近期人形機器人的話題火熱，其中對應到自動化行業(yè)，就有人形機器人部件編碼器大熱的話題。編碼器行業(yè)也有很多朋友來問我并討論，哪一種編碼器可能會成為人形編碼器的熱點爆發(fā)?事實上就像無人駕駛的激光雷達與視覺都還在爭論到現(xiàn)在沒有定論，我還無法肯定究竟是哪一種編碼器能得到人形機器人的首選。

反射型光編?扇形磁編?電容式編碼器(在無人機中曾經(jīng)熱過)、以及現(xiàn)在熱起來的電感式編碼器等等，究竟會用哪一種編碼器呢，實際上取決于人形機器人對于關節(jié)傳感器的結構要求，以及編碼器最重要的兩個方向——精度與可靠性，及結構安裝可行性和較為經(jīng)濟的使用成本。

其中電感式編碼器借助人形機器人熱點，最近在宣傳上也是很熱鬧。人形機器人真的會大量落地進入家庭嗎?這要取決于最終成熟產(chǎn)品的精度與可靠性。試想一臺人形機器人據(jù)介紹大約有51個關節(jié)執(zhí)行器，如果沒有編碼器的精度與可靠性，你敢買回來放家里玩嗎?是養(yǎng)一個藥罐子呢，還是養(yǎng)一個“二哈”一樣的闖禍胚子在家里呢?好玩又不敢玩。

那么電感式編碼器是否能成為人形編碼器的首選嗎，就取決于電感編碼器的效果精度與效果可靠性究竟如何?

德國海德漢的電感雙編碼器，圖片來自海德漢公眾號，致謝!

電感編碼器原理

電感是電流閉合回路的一種屬性，是一個物理量L。當線圈通過電流后，在線圈中形成磁場感應，處于感應磁場中的導體，例如金屬體中又會產(chǎn)生感應電流，來抵制通過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關系，稱為電的感抗，也就是電感L。

電感計算公式：L=μ×Ae*N^2/ l

其中：L表示電感量、μ表示磁心的磁導率、Ae表示磁心的截面積、N表示線圈源的匝數(shù)、l表示磁心的磁路長度。

假如處于感應磁場中的導體是一個平面金屬體，并垂直于線圈方向，金屬體感應電流就像一個漩渦，稱為感應電渦流。感應電渦流又會再產(chǎn)生一個被動感應磁場。

電感傳感器就是去感知后面發(fā)生的這個被動產(chǎn)生的感應磁場。電感接近開關，電感距離傳感器，電感面積傳感器等等。

電感編碼器的設計原理是感應面積的變化對應計算角度。在電感編碼器的轉動部分即轉子上，可以設計有圖形的電極板，在角度旋轉變化中，電渦流變化而被感應，計算感應到的信息及與電極圖形比較，以此推算出編碼器旋轉的角度值。

其中，在編碼器定子電路板上設計有一個發(fā)送固定高周波信號(大于100KHz)，產(chǎn)生一個交變的磁場，在磁場下方有電極板(轉子)就會產(chǎn)生電渦流。

轉子電極板上的電渦流繼續(xù)產(chǎn)生一個被動的磁場，再一次被定子電路板上的兩個線圈感應到信號大小的變化。

這樣的信號變化被設計為一定的SIN/COS規(guī)律，計算相位差得到轉子角度值。

電感編碼器轉子上的電極圖案是可以多樣設計的，不同的圖案得到不同的周期性變化規(guī)律

轉子感應電渦流有幾組，圖中分布只是示意圖，實際分布圖是一個編碼設計圖形。

德國海德漢公司的電感編碼器—取自海德漢公眾號圖片。

電感編碼器感應的被動磁場電渦流信號是很微弱的，需要信號放大電路的矯正放大，并換算出角度值，這將由一顆專用設計的電感編碼器芯片完成，此又類似于磁編芯片了。

芯片技術ADC模擬信號處理技術，算法與響應精度，時間抖動克服，等等，似乎我們又回到了磁編芯片走過的過程。

電感編碼器的精度和可靠性的揣測

我要坦誠而言，我對電感編碼器還沒有過實踐經(jīng)驗，僅從其電感編碼器的原理分析，去揣測推算它的精度與可靠性難點。真實情況還需要有實踐者的答案，實踐是檢驗真理的唯一標準。

從電感編碼器的工作原理看，從初級線圈發(fā)出感應的磁場——轉子金屬電極電渦流——被動磁場發(fā)生并再次感應——定子次級線圈的小信號放大，這四個過程不僅僅是有晶振的時鐘精度，還有四次的模擬量信號精度的模擬電路技術。

