[go: up one dir, main page]

KR102488406B1 - 마그네틱 타겟의 센싱 - Google Patents

마그네틱 타겟의 센싱 Download PDF

Info

Publication number
KR102488406B1
KR102488406B1 KR1020160032472A KR20160032472A KR102488406B1 KR 102488406 B1 KR102488406 B1 KR 102488406B1 KR 1020160032472 A KR1020160032472 A KR 1020160032472A KR 20160032472 A KR20160032472 A KR 20160032472A KR 102488406 B1 KR102488406 B1 KR 102488406B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnetic
target
magnetic target
processor
array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020160032472A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160133359A (ko
Inventor
조엘 파빌라 스테판
레이 머클리 알란
Original Assignee
더 보잉 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 보잉 컴파니 filed Critical 더 보잉 컴파니
Publication of KR20160133359A publication Critical patent/KR20160133359A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102488406B1 publication Critical patent/KR102488406B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/02—Magnetic compasses
    • G01C17/28—Electromagnetic compasses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0094—Sensor arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/081—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices the magnetic field is produced by the objects or geological structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/02—Magnetic compasses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/02—General constructional details
    • G01R1/16—Magnets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0005—Geometrical arrangement of magnetic sensor elements; Apparatus combining different magnetic sensor types
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0029—Treating the measured signals, e.g. removing offset or noise
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/0206—Three-component magnetometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V15/00—Tags attached to, or associated with, an object, in order to enable detection of the object
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0273—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation
    • H01F7/0278—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation for generating uniform fields, focusing, deflecting electrically charged particles

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

장치(110)는, 마그네틱 타겟(120)의 중심축 둘레로 동심이면서 균일한 자기장을 생성하기 위한 마그네틱 타겟(120); 자기장을 센싱하기 위한 3축 디지털 자기 나침반들의 어레이(130); 및 나침반들(210)에서부터 타겟(120)까지의 벡터들의 교차 포인트들을 알아내기 위한 프로세서(140);를 포함한다. 벡터들은 중심축에 수직인 글로벌 XY 평면 내에 존재한다. 각각의 벡터는 나침반들(210) 중의 하나에서부터 마그네틱 타겟(120)까지의 센싱된 자기장의 방향을 나타낸다.

