Pourquoi les modules de joints robotisés utilisent-ils deux codeurs ?

Les articulations robotiques à double codeur jouent un rôle de plus en plus important dans la robotique de haute performance. Mais l'ajout d'un deuxième codeur ne se résume pas à l'installation d'un capteur supplémentaire.

Le véritable objectif est de répondre à deux questions différentes :

De combien le moteur a-t-il bougé ?

et

De combien l'articulation du robot a-t-elle réellement bougé ?

Dans un module d'articulation robotique composé d'un moteur couple sans carter, d'un réducteur de précision, d'un codeur et d'une bride de sortie, le codeur côté moteur mesure avec précision la position et la vitesse du moteur. Cependant, la sortie réelle de l'articulation peut être affectée par des erreurs de transmission, des déformations torsionnelles, des frottements, des dérives thermiques, des tolérances d'assemblage et des variations de charge externe.

C’est pourquoi une articulation robotique à double codeur offre une architecture de retour d’information plus complète. Un codeur surveille le moteur, tandis que l’autre mesure la sortie de l’articulation. Ensemble, ils permettent au contrôleur d’observer à la fois la dynamique du moteur et la position réelle de l’articulation.

Qu'est-ce qu'une articulation robotique à double encodeur ?

L'architecture typique d'un double encodeur articulaire de robot peut être simplifiée comme suit :

Moteur → Encodeur côté moteur → Réducteur de précision → Encodeur côté sortie → Sortie commune

L'encodeur côté moteur est installé près du rotor ou de l'arbre d'entrée du moteur. Il fournit principalement un retour d'information à haute vitesse pour la commutation du moteur, la commande vectorielle (FOC), la régulation de vitesse et l'estimation de l'état du moteur.

L'encodeur côté sortie, également appelé encodeur côté articulation, est installé après le réducteur et mesure la position angulaire réelle de l'articulation du robot.

Cette architecture est généralement décrite comme :

• Encodeur double

• Double rétroaction

• Contrôle à double boucle

• Retour d'information côté moteur et côté articulation

Les deux codeurs n'ont pas nécessairement besoin d'utiliser la même technologie. Selon l'application, une articulation de robot peut utiliser des codeurs incrémentaux, des codeurs absolus monotours ou des codeurs absolus multitours.

Pourquoi un codeur côté moteur ne suffit-il pas ?

Dans une articulation robotique classique à encodeur unique, l'encodeur est généralement installé du côté du moteur.

Le contrôleur connaît la position du moteur et calcule la position de sortie théorique en fonction du rapport de réduction :

θout ≈ θmotor / N

où N est le taux de réduction.

Cette approche fonctionne bien lorsque le système de transmission peut être considéré comme suffisamment rigide et prévisible.

Cependant, une véritable articulation de robot ne constitue pas un système de transmission rigide idéal.

Le réducteur peut introduire une erreur de transmission, tandis que les composants flexibles peuvent se déformer sous charge. Les roulements, les accouplements et les brides de sortie peuvent également engendrer de légères déviations mécaniques. Les variations de température peuvent par ailleurs affecter la structure mécanique et les mesures de l'encodeur.

Par conséquent:

Position articulaire calculée ≠ Position articulaire réelle

Cette différence est l'une des principales raisons pour lesquelles les codeurs côté sortie sont utilisés dans les articulations de robots hautes performances.

Un codeur secondaire peut fournir un retour d'information supplémentaire pour identifier et compenser les erreurs de transmission, notamment dans les articulations de robots affectées par la flexibilité, le jeu, le frottement et d'autres perturbations mécaniques.

L'avantage principal des encodeurs doubles : mesurer ce qui se passe après le réducteur

Le concept le plus important derrière un actionneur à double codeur est simple :

L'encodeur côté moteur mesure le côté entrée de la transmission.

L'encodeur côté sortie mesure la sortie articulaire réelle.

Le contrôleur peut alors comparer les deux signaux de retour et identifier les différences entre le mouvement du moteur et le mouvement de l'articulation.

Par exemple, le moteur peut pivoter jusqu'à la position commandée alors que la bride de sortie est encore légèrement déplacée en raison d'une déformation de torsion, d'une erreur de transmission ou d'un comportement mécanique dépendant de la charge.

