CN109564105B

CN109564105B - 磁位置传感器

Info

Publication number: CN109564105B
Application number: CN201780045470.1A
Authority: CN
Inventors: P·C·罗伯茨; E·J·莫特拉姆
Original assignee: CMR Surgical Ltd
Current assignee: CMR Surgical Ltd
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: GB201612768D0; ES2885109T3; JP6990231B2; CN109564105A; WO2018015750A1; EP3488188A1; GB2552478B; US20190265069A1; JP2019521362A; EP3488188B1; GB2552478A; US11054282B2

Abstract

一种组装位置感测装置的方法，该位置感测装置用于感测铰接结构的转动关节的位置。所述位置感测装置包括磁传感器组件和盘，该盘具有具备j个磁极对的第一磁环和具备k个磁极对的第二磁环。所述盘的边界受所述铰接结构约束。所述方法包括：将所述第一磁环的磁极对的数目确定为整数p，使得所述第一磁环与约束边界分开至少所述磁传感器组件的距离；将所述第二磁环的磁极对的数目确定为整数q，使得所述第二磁环与所述第一磁环分开预定距离；以及如果p和q互质，则：选择j为p且k为q；并且通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节都绕同一轴线旋转。

Description

磁位置传感器

背景技术

在涉及铰接结构的应用中，通常期望确定铰接结构的最远侧连杆的远端的位置。这可以通过沿铰接结构从铰接结构的基部到最远侧连杆，感测每个连杆相对于最后一个连杆的位置来实现。这一系列的测量可以与铰接结构的已知布局结合使用，以确定最远侧连杆的远端相对于基部的位置。旋转位置传感器用于感测连杆之间的相对旋转。线性位置传感器用于感测连杆之间的相对纵向运动。

霍尔效应磁传感器通常用于感测连杆之间的相对运动。在典型的旋转位置传感器中，环具有围绕其布置的一组交替磁极。传感器与环相互作用，并且被定位成使得磁极在期望感测的旋转发生时移动经过传感器。例如，环可以围绕轴附接，并且传感器可以附接至壳体(轴在该壳体内旋转)。当磁极移动经过传感器时，传感器检测到磁极性的变化。通过对极性变化的数目进行计数，可以感测到相对于参考位置的旋转的量。为了感测旋转方向，可以提供两对这样的环和传感器，并且该两对环和传感器被布置成使得一个传感器检测到该传感器的环的磁转变的旋转位置与另一传感器检测到其环的磁转变的位置错开。通过考虑由每个传感器检测到的转变的相对定时，可以感测到旋转方向。

机器人领域利用铰接结构作为机器人臂。精确的位置感测对于机器人臂是重要的，以确保机器人臂的末端执行器被精确地按预期进行操纵。位置传感器的磁环越大，则越精确地感测到机器人臂的两个连杆的相对旋转。然而，在一些机器人应用中，例如在外科机器人领域中，希望位置传感器非常紧凑以装配在可用空间内并使位置传感器增加到臂上的重量最小化。

因此，需要一种平衡精度和紧凑性的抵触要求的改进的位置传感器。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种组装用于感测铰接结构的转动关节的位置的位置感测装置的方法，所述位置感测装置包括磁传感器组件和盘，所述盘具有具备j个磁极对的第一磁环和具备k个磁极对的第二磁环，所述盘的边界由所述铰接结构约束，所述方法包括：将所述第一磁环的磁极对的数目确定为整数p，使得所述第一磁环与约束边界分开至少所述磁传感器组件的距离；将所述第二磁环的磁极对的数目确定为整数q，使得所述第二磁环与所述第一磁环分开预定距离；以及如果p和q互质，则选择j为p，且k为q；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节绕同一轴线旋转。

如果p和q不是互质的，则所述方法可以包括：迭代地确定所述第二磁环的磁极对的数目的另一q值，使得p和q之间的差每次迭代递增1；以及对于每次迭代，如果p和q互质，则将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的界限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的界限；识别一个或更多个其它互质数对p’、q’，其中：p’在所述第一磁环的磁极对的数目范围内，q’在所述第二磁环的磁极对的数目范围内，并且对于该p’、q’对，所述第二磁环与所述第一磁环分开至少所述预定距离；选择具有最大p’值的识别的p’、q’对；选择j为所选择的p’且k为所选择的q’；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节绕同一轴线旋转。

如果p和q不是互质的，则所述方法可以包括：迭代地确定所述第二磁环的磁极对的数目的另一q值，使得p和q之间的差每次迭代递增1；以及对于每次迭代，如果p和q互质，则将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的界限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的界限；识别一个或更多个其它互质数对p’、q’，其中：p’在所述第一磁环的磁极对的数目范围内，q’在所述第二磁环的磁极对的数目范围内，并且对于该p’、q’对，所述第二磁环与所述第一磁环分开至少所述预定距离；选择具有最大q’值的识别的p’、q’对；选择j为所选择的p’且k为所选择的q’；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节绕同一轴线旋转。

如果p和q不是互质的，则所述方法可以包括：迭代地确定所述第二磁环的磁极对的数目的另一q值，使得p和q之间的差每次迭代递增1；以及对于每次迭代，如果p和q互质，则将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的界限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的界限；识别一个或更多个其它互质数对p’、q’，其中：p’在所述第一磁环的磁极对的数目范围内，q’在所述第二磁环的磁极对的数目范围内，并且对于该p’、q’对，所述第二磁环与所述第一磁环分开至少所述预定距离；选择具有最小q’值的识别的p’、q’对；选择j为所选择的p’且k为所选择的q’；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节绕同一轴线旋转。

如果p和q不是互质的，则所述方法可以包括：迭代地确定所述第二磁环的磁极对的数目的另一q值，使得p和q之间的差每次迭代递增1；以及对于每次迭代，如果p和q互质，则将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的界限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的界限；识别一个或更多个其它互质数对p’、q’，其中：p’在所述第一磁环的磁极对的数目范围内，q’在所述第二磁环的磁极对的数目范围内，并且对于该p’、q’对，所述第二磁环与所述第一磁环分开至少所述预定距离；选择具有最小|p’-q’|值的识别的p’、q’对；选择j为所选择的p’且k为所选择的q’；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节绕同一轴线旋转。

所述第一磁环和所述第二磁环可以是同心的，所述第一磁环在所述第二磁环内部，所述约束边界是所述盘的径向内边界。

所述方法可以包括通过每次迭代使q递增1来迭代地确定另一q值，其中p’>p且q’<q，并且其中对于每次迭代，如果p和q互质，则所述方法包括将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的下限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的上限。

所述第一磁环和所述第二磁环可以是同心的，所述第一磁环在所述第二磁环外部，所述约束边界是所述盘的径向外边界。

所述方法可以包括通过每次迭代使q递减1来迭代地确定另一q值，其中p’<p且q’>q，并且其中对于每次迭代，如果p和q互质，则所述方法包括将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的上限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的下限。

如果p和q不是互质的，则所述方法可以包括：迭代地确定所述第二磁环的磁极对的数目的另一q值，使得p和q之间的差每次迭代递增1；以及对于每次迭代，如果p和q互质，则将p选为所述第一磁环的磁极对的数目范围的界限，并且将q选为所述第二磁环的磁极对的数目范围的界限；识别一个或更多个其它互质数对p’、q’，其中：p’在所述第一磁环的磁极对的数目范围内，q’在所述第二磁环的磁极对的数目范围内，并且对于该p’、q’对，所述第二磁环与所述第一磁环分开至少所述预定距离；根据要由所述位置感测装置检测的所述转动关节的最大旋转角度，选择识别的p’、q’对；选择j为所选择的p’且k为所选择的q’；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节绕同一轴线旋转。

所述盘还可以包括具有l个极对的第三磁环，并且所述方法还可以包括：将所述第三磁环的磁极对的数目确定为整数s，使得所述第三磁环与所述第二磁环分开另一预定距离；以及如果p、q和s互质，则选择j为p，k为q，且l为s；以及通过将所述盘安装到所述铰接结构来组装所述位置感测装置，使得允许所述盘和所述转动关节都绕同一轴线旋转。

