对来自位置感测装置的位置读数进行校正的方法与流程

对来自位置感测装置的位置读数进行校正的方法
1.本技术是原案申请号为201780045466.5的发明专利申请(申请日：2017年7月19日，发明名称：对来自位置感测装置的位置读数进行校正的方法)的分案申请。
技术领域
2.本发明总体上涉及一种对来自位置感测装置的位置读数进行校正的方法。


背景技术：

3.在涉及铰接结构的应用中，通常希望确定铰接结构的最远侧连杆的远端的位置。这可以通过沿着铰接结构从其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。该系列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。使用旋转位置传感器来感测连杆之间的相对旋转。使用线性位置传感器来感测连杆之间的相对纵向运动。
4.通常使用霍尔效应磁传感器来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。传感器与该环相互作用，并被定位成在发生希望被感测到的旋转时，磁极移动经过传感器。例如，该环可以绕轴附接，并且传感器可以附接至壳体(轴在该壳体内进行旋转)。当磁极移动经过传感器时，该传感器检测到磁极性的变化。通过对极性的改变次数计数，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，并将该两对环和传感器布置成使得一个传感器检测到其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所检测的转变的相对定时，可以感测旋转方向。
5.机器人领域利用铰接结构作为机器人臂。准确的位置感测对于机器人臂是非常重要的，以便确保能够按照预期精确地操纵机器人臂的末端执行器。位置传感器的磁环越大，就能越准确地感测机器人臂的两个连杆的相对旋转。然而，在一些机器人应用(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到可用空间中并将位置传感器添加至所述臂的重量最小化。
6.因此，需要一种对精度和紧凑性的抵触要求进行平衡的改进的位置传感器。


技术实现要素：

7.根据本发明的方面，提供了一种对来自位置感测装置的位置读数进行校正的方法，所述位置感测装置适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具有磁环的盘以及磁传感器组件，所述磁环具有磁极对，所述磁传感器组件包括用于对所述磁环的所述磁极对进行检测的磁传感器阵列，所述方法包括以下步骤：针对所述磁环的每个磁极对，利用所述磁传感器阵列取得校准磁极对位置读数，并且通过将所述校准磁极对位置读数与模型磁极对位置读数进行比较来生成磁极对校正函数；针对所述磁环的每个磁极对，通过从所述校准磁极对位置读数中减去所述磁极对校正函数来生成经校正的校准磁极对位置读数；通过将针对所述磁环的所述经校正的校准磁极对位置读数与模型转动位置读
数进行比较来生成转动校正函数；利用所述磁传感器阵列取得位置读数；以及通过以下操作来生成经校正的位置读数：从所述位置读数中减去所述转动校正函数。
附图说明
8.现在参照附图通过示例对本发明进行描述。附图中：
9.图1例示了配备有位置感测装置的轴的一般表示；
10.图2例示了图1的盘3的尺寸；
11.图3例示了图1的磁环的一部分；
12.图4例示了图1的磁传感器阵列；
13.图5是例示了理论和实际位置传感器读数的图形；
14.图6是例示了当内侧径向边界为限制性时确定针对两个磁环的磁极对数目的方法的流程图；
15.图7是例示了当外侧径向边界为限制性时确定针对两个磁环的磁极对数目的方法的流程图；
16.图8是例示了理论和实际组合的位置传感器读数的图形；以及
17.图9例示了用于安装该盘的结构；
18.图10例示了由磁传感器阵列检测的磁场；
19.图11例示了在单个磁极对经过磁传感器组件时取得的理论和实际传感器读数；
20.图12例示了用于磁极对的校正函数；以及
21.图13例示了在整个磁环经过磁传感器组件时取得的理论和实际传感器读数。
具体实施方式
22.以下涉及用于铰接结构的位置感测装置以及组装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，可以根据所感测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接合在一起的一系列连杆联接至机器人臂远端处的末端执行器。这些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。
23.图1例示了用于对轴1绕轴线2的旋转进行检测的位置感测装置的示例。该位置感测装置对轴1绕轴线2的旋转的角度和方向进行检测。该位置感测装置包括磁传感器组件和盘3。图2更详细地示出了盘3。盘3是具有外侧径向边界4和内侧径向边界5的环。环的两个边界以盘3的中心点为中心。外侧径向边界的半径为r
o
。内侧径向边界的半径为r
i
。盘3与待感测位置的元件紧固。在这种情况下，盘3被刚性地安装至轴1。轴1与盘3之间不准许相对运动。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。
24.两个磁环6、7设置在盘3上。这些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。盘的中心与内侧磁环6的中心线9之间的径向距离为r
m
。盘的中心与外侧磁环7的中心线10之间的径向距离为r
n
。磁环6、7的中心线9、10间隔开径向距离s。径向距离s的最小值是
预定的。适当地，径向距离s至少是磁极对的长度。换句话说，s≥2y。
25.每个磁环都承载限定磁极8的许多永磁体。在每个磁环的感测表面上，磁体围绕该环在北极与南极之间交替极性。内侧磁环6具有m个磁极对。外侧磁环7具有n个磁极对。在制造公差内，内侧磁环6上的每个磁极8都具有相同的形状和尺寸。在制造公差内，外侧磁环7上的每个磁极8都具有相同的形状和尺寸。适当地，在制造公差以及内侧磁环的弧半径与外侧磁环的弧半径不同的事实下，内侧磁环6上的每个磁极8与外侧磁环7上的每个磁极8具有相同的形状和尺寸。在图3中更详细地示出了磁环的一部分。每个磁极8都具有径向长度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。
