ES2930182T3

ES2930182T3 - Calibración de las lecturas del sensor de posición

Info

Publication number: ES2930182T3
Application number: ES20185923T
Authority: ES
Inventors: Paul Christopher Roberts; Edward John Mottram
Original assignee: CMR Surgical Ltd
Current assignee: CMR Surgical Ltd
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2022-12-07
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: JP2023002689A; US10969251B2; US20190277667A1; JP2019525170A; EP3488189A1; ES2833249T3; CN109477735B; GB2552385A; EP3488189B1; JP7374283B2; CN113607193B; EP3742131B1; CN113607193A; JP7164513B2; GB2552385B; US20210190547A1; WO2018015747A1; EP3742131A1; US11619522B2; CN109477735A

Abstract

Un método para corregir una lectura de posición desde una disposición de detección de posición, siendo adecuada la disposición de detección de posición para detectar la posición de una articulación giratoria de una estructura articulada, comprendiendo la disposición de detección de posición un disco (3) que tiene un anillo magnético (6, 7).) con pares de polos magnéticos y un conjunto de sensores magnéticos que comprende una matriz de sensores magnéticos (11, 12) para detectar los pares de polos magnéticos del anillo magnético (6, 7), comprendiendo el método: para cada par de polos del anillo magnético (6 , 7), tomando una lectura de la posición del par de polos de calibración (73) con la matriz de sensores magnéticos (11, 12), y generando una función de corrección del par de polos comparando la lectura de la posición del par de polos de calibración (73) con una lectura de la posición del par de polos del modelo (72); para cada par de polos del anillo magnético (6, 7), generar una lectura de la posición del par de polos de calibración corregida deduciendo la función de corrección del par de polos de la lectura de la posición del par de polos de calibración (73); generar una función de corrección de revoluciones comparando las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas para el anillo magnético (6, 7) con las lecturas de posición de revolución del modelo (74); y generar la lectura de posición corregida: deduciendo la función de corrección de revolución de la lectura de posición. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Calibración de las lecturas del sensor de posición

Antecedentes

En aplicaciones que involucran estructuras articuladas, a menudo es deseable determinar la posición del extremo distal del enlace más distal de la estructura articulada. Esto se puede lograr al detectar la posición de cada enlace en relación con el último a lo largo de la estructura articulada, desde su base hasta el enlace más distal. Esta serie de medidas se puede utilizar en combinación con el diseño conocido de la estructura articulada para determinar la posición del extremo distal del enlace más distal con respecto a la base. Los sensores de posición rotatoria se utilizan para detectar la rotación relativa entre enlaces. Los sensores de posición lineal se utilizan para detectar el movimiento longitudinal relativo entre enlaces.

Los sensores magnéticos de efecto Hall se utilizan comúnmente para detectar el movimiento relativo entre enlaces. En un sensor de posición giratorio típico, un anillo tiene un conjunto de polos magnéticos alternos dispuestos a su alrededor. Un sensor interactúa con el anillo, y está ubicado de tal manera que los polos magnéticos se mueven más allá del sensor a medida que tiene lugar la rotación que se desea detectar. Por ejemplo, el anillo se podría unir a un árbol y el sensor se podría unir a una carcasa dentro de la cual rota el árbol. El sensor detecta cambios en la polaridad magnética a medida que los polos pasan por el sensor. Al contar el número de cambios de polaridad, se puede detectar la cantidad de rotación desde una posición de referencia. Para detectar la dirección de rotación, se pueden proporcionar dos de dichos pares de anillos y sensores y disponerlos de tal manera que un sensor detecte las transiciones magnéticas de su anillo en las posiciones de rotación que están desplazadas de las posiciones donde el otro sensor detecta las transiciones magnéticas de su anillo. Al considerar el tiempo relativo de las transiciones detectadas por cada sensor, se puede detectar la dirección de rotación.

El campo de la robótica utiliza estructuras articuladas como brazos robóticos. La detección precisa de la posición es importante para los brazos robóticos a fin de garantizar que sus efectores finales se manipulen con precisión según lo previsto. Cuanto más grandes sean los anillos magnéticos del sensor de posición, con mayor precisión se detecta la rotación relativa de dos enlaces del brazo robótico. Sin embargo, en algunas aplicaciones de robótica, por ejemplo en el campo de la robótica quirúrgica, es deseable que los sensores de posición sean muy compactos para caber dentro del espacio disponible y minimizar el peso que agregan al brazo.

Por lo tanto, subsiste la necesidad de un sensor de posición mejorado que equilibre los requisitos competitivos de precisión y compacidad.

El documento WO 2014/082677 se refiere a medir la posición y/o la ruta de un cuerpo en movimiento utilizando al menos un cuerpo de medición y un cabezal sensor codificado magnéticamente. El documento DE 102013212268 se refiere a la determinación de la posición angular de un componente por medio de un sensor de ángulo de corriente de Foucault. El Documento DE 102004062118 se refiere a un procedimiento de mejora de la calidad de señal de la pista sinusoidal del sensor del árbol de la máquina incremental. El documento WO 2015/004472 se refiere a un ensamble de codificador rotatorio que comprende una pista anular que comprende un patrón alterno de al menos dos regiones de codificación diferentes. El documento WO 2008/020231 se refiere a un método de procesamiento de señales en un codificador rotatorio del tipo que comprende al menos una pista anular de regiones de codificación dispuestas como un patrón alternativo de primeras regiones de codificación y segundas regiones de codificación.

Resumen de la invención

La invención se define en la reivindicación 1. De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un método para corregir una lectura de posición desde una disposición de detección de posición, la disposición de detección de posición es adecuada para detectar la posición de una junta giratoria de una estructura articulada, la disposición de detección de posición comprende un disco (3) que tiene un anillo (6, 7) magnético con pares de polos magnéticos y un ensamble de sensores magnéticos que comprende una matriz (11, 12) de sensores magnéticos para detectar los pares de polos magnéticos del anillo (6, 7) magnético, el método comprende : para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético, tomar una lectura (73) de posición del par de polos de calibración con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos, y generar una función de corrección del par de polos al comparar la lectura (73) de posición del par de polos de calibración con una lectura (72) de posición de par del polos del modelo; para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético, generar una lectura de posición del par de polos de calibración corregida al deducir la función de corrección del par de polos de la lectura (73) de posición del par de polos de calibración; generar una función de corrección de revoluciones al comparar las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas para el anillo (6, 7) magnético con lecturas (74) de posición de revolución modelo; tomar una lectura de posición con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos; y generar una lectura de posición corregida al: deducir la función de corrección de revoluciones de la lectura de posición.

La lectura de posición del par de polos de calibración puede ser de múltiples bits.

La función de corrección de revoluciones puede comprender una función que oscila periódicamente. La función de corrección de revoluciones puede comprender una función sinusoidal.

Generar la función de corrección de revoluciones puede comprender ajustar una curva a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas y deducir una línea que representa las lecturas (74) de posición de revolución modelo de la curva ajustada. Ajustar la curva a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas puede comprender utilizar un método de mínimos cuadrados.

El disco (3) puede comprender un anillo (6, 7) magnético adicional con pares de polos magnéticos, y el ensamble de sensores magnéticos comprende una matriz (11, 12) de sensores magnéticos adicional para detectar los pares de polos magnéticos del anillo (6, 7) magnético adicional, y el método puede comprender para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético adicional, tomar una lectura (73) de posición del par de polos de calibración adicional con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos adicional, y generar una función de corrección del par de polos adicional al comparar la lectura (73) de posición del par de polos de calibración adicional con la lectura (72) de posición del par de polos del modelo; para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético adicional, generar una lectura de posición del par de polos de calibración corregida adicional al deducir la función de corrección de par de polos adicional de la lectura (73) de posición del par de polos de calibración adicional; generar una función de corrección de revoluciones adicional al comparar las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas adicionales para el anillo (6, 7) magnético con lecturas (74) de posición de revolución modelo adicionales; y generar la lectura de posición corregida al: deducir la función de corrección de revoluciones adicional de la lectura de posición.

La función de corrección de revoluciones adicional puede comprender una función que oscila periódicamente. La función de corrección de revoluciones adicional puede comprender una función sinusoidal.

Generar la función de corrección de revoluciones adicional puede comprender ajustar una curva a las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas, y deducir una línea que representa las lecturas (74) de posición de revolución modelo de la curva ajustada. Ajustar la curva a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas puede comprender utilizar un método de mínimos cuadrados.

También se proporciona un método para corregir una lectura de posición desde una disposición de detección de posición, la disposición de detección de posición es adecuada para detectar la posición de una junta giratoria de una estructura articulada, la disposición de detección de posición comprende un disco que tiene un anillo magnético con un par de polos magnéticos y un ensamble de sensores magnéticos que comprende una matriz de sensores magnéticos para detectar los pares de polos magnéticos del anillo magnético, el método comprende: para cada par de polos del anillo magnético, tomar una lectura de posición del par de polos de calibración con la matriz de sensores magnéticos, y generar una función de corrección del par de polos al comparar la lectura de posición del par de polos de calibración con una lectura de posición del par de polos modelo; promediar las funciones de corrección de par de polos de los pares de polos del anillo magnético para generar una función de corrección de par de polos promedio para el anillo magnético; tomar una lectura de posición con la matriz de sensores magnéticos, la lectura de posición comprende una pluralidad de lecturas de posición de par de polos; y generar una lectura de posición corregida al deducir la función de corrección de par de polos promedio de cada lectura de posición del par de polos.

La función de corrección de par de polos puede comprender una función que oscila periódicamente. Esta función que oscila periódicamente puede comprender una función sinusoidal.

Para cada par de polos, la función de corrección del par de polos se puede generar al ajustar una curva a la lectura de posición del par de polos de calibración y deducir una línea que representa la lectura de posición del par de polos modelo de la curva ajustada. La curva se puede ajustar a la lectura de posición del par de polos de calibración utilizando un método de mínimos cuadrados.

Convenientemente, el disco comprende un anillo magnético adicional con pares de polos magnéticos, y el ensamble de sensores magnéticos comprende una matriz de sensores magnéticos adicional para detectar los pares de polos magnéticos del anillo magnético adicional, y el método comprende: para cada par de polos del anillo magnético adicional, tomar una lectura de posición del par de polos de calibración adicional con la matriz de sensores magnéticos adicional, y generar una función de corrección del par de polos adicional al comparar la lectura de posición del par de polos de calibración adicional con la lectura de posición del par de polos modelo; promediar las funciones de corrección de par de polos adicionales de los pares de polos del anillo magnético adicional para generar una función de corrección de par de polos adicional promedio para el anillo magnético adicional; tomar una lectura de posición adicional con la matriz de sensores magnéticos adicional, la lectura de posición adicional comprende una pluralidad de lecturas de posición de par de polos; y deducir la función de corrección de par de polos adicional promedio de cada lectura de posición del par de polos para generar una lectura de posición adicional corregida.