根据本发明的另一方面，提供了一种位置感测装置，其包括：具有j个磁极对的第一磁阵列；具有k个磁极对的第二磁阵列，所述第二磁阵列相对于所述第一磁阵列不可移动；以及磁传感器组件，其用于检测所述磁传感器组件与所述第一磁阵列和所述第二磁阵列的相对位置；其中j和k互质，并且|j-k|>1。

适当地，|j-k|>7。

所述位置感测装置可以安装到铰接结构，其中所述第一磁阵列是第一磁环，所述第二磁阵列是第二磁环，并且所述位置感测装置用于感测所述铰接结构的转动关节的位置，所述第一磁环和所述第二磁环安装到所述铰接结构，使得允许所述第一磁环、所述第二磁环和所述转动关节全部绕同一轴线旋转。

所述第一磁环和所述第二磁环都可以设置在所述盘上。所述第一磁环和所述第二磁环可以设置在所述盘的相同表面上或所述盘的相对表面上。所述第一磁环和所述第二磁环可以沿着所述轴线分离。所述第二磁环可以与所述第一磁环径向分开预定距离。

所述预定距离可以至少是磁极对的长度。

所述磁传感器组件可以包括设置在所述第一磁阵列上方的第一磁传感器阵列和设置在所述第二磁阵列上方的第二磁传感器阵列，所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的每一个的相邻传感器分开磁极对的长度的四分之一。

所述第一磁传感器阵列可以具有小于所述第一磁环的径向范围的径向范围，并且所述第二磁传感器阵列可以具有小于所述第二磁环的径向范围的径向范围。

所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的每一个可以是直线的。所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的每一个可以包括四个传感器。所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的任一个或两者可以被布置成环形构造。

所述位置感测装置还可以包括具有l个磁极对的第三磁环，该第三磁环相对于所述第一磁环和所述第二磁环不可移动，所述第三磁环被安装到所述铰接结构，使得允许所述第三磁环绕与所述第一磁环和所述第二磁环相同的轴线旋转，其中j、k和l互质，并且|l-k|>1且|l-j|>1。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式描述本发明。在附图中：

图1示出了装备有位置感测装置的轴的一般表示；

图2示出了图1的盘3的尺寸；

图3示出了图1的磁环的一部分；

图4示出了图1的磁传感器阵列；

图5是示出理论和实际位置传感器读数的图；

图6是示出当径向内边界是限制性时确定两个磁环的磁极对数目的方法的流程图；

图7是示出当径向外边界是限制性时确定两个磁环的磁极对数目的方法的流程图；

图8是示出理论和实际组合的位置传感器读数的图；

图9示出了用于安装该盘的装置；

图10示出了由磁传感器阵列检测到的磁场；

图11示出了当单个磁极对经过磁传感器组件时读取的理论和实际传感器读数；

图12示出了用于磁极对的校正函数；以及

图13示出了当整个磁环经过磁传感器组件时读取的理论和实际传感器读数。

具体实施方式

下文涉及一种用于铰接结构的位置感测装置以及组装该位置感测装置的方法。通过感测铰接结构的每个关节的位置，可以根据感测到的关节位置和铰接结构的已知布局的组合来确定铰接结构的远端的位置。在机器人臂的示例中，机器人臂的基部经由通过关节连接在一起的一系列连杆与位于机器人臂的远端的末端执行器联接。关节可以是转动关节或平移关节。在转动关节的情况下，感测关节的旋转。换句话说，感测转动关节所附接的两个轴的相对旋转。感测旋转角度和旋转方向。在平移关节的情况下，感测关节的纵向运动。换句话说，感测平移关节所附接的两个轴的相对运动。感测移动距离和移动方向。

图1示出了用于检测轴1绕轴线2的旋转的位置感测装置的示例。该位置感测装置检测轴1绕轴线2旋转的角度和方向。该位置感测装置包括磁传感器组件和盘3。在图2上更详细地示出了盘3。盘3是具有径向外边界4和径向内边界5的环。环的两个边界都以盘3的中心点为中心。径向外边界的半径为r_o。径向内边界的半径为r_i。盘3与位置正被感测的元件固定在一起。在这种情况下，盘3刚性地安装到轴1。在轴1和盘3之间不允许相对运动。盘3绕轴线2旋转。换句话说，盘3和轴1绕公共的轴线旋转。

两个磁环6、7设置在盘3上。磁环相对于彼此是不可移动的。这两个磁环是同心的。两个磁环都以盘的中心为中心。换句话说，磁环被布置成以轴1的旋转轴线2为轴线的圆环。盘的中心与内磁环6的中心线9之间的径向距离为r_m。盘的中心与外磁环7的中心线10之间的径向距离是r_n。磁环6、7的中心线9、10被分开径向距离s。径向距离s的最小值是预先确定的。适当地，径向距离s至少是磁极对的长度。换句话说，s≥2y。

每个磁环承载限定磁极8的多个永磁体。在每个磁环的感测表面上，磁体绕着环在北极和南极之间交替极性。内磁环6具有m个磁极对。外磁环7具有n个磁极对。内磁环6上的每个磁极8在制造公差内具有相同的形状和尺寸。外磁环7上的每个磁极8在制造公差内具有相同的形状和尺寸。适当地，在制造公差内以及内磁环的弧半径不同于外磁环的弧半径的事实下，内磁环6上的每个磁极8与外磁环7上的每个磁极8具有相同的形状和尺寸。在图3中更详细地示出磁环的一部分。每个磁极8具有径向长度x和周向长度y。在一个示例中，y为2mm。在该示例中，磁极对(即北极和相邻的南极对)具有4mm的周向长度。

磁传感器组件安装到铰接结构，以便检测两个元件之间的相对旋转。磁传感器组件刚性地附接到这两个元件中的一个，使得不允许磁传感器组件相对于该元件移动。盘3刚性地附接到这两个元件中的另一个，使得不允许磁环6、7相对于该另一个元件移动。在图1的示例的情况下，盘3刚性地附接到轴1。磁传感器组件刚性地附接到铰接结构的一部分，轴1相对于该部分旋转。

磁传感器组件检测第一磁环和第二磁环与磁传感器组件的相对旋转。磁传感器组件包括两个磁传感器阵列11、12。内磁传感器阵列11邻近内磁环6设置并与内磁环6对准。外磁传感器阵列12邻近外磁环7设置并与外磁环7对准。由于磁传感器组件安装到铰接结构(轴1相对于该铰接结构旋转)，因此当轴1旋转时，磁环6和7旋转经过磁传感器阵列11、12。当磁环(传感器阵列设置在其上方)的北极和南极之间的转变移动经过传感器阵列时，每个传感器阵列能够检测该转变。在示例性实施方式中，第一磁环6和第二磁环7被径向分开至少磁极对的长度。增加环的间隔减少了每个环对另一个环的传感器造成的干扰。因此，将环分开至少磁极对的长度有助于内磁传感器阵列11仅检测内磁环6的转变，并且外磁传感器阵列12仅检测外磁环7的转变。

每个磁传感器阵列11、12包括一组传感器。图4示出了磁传感器阵列包括四个单独的传感器13a、13b、13c、13d的示例。各个磁传感器阵列是直线的。从图4可以看出，各个传感器布置成直线。该组的传感器都具有相同的尺寸和形状，并且在它们之间具有相等的间隔。每个传感器13具有宽度t和长度u，并且与下一个传感器间隔距离v。相邻传感器的中心间隔距离z。在图4所示的示例中，其中磁传感器阵列具有四个单独的传感器，z等于极对长度的四分之一。换句话说，z＝y/2。因此，当标记为1和3的传感器的中心在相邻极之间的边界上方时，标记为2和4的传感器的中心在相邻极的中心上方。外部传感器(标记为1和4)的中心被分开达磁极对长度的四分之三。在示例性实施方式中，t小于磁环的径向范围x。换句话说，t<x。

