¿Por qué los módulos de articulación robótica utilizan codificadores duales?

Las articulaciones robóticas con doble encoder son cada vez más importantes en la robótica de alto rendimiento. Sin embargo, añadir un segundo encoder no consiste simplemente en instalar otro sensor.

El propósito real es responder dos preguntas diferentes:

¿Cuánto se ha movido el motor?

y

¿Cuánto se ha movido realmente la articulación del robot?

En un módulo de articulación robótica compuesto por un motor de par sin bastidor, reductor de precisión, encoder y brida de salida, el encoder del lado del motor puede medir con precisión la posición y velocidad del motor. Sin embargo, la salida real de la articulación puede seguir viéndose afectada por el error de transmisión, la deformación torsional, la fricción, la deriva térmica, las tolerancias de montaje y los cambios de carga externa.

Por ello, una articulación robótica con doble encoder puede proporcionar una arquitectura de retroalimentación más completa. Un encoder supervisa el lado del motor, mientras que el otro mide el lado de salida de la articulación. Juntos permiten al controlador observar tanto la dinámica del motor como la posición real de la articulación.

¿Qué es una articulación robótica con doble encoder?

Una arquitectura típica de doble encoder para articulación robótica puede simplificarse como:

Motor → Encoder del lado del motor → Reductor de precisión → Encoder del lado de salida → Salida de la articulación

El encoder del lado del motor se instala cerca del rotor del motor o del eje de entrada. Proporciona principalmente retroalimentación de alta velocidad para la conmutación del motor, el control orientado al campo (FOC), el control de velocidad y la estimación del estado del motor.

El encoder del lado de salida, también conocido como encoder del lado de la articulación, se instala después del reductor y mide la posición angular real de la articulación robótica.

Esta arquitectura se describe habitualmente como:

• Doble encoder

• Doble retroalimentación

• Control de doble lazo

• Retroalimentación del lado del motor y del lado de la articulación

Los dos encoders no tienen necesariamente que utilizar la misma tecnología. Según la aplicación, una articulación robótica puede utilizar encoders incrementales, encoders absolutos de una vuelta o encoders absolutos multivuelta.

¿Por qué no basta un encoder del lado del motor?

En una articulación robótica convencional con un solo encoder, el encoder suele instalarse en el lado del motor.

El controlador conoce la posición del motor y calcula la posición teórica de salida según la relación de reducción:

θout ≈ θmotor / N

donde N es la relación de reducción.

Este enfoque funciona bien cuando el sistema de transmisión puede considerarse suficientemente rígido y predecible.

Sin embargo, una articulación robótica real no es un sistema ideal de transmisión rígida.

El reductor puede introducir error de transmisión, mientras que los componentes flexibles pueden deformarse bajo carga. Los rodamientos, acoplamientos y bridas de salida también pueden introducir pequeñas desviaciones mecánicas. Los cambios de temperatura pueden afectar aún más tanto a la estructura mecánica como a las mediciones del encoder.

Como resultado:

Posición calculada de la articulación ≠ Posición real de la articulación

Esta diferencia es una de las principales razones por las que se utilizan encoders del lado de salida en articulaciones robóticas de alto rendimiento.

Un encoder secundario puede proporcionar retroalimentación adicional para identificar y compensar errores de transmisión, especialmente en articulaciones robóticas afectadas por flexibilidad, holgura, fricción y otras perturbaciones mecánicas.

La ventaja principal de los dobles encoders: medir lo que sucede después del reductor

El concepto más importante detrás de un actuador con doble encoder es sencillo:

El encoder del lado del motor mide el lado de entrada de la transmisión.

El encoder del lado de salida mide la salida real de la articulación.

El controlador puede entonces comparar las dos señales de retroalimentación e identificar diferencias entre el movimiento del motor y el movimiento de la articulación.

Por ejemplo, el motor puede girar hasta la posición ordenada mientras la brida de salida aún está ligeramente desplazada debido a deformación torsional, error de transmisión o comportamiento mecánico dependiente de la carga.

