¿Por qué los módulos de articulación robótica utilizan encoders dobles?

Las articulaciones robóticas con doble codificador están adquiriendo cada vez más importancia en la robótica de alto rendimiento. Pero añadir un segundo codificador no es tan sencillo como instalar otro sensor.

El verdadero propósito es responder a 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 carcasa, un reductor de precisión, un codificador y una brida de salida, el codificador del lado del motor puede medir con precisión la posición y la velocidad del motor. Sin embargo, la salida real de la articulación aún puede verse afectada por errores de transmisión, deformación torsional, fricción, deriva térmica, tolerancias de ensamblaje y cambios en la carga externa.

Por eso, una articulación robótica con doble codificador puede proporcionar una arquitectura de retroalimentación más completa. Un codificador monitoriza el motor, mientras que el otro mide la 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 de doble codificador?

Una arquitectura típica de codificador dual para articulaciones de robot se puede simplificar de la siguiente manera:

Motor → Codificador del lado del motor → Reductor de precisión → Codificador del lado de salida → Salida de la junta

El codificador del motor se instala cerca del rotor o del eje de entrada. Su función principal es proporcionar información 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 codificador de salida, también conocido como codificador de articulación, se instala después del reductor y mide la posición angular real de la articulación del robot.

Esta arquitectura se describe comúnmente como:

• Codificador doble

• Retroalimentación dual

• Control de doble bucle

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

Los dos codificadores no tienen por qué utilizar la misma tecnología. Dependiendo de la aplicación, una articulación robótica puede usar codificadores incrementales, codificadores absolutos de una vuelta o codificadores absolutos de varias vueltas.

¿Por qué no es suficiente un codificador del lado del motor?

En una articulación robótica convencional de un solo codificador, este suele estar instalado en el lado del motor.

El controlador conoce la posición del motor y calcula la posición de salida teórica 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 de transmisión rígido ideal.

El reductor puede introducir errores de transmisión, mientras que los componentes flexibles pueden deformarse bajo carga. Los cojinetes, acoplamientos y bridas de salida también pueden generar pequeñas desviaciones mecánicas. Los cambios de temperatura pueden afectar, además, tanto a la estructura mecánica como a las mediciones del codificador.

Como resultado:

Posición articular calculada ≠ Posición articular real

Esta diferencia es una de las principales razones por las que se utilizan codificadores de salida en las articulaciones de robots de alto rendimiento.

Un codificador secundario puede proporcionar información adicional para identificar y compensar errores de transmisión, especialmente en las articulaciones del robot afectadas por flexibilidad, holgura, fricción y otras perturbaciones mecánicas.

La principal ventaja de los codificadores duales: medir lo que sucede después del reductor.

El concepto más importante detrás de un actuador de doble codificador es simple:

El codificador del lado del motor mide la entrada de la transmisión.

El codificador de salida mide la salida real de la articulación.

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

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

Un sistema de codificador único puede asumir lo siguiente:

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

Un sistema de doble codificador puede identificar:

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

Esta es una de las ventajas fundamentales de la retroalimentación de doble bucle en los módulos de articulaciones de robots.

1. Mejorar el control de la posición de las articulaciones del robot.

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

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

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

Codificador de motor → Control de motor

Codificador de salida → Retroalimentación de posición de la articulación

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

Esta arquitectura es particularmente útil para:

• Articulaciones robóticas de alta precisión

• Robots colaborativos

• actuadores de robots humanoides

• Sistemas de movimiento de precisión

• ejes rotatorios CNC

• Servomecanismos de alto rendimiento

Para aplicaciones que requieren un seguimiento preciso de la trayectoria, la retroalimentación de posición en el 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 error común es pensar que un codificador dual puede simplemente "eliminar el retroceso".

Esto no es técnicamente exacto.

Una articulación robótica con doble codificador no elimina mecánicamente el juego mecánico. En cambio, el segundo codificador permite que el sistema de control mida la diferencia entre el movimiento del motor y el de salida, y compense parte del error de transmisión mediante algoritmos de control.

Dependiendo del reductor y del diseño mecánico, las fuentes de error relevantes pueden incluir:

• Error de transmisión

• Deformación torsional

• Histéresis

• Fricción

• Deformación elástica

• Error de ensamblaje

• Deriva térmica

Al comparar la información de posición del motor y de la articulación, el controlador puede construir un modelo de error y aplicar compensaciones según la posición, la dirección, la velocidad, la carga y otras condiciones de funcionamiento de la articulación.

Por lo tanto, una descripción más precisa es:

Los codificadores duales permiten la medición y compensación de los errores de transmisión.

En vez de:

Los codificadores duales eliminan el juego mecánico.

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

3. Mejorar la retroalimentación de la posición real de la articulación.

Una alta resolución del codificador no implica automáticamente una alta precisión en el posicionamiento del robot.

Deben distinguirse claramente tres conceptos técnicos:

Resolución

La resolución describe el incremento de posición más pequeño que un codificador puede distinguir.