Un système à encodeur unique peut supposer :

Le moteur a atteint la position commandée, donc l'articulation a atteint la position commandée.

Un système à double encodeur peut identifier :

Le moteur a atteint la position commandée, mais la sortie articulaire présente toujours une erreur de position.

C’est là l’un des avantages fondamentaux de la rétroaction à double boucle dans les modules articulaires des robots.

1. Améliorer le contrôle de la position des articulations du robot

L'un des principaux avantages d'une architecture à double encodeur est que la boucle de position peut utiliser le retour d'information de la sortie articulaire réelle.

Dans un système de rétroaction classique côté moteur, le contrôleur de position observe principalement la position du moteur.

Grâce à la double rétroaction, l'architecture de contrôle peut séparer les deux fonctions :

Encodeur moteur → Commande de moteur

Encodeur de sortie → Retour d'information sur la position articulaire

Cela permet au contrôleur de réguler non seulement le moteur, mais aussi la position de sortie réelle après le réducteur.

Cette architecture est particulièrement utile pour :

• articulations robotiques de haute précision

• robots collaboratifs

• Actionneurs de robots humanoïdes

• systèmes de mouvement de précision

• axes rotatifs CNC

• servomécanismes haute performance

Pour les applications nécessitant un suivi précis de la trajectoire, le retour d'information sur la position côté sortie peut contribuer à réduire l'influence des erreurs liées à la transmission sur la position finale de l'articulation.

2. Mesurer et compenser l'erreur de transmission du réducteur

Une idée fausse courante est qu'un double encodeur peut simplement « éliminer le jeu ».

Ce n'est pas techniquement exact.

Un joint robotisé à double codeur n'élimine pas mécaniquement le jeu. En revanche, le second codeur permet au système de commande de mesurer la différence entre le mouvement côté moteur et le mouvement côté sortie, et de compenser une partie de l'erreur de transmission grâce à des algorithmes de commande.

Selon le réducteur et sa conception mécanique, les sources d'erreur pertinentes peuvent inclure :

• Erreur de transmission

• Déformation torsionnelle

• Hystérèse

• Friction

• Déformation élastique

• Erreur d'assemblage

• Dérive thermique

En comparant les retours de position côté moteur et côté articulation, le contrôleur peut construire un modèle d'erreur et appliquer une compensation en fonction de la position, de la direction, de la vitesse, de la charge et d'autres conditions de fonctionnement de l'articulation.

Par conséquent, une description plus précise est :

Les deux encodeurs permettent la mesure et la compensation des erreurs de transmission.

Plutôt que :

Les doubles encodeurs éliminent le jeu.

Cette distinction est importante lors de l'évaluation des performances réelles d'une articulation robotisée à entraînement harmonique ou d'un autre actionneur de précision à réducteur.

3. Améliorer le retour d'information sur la position articulaire réelle

Une résolution élevée de l'encodeur n'implique pas automatiquement une précision de positionnement élevée du robot.

Il convient de distinguer clairement trois concepts techniques :

Résolution

La résolution décrit le plus petit incrément de position qu'un encodeur peut distinguer.

Par exemple, un encodeur monotour 23 bits fournit :

2²³ = 8 388 608 tours par tour

L'incrément angulaire théorique est approximativement :

0,154 seconde d'arc par comptage

Cependant, il s'agit de la résolution de l'encodeur, et non de la précision de positionnement globale de l'articulation du robot.

Précision

La précision décrit la correspondance entre la position mesurée et la position physique réelle.

Répétabilité

La répétabilité décrit la constance avec laquelle le système revient à la même position lorsque le même mouvement est répété.

Donc:

Haute résolution de l'encodeur ≠ Haute précision du système

Les performances finales d'une articulation robotisée dépendent du système complet, notamment de la précision de l'encodeur, de l'erreur de transmission du réducteur, du faux-rond des roulements, de la rigidité mécanique, des effets thermiques, de l'étalonnage et des algorithmes de contrôle.

C’est pourquoi le retour d’information du double encodeur doit être évalué dans le cadre de l’architecture complète de commande de mouvement plutôt que par le seul nombre de bits de l’encodeur.