Un sistema de un solo encoder puede asumir:

El motor ha alcanzado la posición ordenada, por lo tanto la articulación ha alcanzado la posición ordenada.

Un sistema de doble encoder puede identificar:

El motor ha alcanzado la posición ordenada, pero la salida de la articulación aún presenta un error de posición.

Esta es una de las ventajas fundamentales de la retroalimentación de doble lazo en módulos de articulación robótica.

1. Mejorar el control de posición de la articulación robótica

Una de las principales ventajas de una arquitectura de doble encoder es que el lazo de posición puede utilizar retroalimentación de la salida real de la articulación.

En un sistema convencional de retroalimentación del lado del motor, el controlador de posición observa principalmente la posición del motor.

Con doble retroalimentación, la arquitectura de control puede separar las dos funciones:

Encoder del motor → Control del motor

Encoder de salida → Retroalimentación de posición de la articulación

Esto permite al controlador regular no solo el motor, sino también la posición real de salida después del reductor.

Esta arquitectura es especialmente útil para:

• Articulaciones robóticas de alta precisión

• Robots colaborativos

• Actuadores para robots humanoides

• Sistemas de movimiento de precisión

• Ejes rotativos CNC

• Servomecanismos de alto rendimiento

Para aplicaciones que requieren seguimiento preciso de trayectorias, la retroalimentación de posición del lado de salida puede ayudar a reducir la influencia de los errores relacionados con la transmisión en la posición final de la articulación.

2. Medir y compensar el error de transmisión del reductor

Un malentendido habitual es que un doble encoder puede simplemente “eliminar la holgura”.

Esto no es técnicamente exacto.

Una articulación robótica con doble encoder no elimina mecánicamente la holgura. En cambio, el segundo encoder permite al sistema de control medir la diferencia entre el movimiento del lado del motor y el lado de salida, y compensar parte del error de transmisión mediante algoritmos de control.

Según el reductor y el diseño mecánico, las fuentes de error relevantes pueden incluir:

• Error de transmisión

• Deformación torsional

• Histéresis

• Fricción

• Deformación elástica

• Error de montaje

• Deriva térmica

Al comparar la retroalimentación de posición del lado del motor y del lado de la articulación, el controlador puede crear un modelo de error y aplicar compensación según la posición, dirección, velocidad, carga y otras condiciones operativas de la articulación.

Por lo tanto, una descripción más precisa es:

Los dobles encoders permiten medir y compensar el error de transmisión.

En lugar de:

Los dobles encoders eliminan la holgura.

Esta distinción es importante al evaluar el rendimiento real de una articulación robótica con transmisión armónica u otro actuador basado en un reductor de precisión.

3. Mejorar la retroalimentación de posición real de la articulación

Una alta resolución del encoder no significa automáticamente una alta precisión de posicionamiento del robot.

Deben distinguirse claramente tres conceptos técnicos:

Resolución

La resolución describe el incremento mínimo de posición que un encoder puede distinguir.

Por ejemplo, un encoder de una vuelta de 23 bits proporciona:

2²³ = 8,388,608 cuentas por revolución

El incremento angular teórico es aproximadamente:

0.154 arcsec por cuenta

Sin embargo, esta es la resolución del encoder, no la precisión global de posicionamiento de la articulación robótica.

Precisión

La precisión describe hasta qué punto la posición medida corresponde a la posición física real.

Repetibilidad

La repetibilidad describe la consistencia con la que el sistema vuelve a la misma posición al repetir el mismo movimiento.

Por lo tanto:

Alta resolución del encoder ≠ Alta precisión del sistema

El rendimiento final de una articulación robótica depende del sistema completo, incluida la precisión del encoder, el error de transmisión del reductor, el descentramiento de los rodamientos, la rigidez mecánica, los efectos térmicos, la calibración y los algoritmos de control.

Por ello, la retroalimentación de doble encoder debe evaluarse como parte de la arquitectura completa de control de movimiento, en lugar de basarse únicamente en el número de bits del encoder.