Por ejemplo, un codificador de una sola vuelta de 23 bits proporciona:

2²³ = 8.388.608 cuentas por revolución

El incremento angular teórico es aproximadamente:

0,154 segundos de arco por conteo

Sin embargo, esta es la resolución del codificador, no la precisión de posicionamiento general de la articulación del robot.

Exactitud

La exactitud describe qué tan cerca se corresponde la posición medida con la posición física real.

Repetibilidad

La repetibilidad describe la consistencia con la que el sistema regresa a la misma posición cuando se repite el mismo movimiento.

Por lo tanto:

Alta resolución del codificador ≠ Alta precisión del sistema

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

Por eso, la retroalimentación del codificador dual debe evaluarse como parte de la arquitectura completa de control de movimiento, en lugar de basarse únicamente en el número de bits del codificador.

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

Esta es otra ventaja importante de la arquitectura de codificador dual para articulaciones de robot.

Consideremos una articulación de robot que utiliza una relación de reducción de 100:1.

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

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

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

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

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

Dinámica de los motores

y

Dinámica conjunta

Esta distinción cobra cada vez más importancia en el movimiento de robots a alta velocidad, los cambios dinámicos de carga y el control de trayectoria de alta precisión.

¿Pueden los codificadores duales evitar la pérdida de posición después de un corte de energía?

La respuesta es:

Pueden ser útiles, pero los codificadores duales por sí solos no eliminan automáticamente el problema de la calibración.

Que una articulación de un robot pueda mantener su posición tras un corte de energía depende principalmente del tipo de codificador y del mecanismo de retención de posición de múltiples vueltas.

Codificador incremental

Por lo general, un codificador incremental no conserva la información de posición absoluta después de una pérdida de energía y puede requerir un procedimiento de referencia o de posicionamiento inicial.

Codificador absoluto de una sola vuelta

Un codificador absoluto de una sola vuelta puede identificar la posición angular dentro de una revolución, pero por sí solo no proporciona información ilimitada sobre la posición en múltiples vueltas.

Codificador absoluto multivuelta

Un codificador absoluto multivuelta puede proporcionar tanto la posición de una sola vuelta como la posición rotacional acumulada a lo largo de varias revoluciones.

La retención de posición en múltiples giros se puede implementar utilizando diferentes tecnologías, incluidos sistemas con respaldo de batería, mecanismos de conteo mecánicos y tecnologías de retención de posición sin batería.

Por ejemplo, el codificador ABZO de Oriental Motor utiliza un sistema de posicionamiento absoluto mecánico sin batería que puede conservar la información de posición incluso después de que se interrumpa la alimentación.

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

Codificador doble + retroalimentación absoluta multivuelta adecuada → Posible reducción o eliminación del posicionamiento inicial convencional

en vez de:

Codificador doble → Elimina automáticamente el posicionamiento inicial

¿Pueden los codificadores duales mejorar la seguridad funcional de los robots?

Sí, pero hay que hacer una distinción importante:

El uso de dos codificadores no implica automáticamente redundancia en materia de seguridad funcional.

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

La ventaja de la retroalimentación dual en aplicaciones relacionadas con la seguridad radica en que el controlador puede comparar dos mediciones de posición diferentes.

Por ejemplo:

Posición del codificador del motor ≠ Posición del codificador de la articulación

puede indicar:

• Fallo del codificador

• Fallo de la transmisión mecánica

• Daño del reductor

• Problemas con el eje o el acoplamiento

• Desplazamiento mecánico inesperado

• Errores de comunicación o de señal

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

La norma IEC 61800-5-3 trata sobre los codificadores relacionados con la seguridad, mientras que la norma IEC 61800-5-2 abarca las funciones relacionadas con la seguridad en los sistemas de accionamiento eléctrico.

Por lo tanto, la afirmación técnicamente correcta es:

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

¿Qué relación guardan los codificadores duales con las normas de seguridad funcional?

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

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

Las normas pertinentes 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 los sistemas de accionamiento de potencia, incluidas funciones como la desconexión segura del par (STO, por sus siglas en inglés) y otras funciones de seguridad relacionadas con el accionamiento.

IEC 61800-5-3

Establece los requisitos para los codificadores relacionados con la seguridad que se utilizan en aplicaciones de seguridad funcional.

EN ISO 13849-1

Aborda los aspectos de seguridad de los sistemas de control y define los niveles de rendimiento (PL).

ISO 10218-1:2025

Especifica los requisitos de seguridad para los sistemas de robots industriales.

ISO 10218-2:2025

Aborda los requisitos de seguridad para aplicaciones de robots industriales y células robóticas.

La clave reside en que un codificador dual puede formar parte de una arquitectura de retroalimentación relacionada con la seguridad, pero el número de codificadores por sí solo no determina el nivel de seguridad final.

Deben tenerse en cuenta la arquitectura del sistema, la cobertura de diagnóstico, la respuesta a fallos, la protección contra fallos de causa común y la validación.