La función de corrección de par de polos adicional puede comprender una función que oscila periódicamente. Esta función que oscila periódicamente puede comprender una función sinusoidal.

La función de corrección del par de polos adicional se puede generar al ajustar una curva a la lectura de posición del par de polos de calibración adicional, y deducir una línea que representa la lectura de posición del par de polos modelo de la curva ajustada. La curva se puede ajustar a la lectura de posición del par de polos de calibración adicional utilizando un método de mínimos cuadrados.

El método puede comprender además: para cada par de polos del anillo magnético, generar una lectura de posición del par de polos de calibración corregida al deducir la función de corrección del par de polos de la lectura de posición del par de polos de calibración; generar una función de corrección de revoluciones al comparar las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas para el anillo magnético con lecturas de posición de revolución modelo; y generar la lectura de posición corregida al: deducir la función de corrección del par de polos promedio de cada lectura de posición del par de polos; y deducir la función de corrección de revoluciones de la lectura de posición.

La función de corrección de revoluciones puede comprender una función que oscila periódicamente. Esta función que oscila periódicamente puede comprender una función sinusoidal.

El método puede comprender generar la función de corrección de revoluciones al ajustar una curva a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas, y deducir una línea que representa las lecturas de posición de revolución modelo de la curva ajustada. La curva se puede ajustar a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas utilizando un método de mínimos cuadrados.

El método puede comprender, para cada par de polos del anillo magnético adicional, generar una lectura de posición del par de polos de calibración corregida adicional al deducir la función de corrección de par de polos adicional de la lectura de posición del par de polos de calibración adicional; generar una función de corrección de revoluciones adicional al comparar las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas adicionales para el anillo magnético con lecturas de posición de revolución modelo adicionales; y generar la lectura de posición corregida al: deducir la función de corrección de par de polos adicional promedio de cada lectura de posición del par de polos; y deducir la función de corrección de revoluciones adicional de la lectura de posición.

La función de corrección de revoluciones adicional puede comprender una función que oscila periódicamente. Esta función que oscila periódicamente puede comprender una función sinusoidal.

El método puede comprender generar la función de corrección de revoluciones adicional al ajustar una curva a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas, y deducir una línea que representa las lecturas de posición de revolución modelo de la curva ajustada. La curva se puede ajustar a las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas utilizando un método de mínimos cuadrados.

Breve descripción de las figuras

La presente invención se describirá ahora a modo de ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes. En los dibujos:

la figura 1 ilustra una representación general de un árbol equipado con una disposición de detección de posición; la figura 2 ilustra las dimensiones de un disco 3 de la figura 1;

la figura 3 ilustra una porción de un anillo magnético de la figura 1;

la figura 4 ilustra una matriz de sensores magnéticos de la figura 1;

la figura 5 es un gráfico que ilustra las lecturas del sensor de posición teóricas y reales;

la figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra un método para determinar los números del par de polos para dos anillos magnéticos cuando el límite radial interno es limitante;

la figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra un método para determinar los números del par de polos para dos anillos magnéticos cuando el límite radial externo es limitante;

la figura 8 es un gráfico que ilustra lecturas de sensor de posición combinadas teóricas y reales; y

la figura 9 ilustra disposiciones para montar el disco;

la figura 10 ilustra el campo magnético detectado por una matriz de sensores magnéticos;

la figura 11 ilustra las lecturas del sensor teóricas y reales tomadas mientras un solo par de polos magnéticos pasa por un ensamble de sensores magnéticos;

la figura 12 ilustra una función de corrección para un par de polos; y

la figura 13 ilustra las lecturas del sensor teóricas y reales tomadas mientras un anillo magnético completo pasa por un ensamble de sensores magnéticos.

Descripción detallada

Lo siguiente se refiere a una disposición de detección de posición para una estructura articulada y un método para ensamblar la disposición de detección de posición. Al detectar la posición de cada junta de una estructura articulada, la posición del extremo distal de la estructura articulada se puede determinar a partir de una combinación de las posiciones de junta detectadas y el diseño conocido de la estructura articulada. En el ejemplo de un brazo robótico, una base del brazo robótico está acoplada al efector de extremo en el extremo distal del brazo robótico a través de una serie de enlaces unidos entre sí por juntas. Estas pueden ser juntas giratorias o juntas prismáticas. En el caso de una junta giratoria, se detecta la rotación de la junta. En otras palabras, se detecta la rotación relativa de los dos árboles a los que se une la junta giratoria. Se detectan el ángulo de rotación y la dirección de rotación. En el caso de una junta prismática, se detecta el movimiento longitudinal de la junta. En otras palabras, se detecta el movimiento relativo de los dos árboles a los que se une la junta prismática. Se detectan la distancia de movimiento y la dirección del movimiento.

La figura 1 ilustra un ejemplo de una disposición de detección de posición para detectar la rotación del árbol 1 alrededor del eje 2. La disposición de detección de posición detecta el ángulo y la dirección de rotación del árbol 1 alrededor del eje 2. La disposición de detección de posición comprende un ensamble de sensores magnéticos y un disco 3. El disco 3 se muestra con más detalle en la figura 2. El disco 3 es un anillo que tiene un límite 4 radial externo y un límite 5 radial interno. Ambos límites del anillo están centrados en el punto central del disco 3. El radio del límite radial externo es r0. El radio del límite radial interno es n. El disco 3 es rápido con el elemento cuya posición se está detectando. En este caso, el disco 3 está montado rígidamente en el árbol 1. No se permite ningún movimiento relativo entre el árbol 1 y el disco 3. El disco 3 gira alrededor del eje 2. En otras palabras, el disco 3 y el árbol 1 giran alrededor de un eje común.

Dos anillos 6, 7 magnéticos están dispuestos sobre el disco 3. Los anillos magnéticos no son móviles entre sí. Los dos anillos magnéticos son concéntricos. Ambos anillos magnéticos están centrados en el centro del disco. En otras palabras, los anillos magnéticos están dispuestos en un círculo que tiene como su eje el eje 2 de rotación del árbol 1. La distancia radial entre el centro del disco y la línea 9 central del anillo 6 magnético interno es rm. La distancia radial entre el centro del disco y la línea 10 central del anillo 7 magnético externo es rn. Las líneas 9, 10 centrales de los anillos 6, 7 magnéticos están separadas por una distancia radial s. El valor mínimo de la distancia radial s está predeterminado. Adecuadamente, la distancia radial s es al menos la longitud de un par de polos. En otras palabras, s > 2y.

Cada anillo magnético lleva una serie de imanes permanentes que definen los polos 8 magnéticos. Sobre la superficie de detección de cada anillo magnético, los imanes alternan la polaridad entre los polos norte y sur alrededor del anillo. El anillo 6 magnético interno tiene m pares de polos magnéticos. El anillo 7 magnético externo tiene n pares de polos magnéticos. Cada polo 8 magnético sobre el anillo 6 magnético interno tiene la misma forma y tamaño, dentro de la tolerancia de fabricación. Cada polo 8 magnético sobre el anillo 7 magnético externo tiene la misma forma y tamaño, dentro de la tolerancia de fabricación. Convenientemente, cada polo 8 magnético sobre el anillo 6 magnético interno tiene la misma forma y tamaño que cada polo 8 magnético sobre el anillo 7 magnético externo, dentro de la tolerancia de fabricación y el hecho de que el radio del arco del anillo magnético interno es diferente al radio del arco del anillo magnético externo. Una porción de un anillo magnético se muestra con más detalle en la figura 3. Cada polo 8 magnético tiene una longitud radial x y una longitud circunferencial y. En un ejemplo, y es 2 mm. En este ejemplo, un par de polos (es decir, un par de polos norte y sur adyacentes) tiene una longitud circunferencial de 4 mm.

El ensamble de sensores magnéticos está montado en la estructura articulada para detectar la rotación relativa entre dos elementos. El ensamble de sensores magnéticos está unido rígidamente a uno de esos elementos, de tal manera que no se permite que el ensamble de sensores magnéticos se mueva con respecto a ese elemento. El disco 3 está unido rígidamente al otro de esos elementos, de tal manera que los anillos 6, 7 magnéticos no se pueden mover con respecto a ese otro elemento. En el caso del ejemplo de la figura 1, el disco 3 está unido rígidamente al árbol 1. El ensamble de sensores magnéticos está unido rígidamente a la parte de la estructura articulada con respecto a la cual gira el árbol 1.

El ensamble de sensores magnéticos detecta la rotación relativa del primero y segundo anillos magnéticos y el ensamble de sensores magnéticos. El ensamble de sensores magnéticos comprende dos matrices 11, 12 de sensores magnéticos. La matriz 11 de sensores magnéticos interna está dispuesta adyacente y alineada con el anillo 6 magnético interno. La matriz 12 de sensores magnéticos externa está dispuesta adyacente y alineada con el anillo 7 magnético externo. Dado que el ensamble de sensores magnéticos está montado en la estructura articulada con respecto a la cual gira el árbol 1, a medida que gira el árbol 1, los anillos 6 y 7 magnéticos giran más allá de las matrices 11, 12 de sensores magnéticos. Cada matriz de sensores es capaz de detectar transiciones entre los polos norte y sur del anillo magnético sobre el que está dispuesto a medida que esas transiciones pasan por la matriz de sensores. En una implementación de ejemplo, el primero y segundo anillos 6, 7 magnéticos están separados radialmente por al menos la longitud de un par de polos. Aumentar la separación de los anillos reduce la interferencia que cada anillo provoca en el sensor del otro anillo. Por lo tanto, separar los anillos por al menos la longitud de un par de polos ayuda a que la matriz 11 de sensores magnéticos interna solo detecte las transiciones del anillo 6 magnético interno, y la matriz 12 de sensores magnéticos externa solo detecte las transiciones del anillo 7 magnético externo.

