SE537516C2 - Metod och sensor för positionering av ett flexibelt element - Google Patents

Abstract

Sensor för att möjliggöra positionering av ett flexibelt element utsatt förpålagda krafter, sensorn innefattar åtminstone två rumsligt separerade 5 ljusgenomsläpplíga rör 1, 10, vart och ett havandes en första ände la, l0aanordnad på ett första ramavsnitt lla samt en andra ände lb, 10b,anordnad på ett andra ramavsnitt på det flexibla elementet. Vart ooh ett avde ljusgenomslåppliga rören i sensorn innefattar enljusdetekteringsanordning 3, vilken kan anslutas till en prooessorenhet 4, 10 och som år anordnad vid en ljusdetekteringsposition i varje rör och som årkonfigurerad att detektera ljus emitterat från en ljusdetekteringskålla 2genom vart och ett av de åtminstone två ljusgenomslåppliga rören l, 10 ochkonfigurerad att överföra information innefattande information relaterad tilldet detekterade ljuset till processorenheten 4. (Fig. 4a) 38

Description

537 516 METOD OCH SENSOR FOR POSITIONERING AV ETT FLEXIBELT ELEMENT TEKNISKT OMRADE Foreliggande teknologi avser i allmanhet en metod och en sensor som mojliggor positionering av ett flexibelt element utsatt for palagda krafter och kraftmoment. Mer specifikt avses en metod och en sensor som anvander optik for att mojliggora en positionering av ett flexibelt element sasom en 10 robotlem.

BAKGRUND Ett av problemen Mom traditionell robotik dr att lemmarna behover vara bojningstaliga sâ att positionen for andeffektorn kan positioneras genom att summera vektorerna fran varje axels rotationspunkt. Det vanligaste tillvagagangssatet for erhalla bOjningstaliga lemmar ãr att tillverka dem av metall. Detta resulterar i overdrivet tunga robotar vilka krdver en stor effekttillforsel vid anvandning. Inom mobil robotik leder detta till relativt korta batteritider vilket, i sin tur, begransar robotens formagor.

Robotlemmarnas vikt kan reduceras genom att anvanda mer ldttviktiga material sasom kolfiber, vilket har ett Mgt styrka-till-vikt forhallande. Detta medfor a andra sidan nackdelen att lemmarna latt Ms. Detta forslag medfor darfor en reducerad energifOrbrukning men foranleder aven minskad precision. Manga olika metoder har foreslagits for att modellera robotar med bojliga lemmar, Oven betecknade kontinuerliga robotar, ddr alla resulterar i mer eller mindre exakt 3D-positionering beroende av vilket sensordata som anvands. Sensorer som anvands i kontinuerliga robotlemmar nyttjar kraftsensorer fasta vid olika delar av roboten (Ref 1). Rontgenstralar och andra visuella system har ocksa anvants inom formestimering, se exempelvis (Ref. 2) och (Ref. 3). Positionering som anvander optiska fibrer har foreslagits dos tre par optiska fibrer fasts till roboten. Ljus emitteras genom en av fibrerna i vane fiberpar. Ljuset riktas ut fran robotkroppen mot de omgardande vaggarna. Intensiteten pa det ljus som reflekteras tillbaka 1 537 516 fran vaggarna mats sedan av den andra optiska fibern i paret. Med hjalp av forkunskaper om de omgardande vaggarna kan information frail intensitetsmatningarna anvandas for att positionera roboten, se (Ref.4). En sadan motprocedur är dock direkt beroende av bakgrunden och kommer att signifikant reducera de miljoer ddr roboten kan anvandas framgangsrikt.

Den flexibla robotarmens bojning kan bestammas genom att anvanda bojningsresistorer, dar dessa resistorer fasts pa lemmarna. Bojningsresistorer existerar i dagsloget i form av resistiva sensorer som 10 fOrandrar anordningens resistans vid bojning. Resistansen ãr proportionell mot bojningen och kan armed anvandas for att uppskatta bojningen pa sensorn eller den kraft som palagts sensorn i den handelse att andra egenskaper hos sensorn är givna. Ett sadant exempel är Tactiluse Flex av SENSOR PRODUCTS INC. Ett tillvagagangssatt for att uppskatta bojningen i ett strukturelement genom anvandandet av atminstone tre tojningssensorer positionerade runt strukturen diskuteras i Ref. 5. Forlangningen och forkortandet av strukturen vid en specifik position ddr en sensor dr anordnad kan matas. Genom att anvanda ett flertal tojningssensorer blir det mojligt att uppskatta strukturens bojning. For att erhalla uppskattningen nyttjar detta tillvagagangssatt Bragg-gitter.

I Ref. 6 foreslas en sensor for att bestamma bojningen av ett antal sammanflatade optiska fibrer. De optiska fibrerna utgor del av en koloskopikamera och är forsedda med hal pa ytorna. En matning av intensiteten pa ljus som emitteras genom de optiska fibrerna jamfors med en initial intensitetsniva. Om fibrerna är bojda kommer en viss mangd ljus att ldmna halen och detta leder till en skillnad mellan detekterad intensitet och emitterad intensitet. Det faktum att de optiska fibrerna ãr sammanflatade kommer daremot negativt paverka den matprecision som ãr nodvandig for att faststalla positionen for en stor flexibel kropp som utsatts for betydande krafter och kraftmoment. 2 537 516 Kontinuerliga multi-rorsrobotlemmar har anvants i robotapplikationer ddr vikt och materialanvandning varit vdsentligt. I allmanhet satts lederna fast i solida sektionsdelande ramar. Ett tillvagagangssatt med ett flertal sektioner kan anvandas clar varje sektionsdelare kan betraktas som en ram.

Uppskattningar av de dynamiska transformationerna for varje bas utfors medelst modellering i kombination med sensoravldsningar och a priorikunskaper om externa krafter. Utifran den dynamiska transformationen och information om ledstrukturen kan en 3D-positionering av andeffektorn och andra delar utforas. Detta tillvagagangssatt forlitar sig dock pa a priori- 10 kunskap om de palagda krafterna och saknar armed nagot av den precision som ãr nodvandig for att uppnâ en exakt positionering av robotlemmarna.

Det ãr ett syfte med foreliggande teknologi att tillhandahalla alternativa metoder och apparater for positioneringen av ett flexibelt element sa.som en robotlem. Denna teknologi syftar till att atminstone delvis mildra problemen Mom det tekniska omradet samtidigt som den mojliggor en exakt positionering av flexibla element med en utstrackning vilka utsatt for krafter och kraftmoment.

SAMMANFATTNING Det är ett allmant syfte att tillhandahalla en metod och en sensor som overkommer nagra av problemen med de Mom teknikomthdet kanda 25 forslagen som skall mojliggora positionering av flexibla element som paidggs krafter och kraftmoment.

Enligt en forsta aspekt tillhandahalls en metod som mojliggor positionering av ett flexibelt element innefattande atminstone tvá rumsligt separerade ljusgenomsldppliga ror f8rsedda med forsta andavsnitt och andra andavsnitt fdsta till motsvarande ramavsnitt. Metoden innefattar stegen att emittera ljus genom en forsta ande hos vart och ett av de tva ljusgenomslappliga roren och detektera det ljus som propagerat genom de atminstone tva 3 537 516 ljusgenomslappliga roren vid en specifik ljusdetekteringsposition for vart och ett av namnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror och behandla egenskaper hos det ljus som detekterats vid den specifika ljusdetekteringspositionen for vart och ett av namnda ljusgenomslappliga ror for att faststalla bojningen pa vart och ett av namnda ljusgenomslappliga ror. Denna metod tillhandahaller ett effektivt och tillforlitligt sat att erhalla en positionering av en robotlem ddr ett antal oberoende detekterade ljuskaraktdristika anvands for att faststalla bojningen pa vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. Dessa bojningar anvands sedan, medelst 10 ytterligare metodsteg, f8r att extrahera positionen far ramavsnitten relativt deras initiala position.

Enligt en andra aspekt tillhandahalls en sensor som mojliggor en positionering av ett flexibelt element, sensorn innefattar atminstone tva rumsligt separerade ljusgenomslappliga rOr med en forsta ande, arrangerade pa ett forsta ramavsnitt, och en andra ande arrangerad pa ett andra ramavsnitt pa namnd robotlem. Vart och ett av ndmnda atminstone tvâ ljusgenomslappliga ror innefattar en lj usdetekteringsanordning anordnad vid en ljusdetekteringsposition for vart och ett av namnda ljusgenomslappliga ror vilken dr konfigurerad for att detektera ljus emitterat frail en ljusemitterande källa genom ndmnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror samt en processorenhet som är anslutningsbar till namnda ljusdetekteringsanordning och konfigurerad att faststalla en bojningsgrad for vart och ett av de atminstone tva ljusgenomslappliga roren baseratpakaraktdristikhosljusetdetekteratav ljusdetekteringsanordningen. Denna sensor tillhandahaller en exakt positionering av det flexibla elementet samtidigt som den dr bade robust och okanslig for den bakgrund ddr den anvands.

