專利名稱：用于測定工具位置變化的方法以及工具與工具控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測定手持工具在空間上的位置變化的方法以及一種用于實 施這種方法的工具與工具控制裝置。
背景技術(shù)：
盡管在機器人技術(shù)領(lǐng)域獲得了長足的技術(shù)發(fā)展，然而，對于手持工具，尤其是對于 用于特殊用途以及用于不適用于工業(yè)化規(guī)模的用途的手持工具仍然有著強烈需求。其中， 通過手持工具進行材料的加工，由操作人員或工人通過手動操作該手持工具進行材料的加 工。然而，為了取得滿意的操作結(jié)果，有時要求操作人員在使用工具時需要具備高的熟練度 以及長期的經(jīng)驗。工人會根據(jù)要求或者工作任務來調(diào)整工具的運行性能。為此通常對工具 控制裝置中的控制參數(shù)進行修改，由此使工具可被應用于各種運行模式。
因此，例如在使用焊接工具時，就需要將待焊接材料在空間上的幾何排列納入考 量，以便能夠形成高質(zhì)量的焊縫。同樣地，在使用噴射工具時，就需要將待噴射面的幾何排 列納入考量，以便能夠噴涂盡量均勻同一的噴射介質(zhì)層。
然而，在工具運行模式的這種調(diào)整上會產(chǎn)生問題的是，工人必須暫時中斷作業(yè)，以 便能夠在工具控制裝置上進行相應的調(diào)節(jié)。這一過程不僅降低了整個作業(yè)過程的效率，而 且有時也難以在后續(xù)的作業(yè)中保持同樣高的質(zhì)量。例如在使用焊接工具實施焊接操作時， 在中斷后，可能會形成不期望的焊縫改變，這不僅在美觀方面，同時在技術(shù)方面都可能給整 個焊接結(jié)果帶來不利影響。
為了避免上述的不利影響，專利文獻EP 1812200B1提出了一種自動式工具控制 裝置，其可借助設置在工具機頭上的傳感器來感應機頭的位置和/或機頭相對于該機頭的 基準位置的位置變化。按照相應確定的機頭的位置或位置變化，工具控制裝置能夠根據(jù)感 應到的位置或者位置變化來影響工具運行的特性變量。因此，當例如機頭被工人移進需要 其他操作或者工作條件的位置時，工具控制裝置就能分別對運行模式進行調(diào)整。例如，尤其 是在使用焊接頭實施焊接操作時，當焊接頭被移進仰焊位置或平焊位置時，焊接電流或焊 接電壓往往就降低。由此可避免作業(yè)的中斷，因為工人無需在工具控制裝置上進行手動調(diào) 節(jié)以應對改變了的工作條件。
然而，根據(jù)專利文獻EP 1812200B1所述的方法的缺點是，位置或者位置變化的獲 取需要高水平的復雜處理。為了能夠獲取空間上的位置或者位置變化，在最簡單的情況下 必須確定每個時間點上的三個空間坐標x、y和z。此外，還需要關(guān)于以下方面的信息，即 機頭關(guān)于給定的空間位置是怎樣定向的。為此，在最簡單的情況下就需要兩個角度變量，即 極角和方位角，這兩個角度變量能夠確定機頭關(guān)于機頭在空間上的位置的旋轉(zhuǎn)或方向。然 而，連續(xù)進行的這些變量的確定與電子處理比較復雜，這可能會帶來不利，特別是對于機頭 迅速且經(jīng)常發(fā)生位置改變的情況而言。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出一種用于確定手持工具在空間上的位置變化 的方法或者一種帶有工具控制裝置的工具，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。特別是意在提出一種 能夠簡單可行地確定手持工具的位置變化的方法以及一種具有工具控制裝置的工具。
上述目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法以及根據(jù)權(quán)利要求14所述的具有 工具控制裝置的工具得以實現(xiàn)。
上述目的特別是通過一種用于確定手持工具在空間上的位置變化的方法得以實 現(xiàn)，該方法具有以下步驟以基準位置來校準初始工具位置，以確定所述工具的至少一個第 一位置向量，所述第一位置向量的至少一個分量通過測量重力加速度在所述工具的預先給 定的軸的方向上的分量來確定；在所述工具在空間上的實際位置變化的過程中，通過新確 定的第二位置向量與至少一個之前的位置向量之間的至少一個角偏差，來檢測所述工具位 置的變化，其中，在所述位置變化之后，通過測量重力加速度在所述工具的所述預先給定軸 的方向上的分量，來確定所述第二位置向量的至少一個分量；提供與所述工具的方向相關(guān) 的信息，該信息根據(jù)所述至少一個角偏差確定。
此外，本發(fā)明的目的還通過一種特別是用于實施這種方法的工具以及工具控制裝 置得以實現(xiàn)。
本發(fā)明的核心思想在于，位置變化的確定首先是基于單個位置向量的確定。其中， 在開始工作流程時要確定第一位置向量，其可構(gòu)成工具的后續(xù)位置向量的基準位置。因此， 通過確定操作者把持工具所處的初始工具位置進行基準位置的確定。若工人在作業(yè)過程期 間移動該工具，即帶來工具在空間上的位置變化，借助新確定的位置向量與工具在此之前 的位置向量或者工具的最先確定的位置向量之間的角偏差來確定這種位置變化。其中，該 至少一個確定的角偏差構(gòu)成對于調(diào)整工具的運行模式來說唯一的調(diào)節(jié)或控制變量?；谥?少一個角偏差的相關(guān)信息，可充分地確定工具在空間上的位置變化，工具控制裝置由此可 相應地針對不同的工作條件做出反應。
