CN112840542B - 用于识别磁性动子的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种系统，其中磁性动子包括至少一个动子识别装置。该系统还包括定子，该定子限定了工作表面并包括致动线圈组件和至少一个定子识别装置，该装置能操作以与至少一个磁性动子识别装置相互作用。一个或多个传感器用于感测第一磁性动子的位置。一个或多个定子驱动电路用于驱动致动线圈组件，从而在工作表面上移动第一磁性动子。第一磁性动子包括一个或多个磁性部件，其定位为使得一个或多个磁性部件发出的一个或多个磁场与致动线圈组件在由一个或多个定子驱动电路驱动时产生的一个或多个磁场的相互作用使第一磁性动子能够以至少两个自由度运动。

Description

用于识别磁性动子的系统和方法

技术领域

本公开涉及一种用于识别磁性动子的系统和方法。

背景技术

在各种制造、检验和组装过程中广泛使用运动平台(例如XY工作台和旋转工作台)。目前的一种常用方案是通过连接轴承将两个线性平台(例如X平台和Y平台)叠置在一起来实现XY运动。一种更理想的方案是采用能够进行XY运动的单个运动平台，从而不需要额外的轴承。这种运动平台有希望能够实现至少一定程度的Z运动。已经尝试利用载流线圈与永磁体之间的相互作用来设计这种位移装置。例如，磁性动子可相对于定子运动，以产生一个或多个磁场。

但是，这种系统的一个问题是，定子的控制器可能难以将定子上的某个动子与定子上的其他动子区分开来。

发明内容

总体来说，根据本公开的实施例，说明了一种包括一个或多个磁性动子和一个或多个定子的系统。定子限定工作表面(例如2维平面工作表面)，并且包括用于驱动该一个或多个磁性动子在工作表面上运动的致动线圈组件。定子包括至少一个定子识别装置，在一些实施例中，该定子识别装置是定子耦合线圈。磁性动子包括至少一个第一磁响应单元(第一MRU)和至少一个动子识别装置(第二磁响应单元或第二MRU)。定子耦合线圈和第二MRU(更一般地说是定子识别装置和动子识别装置)可操作以相互作用，例如通过磁感应相互作用。根据一些实施例，定子识别装置与动子识别装置之间的相互作用可以是主动的而不是被动的，不使用磁感应。例如，定子识别装置可发起与动子识别装置的通信，并请求动子识别装置向定子识别装置发送识别信息或其他信息。或者，例如，动子识别装置可周期性地向定子识别装置发送识别信息或其他信息。

该系统还可包括用于感测磁性动子的位置的一个或多个传感器。基于磁性动子的位置，控制器可控制一个或多个定子驱动电路来驱动致动线圈组件，从而在工作表面上移动磁性动子。具体而言，致动线圈组件可与动子上的一个或多个磁性部件(例如一个或多个磁体阵列)相互作用，以使动子在工作表面上运动。该运动可在至少两个或更多自由度上进行，例如在x和y方向上进行。

根据本公开的第一方面，提供了一种系统，该系统包括：至少一个磁性动子，包括第一磁性动子，其中该第一磁性动子包括至少一个动子识别装置；定子，该定子限定工作表面，并且包括：致动线圈组件，该致动线圈组件包括多个致动线圈；以及至少一个定子识别装置，该定子识别装置可操作以与该至少一个动子识别装置相互作用；用于感测第一磁性动子的位置的一个或多个传感器；以及一个或多个定子驱动电路，该定子驱动电路用于驱动致动线圈组件，从而在工作表面上移动第一磁性动子，其中该第一磁性动子包括一个或多个磁性部件，该一个或多个磁性部件布置为使得由该一个或多个磁性部件发出的一个或多个磁场与由该致动线圈组件在被该一个或多个定子驱动电路驱动时产生的一个或多个磁场的相互作用使该第一磁性动子能够以至少两个自由度运动。

该工作表面可将第一磁性动子从该致动线圈组件和该至少一个定子识别装置之中的一个或多个分开。

该至少两个自由度可包括正交的x轴和y轴自由度。

该工作表面可在x-y平面内延伸。

该一个或多个磁性部件可以是第一磁响应单元。

该至少一个定子识别装置可以是定子耦合线圈组件。

该至少一个动子识别装置可以是第二磁响应单元。

该至少一个动子识别装置可包括至少一个动子感应线圈。

该至少一个定子识别装置可包括至少一个定子耦合线圈。

该定子还可包括用于驱动该至少一个定子耦合线圈的一个或多个耦合线圈驱动电路。

该至少一个定子耦合线圈的形状和几何结构之中的一个或多个可不同于该多个致动线圈的形状和几何结构之中的相应一个或多个。

在电流被驱动通过该至少一个定子耦合线圈时，该至少一个定子耦合线圈可配置为与该至少一个动子识别装置的至少一个动子感应线圈磁耦合。

该一个或多个定子驱动电路可操作以与用于操作该至少一个定子识别装置的一个或多个频率不同的一个或多个频率驱动该多个致动线圈，以减少该多个致动线圈与该至少一个定子识别装置之间的干扰。

该至少两个自由度可包括正交的x轴、y轴和z轴自由度，以及围绕x轴、y轴和z轴的相应旋转自由度。

该至少一个动子识别装置可包括多个动子识别装置。

该系统还可包括与该一个或多个传感器通信耦合并且可操作以执行一种方法的控制器，该方法包括：激活该一个或多个定子驱动电路以驱动致动线圈组件，从而在工作表面上将第一磁性动子移动到与该至少一个定子识别装置之中的某个定子识别装置相关联的感测位置；并且激活定子识别装置，以实现定子识别装置与该至少一个动子识别装置之间的相互作用。

该方法还可包括在激活定子识别装置后，基于从该至少一个动子识别装置向定子识别装置传送的识别信息来识别第一磁性动子。

该方法还可包括基于传送的识别信息确定第一磁性动子的取向。该取向可以是Rz取向范围。

该感测位置可包括足够靠近定子识别装置从而对于第一磁性动子的至少一个取向允许在该至少一个动子识别装置和该定子识别装置之间传送数据的位置。

激活定子识别装置以实现定子识别装置与该至少一个动子识别装置之间的相互作用可包括：激活定子识别装置；随后确定识别信息是否已经从该至少一个动子识别装置传送至定子识别装置；如果是否定的，则调节第一磁性动子的位置。

调节第一磁性动子的位置可包括将第一磁性动子平移到与定子识别装置相关联的新感测位置。

该方法还可包括基于从该至少一个动子识别装置向定子识别装置传送的识别信息并基于从第一磁性动子调节后的位置确定第一磁性动子的取向。

该至少一个动子识别装置可包括多个动子识别装置，每个动子识别装置与第一磁性动子的唯一识别信息相关联，并且该方法还可包括：基于从该多个动子识别装置之中的至少一个动子识别装置向定子识别装置传送的识别信息来确定第一磁性动子的取向。

该至少一个动子识别装置可包括多个动子识别装置，该多个动子识别装置布置为使得在第一磁性动子处于与该至少一个定子识别装置之中的某个定子识别装置相关联的感测位置时，该多个动子识别装置之中的至少一个动子识别装置足够靠近该定子识别装置，从而允许在该至少一个动子识别装置与该定子识别装置之间传送数据。

该至少一个定子识别装置可包括多个定子识别装置，该多个定子识别装置布置为使得在第一磁性动子处于与该多个定子识别装置之中的某个定子识别装置相关联的感测位置时，该至少一个动子识别装置足够靠近该定子识别装置，从而允许在该至少一个动子识别装置与该定子识别装置之间传送数据。

该至少一个动子识别装置可与唯一标识第一磁性动子的识别信息相关联。

该至少一个动子识别装置的中心可偏离第一磁性动子的一个或多个磁性部件的中心。

该至少一个定子识别装置的尺寸可使得对于工作表面上面或上方的第一磁性动子的至少一个位置来说该至少一个动子识别装置的至少一部分与该至少一个定子识别装置的至少一部分重叠。

该一个或多个磁性部件可包括多个磁体阵列，每个磁体阵列包括限定延伸方向的多个线性细长磁化段，并且该至少一个动子识别装置的磁芯的轴向可与由最靠近该至少一个动子识别装置的线性细长磁化段限定的延伸方向对准。

每个磁化段可具有磁化方向，并且该至少一个动子识别装置的磁芯的轴向可与最靠近该磁芯的磁化段的磁化方向正交。

该至少一个动子识别装置可包括磁芯，该一个或多个磁性部件可包括多个磁体阵列，该多个磁体阵列包括多个线性细长磁化段，最靠近该至少一个动子识别装置的线性细长磁化段可具有第一端和第二端，并且：在磁芯的轴向上第一端与磁芯中心的分隔距离可大于磁芯的长度；并且在磁芯的轴向上第二端与磁芯中心的分隔距离可大于磁芯的长度。