Mer detaljerade beskrivningar av de ovan ndmnda fordelarna och utforingsformerna likval som andra kommer att ges i den detaljerade beskrivningen. 4 537 516 KORT RITNINGSBESKRVNING Uppfinningen, tillsammans med ytterligare syften och fordelar, forstas bast med hanvisning till den foljande beskrivningen tagen tillsammans med de bifogade ritningarna., i vilka: FIG. 1 dr ett schematiskt flodesdiagram som visar en exempelgiven utforingsform av metoden enligt foreliggande presentation; FIG. 2 dr ett schematiskt flodesdiagram som visar en alternativ 10 exempelgiven utfOringsform enligt foreliggande presentation; FIG. 3 ãr ett schematiskt flodesdiagram som visar annu en alternativ exempelgiven utforingsform enligt foreliggande presentation; FIG. 4a visar en alternativ utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation. Figuren illustrerar rorstrukturen for sensorn ndr 16 namnda sensor innefattar tvá ljusgenomslappliga ror.

FIG. 4B visar en alternativ utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation. Figuren illustrerar rorstrukturen hos sensorn ndr namnda sensor innefattar tre ljusgenomslappliga ror.

FIG. 5 visar en sidovy av en exempelgiven utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation, dal- ett enda ror pa sensor aterges i et obi* tillstand; FIG. 6 visar en exempelgiven utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation i en annan vy ddr ett ror pa sensorn visas i ett obojt tillstand; FIG. 7 visar en alternativ exempelgiven utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation, ett enda ror pa sensorn visas med koordinater indikerade for ramavsnitten; FIG. 8 visar en exempelgiven utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation, ett enskilt ror pa sensorn visas i en bojd konfiguration.

FIG. 9 visar en alternativ exempelgiven utforingsform av en sensor enligt foreliggande presentation, hdr visas tre ror pa sensorn i en obOjd konfiguration. 537 516 FIG. 10 illustrerar, i tvarsnitt, en mojlig geometri som kan anvandas for att extrahera information om positionen for ramavsnitten, tre ror dr illustrerade.

FIG. 11a illustrerar schematiskt en exempelgiven utfi5ringsform av en sensor enligt foreliggande presentation.

FIG. 11b illustrerar schematiskt en alternativ utforingsform till den utforingsform som illustreras i 10b.

FIG. 12 illustrerar schematiskt en alternativ utforingsform cidr sensorn dr ansluten till en extern processorenhet.

DETAIZERAD BESKRIVNING Samma referensbeteckningar anvdnds for snarlika eller motsvarande element i alla ritningarna.

Den foreslagna teknologin relaterar till metoder och sensorer for att tillhandahalla en synnerligen noggrann positionering av ett element sasom en robotlem. Teknologin dr speciellt anvandbart ndr elementet Or ett flexibelt element sasom en flexibel robotlem, det viii saga, en lem som Or konstruerad pa sadant satt att den tints bOjas eller vridas da den utsatts for palagda krafter. Da krafter anbringas den flexibla robotlemmen kommer robotlemmen att fordndra sin position relativt den initiala positionen. For att tillhandahalla en automatisering av en robotlem, medelst exempelvis aterkopplad styrning av robotlemmen, är det av synnerlig vikt att ha ett palitligt positioneringssystem aven for de fall dar robotlemmen tillats bojas av anbringade krafter och kraftmoment.

Fore detaljerna i den foreslagna teknologin avhandlas, ger vi i breda termer det foreslagna sattet fOr positionering av ett flexibelt element sasom en robotarm. Positionering forlitar sig pa egenskaperna hos en ny sensordesign. Sensordesignen nyttjar viss optisk karaktdristik hos ljus for att tillhandahalla ett matt pa de krafter och kraftmoment som anbringas sensorn. 6 537 516 For detta andarnal ãr sensorn forsedd med ett antal rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror vilkas respektive andavsnitt ãr fdsta vid forsta och andra ramavsnitt. Vid normal anvandning av sensorn kommer krafter antingen att appliceras direkt pa ramavsnitten eller indirekt pa ramavsnitten i de fall dal- ramavsnitten är inbaddade i en yttre struktur. De palagda krafterna medlar effekten att de ljusgenomslappliga roren fasta till ramavsnitten kommer att bojas om den initiala konfigurationen var rak och ratas ut om den initiala konfigurationen var bojd. For att tillhandahalla 10 positionering av det flexibla elementet/robotlemmen dven efter de palagda krafterna behover sensorn vara formogen att bestamma bojningen hos roren. For att uppna detta syfte anvands ljus, det viii saga, ljus fran en ljuskalla emitteras in i vart och ett av de ljusgenomslappliga roren genom en forsta ande pa roret. Detta ljus finks propagera genom roren hela vagen till en ljusdetekteringsposition. Vid denna ljusdetekteringsposition detekteras ljuset och vissa egenskaper, sasom ljusintensitet, extraheras. De extraherade ljusegenskaperna behandlas for att erhalla ett matt pa bojningen hos vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. Dâ ljus propagerar och detekteras i vart och ett av de enskilda roren, och cla roren dr rumsligt separerade och armed bojs oberoende av de andra, erhalles ett hi5gkvalitativt matt pa bojningen for vane enskilt ror. Da val bojningarna hos de enskilda roren faststallt anvands ytterligare steg, vilka kommer att beskrivas i detalj i det som foljer, for att positionera ramavsnitten relativt deras initiala position.

I en nagot mera detaljerad atergivning kan de nodvandiga matningarna som mojliggor en positionering av ett flexibelt element sasom en robotlem erhallas genom att tillhandahalla en gemensam ljuskalla for alla ljusgenomslappliga ror eller genom att forse vart och ett av de enskilda ljusgenomslappliga roren med en ljusemitterande diod, LED, eller nagon annan ljusemitterande kalla. Den/de ljusemitterande kallan/kallorna ãr konfigurerad att emittera ljus in i vane ror. For att driva de ljusemitterande kallorna kan dessa anslutas till en sparmingskalla sasom ett batten i och till 7 537 516 ldmpliga resistorer. Under det att den/de ljusemitterande kallan/kallorna emitterar ljus genom roret/roren är vart och ett av de ljusgenomslappliga roren ocksâ forsedda med ljusdetektorer som är konfigurerade att mdtta ljusintensiteten i vissa valda positioner i roret/roren. Dessa ljusdetekteringsanordningar kan, till exempel, vara fotodioder eller fototransistorer, och de ãr konfigurerade att detektera mangden fotoner som nd.r detektorn vilket ger en uppskattning pa ljusintensiteten vid positionen for ljusdetektorn. Mangden eller antalet fotoner som nar detektorn ett enskilt ror beror av bojningen pa roret cla roret, ndr bojt, kommer att 10 absorbera ett antal fotoner ndr dessa traffar rorets insida. I allmdnhet galler att ju storre bojning desto hogre kommer absorptionen vid roren.s yta att vara, och det ãr darfor mojligt att uppskatta graden av bojning hos roret/roren genom att anvanda information om rorets insida, styrkan pa den ljusemitterande kallan och ljusdetektoravldsningen. Ett mera matematiskt framforande for hur detta erhallas ges i avsnitt 1 i appendix.

Efter att ha beskrivit teknologin i breda termer kommer vi nu att fortsatta med att beskriva olika detaljerade utforingsformer av teknologin.

Med hanvisning till Fig. 1, enligt en exempelgiven utfi5ringsform av foreliggande uppfinning aterges en metod som m8jliggor en positionering av en robotlem. Det flexibla elementet, vilket kan vara en robotlem, innefattar atminstone tva rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror 1, 10 forsedda med forsta andavsnitt la och andra dndavsnitt lb fa sta vid motsvarande ramavsnitt 1 la, 11b. Metoden innefattar stegen att: emittera S1 ljus genom en forsta ande pa vart och ett av de tva ljusgenomslappliga roren; detektera 52 ljus som propagerat genom namnda ljusgenomsloppliga ror vid en specifik ljusdetekteringsposition for vart och ett av de atminstone tva ljusgenomslappliga roren; behandla S3 karaktdristik for ljuset detekterat vid den specifika ljusdetekteringspositionen for vart och ett av de ljusgenomslappliga 8 537 516 roren for att bestamma bojningen for vart och ett av namnda ljusgenomslappliga ror.

Dessa steg kommer vid utforande att ge ett matt pa bojningen av vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. Antalet ror som anvands har viss betydelse, till exempel, for att erhalla en tvadimensionell representation av positionen behovs atminstone tva rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror, en tredimensionell representation av positionen behover tre rumsligt separerade ljusgenomslappliga ran Det är dock mojligt att anvanda ett stort antal ljusgenomslappliga ror om man ãr intresserad av att tillhandahalla mer detaljerad information om positioneringen. Metodstegen beskrivna ovan tillhandahaller ett effektivt satt att faststalla positionen for ett flexibelt element, sasom en robotlem, som innefattar multipla rumsligt separerade ljusgenomslappliga rot-. Metoden kan anvandas i de fiesta omgivningar cla den är robust och skarmad mot inverkan fran bakgrunden, det viii saga da roboten arbetar i ett val upplyst omrade.