由于位置變化(至少部分變化)能夠通過重力加速度或重力加速度向量在工具的 預先給定軸的方向上的分量來確定，由此極大地簡化了位置變化的確定。由于重力加速度 的分量是在工具的預先給定軸的方向上測量的，當工具轉(zhuǎn)動時該分量會產(chǎn)生變化。因此，本 發(fā)明的一個重要方面在于，由沿工具的預先給定軸的方向測得的重力加速度的特定分量的 變化，推斷得出工具的旋轉(zhuǎn)。若工具的預先給定軸開始時例如是沿重力加速度的方向，那 么，測量重力加速度在預先給定軸的方向上的分量，會得到最大值。若該工具現(xiàn)旋轉(zhuǎn)90° (即意味著工具的位置變化)，重力加速度在預先給定軸的方向上的分量會得出(理想狀態(tài) 下)零值。若該工具例如傾斜180°，那么，重力加速度的分量相當于最大值(然而符號相 反)。
本發(fā)明的一個重要方面還在于，位置變化的確定是基于手持工具進行的。術(shù)語手 持工具應被理解為被構(gòu)造為能夠由工人實現(xiàn)手工操作的工具。這種手持工具的特點在于 例如具有把手以及能夠由工人來移動并傾斜工具的類似裝置。術(shù)語“手動”尤其不應被理 解為任何自動設備，例如機器人或是僅可間接地例如通過按鍵啟動或程序設置而移動的類 似裝置。這種自動設備尤其是對于工人而言沒有任何握持元件。
術(shù)語工具的“預先給定軸”則可被理解為隨著工具一同轉(zhuǎn)動的任意軸。因此，該軸 相對于工具是固定不動的。該軸優(yōu)選為對稱軸和/或通過材料的排出方向所限定的軸。
與專利文獻EP 1812200B1中所述不同的是，并非通過包括含水銀的空心構(gòu)件的 傳感器來確定位置變化，在本發(fā)明中，是使用至少一個加速度傳感器。此外，本發(fā)明并不是 通過精確描述工具或工具在空間上的方向來確定空間上的位置變化，而是僅僅基于不同于 之前的位置向量的至少一個角偏差來確定空間上的位置變化。由于通過基準位置實現(xiàn)了工 具位置的初始化或者校準，以確定工具的第一位置向量，因而不再需要確定工具在空間上 的絕對位置。替代地，有充足的時間確定工具位置的變化，以便工具控制裝置確定工具是否 應切換到另一種運行模式。因為僅根據(jù)工具關(guān)于工件的相對位置就能夠確定不同的運行模 式，因此，僅通過至少一個角偏差來確定工具在空間上的相對位置或位置變化被證明是足 夠的。
當工具以例如已精確限定的位置與方向位于保持構(gòu)件中時，就可以用基準位置來 進行工具位置的校準。同樣能夠由操作人員通過按下按鍵來開始進行校準。在其他實施方 式中，也可設置為自動進行上述校準。
其中，還要注意的是，至少一個角偏差既不能被理解為極坐標系中的極角，也不能 被理解為極坐標系中的方位角。確定兩個位置向量的空間角偏差就足以得出工具在空間上 的實際位置變化相關(guān)的結(jié)論。從該位置變化或者從該至少一個控制變量可確定是否需要通 過工具控制裝置將工具調(diào)整到新的運行模式。
根據(jù)本發(fā)明，基于非常簡單的信息，即至少一個角偏差，能夠確保工具按照自動控 制或自動調(diào)節(jié)的方式實現(xiàn)適合的運行。根據(jù)用于測定手持工具在空間上的位置變化的方 法，至少一個角偏差允許以例如可被工具控制裝置接收的方式提供關(guān)于工具方向的信息。 其中，可僅從角偏差的值中或者從已經(jīng)過進一步處理的數(shù)據(jù)值中得出工具的方向相關(guān)的信肩、O
本發(fā)明的另一個核心在于，根據(jù)本發(fā)明的方法獨立于工具的幾何形態(tài)或者可設置 在工具上的傳感器。根據(jù)本發(fā)明的方法是一種間接的測量法，其允許這些傳感器在工具上 的定位具有很高的靈活性。其中，工具的幾何形態(tài)可用于輔助該方法，然而這并不是必需 的，因為最開始已經(jīng)通過基準位置對工具的位置進行校準以確定至少一個第一位置向量。 此外，由于根據(jù)本發(fā)明的方法獨立于工具的幾何形態(tài)或者傳感器在工具上的可能的定位， 其進一步允許使用在具有工具控制裝置的工具上的能夠翻轉(zhuǎn)的方向確定單元來實施該方 法。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的一種尤其優(yōu)選的實施方式，借助至少一個設置在工具 上的傳感器來獲取工具位置的變化，該傳感器可直接或間接地獲取到至少一個角偏差。例 如可借助合適的傾斜傳感器實現(xiàn)直接獲取。例如可借助能夠追蹤工具在作業(yè)過程中的運動 狀態(tài)或加速度狀態(tài)的傳感器來實現(xiàn)間接獲取。在簡單分析傳感器信息后，可以確定至少一 個角偏差，該角偏差可被進一步作為用于工具定向的信息。然而，在作業(yè)過程中必需保持設 置在工具上的至少一個傳感器與該工具相連。其中，該至少一個傳感器可根據(jù)工具的幾何 形態(tài)調(diào)整或者以合適的方式集成在工具中。優(yōu)選該至少一個傳感器被集成在工具的把持區(qū) 域內(nèi)。