该至少一个动子识别装置可包括磁芯，该一个或多个磁性部件可包括多个磁体阵列，该多个磁体阵列包括多个线性细长磁化段，最靠近该至少一个动子识别装置的线性细长磁化段可具有第一端和第二端，并且：在磁芯的轴向上第一端与磁芯的中心的分隔距离可大于第一端与第二端的分隔距离的1/3左右；并且在磁芯的轴向上第二端与磁芯中心的分隔距离可大于第一端与第二端的分隔距离的1/3左右。

该第一磁性动子可包括承载工件的磁性机器人装置，并且该至少一个动子识别装置可包括在该工件中。

该一个或多个磁性部件可包括围绕该至少一个动子识别装置的多个磁体阵列。

该至少一个动子识别装置可包括缠绕在磁芯上的感应线圈。

该至少一个动子识别装置可包括存储识别第一磁性动子的识别信息的存储部件。

根据本公开的另一个方面，提供了一种方法，该方法包括：提供一种系统，该系统包括：至少一个磁性动子，包括第一磁性动子，其中该第一磁性动子包括至少一个动子识别装置；定子，该定子限定工作表面，并且包括：致动线圈组件，该致动线圈组件包括多个致动线圈；和至少一个定子识别装置；以及用于驱动致动线圈组件的一个或多个定子驱动电路；从该至少一个动子识别装置向该至少一个定子识别装置传送识别信息；并且基于识别信息识别第一磁性动子，其中该第一磁性动子包括一个或多个磁性部件，该一个或多个磁性部件布置为使得由该一个或多个磁性部件发出的一个或多个磁场与由该致动线圈组件在被该一个或多个定子驱动电路驱动时产生的一个或多个磁场的相互作用使该第一磁性动子能够以至少两个自由度运动。

该方法还可包括使用一个或多个传感器确定第一磁性动子的位置。

该工作表面可将第一磁性动子从该致动线圈组件和该至少一个定子识别装置之中的一个或多个分开。

该至少一个动子识别装置可包括至少一个动子感应线圈，并且该至少一个定子识别装置可包括至少一个定子耦合线圈。

在电流被驱动通过该至少一个定子耦合线圈和/或该至少一个动子识别装置的至少一个动子感应线圈时，该一个或多个定子驱动电路可不驱动电流通过该多个致动线圈，以最大限度地减少该多个致动线圈对该至少一个定子耦合线圈和/或该至少一个动子感应线圈的干扰。

传送识别信息可包括使用电磁感应来传送识别信息。

该定子还可包括用于驱动该至少一个定子耦合线圈的一个或多个耦合线圈驱动电路。

该方法还可包括：在识别第一磁性动子之前，激活该一个或多个定子驱动电路以驱动致动线圈组件，从而将第一磁性动子在工作表面上移动到与该至少一个定子识别装置之中的某个定子识别装置相关联的感测位置；并且激活定子识别装置，以实现定子识别装置与该至少一个动子识别装置之间的相互作用。

该方法还可包括基于传送的识别信息确定第一磁性动子的取向。

激活定子识别装置以实现定子识别装置与该至少一个动子识别装置之间的相互作用可包括：激活定子识别装置；随后确定识别信息是否已经从该至少一个动子识别装置传送至定子识别装置；如果是否定的，则调节第一磁性动子的位置。

调节第一磁性动子的位置可包括将第一磁性动子平移到与定子识别装置相关联的新感测位置。

该方法还可包括基于在该至少一个动子识别装置与定子识别装置之间传送的识别信息并基于第一磁性动子的调节后的位置确定第一磁性动子的取向。

该至少一个动子识别装置可包括多个动子识别装置，每个动子识别装置与第一磁性动子的唯一识别信息相关联，并且该方法还可包括：基于从该多个动子识别装置之中的至少一个动子识别装置向定子识别装置传送的识别信息来确定第一磁性动子的取向。

该第一磁性动子可包括承载工件的磁性机器人装置，该至少一个动子识别装置可包括在该工件中，并且识别第一磁性动子可包括基于识别信息来识别工件。

该方法还可包括：在该至少一个定子识别装置用于与该至少一个动子识别装置通信时，优化第一磁性动子与工作表面之间的Z方向距离，以强化该至少一个动子识别装置与该至少一个定子识别装置之间的耦合，其中该Z方向距离可包括零距离。

根据本公开的另一个方面，提供了一种包括计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码配置为在被一个或多个处理器执行时使得该一个或多个处理器执行在本文中说明的任何方法。

根据本公开的另一个方面，提供了一种磁性动子，该磁性动子包括：与识别磁性动子的识别信息相关联的至少一个识别装置，该至少一个识别装置包括至少一个磁芯；以及磁体阵列，该磁体阵列包括限定相应的延伸方向的线性细长磁化段，其中该至少一个磁芯的轴向与最靠近该至少一个识别装置的线性细长磁化段所限定的延伸方向对准。

最靠近该至少一个识别装置的线性细长磁化段可具有第一和第二端，并且：在该至少一个磁芯的轴向上第一端与该至少一个磁芯的中心的分隔距离可大于该至少一个磁芯的长度；并且在该至少一个磁芯的轴向上第二端与该至少一个磁芯的中心的分隔距离可大于该至少一个磁芯的长度。

该至少一个识别装置的中心可偏离磁性动子的中心。

该磁体阵列可围绕该至少一个识别装置。

在电流驱动该至少一个识别装置时，由该至少一个识别装置产生的主磁通量的轴向可与识别装置中心处的由最靠近识别装置的磁体阵列发出的磁场正交。

该至少一个识别装置可包括缠绕在磁芯上的感应线圈。

该至少一个识别装置可包括存储识别信息的存储部件。

根据本公开的另一个方面，提供了一种定子，该定子包括：致动线圈组件，该致动线圈组件包括多个致动线圈；至少一个耦合线圈，该至少一个耦合线圈具有与致动线圈的相应一个或多个形状和几何结构不同的一个或多个形状和几何结构；用于驱动致动线圈组件的一个或多个定子驱动电路；以及用于驱动该至少一个耦合线圈的一个或多个耦合线圈驱动电路。

该一个或多个定子驱动电路可操作以与由该一个或多个耦合线圈驱动电路用于驱动该至少一个耦合线圈的一个或多个频率不同的一个或多个频率驱动该多个致动线圈，以减少该多个致动线圈与该至少一个耦合线圈之间的干扰。

应理解，在多种应用中，可能希望有利于提高可追溯性和检测动子的平面内取向(例如出于效率或任何其他适当的原因)。例如，用户可能希望将处于正X方向的取向的细长工件(由动子承载)与位于装配站的第二工件配合。但是，若手动或通过自动化装置将动子旋转90度或180度，则承载的工件会处于Y或-X方向的取向；在旋转的动子移动到装配站时，第二工件可能无法与承载的工件配合。

本概述不一定描述所有方面的整个范围。在阅读以下具体实施例的说明后，其他方面、特征和优点对于本领域普通技术人员将变得明显。

附图说明

附图示出了一个或多个示例性实施例，在附图中：

图1A示出了本公开的实施例的包括动子、定子和控制器的系统；

图1B-1D示出了本公开的实施例的致动线圈电路；

图1E示出了本公开的实施例的耦合线圈电路；

图2示出了本公开的实施例的动子；

图3示出了本公开的实施例的第二磁响应单元；

图4A和4B示出了本公开的实施例的耦合线圈电路；

图4C示出了本公开的实施例的有效定子耦合线圈区域；

图4D示出了本公开的实施例的多个有效定子耦合线圈区域；

图5示出了本公开的实施例的动子和定子；

图6A-6D示出了本公开的实施例的动子的不同取向；

图7A示出了本公开的实施例的动子的不同取向；

图7B示出了本公开的实施例的不同感测位置；

图8示出了本公开的实施例的具有多个定子耦合线圈组件的动子和定子；

图9A示出了本公开的实施例的动子的多个磁体阵列；

图9B示出了本公开的实施例的动子的磁体阵列的磁化段；

图10A示出了本公开的实施例的邻近磁体阵列的第二磁响应单元；

图10B示出了图10A中的邻近图10A的磁体阵列的第二磁响应单元的另一个视图；

图11-13示出了本公开的实施例的包括动子、定子和控制器的系统；

图14A-14D示出了本公开的实施例的动子相对于有效定子耦合线圈区域的不同取向；

图15示出了本公开的实施例的识别动子并确定动子的取向的方法的流程图；

图16A示出了本公开的实施例的系统，该系统包括定子、控制器和承载包括磁响应单元的工件的动子；

图16B示出了图16A的系统的俯视图；和

图17示出了本公开的实施例的包括定子、控制器和承载工件的动子的系统。

具体实施方式

本公开试图提供一种用于识别磁性动子的改良系统和方法。虽然在下文中说明了本公开的多个实施例，但是本公开不限于这些实施例，并且这些实施例的变化形式也在仅由所附权利要求限定的本公开的范围之内。

在下文的说明中，阐述了具体细节，以便使本领域技术人员更全面地理解本公开。但是，可能未详细示出或说明现有技术中的众所周知的元件，以避免不必要地使本公开变得模糊。因此，说明书和附图应视为示例性的，而不是限制性的。