Cada matriz 11, 12 de sensores magnéticos comprende un conjunto de sensores. La figura 4 ilustra un ejemplo en el que una matriz de sensores magnéticos comprende cuatro sensores 13a, b, c, d individuales. Cada matriz de sensores magnéticos es rectilínea. Como se puede ver en la figura 4, los sensores individuales están dispuestos en línea recta. Los sensores del conjunto son todos del mismo tamaño y forma y tienen el mismo espacio entre ellos. Cada sensor 13 tiene un ancho t y una longitud u y está separado del siguiente sensor por una distancia v. Los centros de los sensores adyacentes están separados por una distancia z. En el ejemplo mostrado en la figura 4, en el que la matriz de sensores magnéticos tiene cuatro sensores individuales, z es igual a un cuarto de la longitud de un par de polos. En otras palabras, z = y/2. Por lo tanto, mientras que los centros de los sensores marcados con 1 y 3 están sobre el límite entre polos adyacentes, los centros de los sensores marcados con 2 y 4 están sobre los centros de polos adyacentes. Los centros de los sensores externos (marcados 1 y 4) están separados por tres cuartos de la longitud de un par de polos. En una implementación de ejemplo, t es menor que la extensión radial del anillo magnético x. En otras palabras, t < x.

Dado que los sensores individuales están en línea recta mientras que el anillo magnético es circular, el centro de cada sensor no está alineado constantemente con el centro de un polo magnético a medida que gira el árbol. El desplazamiento entre el centro del sensor y el centro del polo magnético varía a medida que gira el árbol. Este desplazamiento variable provoca un error sistemático en la salida del sensor. En una implementación alternativa, las matrices 11, 12 de sensores magnéticos están cada una en una configuración circular centrada sobre el centro del disco 3. En este caso, el radio de la línea central de cada ensamble de sensores magnéticos es el mismo que el radio de la línea central del anillo magnético que está leyendo. Por lo tanto, la línea central de la matriz de sensores magnéticos se alinea constantemente con la línea central del anillo magnético que está leyendo a medida que gira el árbol.

Los sensores podrían ser, por ejemplo, sensores de efecto Hall, sensores de láminas, sensores magnetorresistivos o sensores inductivos.

Cada matriz 11, 12 de sensores magnéticos está dispuesta para proporcionar una salida de múltiples bits que representa la posición relativa de los polos vecinos. El número y la ubicación relativa de los polos sobre los anillos magnéticos están dispuestos de tal manera que cada posición del árbol dentro del rango de ángulos de rotación que se va a medir está asociada con un conjunto único de salidas de las dos matrices 11, 12 de sensores magnéticos. El número de polos m sobre el anillo interno y el número de polos n sobre el anillo externo son diferentes y coprimos. Su selección se describe más adelante. Las salidas de los sensores pasan a una unidad 14 de procesamiento.

Las posiciones circunferenciales de las matrices 11, 12 de sensores magnéticos y la posición de rotación del disco 3 alrededor del eje 2 se pueden elegir de tal manera que las transiciones entre los polos sobre el anillo 6 magnético interno, según lo detectado por la matriz 11 de sensores magnéticos, se produzcan para diferentes posiciones de rotación del árbol a partir de las transiciones entre los polos sobre el anillo 7 magnético externo según lo detectado por la matriz 12 de sensores magnéticos. Esto permite inferir la dirección de rotación del árbol a partir del orden relativo de las transiciones detectadas por cada matriz de sensores magnéticos.

Las salidas de las matrices 11, 12 de sensores magnéticos pasan a la unidad 14 de procesamiento. La unidad de procesamiento comprende un dispositivo 15 procesador, que podría estar codificado para interpretar las señales de las matrices 11, 12 de sensores magnéticos o podría ser un procesador de propósito general configurado para ejecutar el código de software almacenado de forma no transitoria en la memoria 16. El dispositivo procesador combina las señales de los sensores para formar una señal de salida integrada en 17.

A continuación se describirá un método para seleccionar el número de par de polos magnéticos m en el anillo 6 magnético interno y el número de par de polos magnéticos n en el anillo 7 magnético externo.

La selección de m y n puede estar sujeta a una cualquier, cualquier combinación o todas las siguientes restricciones.

1. Los anillos 6, 7 magnéticos interno y externo deben encajar en el disco 3. Adecuadamente, las matrices 11, 12 de sensores magnéticos interna y externa también están dispuestas dentro de la huella del disco 3. El límite 5 radial interno está en un radio n. Para ajustar la matriz 11 de sensores magnéticos interna sobre el disco 3 sin exceder el límite 5 radial interno, la línea 9 central del anillo magnético interno está separada del límite 5 radial interno por al menos la porción del ancho radial del ensamble 11 de sensores magnéticos que está dispuesto entre la línea 9 central del anillo magnético interno y el límite 5 radial interno. Esta porción puede ser la mitad del ancho radial del ensamble de sensores magnéticos, es decir, wm/2. En otras palabras, rm > n+wm/2. Si la matriz de sensores está desplazada radialmente dentro del ensamble de sensores, entonces la porción puede ser mayor. En un ejemplo, rm > n+(wm t)/2. El límite 4 radial externo está en un radio r0. Para ajustar la matriz 12 de sensores magnéticos externa sobre el disco 3 sin exceder el límite 4 radial externo, la línea 10 central del anillo magnético externo está separada del límite 4 radial externo por al menos la porción del ancho radial del ensamble 12 de sensores magnéticos que está dispuesto entre la línea 10 central del anillo magnético externo y el límite 4 radial externo. Esta porción puede ser el ancho radial del ensamble de sensores magnéticos, es decir, wn/2. En otras palabras, rn <ro - wn/2. Si la matriz de sensores está desplazada radialmente dentro del ensamble de sensores, entonces la porción puede ser mayor. En un ejemplo, rn <ro - (wn t)/2.

2. Los centros de los sensores adyacentes están separados por un cuarto de la longitud de un par de polos. En otras palabras, los sensores adyacentes están separados por y/2. Esto asegura que la matriz de sensores magnéticos pueda detectar cada transición de polo a medida que gira el disco.

3. La distancia radial s entre la línea central del anillo 6 magnético interno y la línea central del anillo 7 magnético externo es mayor que una distancia predeterminada. Esa distancia predeterminada se establece mediante una insensibilidad deseada a los campos magnéticos dispersos. Convenientemente, s > 2y. En este caso, el polo magnético más cercano sobre el anillo 6 magnético interno que detecta la matriz 11 de sensores magnéticos interna siempre está más cerca que un polo magnético sobre el anillo 7 magnético externo. De manera similar, el polo magnético más cercano en el anillo 7 magnético externo que detecta la matriz 12 de sensores magnéticos externa siempre está más cerca que un polo magnético sobre el anillo 6 magnético interno. Por lo tanto, esto evita la interferencia que surge de la matriz de sensores magnéticos sobre un anillo magnético que detecta un campo magnético del otro anillo magnético.

4. El número mínimo de sensores b en cada matriz de sensores magnéticos es mayor que un umbral. Este umbral es tal que hay suficiente muestreo espacial para una lectura de posición inequívoca. Convenientemente, b > 4. Cuatro sensores son suficientes cuando no se detectan armónicos magnéticos.

5. El ancho, t, de cada sensor magnético es menor que la extensión radial del anillo magnético x. En otras palabras, t < x. La relación señal/ruido de las transiciones detectadas se reduce si la matriz de sensores magnéticos es más estrecha que el anillo magnético.

6. El límite radial interno del disco puede estar limitado por la estructura articulada. Por ejemplo, en la figura 1, el límite radial interno del disco está limitado por el árbol 1. En este caso, el radio del límite radial interno n tiene que ser al menos tan grande como el radio del árbol 1.

7. El límite radial externo del disco puede estar limitado por la estructura articulada. Por ejemplo, el sensor de posición puede encajar dentro de una carcasa de la estructura articulada. En este caso, el radio del límite radial externo ro tiene que ser al menos tan pequeño como el radio de la carcasa.

8. El sensor de posición está dispuesto para detectar un ángulo máximo de rotación. Este ángulo máximo de rotación depende del elemento cuya rotación se esté detectando. Para una junta giratoria, el ángulo máximo de rotación que se va a detectar depende de la ubicación de esa junta en la cadena cinemática. El ángulo máximo de rotación que se va a detectar puede ser inferior a 360°. El ángulo máximo de rotación que se va a detectar puede ser superior a 360°. La precisión de la medición de la posición es proporcional al ángulo de rotación que se va a detectar. Cuanto mayor sea el ángulo de rotación que se va a detectar, mayor será la precisión de la medición de posición necesaria. La precisión de lectura del sensor se da por:

(ecuación 1)

^I pares de polos ^{es la suma del número de pares de polos de todos los anillos magnéticos sobre el disco. Cuando hay dos anillos magnéticos sobre el disco, I} pares de polos = ^{m+n Cuantos más pares de polos haya en los anillos}magnéticos, más grandes serán los anillos magnéticos. Por lo tanto, los anillos magnéticos más grandes conducen a mediciones de posición más precisas. Cuanto mayor sea el ángulo de rotación que se va a detectar, mayor será m y/o n para lograr la precisión requerida. Por lo tanto, el número de pares de polos sobre los anillos magnéticos para detectar la rotación de un elemento con respecto a otro está limitado por el ángulo relativo de rotación que se va a detectar entre los dos elementos. En el caso de una junta giratoria, la selección de m y n son específicas del ángulo máximo de rotación de esa junta giratoria que se va a detectar.

La figura 5 es un gráfico que ilustra las mediciones del sensor de posición teóricas y reales tomadas desde una disposición de detección de posición de la forma mostrada en la figura 1. El eje x es la medición del sensor de posición de la matriz 12 de sensores magnéticos externa, y el eje y es la medición del sensor de posición de la matriz 11 de sensores magnéticos interna. El gráfico de líneas con estrellas ilustra las mediciones teóricas con un 100 % de precisión. El diagrama de línea continua ilustra lecturas reales de ejemplo. Estas lecturas reales de ejemplo difieren de las lecturas teóricas debido a la variación de fabricación en la magnetización de los anillos magnéticos sobre el disco, la variación de fabricación en las matrices de sensores magnéticos y/o la desalineación entre los anillos magnéticos y las matrices de sensores magnéticos. En la figura 5, las lecturas reales tienen un desplazamiento constante de las lecturas teóricas, lo que demuestra un error sistemático en las lecturas reales. Este desplazamiento puede deberse a un error al magnetizar el disco. Por ejemplo, el centro de los anillos magnéticos puede estar ligeramente desplazado del centro de rotación del disco. La Figura 5 también demuestra un error adicional en las lecturas más allá del error sistemático. Para detectar con precisión qué lectura del sensor se pretendía, la línea continua de las lecturas reales en el gráfico de la figura 5 debe estar más cerca de la línea correcta de lecturas teóricas que de otra línea de lecturas teóricas.