然而，由于最開始以基準位置對工具位置進行初始校準以確定工具的至少一個第一 位置向量，因此，傳感器的位置對根據(jù)本發(fā)明的方法沒有進一步的影響。但是，利用傳感器 相對于工具幾何形態(tài)的定位或者預先給定該定位，可能更利于確定更準確的工具位置。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，該至少一個角偏差最小為0°，最大為180°。因此，例如在用于實施焊接任務的焊接工具中只需要確定焊接工具相對于重力加 速度場具有怎樣的位置或者方向，因為，可根據(jù)對于重力加速度的方向的相對位置而向待 加工的材料施加較大或較小的焊接能量以進行焊接操作。在這種情況下，知道角偏差相對 于重力加速度的方向在0°至180°的范圍內(nèi)具有怎樣的值就足夠。因此，可進一步簡化待 由工具控制裝置進行處理的信息，以通過工具控制裝置實現(xiàn)更加迅速和有效的監(jiān)測、控制 或調(diào)節(jié)。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種優(yōu)選實施方式，至少一個角偏差的確定還包括 確定該工具相對于位置向量的傾斜位置。除了該至少一個角偏差以外，該傾斜位置提供與 工具相對于位置向量的方向相關(guān)的進一步信息。其中，傾斜位置確定工具相對于該位置向 量的相對旋轉(zhuǎn)并且例如可通過極角和/或方位角被再現(xiàn)。將工具的傾斜位置納入考量，允 許工具相對于待加工工件的精確方向納入考量，并且有時對于較復雜的作業(yè)任務可能更加 有利。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，通過重力加速度的方向確定基準位 置。因此，為了在校準初始工具位置的過程中確定工具的第一位置向量，使工具相對于重力 加速度的方向被初始化為位于預先給定的相對位置中。為了實現(xiàn)初始化，例如將工具的預 先給定軸如焊接工具的焊炬頭移動成垂直位置，由此使其與重力加速度的方向一致。在該 方向中確定的第一位置向量被獲取并存儲起來，并且為所有進一步確定的位置向量提供了 基準向量。當該工具發(fā)生改變時，以相應的時間間隔確定新的位置向量并且與存儲的第一 位置向量進行電子化對比。這種對比能夠?qū)崿F(xiàn)至少一個角偏差的確定，進而得出與工具在 空間上的當前方向相關(guān)的說明。例如，若該至少一個角偏差位于0°至180°之間，作為初 始向量的第一位置向量相對于重力加速度方向的方向等于0°。如為180° ,則第一位置向 量與后續(xù)確定的位置向量則方向為反向，這也大致相當于工具的仰焊位置。在90°的情況 下，該工具則例如維持水平方向。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，借助計算新獲取的位置向量和至少 一個之前的位置向量之間的無向積(scalar product)與絕對積(absolute product)的 商，來進行角偏差的確定。其中，角偏差的確定尤其易于電子化實現(xiàn)。根據(jù)兩個位置向量之 間的無向積與絕對積的商的計算，首先就能確定中間角的余弦，從中通過三角計算可容易 確定中間角本身。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的尤其優(yōu)選的另一個方面，加速度傳感器為靜態(tài)加速度 傳感器，并且借助傳感器的靜態(tài)加速度值計算至少一個角偏差。其中，靜態(tài)的三軸加速度傳 感器已被證明為有利，其允許獲取三個軸上的靜態(tài)重力加速度并且甚至還能另外獲取由運 動變化引起的動態(tài)加速度值。其中，為了確定工具的方向，僅需要靜態(tài)加速度部分。但動態(tài) 加速度部分可被用于進一步的功能。可選的方案是，使用三個單軸加速度傳感器也很有利， 該單軸加速度傳感器以合適的相對方向被固定在工具上。
通過測量范圍、精確度或者分辨率、大小、數(shù)據(jù)傳輸及其價格來確定適用于本發(fā)明 的方法的傳感器的類型。根據(jù)這些傳感器的相應的實施方式，可將測量范圍選定在_2g至 +2g之間(其中，g等于重力加速度的值)。傳感器優(yōu)選為堅固型且?guī)в信鲎哺袘?，并且?外還能應用于較大的溫度范圍。這種溫度范圍例如在_15°C至+100°C之間。這種傳感器的 大小通常決定傳感器的分辨率或精確度，并且可根據(jù)工作任務具有幾毫米至大于I厘米的邊長。此外有模擬傳感器以及數(shù)字傳感器，其優(yōu)選可被用于根據(jù)本發(fā)明的方法。例如可借助電壓信號通過I2C或者SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，這種傳感器甚至還有附加功能，例如自由脫落的識別或者與過濾及信號處理相應的闕值的識別。如果工具不受控地從工人的手中滑落，自由脫落識別例如就能實現(xiàn)相應的安全性功能的實施。那么，例如焊炬在自由脫落的情況中就能自動關(guān)閉。此外，還能夠使用在工具上或者工具帶有的預先給定的振動信號通過工具控制裝置調(diào)節(jié)相應的運行模式。上述附加功能可通過工具控制裝置有選擇性地實現(xiàn)。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，傳感器包括三軸加速度傳感器?？蛇x地也可包括三個單軸加速度傳感器。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一個方面，加速度傳感器可檢測動態(tài)加速度值，其適用于確定工具的至少一個速度分量。動態(tài)加速度值通常被用于附加功能。因此，例如可通過動態(tài)加速度值在時間上的積分計算出相應的速度分量。例如在產(chǎn)生或抵消了橫向加速度時，按照上述方式測定的至少一個速度分量會有所改變，那么，同樣能夠由此確定焊接速度。這種焊接速度可例如取代方向信息或者甚至對其加以補充地被用于調(diào)節(jié)與工具方向相關(guān)的彳目息。