根据一些实施例，提供了一种包括一个或多个定子和一个或多个动子的机器人装置(或系统)。每个动子可承载一个或多个工件或零件(工件和零件在本公开中可互换使用)。在一些应用中，多个动子可承载一个零件保持架，该零件保持架可保持一个或多个零件。“零件”是一个通用术语，其非限制性例子包括部件、样品或组件。通常，定子和一个或多个动子可通过一个或多个磁场相互作用，从而定子可向该一个或多个动子提供力和/或扭矩，以可控地移动该一个或多个动子。在一些实施例中，系统中的所有动子是基本上相似的或者几乎相同的；但是，这不是必须的，系统可包括包含不同尺寸和/或构造的磁体阵列的动子。在一些实施例中，定子可包括分布在一个或多个平面层中的多个线圈。在一些实施例中，定子还可包括多个齿，例如铁齿。

定子提供工作表面(该工作表面可具有任何适当的形状，例如平坦、弯曲、圆柱形的或球形形状)，并且每个动子能够以接触的方式(经由一种或多种接触介质，例如滑动和/或滚动轴承、接触模式或坐靠模式)或者通过在工作表面的法线方向上保持动子与定子之间的可控间隙而没有任何接触的方式沿着工作表面、在工作表面上方或在工作表面上运动。这种间隙可通过被动或主动悬浮装置来保持。

在本公开中，可移动的运动平台、可移动的平台、运动平台和动子可互换使用。每个动子可包括一个或多个磁体组件。每个磁体组件可包括刚性连接在一起的一个或多个磁体阵列。每个磁体阵列可包括一个或多个磁化元件。每个磁化元件均具有一个磁化方向。通常，动子上的磁体通过工作间隙与定子线圈相互作用，该工作间隙远小于动子的横向尺寸(即，平行于定子工作表面的尺寸)。

在一些实施例中，可连接一个或多个放大器，以驱动该一个或多个定子中的多个线圈内的多路电流。可连接一个或多个控制器，以向该一个或多个放大器输送控制信号。该控制信号可用于控制由该一个或多个放大器向该多个线圈中的至少一些线圈内驱动的电流。向多个线圈之中的至少一些线圈中可控地驱动的电流产生磁场，该磁场在动子的一个或多个磁体组件上导致相应的磁力，从而以至少2个平面内自由度(DOF)、至少3个平面内自由度、或至少6个自由度可控地相对于定子(例如在工作表面上或上方)移动动子。在一些实施例中，在控制器控制由该一个或多个放大器驱动的电流时，与由至少一些线圈中的电流产生的磁场和与磁体阵列相关联的磁场之间的相互作用相关联的磁力可向定子吸引运动平台。在一些实施例中，在控制器控制由该一个或多个放大器驱动的电流时，与由至少一些线圈中的电流产生的磁场和与磁体阵列相关联的磁场之间的相互作用相关联的磁力可迫使动子平台远离定子，以利用气隙平衡重力。在一些实施例中，动子与定子之间的间隙是由空气轴承或压缩流体轴承保持的。

在一些实施例中，动子可以悬浮模式工作，即，动子可以被动方式或主动方式悬浮在工作表面附近而不接触工作表面，并且动子100可沿着沿X和Y方向延伸的工作表面运动，其中X和Y是两个平面内非平行方向。工作表面与动子之间的分隔间隙通常比动子在X和Y方向上的尺寸小得多。虽然在一些实施例中，动子能够进行6个自由度的可控运动，但这不是必须的。在可能不需要动子的悬浮并且高承载能力更重要的某些应用中，本领域技术人员能理解，动子可通过适当的机械轴承(包括但不限于平面滑动轴承和滚珠传动单元)坐在工作表面上，并且能够进行三个平面内自由度的可控运动(在X和Y方向上的平移、以及围绕Z方向的旋转)，其中X和Y方向是两个平面内非平行方向，并且Z方向垂直于工作表面。在动子依靠滑动和/或滚动轴承坐在工作面上并且动子能够进行3个平面内自由度的可控运动(在X和Y方向上的平移、以及围绕Z方向的旋转)的情况下，动子以3个自由度的受控坐靠模式工作。在一些实施例中，在以不与定子接触的悬浮模式工作时，动子能够进行三个自由度的可控运动(在X和Y方向上的平移、以及围绕Z方向的旋转)；在此模式中，使用本领域技术人员已知的适当被动悬浮技术，在没有反馈的情况下开环控制在Z方向上的平移和围绕X和Y方向的旋转。在动子能够不与定子接触地进行三个自由度的可控运动的情况下，它以三个自由度的受控悬浮模式工作。

通常，定子工作区域是由定子工作表面提供的二维(2D)区域，并且，利用适当的反馈控制算法和适当的位置反馈传感器，动子可在定子工作区域内以至少两个平面内自由度可控地运动。

为了说明在本文中公开的动子，可定义一对坐标系——固定至定子(例如图1A的定子200)的定子坐标系；以及固定至运动平台(例如图1A的动子100)并相对于定子和定子坐标系与动子一起运动的动子坐标系。本说明可使用传统的笛卡尔坐标(x,y,z)来描述这些坐标系，但是应理解，也可使用其他坐标系。为了方便性和简洁性，在本说明书和相关附图中，可将定子坐标系中的方向(例如x、y、z方向)和动子坐标系中的方向显示和描述为彼此一致的，即，可将定子-x(或Xs)、定子-y(或Ys)和定子-z(或Zs)方向显示为分别与动子-x(或Xm)、动子-y(Ym)和动子-z(或Zm)方向一致。因此，本说明书和相关附图所指的方向(例如x、y和/或z)可指定子和动子坐标系中的两个或任何一个中的方向。但是，从本说明书的上下文应理解，在一些实施例和/或情况中，动子(例如动子100)可相对于定子(例如定子200)移动，使得这些定子和动子方向不再彼此一致。在这种情况下，本公开可采用使用术语定子-x、定子-y和定子-z来指代定子坐标系中的方向和/或坐标并使用术语动子-x、动子-y和动子-z来指代动子坐标系中的方向和/或坐标的惯例。在本说明书和相关附图中，符号Xm、Ym和Zm可分别用于表示动子-x、动子-y和动子-z方向，符号Xs、Ys和Zs可分别用于表示定子-x、定子-y和定子-z方向，符号X、Y和Z可分别用于表示动子-x、动子-y和动子-z和/或定子-x、定子-y和定子-z方向之中的一种或两种。在一些实施例中，在正常操作期间，动子z方向和定子z方向大致处于同一方向(例如，在一些实施例中在±30°之内；在一些实施例中在±10°之内；在一些实施例中在±2°之内)。虽然在本说明书中工作表面基本上是平坦和平面的，但是本领域技术人员能理解，这不是必须的，并且定子的工作表面(例如面向动子的表面)可以是弯曲表面，包括但不限于圆柱形表面或球形表面，具有在本文中公开的控制算法和定子线圈布局的适当修改。

在一些实施例中，定子x和定子y方向不平行。在特定实施例中，定子x和定子y方向是大致正交的。在一些实施例中，动子-x和动子-y方向不平行。在特定实施例中，动子-x和动子-y方向是大致正交的。在一些实施例中，定子x和定子y方向平行于定子工作表面，并且定子z方向垂直于定子工作表面。

图1A示出了一个特定实施例的机器人系统900。图1A示出了系统900的侧视图。机器人系统900包括定子200和动子100、一个或多个控制器70以及用于提供位置反馈信号的一个或多个传感器80(未示出)。定子200包括定子致动线圈组件50和定子耦合线圈组件60。动子100至少包括第一磁响应单元(第一MRU)10和第二磁响应单元(第二MRU)20。定子致动线圈组件50包括多个致动线圈电路51。致动线圈电路51可由定子驱动电路以适当的电流驱动，该定子驱动电路产生与第一MRU相互作用的磁场，从而以至少两个平面内自由度移动动子100(例如但不限于沿X和Y方向的直线移动)。定子耦合线圈组件60包括一个或多个耦合线圈电路61，这些耦合线圈电路可产生与第二MRU 20耦合的磁场，用于传递能量或信息。在一些实施例中，耦合线圈电路61和第二MRU 20在Z方向上彼此重叠。但这不是必须的。在一些实施例中，第二MRU 20与有效的定子耦合线圈区域63重叠，该定子耦合线圈区域通常分别在X和Y方向上延伸到超出定子耦合线圈组件60的覆盖区域，超出量为定子耦合线圈组件60的线性尺寸的10-50％，如图4C所示。在一些实施例中，有效定子耦合线圈区域63的覆盖区域小于耦合线圈组件60的覆盖区域。在一些实施例中，单个耦合线圈组件60可具有不止一个有效定子耦合线圈区域63，如图4D所示。在一个示例中，当第二MRU 20在Z方向上与有效定子耦合线圈区域63重叠时，第二MRU 20与耦合线圈电路61之间的耦合非常强，并且与弱耦合(例如当第二MRU 20在Z方向上与有效定子耦合线圈区域63几乎没有任何重叠时)相比可显著改变耦合线圈互感。在一个示例中，定子耦合线圈组件60与第二MRU 20之间的电力/信息的双向传送包括双向信息传送。在另一个示例中，定子耦合线圈组件60与第二MRU20之间的电力/信息的双向传送包括一个方向(例如从定子耦合线圈组件60到第二MRU 20)上的电力传送和另一个方向(例如从第二MRU 20到定子耦合线圈组件60)上的信息传送。

