocido y el controlador puede determinar de forma inequívoca la posición de la articulación a partir de esa lectura, el sistema puede recuperar su posición de funcionamiento sin un procedimiento de homing convencional.

Sin embargo, si la articulación se gira manualmente una revolución completa o se mueve hasta una posición que produce una lectura ambigua de una sola vuelta, es posible que el controlador ya no pueda determinar la posición mecánica real basándose únicamente en la medición de una sola vuelta.

Ventajas prácticas de ingeniería

1. Adecuado para articulaciones con recorrido angular limitado

En articulaciones que funcionan dentro de un rango mecánico definido, como ±180° o ±120°, la retroalimentación de una sola vuelta puede proporcionar información de posición suficiente, siempre que los límites mecánicos y la lógica de control eviten la ambigüedad de posición.

2. Requisitos de alimentación de respaldo simplificados

Una configuración sin interfaz para la batería del encoder no requiere una batería de respaldo para el conteo multivuelta del encoder. Esto elimina los problemas de envejecimiento y mantenimiento de la batería asociados a la conservación del número de vueltas con batería de respaldo.

3. Práctico para articulaciones robóticas destinadas a la producción

Cuando el rango mecánico de la articulación está limitado y su posición puede reconstruirse de forma fiable a partir de la retroalimentación de una sola vuelta, esta configuración puede simplificar la arquitectura del sistema y reducir los requisitos de mantenimiento.

Limitaciones de los encoders absolutos de una sola vuelta

La principal limitación es que no disponen de un número de vueltas multivuelta conservado de forma independiente.

Si la articulación se mueve manualmente mientras está apagada y ese movimiento hace que una misma lectura de una sola vuelta corresponda a varias posiciones mecánicas posibles, es posible que el controlador no pueda determinar la posición real de la articulación.

Por ejemplo, una lectura de 30° podría corresponder a 30°, 390° u otro ángulo equivalente, según el rango permitido de la articulación y la convención de referencia.

Esto no significa que cada ciclo de alimentación provoque errores de posición. El riesgo aparece cuando la posición mecánica puede cambiar de una manera que no se puede resolver con la retroalimentación de una sola vuelta disponible y otra información de referencia.

Aplicaciones recomendadas

Conviene considerar la configuración de una sola vuelta HPJM para:

• Articulaciones de rodilla de robots humanoides

• Articulaciones de cadera con límites de recorrido mecánico definidos

• Articulaciones de hombro con rotación limitada

• Articulaciones de inclinación del torso

• Articulaciones de robots colaborativos con recorrido angular limitado

Articulaciones de exoesqueletos que funcionan dentro de un rango de movimiento predefinido

En estas aplicaciones, la retroalimentación de una sola vuelta puede ser una opción práctica cuando el diseño mecánico, la estrategia de control y el procedimiento de funcionamiento garantizan una recuperación fiable de la posición.

Módulo de articulación HPJM con encoder absoluto multivuelta: versión con batería de respaldo

Configuración de hardware: retroalimentación de posición absoluta multivuelta con una interfaz específica para la batería de respaldo del encoder, de acuerdo con la configuración especificada.

¿Cómo funciona?

La configuración multivuelta con batería de respaldo utiliza alimentación de respaldo para mantener el conteo electrónico multivuelta cuando se desconecta la alimentación principal.

Cuando está correctamente configurado y funciona dentro de las condiciones de alimentación de respaldo especificadas para el encoder, este puede conservar el número de vueltas acumuladas e indicar tanto el ángulo actual de una sola vuelta como la posición multivuelta después del reinicio.

Esto puede reducir la necesidad de realizar homing o reconstruir manualmente la posición después de los ciclos de alimentación, y facilitar los procesos de desarrollo.

La posibilidad de mover una articulación mientras está apagada sin perder su posición absoluta depende de la capacidad real del encoder para conservar los datos multivuelta, del estado de la batería de respaldo y del rango de medición permitido.

Ventajas prácticas de ingeniería

1. Recuperación más sencilla de la posición tras un corte de alimentación

Cuando la información multivuelta se conserva correctamente, el controlador puede recuperar la posición absoluta de la articulación después del reinicio sin depender únicamente del ángulo de una sola vuelta.

2. Desarrollo de prototipos más cómodo

Durante el desarrollo de robots, los ingenieros ajustan con frecuencia las posiciones de las articulaciones, guían los mecanismos manualmente y repiten pruebas de movimiento. La conservación de la posición multivuelta puede simplificar estos procesos cuando las articulaciones pueden girar varias vueltas mientras la alimentación principal está desconectada.

3. Más adecuado para articulaciones multivuelta

En las articulaciones que requieren más de una revolución completa, la retroalimentación multivuelta proporciona información de posición que un encoder de una sola vuelta no puede proporcionar por sí solo.

Esto es especialmente relevante para las articulaciones de muñeca u otros mecanismos giratorios diseñados para un movimiento continuo o multivuelta.