Som kan ses i Fig. 2, i en exempelgiven utforingsform av metoden innefattar behandlingssteget S3 steget S31 att bestamma langden mellan tva referenspunkter Pa och Pb ldngs med vart och ett av no.mnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror baserat pa den faststallda bojningen av vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. Detta metodsteg anvdnder den faststallda bajningen for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren for att berakna ett motsvarande langdmatt for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. Dessa langdmatt kommer att anvandas i ett steg S32 for att berakna en resulterande vektor riktad fran ramavsnitt 1 la till ramavsnitt 1 lb. I det specifika fallet att det dr tva ljusgenomslappliga ror kommer den beraknade vektorn att ge en tvadimensionell representation av ramavsnittens position relativt varandra. I fallet att det dr tre ljusgenomslappliga ror kommer den resulterande vektorn istallet att ge en tredimensionell representation av positionen for namnda ramavsnitt relativt varandra, dessa metodsteg illustreras i Fig.3. Den allmanna berakningen i det tredimen.sionella fallet betecknas vanligen trilateration. Exempel pa 9 537 516 berakningsdetaljer for bade det tvadimensionella fallet och det tredimensionella fallet ges i avsnitt 2 i appendix. De matematiska detaljer fOr att omvandla de faststallda langderna till vektorer som representerar ramavsnitten kan skilja sig baserat pa, till exempel, valet av koordinatsystem och likande och detaljerna i appendix ges enbart for att mojliggora for en fackman att implementera metoden. Olika berdkningssatt kan forutses utan att dessa avviker fran omfanget for den foreslagna teknologin. 10 Vissa ljusegenskaper extraheras fran det detekterade ljuset for att faststalla bojningen hos de ljusgenomslappliga roren, i en foredragen utforingsform innefattar de specifika egenskaperna ljusintensiteten.

Den foreslagna teknologin avser awn en sensor som mojliggor positionering av exempelvis en robotlem. Sensorn kan som sadan dock anyandas i andra applikationer arr en positionering av vissa element utsatt for palagda krafter och kraftmoment efterfragas. Sardragen hos sensorn beror ej av det specifika applikationsvalet. Den är istdllet en anordning som ger en synnerligen noggrann positionering av dynamiskt forandrade flexibla element och kan armed hitta ett antal tillampningar utanfor teknikomradet for robotik. I denna beskrivning kommer den dock att beskrivas i samband med positionering av en robotlem.

I figurer 4a och 4b aterges schematiskt strukturen pa de ljusgenomslappliga roren innefattade i en sensor enligt foreliggande presentation. I Fig. 4a visar hur andavsnitten pa de tva ljusgenomslappliga roren 1, 10 är fasta till ramavsnitt 11 a och 11 b. I Fig. 4b illustreras istallet hur tre olika rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror 1, 10, 100 dr fasta till ramavsnitten 11 a och 11b.

Med hanvisning till Fig. 5, eller givet i en alternative vy i Fig. 6, visas en utforingsform av den foreslagna sensorn som mojliggor en positionering av en robotlem som innefattar namnda sensor. For att erhalla tydlighet och for att underlatta forstd.elsen av teknologin illustreras enbart ett ror i ritningen. 10 537 516 Sensorn innefattar dock atminstone tva rum sligt separerade ljusgenomslappliga ror 1, 10 med forsta andar la, 10a anordnade pa ett forsta ramavsnitt 11 a samt en andra ande lb, 10b anordnade pa ett andra ramavsnitt 1 lb pa namnda robotlem. Sensorn innefattar ocksa en ljusdetekteringsanordning 3 som kan anslutas till en processorenhet 4 och som ar anordnad vid en ljusdetekteringsposition for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren och som dr konfigurerad for att detektera ljus emitterat fran en ljusemitteringsanordning 2 genom de atminstone tva ljusgenomslappliga roren 1, 10 samt aven konfigurerad for att overfora 10 informationen avseende egenskaperna hos det detekterade ljuset till namnda processorenhet 4.

I Fig. 9 aterges strukturen for de ljusgenomslappliga roren i sensorn ovan med fOrsedd med tre ljusgenomslappliga r8r betecknade 1, 10, 100 respektive.

Med termen rumsligt separerad an.vand ovan avses att de ljusgenomslappliga roren ar frikopplade, det viii saga, ej bundna till varandra Over atminstone stone delen av deras langder. Detta for att sdkerstalla att matresultaten for ett specifikt ror ãr oberoende av matresultaten for andra ror. Med andra ord tillhandahaller vart och ett av de ljusgenomslappliga roren en oberoende frihetsgrad avseende matningarna, och den ger som sadan unik information som kan behandlas for att mojliggara en positionering av ett flexibelt element sasom en robotlem.

Ramavsnitten lla och 11 b som utgor baserna pa vilka de ljusgenomslappliga roren dr anordnade utgor ocksa de strukturer ddr krafterna anbringas. Direkt pa ramavsnitten i de fall dar sensorn är fri och indirekt i det fall sensorn är inbaddad i en yttre struktur sasom ett flexibelt element, till exempel en robotlem. I det senare fallet kommer den anbringade kraften att OverfOras till ramavsnittet via den yttre strukturen och ramavsnittet skall darfOr fastas till den yttre strukturen pa ett satt som 11 537 516 overfor kraften sa enkelt som mojligt. Sensorn anvander ljusgenomslappliga ror, med termen ljusgenomslappliga ror avses ror vilkas inre tinker att ljus propagerar mer eller mindre fritt. Dessa ror kan, till exempel, vara ihaliga rot- men de kan dven vara mer eller mindre avancerade konstruktioner sasom optiska kablar. Den viktiga egenskapen ãr dock att de filthier att ljus propagerar i stort sett fritt i rorens inre. R6ren dr med fordel tillverkade av ett flexibelt material och de kan vara tillverkade av lattviktiga kolfiber eller optiska fibrer som fi5rstarkts av ett yttre skikt av ldttviktigt material sasom kolfiber. I annu ett exempel kan roren forses med elektriskt ledande organ 10 som mojliggor att strom kan ledas mellan ramavsnitten. De kan ocksa vara partiellt fOrsedda med sadana organ for att tillhandahalla mojligheten att strom kan ledas langsmed atminstone delar av rorens yta. Exempel pa sa.dana organ är elektriskt ledande remsor eller ett elektriskt ledande material inbaddat i materialet som utgor rorens yttre lager. Syftet med en sadan utforingsform är att tillhandahalla ett sat att anvanda en sensor exempelvis, en robotlem som bade en sensor och en stromledare. Pa detta satt kan mangden ledningar och kablar som är strombdrande reduceras. Detta mojliggor en mer lattviktig robotlem.

Den ljusemitterande kallan 2, vilken kan vara en vanlig ljusemitterande diod, kan antingen tillhandahallas fran sensor externt eller integreras i sensorn. I fallet att den är anordnad extern fran sensor skall den anordnas pa ett yttre element pa sadant sat att den kan emittera ljus in i de ljusgenomslappliga roren. Ett sadant yttre element kan exempelvis vara robotkroppen om sensorn antingen ãr inkorporerad i en robotlem eller om sensorn med dess ramavsnitt utgor en robotlem. Alla ljusgenomslappliga rotkan forses med sin egna ljusemitterande kdlla avsedd att emittera ljus genom dess tilldelade ljusgenomslappliga ror. Det kan dock ocksh vara en enda ljusemitterande kalla som dr tilldelad till multipla ljusgenomslappliga ror.

En mojlig egenskap som kan implementeras i ljusemitteringskallan är att f6rse den med pulssdndande egenskaper. Genom att sanda ljus i pulser, 12 537 516 eller genom att blinka, kan binar information sandas genom roret i en riktning, i riktningen fran den ljusemitterand kallan till ljusdetekteringsanordningen, till exempel genom att vaxla positionen for den ljusemitterande kallan och ljusdetekteringsanordningen erhalles en mojlighet att overfora information pa ett tvariktat vis. Detta kan finna anvandningar om man avser att reducera antalet informationsbarare i en struktur som innefattar sensorn. Sadana strukturer kan exempelvis vara en robot som bar en robotlem med en sensor enligt foreliggande presentation. 10 Ljusdetekteringsanordning 3 for varje ljusgenomslappligt ror 1 tillhandahalls nagonstans langs med langdriktningen for det ljusgenomslappliga riiret 1. I en utforingsform ãr den tillhandahallen pa den andra anden lb pa det ljusgenomslappliga roret 1. Genom att anordna den dar ãr det enkelt for en anvandare att ná den vilket gOr det enklare att ersatta ljusdetekteringsanordningen om den gar sander. I en annan utforingsform âr ljusdetekteringspositionen tillhandahallen nagonstans langs med rOrets langd narmare ramavsnitt 1 la an ramavsnitt 1 lb i den handelse att den ljusemitterande kallan tillhandahalls vid ramavsnitt 1 la. Enligt annu en utforingsform ar ljusdetekteringsanordningen tillhandahallen i narheten a den ljusemitterand anordningen. I denna utforingsform ar det ljusgenomslappliga roret 1 forsett med en spegel som reflekterar ljuset som propagerat genom det ljusgenomslappliga roret tillbaka till ljusdetekteringsanordning 3. Detta kan ocksá vara att foredra i betraktande av overvagande relaterade till reparationer och ersattningar.

