具有基于接近度的热剖析的电动工具及其方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201380049963.4 | 申请日 | 2013-09-27 | 公开(公告)号 | CN104661792B | 公开(公告)日 | 2017-09-15 |
| 申请人 | 罗伯特·博世工具公司; 罗伯特·博世有限公司; | 发明人 | N·S·克里希那拉奥; B·M·拉瓦斯瓦米; | ||||
| 摘要 | 一种电动工具包括使器具移动的 致动器 、红外 传感器 以及距离传感器。所述电动工具中的 控制器 接收与接近所述器具的区域中的对象相对应的 温度 数据和距离数据。如果对象具有在预定范围内的温度并且被识别为在所述移动器具的预定最小距离内，则所述控制器停用所述致动器以停止所述器具。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电动工具，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 具有基于接近度的热剖析的电动工具及其方法技术领域[0001] 本公开大体涉及电动工具，并且更具体地涉及用于对人与电动工具中的移动器具之间的接近度进行检测的系统和方法。 背景技术[0002] 检测或感测系统已经被开发用于与各种类型的制造装备和电动工具一起使用。这样的检测系统可操作地通过对操作者的特定附肢与装备的特定部分的接触进行检测或感测来触发反应设备。例如，本领域中已知的台锯中的电容式接触感测系统对操作者与刀片之间的接触进行检测，并且诸如制动器或刀片撤回设备的反应设备停止刀片的运动或者将刀片从与人的接触移开。 [0003] 现有检测系统一般被配置为在停止刀片的运动之前对诸如锯片的电动工具的移动部分与人体的附肢或其他部分之间的接触进行识别。现有系统对与人的附肢的直接接触进行检测，或者通过在不超过几毫米的距离处进行电容式耦合来对到人的附肢的极端接近度进行检测。考虑到最小检测距离，现有系统通常要求在诸如1毫秒内的非常短的时间段内停止移动锯片或其他器具的高精度机构。鉴于这些缺陷，使得能够在不要求附肢与器具之间的直接接触的情况下对人的附肢与电动工具中的移动器具之间的潜在接触进行识别的对检测系统的改进将是有益的。发明内容 [0004] 在一个实施例中，已经开发了一种电动工具。所述电动工具包括：致动器，其被配置为使器具移动；红外传感器，其被配置为生成与接近所述器具的区域相对应的温度数据，在所述区域中，多个对象靠近所述器具；距离传感器，其被定位在距所述器具的预定距离处并且被配置为生成与接近所述器具的所述区域中的所述多个对象相对应的距离数据；以及控制器，其可操作地连接到所述红外传感器、所述距离传感器以及所述致动器。所述控制器被配置为：操作所述致动器以使所述器具移动；参考从所述红外传感器接收的所述温度数据来对在接近所述器具的所述区域中具有在预定温度范围内的温度的对象的存在进行识别；参考从所述距离传感器接收的所述距离数据来对所述器具与具有在所述预定温度范围内的所述温度的所述对象之间的距离进行识别；并且响应于所述器具与具有所述预定温度范围的所述温度的所述对象之间的所识别的距离小于预定阈值而停止对所述器具的移动。 [0005] 在另一实施例中，已经开发了一种操作电动工具的方法。所述方法包括：操作致动器以使与所述电动工具相关联的器具移动；参考从红外传感器接收的温度数据来对在接近所述器具的区域中具有在预定温度范围内的温度的对象的存在进行识别；参考从距离传感器接收的距离数据来对具有在所述预定温度范围内的所述温度的所述对象与所述器具之间的距离进行识别；并且响应于所述器具与具有在所述预定温度范围内的所述温度的所述对象之间的所识别的距离小于预定阈值而停止对所述器具的移动。