由于各个传感器处于直线上，而磁环是环形的，因此当轴旋转时，每个传感器的中心并不一致地与磁极的中心对准。传感器中心和磁极中心之间的偏移随着轴的旋转而变化。该可变偏移导致传感器输出中的系统误差。在替代实施方式中，磁传感器阵列11、12每个都是以盘3的中心为中心的环形构造。在这种情况下，每个磁传感器阵列的中心线的半径与其正在读取的磁环的中心线的半径相同。因此，当轴旋转时，磁传感器阵列的中心线与其正在读取的磁环的中心线一致地对准。

传感器例如可以是霍尔效应传感器、磁簧传感器、磁阻传感器或感应传感器。

每个磁传感器阵列11、12被布置成提供表示相邻极相对于该磁传感器阵列的相对位置的多位输出。磁环上的极的数目和相对位置被布置成使得在待测旋转角度范围内的轴的每个位置与来自两个磁传感器阵列11、12的唯一输出组相关联。内环上的极数m和外环上的极数n是不同的并且是互质的。极数的选择将在下面进一步描述。来自传感器的输出传递到处理单元14。

可以选择磁传感器阵列11、12的周向位置和盘3绕轴线2的旋转位置，使得磁传感器阵列11感测到的内磁环6上的磁极之间的转变与磁传感器阵列12感测到的外磁环7上的磁极之间的转变发生在轴的不同旋转位置处。这使得能够根据每个磁传感器阵列感测的转变的相对顺序推断轴的旋转方向。

磁传感器阵列11、12的输出传递到处理单元14。处理单元包括处理器装置15，其可以被硬编码以解译来自磁传感器阵列11、12的信号，或者处理器装置15可以是被配置为执行以非瞬时方式存储在存储器16中的软件代码的通用处理器。处理器装置将来自传感器的信号进行组合以在17处形成集成输出信号。

现在将描述选择内磁环6上的磁极对的数目m和外磁环7上的磁极对的数目n的方法。

m和n的选择可以受制于以下约束中的任何一个、任何组合或全部约束。

1、内磁环6和外磁环7都需要装配在盘3上。适当地，内磁传感器阵列11和外磁传感器阵列12也分别设置在盘3的覆盖区内。径向内边界5处于半径r_i处。为了在不超过径向内边界5的情况下将内磁传感器阵列11装配在盘3上方，内磁环的中心线9与径向内边界5分开磁传感器组件11的径向宽度的至少一部分，该部分设置在内磁环的中心线9与径向内边界5之间。该部分可以是磁传感器组件的径向宽度的一半，即，w_m/2。换句话说，r_m>r_i+w_m/2。如果传感器阵列在传感器组件内径向偏移，则该部分可以更大。在一个示例中，r_m>r_i+(w_m+t)/2。径向外边界4处于半径r_o处。为了在不超过径向外边界4的情况下将外磁传感器阵列12装配在盘3上方，外磁环的中心线10与径向外边界4分开磁传感器组件12的径向宽度的至少一部分，该部分设置在外磁环的中心线10与径向外边界4之间。该部分可以是磁传感器组件的径向宽度，即，w_n/2。换句话说，r_n<r_o-w_n/2。如果传感器阵列在传感器组件内径向偏移，则该部分可以更大。在一个示例中，r_n<r_o-(w_n+t)/2。

2、相邻传感器的中心相隔极对长度的四分之一。换句话说，相邻的传感器相隔y/2。这确保了磁传感器阵列可以在盘旋转时检测每个磁极转变。

3、内磁环6的中心线与外磁环7的中心线之间的径向距离s大于预定距离。依据所希望的针对杂散磁场的不敏感性来设置该预定距离。适当地，s>2y。在这种情况下，内磁传感器阵列11正在检测的内磁环6上的最近的磁极总是比外磁环7上的磁极更近。类似地，外磁传感器阵列12正在检测的外磁环7上的最近的磁极总是比内磁环6上的磁极更近。因此，这防止了位于一个磁环上方的磁传感器阵列检测到来自另一磁环的磁场而产生的干扰。

4、每个磁传感器阵列中的传感器的最小数目b大于阈值。该阈值使得存在足够的空间采样以供清楚的位置读数。适当地，b≥4。在没有检测到磁谐波的情况下，四个传感器就足够了。

5、每个磁传感器的宽度t小于磁环的径向范围x。换句话说，t<x。如果磁传感器阵列比磁环窄，则检测到的转变的信噪比减小。

6、盘的径向内边界可以由铰接结构约束。例如，在图1中，盘的径向内边界由轴1限定。在这种情况下，径向内边界的半径r_i必须至少与轴1的半径一样大。

7、盘的径向外边界可以由铰接结构约束。例如，位置传感器可以装配在铰接结构的壳体内。在这种情况下，径向外边界的半径r_o必须至少与壳体的半径一样小。

8、位置传感器被设置为检测最大旋转角度。该最大旋转角度取决于正被检测旋转的元件。对于转动关节，待检测的最大旋转角度取决于该关节在运动链中的位置。待检测的最大旋转角度可以小于360°。待检测的最大旋转角度可以大于360°。位置测量的精度与待检测的旋转角度成比例。待检测的旋转角度越大，所需的位置测量的精度越高。传感器读数精度由下式给出：

精度＝±2y×1/2×1/∑磁极对 (式1)

∑磁极对是盘上全部磁环的磁极对的数目之和。当盘上有两个磁环时，∑磁极对＝m+n。磁环上的磁极对越多，磁环越大。因此，更大的磁环带来更精确的位置测量。待检测的旋转角度越大，实现所需精度的m和/或n越大。因此，用于检测一个元件相对于另一个元件的旋转的磁环上的磁极对的数目受到两个元件之间待检测的相对旋转角度的限制。在转动关节的情况下，m和n的选择针对转动关节的待检测的最大旋转角度。

图5是示出从图1所示形式的位置感测装置获得的理论和实际位置传感器测量值的图。x轴是外磁传感器阵列12的位置传感器测量值，y轴是内磁传感器阵列11的位置传感器测量值。星形线图示出了具有100％精度的理论测量值。实线图示出了示例实际读数。由于盘上的磁环的磁化的制造变化、磁传感器阵列的制造变化和/或磁环与磁传感器阵列之间的不对准，这些示例实际读数不同于理论读数。在图5中，实际读数与理论读数有一致的偏差，这表明实际读数存在系统误差。该偏差可能是由于对盘进行磁化时的误差造成的。例如，磁环的中心可能稍微偏离盘的旋转中心。图5还显示了读数中除了系统误差之外的附加误差。为了准确地检测哪个传感器读数是预期的，图5的图中实际读数的实线需要相比于接近另一条理论读数线更接近正确的理论读数线。

现在将针对盘3的径向内边界是限制性的示例来描述确定m和n的值的方法。例如，盘可以安装在轴上，因此盘3的径向内边界的半径r_i必须大于轴的半径。图6示出了该方法的步骤。

在步骤20，确定最小r_m,min。这是由限制性内半径r_i所允许的内磁环的中心线9的最小半径。如在上面的约束条件1中所描述的，在取最小值时，内磁环的中心线9与径向内边界5分开磁传感器组件11的径向宽度的一部分，该部分设置在内磁环的中心线9与径向内边界5之间。这是为了确保磁传感器组件11被限制在径向内边界内。在一个示例中，最小r_m-min由下式给出：

r_m,min＝r_i+(w_m+t)/2(式2)

在步骤21，确定内磁环的磁极对的最小数目m。磁环具有整数磁极对。因此，m是整数。r_m,min增大到满足下式的最低r_m值，

2πr_m＝m2y(式3)