耦合线圈电路61由基频显著高于流入致动线圈电路51的电流的基频的电流驱动。在一个非限制性示例中，致动线圈电路51中的电流的基频在数百赫兹以下的范围内，而耦合电路61中的电流的基频在数万赫兹以上的范围内。耦合线圈电路61由幅值显著低于被驱动到致动线圈电路51中的电流的幅值的电流驱动。在一个非限制性示例中，致动线圈电路51中的电流的幅值在数安培以上的范围内，而耦合线圈电路61中的电流的幅值在数毫安以下的范围内。耦合线圈电路61具有与致动线圈电路51显著不同的几何结构(形状和/或线圈宽度)。例如，线圈电路51可以是在X或Y方向上线性细长的；线圈电路61可具有在沿X或Y方向延伸的平面内的矩形、正方形、圆形或任何其他适当形状。

在一个非限制性示例中，第一MRU 10包括适当地设计为使得致动线圈电流与第一MRU 10之间通过磁场的相互作用能够以至少两个自由度可控地移动动子100的磁体阵列。

在一个非限制性示例中，第二MRU 20包括适当地连接以形成谐振电路从而便于电力或信息的双向传送的感应线圈和电容。在一些实施例中，第二MRU 20可通过解调耦合线圈电路61的端子电压或电流而将其内部存储的信息传送至耦合线圈电路61。

在一个非限制性示例中，第二MRU 20包括高电导率材料(例如但不限于铜或金)，从而第二MRU 20与耦合线圈电路61之间的耦合显著削弱耦合线圈电路61的电感，例如削弱20％以上。电感变化(减小)可用于指示第二MRU 20是否位于耦合线圈电路61上方，以检测动子的平面内取向(其相对于Z轴的角度旋转)。

在一个非限制性示例中，第二MRU 20可包括由高磁导率材料(例如但不限于铁和/或镍)制成的磁芯，从而第二MRU 20与耦合线圈电路61之间的耦合得到加强。在该实施例中，第二MRU 20的感应线圈缠绕在磁芯上。

致动线圈电路51和/或耦合线圈电路61的一个非限制性示例是用印刷电路板制造技术制造的线道。

在一些实施例中，致动线圈电路51和耦合线圈电路61在定子Z方向上彼此重叠，但是位于不同的Z位置，使得耦合线圈电路61不会中断致动线圈电路51的连续性，并且动子100可在其平面运动期间被以至少两个平面自由度平滑地致动。

致动线圈电路51和耦合线圈电路61被有意地设计或产生为最大限度地减少耦合线圈电路61与第一MRU 10之间的互耦和/或致动线圈电路51与第二MRU 20之间的互耦。

动子100可沿着工作表面3可控地移动，该工作表面3是定子200的沿X和Y方向延伸的顶面。由于致动线圈电路51和耦合线圈电路61被工作表面3从动子100隔开，因此动子100沿X和Y方向的平面运动不受致动线圈电路51或耦合线圈电路61的机械约束。

定子200包括控制器70。控制器70可从位置传感器80(在图1A中未示出)接收信号，以产生流入致动线圈电路51的适当电流，从而可控地沿X和Y方向移动动子100。控制器70还可产生流过耦合线圈电路61的适当电流，或者在耦合线圈电路61上施加适当的电压，以与第二MRU 20相互作用，从而实现无线传送电力或信息的目的，或者实现检测第二MRU 20的存在/不存在的目的。控制器70还可检测或测量用于信息接收的耦合线圈电路61中的端子电压和/或电流。可配置或连接控制器70和传感器80，以在接触模式或通过利用Z向间隙将动子100从工作表面3隔开而实现的非接触模式中相对于定子200可控地沿着工作表面3移动动子100。例如，控制器70可配置为从传感器80接收信号，并按照适当的算法产生流过定子致动线圈组件50内的线圈线道的电流。通常，控制器70包括功率电子器件(功率放大器)，以产生适当的电流。

通过定子致动线圈组件50与第一MRU 10之间的相互作用，动子100可在至少两个平面内自由度上围绕工作区域可控地相对于定子200运动。在一些实施例中，动子100能够进行6自由度的可控运动(X、Y、Z、Rx、Ry和Rz)；在一些实施例中，动子100能够在被动悬浮模式或坐靠模式中进行三个平面内自由度的可控运动(X、Y和Rz)。

虽然在图1A中仅示出了一个动子100，但是本领域技术人员应理解，系统可包括一个或多个动子。虽然在图1A中仅示出了一个定子200，但是这不是必须的，因为很明显机器人系统可包括不止一个定子。

图1B示出了致动线圈电路51和耦合线圈电路61的一个非限制性示例的侧视图。在此实施例中，致动线圈电路51和耦合线圈电路61在定子Z方向上彼此重叠。

如图1B所示，致动线圈电路51包括多层(在图1B的实施例中为四层)线圈电路(51a、51b、51c和51d)。图1C示出了包括多个Y取向的线圈线道53a的层51a的一个非限制性示例，每个线圈线道53a具有宽度52a。图1D示出了包括多个X取向的线圈线道53b的层51b的一个非限制性示例，每个线圈线道53b具有宽度52b。作为图1B所示的非限制性示例，耦合线圈电路61包括两层线圈电路61a和61b。通常，耦合线圈电路61包括一层或多层。图1E示出了线道层61a和61b的一个非限制性示例。不同线道层61a和61b中的线道通过过孔(未示出)串联或并联连接，以增加与第二MRU 20的磁耦合。制造耦合线圈电路61的一种可能方式是使用印刷电路板制造技术。虽然在图1B中示出了两层线圈线道61a和61b，但这不是必须的。通常，耦合线圈电路61可包括一层或多层线圈线道，并且每层可包括一圈或多圈线圈线道(电路)。

应说明的是，致动线圈电路51和耦合线圈电路61在几何结构上彼此显著不同。在一些实施例中，耦合线圈电路61中的线圈线道的宽度62显著小于致动线圈电路51中的线圈线道的宽度52。在一些实施例中，耦合线圈电路61中的线圈线道的形状显著不同于致动线圈电路51中的线圈线道的形状。例如，耦合线圈电路61中的线道(电路)可以是正方形、圆形、三角形、矩形或多边形；致动线圈电路51中的线道可以是线性细长的。几何结构不同的一个原因是，致动线圈电路51和耦合线圈电路61中的这两组线圈线道用于承载频率和幅值显著不同的电流。

图2示出了根据本公开的一个实施例的动子100的示意性俯视图。动子100包括第一MRU 10和四个第二MRU 20A、20B、20C、20D。虽然在图2中示出了四个第二MRU 20，但这不是必须的。在一些实施例中，动子100可包括一个第二MRU 20；在一些实施例中，动子100可包括两个第二MRU 20。通常，动子100可包括一个或多个第二MRU 20。虽然如图1A和图2所示第二MRU 20位于第一MRU 10的外围，但这不是必须的。在一些实施例中，相对于定子工作表面3，在第一MRU 10的覆盖区域的中心可存在无磁体空间，其中没有磁体；第二MRU 20可位于这样的无磁体空间中，如下文所论述。

图3示出了第二MRU 20的一个非限制性示例，该第二MRU 20包括感应线圈22、由具有高磁导率的材料制成的磁场增强芯(或磁芯)21、以及处理单元23。处理单元23可包括一个或多个电容，从而该一个或多个电容与感应线圈22形成谐振电路，该谐振电路的谐振频率被调谐为与耦合线圈电路61中的激励电流的频率一致，以便于高效地从定子200向动子100传送电力或信息。在一些实施例中，处理单元23可附加地包括一个或多个调制电路和一个或多个信息存储部件。该调制电路允许从动子100向定子200传送存储在信息存储部件中的信息。在第二MRU 20与耦合线圈组件60之间的信息和/或电力传送期间，磁芯21用于导引和增强由感应线圈22包围的磁通量。磁芯的轴向25是磁芯的取向，也是基于右手定则缠绕感应线圈22的方向。磁通量在磁芯21内被沿着轴向导引。虽然磁芯的轴向25是指向左侧的箭头，但是本领域技术人员应理解，实际的交流磁通可处于方向25或与方向25相反。因此，磁芯的轴向25被称为第二MRU的磁通产生轴向。应说明的是，当由耦合线圈组件60产生的磁通量与第二MRU的磁通量产生轴向对准时，由定子耦合线圈组件60产生的磁通量可实现与感应线圈22的最佳耦合。因此，轴向25是用于第二MRU的通量产生和通过耦合线圈电路61检测通量的优选方向。通常，优选由第一MRU 10产生的磁通量在轴向上不会使第二MRU 20的磁芯21饱和；否则，第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间的耦合效应(以及由此发生的动力传送和信息传送)会被削弱，因为若磁芯21在其轴向上饱和或接近饱和，则磁芯的有效磁导率会显著降低。