Ahora se describirá un método para determinar los valores de m y n para un ejemplo en el que el límite radial interno del disco 3 es limitante. Por ejemplo, el disco puede estar montado sobre un árbol y, por lo tanto, el radio del límite radial interno r del disco 3 tiene que ser mayor que el radio del árbol. La Figura 6 ilustra las etapas de este método.

En la etapa 20, el mínimo rm,mín está determinado. Este es el radio mínimo de la línea 9 central del anillo magnético interno permitido por el radio interno límite n. Como se describe en la restricción 1 anterior, como mínimo, la línea 9 central del anillo magnético interno está separada del límite 5 radial interno por la porción del ancho radial de la matriz 11 de sensores magnéticos que está dispuesta entre la línea 9 central del anillo magnético interno y el límite 5 radial interno. Esto es para asegurar que la matriz 11 de sensores magnéticos quede confinada dentro del límite radial interno. En un ejemplo, el mínimo rm-mín es dado por:

rm.mm = r¡ (Wm tJ/2 (ecuación 2)

En la etapa 21, se determina el número mínimo de pares de polos m para el anillo magnético interno. El anillo magnético tiene un número completo de pares de polos. Por lo tanto, m es un entero. rm, mín se incrementa al valor más bajo de rm, dónde

2n rrn = m2y [ecuación 3)

Donde m es un entero.

En la etapa 22, el mínimo rn,mín está determinado. Este es el radio mínimo de la línea 10 central del anillo magnético externo permitido por el radio interno límite n. Como se describe en la restricción 3 anterior, como mínimo, la línea 10 central del anillo magnético externo está separada radialmente de la línea 9 central del anillo magnético interno por una distancia predeterminada. Esta distancia predeterminada es suficientemente grande para reducir o minimizar la interferencia en la lectura del sensor de un anillo magnético como resultado del otro anillo magnético.

rn,min

(ecuación 4)

donde rm es el de la ecuación 3, y s es la distancia predeterminada.

En la etapa 23, se determina el número mínimo de pares de polos n para el anillo magnético externo. El anillo magnético tiene un número completo de pares de polos. Por lo tanto, n es un entero. rn,mín se incrementa al valor más bajo de rn, dónde

2n rft = n2y [ecuación 5)

Donde n es un entero.

En la etapa 24, se determina si los valores de m y n determinados en las etapas 21 y 23 son coprimos. Si m y n son coprimos, entonces estos son el par m, n que proporciona el disco más compacto. En este caso, se elige m para que sea el número de pares de polos en el anillo magnético interno y n para que sea el número de pares de polos en el anillo magnético externo. El método avanza a la etapa 25 donde la disposición de detección de posición se construye montando un disco que tiene un anillo magnético interno con m pares de polos y un anillo magnético externo con n pares de polos en la estructura articulada. El disco está unido rígidamente al elemento de la estructura articulada cuya posición está configurada para detectar. El disco está montado de tal manera que gira sobre el mismo eje que el elemento cuya posición está configurada para detectar.

Si, en la etapa 24, se determina que los valores de m y n determinados en las etapas 21 y 23 no son coprimos, entonces el método continúa con la etapa 26. En la etapa 26, el valor de n determinado en la etapa 23 se incrementa en 1. En la etapa 27, se determina si el nuevo valor de n determinado en la etapa 26 y el valor de m determinado en la etapa 21 son coprimos. Si no son coprimos, el método vuelve a la etapa 26, donde el valor de n se incrementa en 1. Luego, el método vuelve a la etapa 27, donde se determina si el nuevo valor de n es coprimo con m. Las etapas 26 y 27 continúan iterativamente, cada iteración incrementa el valor de n en 1, hasta que se alcanza un valor de n que es coprimo con m. Cada iteración incrementa la diferencia entre m y n en 1.

Una vez que se encuentra un valor de n que es coprimo con m, el método continúa con la etapa 28. En la etapa 28, el valor de m determinado en la etapa 21 se establece como el límite inferior de un rango de número de pares de polos del anillo 6 magnético interno. También en la etapa 28, el valor de n que se determinó como coprimo con m en la etapa 27 se establece como el límite superior de un rango de número de pares de polos del anillo 7 magnético externo.

En la etapa 29, se identifican más pares m,n coprimos que se encuentran dentro de los rangos establecidos en la etapa 28. En otras palabras, se identifican valores adicionales de m y n que son coprimos y para los cuales m es mayor que el límite inferior establecido en la etapa 28 y n es menor que el límite superior establecido en la etapa 28. Estos pares m,n coprimos también satisfacen cualquier otra restricción, tal como que el anillo magnético externo esté separado del anillo magnético interno por al menos el valor mínimo predeterminado de la distancia s.

En un ejemplo ilustrativo, los valores de m y n inicialmente determinados en las etapas 21 y 23 son m=30 y n=35. Estos no son coprimos. La iteración de n en la etapa 26 da como resultado un par m,n de m=30 y n=37. En la etapa 29 se identifican los siguientes pares coprimos adicionales: m=31, n=36; m=31, n=37; m=32, n=37.

En la etapa 30, se selecciona uno de los pares m,n coprimos. Este par m,n puede ser el valor de m determinado en la etapa 21 y el valor de n determinado como coprimo con ese valor de m en la etapa 27, o alternativamente, el par m,n puede haber sido determinado en la etapa 29 El par m,n seleccionado depende de la implementación.

En un ejemplo, el par coprimo m,n que tiene el mayor valor de m se selecciona en la etapa 30. En el ejemplo proporcionado anteriormente, se seleccionaría m=32, n=37. Seleccionar el par m,n con el mayor valor de m maximiza la precisión del sensor resultante, como se puede ver en la ecuación 1.

En otro ejemplo, el par coprimo m,n que tiene el valor más pequeño de n se selecciona en la etapa 30. En el ejemplo proporcionado anteriormente, se seleccionaría m=31, n=36. Seleccionar el par m,n con el valor más pequeño de n minimiza el radio exterior del disco r0, minimiza así el espacio total ocupado por el sensor.

En otro ejemplo, el par coprimo m,n que tiene el valor más pequeño de n-m se selecciona en la etapa 30. Seleccionar el par m,n con el valor más pequeño de n-m minimiza el ancho radial del disco, por lo que proporciona el sensor más compacto. En el ejemplo proporcionado anteriormente, dos pares m,n tienen el valor más pequeño de n-m: m=31, n=36; y m=32, n=37.

El par m,n seleccionado en la etapa 30 se puede elegir dependiendo del ángulo máximo de rotación que se va a detectar. Como se describió anteriormente, el ángulo máximo de rotación especifica una precisión mínima requerida, que a su vez especifica una suma mínima requerida del número de pares de polos sobre los anillos magnéticos. Esta es una restricción que compite con la provisión de un sensor compacto. Para equilibrar estos requisitos competitivos, el par coprimo m,n más pequeño cuya suma exceda la suma mínima requerida del número de pares de polos sobre los anillos magnéticos se puede seleccionar en la etapa 30.

Una o cualquier combinación de estos criterios puede aplicarse en una implementación específica. Por ejemplo, se puede seleccionar el par coprimo m,n que tiene el valor más pequeño de n-m. En el caso de que exista más de un par coprimo m,n que tenga el menor valor de n-m, se podrá seleccionar el que tenga mayor m. Por lo tanto, en el ejemplo anterior, se elegiría m=32, n=37.

Una vez que se selecciona el par m,n coprimo en la etapa 30, se elige m del par m,n seleccionado para que sea el número de pares de polos sobre el anillo magnético interno, y n del par m,n seleccionado se elige para sea el número de pares de polos en el anillo magnético externo. Luego, el método pasa a la etapa 25, donde se ensambla la disposición de detección de posición al montar un disco que tiene un anillo magnético interno con m pares de polos y un anillo magnético externo con n pares de polos en la estructura articulada como se describió anteriormente.

Ahora se describirá un método para determinar los valores de m y n para un ejemplo en el que el límite radial externo del disco 3 es limitante. Por ejemplo, el disco se puede montar dentro de una carcasa y, por lo tanto, el radio del límite radial externo ro del disco 3 tiene que ser menor que la distancia más cercana de la carcasa al punto central del disco. La Figura 7 ilustra las etapas de este método.

En la etapa 40, el máximo rn,máx está determinado. Este es el radio máximo de la línea 10 central del anillo magnético externo permitido por el radio exterior límite ro. Como se describe en la restricción 1 anterior, en su máxima expresión, la línea 10 central del anillo magnético externo está separada del límite 4 radial externo por la porción del ancho radial del ensamble del sensor magnético 12 que está dispuesta entre la línea 10 central del anillo magnético externo y el límite 4 radial externo. Esto es para asegurar que el ensamble 12 de sensores magnéticos esté confinado dentro del límite radial externo. En un ejemplo, el máximo ^{r n-máx}es dado por:

tn,™* = ro' (Wn 1)/2 (Ecuación 6)

En la etapa 41, se determina el número máximo de pares de polos n para el anillo magnético externo. El anillo magnético tiene un número completo de pares de polos. Por lo tanto, n es un entero. rn,máx se reduce al valor más alto de rn, dónde

2nrn = n2y (ecuación 7)

Donde n es un entero.

En la etapa 42, el máximo rm, máx. está determinado. Este es el radio máximo de la línea 9 central del anillo magnético interno permitido por el radio exterior límite ro. Como se describe en la restricción 3 anterior, como mínimo, la línea 9 central del anillo magnético interno está separada radialmente de la línea 10 central del anillo magnético externo por una distancia predeterminada. Esta distancia predeterminada es suficientemente grande para reducir o minimizar la interferencia en la lectura del sensor de un anillo magnético como resultado del otro anillo magnético.

ftrynii" - 5 (ecuación 8)

donde rn es el de la ecuación 7, y s es la distancia predeterminada.

En la etapa 43, se determina el número máximo de pares de polos m para el anillo magnético interno. El anillo magnético tiene un número completo de pares de polos. Por lo tanto, m es un entero. rm,máx se reduce al mayor valor de rm, dónde

2nrm = m 2y (ecuación 9)

Donde m es un entero.