并且，動態(tài)加速度值還可被用來區(qū)分各種運動。例如在使用焊接工具進行焊接時， 區(qū)分向上方向(根據(jù)DIN EN ISO 6947的位置PF)與向下方向(根據(jù)DIN EN ISO 6947的位置PG)的焊接方向就成為重要信息，該信息能夠通過工具控制裝置更好地控制或調(diào)節(jié)工具。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，計算至少一個傳感器相對于重力加速度的值的加速度值。其中，重力加速度值通常是預先給定的。據(jù)此，可更加簡單地確定新確定的位置向量與之前的位置向量之間的至少一個角偏差，其中計算時僅使用相對值。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一個方面，在初始工具位置的校準后連續(xù)地以規(guī)定的時間間隔，即優(yōu)選以至少IOOHz的頻率，特別是至少IOHz的頻率并且優(yōu)選至少IHz的頻率，進行至少一個角偏差的確定。根據(jù)工作方法，可獲取到較快的導致手持工具位置變化的運動變化并且用于計算至少一個角偏差。對于常見的使用手持工具進行的焊接流程而言， IHz的頻率尤其已經(jīng)足夠，因為在連續(xù)的焊接過程中不會給工具位置帶 來任何如此快的位置改變，以致出現(xiàn)需要I秒以下的時間間隔分辨。尤其是當工具尚未運行，然而已到達用于基準位置的校準的初始工具位置時，仍然能以較短的時間間隔進行至少一個角偏差的確定。若工具開始工作運行，至少一個角偏差的確定從時間上看可能進行得較慢。若需要提供例如使工具關(guān)閉的落體檢測，那么，在工作運行的過程中較快地檢測角度位置又可能非常有利。因此，很可能的是，在檢測到落體狀況時，在工具可能碰到地面之前進行工具的關(guān)閉。
根據(jù)用于測定手持工具的位置變化的方法的另一個方面，從至少一個角偏差獲取手持工具的方向的信息，要將傳感器在工具上的位置納入考量。將傳感器在工具上的位置納入考量，就能夠例如確定工具相對于位置向量的旋轉(zhuǎn)，從而能基本明確地確定工具以及待加工件的方向。例如可由此得到或者計算出位置信息或方向信息，這些信息說明工具相對于待加工材料是以哪個角度定向的。因此，例如在焊接流程中就可想到，通過工具相對于材料的迎角確定材料上單位表面面積的能量輸入，由此在數(shù)值不合適的情況下調(diào)節(jié)或跟蹤焊接電流或焊接電壓或通常的焊接參數(shù)。甚至在鉆孔或銑削流程以及在接合流程或噴射 流程中，通過待加工工件以及工具的優(yōu)選的相對方向而對操作結(jié)果的質(zhì)量的影響也是有利 的。在知曉傳感器在工具上的精確位置并且考慮到工具幾何形態(tài)的情況下，所得到的信息 就足以明確地確定工具的位置或方向。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，用于確定至少一個角偏差的之前的 位置向量是預先給定的基準向量，尤其是重力的基準向量。根據(jù)實施方式，始終相對于重力 場的方向來確定至少一個角偏差，由此可確定對于大多數(shù)工作而言已經(jīng)足夠充分的方向信 息。優(yōu)選可使用為此所設的傳感器來確定重力以及重力的方向，從而對于確定至少一個角 偏差的每個時間點而言，均使用相應的重力的值以及相應的方向向量。這種基準向量同樣 可預先被存儲在工具控制裝置中。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，在提供工具的方向相關(guān)的信息后確 定工具的至少一個控制變量，該變量向工具控制裝置傳輸。其中，該至少一個控制變量可在 工具控制裝置本身中或者在工具控制裝置的上游設備中獲取。工具控制裝置可據(jù)此接收相 應的控制或調(diào)節(jié)變量，該變量可直接被轉(zhuǎn)變并且被用于控制或調(diào)節(jié)工具的運行模式。因此 根據(jù)該實施方式的所述方法允許迅速且有效地提供至少一個這樣的控制變量。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，提供的工具的方向相關(guān)的信息和/ 或該至少一個控制變量的值被存儲在數(shù)據(jù)存儲器上。該存儲器允許工人持續(xù)地監(jiān)測作業(yè)過 程，并且也能夠用于工人在有所準備的情況下進行練習與培訓。此外，數(shù)據(jù)存儲還允許監(jiān)控 作業(yè)過程的質(zhì)量保障，并且可用于故障排除或者用于故障分析。