4. Dissocier le mouvement moteur du mouvement articulaire réel

Il s'agit là d'un autre avantage important de l'architecture à double encodeur des articulations robotiques.

Prenons l'exemple d'une articulation de robot utilisant un rapport de réduction de 100:1.

Le moteur peut effectuer une rotation sur un angle relativement important tandis que l'articulation de sortie ne tourne que d'une petite fraction de cet angle.

Dans le même temps, le réducteur et la structure mécanique peuvent se déformer légèrement en fonction des variations de la charge externe.

Le contrôleur peut donc calculer une position articulaire théorique à partir du codeur moteur, mais celle-ci ne représente pas nécessairement la position de sortie réelle.

Le codeur de sortie fournit un retour d'information direct du côté de l'articulation.

Le système de contrôle peut donc observer deux états différents :

Dynamique des moteurs

et

Dynamique articulaire

Cette distinction devient de plus en plus importante dans les mouvements de robots à grande vitesse, les changements de charge dynamiques et le contrôle de trajectoire de haute précision.

Les encodeurs doubles peuvent-ils empêcher la perte de position après une coupure de courant ?

La réponse est :

Ils peuvent aider, mais les doubles encodeurs à eux seuls n'éliminent pas automatiquement le problème de retour à l'origine.

La capacité d'une articulation de robot à conserver sa position après une coupure de courant dépend principalement du type d'encodeur et du mécanisme de maintien de position multi-tours.

Encodeur incrémental

Un codeur incrémental ne conserve généralement pas les informations de position absolue après une coupure de courant et peut nécessiter une procédure de référence ou de mise à l'origine.

Encodeur absolu à un seul tour

Un codeur absolu à un seul tour peut identifier la position angulaire en une révolution, mais il ne fournit pas à lui seul des informations de position multi-tours illimitées.

Encodeur absolu multitours

Un codeur absolu multitours peut fournir à la fois la position d'un tour unique et la position rotationnelle cumulée sur plusieurs révolutions.

La rétention de position multi-tours peut être mise en œuvre à l'aide de différentes technologies, notamment les systèmes à batterie, les mécanismes de comptage mécaniques et les technologies de rétention de position sans batterie.

Par exemple, l'encodeur ABZO d'Oriental Motor utilise un système de position absolue mécanique sans batterie qui peut conserver les informations de position après une coupure de courant.

Par conséquent, la relation d'ingénierie se décrit mieux comme suit :

Double encodeur + Retour d'information absolu multitours approprié → Retour à l'origine conventionnel potentiellement réduit ou éliminé

plutôt que :

Double encodeur → Élimine automatiquement le retour à l'origine

Les encodeurs doubles peuvent-ils améliorer la sécurité fonctionnelle des robots ?

Oui, mais une distinction importante doit être faite :

Deux encodeurs n'impliquent pas automatiquement une redondance fonctionnelle en matière de sécurité.

Si deux codeurs sont simplement connectés à un contrôleur conventionnel sans diagnostics appropriés, détection de défauts et architecture de sécurité, le système ne peut pas automatiquement prétendre aux niveaux PL d, PL e, SIL 2 ou SIL 3.

L'intérêt du double retour d'information dans les applications liées à la sécurité réside dans la possibilité pour le contrôleur de comparer deux mesures de position différentes.

Par exemple:

Position de l'encodeur moteur ≠ Position de l'encodeur articulaire

peut indiquer :

• Défaillance de l'encodeur

• panne de transmission mécanique

• Dégâts du réducteur

• Problèmes d'arbre ou d'accouplement

• Déplacement mécanique inattendu

• erreurs de communication ou de signalisation

Le système de contrôle peut alors détecter l'anomalie et exécuter une réponse appropriée en cas de panne.

La norme IEC 61800-5-3 traite des codeurs liés à la sécurité, tandis que la norme IEC 61800-5-2 couvre les fonctions liées à la sécurité des systèmes d'entraînement de puissance.

Par conséquent, l'énoncé techniquement correct est :

Les encodeurs doubles peuvent prendre en charge une architecture de sécurité fonctionnelle, mais la capacité PL ou SIL finale dépend du système complet lié à la sécurité, des diagnostics, de l'architecture et de la validation.