图4A示出了耦合线圈电路61的一个非限制性示例：该线圈电路包含布置在法线方向为Z方向的平面内的多匝线圈。图4B示出了耦合线圈电路61的另一个非限制性示例：该线圈电路包含布置在法线方向为Y方向的平面内的多匝线圈。图4C示出了相对于耦合线圈电路61的有效定子耦合线圈区域63。

图5示出了本公开的另一个实施例。在此实施例中，定子200包括多个耦合线圈组件60和两个动子：100A和100B。使用控制器70可将动子100A和100B驱动到两个分开的位置，从而动子100A的第二MRU会与定子耦合线圈组件60A相互作用，而动子100B的第二MRU会与定子耦合线圈组件60B相互作用。因此，能够同时从动子100A和100B的第二MRU接收数据。

在一些实施例中，耦合线圈电路61与第二MRU 20之间的耦合用于检测耦合线圈组件60上方存在或不存在第二MRU 20。在第二MRU 20位于耦合线圈组件60上方的情况中和第二MRU 20不位于耦合线圈组件60上方的情况中，耦合线圈组件60的电感会有很大不同。这种特征可用于检测动子100的存在和/或动子100的取向，如在下文中结合图7所述。

在一些实施例中，当有效定子耦合线圈区域63和第二MRU 20在定子Z方向上彼此重叠时，定子耦合线圈组件60可向第二MRU 20传送电力/能量。利用从定子耦合线圈组件60接收的能量，第二MRU 20可通过用携带信息的交流电流24激励其感应线圈22来将其存储的信息传送到耦合线圈组件60，以产生耦合至耦合线圈电路61的磁通量，并且耦合的磁通量会在耦合线圈电路61上感应出电压。在一些实施例中，每个第二MRU 20可存储唯一的识别信息，从而耦合线圈组件60不仅能检测第二MRU 20是否在其有效定子耦合线圈区域63内(换句话说，第二MRU 20和有效定子耦合线圈区域63在Z方向上重叠)，而且还能精确地检测哪个第二MRU 20在其有效定子耦合线圈区域63内。

在一些实施例中，每个动子100仅能围绕Rz旋转较小的角度范围，例如±15度以下。但是，可能存在多个可能的Rz取向范围，包括但不限于0±15度、90±15度、180±15度和270±15度。为了确定绝对Rz取向(例如区分动子100实际处于哪个Rz取向范围)，下面结合图6A-6D说明一种方法。图6A-6D示出了本公开的一个实施例。一个动子100包括四个第二磁响应单元20A、20B、20C和20D。四个第二MRU 20之中的每一个均存储与动子100相关的唯一识别信息。在动子中心101位于确定位置(x0,y0)时，第二MRU 20之一会在Z方向上与有效定子耦合线圈区域63重叠。通过检测有效定子耦合线圈区域63上方的具体的第二MRU 20，系统控制器70可确定动子100位于四个可能的取向之中的哪一个取向(图6A至6D)。

在图6A-6D中，用星号表示动子的Rz绝对取向。在图6A中，当动子中心101移动到(x0,y0)时，第二MRU 20A会与有效定子耦合线圈区域63重叠，并且存储在第二MRU 20A中的唯一信息可传送至耦合线圈组件60，由此控制器70可检测动子的Rz绝对取向。图6B示出了动子100的另一种可能取向，其中星形相对于动子中心101处于正Y方向。当动子中心101移动到(x0,y0)时，第二MRU 20D会与有效定子耦合线圈区域63重叠，并且存储在第二MRU 20D中的唯一信息可传送至耦合线圈组件60，由此控制器70可检测动子的Rz取向。通过从与有效定子耦合线圈区域63重叠的第二MRU 20读取独特信息，也可用类似的方法检测两种其他可能的取向(图6C和6D)。应说明的是，四个第二MRU 20应布置为使得当动子中心101处于确定位置(x0,y0)(也可称为感测位置)时，总是有至少一个第二MRU 20在Z方向上与耦合线圈组件60重叠。虽然在以上说明中使用了术语“动子中心”101，但是通常可使用动子100上的任何适当的参考点101。

通常，检测程序可总结为以下步骤：

(1)将动子中心101(或动子100上的参考点101)置于特定的定子位置(x0,y0)，使得多个第二MRU 20之中的某一个与有效定子耦合线圈区域63重叠。

(2)读取重叠的第二MRU 20中存储的独特信息。

(3)确定动子100的取向。

图7A和7B示出了本公开的另一个实施例。如图7A所示，动子100包括一个第二MRU20。但是，当动子100被放置到定子200上时，它可处于图7A中的四个可能的Rz取向(a)、(b)、(c)和(d)之一，Rz角度范围很小，例如为±10或±15度。为了确定动子100所处的绝对Rz取向，可驱动动子100，使得其参考点101(例如但不限于其中心)依次移动至图7B所示的四个确定位置(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)、(XD,YD)之中的每一个。第二MRU 20与参考点101之间的距离d等于有效定子耦合线圈区域63的中心与四个确定位置之中的任何一个之间的距离d。因此，当参考点101位于四个确定位置之一时，第二MRU 20会在Z方向上与有效定子耦合线圈区域63重叠。相应地，可导出动子100的Rz取向。例如，若动子的Rz取向是图7A中所示的(b)的情况，则当参考点101处于(XD,YD)时，耦合线圈组件60会检测到存在第二MRU 20，但是当参考点101处于其他三个确定位置之中的任何一个时，则不会检测到存在第二MRU 20。如上所述，虽然动子中心101被用作定义XY平面内的动子位置的参考点，但是这不是必须的。参考点可以是动子100上的任何其他点。此外，在识别第二MRU 20之前，不必将动子100驱动到所有四个确定位置；在动子100被驱动到所有四个确定位置之前就可检测到第二MRU20。

图8示出了本公开的另一个实施例。动子100包括一个第二MRU 20；定子200包括四个定子耦合线圈组件60A、60B、60C、60D，这些定子耦合线圈组件分别具有各自的有效定子耦合线圈区域63A、63B、63C、63D。当参考点101位于确定位置(x0,y0)时，第二MRU 20与四个有效定子耦合线圈区域63A、63B、63C、63D之一重叠。因此，不论动子100处于图7A的哪个Rz取向范围，都可检测到其绝对Rz取向。例如，当动子100如图8所示时，有效静态耦合线圈区域63A在Z方向上与第二MRU 20重叠，因此可检测到存在第二MRU 20。但是，其他三个耦合线圈组件60B、60C、60D之中的任何一个均不能检测到存在第二MRU 20。根据哪个耦合线圈组件能检测到第二MRU 20，可确定动子100的绝对Rz取向范围。

图9A和9B示出了本公开的另一个非限制性实施例。第一MRU包括多个磁体阵列(对于图9A中的示例性实施例，包括四个磁体阵列12A、12B、12C、12D)。每个磁体阵列包括多个磁化段14(在图9A中，每个磁体阵列中有四个磁化段14)。例如，磁体阵列12A包括四个磁化段14A。如图9B所示，磁化段14AA、14AB、14AC、14AD之中的每一个在X方向上是线性细长的，并且每个磁化段具有与其在X方向上的延伸方向正交的磁化方向。如图9A所示，在第一MRU磁体组件在X和Y方向上的中心附近，存在无磁体空间15。由于磁体组件的90度对称配置(即，当磁体组件围绕Z轴旋转90度时，在第一MRU的磁场产生方面没有差异)，在无磁体空间15中，来自第一MRU磁体组件的磁通量处于+Z或-Z方向。在一些实施例中，第二MRU 20可位于无磁体空间15内，并且第二MRU的通量产生轴向优选垂直于Z方向布置。结果，来自第一MRU的永磁体的磁通量在磁通量产生轴向上不会使第二MRU 20的磁芯21饱和，因此第一MRU对第二MRU与定子耦合线圈组件60之间的信息和/或动力的双向传送的干扰被最大限度地减少。

在一些实施例中，将第二MRU 20布置为使得第二MRU的磁芯的轴向尺寸中心26(在图3中示出)不与无磁体空间15的中心16重合可能是有利的，这样它们之间在X和/或Y方向上的偏移可用于检测动子100的绝对Rz取向(例如动子100处于四个可能的Rz取向之中的哪一个)。

如图10A所示，第二MRU 20布置在第一MRU的磁体阵列12B旁边，以最大限度地减少来自磁体阵列12B的漏磁通对第二MRU 20的功能的影响。第二MRU的通量产生轴向25大致平行于其相邻磁化段14BA的延伸方向。如图10B所示，12B中的每个磁化段14B的磁化方向与其延伸方向(即，Y方向)正交；当第二MRU的通量产生轴向25大致平行于Y方向时，来自磁体阵列的漏通量会在垂直于第二MRU的通量产生轴向25的方向上渗入磁芯21中，这最大限度地减少了漏通量在第二MRU的通量产生轴向25上使磁芯21饱和的可能性。结果，最大限度地减少了对第二MRU 20的通量产生的影响。通常，在一些实施例中，第二MRU的通量产生轴向25大致平行于与其相邻的第一MRU的磁化段的延伸方向，其中该磁化段具有与其延伸方向正交的磁化方向。