26.将磁传感器组件安装至铰接结构，以便检测两个元件之间的相对旋转。将磁传感器组件刚性地附接至那些元件中的一个元件上，以使得不准许磁传感器组件相对于该元件移动。盘3刚性地附接至那些元件中的另一元件上，以使得不准许磁环6、7相对于该另一元件移动。在图1的示例的情况下，将盘3刚性地附接至轴1。将磁传感器组件刚性地附接至铰接结构的部分，轴1相对于该部分进行旋转。
27.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。内侧磁传感器阵列11与内侧磁环6相邻设置并与内侧磁环6对准。外侧磁传感器阵列12与外侧磁环7相邻设置并与外侧磁环7对准。由于磁传感器组件安装到铰接结构(轴1相对于该铰接结构进行旋转)，所以当轴1旋转时，磁环6和7转动经过磁传感器阵列11、12。每个传感器阵列都能够在设置在传感器阵列下方的磁环的北极与南极之间的转变移动经过该传感器阵列时检测到那些转变。在示例性实现中，第一磁环6和第二磁环7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侧磁传感器阵列11仅检测内侧磁环6的转变，并且外侧磁传感器阵列12仅检测外侧磁环7的转变。
28.每个磁传感器阵列11、12都包括一组传感器。图4例示了磁传感器阵列包括四个单独传感器13a、13b、13c、13d的示例。每个磁传感器阵列都是直线的。从图4可以看出，各个传感器按直线布置。该组传感器全部具有相同的尺寸和形状，并且它们之间具有相等的间距。每个传感器13都具有宽度t和长度u，并且与下一传感器间隔距离v。相邻传感器的中心间隔距离z。在图4所示示例中，磁传感器阵列具有四个单独的传感器，z与磁极对的长度的四分之一相同。换句话说，z＝y/2。因此，当标记为1和3的传感器的中心位于相邻磁极之间的边界上方时，标记为2和4的传感器的中心位于相邻磁极的中心上方。外侧传感器(标记为1和4)的中心间隔开磁极对的长度的四分之三。在示例性实现中，t小于磁环的径向范围x。换句话说，t<x。
29.由于各个传感器处于直线而磁环为圆形，所以当轴旋转时，每个传感器的中心没有始终与磁极的中心对准。传感器中心与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性误差。在另选实现中，磁传感器阵列11、12均采用以盘3的中心为中心的圆形构造。在这种情况下，每个磁传感器阵列的中心线的半径与每个磁传感器阵列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始终与磁传感器阵列正在读取的磁环的中心线对准。
30.例如，传感器可以是霍尔效应传感器、磁簧传感器、磁阻传感器或电感式传感器。
31.每个磁传感器阵列11、12都被布置成提供表示邻近磁极相对于每个磁传感器阵列的位置的多位输出。以轴的在待测旋转角范围内的每个位置都与来自两个磁传感器阵列11、12的唯一输出组相关联的方式对磁环上的磁极的数量和相对布局进行布置。内侧环上的磁极数目m和外侧环上的磁极数目n不同并且互质。下文进一步描述对m和n的选择。来自传感器的输出传递至处理单元14。
32.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，以使得内侧磁环6上的磁极之间的由磁传感器阵列11感测的转变与外侧磁环7上的磁极之间的由磁传感器阵列12感测的转变发生在轴的不同旋转位置处。这使得能够根据由每个磁传感器阵列所感测的转变的相对顺序来推断轴的旋转方向。
33.磁传感器阵列11、12的输出传递至处理单元14。该处理单元包括处理器装置15，该处理器装置15可以被硬编码，以解译来自磁传感器阵列11、12的信号，或者该处理器装置15可以是被配置为执行以非暂时性方式存储在存储器16中的软件代码的通用处理器。该处理器装置将来自传感器的信号进行组合，以形成17处的集成输出信号。
34.现在将描述对内侧磁环6上的磁极对数目m和外侧磁环7上的磁极对数目n进行选择的方法。
35.m和n的选择可以服从下列约束中的任一个、任何组合或全部。
36.1.内侧磁环6和外侧磁环7两者都需要安装在盘3上。适当地，内侧磁传感器阵列11和外侧磁传感器阵列12也分别设置在盘3的覆盖区内。内侧径向边界5半径为r
i
。为了在不超过内侧径向边界5的情况下将内侧磁传感器阵列11安装在盘3的上方，内侧磁环的中心线9与内侧径向边界5间隔开磁传感器组件11的径向宽度的至少一部分，该部分设置在内侧磁环的中心线9与内侧径向边界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，那么该部分可能更大。在一个示例中，r
m
>r
i
(w
m
t)/2。外侧径向边界4半径为r
o
。为了在不超过外侧径向边界4的情况下将外侧磁传感器阵列12安装在盘3的上方，外侧磁环的中心线10与外侧径向边界4间隔开磁传感器组件12的径向宽度的至少一部分，该部分设置在外侧磁环的中心线10与外侧径向边界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，那么该部分可能更大。在一个示例中，r
n
<r
o
‑
(w
n
t)/2。
37.2.相邻传感器的中心间隔开磁极对的长度的四分之一。换句话说，相邻传感器相隔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。
38.3.内侧磁环6的中心线与外侧磁环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，内侧磁传感器阵列11正在检测的、内侧磁环6上的最近的磁极总是比外侧磁环7上的磁极更近。类似地，外侧磁传感器阵列12正在检测的、外侧磁环7上的最近的磁极总是比内侧磁环6上的磁极更近。因此，这防止了由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。