Description

마그네틱 타겟의 센싱{SENSING OF A MAGNETIC TARGET}
본 발명은 마그네틱 타겟의 센싱에 관한 것이다.
마그네틱 타겟 및 센서 어레이는 비자성 벽(non-magnetic wall)의 뒤에 있는 히든 피처(hidden feature)의 위치를 알아내는 데에 이용될 수 있다. 마그네틱 타겟은 벽 뒤에 있는 피처에 배치되고, 센서 어레이는 벽의 앞면(front surface) 위로(over) 스캐닝된다(scanned). 마그네틱 타겟으로부터의 자속선들은 센서 어레이에 의해서 센싱된다.
어레이의 각각의 센서는 자기장의 포지션의 측정치로서 절대적인 장 세기(field strength)를 이용할 수 있다. 마그네틱 타겟의 상대적 포지션은, 상이한 센서 쌍들 사이에서 측정된 자기장 세기의 차이를 결정하고 마그네틱 타겟의 상대적 포지션을 삼각측량하기(triangulate) 위해 이 차이를 이용함으로써 추론될 수 있다.
일반적으로, 센싱된 장 세기의 차이는 마그네틱 타겟까지의 어레이의 거리에 비례하지만, 항상 그런 것은 아니다. 만일 마그네틱 타겟이 약한 장(weak field)을 생성하거나, 한 쌍에서의 양쪽 센서들 모두가 마그네틱 타겟으로부터 매우 멀리 떨어져 있다면, 그 차이는 약하게 보인다. 어레이가 실제보다 마그네틱 타겟으로부터 더 멀리 떨어져 있는 것으로 보일 수 있기 때문에, 포지셔닝 에러(positioning error)들이 초래될 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예에 따라서, 장치는, 마그네틱 타겟의 중심축 둘레로 동심이면서 균일한 자기장을 생성하기 위한 마그네틱 타겟, 자기장을 센싱하기 위한 3축 디지털 자기 나침반들의 어레이, 및 나침반들에서부터 타겟까지의 벡터들의 교차 포인트들을 알아내기 위한 프로세서를 포함한다. 벡터들은 중심축에 수직인 글로벌 XY 평면 내에 존재한다. 각각의 벡터는 나침반들 중의 하나에서부터 마그네틱 타겟까지의 센싱된 자기장의 방향을 나타낸다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라서, 로봇 시스템은, 비자성 구조물상에서 제조 오퍼레이션을 수행하기 위한 제1 및 제2 로봇들을 포함한다. 제1 로봇은, 마그네틱 타겟의 중심축 둘레로 동심이면서 균일한 자기장을 생성하기 위한 마그네틱 타겟; 및 구조물의 제1 측에 마그네틱 타겟을 배치하기 위한 제1 엔드 이펙터 및 포지셔닝 시스템;을 포함한다. 제2 로봇은, 자기장을 센싱하기 위한 3축 디지털 자기 나침반들의 센싱 어레이; 제조 툴; 및 마그네틱 타겟의 위치를 알아내기 위해 구조물의 반대측인 제2 측의 표면을 따라서 센싱 어레이를 스캐닝하기 위한 제2 엔드 이펙터 및 포지셔닝 시스템;을 포함한다. 제2 로봇은 나침반들에서부터 마그네틱 타겟까지의 벡터들의 교차 포인트들을 알아내기 위한 프로세서를 더 포함한다. 벡터들은 글로벌 XY 평면 내에 존재한다. 각각의 벡터는 나침반들 중의 하나에서부터 타겟까지의 센싱된 자기장의 방향을 나타낸다. 제2 로봇은 마그네틱 타겟에 대하여(with respect to) 제조 툴을 배치하기 위해 교차 포인트들을 이용한다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라서, 마그네틱 타겟은 원통형 강자성 코어, 코어를 둘러싸는 토로이드형 자석, 및 코어 둘레로(about) 그리고 토로이드형 자석에 인접하게(adjacent) 있는 포커싱 콘을 포함한다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예에 따라서, 비자성 구조물의 뒤에 있는 히든 피처의 위치를 알아내는 방법은, 피처에 마그네틱 타겟을 배치하는 단계, 3축 디지털 자기 나침반들의 어레이를 이용해서 구조물의 앞부분을 스캐닝하는 단계, 및 각각의 나침반에서부터 마그네틱 타겟까지의 방향 벡터를 계산하는 단계를 포함한다. 각각의 방향 벡터는 마그네틱 타겟의 중심선에 수직인 XY 평면 내에 존재한다. 본 방법은, 방향 벡터들의 교차 포인트들을 알아내는 단계, 타겟에서부터 레퍼런스 포인트까지의 오프셋 벡터를 계산하기 위해 교차 포인트들을 이용하는 단계, 및 레퍼런스 포인트를 움직이기 위해 오프셋 벡터를 이용하는 단계를 더 포함한다.
이러한 특징들 및 기능들은 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성될 수 있거나, 다른 실시예들에서 결합될 수 있다. 실시예들의 더욱 구체적인 세부사항들은 이하의 설명 및 도면들을 참조하여 알 수 있다.
도 1은 3축 디지털 자기 나침반(three-axis digital magnetic compass)들의 어레이 및 마그네틱 타겟을 포함하는 장치의 도면이다.
도 2는 어레이의 예의 도면이다.
도 3은 어레이에 대하여(with respect to) 마그네틱 타겟의 포지션을 결정하는 방법의 도면이다.
도 4a는 방향 벡터(direction vector)들의 교차(intersection)들을 결정하는 방법의 도면이다.
도 4b는 오프셋 벡터(offset vector)의 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 마그네틱 타겟의 깊이(depth)를 계산하는 방법의 도면들이다.
도 6a 내지 도 6c는 마그네틱 타겟의 예의 도면들이다.
도 7은 3축 디지털 자기 나침반들의 어레이 및 마그네틱 타겟을 포함하는 로봇 시스템의 도면이다.
도 8은 제조 오퍼레이션을 수행하기 위하여 로봇 시스템을 이용하는 방법의 도면이다.
도 1을 참조하자면, 도 1은 마그네틱 타겟(magnetic target)(120)을 포함하는 장치(apparatus)(110)를 도시하는데, 마그네틱 타겟(120)은, 그것의 중심축(A) 둘레로 동심이면서(concentric) 상당히 균일한(uniform) 자기장을 생성하기 위한 것이다. 자속선(flux line)들은 마그네틱 타겟(120)으로부터 바깥쪽으로(outward) 방사한다(radiate).
마그네틱 타겟(120)은 글로벌 좌표계(global coordinate system)를 형성하는 글로벌 X축, Y축, 및 Z축(global X-, Y-, and Z-axes)을 정의한다(define). Z축은 마그네틱 타겟(120)의 중심축(A)과 일치하고(coincident), 글로벌 XY 평면은 X축 및 Y축에 의해 형성된다. 글로벌 XY 평면은 중심축(A)에 대해 수직이다(normal). 자기장이 상당히 균일하고 동심이면(uniform and concentric), 글로벌 XY 평면에서 볼 때, 자속선들은 곧을(straight) 것으로 추정된다.
장치(110)는 자기장을 센싱(sensing)하기 위한 3축 디지털 자기 나침반들의 어레이(array)(130)를 더 포함한다. 각각의 디지털 자기 나침반은 로컬 좌표계(local coordinate system)를 형성하는 그것의 로컬 a축, b축, 및 c축(local a-, b- and c-axes)을 따라서 자기장을 센싱한다. 예를 들어, 각각의 디지털 자기 나침반은 각각의 로컬 축을 따라서 자기 성분(magnetic component)을 센싱하기 위한 센서를 포함한다. 만일 세 개의 센서들이 거의 서로 상하로(on top of one another) 적층되면(stacked)(이것은 종래의 디지털 자기 나침반에서 전형적임), 동일한 자기장은 세 개의 센서들 모두에 영향을 줄 것이다. 각각의 마그네틱 센서는, 인가된 자기장(applied magnetic field)에 반응하여 그 저항이 변하는 자기저항 디바이스(magnetoresistive device)를 포함할 수 있다. 각각의 디지털 자기 나침반은 또한 자기장 세기 및 방향의 디지털 값들을 제공하기 위한 인터페이스 전자장치(interface electronics)를 포함할 수 있다.
도 2를 추가로 참조하자면, 도 2는 어레이(130)의 예를 도시한다. 도 2의 어레이(130)는 회로보드(circuit board)와 같은 기판(substrate)(220)상에 4개의 3축 디지털 자기 나침반(three-axisdigital magnetic compass)들(210)을 포함한다. 디지털 자기 나침반들(210)은 정사각형(square)의 꼭짓점들(vertices)에 배치된다. 개구(opening)(230)가 기판(220)의 중심에 존재하며, 레퍼런스 포인트(reference point)가 개구(230)의 중심에 존재한다.
