磁性目標的感測的製作方法

2023-10-04 07:45:54

磁性目標和傳感器陣列可以被用來定位在非磁性壁後面的隱藏特徵件。磁性目標被放置在壁後面的特徵件處，並且遍及該壁的前表面掃描該傳感器陣列。來自磁性目標的通量線由傳感器陣列來感測。

陣列的每個傳感器可以使用絕對場強度作為磁場的位置的測量值。可以通過確定不同的傳感器對之間的測量的磁場強度的差異並且利用該差異對磁性目標的相對位置進行三角測量來推測磁性目標的相對位置。

一般來說，感測的場強度的差異與陣列到磁性目標的距離成比例，但並不總是這樣。如果磁性目標產生弱場，或者如果一對中的兩個傳感器都離磁性目標很遠，那麼差異表現得較弱。由於陣列會呈現為比實際上更遠離磁性目標，因此可能導致定位誤差。

技術實現要素：

根據本文中的一個實施例，一種裝置包含：磁性目標，用於產生均勻的並且關於目標的中心軸線同心的磁場；三軸數字磁性羅盤的陣列，用於感測磁場；以及處理器，用於找到從羅盤到目標的矢量的交點。所述矢量位於垂直於中心軸線的全局X-Y平面中。每個矢量指示從羅盤中的一個到磁性目標的被感測磁場的方向。

根據本文中的另一實施例，一種機器人系統包含用於對非磁性結構執行製造操作的第一和第二機器人。第一機器人包括：磁性目標，用於產生均勻的並且關於目標的中心軸線同心的磁場；以及第一末端執行器和用於將磁性目標定位在結構的第一側處的定位系統。第二機器人包括：用於感測磁場的三軸數字磁性羅盤的感測陣列；製造工具；以及第二末端執行器和用於沿著結構的第二相對側的表面掃描感測陣列以定位磁性目標的定位系統。第二機器人進一步包括處理器，用於找到從羅盤到磁性目標的矢量的交點。所述矢量位於全局X-Y平面中。每個矢量指示從羅盤中的一個到目標的被感測磁場的方向。第二機器人利用交點來相對於磁性目標定位製造工具。

根據本文中的另一實施例，一種磁性目標包含圓柱形鐵磁芯體、環繞該芯體的環形磁體以及圍繞該芯體並鄰近環形磁體的聚焦錐體。

根據本文中的另一實施例，一種定位在非磁性結構後面的隱藏特徵件的方法包含：將磁性目標放置在該特徵件處，利用三軸數字磁性羅盤的陣列掃描該結構的前面，以及計算從每個羅盤到磁性目標的方向矢量。每個方向矢量位於垂直於磁性目標的中心軸線的X-Y平面中。該方法進一步包含：找到方向矢量的交點，利用交點來計算從目標到基準點的偏移矢量，以及利用偏移矢量來移動基準點。

這些特徵和功能可以在各種實施例中被獨立地實現或可以在其他實施例中被組合。參考以下描述和附圖能夠看出實施例的進一步細節。

附圖說明

圖1是包括磁性目標和三軸數字磁性羅盤陣列的裝置的圖示。

圖2是該陣列的示例的圖示。

圖3是確定磁性目標相對於陣列的位置的方法的圖示。

圖4A是確定方向矢量的相交的方法的圖示。

圖4B是偏移矢量的圖示。

圖5A和圖5B是計算磁性目標的深度的方法的圖示。

圖6A-6C是磁性目標的示例的圖示。

圖7是包括磁性目標和三軸數字磁性羅盤陣列的機器人系統的圖示。

圖8是利用機器人系統來執行製造操作的方法的圖示。

具體實施方式

參考圖1，其圖示了包括磁性目標120的裝置110，該磁性目標120用於產生相當均勻且關於其中心軸線(A)同心的磁場。通量線從磁性目標120向外輻射。

磁性目標120定義全局X軸、Y軸和Z軸，所述全局X軸、Y軸和Z軸形成全局坐標系。Z軸與磁性目標120的中心軸線(A)重合，並且全局X-Y平面由X軸和Y軸形成。全局X-Y平面垂直於中心軸線(A)。當在全局X-Y平面中觀察時，考慮到磁場是相當均勻且同心的，則通量線被假設為是直的。

