机器人系列：精度的艺术，一文学习什么是编码器

编码器是一种用于测量机器人位置和移动的装置，它能够将机器人位置和运动转化为数字信号，以供机器人控制系统使用。简单说，编码器是是集光、机、电技术于一体的，测量角度、速度和位置的传感器。

编码器通常由光电传感器组成，传感器检测机器人运动时的光电信号，将其转化为数字信号，然后传输给机器人控制系统。通过精确测量机器人的位置和运动，机器人编码器可以实现精确的定位、轨迹跟踪和控制，从而提高机器人的生产效率和精度。

特斯拉机器人对编码器的评价是：机巧的测量，精度的艺术。

一、编码器的分类和特点

编码器的分类：

按照技术原理，可分为磁编码器、光编码器及电感编码器等等，其中光编码器适用于高精度、高分辨率的应用，磁编码器适用于追求环境耐受性强、小型轻量、高可靠性的应用。

按照测量类型，可分为直线编码器和旋转编码器，光 栅尺是直线编码器的代表。

按照输出信号，可分为绝对式编码器和增量式编码 器。

编码器具有高精度、高分辨率、快速响应等特点，适用于工业自动化、汽车制造、机床等，包括工业机器人和人形机器人，众多需要精确位置测量的应用场景。

编码器主要应用在人形机器人的旋转、直线执行模组和灵巧手，单特斯拉 Optimus 编码器需求量 为50+，价值量约为 7500 元。

二、技术原理

1.磁编码器，利用电磁感应原理，将物理信号转换为数字信号，以实现位置和角度的测量。

磁编码器由磁性传感器、磁环和信号处理器组成。磁环是由多个磁极组成，并被固定在旋转轴上; 磁性传感器通常采用霍尔元件或磁电阻元件，能够检测磁环旋转时磁场的变化，将其转换为电信号输出；信号处理器将电信号转换为数字信号，用于表示旋转轴的位置和方向。

磁编码器结构

磁编码器具有高分辨率、高精度、高可靠性、长寿命等优点，适用于工程机械等灰尘多、油多、水多等严苛环境下的应用场景。

2.光编码器，将旋转位置信息转化为光脉冲信号以对其进行检测。

光编码器由发光元件、光敏元件及码盘 (即一个刻有规则的透光和不透光线条的圆盘 ) 组成。当安装在电机转轴上的码盘旋转时，固定住的发光元件发出的光经过码盘，产生透光和不透光的光脉冲光敏元件检测到这些光脉冲后，转换成数字信号输出。

光编码器结构

光学编码器从结构上分两种：一种是码盘夹在发光元件和光敏元件之间的“透射型”，一种是发光元件和光敏元件在同一平面，通过码盘反射光源的“反射型”。

与磁编码器相比，光编码器更容易实现高精度和高分辨率，可用于大直径电机设备等有强磁场干扰的环境

3.电感编码器，通过高频电磁感应信号的幅值或相位测量转子位置信息。

激励线圈的高频电磁场耦合到接收线圈，当编码器旋转时，编码器转子因电涡流效应产生电磁场，从而影响接收线圈的电磁场强度，使差分接收线圈的信号幅值或相位发生改变，解码电路通过放大、采集、解算、补正等程序，最终实现角度的精准测量。

电感编码器原理结构

目前根扰应用场景不同，高精度和高分辨率使用光编码器，环境高耐受、小型轻量和高可靠的应用场景，使用磁编码器。磁编码器性价比更高，光编码器适用于精度要求高的场景。

三、我国编码器的发展情况

我国编码器市场持续增长，预计到2025年有望达到33亿元的规模。

和机器人其他核心零部件产品一样，日欧编码器厂商在市场上占主导地位，国产厂商挑战较大。

以日系的多摩川(27.6%) 和欧系的海德汉 (14.3%) 为代表，凭借几十年的技术实力、研发能力以及长期积累的经验，海外龙头厂商在全球范围内享有广泛的声誉和市场份额，持续为市场提供高质量和创新性的产品。

据 MIR的行业分析报告，2022 年我国编码器市场中多摩川、海德汉西克和堡盟占据了 50%以上的市场份额，行业集中度较高，而国内厂商则受疫情和电梯需求下滑影响，同比增速低于海外龙头的成长速度。

其中，禹衡、汇通、宜科都是内资的厂家，总体的占有率不高，而且在2022年还出现了较大的负增长。

四、结语

编码器在众多智能制造领域得到广泛应用，在这个新赛道上，国内厂商还要加油啊！