Articulaciones robóticas con codificador doble frente a codificador simple

La elección entre un codificador simple y un codificador doble depende de la aplicación.

Características Codificador simple Codificador doble

Retroalimentación de posición del motor Sí Sí

Retroalimentación directa de la posición de salida Normalmente no Sí

Supervisión de errores de transmisión Limitada Mejorada

Control de doble bucle Limitado Sí

Compensación de errores del reductor Limitada Mejorada

Posición absoluta de múltiples vueltas Depende del codificador Depende del codificador

Verificación cruzada de fallas Limitada Mejorada

Complejidad del sistema Menor Mayor

Costo Menor Mayor

Adecuado para juntas de alto rendimiento. Depende de la aplicación. Gran ventaja.

Un solo codificador puede ser suficiente para articulaciones de robots sensibles al costo o sistemas donde la precisión de transmisión ya es adecuada.

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

¿Por qué no se utilizan codificadores duales en todas las articulaciones de los robots?

Si los codificadores duales proporcionan información adicional, ¿por qué no utilizarlos en todas partes?

La respuesta es la complejidad del sistema.

Agregar un codificador de salida aumenta:

• Costo de la lista de materiales

• Complejidad de la integración mecánica

• Requisitos de cableado

• Requisitos de diseño de compatibilidad electromagnética (CEM)

• Requisitos de calibración

• Complejidad del controlador

• Requisitos de diagnóstico

• Requisitos de montaje

El codificador de salida también puede ser sensible a errores de instalación mecánica.

La excentricidad del codificador, la desviación 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 la mayor cantidad de sensores posible.

El objetivo es utilizar la arquitectura de retroalimentación adecuada para lograr el rendimiento requerido en las articulaciones del robot.

Arquitectura típica de articulación de robot con codificador dual

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

Retroalimentación del lado del motor

El codificador del lado del motor admite principalmente:

Conmutación

Control orientado al campo (FOC)

Control de corriente y velocidad

Retroalimentación de la posición del motor

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

Retroalimentación del lado articular

El codificador del lado de la articulación proporciona principalmente:

• Posición articular real

• Retroalimentación de la posición de salida

• Monitorización de errores de transmisión

• Monitoreo del estado mecánico

Debido a que se instala después del reductor, proporciona información que no se puede obtener directamente del codificador 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 ciclo de retroalimentación más completo para la articulación del robot.

Los codificadores duales ofrecen mucho más que una mayor precisión.

La razón más importante para utilizar dos codificadores no es simplemente aumentar la resolución del codificador.

Se trata de hacer que el objetivo de medición sea más completo.

Un único codificador mide principalmente:

• Motor

• Un sistema de doble codificador mide:

• Motor + Junta

Esto permite que el sistema de control distinga entre el movimiento del motor y el movimiento real de las articulaciones.

Esa distinción es particularmente valiosa cuando la articulación del robot incluye un reductor de precisión de alta relación, como un accionamiento armónico o un reductor RV.

¿Cuándo se debe utilizar una articulación robótica con codificador dual?

Vale la pena considerar una arquitectura de codificador dual cuando la articulación del robot requiere una o más de las siguientes características:

Posicionamiento de alta precisión de las articulaciones

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

Compensación de errores de transmisión

Cuando sea necesario medir y compensar los errores de los reductores y de la transmisión mecánica.

Control de movimiento avanzado

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

Posicionamiento absoluto de múltiples vueltas

Cuando el robot necesita conservar la información de la posición de las articulaciones después de un corte de energía.

Diagnóstico basado en la posición

Cuando es necesario comparar continuamente las posiciones del lado del motor y del lado de la articulación para detectar un comportamiento mecánico anormal.

Arquitectura de seguridad funcional

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

¿Por qué es importante la retroalimentación del codificador dual para los actuadores robóticos de próxima generación?

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

La estructura tradicional:

Motor + Reductor + Codificador

está evolucionando cada vez más hacia:

Motor + Codificador de motor + Reductor de precisión + Codificador de articulación + Controlador

El cambio fundamental no consiste simplemente en la adición de otro sensor.

Se trata de la transición desde la estimación de la posición de la articulación a partir del movimiento del motor hasta la medición directa del estado real de la articulación.

En el caso de las articulaciones robóticas que utilizan reductores armónicos, esta distinción puede ser especialmente importante. Los reductores de precisión ofrecen altas relaciones de reducción, alta densidad de par y estructuras mecánicas compactas, pero el rendimiento final de la articulación sigue viéndose afectado por errores de transmisión, rigidez torsional, efectos térmicos, tolerancias mecánicas y cargas externas.

Una arquitectura de doble codificador permite al controlador acceder 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

• Monitoreo conjunto del estado

• Control de movimiento de doble bucle

• Control avanzado del movimiento del robot

• Arquitecturas de seguridad funcional seleccionadas

En otras palabras, un codificador dual no es simplemente “un sensor más”.

Esto crea una cadena de retroalimentación de entrada-transmisión-salida más completa dentro de la articulación del robot.

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