其中m是整数。

在步骤22，确定最小r_n,min。这是由限制性内半径r_i所允许的外磁环的中心线10的最小半径。如上文约束条件3中所述，在取最小值时，外磁环的中心线10与内磁环的中心线9径向隔开预定距离。该预定距离适当地大到足以将一个磁环的传感器读数中的由于另一磁环而导致的干扰减小或最小化。

r_n,min＝r_m+s(式4)

其中，r_m是来自式3的r_m，s是预定距离。

在步骤23，确定外磁环的磁极对的最小数目n。磁环具有整数磁极对。因此，n是整数。r_n,min增大到满足下式的最低r_n值，

2πr_n＝n2y(式5)

其中n是整数。

在步骤24中，确定在步骤21和步骤23中确定的m和n的值是否互质。如果m和n互质，则其是提供最紧凑盘的m、n对。在这种情况下，把m选为内磁环上的磁极对的数目，把n选为外磁环上的磁极对的数目。该方法进行到步骤25，在该步骤中通过将具有具备m个磁极对的内磁环和具备n个磁极对的外磁环的盘安装到铰接结构来构造位置感测装置。盘被刚性地附接到铰接结构的元件，盘被配置为感测该元件的位置。盘被安装成使得其与有待检测位置的元件绕相同的轴线旋转。

如果在步骤24确定在步骤21和步骤23中确定的m和n的值不是互质的，则该方法进行到步骤26。在步骤26，将在步骤23确定的n的值递增1。在步骤27，确定在步骤26确定的n的新值和在步骤21确定的m的值是否互质。如果它们不是互质的，则该方法返回到步骤26，在该步骤中n的值递增1。然后，该方法返回到步骤27，在该步骤中确定n的新值是否与m互质。步骤26和步骤27迭代地继续，每次迭代将n的值递增1，直到达到与m互质的n的值为止。由此，每次迭代将m和n之间的差递增1。

一旦发现与m互质的n的值，则该方法进行到步骤28。在步骤28，将在步骤21确定的m的值设置为内磁环6的磁极对的数目范围的下限。同样在步骤28，将在步骤27确定为与m互质的n的值设置为外磁环7的磁极对的数目范围的上限。

在步骤29，识别位于通过步骤28设置的范围内的另外的互质m、n对。换句话说，识别出其它互质的m和n的值，并且m大于在步骤28中设置的下限，n小于在步骤28中设置的上限。这些互质m、n对还满足任何其它约束，例如使得外磁环与内磁环分开至少预定的距离s的最小值。

在说明性示例中，最初在步骤21和步骤23确定的m的值和n的值是m＝30且n＝35。这些值不是互质的。在步骤26对n进行迭代产生m＝30且n＝37的m、n对。在步骤29，识别以下其它互质对：m＝31，n＝36；m＝31，n＝37；m＝32，n＝37。

在步骤30，选择互质m、n对中的一个。该m、n对可以是在步骤21中确定的m的值和在步骤27中被确定为与m的值互质的n的值，或者另选地，已经在步骤29中确定了m、n对。所选择的m、n对取决于实现方式。

在一个示例中，在步骤30中选择具有最大m值的互质m、n对。在上面提供的示例中，将选择m＝32，n＝37。选择具有最大m值的m、n对使得到的传感器的精度最大化，如可以从式1看到的。

在另一示例中，在步骤30中选择具有最小n值的互质m、n对。在上面提供的示例中，将选择m＝31，n＝36。选择具有最小n值的m、n对使盘的外半径r_o最小化，从而使传感器所占用的总空间最小化。

在另一示例中，在步骤30选择具有最小n-m值的互质m、n对。选择具有最小n-m值的m、n对使盘的径向宽度最小化，因此提供了最紧凑的传感器。在上面提供的示例中，两个m、n对具有最小n-m值：m＝31，n＝36；m＝32，n＝37。

可以根据要感测的最大旋转角度来选择在步骤30选择的m、n对。如上所述，最大旋转角度指定所需的最小精度，该最小精度又指定磁环上所需的最小磁极对数目和。这是与提供紧凑传感器相抵触的约束。为了平衡这些相抵触的要求，可以在步骤30选择最小的互质m、n对，其和超过磁环上所需的最小磁极对数目和。

可以在特定实现中应用这些标准中的任何一个或组合。例如，可以选择具有最小n-m值的互质m、n对。在存在超过一个具有最小n-m值的互质m、n对的情况下，可以选择这些m、n对当中具有最大m的一对。因此，在以上示例中，将选择m＝32，n＝37。

一旦在步骤30选择了互质m、n对，则所选m、n对中的m被选定为内磁环上的磁极对的数目，并且所选m、n对中的n被选定为外磁环上的磁极对的数目。然后，该方法进行到步骤25，在该步骤中通过将具有具备m个磁极对的内磁环和具备n个磁极对的外磁环的盘安装到如前所述的铰接结构来组装位置感测装置。

现在将针对盘3的径向外边界是限制性的示例来描述确定m和n的值的方法。例如，盘可以安装在壳体内，因此盘3的径向外边界的半径r_o必须小于壳体到盘的中心点的最近距离。图7说明了该方法的步骤。

在步骤40，确定最大r_n,max。这是由限制性外半径r_o所允许的外磁环的中心线10的最大半径。如在上面的约束条件1中所描述的，在取最大值时，外磁环的中心线10与径向外边界4分开磁传感器组件12的径向宽度的一部分，该部分设置在外磁环的中心线10与径向外边界4之间。这是为了确保磁传感器组件12被限制在径向外边界内。在一个示例中，最大r_n,max由下式给出：

r_n,max＝r_o-(w_n+t)/2(式6)

在步骤41，确定外磁环的磁极对的最大数目n。磁环具有整数磁极对。因此，n是整数。r_n,max减小到满足下式的最高r_n值，

2πr_n＝n2y(式7)

其中n是整数。

在步骤42，确定最大r_m,max。这是由限制性外半径r_o所允许的内磁环的中心线9的最大半径。如上文约束条件3中所述，在取最小值时，内磁环的中心线9与外磁环的中心线10径向隔开预定距离。该预定距离适当地大到足以使由于另一个磁环导致的一个磁环的传感器读数中的干扰减小或最小化。

r_m,max＝r_n-s(式8)

其中，r_n是来自式7的r_n，s是预定距离。

在步骤43，确定内磁环的磁极对的最大数目m。磁环具有整数磁极对。因此，m是整数。r_m,max减小到满足下式的最大r_m值，

2πr_m＝m2y(式9)

其中m是整数。

在步骤44，确定在步骤41和步骤43确定的m和n的值是否互质。如果m和n互质，则其是提供最紧凑盘的m、n对。在这种情况下，把m选为内磁环上的磁极对的数目，把n选为外磁环上的磁极对的数目。该方法进行到步骤45，在该步骤中通过将具有具备m个磁极对的内磁环和具备n个磁极对的外磁环的盘安装到铰接结构来构造位置感测装置。盘被刚性地附接到铰接结构的元件，盘被配置为感测该元件的位置。盘被安装成使得其绕与元件(盘被配置为感测其位置)相同的轴线旋转。

如果在步骤44确定在步骤41和步骤43确定的m和n的值不是互质的，则该方法进行到步骤46。在步骤46，将在步骤43确定的m的值递减1。在步骤47，确定在步骤46确定的m的新值和在步骤41确定的n的值是否互质。如果它们不是互质的，则该方法返回到步骤46，在该步骤中m的值递减1。然后，该方法返回到步骤47，在该步骤中确定m的新值是否与n互质。步骤46和步骤47迭代地继续，每次迭代将m的值递减1，直到达到与n互质的m的值为止。由此，每次迭代将m和n之间的差递增1。

一旦发现与n互质的m的值，则该方法进行到步骤48。在步骤48，将在步骤41确定的n的值设置为外磁环7的磁极对的数目范围的上限。同样在步骤48，将在步骤47确定为与n互质的m的值设置为内磁环6的磁极对的数目范围的下限。