Quel est le lien entre les encodeurs doubles et les normes de sécurité fonctionnelle ?

La sécurité fonctionnelle d'une articulation de robot n'est pas déterminée par un seul codeur.

Il repose sur le système de contrôle complet relatif à la sécurité.

Les normes pertinentes peuvent inclure :

CEI 61508

Fournit le cadre général de la sécurité fonctionnelle et des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL).

CEI 61800-5-2

Définit les fonctions liées à la sécurité des systèmes d'entraînement de puissance, y compris des fonctions telles que Safe Torque Off (STO) et d'autres fonctions de sécurité liées à l'entraînement.

CEI 61800-5-3

Définit les exigences relatives aux codeurs de sécurité utilisés dans les applications de sécurité fonctionnelle.

EN ISO 13849-1

Aborde les aspects liés à la sécurité des systèmes de contrôle et définit les niveaux de performance (PL).

ISO 10218-1:2025

Spécifie les exigences de sécurité pour les systèmes de robots industriels.

ISO 10218-2:2025

Répond aux exigences de sécurité pour les applications de robots industriels et les cellules robotisées.

L'essentiel est qu'un double encodeur peut faire partie d'une architecture de rétroaction liée à la sécurité, mais que le nombre d'encodeurs à lui seul ne détermine pas le niveau de sécurité final.

L'architecture système, la couverture diagnostique, la réponse aux pannes, la protection contre les défaillances de cause commune et la validation doivent toutes être prises en compte.

Articulations de robot à double encodeur vs. à encodeur unique

Le choix entre un encodeur simple et un encodeur double dépend de l'application.

Fonctionnalité Encodeur simple Encodeur double

Retour d'information sur la position du moteur Oui Oui

Retour d'information direct sur la position de sortie Généralement non Oui

Surveillance des erreurs de transmission limitée et améliorée

Contrôle à double boucle Limité Oui

Compensation d'erreur du réducteur limitée améliorée

Position absolue multitours Dépend de l'encodeur Dépend de l'encodeur

Vérification croisée des défauts améliorée limitée

Complexité du système Faible Supérieure

Coût inférieur plus élevé

Adapté aux articulations hautes performances. Dépend de l'application. Avantage majeur.

Un seul encodeur peut suffire pour les articulations ou les systèmes robotiques sensibles aux coûts, où la précision de transmission est déjà adéquate.

Une architecture à double encodeur devient plus intéressante lorsque l'application requiert des performances de positionnement élevées, une compensation des erreurs de transmission, un contrôle de mouvement avancé ou des diagnostics de position supplémentaires.

Pourquoi les doubles encodeurs ne sont-ils pas utilisés dans toutes les articulations des robots ?

Si les encodeurs doubles fournissent un retour d'information supplémentaire, pourquoi ne pas les utiliser partout ?

La réponse réside dans la complexité du système.

L'ajout d'un encodeur de sortie augmente :

• coût de la nomenclature

• Complexité de l'intégration mécanique

• exigences de câblage

• exigences de conception CEM

• exigences d'étalonnage

• Complexité du contrôleur

• Exigences diagnostiques

• exigences d'assemblage

L'encodeur côté sortie peut également être sensible aux erreurs d'installation mécanique.

L'excentricité de l'encodeur, le faux-rond de l'arbre, la déformation de la bride et les erreurs d'accouplement peuvent tous influencer la position de sortie mesurée.

L’objectif n’est donc pas d’installer le plus grand nombre de capteurs possible.

L'objectif est d'utiliser l'architecture de rétroaction appropriée pour obtenir les performances articulaires requises du robot.

Architecture typique d'articulation de robot à double encodeur

Une articulation robotique haute performance peut être comprise comme trois couches de rétroaction principales.

Retour d'information côté moteur

L'encodeur côté moteur prend principalement en charge :

Commutation

Commande vectorielle (FOC)

Contrôle du courant et de la vitesse

Retour d'information sur la position du moteur

Le retour d'information doit être suffisamment rapide et stable pour permettre une commande dynamique du moteur.

Retour d'information côté articulation

L'encodeur côté joint assure principalement :

• Position conjointe réelle

• Retour de position de sortie

• Surveillance des erreurs de transmission

• surveillance de l'état mécanique

Comme il est installé après le réducteur, il fournit des informations qui ne peuvent pas être obtenues directement à partir du codeur côté moteur.