裝置110進一步包括用於感測磁場的三軸數字磁性羅盤的陣列130。每個數字磁性羅盤感測沿著其局部a軸、b軸和c軸的磁場，所述局部a軸、b軸和c軸形成局部坐標系。例如，每個數字磁性羅盤包括用於感測沿著每個局部軸線的磁分量的傳感器。如果三個傳感器幾乎被堆疊在彼此的頂部上(這在常規數字磁性羅盤中是典型的)，則相同的磁場將會影響所有三個傳感器。每個磁性傳感器可以包括磁阻設備，該磁阻設備的阻抗響應於所施加的磁場而改變。每個數字磁性羅盤還可以包括用於提供磁場強度和方向的數字值的接口電子裝置。

此外參考圖2，其圖示了陣列130的示例。圖2的陣列130包括在諸如電路板的基底220上的四個三軸數字磁性羅盤210。數字磁性羅盤210被布置在正方形的頂點處。開口230在基底220的中心處，並且基準點在開口230的中心處。

每個數字磁性羅盤210的局部a軸、b軸和c軸不必與全局X軸、Y軸和Z軸對齊。例如，在圖2中，局部a軸和b軸圍繞局部c軸旋轉了45度，以簡化涉及將測量結果從局部坐標系轉換為全局坐標系並且也用於確定磁性目標120的位置的計算。

在感測操作期間，磁性目標120被放置在非磁性結構(W)的表面後面，並且陣列130沿著結構(W)的前表面移動。每個數字磁性羅盤210測量沿著其a軸、b軸和c軸的磁場強度。

裝置110進一步包括處理器140。對於每個數字磁性羅盤，處理器140計算在全局X-Y平面中從數字磁性羅盤210朝向磁性目標120行進的矢量。

處理器140利用這些矢量的方向來確定磁性目標120的位置，但是不利用矢量的絕對磁場強度。因此，這些矢量將會在下文中被稱為「方向矢量」。

處理器140找到方向矢量在全局X-Y平面中的交點。交點指示磁性目標120相對於數字羅盤210的位置。根據該相對位置，可以推導出偏移矢量。例如，偏移矢量識別相距基準點的距離和方向。

例如，圖2中的開口230允許鑽頭穿過基底220。開口230的中心表示鑽頭的中心。因此，開口230的中心也表示基準點。偏移矢量可以表示鑽頭應當被移動以將它放置在磁性目標120上方的距離和方向。

現在參考圖3，其圖示了方向矢量可以如何被計算並且然後被用來確定磁性目標120相對於數字磁性羅盤210的位置的示例。

在方框310處，為每個數字磁性羅盤210確定方向矢量。每個數字磁性羅盤210感測該磁場沿著a軸和b軸的分量(a分量和b分量)，並且處理器140根據a分量和b分量確定到磁性目標120的方向矢量。

在方框320處，局部坐標系中的方向矢量被轉換為全局X-Y平面中的方向矢量。方向矢量在全局X-Y平面中的交點被確定。

圖4A提供了可以如何針對具有圖2所示的構造的陣列130確定方向矢量和交點的示例。數字磁性羅盤210在角落A、B、C和D處。磁性目標120在位置P處。

在每個角落處是局部坐標系的a軸和b軸。全局X-Y平面由X軸和Y軸來定義。

由於局部a-b平面中的通量線呈現為直的，因此不管磁場強度如何，通量線都以相同的角度與數字磁性羅盤210相交。如果磁場從磁性目標120的尖端向外輻射，那麼軸線的偏差不會顯著地影響方向。

對於每個角落存在一對互補的角度：對於角落A是A1和A2，對於角落B是B1和B2，對於角落C是C1和C2，並且對於角落D是D1和D2。在位置P處還存在四個中心角：∠APB、∠BPC、∠CPD和∠DPA。每個角度由兩個方向矢量形成，並且點P位於兩個方向矢量的相交處。