각각의 디지털 자기 나침반(210)의 로컬 a축, b축, 및 c축은 글로벌 X축, Y축, 및 Z축과 정렬될(aligned) 필요가 없다. 도 2에서, 예를 들어, 로컬 a축 및 b축은, 측정치(measurement)들을 로컬 좌표계에서 글로벌 좌표계로 변환하는 것과 관련된 연산들을 단순하게 하기 위해서, 그리고 마그네틱 타겟(120)의 포지션을 결정하기 위해서 로컬 c축 둘레로 45도로 회전된다.
센싱 오퍼레이션(sensing operation) 동안, 마그네틱 타겟(120)은 비자성 구조물(non-magnetic structure)(W)의 표면 뒤에 배치되고, 어레이(130)는 구조물(W)의 앞면(front surface)을 따라서 이동된다. 각각의 디지털 자기 나침반(210)은 그것의 a축, b축, 및 c축을 따라서 자기장 세기를 측정한다.
장치(110)는 프로세서(processor)(140)를 더 포함한다. 각각의 디지털 자기 나침반에 대해서, 프로세서(140)는, 디지털 자기 나침반(210)으로부터 마그네틱 타겟(120)을 향하는, 글로벌 XY 평면 내의 벡터를 계산한다.
프로세서(140)는 마그네틱 타겟(120)의 포지션을 결정하기 위하여 이 벡터들의 방향들을 이용하지만, 벡터들의 절대적인 자기 세기를 이용하는 것은 아니다. 그래서, 이 벡터들은 이하에서 "방향 벡터(direction vector)들"이라고 지칭된다.
프로세서(140)는 글로벌 XY 평면 내의 방향 벡터들의 교차 포인트(intersection point)들을 찾아낸다. 교차 포인트들은 디지털 나침반들(210)에 대한(relative to) 마그네틱 타겟(120)의 포지션을 나타낸다. 이러한 상대적 포지션으로부터, 오프셋 벡터(offset vector)가 도출될(derived) 수 있다. 예를 들어, 오프셋 벡터는 레퍼런스 포인트(reference point)로부터의 거리 및 방향을 식별시킨다(identify).
예를 들어, 도 2의 개구(230)는 드릴 비트(drill bit)가 기판(220)을 관통해서 지나가는 것을 가능하게 한다. 개구(230)의 중심은 드릴 비트의 중심을 나타낸다. 그래서, 개구(230)의 중심은 또한 레퍼런스 포인트를 나타낸다. 오프셋 벡터는 마그네틱 타겟(120) 위로(over) 배치하기 위해 드릴 비트가 이동되어야 하는 거리 및 방향을 나타낼 수 있다.
이제 도 3을 참조하자면, 도 3은 디지털 자기 나침반들(210)에 대한(relative to) 마그네틱 타겟(120)의 포지션을 결정하기 위해서 방향 벡터들이 어떻게 계산 및 이용될 수 있는지에 대한 예를 도시한다.
블록 310에서, 각각의 디지털 자기 나침반(210)에 대한 방향 벡터가 결정된다. 각각의 디지털 자기 나침반(210)은 a축 및 b축을 따라서 자기장의 성분들(a-성분 및 b-성분)을 센싱하고, 프로세서(140)는 마그네틱 타겟(120)에 대한 방향 벡터를 a-성분 및 b-성분의 함수로 결정한다.
블록 320에서, 로컬 좌표계들 내의 방향 벡터들이 글로벌 XY 평면 내의 방향 벡터들로 변환된다(transformed). 글로벌 XY 평면 내의 방향 벡터들의 교차 포인트들이 결정된다.
도 4a는 도 2에 도시된 구성을 갖는 어레이(130)를 위해서 방향 벡터들 및 교차 포인트들이 어떻게 결정될 수 있는지에 대한 예를 제공한다. 디지털 자기 나침반들(210)이 코너(corner)들 A, B, C, 및 D에 존재한다. 마그네틱 타겟(120)은 포지션(position) P에 존재한다.
각각의 코너에는 로컬 좌표계의 a축 및 b축이 존재한다. 글로벌 XY 평면은 X축 및 Y축에 의해서 정의된다.
로컬 ab 평면(local a-b plane) 내의 자속선들은 곧은(straight) 것으로 보이기 때문에, 이들은 자석 세기와 상관없이 동일한 각도로 디지털 자기 나침반들(210)과 교차한다(intersect). 만일 자기장이 마그네틱 타겟(120)의 팁(tip)으로부터 바깥쪽으로(outward) 방사한다(radiate)면, 축에서의 편차(deviation)들은 방향에 크게 영향을 미치지 않는다.
각각의 코너에 대해서 한 쌍의 여각(complementary angle)들이 존재한다: 코너 A에 대해 A1 및 A2, 코너 B에 대해 B1 및 B2, 코너 C에 대해 C1 및 C2, 그리고 코너 D에 대해 D1 및 D2. 또한, 포지션 P에서 4개의 중심각들이 존재한다: ∠APB,∠BPC,∠CPD, 및 ∠DPA. 각각의 각은 두 개의 방향 벡터들에 의해 형성되고, 포인트 P는 두 개의 방향 벡터들의 교차지점에 존재한다.
각각의 코너에 대한 여각(complementary angle)들은 센싱된 자기장의 a-성분 및 b-성분을 이용해서 알아낼 수 있다. 예를 들어, 각도들 A1 및 A2는 코너 A에서 센싱된 a-성분(a) 및 b-성분(b)으로부터 다음과 같이 계산될 수 있다:
A1 = atan(b/a) - π/4.
A2 = π/2 - A2.
그리고 나서 중심각들이 계산된다. 예를 들어, 중심각 ∠DPA는 ∠DPA= π - (D2+A1)로 계산된다.
선분들 AP, BP, CP, 및 DP의 평면내 길이(in-plane length)들이 계산된다. 이상적으로, 모든 방향 벡터들은 마그네틱 타겟(120)의 포지션 P에서 교차할 것이다. 하지만, 축에서의 편차들 및 오정렬(misalignment)들을 포함한 다양한 요인들로 인하여, 이들은 그렇게 되지 않는다. 그 결과, 벡터들은 상이한 교차 포인트들에서 교차한다.
결과적으로, 각각의 평면내 길이에 대해 두 개의 해가 존재할 수 있다: AP1, AP2, BP1, BP2, CP1, CP2, DP1, 및 DP2. 각각의 길이는 사인법칙(law of sines)을 이용해서 결정될 수 있다. 예를 들어,
AP1 = dAB*sin(D2)/sin(∠DPA).
AP2 = dAB*sin(B1)/sin(∠DPA).
여기서, dAB는 코너 A와 코너 B 간의 알고 있는 거리(known distance)이다. 거리 dAB는 거리들 dBC, dCD, 및 dDA와 동일해야 한다.
그리고 나서 글로벌 XY 평면 내의 마그네틱 타겟의 포지션 P가 결정된다. 우선, 각각의 중심 삼각형(center triangle)의 높이 h가 찾아내진다. 예를 들어, 중심각 ∠DPA의 높이 h가 h=DP2*sin(D2)로 찾아내질 수 있다.
포지션 P에서의 마그네틱 타겟(120)의 글로벌 좌표들 YP 및 XP와 거리 LAD는 다음과 같이 계산될 수 있다.
YP = dAB/2 - h.
LAD = DP2*cos(D2).
XP = 거리/2 + LAD.
dAB/2가 사용되는 이유는 중심각 ∠DPA의 높이(h)가 계산되고 나서 높이(h)가 X 축(Y=0)에서부터 선분 DA까지의 거리에서 차감되기(subtracted) 때문이다.
그래서, 각각의 선분 AP, BP, CP, 및 DP의 평면내 길이는 자기 나침반에서부터 그것의 교차 포인트까지의 거리로 계산된다. 그러므로, 교차지점들은 X 및 Y에 대해서 4개의 값들을 내놓을(yield) 것이다. 마그네틱 타겟(120)이 어레이(130)의 중심에 존재할 때 방향들은 거의 평행하기 때문에 대향 센서(opposing sensor)들의 교차지점들을 이용하는 것이 방지된다.
다시 도 3을 참조한다. 블록 330에서, 글로벌 XY 평면 내의 마그네틱 타겟(120)의 포지션이 결정된다. 예를 들어, 평면내 거리(in-plane distance)들의 통계적 척도(예컨대, 평균)가 계산된다.
프로세서(140)는 마그네틱 타겟(120)의 계산된 포지션에서의 신뢰도를 측정하기 위하여 표준 편차(standard deviation)와 같은 통계적 척도를 이용할 수 있다. 불량 센서(bad sensor), 철 이펙트(iron effect)들, 또는 계산된 포지션 내의 특이점(singularity)들은 큰 분산(variance)을 초래할 수 있다.
그래서, 프로세서(140)는 타겟의 포지션을 결정하기 위하여 벡터들의 크기에 의존하지 않는다. 다시 말해, 자기장 세기들의 a-성분 및 b-성분은 (센서 드랍-아웃(sensor drop-out) 또는 센서 새츄레이션(sensor saturation)의 시점까지는) 자기 세기와 상관없이 서로 스케일링할(scale) 것이고, 동일한 방향을 내놓을(yield) 것이기 때문에, 프로세서(140)는 벡터의 장 세기에 의존하지 않는다.
블록 340에서, 오프셋 벡터가 결정될 수 있다. 마그네틱 타겟(120)의 포지션 P가 막 계산되었으며, 글로벌 XY 평면 내의 레퍼런스 포인트의 포지션 R은 알고 있다(known). 오프셋 벡터는 레퍼런스 포인트 R에서부터 마그네틱 타겟(120)까지의 거리 및 방향을 나타낼 수 있다(도 4b 참조).