En la etapa 44, se determina si los valores de m y n determinados en las etapas 41 y 43 son coprimos. Si m y n son coprimos, entonces estos son el par m, n que proporciona el disco más compacto. En este caso, se elige m para que sea el número de pares de polos sobre el anillo magnético interno y n para que sea el número de pares de polos sobre el anillo magnético externo. El método avanza a la etapa 45 donde la disposición de detección de posición se construye al montar un disco que tiene un anillo magnético interno con m pares de polos y un anillo magnético externo con n pares de polos en la estructura articulada. El disco está unido rígidamente al elemento de la estructura articulada cuya posición está configurada para ser detectada. El disco está montado de tal manera que gira sobre el mismo eje que el elemento cuya posición está configurada para ser detectada.

Si, en la etapa 44, se determina que los valores de m y n determinados en las etapas 41 y 43 no son coprimos, entonces el método continúa a la etapa 46. En la etapa 46, el valor de m determinado en la etapa 43 se reduce en 1. En la etapa 47, se determina si el nuevo valor de m determinado en la etapa 46 y el valor de n determinado en la etapa 41 son coprimos. Si no son coprimos, el método vuelve a la etapa 46, donde el valor de m se reduce en 1. Luego, el método vuelve a la etapa 47, donde se determina si el nuevo valor de m es coprimo con n. Las etapas 46 y 47 continúan iterativamente, cada iteración disminuye el valor de m en 1, hasta que se alcanza un valor de m que es coprimo con n. Cada iteración incrementa la diferencia entre m y n en 1.

Una vez que se encuentra un valor de m que es coprimo con n, el método continúa a la etapa 48. En la etapa 48, el valor de n determinado en la etapa 41 se establece como el límite superior de un rango de número de pares de polos del anillo 7 magnético externo. También en la etapa 48, el valor de m que se determinó como coprimo con n en la etapa 47 se establece como el límite inferior de un rango de número de pares de polos del anillo 6 magnético interno.

En la etapa 49, se identifican pares m,n coprimos adicionales que se encuentran dentro de los rangos establecidos en la etapa 48. En otras palabras, se identifican valores adicionales de m y n que son coprimos y para los cuales m es mayor que el límite inferior establecido en la etapa 48 y n es menor que el límite superior establecido en la etapa 48. Estos pares m,n coprimos también satisfacen cualquier otra restricción, tal como que el anillo magnético externo esté separado del anillo magnético interno por al menos la distancia predeterminada.

En la etapa 50, se selecciona uno de los pares m,n coprimos. Este par m,n puede ser el valor de n determinado en la etapa 41 y el valor de m determinado como coprimo con ese valor de m en la etapa 47, o alternativamente, el par m,n puede haber sido determinado en la etapa 49. El par m,n seleccionado depende de la implementación.

En un ejemplo, el par coprimo m,n que tiene el mayor valor de m se selecciona en la etapa 40. Seleccionar el par m,n con el mayor valor de m maximiza la precisión del sensor resultante, que se puede ver a partir de la ecuación 1.

En otro ejemplo, el par coprimo m,n que tiene el valor más pequeño de n-m se selecciona en la etapa 50. Seleccionar el par m,n con el valor más pequeño de n-m minimiza el ancho radial del disco, por lo que proporciona el sensor más compacto.

El par m,n seleccionado en la etapa 50 se puede elegir dependiendo del ángulo máximo de rotación que se va a detectar. El par m,n coprimo más pequeño cuya suma exceda la suma mínima requerida del número de pares de polos sobre los anillos magnéticos se puede seleccionar en la etapa 50.

Una o cualquier combinación de estos criterios puede aplicarse en una implementación específica. Por ejemplo, se puede seleccionar el par coprimo m,n que tiene el valor más pequeño de n-m. En el caso de que exista más de un par coprimo m,n que tenga el menor valor de n-m, se podrá seleccionar el que tenga mayor m.

Una vez que se selecciona el par m,n coprimos en la etapa 50, se elige m del par m,n seleccionado para que sea el número de pares de polos en el anillo magnético interno, y n del par m,n seleccionado se elige para sea el número de pares de polos sobre el anillo magnético externo. A continuación, el método continúa a la etapa 45, donde la disposición de detección de posición se ensambla al montar un disco que tiene un anillo magnético interno con m pares de polos y un anillo magnético externo con n pares de polos en la estructura articulada como se describió anteriormente.

Se entenderá que los diagramas de flujo de las figuras 6 y 7 representan métodos de ejemplo para determinar el número de polos sobre los anillos magnéticos interno y externo en casos en los que el límite radial interno o el límite radial externo del disco es limitante. No todas las etapas descritas son necesariamente necesarias para determinar el número de polos. Por ejemplo, el número mínimo de polos m y n determinado en las etapas 21 y 23 de la figura 6 se podría determinar sin determinar realmente los radios mínimos rm,mín y rn,mín. De manera similar, el número máximo de polos m y n determinado en las etapas 41 y 43 de la figura 7 se podría determinar sin determinar realmente los radios máximos rm,máx. y rn,máx.

El ángulo de rotación detectado por el sensor se puede determinar a partir de las lecturas del sensor del anillo magnético interno y el anillo magnético externo de la siguiente manera. El ángulo de rotación detectado es igual al número de revoluciones completas del anillo magnético externo más la lectura del sensor de corriente para el anillo magnético externo. La figura 8 es un gráfico que ilustra las mediciones del sensor teóricas y reales tomadas desde una disposición de detección de posición de la forma mostrada en la figura 1. El eje x es la medición del sensor de posición de la matriz 12 de sensores magnéticos externa. El eje y es una lectura de sensor combinada que es ((lectura de matriz de sensores externa x n) - (lectura de matriz de sensores interna x m)). El gráfico de líneas con estrellas ilustra la medición teórica con un 100 % de precisión. El diagrama de línea continua ilustra lecturas reales de ejemplo. El diagrama de línea con estrella es una serie de líneas rectas. Cada línea recta representa un número específico de revoluciones del anillo magnético externo y un número específico de revoluciones del anillo magnético interno. Por lo tanto, un método para determinar el ángulo de rotación detectado por el sensor es determinar:

X=(lectura de matriz de sensores externa x n) -(lectura de matriz de sensores interna x m) (ecuación 10)

Y comparar X con una tabla de búsqueda que asigna X a un número de revoluciones del anillo externo. El ángulo de rotación es entonces:

Ángulo de rotación = No. de revoluciones del anillo externo lectura de matriz de sensores externa actual (ecuación 11)

El ángulo de rotación se podría determinar alternativamente de manera similar con respecto a las lecturas de la matriz de sensores interna.

En el ejemplo mostrado en las figuras 1 y 2, ambos anillos 6 y 7 magnéticos están dispuestos en la misma superficie del disco 3. Sin embargo, los anillos 6 y 7 magnéticos pueden estar dispuestos en superficies opuestas del disco 3. En este caso, las matrices de sensores magnéticos se montan sobre superficies opuestas del disco 3. La matriz de sensores magnéticos interna está montada sobre el anillo magnético interno para detectar transiciones de polos sobre ese anillo magnético interno. La matriz de sensores magnéticos externa está montada sobre la matriz de sensores magnéticos externa para detectar transiciones de polos sobre ese anillo magnético externo. En este caso, la separación radial mínima s entre las líneas 9 y 10 centrales de los anillos magnéticos interno y externo es menor que si los anillos magnéticos estuvieran en la misma superficie del disco. Esto se debe a que la interferencia causada a una matriz de sensores magnéticos por un anillo magnético cuyos polos están expuestos sobre la superficie opuesta del disco a la matriz de sensores magnéticos es menor que la interferencia causada por un anillo magnético a la misma distancia sobre el mismo lado del disco como la matriz de sensores magnéticos. Por tanto, la distancia radial entre las líneas centrales de los anillos magnéticos interno y externo puede ser menor que la longitud de un par de polos 2y.

En el ejemplo mostrado en las figuras 1 y 2, los anillos 6, 7 magnéticos interno y externo están sobre el mismo disco 3. Alternativamente, el anillo magnético interno y el anillo magnético externo pueden estar dispuestos sobre discos diferentes. Esos discos diferentes tienen el mismo eje de rotación, que es el mismo que el elemento cuya rotación se va a detectar. Sin embargo, esos diferentes discos están separados a lo largo del eje de rotación. Por ejemplo, al medir la rotación de una junta giratoria, los discos se pueden montar sobre lados opuestos de la junta. Esto puede ser deseable por motivos de compacidad/empaque. En este ejemplo, el número de pares de polos m y n en los anillos magnéticos interno y externo se determinaría como se describe en el presente documento. Sin embargo, dado que los anillos magnéticos interno y externo están separados axialmente, la interferencia causada por un anillo magnético en la detección del otro anillo magnético es insignificante y, por lo tanto, no hay restricción para que los anillos magnéticos se separen radialmente.

El aparato y los métodos descritos en este documento se pueden utilizar para detectar menos de una revolución completa de un elemento con respecto a otro. El aparato y los métodos descritos en el presente documento también se pueden utilizar para detectar más de una revolución completa de un elemento con respecto a otro.

En una implementación de ejemplo, un motor acciona una caja de cambios que acciona un elemento de la estructura articulada. Un anillo magnético está unido rígidamente a la salida del árbol de motor desde el motor. El otro anillo magnético está unido rígidamente a la salida del árbol de transmisión de la caja de cambios. Por lo tanto, los dos anillos magnéticos están separados axialmente. El eje de rotación del árbol del motor y el árbol de transmisión son los mismos. Ambos anillos magnéticos están centrados sobre este eje de rotación. Adecuadamente, el anillo magnético interno que tiene m polos está unido al árbol de motor, y el anillo magnético externo que tiene n polos está unido al árbol de transmisión. n > m. Si se utiliza una relación de transmisión fraccionaria, entonces se puede distinguir más de una revolución del árbol de transmisión. Por ejemplo, con una relación de transmisión de 13:4, se pueden distinguir hasta cuatro revoluciones del árbol de transmisión. Esto es útil en una implementación de robot porque permite determinar la posición del árbol de transmisión durante la configuración sin tener que girar completamente el árbol de transmisión en una dirección y luego en la otra.

En una disposición en la que m es menor que un umbral, la matriz 11 de sensores magnéticos para el anillo magnético interno se implementa como una matriz circular sobre el eje en lugar de una matriz lineal. El umbral es el número máximo de polos m para los cuales la matriz de sensores magnéticos lineales no cruza el arco de la línea central del anillo magnético interno lo suficiente como para proporcionar una lectura utilizable.