由于磁体阵列12B在Y方向上具有有限的延伸量，因此来自磁体阵列12B的泄漏场在Y方向上的Y分量在磁体阵列12B的两端附近最强，并且在沿X和Z方向延伸并穿过磁化段12B的Y尺寸中心的平面附近最弱。在一些实施例中，第一MRU 10和第二MRU 20最好布置为使得第二MRU磁芯的轴向尺寸中心26足够靠近沿X和Z方向延伸并穿过邻近第二MRU磁芯的磁化段12B的Y尺寸中心的平面或者与该平面重合，或者使得第二MRU磁芯的轴向尺寸中心26在Y方向上距磁体阵列12B的两端足够远，从而来自磁体阵列的泄漏场具有最小的轴向(Y方向)分量。距磁体阵列12B的两端足够远可解读为磁芯的轴向尺寸中心26与磁体阵列12B的端部之间的Y距离大于磁体阵列12B的Y尺寸的1/3左右。在一些实施例中，足够远可解读为意味着将磁体阵列12B的任何一端与磁芯的轴向尺寸中心26分开的距离大于第二MRU磁芯的长度。

图11示出了本公开的一个特定实施例。定子200包括传感器80，该传感器80在XY平面内显著大于定子耦合线圈组件60。在机器人系统900操作期间，按照本文说明的任何方法来识别动子100，例如通过移动动子100使得其第二MRU 20在Z方向上与有效定子线圈区域63重叠，并且来自第二MRU 20的信息通过第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间的相互作用被传送至控制器70，并且该信息被用于识别动子100并且可选地确定动子100的绝对取向。在该信息传输之后，控制器70通过使用传感器80连续跟踪动子100的第一MRU 10的位置，使得动子100的标识总是已知的，即使在动子100的第二MRU 20不位于有效定子线圈区域63上方时。在此实施例中，仅需通过第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间的相互作用执行一次动子100的识别。

如图12所示，在一些实施例中，为了实现第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间的最强耦合，控制动子100与工作表面3之间的Z方向间距4可能是有利的。在一个特定实施例中，Z方向间距4大致最小(例如大约为0毫米)，使得动子100被视为与工作表面3接触。在一些实施例中，Z方向间距4大于0，使得动子100悬浮在工作表面3上方。具有不同的最佳Z方向间距的一个原因是由于在第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间可能存在不同的材料(例如形成工作表面3的材料)，并且这可能以不同的方式影响第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间的耦合。

如图13所示，控制器70可用于向致动线圈组件50中输送电流54，以及向定子耦合线圈组件60中输送一路或多路电流64。在一些实施例中，在通过定子耦合线圈组件60与第二MRU 20之间的耦合来执行动子识别时，切断电流54可能是有利的。这能最大限度地减少由定子耦合线圈组件60中的电流54引起的干扰，从而能最强地最大化第二MRU 20与定子耦合线圈组件60之间的耦合。类似地，在向定子致动线圈组件50中驱动电流54时，关断电流64可能是有利的，这能最大限度地减少由定子致动线圈组件50上的电流64引起的干扰，使得动子100可在操作期间平滑地运动。

图14A、14B、14C和14D示出了一个特定实施例，其中动子100在XY平面内(例如在定子工作表面3的平面内)具有矩形覆盖区域，并且第二MRU 20位于动子100的一个长边附近。在这种布置中，对于所有动子取向，第二MRU 20可位于有效定子耦合区域63内。相反，若第二MRU 20处于动子100的一个短边附近，则在动子100不延伸到超出定子工作表面3的情况下，第二MRU 20不可能与有效定子耦合区域63重叠。

在一些实施例中，定子耦合组件60布置为使得定子耦合组件60的XY中心点在Z方向上与定子200的XY中心点大致对准。这种布置可适应第二MRU 20在动子100上的不同位置，例如将第二MRU 20布置在动子100的边缘或者将第二MRU 20布置在动子100的中心。当定子耦合组件60大致位于定子200的XY中心时，能够实现第二MRU 20与定子耦合组件60之间的强耦合，而无需使动子100延伸到超出定子200的边界。

在一些实施例中，第二MRU 20可结合到由动子100承载的工件300中(如图16A所示)，从而不论哪个动子100承载工件300，都能够唯一地识别工件300。在一些实施例中，动子100包括无磁体区域15，从而布置在工件300中的第二MRU 20可在Z方向上与开口重叠，以便于第二MRU 20与定子耦合组件60之间的耦合，如图16B所示。

在一些实施例中，第三MRU 30被结合到由动子100承载的工件300中，如图17所示。第三MRU 30与第二定子耦合线圈组件65的相互作用方式类似于前文所述的第二MRU 20与定子耦合线圈组件60的相互作用方式。但是，第三MRU没有配置为与定子耦合线圈组件60相互作用，从而第二定子耦合线圈组件65仅能与工件300中的第三MRU 30相互作用，而不与动子100中的第二MRU 20相互作用。例如，第二定子耦合线圈组件65和第三MRU 30可配置为使用与定子耦合线圈组件60在与第二MRU 20相互作用时所使用的频率不同的一个或多个频率相互作用。控制器70可包括存储有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可配置为在由一个或多个处理器执行时使得该一个或多个处理器执行在本文中说明的任何方法。根据一些实施例，该计算机程序代码在被读取时可使该一个或多个处理器执行在此结合图15说明的方法。图15示出了识别动子以及确定动子的取向的方法的流程图。

在框110处，控制器70激活致动线圈组件50。例如，控制器70可使电流流过致动线圈电路51。在框112处，通过驱动致动线圈电路51，控制器能够通过致动线圈电路51产生的磁场与动子100的磁性部件的相互作用在工作表面3上方或上面移动动子100。动子100被移动到感测位置，该位置可以是动子20的第二MRU 20与有效定子耦合区域63重叠的位置。在框114处，控制器70读取识别信息。例如，控制器70可驱动耦合线圈电路61，以发起从第二MRU 20向定子耦合组件60的数据传送。基于由控制器70读取的识别信息，控制器70可识别动子100。

控制器70可附加地确定动子100的取向。具体而言，在框116处，控制器70基于在框114处获得的识别信息确定是否能够确定动子100的取向。例如，该识别信息可包括标识第二MRU 20在动子100上的位置的信息。如果能够从识别信息确定动子100的取向，则在框118处，控制器70确定动子100的取向。如果不能够从识别信息确定动子100的取向，则在框120处，控制器70调节动子100的位置。例如，通过致动线圈电路51的适当驱动作用，控制器70可使动子100在X和/或Y方向上重新定位，使得动子100的另一个第二MRU 20与有效定子耦合区域63重叠。在框122处，控制器70读取识别信息。具体而言，控制器70驱动耦合线圈电路61，以发起从另一个第二MRU 20向定子耦合组件60的数据传送。在框124处，控制器70基于另一个第二MRU 20的识别信息确定是否能够确定动子100的取向。重复该过程，直到控制器70能够确定动子100的取向。

根据一些实施例，该系统可包括不止一个定子，这些定子彼此相邻地布置，使得在第一个定子的表面上方或上面移动的动子可移动到相邻的定子上，然后动子可在相邻的定子上方或上面移动。

根据一些实施例，该系统可包括不止一个定子，这些定子彼此相邻地布置，使得在第一个定子的表面上方或上面移动的动子可移动到相邻的定子上，然后动子可在相邻的定子上方或上面移动。

根据一些实施例，该定子耦合线圈电路的尺寸可设置为使得对于工作表面上面或上方的动子的任何给定位置，第二MRU的至少一部分与定子耦合线圈电路的至少一部分重叠。

在整个说明书中，应理解，动子可承载一个或多个零件，例如但不限于多个生物样品、装置、一种或多种药物(可能在适当的容器中)、正在组装的产品、零件毛坯或材料、部件，以满足预期制造目的的需要。可从上方沿着定子的侧面或者在定子上方安装或分布适当的工具和/或材料供应机构，虽然为了避免使说明变得模糊而没有示出这些。

虽然在本文中论述了多个示例性方面和实施例，但是本领域技术人员应认识到，本公开涵盖任何适当的修改、替换、添加及其子组合。例如：

·在本说明书中，虽然在某些情况下在动子上未示出一个或多个零件，但是本领域技术人员应理解，每个动子可承载一个或多个零件、部件、容器等。

·在本说明书中，元件(例如，非限制性的例子有定子层、线圈线道、运动平台和/或磁体阵列)被称为在某个方向上或沿着某个方向彼此重叠。例如，在描述两个或多个物体在z方向上或沿着z方向重叠时，这种用法应理解为意味着可画出一条沿z方向取向的线与该两个或多个物体相交。

·在本文提供的一些附图和说明中，动子可能被示为静态的，它们的动子-x、动子-y和动子-z轴与相应定子的定子-x、定子-y和定子-z轴相同。出于简洁和易于解释的目的，在本公开中采用了这种惯例。当然，从本公开能够理解，动子能够(并且可设计为)相对于其定子运动，在这种情况下，运动平台的动子