상술한 예들은 4개의 디지털 자기 나침반들(210)을 갖는 어레이(130)를 포함하지만, 어레이(130)가 이에 한정되는 것은 아니다. 어레이(130)는 적어도 두 개의 디지털 자기 나침반들을 가지는데, 이는 교차 포인트를 식별하기 위하여 적어도 두 개의 방향 벡터들이 필요하기 때문이다. 하지만, 마그네틱 타겟(120)이 두 개의 나침반들 사이에 바로(directly between two compasses) 존재한다면 특이점들이 형성되는데, 이로써 아무런 교차 포인트가 식별되지 않거나 교차 포인트가 마그네틱 타겟(120)으로부터 멀리 떨어져 있게 된다. 추가적인 디지털 자기 나침반들의 이용은 특이점의 가능성을 감소시킨다. 총 4개의 디지털 자기 나침반들이 이 가능성을 적절하게 감소시킨다는 것을 알아냈다. 만일 하나의 측정치가 이상치(outlier)로서 버려진다고 하더라도, 나머지 측정치들이 여전히 특이점을 피할 수 있다.
프로세서(140)는 글로벌 XY 평면 내의 마그네틱 타겟(120)의 포지션만을 계산하는 것으로 한정되지 않는다. 프로세서(140)는 마그네틱 타겟(120)의 깊이(depth)도 계산할 수 있다.
프로세서(140)는 디지털 자기 나침반들 중의 적어도 하나에서의 z 성분(HZ)을 이용해서 마그네틱 타겟(120)의 깊이를 결정할 수 있다. 도 5a에서 도시된 바와 같이, 글로벌 XY 평면에서의 장 세기(HX-Y)가 계산되고, 세 개의 센서들 모두로부터의 총 장 세기(HX-Y-Z)가 계산되고, 마그네틱 타겟의 각도(θ)를 결정하기 위해 역탄젠트가 계산된다.
도 5b에서 도시된 바와 같이, 그리고 나서 마그네틱 타겟의 각도(θ)는 깊이를 결정하는 데에 이용된다. 마그네틱 타겟까지의 평면내 거리(dX-Y)는 이전에(previously) 계산되었기 때문에, 깊이(dZ)는 평면내 거리와 tan(θ)의 곱으로 계산될 수 있다.
도 4a의 예에 대해서 부연하면, 선분들 AP1, AP2, BP1, BP2, CP1, CP2, DP1, 및 DP2의 각각의 평면내 거리에 대한 깊이가 계산된다. 총 8개의 깊이가 결과로 얻어진다. 마그네틱 타겟(120)의 깊이를 결정하기 위하여 깊이들의 평균 또는 다른 통계적 척도가 계산될 수 있다.
어레이(130) 내의 센서 측정치들은 지구의 자기장 또는 근처의 철(nearby iron)으로 인한 필드 이펙트(field effect)들에 의해 영향을 받을 수 있다. 프로세서(140)는 이 이펙트들을 보상하기 위하여 추가적인 3축 디지털 자기 나침반으로부터의 측정치들을 이용할 수 있다. 추가적인 자기 나침반은 마그네틱 타겟(120)으로부터의 자기장을 센싱하지 않기 위하여 마그네틱 타겟(120)으로부터 멀리 떨어져서 위치해 있다. 예를 들어, 타겟의 자기장은 지수적으로(exponentially) 떨어져서, 중심축으로부터 대략 8인치(inch) 떨어진 곳에서 거의 영(zero)이다. 지구의 자기장은 상당히 균일하고, 대형(large) 철 구조물들로 인한(예컨대, 어셈블리 지그(assembly jig) 또는 빌딩(building)에서의 강철(steel)로 인한) 철 이펙트들도 균일하기(uniform) 때문에, 추가적인 디지털 나침반은 이 스트레이 필드(stray field)만의 a-, b-, 및 c-성분들을 센싱할 것이다. 이 성분들은 나침반들 각각의 로컬 좌표계들상으로 변환될 수 있고, 그리고 나서 디지털 자기 나침반들에 의해 측정된 각각의 성분들에서 차감될(subtracted) 수 있다.
장치(110)는 특정한 타입의 마그네틱 타겟(120)에 한정되지 않는다. 하지만, 원통형 강자성 코어(cylindrical ferromagnetic core) 및 코어를 둘러싸는 토로이드형 자석(torroidal magnet)을 갖는 마그네틱 타겟(120)은 특히 유익하다.
도 6a는 마그네틱 타겟(120)의 예의 도면이다. 도 6의 마그네틱 타겟(120)은 원통형 강자성 코어(610) 및 코어(610)를 둘러싸는(surrounding) 토로이드형 자석(620)을 포함한다. 강자성 포커싱 콘(focusing cone)(630)은 코어(610) 둘레로(about) 그리고 토로이드형 자석(620)에 인접하게(adjacent) 배치된다. 자석(620)으로부터의 자속(flux)은 주변 공기(surrounding air) 대신에 포커싱 콘(630)을 통하여 흐른다. 이러한 방식으로, 포커싱 콘(630)은 포커싱 콘(630)의 팁(tip)에서 장(field)의 균일성(uniformity) 및 자속 밀도를 향상시키도록 자기장을 집중시킨다(focus).
도 6a 및 도 6b에서 도시된 바와 같이, 강자성 코어(610)는 자기장을 흡수하고, 이것을 자석(620)에 대해 축방향으로(axially) 투사해서(project), 자기장을 자석(620)의 물리적 바디(physical body)와 정렬한다. 이것은 오정렬에 의해 야기되는 에러를 감소시킨다. 코어(610)의 높은 투자율(permeability)은 또한 자기장을 균질화하는(homogenize) 것을 돕는다.
도 6c을 참조하자면, 도 6c는 도 6a의 마그네틱 타겟(120)에 대한 성분들의 예를 도시한다. 코어(610) 및 포커싱 콘(630)은 단일한 구조물(unitary structure)을 형성한다. 자석(620)은 코어(610)상으로 슬라이딩한다(slide). 마그네틱 타겟(120)은 하우징(640) 및 엔드 캡(end cap)(650)을 더 포함한다. 코어(610), 자석(620), 및 포커싱 콘(630)은 하우징(640) 및 엔드 캡(650) 내에 인클로징된다(enclosed). 하우징(640) 및 엔드 캡(650)은 파일럿 홀 안으로의 삽입을 위한 시어 핀(shear pin)의 형상을 가질 수 있다.
코어(610)는 엔드 캡(650) 내의 개구를 통해서 뻗어 있을 수 있다. 하우징(640) 내의 스프링(660)은 엔드 캡(650)을 향하여 자석(620)을 바깥쪽으로(outwardly) 바이어싱할(bias) 수 있다. 이러한 스프링-장착(spring-loaded) 구성은 드릴링(drilling) 및 물체가 구조물을 관통해서 지나가는 다른 오퍼레이션(operation)들을 위해서 유익하다. 예를 들어, 도 6a 내지 도 6c의 마그네틱 타겟(120)은 드릴링이 수행되고 있는 동안 파일럿 홀 내에 남아 있을 수 있다. 만일 드릴 비트가 구조물을 관통해서 지나가거나 구조물 너머로 뻗어가면, 드릴 비트는 코어(610), 자석(620), 및 포커싱 콘(630)을 누를(depress) 것이다.
장치(110)는 수동으로(manually) 이용될 수 있다. 예를 들어, 장치(110)는 핸드 툴(hand tool)(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있고, 어레이(130) 및 프로세서(140)는 핸드 툴과 통합될 수 있다. 핸드 툴은 구조물의 앞면을 가로질러 스캐닝될(scanned) 수 있다. 프로세서(140)는 오프셋 벡터 및 다른 정보를 툴상의 시각적 디스플레이(visual display)에 전송할 수 있다. 오퍼레이터(operator)는 마그네틱 타겟(120) 위로(over) 핸드 툴을 수동으로 배치하기(manually position) 위해서 이 정보를 이용할 수 있다.
하지만, 마그네틱 타겟(120)의 포지션의 자동 계산 및 오프셋 벡터의 계산 때문에, 장치(110)는 로봇 오퍼레이션(robotic operation)에 대해서 특히 적합하다. 예를 들어, 한 쌍의 로봇들은 제조 오퍼레이션(manufacturing operation)을 수행하기 위하여 장치(110)를 이용할 수 있다.
도 7은 비자성 벽(non-magnetic wall)(W)의 양측(opposite sides)상에서 제조 오퍼레이션들을 수행하기 위한 로봇 시스템(robot system)(710)을 도시한다. 로봇 시스템(710)은 벽(W)의 양측상에서 동시에(synchronously) 작동하는 내부 및 외부 로봇들(720 및 730)을 포함한다. 내부 로봇(inner robot)(720)은 마그네틱 타겟(120)을 포함하는데, 이것은 엔드 이펙터(end effector)(722)의 일부일 수 있다. 내부 로봇(720)은 마그네틱 타겟(120)을 배치하기 위하여 벽(W)의 내부 표면을 따라서 엔드 이펙터(722)를 이동시키기 위한 포지셔닝 시스템(positioning system)(724)을 더 포함한다. 마그네틱 타겟(120)은 엔드 이펙터(722) 및 포지셔닝 시스템(724)에 의해서 제자리에 유지될 수 있으며, 또는 벽(W)의 내부 표면(inner surface)에 있는 피처(feature)에 고정될 수 있다(예컨대, 내부 표면에 붙어(against) 있는 부품(part) 내의 홀(hole)에 삽입됨).