在步骤49，识别位于通过步骤48设置的范围内的另外的互质m、n对。换句话说，识别出m和n互质的其它值，并且m大于在步骤48中设置的下限，n小于在步骤48中设置的上限。这些互质m、n对还满足任何其它约束，例如使得外磁环与内磁环分开至少预定距离。

在步骤50，选择互质m、n对中的一个。该m、n对可以是在步骤41中确定的n的值和在步骤47中被确定为与m的值互质的m的值，或者另选地，已经在步骤49中确定了m、n对。所选择的m、n对取决于实现方式。

在一个示例中，在步骤40选择具有最大m值的互质m、n对。选择具有最大m值的m、n对使得到的传感器的精度最大化，这可从式1得知。

在另一示例中，在步骤50选择具有最小n-m值的互质m、n对。选择具有最小n-m值的m、n对使盘的径向宽度最小化，因此提供了最紧凑的传感器。

可以根据要感测的最大旋转角度来选择在步骤50选择的m、n对。可以在步骤50选择最小的互质m、n对，其和超过磁环上所需的最小磁极对数目和。

可以在特定实现中应用这些标准中的任何一个或组合。例如，可以选择具有最小n-m值的互质m、n对。在存在超过一个具有最小n-m值的互质m、n对的情况下，可以选择这些m、n对当中具有最大m的一对。

一旦在步骤50选择了互质m、n对，则所选m、n对中的m被选定为内磁环上的磁极对的数目，并且所选m、n对中的n被选定为外磁环上的磁极对的数目。然后，该方法进行到步骤45，在该步骤中通过将具有具备m个磁极对的内磁环和具备n个磁极对的外磁环的盘安装到如前所述的铰接结构来组装位置感测装置。

将要理解，图6和图7的流程图表示在盘的径向内边界或径向外边界是限制性的情况下确定内磁环和外磁环上的磁极数目的示例性方法。并非必须要求所描述的全部步骤以确定磁极的数目。例如，可以在实际上没有确定最小半径r_m,min和r_n,min的情况下确定在图6的步骤21和步骤23确定的磁极的最小数目m和n。类似地，可以在实际上没有确定最大半径r_m,max和r_n,max的情况下确定在图7的步骤41和步骤43确定的磁极的最大数目m和n。

由传感器检测到的旋转角度可以如下从来自内磁环和外磁环的传感器读数中确定。检测到的旋转角度等于外磁环的整数转数加上外磁环的当前传感器读数。图8是示出从图1所示形式的位置感测装置获得的理论和实际传感器测量值的图。x轴是外磁传感器阵列12的位置传感器测量值。y轴是组合的传感器读数，其为((外传感器阵列读数×n)-(内传感器阵列读数×m))。星形线图示出了具有100％精度的理论测量值。实线图示出了示例实际读数。星形线图是一系列的直线。每条直线表示外磁环的特定转数和内磁环的特定转数。因此，确定由传感器检测到的旋转角度的一种方法是确定：

X＝(外传感器阵列读数×n)-(内传感器阵列读数×m)(式10)

并且将X与将X映射到外环的转数的查找表进行比较。旋转角度则为：

旋转角度＝外环的转数+当前外传感器阵列读数(式11)

另选地，可以相对于内传感器阵列读数以类似的方式确定旋转角度。

在图1和图2所示的示例中，磁环6和磁环7都设置在盘3的同一表面上。然而，磁环6和磁环7可以设置在盘3的相对表面上。在这种情况下，磁传感器阵列安装在盘3的相对表面上方。内磁传感器阵列安装在内磁环上方，以便检测该内磁环上的磁极的转变。外磁传感器阵列安装在外磁传感器阵列上方，以便检测该外磁环上的磁极的转变。在这种情况下，内磁环的中心线9和外磁环的中心线10之间的最小径向间距s小于磁环在盘的同一表面上的情况。这是因为磁极暴露在盘的与磁传感器阵列相对的表面上的磁环对该磁传感器阵列造成的干扰小于在盘的与磁传感器阵列同一侧的相距相同距离的磁环造成的干扰。因此，内磁环的中心线与外磁环的中心线之间的径向距离可以小于磁极对长度2y。

在图1和图2所示的示例中，内磁环6和外磁环7在同一盘3上。可选地，内磁环和外磁环可以设置在不同的盘上。这些不同的盘具有相同的旋转轴线，该旋转轴线与元件(其旋转待检测)的旋转轴线相同。然而，这些不同的盘沿旋转轴线分开。例如，当测量转动关节的旋转时，盘可以安装在关节的相对侧上。出于包装/紧凑性的原因，这可能是期望的。在该示例中，将如本文中描述地那样确定内磁环上的极对的数目m和外磁环上的极对的数目n。然而，由于内磁环和外磁环轴向分离，由一个磁环对另一个磁环的感测造成的干扰可忽略，因此不存在磁环需要径向间隔开的约束。

本文描述的装置和方法可用于检测一个元件相对于另一个元件的小于整圈的旋转。本文描述的装置和方法还可以用于检测一个元件相对于另一个元件的大于一整圈的旋转。

在示例实施方式中，马达驱动变速箱，该变速箱驱动铰接结构的元件。一个磁环刚性地附接到马达的电机轴输出端。另一个磁环刚性地附接到变速箱的驱动轴输出端。因此，两个磁环轴向分离。电机轴的旋转轴线和驱动轴的旋转轴线是相同的。两个磁环都以该旋转轴线为中心。适当地，具有m个磁极的内磁环附接到电机轴，具有n个磁极的外磁环附接到驱动轴。n>m。如果使用分数齿轮比，则可以区分驱动轴的多于一周的旋转。例如，在齿轮比为13:4的情况下，可以区分驱动轴的最多四圈旋转。这在机器人实现中是有用的，因为其使得能够在设置期间确定驱动轴的位置，而不必使驱动轴在一个方向上完全旋转然后在另一个方向上完全旋转。

在m小于阈值的结构中，用于内磁环的磁传感器阵列11被实现为同轴环形阵列而不是直线阵列。阈值是最大磁极数目m，对于该最大磁极数目m，直线磁传感器阵列不足以与内磁环的中心线的弧相交以提供可用的读数。

在一个实现中，m＝1。在这种情况下，在内磁环上只有一对磁极对。该磁极对以盘3的中心为中心。该磁极对位于盘的旋转轴线上。该磁极对不与外磁环上的任何磁极对对准。这使得能够检测旋转方向。使用m＝1使得能够使用非常紧凑的传感器，然而其具有低精度(见式1)。

如上所述，所选择的m、n对互质。在全部情况下，n-m>1。在内磁环6和外磁环7位于盘3的同一表面上的情况下，n-m≥7。这是因为内磁环的中心线与外磁环的中心线之间的径向距离s大于或等于极对的长度，以避免干扰。各个磁环上的磁极对的数目是整数。因此，两个磁环上的磁极对数目之间的最小差是大于2π的第一个整数，即7。在一个示例中，n-m≥8。例如，n＝41，m＝33。在另一个例子中，n-m≥10。例如，n＝47，m＝37。

上述装置和方法涉及感测两个磁环6、7的旋转。相同的方法可以适用于感测三个或更多个磁环的旋转。全部的磁环都是同轴的。它们可以全部设置在同一个盘上或者沿旋转轴线轴向分离的几个盘上。式1示出了感测到的位置的精度随着磁环上的磁极对之和的增大而提高。因此，通过利用另外的磁环，测得的位置更精确。每个磁环上的磁极对的数目与全部其它磁环上的磁极对的数目互质。因此，在存在具有m、n和h个磁极对的三个磁环的情况下，m、n和h都是互质的。每个磁环与相邻的磁环适当地径向隔开至少预定距离。在磁环都在盘的同一表面上的情况下，每个磁环优选地与相邻磁环分开至少磁极对的长度2y。