En una implementación, m=1. En este caso, solo hay un par de polos sobre el anillo magnético interno. Este par de polos está centrado sobre el centro del disco 3. Este par de polos está sobre el eje de rotación del disco. Este par de polos no está alineado con ninguno de los pares de polos del anillo magnético externo. Esto permite detectar la dirección de rotación. Utilizar m=1 permite utilizar un sensor muy compacto, sin embargo, tiene baja precisión (ver ecuación 1).

Como se describió anteriormente, los pares m,n seleccionados son coprimos. En todos los casos n - m > 1. En el caso de que los anillos 6,7 magnéticos interno y externo estén sobre la misma superficie del disco 3, n - m > 7. Esto se debe a que la distancia radial s entre las líneas centrales de los anillos magnéticos interno y externo es mayor o igual que la longitud de un par de polos para evitar interferencias. El número de pares de polos sobre cada anillo magnético es un entero. Por lo tanto, la diferencia mínima entre el número de pares de polos sobre los dos anillos magnéticos es el primer número entero mayor que 2n, que es 7. En un ejemplo, n - m > 8. Por ejemplo, n = 41, m = 33. En otro ejemplo, n - m > 10. Por ejemplo, n = 47, m = 37.

El aparato y los métodos descritos anteriormente se relacionan con la detección de la rotación de dos anillos 6, 7 magnéticos. Los mismos métodos se pueden adaptar para detectar la rotación de tres o más anillos magnéticos. Todos los anillos magnéticos son coaxiales. Pueden estar todos dispuestos sobre un mismo disco o sobre varios discos separados axialmente a lo largo de su eje de rotación. La ecuación 1 muestra que la precisión de la posición detectada aumenta a medida que aumenta la suma de los pares de polos sobre los anillos magnéticos. Por lo tanto, al utilizar más anillos magnéticos, se mide una posición más precisa. El número de pares de polos en cada anillo magnético es coprimo con el número de pares de polos sobre todos los demás anillos magnéticos. Por lo tanto, en el caso de que haya tres anillos magnéticos, que tengan pares de polos m, n y h, m, n y h son todos coprimos. Cada anillo magnético está convenientemente separado radialmente de los anillos magnéticos adyacentes por al menos la distancia predeterminada. Cuando los anillos magnéticos están todos sobre la misma superficie de un disco, cada anillo magnético está preferiblemente separado de los anillos magnéticos adyacentes por al menos la longitud de un par de polos 2y.

En el caso de la figura 6, para un sensor de posición que tenga más de dos anillos magnéticos, se determinaría un mínimo m y un mínimo n como se establece en las etapas 21 y 23. Si hay un tercer anillo magnético, entonces se determinaría una h mínima de la misma manera que se determinó n a través de las etapas 22 y 23, pero esta vez la separación radial mínima es entre el anillo con n pares de polos y el anillo con h pares de polos. De manera similar, si hay anillos magnéticos adicionales, las etapas 22 y 23 se repiten para cada anillo magnético adicional de manera correspondiente. Solo si todos los números del par de polos son coprimos en la etapa 24, el método continúa a la etapa 25. De lo contrario, las etapas 26 y 27 del método se realizan para cada anillo adicional hasta que se determina un conjunto de números del par de polos coprimos para cada anillo. El número de pares de polos del anillo magnético más pequeño se establece como límite inferior para ese anillo magnético en la etapa 28. El número de pares de polos para el anillo magnético más grande se establece como límite superior para ese anillo magnético en la etapa 28. Se determinan números del par de polos coprimos adicionales para todos los anillos magnéticos en la etapa 29, asegurando que la separación entre los anillos adyacentes sea al menos la separación radial mínima. Se selecciona una combinación de pares de polos en la etapa 30 de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. La disposición de detección de posición se construye al montar un disco en la estructura articulada que tiene un grupo de anillos magnéticos con el número de pares de polos en cada anillo seleccionado en la etapa 30.

En el caso de la figura 7, para un sensor de posición que tiene más de dos anillos magnéticos, se determinaría un máximo n y un máximo m como se establece en las etapas 41 y 43. Si hay un tercer anillo magnético, entonces se determinaría un h máximo de la misma manera que se determinó m a través de las etapas 42 y 43, pero esta vez la separación radial mínima es entre el anillo con m pares de polos y el anillo con h pares de polos. De manera similar, si hay anillos magnéticos adicionales, las etapas 42 y 43 se repiten para cada anillo magnético adicional de manera correspondiente. Solo si todos los números del par de polos son coprimos en la etapa 44, el método continúa a la etapa 45. De lo contrario, las etapas 46 y 47 del método se realizan para cada anillo adicional hasta que se determina un conjunto de números del par de polos coprimos para cada anillo. El número de par de polos del anillo magnético más pequeño se establece como límite inferior para ese anillo magnético en la etapa 48. El número de par de polos para el anillo magnético más grande se establece como límite superior para ese anillo magnético en la etapa 48. Se determinan números del par de polos coprimos adicionales para todos los anillos magnéticos en la etapa 49, asegurando que la separación entre los anillos adyacentes sea al menos la separación radial mínima s. Se selecciona una combinación de par de polos en la etapa 50 de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. La disposición de detección de posición se ensambla al montar un disco en la estructura articulada que tiene un grupo de anillos magnéticos con el número de pares de polos sobre cada anillo seleccionado en la etapa 50.

El sensor de posición descrito en el presente documento es capaz de determinar de forma absoluta la posición de rotación relativa de dos objetos. En otras palabras, la posición se puede determinar directamente a partir de la salida de los sensores sin, por ejemplo, la necesidad de contar el movimiento ya que la posición de rotación relativa estaba en una configuración de referencia.

El aparato y los métodos descritos con referencia a las figuras 1 y 2 se refieren a medir la rotación relativa de dos elementos. Sin embargo, los mismos principios se aplican para medir el movimiento lineal relativo de dos elementos. En este caso, en lugar de que la matriz magnética esté dispuesta como anillos de pares de polos magnéticos, están dispuestos como pistas lineales de pares de polos magnéticos. Se utilizan dos o más pistas lineales. Las pistas tienen números coprimos de pares de polos magnéticos. Cada pista se encuentra paralela al movimiento lineal del elemento cuya posición se está detectando. Una matriz de sensores magnéticos lineales respectiva está montada sobre cada pista magnética, de tal manera que cuando el elemento se mueve, la matriz de sensores magnéticos lineales detecta las transiciones de polos de esa matriz de sensores magnéticos lineales. Por ejemplo, para un elemento que se mueve linealmente dentro de una carcasa, las matrices de sensores magnéticos pueden montarse en el elemento y las pistas magnéticas fijarse en la carcasa.

En la fabricación, el disco 3 se magnetiza para hacer que los anillos 6, 7 magnéticos tengan el diseño descrito anteriormente. Los cabezales de magnetización se montan sobre el disco de la misma manera que las matrices 11, 12 de sensores magnéticos de la figura 1 para magnetizar el disco. Se coloca una placa trasera magnética sobre la superficie opuesta del disco a la superficie sobre la que se montan los cabezales de magnetización. El disco gira, magnetizando de esta manera cada par de polos de los anillos magnéticos.

La precisión con la que se colocan los polos sobre el disco está limitada por errores de fabricación. Esos errores incluyen errores de posicionamiento radial y errores de espaciado angular. Los errores de posicionamiento radial ocurren cuando hay un desplazamiento entre el centro de los anillos magnéticos y el eje de rotación del disco cuando está montado en la estructura articulada. Cuando esté montado, la línea central de cada anillo magnético no estará en un radio constante desde el eje de rotación. Cuando se utiliza en un sensor de posición, el radio de la línea central de cada anillo magnético desde el eje de rotación es variable alrededor de su circunferencia y, por lo tanto, es diferente para diferentes pares de polos del anillo magnético. También se producen errores de posicionamiento radial si hay un desplazamiento entre las posiciones radiales previstas y reales del cabezal de magnetización. En tal caso, el anillo magnético inducido por el cabezal de magnetización tiene un radio constante desde el centro del disco, pero no el radio previsto. Por tanto, un número completo de pares de polos no se ajusta alrededor de la circunferencia del anillo magnético, lo que conduce a longitudes desiguales de uno o más pares de polos del anillo magnético.

Se pretende que los pares de polos de cada anillo magnético tengan una longitud circunferencial constante de 2y. Los errores de espaciado angular ocurren cuando la longitud circunferencial de los polos no está ni siquiera alrededor del anillo magnético. Esto puede ocurrir si el disco no se giró uniformemente debajo de los cabezales de magnetización durante la magnetización. Si los polos no tienen una longitud uniforme, la posición detectada será inexacta.

Los errores de posicionamiento radial y los errores de espaciado angular dan como resultado un patrón de polos que es irregular y no concéntrico al eje de rotación. La precisión de la medición de posición requerida depende del uso que se le dé. En el campo de la robótica, particularmente la robótica quirúrgica, las mediciones de posición deben ser muy precisas. Las medidas de posición de todas las juntas del brazo robótico se utilizan en combinación con el diseño conocido del brazo robótico para determinar la posición del efector final. La posición del efector final debe conocerse con gran precisión para poder controlarlo y realizar procedimientos en los que se requiere un control preciso, tal como la sutura de tejido en un paciente. Es posible que se requiera que la medición de la posición tenga una precisión de ±25 |jm, donde la precisión está determinada por la ecuación 1. Como se discutió anteriormente, la precisión requerida varía con el ángulo de rotación que debe ser detectable. Cuanto mayor sea el ángulo de rotación que debe ser detectable, mayor será la precisión requerida.

Todos los anillos magnéticos del disco 3 están magnetizados al mismo tiempo sobre la misma plantilla de magnetización. La plantilla de magnetización tiene tantas cabezas de magnetización como anillos magnéticos hay que magnetizar sobre el disco. Cada cabezal de magnetización induce el patrón de pares de polos magnéticos de un anillo magnético. En una implementación de ejemplo, la diferencia entre la ubicación de los polos sobre los dos anillos _{magnéticos tiene una precisión de} ±2y ^{* A * Vipares} de potos. ^{Al magnetizar todos los anillos magnéticos utilizando la}misma configuración al mismo tiempo, cualquier error de posicionamiento radial se aplica consistentemente en todos los anillos magnéticos. De manera similar, cualquier error de espaciado angular debido a que el disco no gira a una velocidad uniforme, se aplicará de manera uniforme a todos los anillos magnéticos. Estos errores sistemáticos afectan por igual a los pares de polos de todos los anillos magnéticos y, por lo tanto, el error introducido en la diferencia entre la ubicación de los polos sobre los dos anillos magnéticos será menor que la suma de los errores introducidos en los dos anillos individualmente. Por lo tanto, la tolerancia requerida en la magnetización cuando ambos anillos se magnetizan juntos para lograr la precisión deseada es significativamente (casi la mitad) de la tolerancia requerida si los anillos se magnetizan individualmente. Los errores sistemáticos pueden detectarse en las mediciones de posición y compensarse. Por ejemplo, con referencia a la figura 5, una porción del error en los datos reales del gráfico de línea continua es sistemático, lo que se puede ver por el hecho de que la línea continua se desplaza constantemente con la línea de datos teóricos. Es probable que este desplazamiento se deba a un error de magnetización del tipo descrito anteriormente. Este desplazamiento constante se puede determinar y eliminar para producir un resultado más preciso.