외부 로봇(outer robot)(730)은 프로세서(140) 및 어레이(130)를 포함한다. 어레이(130)는 엔드 이펙터(732)의 일부일 수 있다. 엔드 이펙터(732)는 또한 제조 툴(manufacturing tool)(734)을 포함한다. 외부 로봇(730)은 벽(W)의 외부 표면(outer surface)을 따라서 엔드 이펙터(732)를 이동시키기 위한 포지셔닝 시스템(736)을 더 포함한다. 스트레이 필드(stray field)들을 측정하기 위한 추가적인 나침반 또한 외부 로봇(730)상에서 운반될(carried) 수 있다.
어레이(130)는 제조 툴(734)과 통합될 수 있다. 예를 들어, 만일 제조 툴(734)이 드릴(drill)을 포함한다면, 어레이(130)는 드릴의 스핀들(spindle) 내에 통합될 수 있다.
도 8은, 벽(W)을 관통해서, 보이지 않는(blind) 파일럿 홀 안으로 홀을 드릴링하기(drill) 위해 로봇 시스템(710)을 이용하는 방법을 도시한다. 파일럿 홀은 벽(W)의 내측(inner side)상의 부품(도시되지 않음)에 위치해 있다. 단지 하나의 예로서, 항공기 스킨이 벽(W)을 형성하고, 상기 부품은 항공기 스킨의 내부 표면에 붙어(against) 위치해 있는 보강재를 포함한다. 보강재는 파일럿 홀을 가지고 있다.
블록 810에서, 내부 로봇(720)은 마그네틱 타겟(120)을 파일럿 홀에 삽입하기 위하여 자신의 엔드 이펙터(722)를 움직인다(move). 블록 820에서, 벽(W)의 외측(outer side)상에 위치해 있는 외부 로봇(730)은 벽(W)의 외부 표면 위에서 어레이(130)를 파일럿 홀의 예상 포지션(expected position)까지 움직인다. 제1 예로서, 내부 로봇(720)은 파일럿 홀의 예상 포지션 위로(over) 그것의 엔드 이펙터(722)를 움직이도록 프로그래밍되고(programmed), 외부 로봇(730)은 파일럿 홀의 예상 포지션 위로(over) 그것의 엔드 이펙터(732)를 움직이도록 프로그래밍된다. 제2 예로서, 내부 로봇(720)은 그것의 엔드 이펙터(722)를 현재 포지션(current position)에서부터, 마그네틱 타겟(120)이 파일럿 홀 내에 배치되어 있는 제2 포지션(second position)까지 움직인다. 내부 로봇(720)은 또한 현재 포지션에서부터 제2 포지션까지의 움직임 벡터(movement vector)를 결정한다. 내부 로봇(720)은 움직임 벡터를 외부 로봇(730)에 전달하고, 외부 로봇(730)은 그것의 엔드 이펙터(732)를 움직이기 위하여 움직임 벡터를 이용한다.
블록 830에서, 어레이(130)의 각각의 디지털 자기 나침반은 마그네틱 타겟(120)의 장 세기를 측정한다. 블록 840에서, 측정치들이 지구의 자기장 및 큰 철 이펙트들에 대해서 보상된다(compensated).
블록 850에서, 프로세서(140)는 글로벌 XY 평면 내의 방향 벡터들의 교차 포인트들의 위치들을 계산한다. 이 교차 포인트들로부터, 프로세서는 글로벌 XY 평면 내의 마그네틱 타겟(120)의 포지션을 계산한다.
블록 860에서, 프로세서(140)는 마그네틱 타겟(120)의 글로벌 포지션에서부터 레퍼런스 포인트의 글로벌 포지션까지의 오프셋 벡터를 계산한다. 만일 레퍼런스 포인트가 드릴 비트의 중심선에 일치한다면(correspond), 오프셋 벡터는 드릴 비트가 이동되어져야 하는 곳을 나타낼 수 있고, 또는 드릴 비트가 마그네틱 타겟(120) 바로 위에 있다는 것을 검증해(verify) 줄 수 있다.
블록 870에서, 마그네틱 타겟(120)의 깊이 및 극성(polarity)과 같은 추가적인 정보가 계산될 수 있다. 마그네틱 타겟은 북극 및 남극을 가진다. 마그네틱 타겟(120)이 파일럿 홀 내에 삽입되는 경우에, 극들 중의 하나는 극들 중의 다른 것보다 어레이(130)에 더 가깝다. 프로세서(140)는 디지털 자기 나침반들 각각의 z 성분의 극성을 체크함(checking)으로써 마그네틱 타겟(120)의 극성을 결정할 수 있다.
블록 880에서, 만일 마그네틱 타겟(120)과 레퍼런스 포인트 간의 거리가 임계치(threshold)를 초과한다는 것(다시 말해, 위치 공차(location tolerance)가 초가됨)을 오프셋 벡터가 나타내면, 외부 로봇(730)은 오프셋 벡터에 따라서 레퍼런스 포인트를 움직인다. 위치 공차가 용인될 수 있을(acceptable) 때까지 블록들 830-880이 반복될 수 있다.
일단 위치 공차가 용인될 수 있으면, 제조 오퍼레이션이 수행된다(블록 890). 드릴 비트는 스킨을 관통해서 파일럿 홀 안으로 드릴링하는 데에 이용된다.
추가적인 제조 오퍼레이션들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 항공기 스킨을 관통해서 홀이 드릴링된 후에, 내부 로봇(720)이 마그네틱 타겟(120)을 제거하고, 외부 로봇(730)은 드릴링된 홀(drilled hole)을 관통해서 패스너(fastener)를 삽입하고, 내부 로봇(720)이 패스너를 마무리한다(terminate).
극성에 대한 정보는 올바른 마그네틱 타겟이 설치되어 있는지 여부를 결정하는 데에 이용될 수 있다. 극성 정보는 제조 오퍼레이션을 도울 수도 있다. 상이한 자석들의 극성 정보는, 예를 들어, 어레이(130)에 의해 관측되는 극성에 따라서 기계(machine)로 하여금 상이한 드릴 공정(상이한 드릴 속도(drill speed), 피드 속도(feed speed), 펙 사이클(peck cycle) 등)을 이용하도록 신호를 보내는(signal) 데에 이용될 수 있다.
마그네틱 타겟의 깊이에 대한 정보는 드릴링의 깊이를 결정하는 데에 이용될 수 있다. 만일 도 6a 내지 도 6c의 마그네틱 타겟(120)이 이용된다면, 깊이 측정치가 정밀할 필요가 없는데, 이는 구조물을 관통해서 드릴링한 후에 드릴 비트가 스프링-바이어싱된(spring-biased) 자석을 변위시킬(displace) 것이기 때문이다.
게다가, 본 발명은 이하의 항목(clause)들에 따른 실시예들을 포함한다:
항목 1. 장치로서,
마그네틱 타겟의 중심축 둘레로 동심이면서(concentric) 균일한(uniform) 자기장을 생성하기 위한 마그네틱 타겟(magnetic target);
상기 자기장을 센싱(sensing)하기 위한 3축 디지털 자기 나침반(three-axis digital magnetic compass)들의 어레이(array); 및
상기 나침반들에서부터 상기 타겟까지의 벡터들의 교차 포인트(intersection point)들을 알아내기 위한 프로세서(processor);를 포함하고,
상기 벡터들은 상기 중심축에 수직인 글로벌 XY 평면(global X-Y plane) 내에 존재하고, 각각의 벡터는 상기 나침반들 중의 하나에서부터 상기 마그네틱 타겟까지의 센싱된 자기장의 방향을 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 2. 항목 1에 있어서,
상기 교차는 상기 벡터들의 크기(magnitude)들이 아니라 상기 벡터들의 방향(direction)들로부터 도출되는(derived) 것을 특징으로 하는 장치.
항목 3. 항목 1에 있어서,
상기 프로세서는 상기 글로벌 XY 평면에서 상기 자기 나침반들에 대한(relative to) 상기 마그네틱 타겟의 포지션(position)을 도출하기 위해서 상기 교차 포인트들을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 4. 항목 3에 있어서,
상기 프로세서는 상기 타겟에서부터 레퍼런스 포인트(reference point)까지의 오프셋 벡터(offset vector)를 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 5. 항목 3에 있어서,
각각의 디지털 자기 나침반은 로컬 a축 및 b축(local a- and b-axes)을 따라서 상기 자기장의 성분(component)들을 센싱하기 위한 마그네틱 센서(magnetic sensor)들을 포함하고, 상기 성분들은 상기 로컬 a축 및 b축으로부터 상기 글로벌 XY 평면으로 변환되는(transformed) 것을 특징으로 하는 장치.
항목 6. 항목 3에 있어서,