在图6的情况下，对于具有超过两个磁环的位置传感器，将如步骤21和步骤23中所示地确定最小m和最小n。如果存在第三磁环，则以与通过步骤22和步骤23确定n相同的方式确定最小h，但是此时最小径向间隔是在具有n个磁极对的环和具有h个磁极对的环之间。类似地，如果存在另外的磁环，则以相应的方式针对每个另外的磁环重复步骤22和步骤23。只有在步骤24全部的磁极对数目都互质时，该方法才进行到步骤25。否则，对每个另外的环执行方法步骤26和步骤27，直至确定针对各个环的一组互质的磁极对数目。在步骤28，最小磁环的磁极对数目被设置为针对该磁环的下限。在步骤28，最大磁环的磁极对数目被设置为针对该磁环的上限。在步骤29确定针对全部磁环的另外的互质磁极对数目，确保相邻环之间的间隔至少是最小的径向间隔。在步骤30，根据上述方法选择磁极对组合。通过将盘安装到铰接结构来构造位置感测装置，该盘具有一组磁环，在步骤30中选择了每个环上的磁极对的数目。

在图7的情况下，对于具有超过两个磁环的位置传感器，将如步骤41和步骤43所示地确定最大n和最大m。如果存在第三磁环，则以与通过步骤42和步骤43确定m相同的方式确定最大h，但是此时最小径向间隔是在具有m个磁极对的环和具有h个磁极对的环之间。类似地，如果存在另外的磁环，则以相应的方式针对每个另外的磁环重复步骤42和步骤43。只有在步骤44全部的磁极对数目都互质时，该方法才进行到步骤45。否则，对每个另外的环执行方法步骤46和步骤47，直至确定针对各个环的一组互质的磁极对数目。在步骤48，最小磁环的磁极对数目被设置为针对该磁环的下限。在步骤48，最大磁环的磁极对数目被设置为针对该磁环的上限。在步骤49确定针对全部磁环的另外的互质磁极对数目，确保相邻环之间的间隔至少是最小的径向间隔s。在步骤50，根据上述方法选择磁极对组合。通过将盘安装到铰接结构来组装位置感测装置，该盘具有一组磁环，在步骤50中选择了每个环上的磁极对的数目。

本文描述的位置传感器能够绝对确定两个物体的相对旋转位置。换句话说，可以从传感器的输出直接确定位置，而不会例如由于相对旋转位置处于参考配置中便需要对运动进行计数。

参照图1和图2描述的装置和方法涉及测量两个元件的相对旋转。然而，相同的原理适用于测量两个元件的相对直线运动。在这种情况下，不是将磁阵列布置为磁极对的环，而是将它们布置为磁极对的直线轨道。使用两个或更多个直线轨道。这些轨道具有互质的磁极对数目。每个轨道平行于位置正被感测的元件的直线运动。相应的直线磁传感器阵列安装在每个磁轨道上方，使得当元件移动时，直线磁传感器阵列检测该直线磁传感器阵列的磁极转变。例如，对于在壳体内直线移动的元件，磁传感器阵列可以安装到该元件，并且磁轨道固定到壳体。

在制造时，将盘3磁化以使磁环6、7具有上述布局。按与图1的磁传感器阵列11、12相同的方式将磁化头安装到盘上方以使盘磁化。将磁性背板定位在盘的与上方安装有磁化头的表面相对的表面上。将盘旋转，从而磁化磁环的每个磁极对。

磁极定位在盘上的精度受到制造误差的限制。这些误差包括径向定位误差和角间隔误差。在盘被安装到铰接结构时当磁环的中心与盘的旋转轴线之间存在偏移时发生径向定位误差。当安装时，每个磁环的中心线将不在距旋转轴线的恒定半径处。当用在位置传感器中时，每个磁环的中心线距旋转轴线的半径绕该磁环的圆周变化，因此对于磁环的不同磁极对是不同的。如果在磁化头的预期径向位置和实际径向位置之间存在偏移，则也会出现径向定位误差。在这种情况下，由磁化头感应的磁环具有距盘中心的恒定半径，但不具有预期半径。因此，整数个极对无法围绕磁环的圆周配合，这导致磁环的一个或更多个极对的长度不均匀。

期望每个磁环的磁极对具有恒定周向长度2y。当磁极的周向长度围绕磁环不均匀时，会出现角间隔误差。如果在磁化期间盘没有在磁化头下方均匀地旋转，则可能发生这种情况。如果磁极不具有均匀的长度，则感测到的位置将是不准确的。

径向定位误差和角间隔误差导致不规则且不与旋转轴线同心的磁极图案。所需位置测量的精度取决于使用它的目的。在机器人领域，特别是外科机器人领域，位置测量需要高度精确。结合机器人臂的已知布局来使用机器人臂的全部关节的位置测量值，以确定末端执行器的位置。需要高精度地知道末端执行器的位置，以便控制该末端执行器执行需要精细控制的过程，例如缝合患者体内的组织。要求位置测量具有±25μm的精度，其中精度由式1确定。如前所述，所需的精度随待检测的旋转角度而变化。待检测的旋转角度越大，所需的精度越高。

盘3的全部磁环在同一磁化夹具上同时被磁化。磁化夹具具有与盘上要磁化的磁环一样多的磁化头。每个磁化头感应一个磁环的磁极对图案。在示例性实施方式中，两个磁环上的磁极的位置之间的差异精确到±2y×1/2×1/∑磁极对之内。通过使用相同的设置同时磁化全部磁环，任何径向定位误差一致地应用于全部磁环。类似地，由于盘没有以均匀速率旋转而导致的任何角间隔误差将一致地应用于全部磁环。这些系统误差同等地影响全部磁环的磁极对，因此引入到两个磁环上的磁极的位置之间的差异的误差将小于单独引入到两个环中的误差之和。因此，当两个环一起被磁化以实现期望精度时，在磁化中所需的公差明显是如果环被单独磁化所需的公差(的几乎一半)。系统误差可以在位置测量中被检测到并被补偿。例如，参照图5，实线图的实际数据中的一部分误差是系统性的，这可以从实线与理论数据线一致地偏差的事实中看出。该偏差可能是由于上述类型的磁化误差造成的。可以确定并去除该恒定偏差，以产生更精确的结果。

当盘安装到磁化夹具上时，磁化夹具的磁化头可以定位在距该盘的旋转中心相同的径向线上。这确保了在磁化期间由盘的不均匀旋转导致的任何误差沿着相同的径向线施加到全部磁环。当盘安装到铰接结构时，位置感测装置的磁传感器阵列定位在距该盘的旋转中心相同的径向线上。磁传感器阵列以与磁化期间磁化头相对于盘的相同的位置和取向设置。

磁传感器阵列中的传感器可以是单片的。通过在同一过程中形成传感器，传感器当中的任何误差都是一致的，因此当正在评估传感器读数以生成位置测量值时，更容易将上述误差作为系统误差识别。

可以将盘的磁环上的磁极对的数目的值m、n、h等选择得在其它约束内尽可能大。这增加了后续测量的精度，因此降低了由制造过程造成的同心度和位置误差。

盘以与其被安装到磁化夹具相同的配置安装到铰接结构。话句话说，盘以与其被安装到磁化夹具相同的位置和取向安装到铰接结构。适当地，仅存在盘可以安装到磁化夹具和铰接结构的单一取向。盘包括安装结构，该安装结构帮助用户以与将盘安装到磁化夹具相同的配置将盘安装到铰接结构。

图9示出了示例性安装结构。该安装结构包括一组通孔60a、60b、60c、60d。这些通孔在盘上形成非对称图案。通孔使盘能够安装到磁化夹具和铰接结构上的互补部件上。这些互补部件以与盘上的通孔的非对称图案相同的非对称图案布置。例如，盘可以安装到以与盘上的通孔的图案相同的布置从磁化夹具/铰接结构突出的销。在该示例中，盘通过保持机构固定到磁化夹具/铰接结构，该保持机构将盘抵靠磁化夹具/铰接结构保持。例如，销可以是螺纹销，并且可以将螺纹螺母螺纹连接到螺纹销上以将盘保持到磁化夹具/铰接结构。在另一示例中，磁化夹具/铰接结构可以具有与盘上的通孔的图案相同的非对称图案的螺纹凹槽。通过将盘穿过通孔螺纹连接到磁化夹具/铰接结构螺纹凹槽中，可以将盘保持到磁化夹具/铰接结构。