Los cabezales de magnetización de la plantilla de magnetización pueden colocarse en la misma línea radial desde el centro de rotación del disco cuando se monta en la plantilla de magnetización. Esto asegura que cualquier error introducido por la rotación desigual del disco durante la magnetización se aplique a lo largo de la misma línea radial a todos los anillos magnéticos. Las matrices de sensores magnéticos de la disposición de detección de posición se colocan sobre la misma línea radial desde el centro de rotación del disco cuando se monta en la estructura articulada. Las matrices de sensores magnéticos están ubicadas en la misma posición y orientación con respecto al disco en el que se ubican los cabezales de magnetización durante la magnetización.

Los sensores en las matrices de sensores magnéticos pueden ser monolíticos. Al formar los sensores en el mismo proceso, cualquier error es consistente entre los sensores y, por lo tanto, se identifica más fácilmente como un error sistemático cuando se evalúan las lecturas del sensor para generar una medición de posición.

Los valores m, n, h, etc. para el número de pares de polos sobre los anillos magnéticos del disco se pueden elegir para que sean tan grandes como sea posible dentro de las otras restricciones. Esto aumenta la precisión de las mediciones posteriores y, por lo tanto, reduce la concentricidad y los errores de posición introducidos por el proceso de fabricación.

El disco se monta en la estructura articulada en la misma configuración que se monta en la plantilla de magnetización. En otras palabras, el disco se monta en la estructura articulada en la misma posición y orientación que se monta en la plantilla de magnetización. Convenientemente, solo hay una única orientación en la que el disco se puede montar en la plantilla de magnetización y la estructura articulada. El disco comprende una disposición de montaje que ayuda al usuario a montar el disco en la estructura articulada en la misma configuración en la que estaba montado en la plantilla de magnetización.

La figura 9 ilustra una disposición de montaje de ejemplo. La disposición de montaje comprende un conjunto de orificios 60a, 60b, 60c, 60d pasantes. Estos orificios pasantes forman un patrón asimétrico sobre el disco. Los orificios pasantes permiten que el disco se monte en características complementarias sobre la plantilla de magnetización y la estructura articulada. Esas características complementarias están dispuestas en el mismo patrón asimétrico que el patrón asimétrico de los orificios pasantes en el disco. Por ejemplo, el disco se puede montar en pasadores que sobresalen de la plantilla de magnetización/estructura articulada en la misma disposición que el patrón de orificios pasantes en el disco. En este ejemplo, el disco está asegurado a la plantilla de magnetización/estructura articulada mediante un mecanismo de retención que retiene el disco contra la plantilla de magnetización/estructura articulada. Por ejemplo, los pasadores pueden ser pasadores roscados, y se puede enroscar una tuerca roscada en el pasador roscado para retener el disco en la plantilla de magnetización/estructura articulada. En otro ejemplo, la plantilla de magnetización/estructura articulada puede tener hendiduras roscadas en el mismo patrón asimétrico que el patrón de orificios pasantes sobre el disco. El disco se puede sujetar a la plantilla de magnetización/estructura articulada al enroscar el disco a la plantilla de magnetización/estructura articulada a través de los orificios pasantes en las hendiduras roscadas.

La figura 9 ilustra orificios pasantes como características de montaje de la disposición de montaje. Sin embargo, serían apropiados otros tipos de características de montaje, siempre que se proporcionen características complementarias en la plantilla de magnetización/estructura articulada en el mismo patrón asimétrico, y siempre que el disco se pueda asegurar a la plantilla de magnetización/estructura articulada mediante las características de montaje y características complementarias. Por ejemplo, las características de montaje en el disco pueden ser pasadores, y la plantilla de magnetización/estructura articulada tiene características complementarias.

Por lo tanto, el uso del patrón de característica de montaje desplazado que se muestra en la figura 9 permite que el disco se monte en una plantilla de magnetización/estructura articulada complementaria en una única orientación.

La figura 9 también ilustra otra disposición de montaje de ejemplo. La disposición de montaje comprende una o más muescas 61 de alineación. Cuando se monta en la plantilla de magnetización o estructura articulada, la muesca 61 de alineación se alinea con una característica complementaria sobre la plantilla de magnetización/estructura articulada. Esto asegura que el disco esté en la misma orientación cuando se monta tanto en la plantilla de magnetización como en la estructura articulada. La figura 9 ilustra una muesca de alineación, pero sería adecuado cualquier tipo de marca en la característica del disco, siempre que se proporcione una marca correspondiente sobre la plantilla de magnetización/estructura articulada para alinear la marca del disco.

Una vez que el disco ha sido magnetizado durante la fabricación, las posiciones de los polos se pueden medir y registrar con precisión. Se puede registrar la longitud de cada polo, o el error de cada longitud de polo con respecto a la longitud prevista. Se puede registrar la distancia radial entre el eje de rotación del disco y los polos. Estas medidas pueden registrarse en la unidad 14 de procesamiento. Esta caracterización de las posiciones de polo se puede utilizar posteriormente cuando el sensor de posición está en uso para compensar los errores introducidos durante la fabricación. Al utilizar una disposición de montaje que asegura que el disco se monta en la estructura articulada en la misma orientación que se montó en la plantilla de magnetización, la unidad de procesamiento puede mapear los datos detectados de los sensores de las matrices de sensores a los datos de caracterización registrados del anillo magnético y corregir los errores de fabricación conocidos, lo que da como resultado una medición de posición más precisa.

Alternativamente, o adicionalmente, se puede calibrar la disposición de detección de posición. El proceso de calibración implica generar una función de corrección que posteriormente se aplica a las lecturas de posición para producir lecturas de posición corregidas que sean más precisas. La figura 10 ilustra el campo magnético detectado por una matriz de sensores magnéticos cuando un anillo magnético gira en relación con él. 70 indica la porción del gráfico que muestra el campo magnético detectado desde un primer par de polos magnéticos, y 71 indica la porción del gráfico que muestra el campo magnético detectado desde un segundo par de polos magnéticos. Los sensores individuales se pueden ubicar en las posiciones marcadas 1,2, 3 y 4 en relación con los pares de polos magnéticos. En otras palabras, como se describió anteriormente, los centros de los sensores están separados por un cuarto de la longitud de un par de polos. Los centros de los sensores externos (marcados 1 y 4) están separados por tres cuartos de la longitud de un par de polos. Teóricamente, el campo magnético varía sinusoidalmente a medida que un anillo magnético pasa por la matriz de sensores magnéticos, con un período de la onda sinusoidal que representa un par de polos. Sin embargo, las imperfecciones en la fabricación del anillo magnético y la alineación del ensamble del sensor magnético con el anillo magnético hacen que el campo magnético se desvíe de una onda sinusoidal perfecta.

La figura 11 ilustra una lectura del sensor teórica tomada mientras un solo par de polos magnéticos pasa por el ensamble de sensores magnéticos. Esta lectura del sensor teórica es de múltiples bits y está representada por la línea 72 en la figura 11. La figura 11 también ilustra una lectura real del sensor tomada mientras un solo par de polos magnéticos pasa por el ensamble del sensor magnético. La lectura real del sensor es de múltiples bits y está representada por la curva 73 en la figura 11.

Ahora se describirá un proceso de calibración cuyo objetivo es corregir las lecturas de posición del sensor medido por el error mostrado en la figura 11. Este proceso se aplica a cada anillo magnético del disco individualmente.

En primer lugar, la matriz de sensores magnéticos toma una lectura 73 de posición para cada par de polos del anillo magnético. Esta lectura de posición se denomina a continuación lectura de posición del par de polos de calibración para ese par de polos. Para cada par de polos, la lectura 73 de posición del par de polos de calibración se compara con una lectura 72 de la posición del par de polos modelo para generar una función de corrección del par de polos para ese par de polos. Como se puede ver a partir de la figura 11, la curva de la lectura 73 de posición del par de polos de calibración oscila alrededor de la línea recta de la lectura 72 de posición del par de polos modelo. La curva de la lectura 73 de posición del par de polos de calibración puede oscilar periódicamente alrededor de la línea recta de la lectura 72 de posición del par de polos modelo. Para cada par de polos, la función de corrección del par de polos se puede generar al ajustar una curva a la lectura 73 de posición del par de polos de calibración, y luego deducir la línea recta de la lectura de posición del par de polos modelo de la curva ajustada. Esta curva se puede ajustar utilizando un método de mínimos cuadrados. Alternativamente, la curva se puede ajustar utilizando cualquier otro método conocido en la técnica. La curva ajustada se puede describir mediante una función que oscila periódicamente. Por ejemplo, la curva ajustada puede ser una función sinusoidal. La Figura 12 ilustra una función de corrección para un par de polos, que es una onda sinusoidal de amplitud A. En otras palabras, Asin©, donde © es el ángulo dentro de la onda sinusoidal del par de polos. Aunque la figura 12 solo muestra el primer armónico, Asin©, los armónicos más altos se pueden incluir en la función de corrección para el par de polos.

Las funciones de corrección de par de polos de los pares de polos del anillo magnético se promedian luego para generar una función de corrección de par de polos promedio para el anillo magnético. Si la función de corrección de cada par de polos está representada por una onda sinusoidal, entonces la función de corrección del par de polos promedio viene dada por:

[Ecuación 12)

Donde m es el número de pares de polos en el anillo magnético.

Convenientemente, esta función de corrección se almacena en la unidad 14 de procesamiento. Posteriormente, cuando el sensor de posición realiza una medición de posición, la medición de posición se corrige utilizando la función de corrección de par de polos promedio. La medición de posición comprende una pluralidad de lecturas de posición del par de polos. La función de corrección del par de polos promedio se deduce de la lectura de posición de cada par de polos de la medición de posición, generando de esta manera una medición de posición corregida.