可以利用所感測的磁場的a分量和b分量來找到針對每個角落的互補角度。例如，角度A1和A2可以根據在角落A處感測的a分量(a)和b分量(b)被計算為如下：

A1＝atan(b/a)-π/4

A2＝π/2-A2

然後中心角被計算。例如，中心角∠DPA被計算為∠DPA＝π-(D2+A1)。

線段AP、BP、CP和DP的平面內長度被計算。理想地，所有方向矢量都將會在磁性目標120的位置P處相交。然而，由於存在包括軸線中的未對齊和偏差的各種因素，它們不會相交於一處。因此，矢量在不同的交點處相交。

因此，對於每個平面內長度可以存在兩種解決方案：AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2、DP1和DP2。每個長度可以利用正弦定律來確定。例如，

AP1＝dAB*sin(D2)/sin(∠DPA)

AP2＝dAB*sin(B1)/sin(∠DPA)

其中dAB是角落A與B之間的已知距離。距離dAB應當與距離dBC、dCD和dDA相同。

然後磁性目標在全局X-Y平面中的位置P被確定。首先，找到每個中心三角形的高度h。例如，中心角∠DPA的高度h可以被發現是h＝DP2*sin(D2)。

距離LAD和磁性目標120在位置P處的全局坐標YP和XP可以被計算為如下：

YP＝dAB/2-h

LAD＝DP2*cos(D2)

XP＝距離/2+LAD

使用dAB/2的原因是中心角∠DPA的高度(h)被計算，然後該高度(h)被從X軸(Y＝0)到線段DA的距離中減去。

因此，每個線段AP、BP、CP和DP的平面內長度被計算為從磁性羅盤到其交點的距離。因此，相交將會針對X和Y產生四個值。避免使用對置傳感器的相交，因為當磁性目標120在陣列130的中心處時，方向幾乎平行。

再次參考圖3。在方框330處，磁性目標120在全局X-Y平面中的位置被確定。例如，平面內距離的統計量(例如，平均值)被計算。

處理器140可以使用統計量(諸如標準偏差)來度量磁性目標120的計算位置的置信度。壞的傳感器、鐵的影響或計算的位置中的奇點可能導致大的方差。

因此，處理器140不依賴於矢量的量值來確定目標的位置。也就是說，處理器140不依賴於矢量的場強度，因為不管磁場強度如何(達到傳感器飽和或傳感器壓降的程度)，磁場強度的a分量和b分量都將會隨著彼此縮放，產生相同的方向。

在方框340處，偏移矢量可以被確定。磁性目標120的位置P剛好被計算，並且基準點在全局X-Y平面中的位置R被獲知。偏移矢量可以指示從基準點R到磁性目標120的距離和方向(參見圖4B)。

雖然上面的示例涉及具有四個數字磁性羅盤210的陣列130，但是陣列130並不局限於此。陣列130具有至少兩個數字磁性羅盤，因為需要至少兩個方向矢量來識別交點。然而，如果磁性目標120正好在兩個羅盤之間，則會形成奇點，由此沒有交點被識別，或者交點遠離磁性目標120。額外的數字磁性羅盤的使用降低了奇點的可能性。已經發現總共四個數字磁性羅盤充分地降低了這種可能性。即使一個測量結果作為異常值被放棄，其餘測量結果仍然能夠避免奇點。

處理器140不限於僅計算磁性目標120在全局X-Y平面中的位置。處理器140還可以計算磁性目標120的深度。

處理器140可以通過利用至少一個數字磁性羅盤的z分量(HZ)來確定磁性目標120的深度。如圖5A中所示，計算全局X-Y平面中的場強度(HX-Y)，計算來自所有三個傳感器的總場強度(HX-Y-Z)，並且計算反正切以確定磁性目標的角度(θ)。

如圖5B中所示，然後使用磁性目標的角度(θ)來確定深度。由於之前確定了到磁性目標的平面內距離(dX-Y)，因此深度(dZ)可以被計算為平面內距離與tan(θ)的乘積。