상기 프로세서는,
각각의 나침반에 대한 방향 벡터(direction vector)를 결정하고;
상기 방향 벡터들로부터 상기 교차 포인트들을 결정하고;
상기 교차 포인트들로부터 상기 타겟의 평면내 거리(in-plane distance)들을 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 7. 항목 6에 있어서,
상기 프로세서는 상기 마그네틱 타겟의 포지션을 상기 평면내 거리들의 통계적 척도(statistical measure)로 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 8. 항목 7에 있어서,
상기 프로세서는 상기 평면내 거리들의 통계적 신뢰도 척도(statistical confidence measure)를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 9. 항목 6에 있어서,
상기 프로세서는 자기 세기(magnetic strength)의 적어도 하나의 z 성분(z-component) 및 상기 평면내 거리들을 이용해서 상기 마그네틱 타겟의 깊이(depth)를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 10. 항목 1에 있어서,
상기 어레이는 추가적인 디지털 자기 나침반을 더 포함하고,
상기 프로세서는 지구의 자기장 및 철 이펙트들(Earth's magnetic field and iron effects)을 보상하기 위하여 상기 추가적인 나침반으로부터의 측정치들을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 11. 항목 1에 있어서,
상기 마그네틱 타겟은 원통형 강자성 코어(cylindrical ferromagnetic core) 및 상기 코어를 둘러싸는 토로이드형 자석(torroidal magnet)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 12. 항목 11에 있어서,
상기 마그네틱 타겟은 상기 코어 둘레로(about) 그리고 상기 토로이드형 자석에 인접하게(adjacent) 있는 포커싱 콘(focusing cone)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 13. 항목 12에 있어서,
마그네틱 타겟은 하우징(housing), 및 상기 토로이드형 자석을 바깥쪽으로(outwardly) 바이어싱(biasing)하기 위해 상기 하우징 내에 있는 스프링(spring)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
항목 14. 비자성 구조물(non-magnetic structure)상에서 제조 오퍼레이션(manufacturing operation)을 수행하기 위하여 항목 1의 상기 장치를 이용하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 구조물의 일측(one side)에서부터, 상기 마그네틱 타겟을 배치하는 단계;
상기 구조물의 반대측(opposite side)에서부터, 상기 마그네틱 타겟의 예상 포지션(expected position) 위로(over) 상기 어레이를 움직이는 단계;
상기 마그네틱 타겟과 레퍼런스 포지션(reference position) 간의 오프셋 벡터를 결정하기 위해서 상기 프로세서를 이용하는 단계;
상기 오프셋 벡터에 따라서 상기 레퍼런스 포지션을 움직이는 단계; 및
상기 레퍼런스 포지션이 움직여진 후에 상기 구조물상에서 상기 제조 오퍼레이션을 수행하는 단계;를 포함하는 방법.
항목 15. 비자성 구조물상에서 제조 오퍼레이션을 수행하기 위한 제1 및 제2 로봇들을 포함하는 로봇 시스템(robot system)으로서,
상기 제1 로봇은, 마그네틱 타겟의 중심축 둘레로 동심이면서(concentric) 균일한(uniform) 자기장을 생성하기 위한 마그네틱 타겟; 및 상기 구조물의 제1 측에 상기 마그네틱 타겟을 배치하기 위한 제1 엔드 이펙터(end effector) 및 포지셔닝 시스템(positioning system);을 포함하고,
상기 제2 로봇은, 상기 자기장을 센싱하기 위한 3축 디지털 자기 나침반들의 센싱 어레이(sensing array); 제조 툴(manufacturing tool); 및 마그네틱 타겟의 위치를 알아내기 위해 상기 구조물의 반대측인 제2 측의 표면을 따라서 상기 센싱 어레이를 스캐닝(scanning)하기 위한 제2 엔드 이펙터 및 포지셔닝 시스템;을 포함하고,
상기 제2 로봇은 상기 나침반들에서부터 상기 마그네틱 타겟까지의 벡터들의 교차 포인트들을 알아내기 위한 프로세서를 더 포함하고, 상기 벡터들은 글로벌 XY 평면 내에 존재하고, 각각의 벡터는 상기 나침반들 중의 하나에서부터 상기 타겟까지의 센싱된 자기장의 방향을 나타내고, 상기 제2 로봇은 상기 마그네틱 타겟(120)에 대하여(with respect to) 상기 제조 툴을 배치하기 위해 상기 교차 포인트들을 이용하는 로봇 시스템.
항목 16. 항목 15의 상기 시스템을 이용하는 것을 포함하는 방법으로서,
상기 제1 로봇은 상기 구조물의 상기 제1 측에서부터 상기 타겟을 배치하는 데에 이용되고, 상기 제2 로봇은 상기 구조물의 상기 제2 측에서부터 상기 어레이를 움직이는 데에 이용되고, 상기 프로세서는 상기 마그네틱 타겟 위로(over) 상기 툴을 움직이기 위한 오프셋 벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 17. 항목 16에 있어서,
상기 마그네틱 타겟의 극성(polarity)을 결정하는 것, 및 상기 제조 오퍼레이션을 수행하기 위해 상기 극성을 이용하는 것을 더 포함하는 방법.
항목 18 마그네틱 타겟으로서,
원통형 강자성 코어; 상기 코어를 둘러싸는 토로이드형 자석; 및 상기 코어 둘레로(about) 그리고 상기 토로이드형 자석에 인접하게(adjacent) 있는 포커싱 콘;을 포함하는 마그네틱 타겟.
항목 19 비자성 구조물의 뒤에 있는 히든 피처(hidden feature)의 위치를 알아내는(locating) 방법으로서, 상기 방법은:
상기 피처에 마그네틱 타겟을 배치하는 단계;
3축 디지털 자기 나침반들의 어레이를 이용해서 상기 구조물의 앞부분(front)을 스캐닝하는 단계;
각각의 나침반에서부터 상기 마그네틱 타겟까지의 방향 벡터를 계산하는 단계로서, 각각의 방향 벡터는 상기 마그네틱 타겟의 중심선에 수직인 XY 평면 내에 존재하는 단계;
상기 방향 벡터들의 교차 포인트들을 알아내는 단계; 및
상기 타겟에서부터 레퍼런스 포인트까지의 오프셋 벡터를 계산하기 위해 상기 교차 포인트들을 이용하는 단계, 및 상기 레퍼런스 포인트를 움직이기 위해 상기 오프셋 벡터를 이용하는 단계;를 포함하는 방법.
항목 20. 항목 19에 있어서,
상기 구조물은 항공기 스킨(aircraft skin)을 포함하고,
상기 히든 피처는 상기 항공기 스킨의 뒤에 있는 보강재(stiffener) 내의 파일럿 홀(pilot hole)을 포함하고,
상기 마그네틱 타겟은 상기 파일럿 홀 내에 배치되고,
상기 어레이는 상기 항공기 스킨의 앞부분 위로(over) 스캐닝되는 것을 특징으로 하는 방법.
게다가, 깊이에 대한 정보는 또한 드릴 사이클(drill cycle)을 결정하는 데에 이용될 수 있다. 원하는 깊이를 지나서(past) 드릴링하는 대신 원하는 깊이까지(to) 드릴링하는 것은 사이클 시간(cycle time)을 감소시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 마그네틱 타겟(120)의 중심축 둘레로 동심이면서(concentric) 균일한(uniform) 자기장을 생성하기 위한 마그네틱 타겟(magnetic target)(120);
    상기 자기장을 센싱(sensing)하기 위한 3축 디지털 자기 나침반(three-axis digital magnetic compass)들의 어레이(array)(130); 및
    상기 나침반들(210)에서부터 상기 타겟(120)까지의 벡터들의 교차 포인트(intersection point)들을 알아내기 위한 프로세서(processor)(140)로서, 상기 교차 포인트들은 글로벌 XY 평면(global X-Y plane)에서 상기 자기 나침반들(210)에 대한(relative to) 상기 마그네틱 타겟(120)의 포지션(position)을 도출하기 위해서 이용되고, 상기 벡터들은 상기 중심축에 수직인 상기 글로벌 XY 평면 내에 존재하고, 각각의 벡터는 상기 나침반들(210) 중의 하나에서부터 상기 마그네틱 타겟(120)까지의 센싱된 자기장의 방향을 나타내는, 프로세서(processor)(140);를 포함하고,