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，當工具在空間上完成了預先給定的 且可被確定為預先給定的加速模式的位置改變時，除了提供工具的方向相關(guān)的信息外，還 會提供至少一個控制參數(shù)?？刂茀?shù)可根據(jù)控制變量構(gòu)成用于由工具控制裝置進行進一步 處理的信息。特別的，控制參數(shù)是可不經(jīng)改變地被工具控制裝置接收以便控制與調(diào)整的控 制變量。根據(jù)實施方式，例如，空間上的位置變化是表明不期望的工具控制狀態(tài)的加速度峰 值與加速度階段。例如在工具尤其是焊接工具意外脫落的情況下，會得到加速度階段，該加 速階段表明不期望的工具控制狀態(tài)或者對于工人而言非常危險的工具控制狀態(tài)?？蛇x地， 工具的特定模式例如特定的突然加速并旋轉(zhuǎn)可表示自由脫落。據(jù)此可提供一種相應的信息 或至少一個控制參數(shù)，其被工具控制裝置轉(zhuǎn)變成緊急關(guān)閉。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一個方面，以基準位置校準初始工具位置能夠?qū)崿F(xiàn) 工具的兩個位置向量的確定，該兩個位置向量相互垂直并限定二維的坐標系，并且在工具 改變空間上的實際位置的過程中獲取工具位置的變化也包括在該坐標系的投影中獲取新 確定的位置向量。在初始確定的坐標系的這種投影能夠向使用者表明其工具在操作時向哪 個方向例如偏轉(zhuǎn)或傾斜，或者必須以哪個方向來進行修正以達到期望的工作結(jié)果。在最簡 單的情況中，該限定的二維坐標系為直角坐標系，在其中計算出基準位置的坐標以及工具 的當前位置向量。接著，可通過簡單的三角計算得出工具位置(實際位置)與期望的基準位 置(坐標系的原點)之間的偏差，然后以相應的形式向工人提供該偏差，以便引導工人以特 別有利的方式有選擇性地進行工具的操作。
上述目的可獨立地通過一種尤其是用于實施上述方法的工具和/或工具控制裝 置得以實現(xiàn)，包括用于測量重力加速度在工具的一個或兩個或三個預先給定的軸上的至少一個，尤其是至少兩個，優(yōu)選至少三個分量的至少一個加速度傳感器，其中，傳感器優(yōu)選(固 定地)與工具相連。通過使傳感器(固定地)與工具相連的方式，傳感器參與了工具的旋轉(zhuǎn)或 者傾斜，并且，由此基于由于工具的旋轉(zhuǎn)或傾斜而改變的重力加速度的分量而顯示不同值。 根據(jù)本發(fā)明，從該值的偏差能夠得出與工具的傾斜或旋轉(zhuǎn)相關(guān)的或者工具的位置變化。由 此可以結(jié)構(gòu)上簡單地確定位置變化。
根據(jù)概括的想法(獨立的權(quán)利要求限定的)，提出使用加速度傳感器，其中，將所述 加速度傳感器(固定地)與(所述)工具相連，并且測出重力加速度在所述工具的至少一個 (或者兩個或三個)預先給定軸的方向上的至少一個分量(或者兩個或三個分量)。
根據(jù)如本發(fā)明所述的工具或工具控制裝置的一種尤其優(yōu)選的實施方式，由設置在 工具上的至少一個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過固定導線被傳輸給工具控制裝置或者與該工具 控制裝置共同作用的檢測單元。可選方案是，也可無線地實現(xiàn)該傳輸。在進行無線傳輸?shù)?過程中，例如可借助無線電波實現(xiàn)傳輸，用于傳輸由傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的固定導線與其他 導線一起均被包含在連接工具與工具控制裝置的軟管組件內(nèi)。兩種實施方式都允許在作業(yè) 過程中實現(xiàn)基本無障礙的工具操作。特別地，無線傳感器與和工具控制裝置共同作用的檢 測單元共同作用，對工具與工具控制裝置的翻轉(zhuǎn)有利，使得工具與工具控制裝置可以充分 利用方向或位置確定的優(yōu)勢與靈活性。
根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的另一種實施方式，所述工具為焊接工具。所述工具同 樣也可能是接合工具或是鉆孔或銑削工具或是用于進行涂層操作的工具如噴槍(例如噴射 工具或注射工具)。
根據(jù)如本發(fā)明所述的工具與工具控制裝置的另一種實施方式，設置在工具上的至 少一個傳感器中的至少一個被布置在工具手柄或把手部位上或工具手柄或把手部位中。設 置在手柄或把手部位上，一方面是相對于傳感器可能受到的損壞而言更加安全的設置方 式，另一方面，該設置位置也能夠相對于工人的位置更清晰地限定傳感器位置。此外，設置 在工具的手柄或把手部位上，也已被證明在工作過程中會帶來較少的干擾，因為這樣一來， 一方面工具的平衡以及工具的范圍不會受到使得工人在工作過程中必須要考慮不利因素 的影響。
根據(jù)如本發(fā)明所述的工具與工具控制裝置的另一種實施方式，工具方向的信息和 /或至少一個控制變量的至少一個值被傳輸給工具控制裝置或與該工具控制裝置共同作用 的檢測單元。工具控制裝置據(jù)此能相應地對方向信息或被以適當方式供給的控制變量進行 處理，以便為工具選出合適的運行模式。優(yōu)選由微控制器來提供工具的方向相關(guān)的信息或 者提供至少一個控制變量，該微控制器在信息被供給到工具控制裝置之前對相應的變量進 行計算。