4. Separar el movimiento del motor del movimiento real de la articulación

Esta es otra ventaja importante de una arquitectura de doble encoder para articulación robótica.

Considere una articulación robótica que utiliza una relación de reducción de 100:1.

El motor puede girar un ángulo relativamente grande, mientras que la articulación de salida gira solo una pequeña fracción de dicho ángulo.

Al mismo tiempo, el reductor y la estructura mecánica pueden deformarse ligeramente conforme cambia la carga externa.

Por lo tanto, el controlador puede calcular una posición teórica de la articulación a partir del encoder del motor, pero esto no representa necesariamente la posición real de salida.

El encoder de salida proporciona retroalimentación directa desde el lado de la articulación.

Por lo tanto, el sistema de control puede observar dos estados diferentes:

Dinámica del motor

y

Dinámica de la articulación

Esta distinción cobra cada vez más importancia en movimientos robóticos de alta velocidad, cambios dinámicos de carga y control de trayectoria de alta precisión.

¿Pueden los dobles encoders evitar la pérdida de posición tras un corte de alimentación?

La respuesta es:

Pueden ayudar, pero los dobles encoders por sí solos no eliminan automáticamente la necesidad de referenciación.

Que una articulación robótica pueda conservar su posición después de una pérdida de alimentación depende principalmente del tipo de encoder y del mecanismo de retención de posición multivuelta.

Encoder incremental

Un encoder incremental generalmente no conserva información de posición absoluta tras una pérdida de alimentación y puede requerir un procedimiento de referencia o de homing.

Encoder absoluto de una vuelta

Un encoder absoluto de una vuelta puede identificar la posición angular dentro de una revolución, pero por sí solo no proporciona información de posición multivuelta ilimitada.

Encoder absoluto multivuelta

Un encoder absoluto multivuelta puede proporcionar tanto la posición de una vuelta como la posición rotacional acumulada durante múltiples revoluciones.

La retención de posición multivuelta puede implementarse mediante diferentes tecnologías, incluidos sistemas con batería de respaldo, mecanismos de conteo mecánico y tecnologías de retención de posición sin batería.

Por ejemplo, el encoder ABZO de Oriental Motor utiliza un sistema mecánico absoluto sin batería que puede conservar la información de posición después de cortar la alimentación.

Por lo tanto, la relación de ingeniería se describe mejor como:

Doble encoder + Retroalimentación absoluta multivuelta adecuada → Referenciación convencional potencialmente reducida o eliminada

en lugar de:

Doble encoder → Elimina automáticamente la referenciación

¿Pueden los dobles encoders mejorar la seguridad funcional del robot?

Sí, pero debe hacerse una distinción importante:

Dos encoders no implican automáticamente redundancia de seguridad funcional.

Si dos encoders simplemente se conectan a un controlador convencional sin diagnósticos, detección de fallos y arquitectura de seguridad adecuados, el sistema no puede declarar automáticamente PL d, PL e, SIL 2 o SIL 3.

El valor de la doble retroalimentación en aplicaciones relacionadas con la seguridad es que el controlador puede comparar dos mediciones de posición diferentes.

Por ejemplo:

Posición del encoder del motor ≠ Posición del encoder de la articulación

puede indicar:

• Fallo del encoder

• Fallo de transmisión mecánica

• Daño del reductor

• Problemas de eje o acoplamiento

• Desplazamiento mecánico inesperado

• Errores de comunicación o señal

El sistema de control puede entonces detectar la condición anómala y ejecutar una respuesta de fallo adecuada.

IEC 61800-5-3 aborda los encoders relacionados con la seguridad, mientras que IEC 61800-5-2 cubre las funciones relacionadas con la seguridad para sistemas de accionamiento eléctrico.

Por lo tanto, la afirmación técnicamente correcta es:

Los dobles encoders pueden respaldar una arquitectura de seguridad funcional, pero la capacidad final de PL o SIL depende del sistema completo relacionado con la seguridad, los diagnósticos, la arquitectura y la validación.