    상기 프로세서(140)는,
    각각의 나침반(210)에 대한 상기 벡터를 결정하고;
    상기 벡터들로부터 상기 교차 포인트들을 결정하고;
    상기 교차 포인트들로부터 상기 나침반들까지의 상기 글로벌 XY 평면내 거리들을 계산하고; 그리고
    상기 마그네틱 타겟(120)의 포지션을 상기 평면내 거리들의 통계적 척도(statistical measure)로 계산하는, 장치(110).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 교차는 상기 벡터들의 크기(magnitude)들이 아니라 상기 벡터들의 방향(direction)들로부터 도출되는(derived) 것을 특징으로 하는 장치(110).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서(140)는 상기 타겟(120)에서부터 레퍼런스 포인트(reference point)까지의 오프셋 벡터(offset vector)를 결정하고,
    각각의 디지털 자기 나침반(210)은 로컬 a축 및 b축(local a- and b-axes)을 따라서 상기 자기장의 성분(component)들을 센싱하기 위한 마그네틱 센서(magnetic sensor)들을 포함하고, 상기 성분들은 상기 로컬 a축 및 b축에 의해서 정의되는 로컬 ab 평면(local a-b plane)으로부터 상기 글로벌 XY 평면으로 변환되는(transformed) 것을 특징으로 하는 장치(110).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서(140)는 상기 평면내 거리들의 통계적 신뢰도 척도(statistical confidence measure)를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치(110).
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 프로세서(140)는 상기 자기장의 세기의 적어도 하나의 z 성분(z-component) 및 상기 평면내 거리들을 이용해서 상기 마그네틱 타겟(120)의 깊이(depth)를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치(110).
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 어레이(130)는 추가적인 디지털 자기 나침반(210)을 더 포함하고,
    상기 프로세서(140)는 지구의 자기장 및 철 이펙트들(Earth's magnetic field and iron effects)을 보상하기 위하여 상기 추가적인 나침반으로부터의 측정치들을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치(110).
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 마그네틱 타겟(120)은 원통형 강자성 코어(cylindrical ferromagnetic core)(610) 및 상기 코어(610)를 둘러싸는 토로이드형 자석(torroidal magnet)(620)을 포함하고,
    상기 마그네틱 타겟(120)은 상기 코어(610) 둘레로(about) 그리고 상기 토로이드형 자석(620)에 인접하게(adjacent) 있는 포커싱 콘(focusing cone)(630)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(110).
  8. 청구항 7에 있어서,
    마그네틱 타겟(120)은 하우징(housing)(640), 및 상기 토로이드형 자석(620)을 바깥쪽으로(outwardly) 바이어싱(biasing)하기 위해 상기 하우징(640) 내에 있는 스프링(spring)(660)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(110).
  9. 비자성 구조물(non-magnetic structure)상에서 제조 오퍼레이션(manufacturing operation)을 수행하기 위하여 청구항 1의 상기 장치(110)를 이용하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 구조물의 일측(one side)에서부터, 상기 마그네틱 타겟(120)을 배치하는 단계;
    상기 구조물의 반대측(opposite side)에서부터, 상기 마그네틱 타겟(120)의 예상 포지션(expected position) 위로(over) 상기 어레이를 움직이는 단계;
    상기 마그네틱 타겟(120)과 레퍼런스 포지션(reference position) 간의 오프셋 벡터를 결정하기 위해서 상기 프로세서(140)를 이용하는 단계;
    상기 오프셋 벡터에 따라서 상기 레퍼런스 포지션을 움직이는 단계; 및
    상기 레퍼런스 포지션이 움직여진 후에 상기 구조물상에서 상기 제조 오퍼레이션을 수행하는 단계;를 포함하는 방법.
  10. 비자성 구조물상에서 제조 오퍼레이션을 수행하기 위한 제1 및 제2 로봇들(720, 730)과 청구항 1의 상기 장치(110)를 포함하는 로봇 시스템(robot system)(710)으로서,
    상기 제1 로봇(720)은, 상기 마그네틱 타겟(120), 제1 엔드 이펙터(end effector)(722), 및 상기 구조물의 제1 측에 상기 마그네틱 타겟(120)을 배치하기 위한 포지셔닝 시스템(positioning system)(724)을 포함하고,
    상기 제2 로봇(730)은, 상기 어레이(130), 제조 툴(manufacturing tool)(734), 제2 엔드 이펙터, 및 마그네틱 타겟(120)의 위치를 알아내기 위해 상기 구조물의 상기 제1 측의 반대측인 상기 구조물의 제2 측의 표면을 따라서 상기 어레이를 스캐닝(scanning)하기 위한 포지셔닝 시스템을 포함하고,
    상기 제2 로봇(730)은 상기 프로세서(140)를 더 포함하고, 상기 제2 로봇(730)은 상기 마그네틱 타겟(120)에 대하여(with respect to) 상기 제조 툴(734)을 배치하기 위해 상기 교차 포인트들을 이용하는 로봇 시스템(710).
  11. 비자성 구조물(non-magnetic structure)상에서 제조 오퍼레이션(manufacturing operation)을 수행하기 위하여 청구항 10의 상기 시스템을 이용하는 방법으로서,상기 제1 로봇(720)은 상기 구조물의 상기 제1 측에서부터 상기 타겟(120)을 배치하는 데에 이용되고, 상기 제2 로봇(730)은 상기 구조물의 상기 제2 측에서부터 상기 어레이(130)를 움직이는 데에 이용되고, 상기 프로세서(140)는 상기 마그네틱 타겟(120) 위로(over) 상기 툴을 움직이기 위한 오프셋 벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 마그네틱 타겟(120)의 극성(polarity)을 결정하는 것, 및 상기 제조 오퍼레이션을 수행하기 위해 상기 극성을 이용하는 것을 더 포함하는 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 구조물은 항공기 스킨(aircraft skin) 및 상기 항공기 스킨의 뒤에 있는 보강재(stiffener) 내의 파일럿 홀(pilot hole)을 포함하고,
    상기 마그네틱 타겟(120)은 상기 파일럿 홀 내에 배치되고,
    상기 어레이(130)는 상기 항공기 스킨의 앞부분 위로(over) 스캐닝되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020160032472A 2015-05-12 2016-03-18 마그네틱 타겟의 센싱 Active KR102488406B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/710,555 US11035672B2 (en) 2015-05-12 2015-05-12 Sensing of a magnetic target
US14/710,555 2015-05-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160133359A KR20160133359A (ko) 2016-11-22
KR102488406B1 true KR102488406B1 (ko) 2023-01-12

