作者：Mark Howard

Mark Howard是一名具有硕士学位的合格工程师，也是位置传感器公司Zettlex（现为Novanta Inc.的一部分）的联合创始人兼前首席执行官，他现在是科技初创企业的投资者。

位置传感器是控制手术机器人运动的关键部件。选择正确的位置传感器，机器人手臂将安全、平稳、准确和可靠地移动。如果选错了，事情可能会变得很糟糕，对安全性、可靠性和公司声誉都有潜在影响。

这篇简短的文章为您提供了一位工程师在研发手术机器人过程中选用传感器的5个技巧，他在35年的职业生涯中大部分时间都在位置传感器业务中度过。

传感器故障对安全的影响将是整体位置传感或运动控制系统设计的最大因素。考虑两种类型的传感器故障是有帮助的，第一种是操作损失（无信号输出），第二种是不正确的操作（不正确的信号输出）。第一种通常比第二种问题少，其特征通常是位置传感器输出无信号或错误信号。第二种情况比较复杂，因为传感器似乎运行正常，但输出的信号不正确。第一种，故障对安全没有影响;在第二种情况下，故障可能导致安全隐患。

在某些与安全相关的应用中，通过某种形式的内置测试可以达到可接受的独立性水平。例如，检查执行器的位置传感器输出是否在其他系统数据的合理范围内。在某些与安全相关的步骤和所有安全关键步骤中，需要有一些冗余元素。换句话说，至少两个独立的传感器输出，只有当传感器输出在定义的范围内时，机器人运动才会继续进行。当然，在您的设计中安装两个传感器将产生很大的影响，因此请务必从一开始就知道是否需要冗余方法。

一个常见的错误是指定测量性能过高的位置传感器，或者相反，指定性能过低的位置传感器。首先，成本将过高，其次，机器人的性能将永远无法满足要求。了解真正的需求是关键，您需要了解有关分辨率、可重复性和准确性的测量术语。分辨率是传感器可以检测到的位置传感器的最小变化;可重复性（是传感器的读数在相同真实位置重复的程度；精度是传感器输出到实际位置的真实性。换句话说，精度（有时称为线性度）是传感器输出与真实位置之间的最大误差。

一个常见的谬误是传感器的分辨率越高，即所谓的具有 16 位测量分辨率的传感器可能比较低的 14 位分辨率更准确。与许多机器人应用不同，机器人手术通常需要高分辨率和高可重复性（用于在小距离内进行精确，平稳的运动），并且精度适中。

了解测量性能的一个有用工具是误差预估，这是所有因素及其对测量性能的影响因素，传感器测量性能只是其中之一。其他来源可能包括传感器的温度系数（精度通常为25℃标称）;传感器安装公差;主机元件的差热膨胀;主体结构中的间隙或运动丢失等。背隙通常是一个主导因素，并且通常导致需要直接测量感兴趣的组件，而不是从齿轮箱或联轴器计算或推断其位置。

电缆和连接器是传感器可靠性问题的第一大影响因素，这可能源于EMC问题，电缆过度弯曲或振动、组装、维护或操作过程中的意外损坏。设计图纸通常会显示位置良好的位置传感器，但相关的电缆和连接器在设计中被遗漏。这可能是一个错误，因为电缆和连接器需要有足够的空间来允许简单高效的组装。应加以固定，以免不必要地弯曲或移动，并应布线以避免明显的EMC源，如电机和变压器。

将位置传感器的成本削减几美元是很好的，但需要考虑更多的因素。首先，要注意位置传感器的安装公差。这些是传感器需要执行的机械限制，正如制造商所声称的那样，这些公差通常只显示在数据表的小字中。总体而言，具有严格安装公差的低成本传感器可能比具有较大安装公差的较高成本传感器更昂贵。其次，也是更重要的，是现场故障的代价。

我最喜欢的设计规则之一是10个原则（Ten principles for good design），它规定在每个阶段，在开发、生产或实际服务期间，如果问题发现了问题，那么消除问题的成本就会很高（通常是10倍）。位置传感器的系统性或频繁的现场故障可能会迅速导致代价高昂的后续问题。从位置传感器上省掉的几块钱对于在客户场所修理和修改设备所产生的账单来说似乎微不足道，更不用说声誉损失了。为您的设计选择可靠、优质的位置传感器时，不能过于吝啬。

位置传感器已经存在了一个世纪左右，在那段时间里，人类几乎利用每一种物理现象来测量位置。这些方法中的每一种都有自己的优点和缺点。手术机器人中最常见的位置传感器技术是光学、磁性和电感式传感器。光学器件通常是最准确的，但未包装的格式可能需要严格的安装公差才能满足制造商的规格，并且它们通常不适合潮湿或污染的环境。磁性和电感式传感器比光学传感器更稳定，但缺乏测量性能。