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作者：Mark Howard

Mark Howard是一名具有碩士學位的合格工程師，也是位置傳感器公司Zettlex（現(xiàn)為Novanta Inc.的一部分）的聯(lián)合創(chuàng)始人兼前首席執(zhí)行官，他現(xiàn)在是科技初創(chuàng)企業(yè)的投資者。

位置傳感器是控制手術機器人運動的關鍵部件。選擇正確的位置傳感器，機器人手臂將安全、平穩(wěn)、準確和可靠地移動。如果選錯了，事情可能會變得很糟糕，對安全性、可靠性和公司聲譽都有潛在影響。

這篇簡短的文章為您提供了一位工程師在研發(fā)手術機器人過程中選用傳感器的5個技巧，他在35年的職業(yè)生涯中大部分時間都在位置傳感器業(yè)務中度過。

傳感器故障對安全的影響將是整體位置傳感或運動控制系統(tǒng)設計的最大因素?？紤]兩種類型的傳感器故障是有幫助的，第一種是操作損失（無信號輸出），第二種是不正確的操作（不正確的信號輸出）。第一種通常比第二種問題少，其特征通常是位置傳感器輸出無信號或錯誤信號。第二種情況比較復雜，因為傳感器似乎運行正常，但輸出的信號不正確。第一種，故障對安全沒有影響;在第二種情況下，故障可能導致安全隱患。

在某些與安全相關的應用中，通過某種形式的內(nèi)置測試可以達到可接受的獨立性水平。例如，檢查執(zhí)行器的位置傳感器輸出是否在其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的合理范圍內(nèi)。在某些與安全相關的步驟和所有安全關鍵步驟中，需要有一些冗余元素。換句話說，至少兩個獨立的傳感器輸出，只有當傳感器輸出在定義的范圍內(nèi)時，機器人運動才會繼續(xù)進行。當然，在您的設計中安裝兩個傳感器將產(chǎn)生很大的影響，因此請務必從一開始就知道是否需要冗余方法。

一個常見的錯誤是指定測量性能過高的位置傳感器，或者相反，指定性能過低的位置傳感器。首先，成本將過高，其次，機器人的性能將永遠無法滿足要求。了解真正的需求是關鍵，您需要了解有關分辨率、可重復性和準確性的測量術語。分辨率是傳感器可以檢測到的位置傳感器的最小變化;可重復性（是傳感器的讀數(shù)在相同真實位置重復的程度；精度是傳感器輸出到實際位置的真實性。換句話說，精度（有時稱為線性度）是傳感器輸出與真實位置之間的最大誤差。

一個常見的謬誤是傳感器的分辨率越高，即所謂的具有 16 位測量分辨率的傳感器可能比較低的 14 位分辨率更準確。與許多機器人應用不同，機器人手術通常需要高分辨率和高可重復性（用于在小距離內(nèi)進行精確，平穩(wěn)的運動），并且精度適中。

了解測量性能的一個有用工具是誤差預估，這是所有因素及其對測量性能的影響因素，傳感器測量性能只是其中之一。其他來源可能包括傳感器的溫度系數(shù)（精度通常為25℃標稱）;傳感器安裝公差;主機元件的差熱膨脹;主體結(jié)構(gòu)中的間隙或運動丟失等。背隙通常是一個主導因素，并且通常導致需要直接測量感興趣的組件，而不是從齒輪箱或聯(lián)軸器計算或推斷其位置。

電纜和連接器是傳感器可靠性問題的第一大影響因素，這可能源于EMC問題，電纜過度彎曲或振動、組裝、維護或操作過程中的意外損壞。設計圖紙通常會顯示位置良好的位置傳感器，但相關的電纜和連接器在設計中被遺漏。這可能是一個錯誤，因為電纜和連接器需要有足夠的空間來允許簡單高效的組裝。應加以固定，以免不必要地彎曲或移動，并應布線以避免明顯的EMC源，如電機和變壓器。

將位置傳感器的成本削減幾美元是很好的，但需要考慮更多的因素。首先，要注意位置傳感器的安裝公差。這些是傳感器需要執(zhí)行的機械限制，正如制造商所聲稱的那樣，這些公差通常只顯示在數(shù)據(jù)表的小字中?？傮w而言，具有嚴格安裝公差的低成本傳感器可能比具有較大安裝公差的較高成本傳感器更昂貴。其次，也是更重要的，是現(xiàn)場故障的代價。

我最喜歡的設計規(guī)則之一是10個原則（Ten principles for good design），它規(guī)定在每個階段，在開發(fā)、生產(chǎn)或?qū)嶋H服務期間，如果問題發(fā)現(xiàn)了問題，那么消除問題的成本就會很高（通常是10倍）。位置傳感器的系統(tǒng)性或頻繁的現(xiàn)場故障可能會迅速導致代價高昂的后續(xù)問題。從位置傳感器上省掉的幾塊錢對于在客戶場所修理和修改設備所產(chǎn)生的賬單來說似乎微不足道，更不用說聲譽損失了。為您的設計選擇可靠、優(yōu)質(zhì)的位置傳感器時，不能過于吝嗇。

位置傳感器已經(jīng)存在了一個世紀左右，在那段時間里，人類幾乎利用每一種物理現(xiàn)象來測量位置。這些方法中的每一種都有自己的優(yōu)點和缺點。手術機器人中最常見的位置傳感器技術是光學、磁性和電感式傳感器。光學器件通常是最準確的，但未包裝的格式可能需要嚴格的安裝公差才能滿足制造商的規(guī)格，并且它們通常不適合潮濕或污染的環(huán)境。磁性和電感式傳感器比光學傳感器更穩(wěn)定，但缺乏測量性能。