附图说明 [0006] 图1是台锯的透视图，所述台锯被配置为对靠近锯中的锯片的对象进行识别并且在台锯与人之间的接触之前停用驱动台锯的电机； [0007] 图2是图1的台锯的平面图； [0008] 图3是用于当人体的一部分也在与电动工具相关联的移动器具的预定距离内时停止电动工具中的器具的运动的过程的流程图； [0009] 图4是用于当人体的一部分以大于预定速率向器具移动时停止电动工具中的器具的运动的过程的流程图；并且 [0010] 图5是用于当人体的一部分在到距器具的最小预定距离的估计到达时间小于预定阈值的情况下向器具移动时停止电动工具中的器具的运动的过程的流程图。 具体实施方式[0011] 出于促进对本文描述的实施例的原理的理解的目的，现在对附图和下面撰写的说明书中的描述进行参考。这些参考不旨在对主题的范围进行限制。本专利还包含对图示的实施例的任何更改和修改以及如对本文档所属领域的技术人员将通常进行的对描述的实施例的原理的另外的应用。 [0012] 如本文所使用的，术语“电动工具”指的是具有由致动器移动的一个或多个移动部分的任何工具，致动器例如电机、内燃机、液压缸或气压缸等。例如，电动工具包括但不限于：斜面锯、斜切锯、台锯、圆锯、往复锯、机动锯、带锯、冷锯、切割机、冲击驱动、角磨机、钻孔机、接合器、打钉驱动器、磨砂机、修剪器和刨槽机。如本文所使用的，术语“器具”指的是在电动工具的操作期间至少部分地被暴露的电动工具的移动部分。电动工具中的器具的范例包括但不限于，旋转且往复的锯片、钻头、铣刀、磨盘、磨轮等。如下文所描述的，与电动工具集成的监测系统被用于停止对器具的移动以避免在器具正在移动的同时人类操作者与器具之间的接触。 [0013] 图1描绘了台锯100。台锯100包括台104，通过台104，锯片108延伸以切割诸如木材片的工件。台锯100还包括电机112、锯尾刀116、红外传感器120、距离测定传感器124、刀片制动器132以及控制器140。台104、刀片108以及电机112的一般配置是本领域众所周知用于在切割工件中使用的，并且在本文中不再更详细地进行描述。额外地，类似于锯尾刀116的锯尾刀对于本领域是已知的，但是现有锯尾刀不包含诸如红外传感器120和距离测定传感器124的传感器。为简洁起见，从图1省略了在台锯中常用的一些部件，例如用于工件的引导、刀片高度调节机构以及刀片护罩。 [0014] 在锯100中，红外传感器120和距离测定传感器124两者都被安装到锯片108上面的锯尾刀116。红外传感器120例如是生成在从锯尾刀116延伸的区域150中的对象的图像数据的热成像设备。区域150在形状上近似是圆锥形的，并且沿着台104上的锯片108的长度延伸。距离测定传感器124是生成与距离测定器124与区域150中的一个或多个对象之间的距离相对应的数据的激光距离测定器或其他距离测定设备。在锯100中，锯尾刀116被定位在距锯片108的预定距离处，并且锯尾刀116当在操作期间调节锯片108时随锯片108而移动。因此，距离测定传感器124在对锯的操作期间被定位在距锯片108的预定距离处。 [0015] 控制器140可操作地连接到电机112、红外传感器120、距离测定传感器124以及制动器132。控制器140包括一个或多个数字逻辑设备，包括通用中央处理单元(CPU)、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和适合于对锯100的操作的任何其他数字逻辑设备。控制器140包括存储器142，存储器142存储用于对控制器140的操作的编程指令，并且任选地存储从红外传感器120和距离测定传感器124接收的数据。在一个配置中，存储器142存储针对区域150中的一个或多个对象的温度数据和距离数据以在一段时间内跟踪对象的移动的方向和移动的速率。 [0016] 在操作期间，控制器140从红外传感器120接收与区域150中的一个或多个对象的温度相对应的数据，并且控制器140从距离测定传感器124接收与距离测定传感器124与区域150中的一个或多个对象之间的距离相对应的数据。控制器140还参考距离测定传感器124与对象之间的距离以及距离测定传感器124与刀片108之间的预定距离两者来对对象与锯片108之间的距离进行识别。