Spegeln kan i detta fall tillhandahallas vid den andra anden lb pa det ljusgenomslappliga rOret om ljusemitteringskallan ar tillhandahallen vid den forsta anden la pa det ljusgenomslappliga roret. Spegeln kan aven tillhandahallas i rOren vid speciella positioner sasom beskrivits ovan i relation till ljusdetekteringspositionen. Som kan ses fOreligger det ett stort 30 antal val dar ljusdetekteringsanordningen kan placeras langs med det ljusgenomslappliga roren. Ett gemensamt drag for alla positioner âr att de skall valjas sa att ljuset tillatits propagera Over atminstone delar av langden pa de ljusgenomslappliga roren. 13 537 516 Sensorn dr i en annan exempelgiven utforingsform forsedd med en processorenhet 4 som är ansluten till ljusdetekteringsanordning, se till exempel Fig.12. I Onnu en utforingsform är processorenhet 4 integrerad i sensorn. Det viii saga den utgor del av sensorn. Processorenheten 4 är, som tidigare namnts, konfigurerad att faststalla bojningen for vart och ett av de atminstone tva roren i sensorn baserad pa egenskaper hos det detekterade ljuset. Processorenheten kan darfor ta som indata information som innefattar information gdllande ljusegenskap sasom intensitet och baserat 10 pa denna indata bestamma bojningen hos sensorn. En mojlig algoritm for att erhalla detta syfte aterges i avsnitt 2 i appendix.

I en exempelgiven utforingsform Or processorenhet 4, bade for fallet att den ãr integrerad i sensor eller extern tillhandahallen men anslutningsbar till sensor, Oven forsedda med en bestamningsenhet 41. Bestamningsenhet 41 ãr konfigurerad att bestamma langden mellan tva referenspunkter langs med vart och ett av namnda tva ljusgenomslappliga ror baserat pa den bestamda bojningen for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. HOT är tva referenspunkter, Pa och Pb, som anvands i sensorn valda i forvag.

Baserat pa den faststallda bojningen for de olika roren ãr bestamningsenhet 41 konfigurerad att bestamma langden mellan dessa punkter. Med langder avses hdr det Euklidiska avstandet eller den rata linje som sammanbinder dessa punkter, se till exempel langden L given i Fig. 8. Uttryckt nagot annorlunda tar bestdmningsenhet 41, som indata, matten pa rorens bojning och bestdm.mer langden mellan de valda punkterna Pa och Pb for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren som anvands i sensorn. For att erhalla en enkel berakningsalgoritm är det foredraget om punkt Pa dr centralt placerad Mom ljusgenomslappligt ror 1, 10 och anordnad vid en plats dar andavsnitt la, 10a pa det ljusgenomslappliga r8ret approximativt ansluter till ramavsnitt 11a. Pa motsvarande sat skall punkt Pb vdljas sa att den dr centralt placerad i ljusgenomsldppligt r8r 1, 10 och placerad vid en position langs med roret som är approximativt positionen ddr andavsnitt lb, 10b ansluter till ramavsnitt 11b. Andra positioner for punkterna Pa och Pb ãr 14 537 516 dock mojliga ddr priset man betalar dr okad berdkningskomplexitet. Appendix ger en exempelgiven algoritm som kan anvAndas for detta langdbestamningssteg.

I annu en utforingsform av en sensor enligt den foreslagna teknologin dr processorenheten vidare forsedd med en berdkningsenhet 42. Berakningsenhet 42 ãr konfigurerad att berdkna, baserat pa de bestamda langderna for vart och ett av de 5.trninstone tva ljusgenomslappliga roren, en resulterande vektor som motsvarar en vektor riktad fran ramavsnitt 11a till ramavsnitt 1 lb. Denna enhet genererar dad& en vektor som stracker sig mellan ramavsnitt 1 la och 11b. Baserat ph denna vektor ãr det mojligt att erhalla en -bra- eller tre-dimensionell representation av namnda ramavsnitt 11a, 11b, relativt deras initiala position. Ovan givna tvadimensionella fall kan erhallas genom att detektera ljus som propagerat i tva rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror emedan det tredimensionella fallet kan erhallas genom att detektera ljus som propagerat genom tre rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror.

En exempelalgoritm for att erhalla de tva- och tredimensionella positionsrepresentationerna for ramavsnitten kan hittas i appendix till foreliggande ansokan.

En specifik utforingsform av en sensor som mojliggor en positionering av ett flexibelt element sasom en robotlem innefattar ljusgenomslappliga ror vilkas insida dr behandlad for att reducera reflektioner Mom, och erhalla en jamn absorption ldngs med de ljusgenomslappliga roren. Detta kan utforas for att motverka det faktum att vissa bojningsgrader kan resultera i intensitetstoppar pa grund av spegeleffekter ldngs med den/de inre ytan/ytorna pa rOret/roren eller att bojningsuppskattningen beror av b6jningens riktning som ett resultat av en ojdmn absorbering i rOret. Genom att bearbeta rorets insida, exempelvis genom att beldgga ytan med en beldggning eller lata sandpappra den, sa att vdggarna mestadels reflekterar diffust ljus kan spegeleffekterna reduceras och bojningsuppskattning eras 537 516 mer precis. Ett annat mojligt tillvagagangssatt for att reducera den direkta reflektionsformagan ãr att forse insidan pa roret med sot. Det dr att foredra om de valda atgarderna for att reducera direkt reflektion inte leder till en paverkan av ljusets polarisationsegenskaper. I flera utforingsformer av sensorn, utforingsformer som kommer att beskrivas nedan, dr det foredraget om ljuspolarisationen forblir konstant under vdxelverkan mellan ljuset och materialet i det ljusgenomslappliga roret. Det kan ocksa vara en fordel av berakningsmassiga skal om insida pa roret ãr mer eller mindre homogent. Om bearbetningen Ors pa ett salt som anvander beldggningar eller andra 10 material sâ att insidan blir homogen och isotrop är det ocksa mOjligt att era en bojningsuppskattning ldngs med alla riktningar genom att enbart anvanda information om relationen mellan bojning och intensitetsavldsningar for en enda vald riktning. Ett mojligt salt att erhalla sardragen enligt ovan ãr att sandpappra insidan av de ljusgenomslappliga roren och/eller beldgga dem med en silverfarg.

En sensor enligt vad som beskrivits ovan ger ett effektivt sat att positionera ett ramavsnitt pa ett flexibelt element nar positionerna for elementet forandrats pa grund av externt palagda krafter. I vissa applikationer kan det dock vara att foredra om man kan tillhandahalla en sensor som ãr formogen att ge ett matt pa eventuella vridningar eller torsion pa ramavsnittet och motsvarande ljusgenomslappliga ran Foreliggande sensor tillhandahaller sadana mojligheter medelst en alternativ design ddr sensorn aven innefattar organ for att detektera polarisationen pa ljuset som propagerar genom de ljusgenomslappliga roren. Allmant uttryck forlitar sig funktionaliteten hos denna specifika utforingsform pa att ljuset emitterat fran ljusemittern har en forsta polarisation och sedan tillhandahalla ett ljuspolariseringsorgan, sasom ett polarisationsfilter, som har en annan polarisationsriktning an det inkommande ljuset, pa en plats i roret nagonstans mellan ljusinloppet och ljusdetekteringspositionen. Genom att ett polarisationsorgan tillhandahalles mellan dessa positioner kommer det bli mojligt att jamfora den detekterade ljusintensiteten med ljusintensiteten hos det inkommande ljuset. Detta specifika sardrag kommer att beskrivas i stone detalj nedan. 16 537 516 I en forsta utfOringsform av en sensor med polarisationsorgan ãr atminstone ett av de ljusgenomslappliga roren forsedd med ett enskilt polarisationsorgan 112, sasom ett polarisationsfilter, anordnat vid en polarisationsposition. Denna polarisationsposition ãr placerad nagonstans i det ljusgenomsldppliga roret mellan ljusemitteringspositionen och ljusdetekteringspositionen.Denkanocksaplacerasvid ljusdetekteringspositionen och utgora del av ljusdetekteringsanordningen, exempelvis pa formen av ett polarisationsfilter anordnat i en fotodiod eller 10 fototransistor. Polarisationsorgan 112 kan dven vara en integrerad egenskap hos fotodetekteringsanordning, det viii saga, en fotodiod eller fototransistor som detekterar ljus av en specifik polarisation. Denna utforingsform är mojlig om det inkommande ljuset emitterades fran ljuskallan med en specificerad polarisation, exempelvis linjarpolariserat ljus. Det är mojligt att forse alla eller ett flertal av de ljusgenomslappliga roren med sadana polarisationsorgan for att darmed kunna erhalla ett flertal matt pa vridningen eller det anbringade kraftmomentet. Det är dock ocksa mojlig att enbart forse ett enskilt ljusgenomslappligt ror med detta sardrag. I detta fall anvands matningarna av det ljus som propagerat genom ett enskilt ljusgenomslappligt ror for att faststdlla vridningen frail palagt kraftmoment.