Contrôleur

Le contrôleur combine les deux sources de retour d'information :

• Position du moteur → État du moteur

• Position de sortie → État articulaire

• Différence de position → Informations sur les erreurs de transmission et mécaniques

Cela crée une boucle de rétroaction plus complète pour l'articulation du robot.

Les doubles encodeurs ne se résument pas à une précision accrue.

La raison la plus importante d'utiliser deux encodeurs n'est pas simplement d'augmenter la résolution de l'encodeur.

Il s'agit de rendre l'objectif de mesure plus complet.

Un seul encodeur mesure principalement :

• Moteur

• Un système à double encodeur mesure :

• Moteur + Articulation

Cela permet au système de contrôle de faire la distinction entre le mouvement du moteur et le mouvement réel de l'articulation.

Cette distinction est particulièrement précieuse lorsque l'articulation du robot comprend un réducteur de précision à rapport élevé tel qu'un réducteur harmonique ou un réducteur RV.

Quand faut-il utiliser une articulation robotique à double encodeur ?

Il est judicieux d'envisager une architecture à double encodeur lorsque l'articulation du robot nécessite une ou plusieurs des fonctionnalités suivantes :

Positionnement articulaire de haute précision

Lorsque la position finale de la sortie importe plus que la position calculée du moteur.

Compensation des erreurs de transmission

Lorsque les erreurs de réducteur et de transmission mécanique doivent être mesurées et compensées.

Contrôle de mouvement avancé

Lorsque le système de commande a besoin d'un retour d'information précis provenant à la fois du moteur et de l'articulation.

Positionnement absolu multi-tours

Lorsque le robot doit conserver les informations de position des articulations après une coupure de courant.

Diagnostic basé sur la position

Lorsque les positions côté moteur et côté articulation doivent être comparées en continu pour détecter un comportement mécanique anormal.

Architecture de sécurité fonctionnelle

Lorsque des informations de position redondantes ou vérifiées sont requises dans le cadre d'un système de contrôle complet lié à la sécurité.

Pourquoi le retour d'information à double encodeur est-il important pour les actionneurs robotiques de nouvelle génération ?

Alors que les robots collaboratifs, les robots humanoïdes et les robots industriels haute performance exigent toujours une précision accrue, une réponse plus rapide et de meilleures capacités de diagnostic, les architectures articulaires des robots deviennent plus sophistiquées.

La structure traditionnelle :

Moteur + Réducteur + Encodeur

évolue de plus en plus vers :

Moteur + Encodeur moteur + Réducteur de précision + Encodeur d'articulation + Contrôleur

Le changement fondamental ne réside pas simplement dans l'ajout d'un capteur supplémentaire.

Il s'agit du passage de l'estimation de la position articulaire à partir du mouvement du moteur à la mesure directe de l'état réel de l'articulation.

Pour les articulations robotiques utilisant des réducteurs harmoniques, cette distinction peut s'avérer particulièrement importante. Les réducteurs de précision offrent des rapports de réduction élevés, une densité de couple élevée et des structures mécaniques compactes, mais les performances finales de l'articulation restent influencées par l'erreur de transmission, la rigidité en torsion, les effets thermiques, les tolérances mécaniques et les charges externes.

Une architecture à double encodeur permet au contrôleur d'accéder aux deux côtés de la chaîne de transmission.

Cela offre une base plus solide pour :

• Contrôle de position de haute précision

• Compensation des erreurs de transmission

• Surveillance conjointe des États

• Commande de mouvement à double boucle

• Contrôle avancé des mouvements de robots

• Architectures de sécurité fonctionnelle sélectionnées

Autrement dit, un double encodeur n'est pas simplement « un capteur supplémentaire ».

Elle crée une chaîne de rétroaction entrée-transmission-sortie plus complète à l'intérieur de l'articulation du robot.

Pour les actionneurs robotiques de nouvelle génération, ce passage de l'estimation de la position articulaire à la mesure directe du comportement articulaire peut s'avérer plus précieux qu'une simple augmentation de la résolution de l'encodeur.