其中，還有機械安裝精度，機械旋轉精度。

還有，轉子并不是靜止的，是在運動中的或者有抖動的，就有電渦流在其運動方向上的分量的誤差。

所以，電感編碼器不僅僅是初級線圈發(fā)送信號的精度，轉子電極板加工精度，還有多次的模擬電路信號技術。一講到模擬信號技術，我要告訴大家，模擬信號的高精度技術遠遠比數(shù)字電路技術復雜與高難度的，需要高精度實驗室儀器，這是我們的短板。

主動發(fā)送線圈，處于磁場中感應的金屬體，被動感知線圈，這三個部分還有一個機械安裝與運動精度。在高速旋轉中的旋轉方向帶給轉子的電渦流的方向性分量誤差。

然后還要取決于這顆專用電感器編碼器芯片的模擬信號處理技術。

總之，電感編碼器的每一道工藝，都需要有很好的科學儀器的測量與工藝過程控制，才能有較好的精度保證。并且基礎的材料學和長期的科學實驗室經(jīng)驗積累。

電感編碼器的可靠性分析：

電感編碼器的特征是線圈高周波發(fā)生器和電渦流感應，模擬量小信號放大整理技術，這似乎對于設計的EMI有比較高的要求，對于電路設計寬容度以避免電氣損壞有較高的要求。個人感覺可能對于同為高周波的電氣干擾是可靠性的死穴，設計中應有屏蔽，避免自激損壞。

前面我們設想是電感編碼器可能會大量用于人形機器人上。我最近看到了海德漢用于機器人電感編碼器，推出了雙編碼器的概念：

“海德漢KCI 120 Dplus雙編碼器一體雙能，提供電機反饋和位置測量功能。為實現(xiàn)這兩個功能，此編碼器采用一個讀數(shù)頭和兩個獨立的感應式掃描碼盤。在齒輪箱的后方測量軸位置，補償多關節(jié)、高動態(tài)性能機器人無法避免的誤差。”——海德漢文字介紹

為什么需要雙編碼器?那么還有視覺傳感器能否取代電感雙編碼器?

思考，人形機器人究竟是干什么用的?

科技向善是為人類的進步的。所謂人形機器人，就是有雙腳雙手的像人一樣的做動作，因為那些為我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N環(huán)境設計，都是對人的運動性設計的，所以我認為人形機器人的目標市場并不是在車間生產(chǎn)線上，也不是手術機器人，也不是家庭中學習娛樂功能，那些并不需要有人形那樣的雙腳與雙手這么復雜的設計，就可以完成預設任務。那么，人形機器人就是要進入到人的家庭的日常生活，去幫助人干活去的。

也就是說，機械運動是要像人一樣的，利用原來為人設計的那些環(huán)境和完成任務。因此，人形機器人的機械運動的精度與可靠性是人形機器人最重要的參數(shù)， 51個關節(jié)，不可靠性的概率就是級數(shù)增加的，人形機器人每一個動作都需要由多個關節(jié)執(zhí)行器的配合完成，假如沒有精度，就要像老太太穿針引線般的沒有了工作效率。

人形機器人每一個動作都要有多個關節(jié)執(zhí)行器的配合，就需要有獨立于電機的感知坐標系并相互間通訊同步，這就是運動軌跡外部的坐標系。電機上的第一編碼器是運動軌跡，機械末端的第二編碼器就是獨立于電機的坐標系，觀察多個電機的運動軌跡，怎么可能只用自己的電機自己看自己，而沒有外部的參考坐標呢?第二編碼器的真正作用，是多個執(zhí)行器感知的可靠性，多個執(zhí)行器信號聯(lián)通同步的可靠性。

不僅僅是需要雙編碼器，人形機器人還需要對目標任務的視覺感知、自學習記憶的比較，并對動作修正補償。

優(yōu)質傳感器的大量使用，并且要有精度與可靠性的保證，才會有人形機器人可能的發(fā)展，并能否真正落地進入到家庭中大量推廣的保證。真需求還是偽需求，在于是否能真心科技向善的是為了人。做好產(chǎn)品可靠性就是這個“善”。

產(chǎn)品的精度與可靠性，需要有基礎材料學、高精度科學儀器及長期的實踐時間積累，還有一顆專用的電感編碼器芯片技術。電感編碼器是否能夠勝任，我還沒有答案，答案或許在上面找并思考中，或許會爭論很久。