I en annan utforingsform är sensorn forsedd med forsta 111 och andra 112 polarisationsorgan. Det forsta polarisationsorganet 111 tillhandahalls langs med r8ret vid en position efter ljusemitteringsanordningen och polarisationsorgan 11 kan vara ett polarisationsfilter. Syftet med detta fOrsta polarisationsorgan 111 är att polarisera det inkommande ljuset pa ett specifikt satt, till exempel genom att ge det en linjarpolarisation. Det andra polarisationsorganet 112, vilket kan vara ett polarisationsfilter, tillhandahalls nagonstans mellan det forsta polarisationsorganet 111 och ljusdetekteringspositionen. Det andra organet dr anordnat fOr att ge ljuset en annan polarisation an den initiala, den kan till exempel ge en 45-graders polarisation, andra polarisationer ãr dock mojliga. Syftet med detta ãr att detektera ljusegenskaper sasom intensitet for att tillhandahalla ett satt att 17 537 516 faststalla mojliga vridningar av de ljusgenomslappliga roren eller motsvarande kraftmoment som orsakar vridningarna. Som exempel, om det forsta organet ger linjarpolariserat ljus och det andra organet ger ljus med en 45-graders polarisation relativt den ffirsta initial polarisationen kan ljusdetekteringsanordning 3 registrera ett intensitetsmaxima om roret vridit 45 grader pa sadant satt att den forsta initiala polarisationen sammanfaller med den andra polarisationen. Genom att utfora ett flertal matningar kan man jamfora riktningen pa vridningen eller momentet med en plottning som visar hur detekterad intensitet forandras med riktningen enligt denna 10 plottning. En plottning kan erhallas experimentellt genom att alterera det palagda momentet och detektera intensiteten. Som namndes ovan kan ett flertal, eller alla, ljusgenomslappliga ror ffirses med dessa forsta och andra ljuspolariseringsorgan. Det är dock mojligt att forse ett enda av de ljusgenomslappliga roren med dessa sardrag. I detta fall anvands matningar pa ljus som fardats genom ett enskilt ror for att faststalla vridningen fran palagt kraftmoment.

I nagot andra ordalag, i en exempelgiven utforingsform tillhandahaller den foreslagna teknologin en sensor dar atminstone ett av de ljusgenomslappliga roren innefattar andra polarisationsorgan 112 anordnade fOr att ge ljus en polarisation som skiljer sig fran polarisationen hos det emitterade ljuset, namnda andra polarisationsorgan 112 är anordnat vid en position ldngs r8ret mellan den ljusemitterande kallan 2 och ljusdetekteringspositionen.

I annu en utforingsform tillhandahaller den ffireslagna teknologin en sensor dar aminstone ett av de ljusgenomslappliga roren innefattar ett ffirsta polarisationsorgan 111 fOr att ge ljuset en forsta polarisation, namnda organ ãr anordnat vid den forsta oppna anden la, och andra polarisationsorgan 112 anordnade for att ge ljuset en andra polarisation som skiljer sig fran den forsta polarisationen, dar namnda andra organ 112 dr anordnade vid en position ldngs med de ljusgenomslappliga roren 1, 10 mellan det forsta polarisationsorganet 111 och ljusdetekteringspositionen. 18 537 516 I Fig. 11a illustreras en exempelgiven illustrerande utforingsform enligt ovan, här avser pilarna att illustrera ljusets polarisation. Darmed inkommer ljus fran vanster i Fig. 1 la med en initial polarisation Pl. Denna polarisation kan tillhandahallas vid den ljusemitterande kallan 2. Ljuset kommer in i de tva ljusgenomslappliga roren och propagerar genom roren. Ett polarisationsorgan 112, sasom ett polarisationsfilter, tillhandahalls vid en plats ldngs med vart och ett av de ljusgenomslappliga roren. For att erhalla en tydligare bild är polarisationsorgan 112 symboliserat som en streckad linje i Fig. 1 la. Efter att ha passerat genom polarisationsorganen har ljuset en andra polarisation, har illustrerad med en pil och P2. Det skall noteras att polarisation sorganen kan tillhandahallas vid platsen for ljusdetekteringsanordning 3. Ljuset skall dock ha en annan polarisation an den initiala polarisationen vid detektering.

I Fig. 1 lb illustreras en annan exempelgiven utforingsform av en sensor forsedd med forsta 111 och andra 112 polarisationsorgan, symboliserade med streckade linjer. Som var fallet i Fig. 10a är pilarna tankta att symbolisera polarisationen. I Fig. 10b ankommer ljus fran den ljusemitterande kallan fran vanster. Ljuset besitter en initial polarisation PO eller kan vara opolariserat. Vid det forsta ljuspolarisationsorganet 111, vilket tillhandahalls for varje ljusgenomslappligt for 1, 10 i sensorn, forandras ljuspolarisationen frail. PO till Pl. Ljus fortsatter att propagera genom de ljusgenomslappliga roren 1 och 10 med denna polarisation. Nagonstans ldngs med de ljusgenomslappliga roren tillhandahalls ett andra polarisationsorgan 112 for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren 1, 10. Detta andra polarisationsorgan 112, vilket kan vara ett polarisationsfilter, verkar for att forandra ljuspolarisationen fran P1 till P2. Polarisationen P2 ãr armed den polarisation som ljuset besitter nar det kommer in i ljusdetekteringsanordning 3 (ej visad i figuren). Det forsta polarisationsorganet 111 kan tillhandahallas vid inloppet for vart och ett av de ljusgenomslappliga roren 1, 10 eller tillhandahallas nagonstans ldngs med de ljusgenomslappliga roren i en position mellan den ljusemitterande kallan 2 och det andra polarisationsorganet 112. Det kan till och med 19 537 516 tillhandahallas fore det att ljus kommer in i de ljusgenomslappliga roren 1, 10.

Som ett alternativ till att fi5rse alla ljusgenomsldppliga ror 1, 10 i en sensor med polarisationsorgan enligt utforingsformerna beskrivna avseende figurer 11a och 11b, âr det istallet mojligt att forse en delmangd av de ljusgenomslappliga roren med sadana organ. Man kan till exempel forse ett enskilt ljusgenomslappligt ror med sadana organ och anvanda resultaten fran ljusdetekteringsanordning 2 for det specifika roret for att tillhandahalla information om vridningar eller motsvarande palagda moment. Slutresultatet kommer dock att bli noggrannare om ett stone antal ljusgenomslappliga ror dr forsedda med dessa organ.

I en exempelgiven version av en sensor forsedd med polarisationsorgan enligt ovan, kan sensor innefatta, eller vara anslutningsbar till, ett styrorgan 113 som âr konfigurerat att aktivera det forsta polarisationsorganet 111 och det andra polarisationsorganet 112 enligt ett forutbestdmt monster. Genom att forse sensorn med denna funktionalitet erhalles en sensor som kan tillhandahalla ett satt for att mojliggora en positionering av ett flexibelt element, sasom en robotlem, utan att anvanda polarisationsfunktionen och sedan aktivera polarisationsfunktionen for att erhalla ett matt pa vridningen av de ljusgenomslappliga roren eller, ekvivalent, det palagda kraftmomentet.

En annan exempelgiven utforingsform som nyttjar ljuspolarisationen for att faststdlla vridningen och motsvarande pd.lagda kraftmoment är en sensor med ljusgenomslappliga ror dar vart och ett av roren inom en sensor dr forsedd med flytande kristall-anordning 115 som âr anslutningsbar till en spanningskalla och anordnad mellan det forsta polarisationsorganet 111 och det andra polarisationsorganet 112. Den flytande kristall-anordningen 115 kan vara en ldrnplig flytande kristall inbaddad i ett ljusgenomslappligt tackskikt. 537 516 Funktionaliteten hos den flytande kristall-anordningen vilar pa det faktum att, nar en vridning av de ljusgenomslappliga roren foreligger kommer det emitterade ljuset huvudsakligen dampas av tva faktorer, dampningen pa grund av bojningen av roret och filtereffekten fran polarisationsorganen.