¿Cómo se relacionan los dobles encoders con las normas de seguridad funcional?

La seguridad funcional en una articulación robótica no está determinada por un solo encoder.

Se basa en el sistema completo de control relacionado con la seguridad.

Las normas relevantes pueden incluir:

IEC 61508

Proporciona el marco general para la seguridad funcional y los niveles de integridad de seguridad (SIL).

IEC 61800-5-2

Define las funciones relacionadas con la seguridad para sistemas de accionamiento eléctrico, incluidas funciones como Safe Torque Off (STO) y otras funciones de seguridad relacionadas con el accionamiento.

IEC 61800-5-3

Proporciona requisitos para encoders relacionados con la seguridad utilizados en aplicaciones de seguridad funcional.

EN ISO 13849-1

Aborda las partes de los sistemas de control relacionadas con la seguridad y define los niveles de rendimiento (PL).

ISO 10218-1:2025

Especifica requisitos de seguridad para sistemas de robots industriales.

ISO 10218-2:2025

Aborda los requisitos de seguridad para aplicaciones de robots industriales y celdas robotizadas.

El punto clave es que un doble encoder puede formar parte de una arquitectura de retroalimentación relacionada con la seguridad, pero el número de encoders por sí solo no determina el nivel final de seguridad.

Deben considerarse la arquitectura del sistema, la cobertura de diagnóstico, la respuesta ante fallos, la protección contra fallos de causa común y la validación.

Articulaciones robóticas con doble encoder frente a un solo encoder

La elección entre un solo encoder y un doble encoder depende de la aplicación.

Característica Un solo encoder Doble encoder

Retroalimentación de posición del motor Sí Sí

Retroalimentación directa de posición de salida Generalmente no Sí

Supervisión de errores de transmisión Limitada Mejorada

Control de doble lazo Limitado Sí

Compensación de error del reductor Limitada Mejorada

Posición absoluta multivuelta Depende del encoder Depende del encoder

Verificación cruzada de fallos Limitada Mejorada

Complejidad del sistema Menor Mayor

Coste Menor Mayor

Adecuado para articulaciones de alto rendimiento Depende de la aplicación Gran ventaja

Un solo encoder puede ser suficiente para articulaciones robóticas sensibles al coste o sistemas en los que la precisión de transmisión ya es adecuada.

Una arquitectura de doble encoder resulta más atractiva cuando la aplicación requiere alto rendimiento de posicionamiento, compensación de errores de transmisión, control avanzado de movimiento o diagnósticos adicionales de posición.

¿Por qué no se utilizan dobles encoders en todas las articulaciones robóticas?

Si los dobles encoders proporcionan retroalimentación adicional, ¿por qué no utilizarlos en todas partes?

La respuesta es la complejidad del sistema.

Añadir un encoder de salida aumenta:

• Coste de BOM

• Complejidad de integración mecánica

• Requisitos de cableado

• Requisitos de diseño EMC

• Requisitos de calibración

• Complejidad del controlador

• Requisitos de diagnóstico

• Requisitos de montaje

El encoder del lado de salida también puede ser sensible a errores de instalación mecánica.

La excentricidad del encoder, el descentramiento del eje, la deformación de la brida y los errores de acoplamiento pueden influir en la posición de salida medida.

Por lo tanto, el objetivo no es instalar tantos sensores como sea posible.

El objetivo es utilizar la arquitectura de retroalimentación adecuada para el rendimiento requerido de la articulación robótica.

Arquitectura típica de una articulación robótica con doble encoder

Una articulación robótica de alto rendimiento puede entenderse como tres capas principales de retroalimentación.

Retroalimentación del lado del motor

El encoder del lado del motor respalda principalmente:

Conmutación

Control orientado al campo (FOC)

Control de corriente y velocidad

Retroalimentación de posición del motor

La retroalimentación debe ser lo suficientemente rápida y estable para el control dinámico del motor.