39.4.每个磁传感器阵列中的传感器的最小数目b大于阈值。该阈值使得有足够的空间采样以得到清楚的位置读数。适当地，b≥4。在检测不到磁谐波的情况下，四个传感器就足够了。
40.5.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，则所检测到的转变的信噪比降低。
41.6.盘的内侧径向边界可以由铰接结构约束。例如，在图1中，盘的内侧径向边界受轴1限制。在这种情况下，内侧径向边界的半径r
i
必须至少与轴1的半径一样大。
42.7.盘的外侧径向边界可以由铰接结构约束。例如，位置传感器可以安装在铰接结构的壳体内部。在这种情况下，外侧径向边界的半径r
o
必须至少与壳体的半径一样小。
43.8.位置传感器被设置成检测最大旋转角度。该最大旋转角度取决于正在被检测旋转的元件。针对转动关节，待检测的最大旋转角度取决于关节在运动链系中的位置。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，位置测量所需的精度就越高。传感器读数的精度由下式给出：
44.精度＝
±
2y
×
1/2
×
1/∑磁极对
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
45.∑磁极对是盘上所有磁环的磁极对数目之和。当盘上有两个磁环时，∑磁极对＝m n。磁环上的磁极对越多，磁环就越大。因此，较大的磁环产生更精确的位置测量。待检测的旋转角度越大，用于实现所需精度的m和/或n越大。因此，用于检测一个元件相对于另一元件的旋转的磁环上的磁极对的数目受到两个元件之间的待检测的相对旋转角度的约束。在转动关节的情况下，m和n的选择特定于转动关节的待检测的最大旋转角度。
46.图5是例示从图1所示形式的位置感测装置取得的理论和实际位置传感器测量值的图。x轴是外侧磁传感器阵列12的位置传感器测量值，y轴是内侧磁传感器阵列11的位置传感器测量值。星号线标绘图例示了具有100％的精度的理论测量值。实线标绘图例示了示例实际读数。由于盘上的磁环磁化的制造变化、磁传感器阵列中的制造变化，和/或磁环与磁传感器阵列之间的未对准，所以这些示例实际读数与理论读数不同。在图5中，实际读数与理论读数具有一致的偏移，这表明实际读数存在系统性误差。该偏移可能是由于盘磁化时的误差造成的。例如，磁环的中心可能相对于盘的旋转中心稍微偏移。图5还示范了读数中除了系统性误差之外的附加误差。为了准确地检测出哪个传感器读数是预期的，图5的标绘图中的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。
47.现在将针对盘3的内侧径向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的内侧径向边界的半径r
i
必须大于轴的半径。图6例示了该方法的步骤。
48.在步骤20，确定最小的r
m,min
。这是内侧磁环的中心线9的由限制性内侧半径r
i
所准许的最小半径。如上文的约束1所述，按照最小值，内侧磁环的中心线9与内侧径向边界5间隔开磁传感器组件11的径向宽度的一部分，该部分设置在内侧磁环的中心线9与内侧径向边界5之间。这是要确保磁传感器组件11被限制在内侧径向边界内。在一个示例中，该最小的r
m
‑
min
由下式给出：
49.r
m,min
＝r
i
(w
m
t)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
50.在步骤21，确定针对内侧磁环的最小的磁极对数目m。磁环具有整数数目的磁极对。因此，m是整数。r
m,min
被增加至r
m
的最低值，其中，
51.2πr
m
＝m2y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3)
52.其中，m是整数。
53.在步骤22，确定最小的r
n,min
。这是外侧磁环的中心线10的由限制性内侧半径r
i
所准许的最小半径。如上文的约束3所述，按照最小值，外侧磁环的中心线10与内侧磁环的中心线9径向间隔开预定距离。该预定距离适当地足够大，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。
54.r
n,min
＝r
m
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式4)
55.其中r
m
来自式3，s是预定距离。
56.在步骤23，确定针对外侧磁环的最小的磁极对数目n。磁环具有整数数目的磁极对。因此，n为整数。r
n,min
被增加至r
n
的最低值，其中，
57.2πr
n
＝n2y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式5)
58.其中，n为整数。
59.在步骤24，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，则该m、n是提供最紧凑盘的m、n对。在这种情况下，选择m作为内侧磁环上的磁极对的数目，且选择n作为外侧磁环上的磁极对的数目。该方法进行至步骤25，在步骤25中，通过将具有m个磁极对的内侧磁环和具有n个磁极对的外侧磁环的盘安装至铰接结构来构造位置感测装置。盘被刚性地附接至铰接结构的元件(将对该元件的位置进行感测)。以下列方式来安装盘：盘与有待检测位置的元件绕相同的轴线进行旋转。
60.如果在步骤24，确定在步骤21和步骤23确定的m和n的值不互质，则该方法进行至步骤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。如果它们不互质，则该方法返回至步骤26，其中，将n的值递增1。然后该方法返回至步骤27，其中，确定n的新值是否与m互质。步骤26和步骤27迭代地继续，每次迭代都将n的值递增1，直到n的值与m互质为止。由此，每次迭代都将m与n之间的差递增1。
61.一旦找到与m互质的n的值，该方法进行至步骤28。在步骤28，将在步骤21确定的m的值设置为内侧磁环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的值设置为外侧磁环7的磁极对的数目范围的上限。
62.在步骤29，识别位于步骤28中设置的范围内的其它的互质m、n对。换句话说，识别m和n互质的其它值，并且针对所述其它值，m大于步骤28中设置的下限，而n小于步骤28中设置的上限。这些互质m、n对也满足任何其它约束，诸如外侧磁环与内侧磁环间隔开距离s的至少预定最小值。
63.在所示示例中，在步骤21和步骤23中最初确定的m和n值是m＝30和n＝35。这些值不互质。在步骤26处对n进行迭代产生m＝30和n＝37的m、n对。在步骤29，识别以下其它的互质对：m＝31，n＝36；m＝31，n＝37；m＝32，n＝37。
64.在步骤30，选择互质m、n对中的一对。该m、n对可以是在步骤21中确定的m的值和在步骤27确定为与m的值互质的n的值，或者另选地，可以在步骤29确定m、n对。所选择的m、n对取决于实现方式。
65.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。在上文提供的示例中，将选择m＝32，n＝37。从式1可以看出，选择具有最大m值的m、n对能够将所得传感器的精度最大化。
66.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。在上文提供的示例中，
将选择m＝31，n＝36。选择具有最小n值的m、n对能够将盘的外侧半径r
o
最小化，从而将传感器所占用的总体空间最小化。
67.在另一示例中，在步骤30中选择具有最小n
‑
m值的互质m、n对。选择具有最小n
‑
m值的的m、n对能够将盘的径向宽度最小化，从而提供最紧凑的传感器。在上文提供的示例中，两个m、n对具有最小n
‑
m值的：m＝31，n＝36；和m＝32，n＝37。
68.可以根据待感测的最大旋转角度来选择在步骤30中选择的m、n对。如上所述，最大旋转角度指定所需的最小精度，该所需的最小精度又指定了磁环上的磁极对的数目的所需最小和。这是对提供紧凑传感器的抵触约束。为了平衡这些抵触要求，可以在步骤30选择最小的互质m、n对，该m、n对的总和超过磁环上的磁极对的数目的所需最小和。
69.这些标准中的任一个或组合可以应用于特定实现。例如，可以选择具有最小n
‑
m值的互质m、n对。在具有最小n
–
m值的互质m、n对多于一对的情况下，可以选择那些m、n对中具有最大m的m、n对。因此，在上文的示例中，将选择m＝32，n＝37。
70.一旦在步骤30选择了互质m、n对，则将所选m、n对中的m选择为内侧磁环上的磁极对的数目，而将所选m、n对中的n选择为外侧磁环上的磁极对的数目。然后，该方法进行至步骤25，在步骤25中，通过将具有m个磁极对的内侧磁环和具有n个磁极对的外侧磁环的盘安装至如前所述的铰接结构来组装位置感测装置。
71.现在将针对盘3的外侧径向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的外侧径向边界的半径r
o
必须小于壳体到盘中心点的最近距离。图7例示了该方法的步骤。
72.在步骤40，确定最大的r
n,max
。这是外侧磁环的中心线10的由限制性外侧半径r
o
所准许的最大半径。如上文的约束1所述，按照最大值，外侧磁环的中心线10与外侧径向边界4间隔开磁传感器组件12的径向宽度的一部分，该部分设置在外侧磁环的中心线10与外侧径向边界4之间。这是要确保磁传感器组件12被限制在外侧径向边界内。在一个示例中，该最大的r
n
‑
max
由下式给出：
73.r
n,max
＝r
o
‑
(w
n
t)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式6)
74.在步骤41，确定针对外侧磁环的最大的磁极对数目n。磁环具有整数数目的磁极对。因此，n为整数。r
n,max
被降低至r
n
的最高值，其中，
75.2πr
n
＝n2y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式7)
76.其中，n为整数。
77.在步骤42，确定最大的r
m,max
。这是内侧磁环的中心线9的由限制性外侧半径r
o
所准许的最大半径。如上文的约束3所述，按照最小值，内侧磁环的中心线9与外侧磁环的中心线10径向间隔开预定距离。该预定距离适当地足够大，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。
78.r
m,max
＝r
n
‑
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式8)
79.其中r
n
来自式7，s是预定距离。
80.在步骤43，确定针对内侧磁环的最大的磁极对数目m。磁环具有整数数目的磁极对。因此，m是整数。r
m,max
被降低至r
m
的最大值，其中，
81.2πr
m
＝m2y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式9)
82.其中，m是整数。
83.在步骤44，确定在步骤41和步骤43中确定的m和n的值是否互质。如果m和n互质，则存在提供最紧凑盘的m、n对。在这种情况下，选择m作为内侧磁环上的磁极对的数目，且选择n作为外侧磁环上的磁极对的数目。该方法进行至步骤45，在步骤45中，通过将具有m个磁极对的内侧磁环和具有n个磁极对的外侧磁环的盘安装至铰接结构来构造位置感测装置。盘被刚性地附接至铰接结构的元件(将对该元件的位置进行感测)。以下列方式来安装盘：盘与有待感测位置的元件绕相同的轴线进行旋转。
84.如果在步骤44，确定在步骤41和步骤43确定的m和n的值不互质，则该方法进行至步骤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。如果它们不互质，则该方法返回至步骤46，其中，将m的值递减1。然后该方法返回至步骤47，其中，确定m的新值是否与n互质。步骤46和步骤47迭代地继续，每次迭代都将m的值递减1，直到m的值与n互质为止。由此，每次迭代都将m与n之间的差递增1。
85.一旦找到与n互质的m的值，该方法进行至步骤48。在步骤48，将在步骤41确定的n的值设置为外侧磁环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的值设置为内侧磁环6的磁极对的数目范围的下限。
86.在步骤49，识别位于步骤48中设置的范围内的其它的互质m、n对。换句话说，识别m和n互质的其它值，并且针对所述其它值，m大于步骤48中设置的下限，而n小于步骤48中设置的上限。这些互质m、n对也满足任何其它约束，诸如外侧磁环与内侧磁环间隔开至少预定距离。
87.在步骤50，选择互质m、n对中的一对。该m、n对可以是在步骤41确定的n的值和在步骤47确定为与m的值互质的m的值，或者另选地，可以在步骤49确定m、n对。所选择的m、n对取决于实现方式。
88.在一个示例中，在步骤40选择具有m的最大值的互质m、n对。从式1可以看出，选择具有m的最大值的m、n对能够将所得传感器的精度最大化。
89.在另一示例中，在步骤50选择具有n
–
m的最小值的互质m、n对。选择具有n
–
m的最小值的m、n对能够将盘的径向宽度最小化，从而提供最紧凑的传感器。
90.可以根据待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，该m、n对的总和超过磁环上的磁极对的数目的所需最小和。
91.这些标准中的任一个或组合可以应用于特定实现。例如，可以选择具有n
‑
m的最小值的互质m、n对。在具有n
–
m的最小值的互质m、n对多于一对的情况下，可以选择那些m、n对中具有最大m的m、n对。
92.一旦在步骤50选择了互质m、n对，则将所选m、n对中的m选择为内侧磁环上的磁极对的数目，而将所选m、n对中的n选择为外侧磁环上的磁极对的数目。然后，该方法进行至步骤45，在步骤45中，通过将具有m个磁极对的内侧磁环和具有n个磁极对的外侧磁环的盘安装至如前所述的铰接结构来组装位置感测装置。
93.应当明白，图6和图7的流程图表示在盘的内侧径向边界或外侧径向边界受限制的情况下确定内侧磁环和外侧磁环上的磁极的数目的示例性方法。并非全部的描述步骤都是确定磁极数目所必需的。例如，可以确定在图6的步骤21和步骤23中确定的最小的磁极数目m和n，而无需实际确定最小的半径r
m,min
和r
n,min
。类似地，可以确定在图7的步骤41和步骤43
中确定的最大的磁极数目m和n，而无需实际确定最大的半径r
m,max
和r
n,max
。
94.由传感器检测的旋转角度可以如下根据来自内侧磁环和外侧磁环的传感器读数加以确定。所检测的旋转角度等于外侧磁环的整数转数加上外侧磁环的当前传感器读数。图8是例示了从图1所示形式的位置感测装置取得的理论和实际传感器测量值的图。x轴是外侧磁传感器阵列12的位置传感器测量值。y轴是组合的传感器读数，该读数是((外侧传感器阵列读数
×
n)
‑
(内侧传感器阵列读数
×
m))。星号线标绘图例示了具有100％的精度的理论测量值。实线标绘图例示了示例实际读数。星号线标绘图是一系列直线。每条直线都表示外侧磁环的特定转数和内侧磁环的特定转数。因此，确定传感器所检测的旋转角度的一种方法是确定：
95.x＝(外侧传感器阵列读数
×
n)
‑
(内侧传感器阵列读数
×
m)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(式10)
96.并将x与将x映射至外侧环的转数的查找表进行比较。则旋转角度为：
97.旋转角度＝外侧环的转数 当前外侧传感器阵列读数
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式11)
98.另选地，可以相对于内侧传感器阵列读数以类似方式确定旋转角度。
99.在图1和图2所示示例中，磁环6和磁环7两者都设置在盘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，磁传感器阵列被安装在盘3的相对表面的上方。内侧磁传感器阵列安装在内侧磁环的上方，以便检测该内侧磁环上的磁极的转变。外侧磁传感器阵列安装在外侧磁传感器阵列的上方，以便检测该外侧磁环上的磁极的转变。在这种情况下，内侧磁环的中心线9与外侧磁环的中心线10之间的最小径向间距s小于如果磁环位于盘的同一表面上的最小径向间距。这是因为磁极在盘的相对表面上暴露于磁传感器阵列的磁环对磁传感器阵列造成的干扰小于在盘的同一侧上的与磁传感器阵列相距相同距离的磁环造成的干扰。因此，内侧磁环的中心线与外侧磁环的中心线之间的径向距离可以小于磁极对的长度2y。
100.在图1和图2所示示例中，内侧磁环6和外侧磁环7处于同一盘3上。另选地，内侧磁环和外侧磁环可以设置在不同的盘上。那些不同的盘具有相同的旋转轴线，该旋转轴线与元件(将要检测该元件的旋转)的旋转轴线相同。然而，那些不同的盘沿着旋转轴线间隔开。例如，在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/紧凑的理由，这可能是合乎需要的。在这个示例中，内侧磁环的磁极对数目m和外侧磁环的磁极对数目n将如本文所述加以确定。然而，由于内侧磁环和外侧磁环是轴向间隔开的，所以由一个磁环对另一磁环的感测所造成的干扰可以忽略不计，因此不存在磁环需要径向间隔开的约束。
101.本文所述的装置和方法可以被用于检测一个元件相对于另一元件的小于整圈的旋转。本文所述的装置和方法还可以被用于检测一个元件相对于另一元件的大于一个整圈的旋转。
102.在示例实现中，马达驱动齿轮箱，该齿轮箱驱动铰接结构的元件。一个磁环刚性地附接至马达的马达轴输出部。另一磁环刚性地附接至齿轮箱的驱动轴输出部。因此，两个磁环轴向间隔开。马达轴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个磁极的内侧磁环附接至马达轴，而具有n个磁极的外侧磁环附接至驱动轴。n>m。如果使用分数传动比，则可以区分驱动轴的一圈以上的转动。例如，在传动比为13：4的情况下，可以区分驱动轴的最多四圈的转动。这在机器人实现中是有用的，因为这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然后在另一个方向上完全旋
转。
103.在m小于阈值的装置中，针对内侧磁环的磁传感器阵列11被实现为同轴圆形阵列，而不是直线阵列。该阈值是最大的磁极数目m，针对该最大的磁极数目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。
104.在一个实现中，m＝1。在这种情况下，内侧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。该磁极对不与外侧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＝l使得能够使用非常紧凑的传感器，然而，这确实具有低精度(参见式1)。
105.如上文所述，所选择的m、n对互质。在所有情况下，n
‑
m>1。在内侧磁环6和外侧磁环7位于盘3的同一表面上的情况下，n
‑
m≥7。这是因为内侧磁环的中心线与外侧磁环的中心线之间的径向距离s大于或等于磁极对的长度，以避免干扰。每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的数目之间的最小差值是大于2π的第一个整数，即7。在一个示例中，n
‑
m≥8。例如，n＝41，m＝33。在另一示例中，n
‑
m≥10。例如，n＝47，m＝37。
106.上述装置和方法涉及感测两个磁环6、7的旋转。相同的方法可以适于感测三个或更多个磁环的旋转。所有的磁环都是同轴的。它们可以全部设置在同一盘上或沿着它们的旋转轴线轴向间隔开的几个盘上。式1示出了所感测的位置的精度随着磁环上的磁极对的总和的增大而增大。因此，通过利用其它的磁环，测量更精确的位置。每个磁环上的磁极对的数目与所有其它磁环上的磁极对的数目互质。因此，在存在三个磁环的情况下，具有m、n以及h个磁极对，m、n以及h全部互质。每个磁环都适当地与相邻磁环径向间隔开至少预定距离。在磁环全部处于盘的同一表面上的情况下，每个磁环都优选地与相邻磁环间隔开至少磁极对的长度2y。
107.在图6的情况下，针对具有多于两个磁环的位置传感器，将如在步骤21和步骤23中所示的那样，确定最小的m和最小的n。如果存在第三磁环，那么按与通过步骤22和步骤23确定n相同的方式来确定最小的h，但是这次最小的径向间隔位于具有n个磁极对的环与具有h个磁极对的环之间。类似地，如果存在其它磁环，那么针对每个其它磁环以对应方式重复步骤22和步骤23。只有在步骤24中所有的磁极对数目都互质时，该方法才进行至步骤25。否则，针对每个其它环执行方法步骤26和方法步骤27，直到确定针对每个环的一组互质的磁极对数目为止。在步骤28，将最小磁环的磁极对数目设置为该磁环的下限。在步骤28，将最大磁环的磁极对数目设置为该磁环的上限。在步骤29，针对所有磁环确定其它的互质的磁极对数目，从而确保相邻环之间的间隔至少是最小的径向间隔。根据上述方法在步骤30选择磁极对组合。通过将盘安装至铰接结构来构造位置感测装置，该铰接结构具有一组磁环，该组磁环具有在步骤30选择的针对每个环上的磁极对的数目。
108.在图7的情况下，针对具有多于两个磁环的位置传感器，将如在步骤41和步骤43中所示的那样，确定最大的n和最大的m。如果存在第三磁环，那么按与通过步骤42和步骤43确定m相同的方式来确定最大的h，但是这次最小的径向间隔位于具有m个磁极对的环与具有h个磁极对的环之间。类似地，如果存在其它磁环，那么针对每个其它磁环以对应方式重复步骤42和步骤43。只有在步骤44中所有的磁极对数目都互质时，该方法才进行至步骤45。否则，针对每个其它环执行方法步骤46和方法步骤47，直到确定针对每个环的一组互质的磁极对数目为止。在步骤48，将最小磁环的磁极对数目设置为该磁环的下限。在步骤48，将最
大磁环的磁极对数目设置为该磁环的上限。在步骤49，针对所有磁环确定其它的互质的磁极对数目，从而确保相邻环之间的间隔至少是最小的径向间隔s。根据上述方法在步骤50选择磁极对组合。通过将盘安装至铰接结构来组装位置感测装置，该铰接结构具有一组磁环，该组磁环具有在步骤50选择的针对每个环上的磁极对的数目。
109.本文所述位置传感器能够完全确定两个物体的相对旋转位置。换句话说，可以直接根据传感器的输出来确定该位置，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。
110.参照图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。该轨道具有互质的磁极对数目。每个轨道都平行于元件的直线运动，该元件的位置正在被感测。相应的直线磁传感器阵列被安装在每个磁轨的上方，以使得在该元件移动时，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，针对在壳体内直线移动的元件，磁传感器阵列可以安装至该元件上，并且磁轨固定至该壳体。
111.在制造时，盘3被磁化以使得磁环6、7具有上述布局。按与图1的磁传感器阵列11、12相同的方式将磁头安装在盘的上方，以磁化该盘。磁性背板位于盘的与上方安装有磁头的表面相对的表面上。盘旋转，从而磁化磁环的每个磁极对。
112.磁极位于盘上的精度受制造误差的限制。这些误差包括径向定位误差和角间距误差。在将盘安装至铰接结构时，如果磁环的中心与盘的旋转轴线之间存在偏移，则发生径向定位误差。在安装时，每个磁环的中心线不会处于相对于旋转轴线的恒定半径。在用于位置传感器时，每个磁环的中心线相对于旋转轴线的半径在绕磁环的圆周上是可变的，因此针对磁环的不同磁极对，半径是不同的。如果磁头的预期径向位置与实际径向位置之间存在偏移，则也会发生径向定位误差。在这种情况下，由磁头所感应的磁环具有相对于盘中心的恒定半径，但不是预期半径。因此，无法绕磁环的圆周安装整数个磁极对，这导致了磁环的一个或更多个磁极对的不均匀的长度。
113.期望每个磁环的磁极对具有恒定周向长度2y。当磁极的周向长度不均匀地围绕磁环时，会发生角间距误差。如果在磁化期间盘未在磁头下均匀旋转，则可能发生这种情况。如果磁极的长度不均匀，那么所感测的位置将是不准确的。
114.径向定位误差和角间距误差导致不规则的并且与旋转轴线不同心的磁极图案。位置测量所需的精度取决于它的用途。在机器人(特别是外科机器人)领域，位置测量需要高度准确。机器人臂的所有关节的位置测量与机器人臂的已知布局组合使用，以确定末端执行器的位置。需要高精度地获知末端执行器的位置，以便控制该末端执行器来执行需要精细控制的处理(诸如缝合患者体内的组织)。可以要求位置测量具有
±
25μm的精度，其中，该精度由式1确定。如前所述，所需的精度随需要检测的旋转角度而变化。需要检测的旋转角度越大，所需的精度就越高。
115.盘3的所有磁环在同一磁化夹具上同时被磁化。该磁化夹具具有与要在盘上磁化的磁环一样多的磁头。每个磁头都感应一个磁环的磁极对图案。在示例性实现中，两个磁环上的磁极布局之间的差异准确到
±
2y
×
1/2
×
1/∑磁极对内。通过使用相同设置同时磁化所有磁环，任何径向定位误差一致地应用于所有磁环。类似地，由于盘没有以均匀速率旋转
而导致的任何角间距误差一致地应用于所有磁环。这些系统性误差同等地影响所有磁环的磁极对，因此，引入到两个磁环上的磁极布局之间的差异的误差将小于单独引入两个环中的误差之和。因此，当两个环被一起磁化以实现所需精度时，磁化所需的公差显著小于(几乎是一半)如果所述环单独磁化所需的公差。该系统性误差可以在位置测量中检测到并进行补偿。例如，参照图5，实线标绘图的实际数据中的一部分误差是系统性的，这可以从实线相对于理论数据线一致地偏移的事实中看出。该偏移可能是由于上述类型的磁化误差引起的。可以确定并去除这种恒定偏移，以产生更准确的结果。
116.当盘安装至磁化夹具时，该磁化夹具的磁头可以位于相对于盘的旋转中心的同一径向线上。这确保了在磁化期间由盘的不均匀旋转而引入的任何误差沿着同一径向线施加至所有磁环。位置感测装置的磁传感器阵列在盘安装至铰接结构时位于相对于盘的旋转中心的同一径向线上。磁传感器阵列位于磁头在磁化期间所位于的相对于盘的相同位置和取向。
117.磁传感器阵列中的传感器可以是单片式的。通过在同一工序中形成传感器，传感器之间的任何误差是一致的，因此当评估传感器读数以产生位置测量时，更容易将所述误差识别为系统性误差。
118.盘的磁环上的磁极对数目的值m、n、h等可以被选择为在其它约束内尽可能大。这增加了后续测量的精度，并因此降低了由制造工序所引入的同心度误差和位置误差。
119.盘按与安装至磁化夹具的配置相同的配置安装至铰接结构。换句话说，盘按与安装至磁化夹具的位置和取向相同的位置和取向安装至铰接结构。适当地，只存在一个单一取向，盘可以沿着该取向安装至磁化夹具和铰接结构。该盘包括安装结构，该安装结构帮助用户按与安装至磁化夹具的配置相同的配置将盘安装至铰接结构。
120.图9例示了示例性安装结构。该安装结构包括一组通孔60a、60b、60c、60d。这些通孔在盘上形成不对称图案。该通孔使得盘能够安装至磁化夹具和铰接结构上的互补(complimentary)部件上。那些互补部件按与盘上的通孔的不对称图案相同的不对称图案布置。例如，盘可以安装到按与盘上的通孔的图案相同的布置从磁化夹具/铰接结构中突出的销上。在这个示例中，盘通过保持机构固定至磁化夹具/铰接结构，该保持机构保持盘抵靠磁化夹具/铰接结构。例如，该销可以是螺纹销，并且螺纹螺母可以拧到该螺纹销上，以将盘保持至磁化夹具/铰接结构。在另一示例中，磁化夹具/铰接结构可以具有采用与盘上的通孔的图案相同的不对称图案的螺纹凹槽。通过将盘拧入磁化夹具/铰接结构穿过通孔进入螺纹凹槽，可以将盘保持至磁化夹具/铰接结构。
121.图9例示了作为安装结构的安装部件的通孔。然而，其它类型的安装部件也是合适的，只要在磁化夹具/铰接结构上按相同的不对称图案提供互补部件，并且只要盘可以通过该安装部件和互补部件固定至磁化夹具/铰接结构即可。例如，盘上的安装部件可以是销，并且磁化夹具/铰接结构具有互补部件。
122.因此，使用图9中所示的偏移安装部件图案使得盘能够仅沿单个取向安装至互补的磁化夹具/铰接结构。
123.图9还例示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，该对准凹口61与磁化夹具/铰接结构上的互补部件对准。这确保了当安装至磁化夹具和铰接结构两者时盘处于相同取向。图9例示了对准凹口，但盘
部件上的任何类型的标记都是合适的，只要在磁化夹具/铰接结构上提供有对应标记以使得能够与盘的标记对准即可。
124.一旦盘在制造期间被磁化，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，或每个磁极长度相对于预期长度的误差。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。当位置传感器在使用中时，可以随后使用磁极位置的这种特征，以便补偿制造期间引入的误差。通过使用确保盘沿着与安装至磁化夹具的取向相同的取向安装至铰接结构的安装结构，处理单元能够将来自传感器阵列中的传感器的感测数据映射至磁环的被记录的特征数据，并校正已知的制造误差，从而产生更准确的位置测量。
125.另选地或者另外地，可以校准位置感测装置。该校准处理涉及生成校正函数，该校正函数随后应用于位置读数，以便产生更准确的经校正的位置读数。
126.图10例示了随着磁环相对于磁传感器阵列转动时由磁传感器阵列检测到的磁场。70表示对从第一磁极对处检测到的磁场进行示出的图形部分，71表示对从第二磁极对处检测到的磁场进行示出的图形部分。各个传感器可以位于相对于磁极对的标记为1、2、3以及4的位置。换句话说，如前所述，传感器的中心间隔开磁极对的长度的四分之一。外侧传感器(标记为1和4)的中心间隔开磁极对的长度的四分之三。理论上，磁场随着磁环移动经过磁传感器阵列而以正弦方式变化，正弦波的一个周期表示一个磁极对。然而，在制造磁环以及磁传感器组件与磁环对准方面的不完美导致磁场偏离完美的正弦波。
127.图11例示了在单个磁极对经过磁传感器组件时取得的理论传感器读数。该理论传感器读数是多位的并且由图11中的线72表示。图11还例示了在单个磁极对经过磁传感器组件时取得的实际传感器读数。该实际传感器读数是多位的，并由图11中的曲线73表示。
128.现在将描述旨在针对图11中所示的误差来校正所测量的传感器位置读数的校准处理。该处理单独地应用于盘的每个磁环。
129.首先，针对磁环的每个磁极对，通过磁传感器阵列取得位置读数73。该位置读数在下面被称为针对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，以便生成用于该磁极对的磁极对校正函数。可以从图11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，并接着从所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。另选地，可以使用本领域已知的任何其它方法来拟合该曲线。可以通过周期性振荡函数来描述所拟合的曲线。例如，所拟合的曲线可以是正弦函数。图12例示了用于磁极对的校正函数，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仅示出了第一谐波asinθ，但用于该磁极对的校正函数中可以包括更高的谐波。
130.然后，对磁环的磁极对的磁极对校正函数取平均，以生成用于该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，那么平均磁极对校正函数由下式给出：
131.132.其中，m是磁环上的磁极对的数目。
133.适当地，将该校正函数存储在处理单元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。该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，从而生成经校正的位置测量值。
134.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的磁极对的误差准确。然而，每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，减去平均磁极对校正函数在算法上不如使用单独的磁极对误差复杂，因此降低了校正所需的处理能力。
135.图13例示了在整个磁环经过磁传感器组件时取得的理论传感器读数。这些理论传感器读数是多位的，并且由图13的线74表示。图13还例示了在整个磁环经过磁传感器组件时取得的实际传感器读数。这些实际传感器读数是多位的，并且由图13中的曲线75表示。曲线76表示已经针对如关于图10至图12所描述的磁极对误差进行了校正的实际传感器读数。图13例示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。
136.现在将描述旨在针对图13中所示的另一误差来校正所测量的传感器位置读数的校准处理。该处理单独地应用于盘的每个磁环。
137.首先，针对磁环的每个磁极对，通过磁传感器阵列取得位置读数73。如上所述，该位置读数被称为针对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，以便生成用于如上所述的磁极对的磁极对校正函数。针对每个磁极对，然后通过从用于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表示磁环的所有磁极对的经校正的校准磁极对位置读数。
138.然后，通过将针对磁环上的所有磁极对的经校正的校准磁极对位置读数与模型转动位置读数进行比较来生成转动校正函数。可以从图13看出，经校正的校准磁极对位置读数76的曲线围绕模型转动位置读数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转动位置读数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，并接着从所拟合的曲线中减去模型转动位置读数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。另选地，可以使用本领域已知的任何其它方法来拟合该曲线。可以通过周期性振荡函数来描述所拟合的曲线。例如，所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，其中是转动正弦波内的角度。尽管在这个示例中，所拟合的曲线只是第一谐波但也可以包括更高谐波。
139.可以将该转动校正函数存储在处理单元14中。随后，当位置传感器取得位置测量值时，使用该转动校正函数通过从位置读数中减去转动校正函数来校正位置测量值。
140.可以对位置测量值执行所描述的校准机制二者，以使得使用平均磁极对校正函数和转动校正函数来校正位置测量值。另选地，可以仅执行所述校准机制中的一个。该单个校准机制可以是平均磁极对校正机制或者转动校正机制。
141.一旦将磁性盘安装至转动关节或铰接结构中的其它元件(感测所述其它元件的相对旋转)上就可以执行该校准机制。通过在该阶段执行校准，在将位置传感器适当组装期间
(例如，当磁性传感器组件在磁性盘上方对准时)所引入的误差以及在制造期间所引入的误差可以被检测到并且加以补偿。传感器可以在使用中使用上述校准机制重新校准。可以在制造期间执行该校准机制，并且向位置传感器提供所述校正函数，该校正函数被存储在处理单元14中并且随后在使用期间应用于所测量的位置读数。在机器人(特别是外科机器人)领域，希望机器人臂尽可能小且轻。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。在这个领域，在机器人臂上原位磁化盘不切实际。由于机器人臂的紧凑性质，因而，没有足够的空间在机器人臂周围应用标准磁化夹具以便磁化盘。另外，在磁化期间使用针对盘的磁性背板以便磁化盘。例如，将钢用作该背板。为了原位磁化盘，该盘将需要由钢或另一磁性材料制成。这将排除制造诸如铝的轻质材料盘。因此，盘不是原位磁化的，而是采用本文所述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引入的误差。
142.申请人在此单独地将本文描述的各个单个特征以及两个或更多个这种特征的任何组合公开到以下程度：能够按照本领域技术人员的公知常识，基于作为整体的本说明书来执行这种特征或组合，而不管这种特征或特征的组合是否解决了本文所公开的任何问题，并且不对权利要求的范围进行限制。申请人表示本发明的方面可以由任何这种单个特征或特征的组合构成。根据以上描述，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。