Genom att tillfora en flytande kristall-anordning 115 mellan polarisationsorganen 111 och 112 i ett ljusgenomslappligt ror blir det mojligt att faststalla vridningsvinkeln genom att variera den spanning som palaggs den flytande kristall-anordningen for att hitta ett maxima. Den maximala intensiteten hittas dar dampningen av polarisationsorganet 10 minimeras, det viii saga, rotationen av polarisationen frail flytande kristallanordningen minimerar filtereffekten fran polarisationsorgan 112 genom att ljuspolarisationen roteras sá att den sammanfaller med polarisation.segenskaperna hos polarisationsorgan 112. Genom att mata storleken pa den palagda spanningen kan polarisationsrotationen faststallas genom att polarisationsrotationen kan hittas i en plottning som ger polarisationsrotationens beroende av den spanning som palaggs den specifika flytande kristall-anordningen 115. Fordelen med att anvanda en flytande kristall-anordning i ett ljusgenomslappligt ror 1, 10 tillsammans med polarisationsorgan 111 och 112 är att det mojliggor mojligheten att inse till vilken andel en detekterad inten.sitetsforandrin.g uppkommer av en vridning och forandring av bojning. Den flytande kristall-anordningen okar ocksa graden av vridning som blir mojlig att otvetydigt detektera bortom 45 grader da spannet okas med polarisationsrotationsspannet for den flytande kristall-anordningen.

Denna funktionalitet kan erhallas med hjalp av en sensor dal- âtminstone ett av de ljusgenomslappliga roren innefattar en flytande kristall-anordning 115 som är anslutningsbar till en variabel spanningskalla. Den flytande kristall-anordningen ãr anordnad mellan forsta polarisationsorgan 111 och 30 andra polarisationsorgan 112. Det forsta polarisationsorganet kan har vara polarisationsorgan erhallna av den ljusemitterande kallan 1. Den kan dock ocksa placeras mellan det forsta polarisationsorganet 111 och det andra 21 537 516 polarisationsorganet 112, som dessa beskrevs i utforingsformen med hdnvisning till Fig. 11b.

Alla utforingsformer av sensorerna beskrivna ovan kan ha ljusgenomslappliga r8r 1, 10 som dr roterbart anordnade till namnda ramavsnitt 11a, 11b. Sensorn kan ocksa forses med ytterligare stabiliserande ramar 12 anordnade ldngs med ndmnda ljusgenomslappliga rot. 1, 10. Dessa stabiliserande ramar sakerstaller att sensorn dr robust och lampad att anvdndas som en robotlem. Dessa stabiliserande ramar 12 kan 10 vidare tillhandahallas pa ett sat som gar dem flyttbara langs med ndmnda ljusgenomsldppliga r8r 1, 10. Ett mojligt sat att erhalla detta ãr att forse dem med gdngor dal- utsidan pa de ljusgenomslappliga rOren ãr forsedd med samverkande faror.

Efter att ha beskrivit ett antal detaljerade utforingsformer av sensorn samt metoden som mojliggor positionering av ett flexibelt element kommer det nedan att ges ett exempel pa hur en robot, med en robotlem med en sensor enligt nagon av de tidigare beskrivna utforingsformerna, kan positioneras och styras med hjdlp av metoden och sensorn enligt den foreslagna teknologin.

Exempel I exemplet som foljer nedan innefattar roboten en robotlem innefattande en sensor enligt tidigare beskrivna utforingsformer. Roboten innefattar ocksa en motor och ett motorstyrorgan fast till golvet pa sadant satt att motorns cylindriska rotor är horisontellt anordnad ldngs med dess symmetriaxel. Robotlemmen, med en instdllning enligt Fig. 9 och Fig. 10, dr fast till rotorn vid ram 11a pa sadant sdtt att den centrala andpunkten pa rotorn sammanfaller med referenspunkt A och rotorns symmetriaxel Viper i planet Sa. Referenspunkten A ar definierad som medelvdrdet for punkter Pa hos robotlemmens ljusgenomslappliga ror 1, 10, 100. Motorns styrorgan kan vrida rotorn bade medurs och moturs ddr en medurs-rotation hojer punkt B 22 537 516 och en moturs-rotation sanker punkt B. Syftet med roboten ar att lyfta vikten till en punkt viktens masscentrum ar pa en specifik hojd fran en initialt lagre position. Denna uppgift utfOrs genom att anvanda en regulator med negativ aterkoppling.

Metoden in.nefattar de fOljande stegen: i. notera SO positionen for robotens referenspunkt A, A är har den initiala vektorn; 10 ii. emittera Si ljus genom en forsta ande hos vart och ett av de ljusgenomslappliga rOren; iii. detektera S2 ljuset som propagerat genom de ljusgenomslappliga roren vid specifika ljusdetekteringspositioner hos de ljusgenomslappliga I-Oren; iv. berakna S4 vektorn V fran A till B; bilda S5 vektorn R som summan av V och A; extrahera den vertikala komponenten Z fran den bildade vektorn; beordra S7 motorns styrorgan att vrida rotorn medurs om Z ar mindre an H och moturs om Z ar stone an H; viii. repetera SS fran steg Sl.

Pa detta satt har metoden och sensorn enligt foreliggande presentation anvants for att majliggOra en positionering av robotlemmen och en motsvarande reglering vilket tillat roboten att utfara en tamligen avancerad uppgift. Metoden och sensorn enligt foreliggande presentation tillater dock an mer komplexa uppgifter. Da en exakt styrning av en robot och dess tillhorande lemmar kraver en precis positionering av robotlemmarna tillhandahaller metoden och sensorn enligt foreliggande presentation ett effektivt satt att mOjliggora en styrning genom att tillhandahalla en noggrann positionering av robotlemmarna.

Tack vare den foreslagna teknologin blir det mojligt att anvanda lattviktiga robotlemmar som ãr mindre energikravande an tungviktiga motparter under 23 537 516 det att det samtidigt ges en noggrann positionering av de flexibla element som utgor robotlemmarna.

Utforingsformerna beskrivna ovan skall forstas som ett litet antal illustrativa exempel av foreliggande uppfinning. Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer, kombinationer och forandringar kan utforas pa utforingsformerna utan att avvika &An uppfinningens omfang. Speciellt kan olika dellosningar i de olika utforingsformerna kombineras till andra konfigurationer, dal- tekniskt mojligt. Omfanget for foreliggande uppfinning 10 definieras dock av de bifogade patentkraven. 24 537 516 REFERENSER Ref 1: K. Xu, N. Simaan, "An Investigation of the Intrinsic Force Sensing Capabilities of Continuum Robots", IEEE Transaction on Robotics, Vol 23, pp. 576-587 Ref 2: E. J. Lobaton, J. Fu, L. G. Torres, R. Alterovitz, "Continuous Shape Estimation of Continuum Robots Using X-ray Images" Ref 3: J. M. Croom, D. C. Rucker, J. M. Romano, R. J. Webster III,"Visual Sensing of Continuum Robot Shape Using Self-Organizing Maps", IEEE International Conference on Robotics and Automation, 20 Ref 4: G. Chen, M. T. Pham, T. Redarce, "Sensor-based guidance control of a continuum robot for a semi-autonomous colonoscopy", Robotics and Autonomus Systems, Vol 57, pp. 712-722 Ref 5: US2006045408A1, Jones et al Ref 6: Kesner, Gavalis et al, "Multifiber optical bend sensor to aid colonoscope navigation", Optical Engineering 50(12), 124402, December 2011. 537 516 APPENDIX Avsnitt 1 Nedan ges en nagot mera matematisk exponering av principerna bakom den foreslagna teknologin. For att underlata forstaelsen ges ett specifikt exempel som är avsett att ge ldsaren en forstaelse av principerna.