图9示出了作为安装结构的安装部件的通孔。然而，只要以相同的非对称图案在磁化夹具/铰接结构上设置互补部件，并且只要盘能够通过安装部件和互补部件固定到磁化夹具/铰接结构，则其它类型的安装部件将是合适的。例如，盘上的安装部件可以是销，并且磁化夹具/铰接结构具有互补的部件。

因此，使用图9所示的偏移安装部件图案使得盘能够仅以单一的取向安装到互补的磁化夹具/铰接结构。

图9还示出了另一示例性安装结构。该安装结构包括一个或更多个对准凹口61。当安装在磁化夹具或铰接结构上时，对准凹口61与磁化夹具/铰接结构上的互补部件对准。这确保了当盘安装到磁化夹具和铰接结构两者上时，盘处于相同的取向。图9示出了对准凹口，但是盘部件上的任何类型的标记都是合适的，只要在磁化夹具/铰接结构上设置对应的标记以将盘的标记与之对准即可。

一旦盘已在制造期间被磁化，就可以准确地测量和记录磁极位置。可以记录每个磁极的长度，或者每个磁极长度与预期长度的误差。可以记录盘的旋转轴线与磁极之间的径向距离。这些测量值可以记录在处理单元14中。可以随后在使用位置传感器时使用磁极位置的这种特征，以便补偿在制造期间造成的误差。通过使用确保盘以与安装到磁化夹具的取向相同的取向安装到铰接结构的安装结构，处理单元能够将来自传感器阵列的传感器的感测数据映射到所记录的磁环的特征数据，并校正已知的制造误差，从而产生更精确的位置测量。

另选地或另外地，可以校准位置感测装置。校准过程包括生成校正函数，随后将该校正函数应用于位置读数，以便产生更精确的校正位置读数。

图10示出了当磁环相对于磁传感器阵列旋转时该磁传感器阵列检测到的磁场。70表示示出从第一磁极对检测到的磁场的图的一部分，71表示示出从第二磁极对检测到的磁场的图的一部分。各个传感器可以相对于磁极对位于标记为1、2、3和4的位置。换句话说，如前所述，传感器的中心被分开达磁极对的长度的四分之一。外部传感器(标记为1和4)的中心被分开达磁极对长度的四分之三。理论上，磁场随着磁环移动经过磁传感器阵列而正弦变化，正弦波的一个周期表示一个磁极对。然而，磁环的制造以及磁传感器组件与磁环的对准中的缺陷导致磁场偏离理想的正弦波。

图11示出了当单个磁极对经过磁传感器组件时读取的理论传感器读数。该理论传感器读数是多位的并且在图11中用线72表示。图11还示出了当单个磁极对经过磁传感器组件时读取的实际传感器读数。该实际传感器读数是多位的并且在图11中用曲线73表示。

现在将描述校准过程，其目的是针对图11所示的误差校正所测得的传感器位置读数。该过程被单独地应用于盘的每个磁环。

首先，通过磁传感器阵列获取针对磁环的每个磁极对的位置读数73。该位置读数在下文中被称为该磁极对的校准磁极对位置读数。针对每个磁极对，将校准磁极对位置读数73与模型磁极对位置读数72进行比较，以便生成针对该磁极对的磁极对校正函数。从图11可以看出，校准磁极对位置读数73的曲线围绕模型磁极对位置读数72的直线振荡。校准磁极对位置读数73的曲线可以围绕模型磁极对位置读数72的直线周期性地振荡。针对每个磁极对，可以通过将曲线拟合到校准磁极对位置读数73，然后从拟合的曲线中减去模型磁极对位置读数的直线，来生成磁极对校正函数。可以使用最小二乘法来拟合该曲线。或者，可以使用本领域已知的任何其它方法来拟合曲线。可以通过周期性振荡函数来描述拟合的曲线。例如，拟合的曲线可以是正弦函数。图12示出了磁极对的校正函数，该校正函数是幅度为A的正弦波。换句话说，Asinθ，其中θ是磁极对正弦波内的角度。尽管图12仅示出了基波，Asinθ，但是磁极对的校正函数中可以包括高次谐波。

然后，对磁环的磁极对的磁极对校正函数求平均值，以产生磁环的平均磁极对校正函数。如果每个磁极对的校正函数由正弦波表示，则平均磁极对校正函数由下式给出：

其中m是磁环上的磁极对的数目。

适当地，该校正函数被存储在处理单元14中。随后，当位置传感器取得位置测量值时，使用平均磁极对校正函数来校正该位置测量值。位置测量值包括多个磁极对位置读数。从位置测量值的每个磁极对位置读数中减去平均磁极对校正函数，从而生成校正的位置测量值。

从磁环的每个磁极对位置读数中减去平均磁极对校正函数不如利用每个单独磁极对的误差精确。然而，每个磁环仅存储一个平均磁极对校正函数减少了校正所需的存储器使用。而且，减掉平均磁极对校正函数在算法上比使用单独的磁极对误差更简单，因此减少了校正所需的处理功率。

图13示出了当整个磁环经过磁传感器组件时读取的理论传感器读数。这些理论传感器读数是多位的并且在图13中用线74表示。图13还示出了当整个磁环经过磁传感器组件时读取的实际传感器读数。这些实际传感器读数是多位的并且在图13中用曲线75表示。曲线76表示已经如参照图10至12所描述的针对磁极对误差校正的实际传感器读数。图13示出了实际传感器读数中的另一误差。与由直线74表示的理论传感器读数相比，该误差近似为正弦波误差。

现在将描述校准过程，其目的是针对图13所示的另一误差校正所测得的传感器位置读数。该过程被单独地应用于盘的每个磁环。

首先，通过磁传感器阵列获取针对磁环的每个磁极对的位置读数73。如上，该位置读数被称为该磁极对的校准磁极对位置读数。对于每个磁极对，将校准磁极对位置读数73与模型磁极对位置读数72进行比较，以便生成针对如上所述的该磁极对的磁极对校正函数。然后针对每个磁极对，通过从针对该磁极对的校准磁极对位置读数中减去磁极对校正函数来生成经校正的校准磁极对位置读数。在图13的示例中，曲线76表示磁环的全部磁极对的经校正的校准磁极对位置读数。

然后通过将磁环上的全部磁极对的经校正的校准磁极对位置读数与模型旋转位置读数进行比较来生成转动校正函数。从图13可以看出，经校正的校准磁极对位置读数76的曲线围绕模型旋转位置读数74的直线振荡。经校正的校准磁极对位置读数76的曲线可以围绕模型旋转位置读数74的直线周期性地振荡。可以通过将曲线拟合到经校正的校准磁极对位置读数76，然后从拟合的曲线中减去模型旋转位置读数74的直线，来生成转动校正函数。可以使用最小二乘法来拟合该曲线。或者，可以使用本领域已知的任何其它方法来拟合曲线。可以通过周期性振荡函数来描述拟合的曲线。例如，拟合的曲线可以是正弦函数。正弦函数可以是幅度为B的正弦波，即，BsinΦ，其中Φ是旋转正弦波内的角度。尽管在该示例中，拟合的曲线仅是基波，BsinΦ，但是也可以包括高次谐波。

转动校正函数可以存储在处理单元14中。随后，当位置传感器进行位置测量时，通过从位置读数中减去转动校正函数，使用转动校正函数来校正位置测量值。

可以对位置测量值执行所述的两个校准机制，从而使用平均磁极对校正函数和转动校正函数两者来校正位置测量值。另选地，可以仅执行校准机制中的一个。该单个校准机制可以是平均磁极对校正机制或旋转校正机制。