-x、动子-y和动子-z轴可能不再与其定子的定子-x、定子-y和定子-z轴相同(或对准)。相对于定子轴线定义的方向、位置和平面通常可称为定子方向、定子位置和定子平面。相对于动子轴定义的方向、位置和平面可称为动子方向、动子位置和动子平面。

·在本说明书中，采用了在多个(例如6个)自由度上或以多个自由度控制运动平台、控制运动平台的运动和/或控制运动平台的位置的表述。除非在上下文或说明中明确指出，否则在多个自由度上或以多个自由度控制运动平台、控制运动平台的运动和/或控制运动平台的位置可理解为在多自由度上应用反馈位置控制，但是并未明确要求动子在任何这样的自由度上的运动。

·在本说明书中，磁体阵列上的可控力指通过驱动适当换向的电流流过定子中的一组适当选择的线圈，能够在穿过平面的方向上产生具有符合期望值的幅值的力。多个可独立控制的力指多个力之中的每一个都可遵循命令信号独立于其余的力产生，并且多个力之中的任何两个力在空间上不共线。

·在本说明书中，两个平面内自由度的运动可表示沿两个不平行的方向X和Y的独立平移运动，这两个方向都与垂直于定子顶面的方向Z正交。

·在本说明书中，三个平面内自由度的运动可指沿两个不平行方向X和Y的独立平移运动加上围绕Z方向的旋转运动，其中Z方向垂直于定子的顶面，并且X和Y方向均垂直于Z方向。

·在本说明书中，6个自由度的运动指沿X、Y和Z方向以及Rx、Ry和Rz方向的独立平移/旋转运动，其中X和Y不平行，X、Y和Z不共面，并且Rx、Ry和Rz方向分别表示围绕X、Y和Z的旋转方向。

·在本说明书中，虽然许多附图示出了单个动子，但是应理解，

多个相似或不同的动子可一起工作并共享一个公共定子。

当在权利要求和/或说明书中与术语“包括”或“包含”结合使用时，词语“一”或“一个”可表示“一个”，但也符合“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多个”的含义，除非本文的内容另有明示。类似地，词语“另一个”可表示至少有第二个或有更多个，除非本文的内容另有明示。

在本文中使用的术语“耦合”或“连接”可具有多种不同的含义，这取决于使用这些术语的上下文。例如，术语耦合或连接可具有机械或电气的含义。例如，在本文中所使用的术语耦合或连接可表示两个元件或装置直接彼此连接，或者通过一个或多个中间元件或装置经由电气元件、电信号或机械元件彼此连接，这取决于具体的上下文。在本文中与一系列项目结合使用时，术语“和/或”指构成该系列的任何一个或多个项目。

在本文中所用的术语“大约”或“近似”为某个数字或“基本上”等于某个数字指在该数字的±10％之内。

虽然本公开是结合具体实施例说明的，但是应理解，本公开不限于这些实施例，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可对这些实施例进行更改、修改和变化。

另外，还能够设想的是，在本说明书中论述的任何方面或实施例的任何部分可与本说明书中论述的任何其他方面或实施例的任何部分一起实施或组合。

Claims (52)

1.一种用于识别磁性动子的系统，包括：

至少一个磁性动子，包括第一磁性动子，其中所述第一磁性动子包括至少一个第一磁响应单元以及至少一个第二磁响应单元；

定子，所述定子限定二维平面的工作表面，并且包括：

致动线圈组件，所述致动线圈组件包括多个致动线圈；和

至少一个定子耦合线圈，所述定子耦合线圈能够操作以与所述至少一个第二磁响应单元相互作用；

用于感测所述第一磁性动子的位置的一个或多个传感器；和

一个或多个定子驱动电路，用于驱动所述致动线圈组件，由此在所述工作表面上移动所述第一磁性动子，

其中所述至少一个第一磁响应单元布置为使得由所述至少一个第一磁响应单元发出的一个或多个磁场与由所述致动线圈组件在被所述一个或多个定子驱动电路驱动时产生的一个或多个磁场的相互作用使所述第一磁性动子能够以至少两个自由度运动，

其中，当电流驱动经过所述至少一个定子耦合线圈时，所述至少一个定子耦合线圈能够磁性地耦合所述至少一个第二磁响应单元，以用于无线地传送：

从所述至少一个定子耦合线圈到所述至少一个第二磁响应单元的能量，和

从所述至少一个第二磁响应单元到所述至少一个定子耦合线圈的识别信息，

并且其中，所述工作表面将所述第一磁性动子从所述至少一个定子耦合线圈分开。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述工作表面将所述第一磁性动子从所述致动线圈组件分开。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述工作表面在x-y平面中延伸，并且其中所述至少两个自由度包括正交的x轴和y轴自由度。

4.如权利要求1或2所述的系统，其中：

所述至少一个第二磁响应单元包括至少一个动子感应线圈。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述定子还包括一个或多个耦合线圈驱动电路，用于驱动所述至少一个定子耦合线圈，使得所述至少一个定子耦合线圈能够磁耦合到所述至少一个第二磁响应单元的所述至少一个动子感应线圈上。

6.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个定子耦合线圈的形状和几何结构之中的一者或多者不同于所述多个致动线圈的形状和几何结构之中的相应一者或多者。

7.如权利要求1或2所述的系统，其中所述一个或多个定子驱动电路能够操作以与用于操作所述至少一个定子耦合线圈的一个或多个频率不同的一个或多个频率驱动所述多个致动线圈，以减少所述多个致动线圈与所述至少一个定子耦合线圈之间的干扰。

8.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少两个自由度包括正交的x轴、y轴和z轴自由度，以及围绕x轴、y轴和z轴的相应旋转自由度。

9.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元包括多个第二磁响应单元。

10.如权利要求1所述的系统，还包括与所述一个或多个传感器通信耦合并且能够操作以执行一种方法的控制器，所述方法包括：

激活所述一个或多个定子驱动电路以驱动致动线圈组件，从而在所述工作表面上将所述第一磁性动子移动到与所述至少一个定子耦合线圈之中的某定子耦合线圈相关联的感测位置；和

激活所述至少一个定子耦合线圈，以实现所述至少一个定子耦合线圈与所述至少一个第二磁响应单元之间的相互作用；和

在激活所述至少一个定子耦合线圈之后，基于从所述至少一个第二磁响应单元到所述至少一个定子耦合线圈传送的识别信息来识别所述第一磁性动子。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述方法还包括基于所传送的识别信息来确定所述第一磁性动子的取向，其中所述取向是Rz取向范围。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述感测位置包括足够靠近所述至少一个定子耦合线圈从而对于所述第一磁性动子的至少一个取向允许在所述至少一个第二磁响应单元与所述定子耦合线圈之间传送数据的位置。

13.如权利要求10所述的系统，其中：

激活所述至少一个定子耦合线圈以实现所述至少一个定子耦合线圈与所述至少一个第二磁响应单元之间的相互作用包括：

激活所述至少一个定子耦合线圈；

随后确定识别信息是否已经从所述至少一个第二磁响应单元传送至所述至少一个定子耦合线圈；以及

如果是否定的，则调节所述第一磁性动子的位置。

14.如权利要求13所述的系统，其中调节所述第一磁性动子的位置包括将所述第一磁性动子平移到与所述至少一个定子耦合线圈相关联的新感测位置。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述方法还包括基于从所述至少一个第二磁响应单元向所述至少一个定子耦合线圈传送的识别信息并基于所述第一磁性动子的调节后的位置来确定所述第一磁性动子的取向。

16.如权利要求10所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元包括多个第二磁响应单元，每个第二磁响应单元与针对所述第一磁性动子的唯一识别信息相关联，并且其中所述方法还包括：

基于从所述多个第二磁响应单元之中的至少一个第二磁响应单元向所述至少一个定子耦合线圈传送的识别信息来确定所述第一磁性动子的取向。

17.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个定子耦合线圈包括多个定子耦合线圈，并且其中所述至少一个第二磁响应单元包括多个第二磁响应单元，所述多个第二磁响应单元布置为使得在所述第一磁性动子处于与所述多个定子耦合线圈之中的某定子耦合线圈相关联的感测位置时，所述多个第二磁响应单元之中的至少一个第二磁响应单元足够靠近所述定子耦合线圈，从而允许在所述至少一个第二磁响应单元与所述定子耦合线圈之间传送数据。

18.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个定子耦合线圈包括多个定子耦合线圈，所述多个定子耦合线圈布置为使得在所述第一磁性动子处于与所述多个定子耦合线圈之中的某定子耦合线圈相关联的感测位置时，所述至少一个第二磁响应单元足够靠近所述定子耦合线圈，从而允许在所述至少一个第二磁响应单元与所述定子耦合线圈之间传送数据。

19.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元与唯一标识所述第一磁性动子的识别信息相关联。

20.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元的中心偏离所述第一磁性动子的所述至少一个第一磁响应单元的中心。

21.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个定子耦合线圈的尺寸使得对于所述工作表面上面或上方的所述第一磁性动子的至少一个位置来说所述至少一个第一磁响应单元的至少一部分与所述至少一个定子耦合线圈的至少一部分重叠。