詳細敘述圖4A的示例，針對線段AP1、AP2、BP1、BP2、CP1、CP2、DP1和DP2的每個平面內距離的深度被計算。因而產生的是總共八個深度。可以計算深度的平均值或其他統計量以確定磁性目標120的深度。

陣列130中的傳感器測量結果可能受到由於地球的磁場或附近的鐵產生的場效應影響。處理器140可以利用來自額外的三軸數字磁性羅盤的測量結果來補償這些影響。額外的磁性羅盤被設置為遠離磁性目標120，以便不感測來自磁性目標120的磁場。例如，目標的磁場以指數方式下降，從而其在相距中心軸線大約八英寸處幾乎為零。由於地球的磁場相當均勻並且由大型鐵結構(例如，由於建築物中或組裝夾具的鋼鐵)產生的鐵影響也是均勻的，因此額外的數字羅盤將會僅僅感測該雜散場的a分量、b分量和c分量。這些分量可以被轉換到每一個羅盤的局部坐標繫上，並且然後從由數字磁性羅盤測量的相應分量中減去。

裝置110不限於特定類型的磁性目標120。然而，具有圓柱形鐵磁芯體和環繞該芯體的環形磁體的磁性目標120是特別有益的。

圖6A是磁性目標120的示例的圖示。圖6的磁性目標120包括圓柱形鐵磁芯體610和環繞芯體610的環形磁體620。鐵磁聚焦錐體630被設置在芯體610周圍並且鄰近環形磁體620。來自磁體620的通量流過聚焦錐體630而非周圍的空氣。以此方式，聚焦錐體630聚焦磁場，以改善在聚焦錐體630的尖端處的場的通量密度和均勻性。

如圖6A和圖6B中所示，鐵磁芯體610吸收磁場，並且將其軸向地投射到磁體620，由此將磁場與磁體620的物理主體對齊。這減少了由未對齊引起的誤差。芯體610的高磁導率也有助於使磁場變均勻。

現在參考圖6C，其圖示了圖6A的磁性目標120的部件的示例。芯體610和聚焦錐體630形成一體化結構。磁體620滑動到芯體610上。磁性目標120進一步包括殼體640和端帽650。芯體610、磁體620和聚焦錐體630被封裝在殼體640和端帽650內。殼體640和端帽650可以具有剪切銷的形狀，以便插入到導向孔內。

芯體610可以延伸穿過端帽650中的開口。殼體640內的彈簧660可以朝向端帽650向外偏置磁體620。對於鑽孔和物體穿過結構的其他操作，這種彈簧加載的構造是有利的。例如，當正在執行鑽孔時，圖6A-6C的磁性目標120可以保持在導向孔中。如果鑽頭穿過並且延伸越過該結構，則鑽頭將會擠壓芯體610、磁體620和聚焦錐體630。

裝置110可以被手動地使用。例如，裝置110可以進一步包括手持工具(未示出)，並且陣列130和處理器140可以與手持工具集成在一起。可以橫跨結構的前表面掃描手持工具。處理器140可以將偏移矢量和其他信息發送到工具上的視覺顯示器。操作者能夠利用該信息將手持工具手動地定位在磁性目標120上方。

然而，由於磁性目標120的位置的自動計算和偏移矢量的計算，裝置110尤其適用於機器人操作。例如，一對機器人可以使用裝置110來執行製造操作。

圖7示出了用於在非磁性壁(W)的相對兩側上執行製造操作的機器人系統710。機器人系統710包括在壁(W)的相對兩側上同步地操作的內機器人720和外機器人730。內機器人720包括磁性目標120，該磁性目標可以是末端執行器722的一部分。內機器人720進一步包括用於沿著壁(W)的內表面移動末端執行器722以定位磁性目標120的定位系統724。磁性目標120可以被末端執行器722和定位系統724保持在適當位置，或者它可以被固定到在壁(W)的內表面處的特徵件(例如，被插入在抵靠內表面的零件中的孔中)。

外機器人730包括處理器140和陣列130。陣列130可以是末端執行器732的一部分。末端執行器732還包括製造工具734。外機器人730進一步包括用於沿著壁(W)的外表面移動末端執行器732的定位系統736。用於測量雜散場的額外羅盤也可以被承載在外機器人730上。