根據(jù)如本發(fā)明所述的工具與工具控制裝置的另一種實施方式，工具控制裝置基于 工具的方向的信息和/或控制變量的至少一個值來決定是否對工具的運行狀態(tài)進行調(diào)整。 其中，下述實施方式被證明為十分有利，根據(jù)這種實施方式，控制變量已經(jīng)是直接由工具控 制裝置處理的控制參數(shù)且可不經(jīng)改變地被接收并讀取以便控制或調(diào)整工具。
本發(fā)明的其他實施方式由從屬權(quán)利要求中得出。


下面參照附圖進一步詳細闡述實施例，由此對本發(fā)明進行說明，其中圖1a表示根據(jù)本發(fā)明的具有工具控制裝置的工具的第一實施方式，該工具處于用于測定工具的第一位置向量的工具位置中；
圖1b表示根據(jù)如圖1a所示的本發(fā)明具有工具控制裝置且改變其位置以便確定后續(xù)位置向量的工具的實施方式；
圖1c為工具的位置變化的圖示，其中，通過如圖1a與圖1b的工具位置說明工具的位置變化；
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的具有工具控制裝置的工具的另一種實施方式；
圖3為工具在空間上的一般位置變化以便確定連續(xù)位置向量之間的至少一個角偏差的圖不;
圖4為在空間上關(guān)于分別對應于工具的不同運行模式的不同區(qū)域的兩個不同的工具位置的圖示；
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的用于確定工具在空間上的完整方向的方法的另一種實施方式；
圖6為用于說明根據(jù)如本發(fā)明所述的方法的一種實施方式的流程圖。
具體實施方式
在后述的說明中，為相同或作用相同的部件使用相同的附圖標記。
圖1a是根據(jù)本發(fā)明的具有工具控制裝置2的工具I的第一實施方式的示意側(cè)視圖。其中，工具I優(yōu)選為焊接工具。然而，工具I的描述同樣也包含了其他各種的適用于該實施方式的工具形式。工具I在空間上首先任意布置，通過示意表示的包含X、y和Z軸的坐標系表示該空間。工具I優(yōu)選以相對于重力加速度場的方向的固定地預先給定的布置方式進行布置，在此以i來表示重力加速度場。其中，即可以相對于沿著工具I的把手的縱向范圍方向定向的軸L2來確定該布置，也可以沿著與軸L2垂直地延伸且沿著相對于工具I 的工具頭的縱向延伸的軸LI來進行確定。為了確定工具I 的位置變化，在把手的末端包含傳感器10，其可無線地與工具控制裝置2中的接收器通信。其中，工具控制裝置2可自身包含能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信的適合的接收器或者可設有另外的接收件或另外的接收單元。
為了在該實施方式中來實施根據(jù)本發(fā)明所述的用于確定手持工具的位置變化的方法，必須首先用基準位置來校準工具的初始位置以確定工具的至少第一位置向量。這一過程如圖1a所示，其中，工具I與重力加速度妄的方向之間為幾何上的簡單關(guān)系。若接著由工人相對于該初始位置移動工具1，如圖1b所示，在工具I的實際位置變化的過程中，傳感器10獲取工具位置在空間上的變化。其中，根據(jù)該實施方式，通過獲取在工具的預先給定軸(例如由LI和/或L2定義的軸)中的靜態(tài)加速度分量來進行這種獲取。傳感器10優(yōu)選為三維加速度傳感器，其也能夠獲取靜態(tài)加速度分量。從傳感器10測定的靜態(tài)加速度部分，新確定的位置向量的關(guān)于之前的位置向量的角偏差被確定。根據(jù)該實施方式，之前的位置向量為第一位置向量，如圖1a所示。根據(jù)該實施方式，第一位置向量甚至可與靜態(tài)重力加速度蒼的向量相同。
通過確定新確定的位置向量相比之前的位置向量的至少一個角偏差(在此確切地說，是一個角偏差)α，獲取在工具I的實際位置變化的過程的工具位置的變化。圖1c示意地表示確定至少一個角偏差α的步驟。其中，沿著工具I的把手的縱向范圍方向延伸的縱軸L2，與垂直于重力加速度晝的方向進行校準。該校準能夠確定在此并未示出但沿X方向延伸的至少第一位置向量。在工具位置完成變化后，確定另一個位置向量(在此同樣未示出)，從而可確定第一位置向量與第二位置向量之間的角偏差α。該角偏差α能夠提供相應的關(guān)于工具的方向相關(guān)的信息，工具控制裝置由此能夠在獲得該信息后調(diào)節(jié)工具I相應的運行模式。其中，運行模式的選擇取決于工作任務。