I detta exempel är en ljusemitterande kdlla, hadanefter betecknad emitter, sasom en LED, anordnad pa ett satt som dilater att den emitterar ljus 10 genom ett ljusgenomsldppligt rOr. En ljusdetektor, hadanefter betecknad detektor, är i sin tur anordnad pa ett satt som bilker att den detekterar ljusintensiteten i roret vid flagon annan position i det ljusgenomsldppliga roret. Nedan dr denna position vald till att ligga vid den motsatta dnden av det ljusgenomslappliga roret, sett frail ddr emittern är anordnad. Tva referenspunkter Pa och Pb är placerade pa tubens neutrala axel N, se exempelvis figurer 5, 6 eller 8, vid olika positioner dar Pa ãr narmare emittern och Pb ndrmare detektorn. Tva plan Sa och Sb definieras av tangenten till rorens neutrala axel vid respektive positioner Pa och Pb. Intensiteten hos ljuset som skiner genom Sa och Sb i riktningen fran emitter till detektor betecknas Ia och lb. la och lb kan beskrivas med hjalp av foljande relationer: Ia = Geie(ekv. la) lb = atIa(ekv. 1 b) Id = CIA(ekv. lc) 25 le i ekvationen ovan är intensiteten hos ljuset som frigjorts ran emittern och Id är ljusintensiteten uppmat av detektorn. Symbolerna ae, at och ad ãr ljusdampningen i r8ret frail emitter till Sa, fran Sa till Sb och fran Sb till detektorn, respektive. Dampningen fran Sa till Sb ges ddrfor av ekvation 2. 26 537 516 at = Id / (aeadIe) (eq. 2) Andra kombinationer av ekvationer la -lc harleder at, sasom relationen nedan: at = lb / I.(ekv. 3) Roret ãr behandlat, medelst beldggning eller nagot annat satt, sá att ljuset som skiner genom S. med intensitet I. kan detekteras av detektorn vid position Pb med samma intensitet for en konstant bojningsgrad, mellan Sa och Sb, fran tangenten till den neutrala axeln i punkter Pa och Pb, oaktat riktningen pa bojningen relativt rorets neutrala axel. Relationen mellan at 10 och tubens bojning mellan S. och Sb dr specifik for behandlingstekniken och materialet pa rorets insida, och kan testas experimentellt eller hdrledas analytiskt om tillrdckligt med materialspecifikationer ges.

Roret kommer att dampa ljuset sá att krokningen 0 pa rorets bojning mellan S. och Sb, matt i radianer, se Fig.8, kan relateras till dampningen at for forbestamda varden for sensorns ovriga dampningar och materialspecifikationer. Bojningens krokning kan relateras till den absoluta ldngden L mellan Pa och Pb. Om antagandet om konstant krokning anvands kan L explicit ges av ekvation 4 ddr Lo indikerar ldngden mellan P. och Pb nar roret är obojt.

L = (2L0 / 0) sin (0/2)(4) Om det ej Ors nagot antagande om konstant krokning kan relationen mellan L och 0 faststallas experimentellt. 0 kan ocksa relateras till magnituden for en resulterande kraft som verkar pa roret och astadkommer bojningen dá verkanspunkten antingen ligger i S. eller Sb. Relationen mellan 0 och krafternas magnitud kan ocksa faststallas experimentellt. 27 537 516 Urn bade emitter och detektor ãr linjarpolariserade och om emittern tints rotera runt rorets neutrala axel relativt detektorn kan rotationsvinkeln mellan emitter och detektor beraknas. Med hjalp av Malus's lag kommer intensiteten hos det ljus som detekteras av detektorn bli: Id = aeatadIecos2(cp), ddr cp är vinkeln mellan emitterns polarisationsaxel och detektorns polarisationsaxel och Ie är den absoluta intensiteten hos emitterns polariserade ljus. Vinkeln p ges armed av relationen: = 0.5 arccos 21D, — 1 For att Ora emittern linjarpolariserad kan en polarisationsfilm placeras mellan emittern och detektor som statiskt inriktas med emittern runt rorets neutrala axel. Pa analogt vis kan detektorn goras linjarpolariserad genom att placera en polariserande film mellan emitter och detektor som ar statiskt inriktad med detektorn runt rorets neutrala axel.

Avsnitt 2 Nedan ges en mer detaljerad beskrivning av exempelgivna algoritmer for positionering av ett flexibelt element, sasom en robotlem, baserat pa metoderna och sensorerna tidigare beskrivna. Dessa dr exempelgivna algoritmer som ges for att mojliggora att en fackman kan anvanda sensorerna. Andra specifika matematiska algoritmer kan dock fOrutses och som sadana kan de ocksa implementeras for att ge en representation av robotlemmens position. 2D-positioneringsalgoritm FOr att ge den enklast mojliga uppstallningen avser den foreslagna metoden en sensor som innefattar tva rOr av samma ldngd vilkas andar âr fasta till 28 537 516 tva solida ramar, se till exempel Fig. 4a. Fastpunkterna i varje ram ãr pa samma avstand d fran varje rams centrum. Det antas att ramavsnitt 1 la är fixerat i rummet sa att ramen langdvis loper parallellt med x-axeln, se Fig. 7. Alla bojningsrorelser kommer att ske i x-y-planet genom att en kraft anbringas pa ramavsnitt 1 lb.

For denna uppstdllning (se till exempel Fig. 8 for bOjningen pa ett enskilt r8r) kan den exempelgivna algoritmen som anvands for 2D-positionering av ett flexibelt element delas upp i foljande steg: Faststall avstandet d fran centrum av ramen till varje rors neutrala axel som sicãr ramens plan, och mat rorets initiallangd Lo.

Aktivera de ljusemitterande kallorna, Faststall ljusintensiteten I for varje bojningsniva. 0 for varje ran Mdt ljusintensiteten i for varje ror: (II, 12).

Fasts-tall bajningsniva 0 for varje ror utifran intensiteterna erhallna av steg 3: (0 1, 0 2). 6. Berdkna ldngderna (11, 12) utifran bojningarna I steg 4 samt rOrets initiala ldngd Lo enligt: jb 7. Skapa en array q = (11., 12; , och berakna: 11 — 12 ic(q) =+ 12) 12c(11 -l-12) =; 2 — !1d(11 + 29 537 516 — cos(w.(q), 1(q))) q) 1 ,c(q. .1n0 For att kontinuerligt utfOra 2D-positionerin kan step 4-8 itereras efter en 10 fOrsta korning. 3D-positioneringsalgorithm Den enklaste uppstallningen for 3D-positionering anvander en sensor som innefattar tre rOr av samma ldngd vilkas andar är fasta till tvâ solida ramar.

Fastpunkterna i varje ram dr anordnade pa samma avstand frail ramens centrum. De tre fastpunkterna dr vinkelmassigt fixa sâ att de är lika mellan roren och ramarnas centrum. Ramavsnitt 11a kommer att betraktas som fixt i rummet och parallell med x-y-planet. Alla bojningsrOrelser uppkommer fran anbringandet av en kraft pa ramavsnitt 11b. For denna specifika uppstallning (se exempelvis Fig. 3b) kan algoritmen som anvands for 3Dpositionering av det flexibla elementet delas upp i foljande steg: I. Faststall avstandet d frail centrum av ramen till varje rors centrum, i ramens plan, och mat upp rorens initial ldngd Lo. 2. Aktivera de ljusemitterande kallorna. 3. Faststall ljusintensiteten I RV varje bojningsniva 0 och varje rOr. 4. Mdt upp ljusintensiteten I for varje rOr: (ii, i2, i3) 537 516 Faststall bojningsnivan 0 for varje ror utifran intensiteterna i steg 3: (0 1, 02, 03) Berakna ldngderna (11, 12, 13) utifran bojningarna i steg 4 och utifran rorens initiala ldngds Lo SOM: sin Ui 2) 7. Skapa arrayen q =(1 L, /3,d) och berdkna 00) = tan: 12 + 13 — 211) 11R12 13) 2 j 2 L 21112 + 12 +13 = 13 — 1213 _ d (11 + 12 + 13) + 1 + l ——1113 — 2 2 +12 2 _ 1_-- 31 I'3 3d i(q))) cos(T(g)) 0 (K(:7)1(g))) sin(tfi(q)) 1 K(q) sm0c, (q) I.(q)) 8. Berdkna vektorn fran centrum av den forsta ramen till centrum av den andra ramen som (3'b 3'b 3 + dar dr centrum for ramavsnitt 1 la och ãr den resulterande vektorn fran origo till referenspunkten i ramavsnitt 1 lb.

F6r att kontinuerligt utfora 3D-positioneringen kan stegen 4-8 itereras efter en fOrsta fullstandig korning. 31

Claims (30)

537 516 PATENTKRAV 1. Metod for mojliggorandet av positionering av ett flexibelt element innefattande atminstone tvà rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror (1, 10) forsedda med forsta dndavsnitt (1a) och andra andavsnitt ( lb) fdsta till motsvarande forsta och andra ramavsnitt (11a, 11b), dãr metoden innefattar stegen att:

1. emittera (S1) ljus genom en f8rsta ande pa vart och ett av ndmnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror; 2. detektera (S2) ljus som propagerat genom namnda ljusgenomslappliga ror vid en specifik ljusdetekteringsposition for vart och ett av ndmnda aminstone tvá ljusgenomslappliga ror; 3. behandla (S3) egenskaper hos ljuset detekterat vid den specifika ljusdetekteringspositionen for vart och ett av namnda ljusgenomslappliga r5r for att faststalla bojningen av ndmnda ljusgenomslappliga ror.

2. Metod enligt patentkrav 1, dar steget att behandla (S3) vidare innefattar steget att: faststalla (S31) langden mellan tva referenspunkter (Pa, Pb) ldngs med vart och ett av namnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror baserat pa den faststdllda bojningen for vart och ett av ndmnda ljusgenomslappliga rot..

3. Metod enligt patentkrav 2, vidare innefattande steget att: berakna (S32), baserat pa namnda faststallda langder for vart och ett av namnda anninstone tva ljusgenomslappliga ror, en resulterande vektor som motsvarar en vektor riktad fran ramavsnittet (11a) till ramavsnittet (11b).