Limitaciones de los encoders multivuelta con batería de respaldo

La principal consideración es el mantenimiento de la batería de respaldo.

Si la batería envejece, se agota o no puede suministrar suficiente energía en las condiciones ambientales especificadas, el encoder podría perder el número de vueltas acumuladas. El comportamiento exacto depende del diseño del encoder y de su lógica de gestión de fallos.

No se debe dar por sentado que la pérdida del número de vueltas multivuelta provocará automáticamente una transición segura o fluida al funcionamiento de una sola vuelta. El controlador debe detectar y gestionar cualquier fallo de estado del encoder o de validez de la posición de acuerdo con la documentación del fabricante.

Por este motivo, los ingenieros deben verificar la vida útil de la batería, los intervalos de sustitución, el diagnóstico de batería baja, los límites de temperatura de funcionamiento y el procedimiento de recuperación en caso de que los datos multivuelta dejen de ser válidos.

Aplicaciones recomendadas

Conviene considerar la configuración multivuelta HPJM con batería de respaldo para:

Articulaciones de robots que giran varias revoluciones

Articulaciones de muñeca diseñadas para una rotación continua o sin restricciones dentro de sus límites mecánicos

Prototipos de robots que se mueven manualmente con frecuencia durante el desarrollo

Sistemas de enseñanza y demostración que requieren posicionamiento manual repetido

Aplicaciones en las que conservar la posición de la articulación después de moverla con la alimentación desconectada es un requisito operativo importante

En cualquier articulación que pueda girar de forma continua, confirme que el rango de conteo de vueltas admitido por el encoder y el diseño mecánico completo satisfacen los requisitos de la aplicación.

¿Cómo elegir el encoder absoluto adecuado para la articulación de su robot?

La elección entre encoders absolutos de una sola vuelta y multivuelta debe basarse en el rango de recorrido mecánico de la articulación, el movimiento previsto mientras está apagada, los requisitos de recuperación de posición y la estrategia de mantenimiento.

Elija un encoder absoluto de una sola vuelta si...

La articulación tiene un rango de recorrido mecánico claramente definido.

El sistema de control puede determinar la posición real de la articulación a partir de la retroalimentación de una sola vuelta disponible.

No se prevé que la articulación se mueva hasta una posición ambigua mientras el sistema está apagado.

Desea evitar el conteo multivuelta que depende de una batería.

La aplicación da prioridad a una configuración de mantenimiento más sencilla.

Elija un encoder absoluto multivuelta con batería de respaldo si...

La articulación puede girar varias revoluciones completas.

La articulación puede moverse manualmente mientras la alimentación principal está desconectada.

La aplicación requiere información de posición multivuelta después del reinicio.

Las pruebas del prototipo implican movimientos manuales frecuentes y ciclos de alimentación repetidos.

Puede implementar procedimientos adecuados de supervisión y mantenimiento de la batería.

Preguntas que debe plantearse antes de seleccionar un encoder

Antes de finalizar la configuración del encoder para un actuador integrado de articulación robótica, los ingenieros deben confirmar lo siguiente:

¿Cuál es el rango máximo de rotación mecánica de la articulación?

¿Se puede mover manualmente la articulación cuando la alimentación principal está desconectada?

¿El encoder conserva la información multivuelta sin alimentación de respaldo externa?

¿Qué ocurre si se agota la batería del encoder?

¿El controlador valida la posición absoluta antes de permitir el movimiento?

¿Se requiere un procedimiento de homing después de un fallo del encoder o de la pérdida de información de posición?

Estas preguntas ayudan a evitar la ambigüedad de posición y a mejorar la fiabilidad de los procedimientos de arranque y recuperación.

Conclusión: adapte el encoder al diseño mecánico de la articulación

Los encoders absolutos de una sola vuelta y los multivuelta responden a distintos requisitos de ingeniería.

Un encoder absoluto de una sola vuelta puede ser una opción práctica para articulaciones robóticas con recorrido angular limitado, siempre que el diseño mecánico y el sistema de control puedan determinar de forma fiable la posición de la articulación. Un encoder multivuelta con batería de respaldo es más adecuado cuando es necesario conservar la rotación acumulada durante las interrupciones de alimentación, especialmente en articulaciones multivuelta y en aplicaciones que implican movimientos manuales frecuentes.

Para laserie PRO de actuadores armónicos para articulaciones HPJMde HONPINE, la configuración adecuada depende del rango de rotación de la articulación, los requisitos de conservación de la posición y la estrategia de mantenimiento.

En HONPINE, ofrecemos actuadores armónicos para articulaciones destinados a robots humanoides, brazos robóticos colaborativos, exoesqueletos y otras aplicaciones de control de movimiento de precisión.

Póngase en contacto con HONPINE para obtener más información sobre la serie HPJM PRO y elegir una configuración de encoder que se adapte al diseño de las articulaciones de su robot.