其中要注意是，角偏差α可以通過在初始以重力加速度f的向量的方向或位置來校準的工具位置來確定確定。據(jù)此，可以進行與如圖1a所示的沿著工具I的工具頭的軸LI 的校準。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有工具控制裝置2的工具I的另一種實施方式，該實施方式與如圖1a和圖1b所示的實施方式之間的不同僅僅在于傳感器10與工具控制裝置2 之間并非無線地而是通過固定導線11相連。其中，固定導線11可連同其他供給和排出線一起被包含在工具I與工具控制裝置2之間的纜線組件中。也可能的是，從傳感器10向工具控制裝置傳輸傳感器數(shù)據(jù)，并不直接由傳感器10進行，而是通過在此并未示出且布置在工具控制裝置2的上游的檢測單元實現(xiàn)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法的一種實施方式的示意性例示，再次表示用于確定空間上的角偏差的具體位置向量。其中，工具I首先從由位置向量為表示的位置移入由位置向量足表示的第二位置。在這種情況下，可任意進行空間中的位置改變。從兩個位置向量為與Λ的角偏差確定角偏差α的值，該角偏差的值被提供用于獲取關(guān)于工具I的方向的信息。其中，位置向量名可以是工具I的第一位置向量，該第一位置向量在以基準位置校準工具的初始位置時實質(zhì)上被確定，然而也可以是此后的位置向量。尤其優(yōu)選的是關(guān)于重力加速度f的方向確定位置向量4為此，優(yōu)選將工具I移入相對于重力加 速度向量f的方向固定地限定的位置中，使得二者之間的相互關(guān)系固定。優(yōu)選位置向量為平行于重力加速度場蒼的向量延伸。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明所述的用于確定手持工具在空間上的位置變化的方法的另一種實施方式。其中，工具I又從由位置向量為表示的初始位置移入之后的由位置向量又表示的位置中。確定兩個位置向量之間的角偏差α。根據(jù)該實施方式，從確定的角偏差 α獲取關(guān)于工具的方向的信息，并且能夠區(qū)分工具是否布置在區(qū)域I內(nèi)或是布置在區(qū)域2 內(nèi)。兩個區(qū)域分別與工具I的運行模式相關(guān)聯(lián)，因此，當工具位置從區(qū)域I移動而進入?yún)^(qū)域 2時，實現(xiàn)運行模式的變化。其中也要注意的是，兩個區(qū)域I和2僅僅是通過工具I的角度位置而在空間上相互區(qū)別。特別地，兩個區(qū)域并不是指其需要通過三個空間方向的坐標系進行描述的區(qū)域。在這種情況下，區(qū)域I以其尖部與坐標系的原點一致的截錐體示出。因此，工具以角α的任意空間方向從位置向量為所示的初始位置移動，使用計算出的角偏差 α可確定工具I是否由區(qū)域I移入?yún)^(qū)域2。在完成轉(zhuǎn)變后，通過未示出的工具控制裝置2 可啟動運行模式的變化。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明所述的用于確定手持工具的位置變化的方法的另一種實施方式，該實施方式確定共三個角偏差α1、α 2和α 3以便確定工具I在空間上的精確位置或精確方向。其中，角偏差ct I對應于方位角。角偏差α 2對應于極角。由位置向量J1 與之后的位置向量又H勺相應的二角關(guān)系確定這兩個角。其中，角偏差<11表不向1、2平面投射的且從位置向量Λ向x、z平面的投影確定的向量的角偏差。為了進一步說明工具I 相對于位置向量為的相對旋轉(zhuǎn)或相對方向，還要確定用于獲取圍繞工具I的把手的縱向范圍方向的旋轉(zhuǎn)的另一角偏差α 3。通過獲取這三個角偏差α1、α 2和α 3，能夠更廣泛而更精確地確定工具頭的空間位置，以進行較難的作業(yè)任務或者較復雜的幾何形態(tài)。
在這里要注意的是，使用兩個或多個角度無論是對于用于用基準位置來校準初始的工具位置的初始化而言，還是對于確定之后的工具方向而言，都可能十分重要。例如甚至可通過多個位置向量進行初始化，以便由此能夠更加完整地描述工具在空間上的位置。例如，對于工具I的水平方向而言，還可提供額外的關(guān)于下述方面的方向信息，即工具是否并且以哪個角度被布置在工件左側(cè)或右側(cè)的位置上?；旧?，還能使用任意數(shù)量的工具I 的位置向量以便初始化，然后可根據(jù)需要在特定的時間計算其空間位置。然而，由于經(jīng)過了初始化，通常就不必需要以精確的幾何方式說明或測量工具。
圖6是用于示出根據(jù)本發(fā)明的用于確定手持工具的位置變化的方法的一種實施方式的流程圖。其中，首先需要校準初始的工具位置以便確定位置向量I。在校準完成后， 工人在工作過程中適當?shù)卣{(diào)整工具的 空間位置，可通過之后的新的位置向量獲取工具位置的改變。通過位置向量與新確定的位置向量之間的角偏差，能夠得出以下結(jié)論，即工具I 相對于基準位置發(fā)生了怎樣的改變。根據(jù)該實施方式，提供角偏差作為工具方向的信息。在一種可選的實施方式中，可相應地對角偏差進行處理，以便獲取工具方向的信息。
在這里將要注意的是，上述所有部分，尤其是如圖中所示的細節(jié)部分，無論是以其單獨的形式，還是以其各種組合的形式，均要求作為本發(fā)明的重要組成部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員對其進行修改是常見的。
附圖標記
I 工具
2工具控制裝置
10傳感器
11固定導線
權(quán)利要求