一旦磁盘安装到转动关节或铰接结构中的其它元件(其相对旋转正被感测)上，就可以执行校准机制。通过在此阶段执行校准，可以检测并补偿在将位置传感器组装到位期间(例如，当将磁传感器组件在磁盘上方对准时)造成的误差以及在制造期间造成的误差。可以利用上述校准机制在使用中重新校准传感器。可以在制造期间执行校准机制，并且向位置传感器提供所描述的校正函数，该校正函数存储在处理单元14中并且随后在使用期间应用于所测得的位置读数。

在机器人领域中，特别是在外科机器人领域，期望机器人臂尽可能地小和轻。在机器人臂的每个关节上使用的位置传感器也优选地小且轻。例如，盘3可以由铝制成。在该领域中，在机器人臂上将盘原位磁化是不切实际的。由于机器人臂的紧凑性质，在机器人臂周围没有足够的空间应用标准磁化夹具以将盘磁化。另外，在磁化期间使用盘的磁性背板以将盘磁化。例如，使用钢作为该背板。为了将盘原位磁化，盘将需要由钢或其它磁性材料制成。这将排除由诸如铝的轻型材料制成盘。因此，盘不是原位磁化的，而是采取本文所述的措施来复制铰接结构处的磁化夹具环境，以便补偿在制造期间造成的误差。

申请人在此独立地公开了本文描述的每个单独特征以及两个或更多个这样的特征的任意组合，只要这样的特征或组合能够基于本说明书的整体根据本领域技术人员的公知常识来执行，而不管这样的特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不限于权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单独特征或特征的组合组成。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims

1.一种组装位置感测装置的方法，所述位置感测装置用于感测机器人臂的转动关节的位置，所述位置感测装置包括磁传感器组件和盘，所述盘具有具备j个磁极对的内磁环和具备k个磁极对的外磁环，其中，|j-k|>1，所述盘的径向内边界受所述机器人臂的轴约束并且所述盘的径向外边界受所述机器人臂的壳体约束，所述方法包括：

确定所述内磁环的磁极对的数目p，使得所述内磁环的中心线与所述盘的径向内边界分开至少所述磁传感器组件的径向宽度的、设置在所述内磁环的中心线与所述径向内边界之间的部分；

将所述外磁环的磁极对的数目确定为整数q，使得所述外磁环与所述内磁环分开至少磁极对的长度；以及

如果p和q互质，则：

选择j为p且k为q；并且

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

将所述盘安装到所述机器人臂，使得允许所述盘和所述转动关节绕相同轴线旋转；以及

将所述磁传感器组件安装到所述机器人臂，以便能够检测所述盘和所述磁传感器组件的相对旋转。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果p和q不是互质的，则：

迭代地确定所述外磁环的磁极对的数目的另一q值，使得p和q之间的差每次迭代递增1；并且

对于每次迭代，如果p和q互质，则：

将p选为所述内磁环的磁极对的数目范围的界限，并且将q选为所述外磁环的磁极对的数目范围的界限；

识别一个或更多个其它互质的数目对p’、q’，其中：

p’在所述内磁环的磁极对的数目范围内，并且q’在所述外磁环的磁极对的数目范围内，并且

对于该p’、q’对，所述外磁环与所述内磁环分开至少磁极对的长度；

选择具有最大p’值的所识别的p’、q’对；

选择j作为所选定的p’且k作为所选定的q’；以及

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

3.根据权利要求1所述的方法，其中，如果p和q不是互质的，则：

对于每次迭代，如果p和q互质，则：

识别一个或更多个其它互质的数目对p’、q’，其中：

选择具有最大q’值的所识别的p’、q’对；

选择j为所选定的p’且k为所选定的q’；以及

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

4.根据权利要求1所述的方法，其中，如果p和q不是互质的，则：

对于每次迭代，如果p和q互质，则：

识别一个或更多个其它互质的数目对p’、q’，其中：

选择具有最小q’值的所识别的p’、q’对；

选择j作为所选定的p’且k作为所选定的q’；以及

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

5.根据权利要求1所述的方法，其中，如果p和q不是互质的，则：

对于每次迭代，如果p和q互质，则：

识别一个或更多个其它互质的数目对p’、q’，其中：

选择具有最小|p’-q’|值的所识别的p’、q’对；

选择j为所选定的p’且k为所选定的q’；以及

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内磁环和所述外磁环是同心的。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述内磁环和所述外磁环是同心的。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法包括通过每次迭代使q递增1来迭代地确定另一q值，其中p’>p且q’<q，并且其中对于每次迭代，如果p和q互质，则所述方法包括将p选为所述内磁环的磁极对的数目范围的下限，并且将q选为所述外磁环的磁极对的数目范围的上限。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，如果p和q不是互质的，则：

对于每次迭代，如果p和q互质，则：

识别一个或更多个其它互质的数目对p’、q’，其中：

根据要通过所述位置感测装置进行检测的所述转动关节的最大旋转角度来选择所识别的p’、q’对；

选择j为所选定的p’且k为所选定的q’；以及

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述盘还包括具有l个磁极对的第三磁环，所述方法还包括：

将所述第三磁环的磁极对的数目确定为整数s，使得所述第三磁环与所述外磁环分开至少磁极对的长度；以及

如果p、q和s互质，则：

选择j为p，k为q且l为s；并且

通过以下步骤来组装所述位置感测装置：

11.一种安装到机器人臂的位置感测装置，所述位置感测装置包括：

具有j个磁极对的内磁环；

具有k个磁极对的外磁环，所述外磁环相对于所述内磁环不可移动，所述内磁环和所述外磁环都设置在盘上，所述盘的径向内边界受所述机器人臂的轴约束并且所述盘的径向外边界受所述机器人臂的壳体约束；以及

磁传感器组件，所述磁传感器组件用于检测所述磁传感器组件与所述内磁环和所述外磁环的相对位置；

其中，j和k互质，并且|j-k|>1；

其中，所述位置感测装置用于感测所述机器人臂的转动关节的位置，所述内磁环和所述外磁环被安装到所述机器人臂，使得允许所述内磁环、所述外磁环和所述转动关节都绕同一轴线旋转，

其中，所述内磁环的中心线与所述盘的径向内边界分开至少所述磁传感器组件的径向宽度的、设置在所述内磁环的中心线与所述径向内边界之间的部分，并且所述外磁环与所述内磁环径向分开至少磁极对的长度。

12.根据权利要求11所述的位置感测装置，其中，|j-k|>7。

13.根据权利要求11或12所述的位置感测装置，其中，所述内磁环和所述外磁环被设置在所述盘的同一表面上。

14.根据权利要求11或12所述的位置感测装置，其中，所述内磁环和所述外磁环被设置在所述盘的相对表面上。

15.根据权利要求11或12所述的位置感测装置，其中，所述磁传感器组件包括设置在所述内磁环上方的第一磁传感器阵列和设置在所述外磁环上方的第二磁传感器阵列，所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的每个磁传感器阵列的相邻传感器分开磁极对的长度的四分之一。

16.根据权利要求15所述的位置感测装置，其中，所述第一磁传感器阵列具有小于所述内磁环的径向范围的径向范围，并且所述第二磁传感器阵列具有小于所述外磁环的径向范围的径向范围。

17.根据权利要求15所述的位置感测装置，其中，所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的每个磁传感器阵列是直线的。

18.根据权利要求15所述的位置感测装置，其中，所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的每个磁传感器阵列包括四个传感器。

19.根据权利要求15所述的位置感测装置，其中，所述第一磁传感器阵列和所述第二磁传感器阵列中的至少一个磁传感器阵列以环形构造布置。

20.根据权利要求11或12所述的位置感测装置，所述位置感测装置还包括具有l个磁极对的第三磁环，所述第三磁环相对于所述内磁环和所述外磁环不可移动，所述第三磁环被安装到所述机器人臂，使得允许所述第三磁环绕与所述内磁环和所述外磁环相同的轴线旋转，其中j、k和l互质，并且|l-k|>1且|l-j|>1。