22.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第一磁响应单元包括多个磁体阵列，每个磁体阵列包括多个限定延伸方向的线性细长的磁化段，并且其中所述至少一个第二磁响应单元的磁芯的轴向与最靠近所述至少一个第二磁响应单元的所述线性细长的磁化段所限定的延伸方向对准。

23.如权利要求22所述的系统，其中每个磁化段均具有磁化方向，其中所述至少一个第二磁响应单元的所述磁芯的所述轴向与最靠近所述磁芯的所述磁化段的所述磁化方向相正交。

24.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元包括磁芯，其中所述至少一个第一磁响应单元包括多个磁体阵列，所述磁体阵列包括多个线性细长的磁化段，其中最靠近所述至少一个第二磁响应单元的所述线性细长的磁化段具有第一端和第二端，并且具有下列特征之中的一个或多个：

在所述磁芯的轴向上所述第一端与所述磁芯的中心的分隔距离大于所述磁芯的长度；以及

在所述磁芯的轴向上所述第二端与所述磁芯的中心的分隔距离大于所述磁芯的长度。

25.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元包括磁芯，其中所述至少一个第一磁响应单元包括多个磁体阵列，所述磁体阵列包括多个线性细长的磁化段，其中最靠近所述至少一个第二磁响应单元的所述线性细长的磁化段具有第一端和第二端，并且具有下列特征之中的一个或多个：

在所述磁芯的轴向上所述第一端与所述磁芯的中心的分隔距离大于所述第一端与所述第二端分隔开的距离的1/3左右；以及

在所述磁芯的轴向上所述第二端与所述磁芯的中心的分隔距离大于所述第一端与所述第二端分隔开的距离的1/3左右。

26.如权利要求1或2所述的系统，其中所述第一磁性动子包括承载工件的磁性机器人装置，并且其中所述至少一个第二磁响应单元包含在所述工件中。

27.如权利要求1或2所述的系统，其中所述一个或多个磁性部件包括围绕所述至少一个第二磁响应单元的多个磁体阵列。

28.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元包括缠绕在磁芯上的感应线圈。

29.如权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个第二磁响应单元包括存储识别所述第一磁性动子的识别信息的存储部件。

30.一种用于识别磁性动子的方法，包括：

提供一种系统，所述系统包括：

至少一个磁性动子，包括第一磁性动子，其中所述第一磁性动子包括至少一个第一磁响应单元以及至少一个第二磁响应单元；

定子，所述定子限定二维平面的工作表面，并且包括：

致动线圈组件，包括多个致动线圈；和

至少一个定子耦合线圈；和

用于驱动所述致动线圈组件的一个或多个定子驱动电路；

通过将所述至少一个第二磁响应单元与所述至少一个定子耦合线圈磁性地耦合，从所述至少一个第二磁响应单元向所述至少一个定子耦合线圈传送识别信息，以及从所述至少一个定子耦合线圈到所述至少一个第二磁响应单元传送能量；以及

基于所述识别信息识别所述第一磁性动子，

其中，所述至少一个第一磁响应单元布置为使得由所述至少一个第一磁响应单元发出的一个或多个磁场与由所述致动线圈组件在被所述一个或多个定子驱动电路驱动时产生的一个或多个磁场的相互作用使所述第一磁性动子能够以至少两个自由度运动，

并且其中所述工作表面将所述第一磁性动子从所述至少一个定子耦合线圈分开。

31.如权利要求30所述的方法，还包括使用一个或多个传感器确定所述第一磁性动子的位置。

32.如权利要求30或31所述的方法，其中所述工作表面将所述第一磁性动子从所述致动线圈组件分开。

33.如权利要求30或31所述的方法，其中所述至少一个第二磁响应单元包括至少一个动子感应线圈。

34.如权利要求30所述的方法，其中在电流被驱动通过所述至少一个定子耦合线圈和/或所述至少一个第二磁响应单元的至少一个动子感应线圈时，所述一个或多个定子驱动电路不驱动电流通过所述多个致动线圈，以最大限度地减少所述多个致动线圈对所述至少一个定子耦合线圈和/或所述至少一个动子感应线圈的干扰。

35.如权利要求30或31所述的方法，其中传送所述识别信息包括使用电磁感应来传送所述识别信息。

36.如权利要求30或31所述的方法，其中所述定子还包括用于驱动所述至少一个定子耦合线圈的一个或多个耦合线圈驱动电路。

37.如权利要求30所述的方法，还包括：

在识别第一磁性动子之前，激活所述一个或多个定子驱动电路以驱动所述致动线圈组件，从而将所述第一磁性动子在所述工作表面上移动到与所述至少一个定子耦合线圈之中的某定子耦合线圈相关联的感测位置；和

激活所述定子耦合线圈，以实现所述定子耦合线圈与所述至少一个第二磁响应单元之间的相互作用。

38.如权利要求37所述的方法，还包括基于所传送的识别信息来确定所述第一磁性动子的取向。

39.如权利要求37所述的方法，其中：

激活所述定子耦合线圈以实现所述定子耦合线圈与所述至少一个第二磁响应单元之间的相互作用包括：

激活所述定子耦合线圈；

随后确定所述识别信息是否已经从所述至少一个第二磁响应单元传送至所述定子耦合线圈；以及

如果是否定的，则调节所述第一磁性动子的位置。

40.如权利要求39所述的方法，其中调节所述第一磁性动子的位置包括将所述第一磁性动子平移到与所述定子耦合线圈相关联的新感测位置。

41.如权利要求39或40所述的方法，还包括基于在所述至少一个第二磁响应单元与所述定子耦合线圈之间传送的所述识别信息并基于所述第一磁性动子的调节后的位置来确定所述第一磁性动子的取向。

42.如权利要求30或31所述的方法，其中所述至少一个第二磁响应单元包括多个第二磁响应单元，每个第二磁响应单元与所述第一磁性动子的唯一识别信息相关联，并且其中所述方法还包括：

基于从所述多个第二磁响应单元之中的至少一个第二磁响应单元向所述定子耦合线圈传送的识别信息来确定所述第一磁性动子的取向。

43.如权利要求30或31所述的方法，其中所述第一磁性动子包括承载工件的磁性机器人装置，其中所述至少一个第二磁响应单元包含在所述工件中，并且其中识别所述第一磁性动子包括基于所述识别信息来识别所述工件。

44.如权利要求30或31所述的方法，还包括：在所述至少一个定子耦合线圈用于与所述至少一个第二磁响应单元通信时，优化所述第一磁性动子与所述工作表面之间的Z方向距离，以强化所述至少一个第二磁响应单元与所述至少一个定子耦合线圈之间的耦合，其中所述Z方向距离可包括零距离。

45.一种包括计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码配置为在被一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行如权利要求30-44中任一项所述的方法。

46.一种磁性动子，包括：

至少一个磁响应单元，包括存储识别磁性动子的识别信息的存储部件、至少一个磁芯，以及缠绕在所述磁芯上的感应线圈，用于通过电磁感应来传送所述识别信息的识别；和

磁体阵列，所述磁体阵列包括线性细长的磁化段，所述磁化段中的每个磁化段具有相应的磁化方向并且限定相应的延伸方向，

其中所述至少一个磁芯的轴向与最靠近所述至少一个磁响应单元的所述线性细长的磁化段所限定的延伸方向对准。

47.如权利要求46所述的磁性动子，其中最靠近所述至少一个磁响应单元的所述线性细长的磁化段具有第一端和第二端，并且具有下列特征之中的一个或多个：

在所述至少一个磁芯的轴向上所述第一端与所述至少一个磁芯的中心的分隔距离大于所述至少一个磁芯的长度；以及

在所述至少一个磁芯的轴向上所述第二端与所述至少一个磁芯的中心的分隔距离大于所述至少一个磁芯的长度。

48.如权利要求46或47所述的磁性动子，其中所述至少一个磁响应单元的中心偏离所述磁性动子的中心。

49.如权利要求46或47所述的磁性动子，其中所述磁体阵列围绕所述至少一个磁响应单元。

50.如权利要求46或47所述的磁性动子，其中在电流驱动所述至少一个磁响应单元时，由所述至少一个磁响应单元产生的主磁通量的轴向与识别装置的中心处的由最靠近所述至少一个磁响应单元的所述磁体阵列发出的磁场正交。

51.如权利要求46或47所述的磁性动子，其中对于每个磁化段，所述磁化方向与所述延伸方向正交。

52.一种定子，包括位于由所述定子限定的工作表面的一侧的：

致动线圈组件，包括多个致动线圈；

至少一个耦合线圈，所述至少一个耦合线圈具有与致动线圈的相应一个或多个形状和几何结构不同的一个或多个形状和几何结构；

用于驱动所述致动线圈组件的一个或多个定子驱动电路；和

用于驱动所述至少一个耦合线圈的一个或多个耦合线圈驱动电路；

其中，所述一个或多个定子驱动电路能够操作以与由所述一个或多个耦合线圈驱动电路用于驱动所述至少一个耦合线圈的一个或多个频率不同的一个或多个频率驱动所述多个致动线圈，以减少所述多个致动线圈与所述至少一个耦合线圈之间的干扰。