Mark Howard是一名具有碩士學(xué)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(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件。選擇正確的位置傳感器，機(jī)器人手臂將安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確和可靠地移動(dòng)。如果選錯(cuò)了，事情可能會(huì)變得很糟糕，對(duì)安全性、可靠性和公司聲譽(yù)都有潛在影響。
這篇簡(jiǎn)短的文章為您提供了一位工程師在研發(fā)手術(shù)機(jī)器人過程中選用傳感器的5個(gè)技巧，他在35年的職業(yè)生涯中大部分時(shí)間都在位置傳感器業(yè)務(wù)中度過。
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01
傳感器故障對(duì)安全的影響將是整體位置傳感或運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)輸出），第二種是不正確的操作（不正確的信號(hào)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(hào)或錯(cuò)誤信號(hào)。第二種情況比較復(fù)雜，因?yàn)閭鞲衅魉坪踹\(yùn)行正常，但輸出的信號(hào)不正確。第一種，故障對(duì)安全沒有影響;在第二種情況下，故障可能導(dǎo)致安全隱患。
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在某些與安全相關(guān)的應(yīng)用中，通過某種形式的內(nèi)置測(cè)試可以達(dá)到可接受的獨(dú)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(guān)的步驟和所有安全關(guān)鍵步驟中，需要有一些冗余元素。換句話說，至少兩個(gè)獨(dú)立的傳感器輸出，只有當(dāng)傳感器輸出在定義的范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)然，在您的設(shè)計(jì)中安裝兩個(gè)傳感器將產(chǎn)生很大的影響，因此請(qǐng)務(wù)必從一開始就知道是否需要冗余方法。
02
一個(gè)常見的錯(cuò)誤是指定測(cè)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(jī)器人的性能將永遠(yuǎn)無法滿足要求。了解真正的需求是關(guān)鍵，您需要了解有關(guān)分辨率、可重復(fù)性和準(zhǔn)確性的測(cè)量術(shù)語。分辨率是傳感器可以檢測(cè)到的位置傳感器的最小變化;可重復(fù)性（是傳感器的讀數(shù)在相同真實(shí)位置重復(fù)的程度；精度是傳感器輸出到實(shí)際位置的真實(shí)性。換句話說，精度（有時(shí)稱為線性度）是傳感器輸出與真實(shí)位置之間的最大誤差。
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一個(gè)常見的謬誤是傳感器的分辨率越高，即所謂的具有 16 位測(cè)量分辨率的傳感器可能比較低的 14 位分辨率更準(zhǔn)確。與許多機(jī)器人應(yīng)用不同，機(jī)器人手術(shù)通常需要高分辨率和高可重復(fù)性（用于在小距離內(nèi)進(jìn)行精確，平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)），并且精度適中。
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了解測(cè)量性能的一個(gè)有用工具是誤差預(yù)估，這是所有因素及其對(duì)測(cè)量性能的影響因素，傳感器測(cè)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(biāo)稱）;傳感器安裝公差;主機(jī)元件的差熱膨脹;主體結(jié)構(gòu)中的間隙或運(yùn)動(dòng)丟失等。背隙通常是一個(gè)主導(dǎo)因素，并且通常導(dǎo)致需要直接測(cè)量感興趣的組件，而不是從齒輪箱或聯(lián)軸器計(jì)算或推斷其位置。
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03
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(dòng)、組裝、維護(hù)或操作過程中的意外損壞。設(shè)計(jì)圖紙通常會(huì)顯示位置良好的位置傳感器，但相關(guān)的電纜和連接器在設(shè)計(jì)中被遺漏。這可能是一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)殡娎|和連接器需要有足夠的空間來允許簡(jiǎn)單高效的組裝。應(yīng)加以固定，以免不必要地彎曲或移動(dòng)，并應(yīng)布線以避免明顯的EMC源，如電機(jī)和變壓器。
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04
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(jī)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(yán)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(chǎng)故障的代價(jià)。
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我最喜歡的設(shè)計(jì)規(guī)則之一是10個(gè)原則（Ten principles for good design），它規(guī)定在每個(gè)階段，在開發(fā)、生產(chǎn)或?qū)嶋H服務(wù)期間，如果問題發(fā)現(xiàn)了問題，那么消除問題的成本就會(huì)很高（通常是10倍）。位置傳感器的系統(tǒng)性或頻繁的現(xiàn)場(chǎng)故障可能會(huì)迅速導(dǎo)致代價(jià)高昂的后續(xù)問題。從位置傳感器上省掉的幾塊錢對(duì)于在客戶場(chǎng)所修理和修改設(shè)備所產(chǎn)生的賬單來說似乎微不足道，更不用說聲譽(yù)損失了。為您的設(shè)計(jì)選擇可靠、優(yōu)質(zhì)的位置傳感器時(shí)，不能過于吝嗇。
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05
位置傳感器已經(jīng)存在了一個(gè)世紀(jì)左右，在那段時(shí)間里，人類幾乎利用每一種物理現(xiàn)象來測(cè)量位置。這些方法中的每一種都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。手術(shù)機(jī)器人中最常見的位置傳感器技術(shù)是光學(xué)、磁性和電感式傳感器。光學(xué)器件通常是最準(zhǔn)確的，但未包裝的格式可能需要嚴(yán)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(xué)傳感器更穩(wěn)定，但缺乏測(cè)量性能。