4. Metod enligt nagot av patentkraven 1-3, dar antalet ljusgenomslappliga ri5r ãr tva och ddr den berdknade resultantvektorn tillhandahaller en 32 537 516 tvadimensionell representation av positionen for namnda ramavsnitt relativt varandra.

5. Metod enligt nagot av patentkraven 1-3, dar antalet ljusgenomslappliga rOr ãr tre och dar den beraknade resultantvektorn tillhandahaller en tredimensionell representation av positionen for namnda ramavsnitt relativt varandra.

6. Metod enligt patentkrav 5, da beroende av patentkrav 3, dar steget att berakna (S32) vidare innefattar steget att trilaterera (S321) namnda faststallda lan.gder for att erhalla en tredimensionell vektor som motsvarar en vektor riktad fran det forsta ramavsnittet (11a) till det andra ramavsnittet (1 lb) for att darmed tillhandahalla en tredimensionell representation av positionen for ramavsnitten relativt varandra.

7. Metod enligt nagot av patentkraven 1-6, dar steget att behandla (S3) egenskaper hos det detekterade ljuset innefattar att bearbeta intensiteten hos det detekterade ljuset for att clamed faststalla bojningen f6r vart och ett av de atminstone tva ljusgenomslappliga roren.

8. Sensor for att mojliggora positionering av ett flexibelt element utsatt for palagda krafter, sensorn innefattar: atminstone tvâ rumsligt separerade ljusgenomslappliga ror (1, 10), vart och ett av vilka har en forsta ande (la, 10a) anordnat pa ett fOrsta ramavsnitt (1 la) och en andra aside ( lb, 10b) anordnat pa ett andra ramavsnitt (1 lb) pa namnda flexibla element och dar vart och ett av namnda tvâ rumsligt separerade och ljusgenomslappliga ror innefattar, en ljusdetekteringsanordning (3) anslutningsbar till en processorenhet (4) och anordnad vid en ljusdetekteringsposition for vart och ett av namnda ljusgenomslappliga ror och konfigurerad att 33 537 516 detektera ljus emitterat fran en ljusemitterande Ulla (2) genom vart och ett av nemnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror (1, 10) och konfigurerad att overfora information, innefattande information relaterad till namnda detekterade ljus, till namnda processorenhet (4) for att mojliggora far namnda processorenhet (4) att faststalla bojningen pa namnda ljusgenomslappliga ror (1, 10).

9. Sensor enligt patentkrav 8 innefattande en processorenhet (4) ansluten till namnda detekteringsanordning och konfigurerad att emottaga information, innefattande information relaterad till namnda egenskaper hos namnda detekterade ljus, och konfigurerad att faststalla en bojningsgrad for vart och ett av namnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror (1, 10) baserat pa den emottagna informationen.

10. Sensor enligt patentkrav 9, ddr processorenheten (4) vidare innefattar: en bestamningsenhet (41) konfigurerad for att faststalla langden mellan tva referenspunkter langs med vart och ett av namnda atminstone tva ljusgenomslappliga rOr baserat pa den faststallda bojningen for vart och ett av namnda ljusgenomsloppliga ror.

11. Sensor enligt patentkrav 10, ddr processorenheten vidare innefattar: en berakningsenhet (42) konfigurerad for att berdkna, baserat pa namnda faststallda ldngder for vart och ett av namnda atminstone tva ljusgenomslappliga ror, en resultantvektor som motsvarar en vektor riktad fran ramavsnittet (11a) till ramavsnittet (11 b).

12. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-11, innefattande tva ljusgenomslappliga ror, dar berdkningsenheten är konfigurerad att berdkna en resultantvektor for att armed tillhandahalla en tvadimensionell representation av positionerna for namnda ramavsnitt (1 la, 1 1 b) relativt varandra. 34 537 516

13. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-11, innefattande tre ljusgenomslappliga ror, ddr den beraknade resultantvektorn tillhandahaller en tredimensionell representation av positionerna for namnda ramavsnitt.

14. Sensor enligt patentkrav 13, da beroende av patentkrav 11, ddr berakningsenheten dr konfigurerad att utfora trilateration av namnda faststallda ldngder fOr att erhalla en tredimensionell vektor motsvarande en vektor riktad fran det forsta ramavsnittet (11a) till det andra ramavsnittet (11b) for att darmed tillhandahalla en tredimensionell representation av positionerna for ramavsnitten relativt varandra.

15. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-14, ddr processorenheten (4) ãr konfigurerad att faststdlla bojningen for vart och ett av namnda ljusgenomslappliga ror baserat pa intensiteten hos det detekterade ljuset.

16. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-15, ddr insidan pa namnda ljusgenomslappliga ror ãr behandlat fOr att reducera direktreflektion och bibehalla ljuspolarisationen.

17. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-16, ddr det ljusgenomslappliga roret ãr tillverkat av ett lattviktigt material sasom kolfiber.

18. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-17, ddr materialet hos atminstone ett av de ljusgenomsldppliga roren (1, 10) är elektriskt ledande eller forsett med elektriskt ledande organ for att mojliggora att det ljusgenomslappliga roret kan leda strom mellan atminstone delar av avstandet mellan namnda andpunkter (1a, 1 b) pa namnda ror. 537 516

19. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-18, dar atminstone ett av de ljusgenomslappliga roren innefattar organ (112) for att ge ljuset en andra polarisation, skild fran den forsta polarisationen hos det emitterade ljuset, ddr ndmnda organ (112) ãr anordnade i namnda atminstone ett ljusgenomsappligt rot- (1, 10) vid en position mellan den ljusemitterande kallan (2) och ljusdetekteringspositionen eller yid ljusdetekteringspositionen.

20. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-18, ddr atminstone ett av de ljusgenomslappliga roren innefattar ett forsta polarisationsorgan (111) for att ge ljuset en forsta polarisation, namnda organ ãr anordnade efter den ljusemitterande kallan (2) och i narheten ay det forsta andavsnittet (la) pa namnda atminstone ett ljusgenomslappligt ror (1, 10), och ett andra polarisationsorgan (112) for att ge ljuset en andra polarisation, skild fran den forsta polarisationen, ddr namnda andra polarisationsorgan(112)ãranordnadendrmare ljusdetekteringspositionen an det forsta polarisationsorganet (111).

21. Sensor enligt nagot av patentkraven 19 eller 20, ddr namnda andra polarisationsorgan (112) är anordnat yid ljusdetekteringspositionen och innefattat i ljusdetekteringsanordningen (3).

22. Sensor enligt patentkraven 19-21, där det forsta polarisationsorganet ãr konfigurerat for att ge ett linjarpolariserat ljus och dãr det andra polarisationsorganet ãr konfigurerat for att ge en 45- gradig polarisation for ljuset relativt namnda forsta polarisation.

23. Sensor enligt nagot ay patentkraven 20-22, ddr sensorn innefattar, eller ãr anslutningsbar till, ett styrorgan (113) konfigurerade for att aktivera det forsta organet (111) och det andra organet (112) enligt ett forutbestdmt monster.

24. Sensor enligt nagot av patentkraven 20-23, ddr atminstone ett av de ljusgenomslappliga r6ren vidare innefattar en flytande- 36 537 516 kristallanordning (115) ansluten till en variabel spanningskalla (116), namnda flytande-kristallanordning ãr anordnad mellan namnda forsta organ (111) och namnda andra organ (112).

25. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-24, dar namnda ljusgenomslappliga ror (1, 10, 100) ãr roterbart anordnade till namnda ramavsnitt ( 1 1 a, 1 1 b).

26. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-25, dal- namnda sensor innefattar ytterligare stabiliseringsramar (12) anordnade langs med de ljusgenomslappliga roren.

27. Sensor enligt patentkrav 26, ddr namnda stabiliseringsramar (12) ar flyttbara langs med namnda ljusgenomslappliga ror (1, 10).

28. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-27, dar det flexibla elementet ãr en robotlem.

29. Sensor enligt nagot av patentkraven 8-28, dar vart och ett av de ljusgenomslappliga rOren (1, 10) ãr forsedda med en ljusemitterande kalla (2) anordnad vid en ljusemitteringsposition for namnda ljusgenomslappliga ror (1, 10).

30. Robot innefattande en sensor enligt nagot av patentkraven 8-29. 37 537 516 1/12 Emittera ljus genom en forsta ande pa vart och ett av namnda atminstone ett ljusgenomslappliga ror Detektera ljus som propagerat genom namnda ljusgenomslappligar ror vid en speficik ljusdetekteringsposition for vart och ett av namnda atminstone ett ljusgenomslappliga rOr Behandla egenskaper hos ljuset detekterat vid den specifika ljusdetekteringspositionen for varje ljusgenomslappligt ror for att faststalla bojningen pa varje ljusgenomslappligt ror