陣列130可以與製造工具734集成在一起。例如，如果製造工具734包括鑽，則陣列130可以被集成在該鑽的心軸中。

圖8示出了利用機器人系統710鑽出一個孔穿過壁(W)並進入盲導向孔的方法。導向孔位於壁(W)的內側上的零件(未示出)中。僅作為一個示例，壁(W)由飛行器蒙皮形成，並且零件包括抵靠飛行器蒙皮的內表面設置的加強筋。該加強筋包含導向孔。

在方框810處，內機器人720移動其末端執行器722以將磁性目標120插入到導向孔中。在方框820處，位於壁(W)的外側上的外機器人730將陣列130移動經過壁(W)的外表面到導向孔的預期位置。作為第一示例，內機器人720被編程為移動其末端執行器722經過導向孔的預期位置，並且外機器人730被編程為移動其末端執行器732經過導向孔的預期位置。作為第二示例，內機器人720將其末端執行器722從目前位置移動到磁性目標120被放置在導向孔中的第二位置。內機器人720還確定從目前位置到第二位置的移動矢量。內機器人720將移動矢量傳達給外機器人730，並且外機器人730利用該移動矢量來移動其末端執行器732。

在方框830處，陣列130的每個數字磁性羅盤測量磁性目標120的場強度。在方框840處，對測量結果補償地球的磁場和大的鐵影響。

在方框850處，處理器140計算方向矢量的交點在全局X-Y平面中的位置。根據這些交點，處理器計算磁性目標120在全局X-Y平面中的位置。

在方框860處，處理器140計算磁性目標120的全局位置到基準點的全局位置的偏移矢量。如果基準點對應於鑽頭的中心線，則偏移矢量可以指示鑽頭應當被移動到哪裡，或者它可以核實鑽頭在磁性目標120正上方。

在方框870處，可以計算額外的信息(諸如磁性目標120的深度和極性)。磁性目標具有南極和北極。當磁性目標120被插入到導向孔中時，一個磁極比另一個磁極更靠近陣列130。處理器140可以通過檢測每一個數字磁性羅盤的z分量的極性來確定磁性目標120的極性。

在方框880處，如果偏移矢量指示磁性目標120與基準點之間的距離超過閾值(即超過位置公差)，則外機器人730根據偏移矢量移動基準點。方框830-880可以被重複，直至位置公差是可接受的。

一旦位置公差是可接受的，就執行製造操作(方框890)。鑽頭被用來鑽通蒙皮並且進入導向孔。

可以執行額外的製造操作。例如，在該孔已經被鑽通飛行器蒙皮之後，內機器人720移除磁性目標120，外機器人730將緊固件插入通過鑽孔，並且內機器人720使緊固件終止。

關於極性的信息可以被用來確定正確的磁性目標是否被安裝。極性信息也可以輔助製造操作。不同磁體的極性信息可以被用來例如依據通過陣列130看到的極性而發信號給機器使用不同的鑽孔工藝(不同的鑽孔速度、進給速度、啄序(peck)循環等)。