Family

ID=55527835

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160032472A Active KR102488406B1 (ko) 2015-05-12 2016-03-18 마그네틱 타겟의 센싱

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11035672B2 (ko)
EP (1) EP3093691B1 (ko)
JP (1) JP6786257B2 (ko)
KR (1) KR102488406B1 (ko)
CN (1) CN106152921B (ko)
CA (1) CA2924782C (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10591627B2 (en) * 2016-11-08 2020-03-17 Frederick Energy Products, Llc Managing vehicle movement in aisles by use of magnetic vectors
US10420999B2 (en) * 2017-03-27 2019-09-24 Intel Corporation Sensor-derived object flight performance tracking
US10831173B2 (en) * 2017-08-11 2020-11-10 The Boeing Company Tool having magnetic material
CN107561462B (zh) * 2017-09-05 2024-09-13 重庆金山医疗技术研究院有限公司 基于变化磁场的胶囊全姿态测定系统及空间磁场检测装置
EP3531151B1 (en) * 2018-02-27 2020-04-22 Melexis Technologies SA Redundant sensor error reduction
CN109916287B (zh) * 2019-01-30 2020-11-27 西安维控自动化科技有限公司 一种基于磁感应的平面位移传感器、位移检测方法及系统
EP4215951A1 (en) * 2022-01-21 2023-07-26 PoleDetect Holding ApS Locating device and system for detecting hidden objects in building constructions
US11872780B2 (en) 2022-06-02 2024-01-16 The Boeing Company Methods and tool for cutting an uncured composite material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007504461A (ja) * 2003-09-05 2007-03-01 ザ・ボーイング・カンパニー 磁気スルースキン検知のための装置および方法
US20080048635A1 (en) * 2002-08-19 2008-02-28 Ab Electronic Limited Method and Apparatus for Locating Non-Visible Objects
JP2009536351A (ja) * 2006-05-10 2009-10-08 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ バイオセンサのための磁気システム
US20150003927A1 (en) * 2013-06-28 2015-01-01 The Boeing Company Magnet sensing hole driller and method therefor

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1971189A (en) 1933-02-01 1934-08-21 Gen Electric Magnetic detector
SE455236B (sv) 1986-10-17 1988-06-27 Derman Ab K G Anordning for att lokalisera dolda dosor
US5559432A (en) * 1992-02-27 1996-09-24 Logue; Delmar L. Joystick generating a polar coordinates signal utilizing a rotating magnetic field within a hollow toroid core
GB9409550D0 (en) 1994-05-12 1994-06-29 Halliburton Co Location determination using vector measurements
US7608035B2 (en) * 1996-09-10 2009-10-27 Gradient Technologies, Llc Method and morphologically adaptable apparatus for altering the charge distribution upon living membranes with functional stabilization of the membrane physical electrical integrity
GB0126014D0 (en) 2001-10-30 2001-12-19 Sensopad Technologies Ltd Modulated field position sensor
US6651003B2 (en) * 2001-07-30 2003-11-18 Innovative Design Solutions, Inc. Method of automatic continuous calibration for an electric compass
US7498796B2 (en) * 2002-05-09 2009-03-03 The Boeing Company Magnetic indexer for high accuracy hole drilling
EP1552249A2 (en) 2002-10-16 2005-07-13 TT Electronics Technology Limited Position sensing apparatus and method
GB2394293A (en) 2002-10-16 2004-04-21 Gentech Invest Group Ag Inductive sensing apparatus and method
CN101218512A (zh) 2004-06-23 2008-07-09 Fe技术服务公司 电容传感技术
WO2006011276A1 (ja) * 2004-07-23 2006-02-02 Yamaha Corporation 方位処理装置、方位処理方法、方位処理プログラム、方位測定装置、傾斜オフセットの補正方法、方位計測方法、方位センサユニット及び携帯電子機器
DE502005003728D1 (de) * 2005-02-28 2008-05-29 Siemens Ag Verfahren zum Ermitteln der Lage eines elektrochemisch gebohrten Kanals
US7782046B2 (en) * 2007-02-05 2010-08-24 General Electric Company Electromagnetic tracking method and system
US8301302B2 (en) * 2008-05-08 2012-10-30 The Boeing Company Synchronous robotic operation on a structure having a confined space

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080048635A1 (en) * 2002-08-19 2008-02-28 Ab Electronic Limited Method and Apparatus for Locating Non-Visible Objects
JP2007504461A (ja) * 2003-09-05 2007-03-01 ザ・ボーイング・カンパニー 磁気スルースキン検知のための装置および方法
JP2009536351A (ja) * 2006-05-10 2009-10-08 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ バイオセンサのための磁気システム
US20150003927A1 (en) * 2013-06-28 2015-01-01 The Boeing Company Magnet sensing hole driller and method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
CN106152921B (zh) 2020-06-02
CA2924782C (en) 2020-03-24
US20160334212A1 (en) 2016-11-17
JP2017003573A (ja) 2017-01-05
EP3093691B1 (en) 2021-11-24
US11035672B2 (en) 2021-06-15
CA2924782A1 (en) 2016-11-12
CN106152921A (zh) 2016-11-23
JP6786257B2 (ja) 2020-11-18
KR20160133359A (ko) 2016-11-22
EP3093691A1 (en) 2016-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102488406B1 (ko) 마그네틱 타겟의 센싱
US10690523B2 (en) Shaft-integrated angle sensing device
US11460289B2 (en) Magnetic sensor using multiple gradiometers for angle detection
CA2484180C (en) Magnetic indexer for high accuracy hole drilling
US11635310B2 (en) Position sensor system and method, robust against disturbance field
CN104729407B (zh) 机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法
EP3735569B1 (en) Magnetic field influence during rotation movement of magnetic target
CN107830854A (zh) 基于orb稀疏点云与二维码的视觉定位方法
US10197987B2 (en) Use of manufacturing compounds to create fiducial marks
US9942524B2 (en) Device and method for detecting the position of an object in a machine tool
TWI608243B (zh) 利用磁力場形之定位裝置及其定位方法
WO2002097362A1 (en) Photogrammetry targets
CN211792262U (zh) 一种电路板的钻孔装置
Cui et al. Three-axis magnetometer calibration based on optimal ellipsoidal fitting under constraint condition for pedestrian positioning system using foot-mounted inertial sensor/magnetometer
CN106908058B (zh) 一种确定地磁定位阵列孔径的方法
JP2007155388A (ja) 移動体位置等推定検出方法、装置及び移動体位置等推定検出方法のプログラム
CN105403140B (zh) 一种基于磁场的六自由度位移测量方法
JPH02222846A (ja) 磁場測定方法
CN106017323A (zh) 用于超大尺寸复杂装置隐藏部位测量基准点准直的手持式测量杆
WO2019015970A1 (en) APPARATUS AND METHOD FOR HIDDEN POINT MEASUREMENT
CN109405725B (zh) 一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法
KR100280258B1 (ko) 물체의 미소변위 측정장치 및 그 방법
CN117984321A (zh) 机器人工具坐标系的校准方法、校准装置及介质
JPH049779A (ja) 磁場測定方法
JPH04188305A (ja) 移動台車付ロボットの位置決め方法

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20160318

PG1501 Laying open of application
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20210219

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20160318

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20220614

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20221219

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20230110

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20230110

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration