1. 引言
在机器人关节模组的设计中，编码器的选择至关重要，尤其是对于直线关节模组。直线关节的位置计算公式为：位置 = 零点 + 导程 × 圈数。这意味着，机器人上电后必须能够立即获知关节的绝对位置，这就要求编码器具备多圈掉电不丢失的能力。目前市面上主流的方案主要有四种，每种方案在成本、精度、体积和可靠性上各有优劣。
2. 四种多圈掉电不丢失方案对比
2.1 方案一：磁编码器 + 电池备份（电池式多圈）
该方案通过一颗纽扣电池（如 CR2032）为编码器内部的计数电路持续供电，在系统断电后仍能记录电机转过的圈数。上电后，编码器直接输出绝对位置，无需回零。
优势：
- 成本较低，技术成熟，实现简单。
- 多圈计数范围大，理论上不受机械限位。
- 体积小，易于集成到紧凑的关节模组中。
劣势：
- 电池寿命有限，需要定期更换，维护成本高。
- 电池在低温环境下性能下降，影响可靠性。
- 存在电池接触不良或耗尽导致位置丢失的风险。
代表厂家：多摩川（Tamagawa）、海德汉（Heidenhain）的部分增量式编码器配合外部电池方案，以及国内众多伺服电机厂商（如汇川技术、禾川科技）的绝对值编码器选配方案。近期，在机器人展表现亮眼的北京金刚科技，其电池多圈磁编码器也是市场上选择较多的型号之一，多数直线关节厂家的首选方案。
2.2 方案二：机械多圈编码器（齿轮组/蜗轮蜗杆）
该方案通过内部精密的齿轮组或蜗轮蜗杆结构，将主轴的旋转圈数机械地传递给多圈码盘。即使完全断电，机械结构也会保持圈数位置，上电后直接读取绝对位置。
优势：
- 真正意义上的掉电不丢失，无需电池，可靠性极高。
- 不受温度、电磁干扰影响，环境适应性强。
- 长期免维护，适合工业级应用。
劣势：
- 机械结构复杂，体积较大，重量增加。
- 成本较高，精度受齿轮间隙影响。
- 多圈计数范围受齿轮减速比限制，通常为几十到几百圈。
代表厂家：海德汉（Heidenhain）的 ROC/ROQ 系列、多摩川（Tamagawa）的机械多圈绝对值编码器，以及堡盟（Baumer）的机械多圈产品线。多数知名大厂的机器人，都有该机械多圈的方案，如XP、XM等机器人上使用的直线关节模组。
2.3 方案三：韦根传感器供电的多圈编码器（能量采集式）
该方案利用韦根（Wiegand）效应，在编码器轴旋转时，通过韦根传感器产生微弱的脉冲电能，为多圈计数电路供电并累加计数。断电后无需外部电源，依靠旋转产生的能量维持计数状态。
优势：
- 无需电池，免维护，绿色环保。
- 结构相对简单，体积比机械多圈小。
- 计数范围大，可达到数千圈。
劣势：
- 技术门槛较高，成本介于电池式和机械式之间。
- 需要轴旋转才能产生能量，若长期静止后断电，计数电路可能因无能量补充而丢失数据（需配合非易失存储）。
- 对低速或微动场景的计数可靠性要求较高。
代表厂家：西克（SICK）的 AFS/AFM 系列、堡盟（Baumer）的部分高端多圈编码器，以及国内少数头部编码器企业（如长春禹衡光学）的研发方向。
2.4 方案四：基于非易失存储（NVRAM/FRAM）的电子多圈编码器
该方案在编码器内部集成非易失性存储器（如 FRAM 铁电存储器），系统断电瞬间，由电容储存的余电将当前圈数写入存储器。上电后从存储器读取圈数，恢复绝对位置。
优势：
- 无需电池，免维护，可靠性高。
- 写入速度快，寿命长（FRAM 可擦写次数极高）。
- 体积小，适合紧凑型关节模组。
劣势：
- 断电瞬间需要电容提供足够的写入能量，对电源管理电路要求高。
- 若断电瞬间电压跌落过快，可能导致写入失败。
- 成本相对电池式略高。
代表厂家：海德汉（Heidenhain）的 ECI/EQI 系列（采用 EnDat 接口）、雷尼绍（Renishaw）的部分绝对式光栅产品，以及国内部分新兴编码器厂商（如精浦科技）的电子多圈方案。
2.5 方案五：磁畴壁方案（磁致伸缩/磁畴壁位移式多圈）
该方案利用磁性材料内部的磁畴壁（Domain Wall）位移来记录圈数。编码器轴旋转时，通过磁场驱动磁畴壁在磁性线材或薄膜中移动，断电后磁畴壁位置保持不变，上电后通过读取磁畴壁位置即可恢复绝对圈数，无需电池和机械齿轮。
优势：
- 真正意义上的掉电不丢失，无需电池，免维护。
- 无机械磨损，结构简单，体积小，可靠性高。
- 多圈计数范围大，可达到数千甚至上万圈。
- 抗振动、抗冲击能力强，环境适应性好。
劣势：
- 技术门槛较高，目前成熟产品较少，成本偏高。
- 磁畴壁位移的读取精度受温度影响，需要温度补偿。
- 对磁性材料的稳定性和一致性要求高，量产工艺复杂。
代表厂家：目前该技术主要处于研发和早期商业化阶段，代表性企业包括法国的 Nanomade、日本的 TDK 相关研究团队，以及国内部分高校（如华中科技大学）和科研机构的磁畴壁编码器研究方向。此外，ADI（亚德诺半导体）推出的 ADMT4000 编码器芯片，也代表了磁传感技术在多圈绝对位置检测领域的重要进展。随着该技术的推广，越来越多的关节模组厂家开始出货该方案，如XJ，SL等。
3. 总结与选型建议
综合来看，四种方案各有千秋，选型需结合具体应用场景：
| 方案 | 免维护 | 成本 | 体积 | 可靠性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 电池式多圈 | 否（需换电池） | 低 | 小 | 中 | 消费级、协作机器人 |
| 机械多圈 | 是 | 高 | 大 | 极高 | 工业机器人、重载关节 |
| 韦根能量采集 | 是 | 中高 | 中 | 高 | 高端工业、户外设备 |
| 电子多圈（FRAM） | 是 | 中 | 小 | 高 | 精密关节、医疗机器人 |
| 磁畴壁方案 | 是 | 高 | 小 | 极高 | 高端工业、机器人、航空航天 |
对于直线关节模组而言，若追求极致可靠性和免维护，机械多圈或韦根方案是首选；若成本敏感且维护方便，电池式方案仍具竞争力；而电子多圈方案则在体积、成本和可靠性之间取得了较好的平衡，是未来发展的主流趋势。值得注意的是，今年开始，多家关节模组厂商已经上市了磁畴壁方案，标志着这一技术正从研发走向商业化落地，值得持续关注。
下期，我们将重点介绍磁畴壁方案，希望大家到时候关注，谢谢！~