關於磁性目標的深度的信息可以被用來確定鑽孔的深度。如果使用圖6A-6C的磁性目標120，則深度測量不必是精確的，因為在鑽通結構之後鑽頭將會使彈簧偏置的磁體移位。

另外，本公開包含根據以下條款的實施例：

條款1.一種裝置，其包含：

磁性目標，用於產生均勻的並且關於目標的中心軸線同心的磁場；

三軸數字磁性羅盤的陣列，用於感測磁場；以及

處理器，用於找到從羅盤到目標的矢量的交點，所述矢量位於垂直於中心軸線的全局X-Y平面中，每個矢量指示從羅盤中的一個到磁性目標的所感測的磁場的方向。

條款2.根據條款1所述的裝置，其中所述相交是從矢量的方向而不是矢量的量值推導出的。

條款3.根據條款1所述的裝置，其中處理器利用交點來推導磁性目標在全局X-Y平面中相對於磁性羅盤的位置。

條款4.根據條款3所述的裝置，其中處理器確定從目標到基準點的偏移矢量。

條款5.根據條款3所述的裝置，其中每個數字磁性羅盤包括用於感測磁場沿著局部a軸和b軸的分量的磁性傳感器，並且其中所述分量被從局部a軸和b軸變換到全局X-Y平面。

條款6.根據條款3所述的裝置，其中處理器

為每個羅盤確定方向矢量；

根據方向矢量確定交點；以及

根據交點計算目標的平面內距離。

條款7.根據條款6所述的裝置，其中處理器將磁性目標的位置計算為平面內距離的統計量。

條款8.根據條款7所述的裝置，其中處理器計算平面內距離的統計置信度。

條款9.根據條款6所述的裝置，其中處理器利用平面內距離和磁場強度的至少一個z分量來計算磁性目標的深度。

條款10.根據條款1所述的裝置，其中所述陣列進一步包括額外的數字磁性羅盤；並且其中處理器利用來自額外的羅盤的測量結果來補償地球的磁場和鐵的影響。

條款11.根據條款1所述的裝置，其中磁性目標包括圓柱形鐵磁芯體和環繞芯體的環形磁體。

條款12.根據條款11所述的裝置，其中磁性目標進一步包括圍繞芯體並且鄰近環形磁體的聚焦錐體。

條款13.根據條款12所述的裝置，其中磁性目標進一步包括殼體和在殼體內用於向外偏置環形磁體的彈簧。

條款14.一種利用條款1的裝置對非磁性結構執行製造操作的方法，所述方法包含：

從結構的一側定位磁性目標；

從結構的相對側移動陣列經過磁性目標的預期位置；

利用處理器來確定磁性目標與基準位置之間的偏移矢量；

根據偏移矢量移動基準位置；以及

在基準位置已經被移動之後，對結構執行製造操作。

條款15.一種機器人系統，其包含用於對非磁性結構執行製造操作的第一機器人和第二機器人，

第一機器人，其包括：磁性目標，用於產生均勻的並且關於目標的中心軸線同心的磁場；以及第一末端執行器和用於將磁性目標定位在結構的第一側處的定位系統；

第二機器人，其包括：用於感測磁場的三軸數字磁性羅盤的感測陣列；製造工具；以及第二末端執行器和用於沿著結構的第二相對側的表面掃描感測陣列以定位磁性目標的定位系統；

第二機器人進一步包括用於找到從羅盤到磁性目標的矢量的交點的處理器，所述矢量位於全局X-Y平面中，每個矢量指示從羅盤中的一個到目標的所感測的磁場的方向；第二機器人利用交點來相對於磁性目標定位製造工具。

條款16.一種包含利用條款15所述的系統的方法，其中第一機器人被用來從結構的第一側定位目標，並且第二機器人被用來從結構的第二側移動陣列，並且其中處理器計算偏移矢量以便移動工具經過磁性目標。

條款17.根據條款16所述的方法，其進一步包含確定磁性目標的極性並且利用該極性來執行製造操作。

條款18.一種磁性目標，其包含圓柱形鐵磁芯體；環繞芯體的環形磁體；以及圍繞芯體並且鄰近環形磁體的聚焦錐體。

條款19.一種定位非磁性結構後面的隱藏特徵件的方法，該方法包含：

將磁性目標放置在該特徵件處；

利用三軸數字磁性羅盤的陣列來掃描該結構的前面；

計算從每個羅盤到磁性目標的方向矢量，每個方向矢量位於垂直於磁性目標的中心線的X-Y平面中；

找到方向矢量的交點；以及

利用交點來計算從目標到基準點的偏移矢量，並且利用偏移矢量來移動基準點。

條款20.根據條款19所述的方法，其中該結構包括飛行器蒙皮，其中該隱藏特徵件包括在飛行器蒙皮後面的加強筋中的導向孔；其中該磁性目標被放置在導向孔中；並且其中經過飛行器蒙皮的前面掃描該陣列。

此外，關於深度的信息還可以被用來確定鑽孔循環。鑽到期望的深度而非鑽過所述深度能夠減少循環時間。