1.一種用于確定手持工具(I)在空間上的位置變化的方法，其具有以下步驟 以基準位置來校準初始工具位置以確定所述工具的至少一個第一位置向量，所述第一位置向量的至少一個分量通過測量重力加速度在所述工具(I)的預先給定的軸的方向上的分量來確定； 在所述工具(I)在空間上的實際位置變化的過程中，通過確定新確定的第二位置向量與至少一個之前的位置向量之間的至少一個角偏差，獲取所述工具位置的變化，其中，在所述位置變化之后，通過測量重力加速度在所述工具的所述預先給定軸的方向上的分量，來確定所述第二位置向量的至少一個分量； 提供與所述工具(I)的方向相關(guān)的信息，該信息根據(jù)所述至少一個角偏差確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述獲取所述工具位置的變化借助設置在所述工具上且直接或間接地獲取所述至少一個角偏差的至少一個加速度傳感器(10)來實現(xiàn)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述至少一個角偏差最小為0° ,最大為180°。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述確定至少一個角偏差包括確定所述工具(I)相對于位置向量的傾斜位置。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 為了獲取所述工具位置的變化，通過測量重力加速度在所述工具的兩個或三個預先給定軸的方向上的兩個或三個分量，來確定所述第一位置向量或所述第二位置向量的兩個或三個分量。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述確定所述角偏差通過計算新確定的位置向量與至少一個之前的位置向量之間的無向積和絕對積的商來實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述傳感器為靜態(tài)加速度傳感器，并且借助所述加速度傳感器的靜態(tài)加速度值來計算所述至少一個角偏差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法， 其特征在于， 所述傳感器(10)包括一個三軸加速度傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法， 其特征在于， 所述傳感器(10)包括三個單軸加速度傳感器。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于， 至少一個傳感器(10)的加速度值以相對于重力加速度值進行計算。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 考慮所述傳感器(10)在所述工具(I)上的位置，從所述至少一個角偏差獲取所述工具的方向相關(guān)的信息。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 用于確定至少一個角偏差的所述之前的位置向量是預先給定的基準向量，尤其是重力的向量。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述以基準位置校準初始工具位置，允許確定所述工具(I)的兩個位置向量，該兩個位置向量相互垂直并且限定二維的坐標系，并且 在所述工具(I)在空間上的實際位置的過程中，所述獲取所述工具位置的變化，也包括在所述坐標系的投影中獲取新確定的位置向量。
14.一種工具和/或工具控制裝置，尤其是用于實施根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括 至少一個加速度傳感器，用于測量重力加速度在所述工具的一個或兩個或三個預先給定軸上的至少一個，尤其是至少兩個，優(yōu)選至少三個分量，其中，所述傳感器優(yōu)選(固定地)與所述工具相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的工具和/或工具控制裝置，其特征在于， 所述工具(I)為焊接工具或接合工具或鉆孔工具或銑削工具或用于進行涂層操作的工具，例如噴槍。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的工具和/或工具控制裝置，其特征在于，設置在所述工具(I)上的所述至少一個傳感器(10 )設置在所述工具(I)的手柄或把手部分上或設置在所述工具(I)的手柄或把手部分中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定手持工具(1)在空間上的位置變化的方法，其具有以下步驟以基準位置來校準初始工具位置以確定所述工具的至少一個第一位置向量，所述第一位置向量的至少一個分量通過測量重力加速度在所述工具(1)的預先給定的軸的方向上的分量來確定；在所述工具(1)在空間上的實際位置變化的過程中，通過確定新確定的第二位置向量與至少一個之前的位置向量之間的至少一個角偏差，獲取所述工具位置的變化，其中，在所述位置變化之后，通過測量重力加速度在所述工具的所述預先給定軸的方向上的分量，來確定所述第二位置向量的至少一個分量；提供與所述工具(1)的方向相關(guān)的信息，該信息根據(jù)所述至少一個角偏差確定。
文檔編號B25F5/00GK103009353SQ20121035375
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者馬庫塞·德林, 諾門·富克斯 申請人:第三專利投資有限兩合公司