Retroalimentación del lado de la articulación

El encoder del lado de la articulación proporciona principalmente:

• Posición real de la articulación

• Retroalimentación de posición de salida

• Supervisión de errores de transmisión

• Supervisión del estado mecánico

Como se instala después del reductor, proporciona información que no puede obtenerse directamente del encoder del lado del motor.

Controlador

El controlador combina ambas fuentes de retroalimentación:

• Posición del motor → Estado del motor

• Posición de salida → Estado de la articulación

• Diferencia de posición → Información sobre errores de transmisión y mecánicos

Esto crea un lazo de retroalimentación más completo para la articulación robótica.

Los dobles encoders son más que una mayor precisión

La razón más importante para utilizar dos encoders no es simplemente aumentar la resolución del encoder.

Es hacer más completo el objetivo de medición.

Un solo encoder mide principalmente:

• Motor

• Un sistema de doble encoder mide:

• Motor + Articulación

Esto permite al sistema de control distinguir entre el movimiento del motor y el movimiento real de la articulación.

Esta distinción es especialmente valiosa cuando la articulación robótica incluye un reductor de precisión de alta relación, como una transmisión armónica o un reductor RV.

¿Cuándo se debe utilizar una articulación robótica con doble encoder?

Vale la pena considerar una arquitectura de doble encoder cuando la articulación robótica requiere una o más de las siguientes características:

Posicionamiento de articulación de alta precisión

Cuando la posición final de salida importa más que la posición calculada del motor.

Compensación de errores de transmisión

Cuando deben medirse y compensarse los errores del reductor y de la transmisión mecánica.

Control avanzado de movimiento

Cuando el sistema de control necesita retroalimentación precisa tanto del lado del motor como del lado de la articulación.

Posicionamiento absoluto multivuelta

Cuando el robot necesita conservar la información de posición de la articulación después de una pérdida de alimentación.

Diagnósticos basados en posición

Cuando las posiciones del lado del motor y del lado de la articulación deben compararse continuamente para detectar comportamiento mecánico anómalo.

Arquitectura de seguridad funcional

Cuando se requiere retroalimentación de posición redundante o con verificación cruzada como parte de un sistema completo de control relacionado con la seguridad.

¿Por qué es importante la retroalimentación de doble encoder para los actuadores robóticos de próxima generación?

A medida que los robots colaborativos, los robots humanoides y los robots industriales de alto rendimiento siguen demandando mayor precisión, respuesta más rápida y mejores capacidades de diagnóstico, las arquitecturas de las articulaciones robóticas se vuelven más sofisticadas.

La estructura tradicional:

Motor + Reductor + Encoder

evoluciona cada vez más hacia:

Motor + Encoder del motor + Reductor de precisión + Encoder de la articulación + Controlador

El cambio clave no es simplemente añadir otro sensor.

Es la transición de estimar la posición de la articulación a partir del movimiento del motor a medir directamente el estado real de la articulación.

Para las articulaciones robóticas que utilizan reductores armónicos, esta distinción puede ser especialmente importante. Los reductores de precisión proporcionan altas relaciones de reducción, alta densidad de par y estructuras mecánicas compactas, pero el rendimiento final de la articulación sigue estando influido por el error de transmisión, la rigidez torsional, los efectos térmicos, las tolerancias mecánicas y las cargas externas.

Una arquitectura de doble encoder ofrece al controlador acceso a ambos lados de la cadena de transmisión.

Esto proporciona una base más sólida para:

• Control de posición de alta precisión

• Compensación de errores de transmisión

• Supervisión del estado de la articulación

• Control de movimiento de doble lazo

• Control avanzado del movimiento robótico

• Arquitecturas seleccionadas de seguridad funcional

En otras palabras, un doble encoder no es simplemente “un sensor más”.

Crea una cadena de retroalimentación más completa de entrada–transmisión–salida dentro de la articulación robótica.

Para los actuadores robóticos de próxima generación, este cambio de estimar la posición de la articulación a medir directamente el comportamiento de la articulación puede ser más valioso que simplemente aumentar la resolución del encoder.