Deducir la función de corrección del par de polos promedio de la lectura de posición de cada par de polos de un anillo magnético es menos preciso que utilizar los errores de cada par de polos individual. Sin embargo, almacenar solo una función de corrección de par de polos promedio por anillo magnético reduce el uso de memoria requerido para la corrección. También, deducir la función de corrección del par de polos promedio es algorítmicamente menos complejo que utilizar errores de pares de polos individuales y, por lo tanto, reduce la potencia de procesamiento requerida para la corrección.

La figura 13 ilustra las lecturas del sensor teóricas tomadas mientras un anillo magnético completo pasa por el ensamble del sensor magnético. Estas lecturas del sensor teóricas son de múltiples bits y están representadas por la línea 74 de la figura 13. La figura 13 también ilustra las lecturas del sensor reales tomadas mientras todo el anillo magnético pasa por el ensamble del sensor magnético. Estas lecturas del sensor reales son de múltiples bits y están representadas por la curva 75 en la figura 13. La curva 76 representa las lecturas del sensor reales que han sido corregidas por el error del par de polos como se describe en relación con las figuras 10 a 12. La figura 13 ilustra otro error en las lecturas del sensor reales. Este error es aproximadamente un error de onda sinusoidal en comparación con las lecturas del sensor teóricas representadas por la línea recta 74.

Ahora se describirá un proceso de calibración cuyo objetivo es corregir las lecturas de posición del sensor medidas para el error adicional mostrado en la figura 13. Este proceso se aplica a cada anillo magnético del disco individualmente.

En primer lugar, la matriz de sensores magnéticos toma una lectura 73 de posición para cada par de polos del anillo magnético. Como se indicó anteriormente, esta lectura de posición se denomina lectura de posición del par de polos de calibración para ese par de polos. Para cada par de polos, la lectura 73 de posición del par de polos de calibración se compara con una lectura 72 de la posición del par de polos modelo para generar una función de corrección del par de polos para ese par de polos, como se discutió anteriormente. Para cada par de polos, se genera una lectura de posición del par de polos de calibración corregida al deducir la función de corrección del par de polos de la lectura de posición del par de polos de calibración para ese par de polos. En el ejemplo de la figura 13, la curva 76 representa las lecturas de la posición del par de polos de calibración corregidas de todos los pares de polos del anillo magnético.

A continuación, se genera una función de corrección de revoluciones al comparar las lecturas de posición del par de polos de calibración corregidas para todos los pares de polos sobre el anillo magnético con las lecturas de posición de revolución modelo que son equivalentes a las lecturas del sensor teóricas mencionadas anteriormente.

Como se puede ver en la figura 13, la curva de las lecturas 76 de posición del par de polos de calibración corregidas oscila alrededor de la línea recta de las lecturas 74 de posición de revolución modelo. La curva de las lecturas 76 de posición del par de polos de calibración corregidas puede oscilar periódicamente alrededor de la línea recta de las lecturas 74 de posición de revolución modelo. La función de corrección de revoluciones se puede generar al ajustar una curva a las lecturas 76 de posición del par de polos de calibración corregidas, y luego deducir la línea recta de las lecturas 74 de posición de revolución modelo de la curva ajustada. Esta curva se puede ajustar utilizando un método de mínimos cuadrados. Alternativamente, la curva se puede ajustar utilizando cualquier otro método conocido en la técnica. La curva ajustada se puede describir mediante una función que oscila periódicamente. Por ejemplo, la curva ajustada puede ser una función sinusoidal. La función sinusoidal puede ser una onda sinusoidal de amplitud B, es decir, Bsin9, donde 9 es el ángulo dentro de la onda sinusoidal de revolución. Aunque en este ejemplo, la curva ajustada es solo un primer armónico, Bsin9, también se pueden incluir armónicos más altos.

La función de corrección de revoluciones se puede almacenar en la unidad 14 de procesamiento. Posteriormente, cuando el sensor de posición toma una medida de posición, la medida de posición se corrige utilizando la función de corrección de revoluciones al deducir la función de corrección de revoluciones de la lectura de posición.

Ambos mecanismos de calibración descritos se pueden llevar a cabo en las mediciones de posición, de tal manera que las mediciones de posición se corrigen utilizando tanto la función de corrección de par de polos promedio como la función de corrección de revoluciones. Alternativamente, solo se puede llevar a cabo uno de los mecanismos de calibración. Este único mecanismo de calibración puede ser el mecanismo de corrección de par de polos promedio o el mecanismo de corrección de revoluciones.

Los mecanismos de calibración se pueden realizar una vez montado el disco magnético en la junta giratoria u otros elementos cuya rotación relativa esté siendo detectada en la estructura articulada. Al realizar la calibración en esta etapa, se pueden detectar y compensar los errores introducidos durante el montaje del sensor de posición en su lugar (por ejemplo, al alinear el ensamble del sensor magnético sobre el disco magnético), así como aquellos introducidos durante la fabricación. El sensor se puede volver a calibrar en uso, utilizando los mecanismos de calibración descritos anteriormente. Los mecanismos de calibración pueden llevarse a cabo durante la fabricación, y el sensor de posición puede suministrarse con las funciones de corrección descritas, que se almacenan en la unidad 14 de procesamiento y posteriormente se aplican a las lecturas de posición medidas durante el uso.

En el campo de la robótica, y en particular de la robótica quirúrgica, es deseable que el brazo robótico sea lo más pequeño y ligero posible. Los sensores de posición utilizados en cada junta del brazo robótico también son preferentemente pequeños y ligeros. Por ejemplo, el disco 3 puede estar elaborado de aluminio. En este campo, la magnetización del disco in situ sobre el brazo del robot no es práctica. Debido a la naturaleza compacta del brazo robótico, no hay espacio suficiente para aplicar una plantilla de magnetización estándar alrededor del brazo robótico para magnetizar el disco. Adicionalmente, se utiliza una placa trasera magnética en el disco durante la magnetización para magnetizar el disco. Por ejemplo, se utiliza acero como esta placa trasera. Para magnetizar el disco in situ, el disco debería estar elaborado de acero u otro material magnético. Esto impediría hacer el disco de un material ligero como el aluminio. Por tanto, el disco no se magnetiza in situ, sino que se toman las medidas descritas en el presente documento para replicar el entorno de la plantilla de magnetización en la estructura articulada para compensar los errores introducidos durante la fabricación.

El solicitante divulga por la presente de forma aislada cada característica individual descrita en el presente documento y cualquier combinación de dos o más de dichas características, en la medida en que dichas características o combinaciones puedan llevarse a cabo sobre la base de la presente especificación como un todo a luz de los conocimiento generales comunes de un experto en la técnica, independientemente de si dichas características o combinaciones de características resuelven cualquier problema divulgado en el presente documento, y sin limitación al alcance de las reivindicaciones. El solicitante indica que los aspectos de la presente invención pueden consistir en cualquier característica individual o combinación de características. En vista de la descripción anterior, será evidente para un experto en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones dentro del alcance de la invención, que se define únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para corregir una lectura de posición desde una disposición de detección de posición, la disposición de detección de posición es adecuada para detectar la posición de una junta giratoria de una estructura articulada, la disposición de detección de posición comprende un disco (3) que tiene un anillo (6, 7) magnético con pares de polos magnéticos y un ensamble de sensores magnéticos que comprende una matriz (11, 12) de sensores magnéticos para detectar los pares de polos magnéticos del anillo (6, 7) magnético, el método comprende:

para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético, tomar una lectura (73) de posición del par de polos de calibración con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos, y generar una función de corrección del par de polos al comparar la lectura (73) de posición del par de polos de calibración con una lectura (72) de posición del par de polos del modelo; para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético, generar una lectura de posición del par de polos de calibración corregida al deducir la función de corrección del par de polos de la lectura (73) de posición del par de polos de calibración;

generar una función de corrección de revoluciones al comparar las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas para el anillo (6, 7) magnético con lecturas (74) de posición de revolución modelo; tomar una lectura de posición con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos; y

generar una lectura de posición corregida al:

deducir la función de corrección de revoluciones de la lectura de posición.

2. Un método según se reivindica en la reivindicación 1, en el que la lectura (73) de posición del par de polos de calibración es de múltiples bits.

3. Un método según se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en el que la función de corrección de revoluciones comprende una función que oscila periódicamente.

4. Un método según se reivindica en la reivindicación 3, en el que la función de corrección de revoluciones comprende una función sinusoidal.

5. Un método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende generar la función de corrección de revoluciones al ajustar una curva a las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas, y deducir una línea que representa las lecturas (74) de posición de revolución modelo de la curva ajustada.

6. Un método según se reivindica en la reivindicación 5, que comprende ajustar la curva a las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas utilizando un método de mínimos cuadrados.

7. Un método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el disco (3) comprende un anillo (6, 7) magnético adicional con pares de polos magnéticos, y el ensamble de sensores magnéticos comprende una matriz (11, 12) de sensores magnéticos adicional para detectar los pares de polos magnéticos del otro anillo (6, 7) magnético, el método comprende:

para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético adicional, tomar una lectura (73) de posición del par de polos de calibración adicional con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos adicional, y generar una función de corrección de par de polos adicional al comparar la lectura (73) de posición del par de polos de calibración con la lectura (72) de posición del par de polos del modelo;

para cada par de polos del anillo (6, 7) magnético adicional, generar una lectura de posición del par de polos de calibración corregida adicional al deducir la función de corrección de par de polos adicional de la lectura (73) de posición del par de polos de calibración adicional;

generar una función de corrección de revoluciones adicional al comparar las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas adicionales para el anillo (6, 7) magnético con lecturas (74) de posición de revolución modelo adicionales;

tomar una lectura de posición adicional con la matriz (11, 12) de sensores magnéticos; y

generar la lectura de posición corregida al:

deducir la función de corrección de revoluciones adicional de la lectura de posición adicional.

8. Un método según se reivindica en la reivindicación 7, en el que la función de corrección de revoluciones adicional comprende una función que oscila periódicamente.

9. Un método según se reivindica en la reivindicación 8, en el que la función de corrección de revoluciones adicional comprende una función sinusoidal.

10. Un método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que comprende generar la función de corrección de revoluciones adicional al ajustar una curva a las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas, y deducir una línea que representa las lecturas (74) de posición de revolución modelo de la curva ajustada.

11. Un método según se reivindica en la reivindicación 10, que comprende ajustar la curva a las lecturas (76) de posición del par de polos de calibración corregidas utilizando un método de mínimos cuadrados.