如下文更详细描述的，如果从红外传感器120和距离测定传感器124接收的数据指示人类操作者的附肢或其他部分在锯片108的预定距离内或如果人类操作者的运动指示可能与锯片108接触，则控制器140停用电机112并且操作制动器132。 [0017] 在操作期间，电机112使锯片108旋转，如在图1中所指示的。操作者将诸如木材片160的一个或多个工件向旋转刀片108移动以进行切割。人类操作者通常利用附肢诸如在图 1中描绘的手指164或一只或多只手来推动工件。红外传感器120生成与木材工件160和手指 164两者相对应的温度数据。距离测定传感器124生成与工件160的前沿162或手指164的尖端166相对应的距离数据。控制器140基于木材块160与手指164的不同温度来在块160与手指164之间进行区分。如果手指164保持超过距刀片108的预定距离并且如果手指164靠近刀片108的速率保持得足够低，则电机112在工件160接触刀片108以进行切割时继续使刀片 108旋转。 [0018] 图2描绘了台锯100的简化顶视图。在图2中，锯尾刀116将红外传感器120和距离测定传感器124支撑在延伸通过锯片108和锯尾刀116的长度的纵轴的相对侧上。红外传感器120和距离测定传感器124每个分别对在分别沿着轴208和212延伸的单独的圆锥形区域中的对象的温度和距离进行检测，轴208和212平行于通过刀片108的长度的纵轴204。区域150包括重叠检测区域，在重叠检测区域中，红外传感器120和距离测定传感器124两者都对台 104上和上面的对象进行检测。在图2中，锯片108在区域150的外部。因为锯片108的温度在台锯100的操作期间快速变化，能够将噪声引入到从传感器120和124接收的数据，所以传感器120和124被布置为生成对象靠近刀片108的区域150的数据。在图2的实施例中，锯尾刀 116被形成为“T”形状以将传感器120和124放置在传感器两者都不对锯片108进行检测的位置处。 [0019] 虽然图1和图2将台锯描绘为电动工具的说明性范例，但是备选实施例将红外传感器120和距离测定传感器124包含在各种电动工具中，各种电动工具包括但不限于，手持式电钻、钻床、手持式圆锯、往复锯、带锯、刨槽机、研磨机以及具有移动器具的任何其他电动工具。在备选实施例中，一个或多个红外传感器和距离测定传感器被安装在各种电动工具的外壳或支架上以使得能够监测接近器具的区域，在所述区域中，人的手或其他部分在操作期间可以靠近器具。 [0020] 图3描绘了用于在人在移动器具的预定距离内时停止对电动工具中的器具的移动的过程300。出于说明性目的，将图3联合图1和图2的锯100进行描述。在下文讨论中，对执行功能或动作的过程300的引用指的是诸如控制器140的一个或多个处理器运行在存储器中存储的编程指令来执行所述功能或动作。 [0021] 过程300以电动工具操作致动器以使器具移动作为开始(框304)。在锯100中，电机112是致动器并且锯片108是器具。启用电机来使锯片108旋转以切割诸如木材块160的工件。过程300以红外传感器在接近器具的区域中对对象进行检测作为继续(框308)。在锯100中，红外传感器120在区域150中对诸如工件160和手指164的一个或多个对象进行感测。在锯100中，红外传感器120生成与对象160和164的相片类似的图像数据像素的二维布置。图像数据中的每个像素包括与在特定位置处的对象的温度相对应的温度测量数据。例如，图像数据包括与木材块160的温度相对应的像素的区域，木材块160的温度通常与锯100周围的工作环境的周围温度类似。与手指164相对应的像素在人体温度的范围周围。因为人是温血的，所以手指164的温度保持在各种环境条件上的相对窄的温度范围内。例如，在锯100中，相对窄的温度范围大约是35℃至40℃以说明不同个体的正常体温之间的变化并说明诸如其中人类不呈现标准体温的疾病的情况。以上描述的温度范围还包括许多温血动物的体温，许多温血动物包括许多家养动物，例如宠物。 [0022] 在框308的处理期间，控制器140对来自从红外传感器120接收的温度图像数据中的像素的一个或多个单独的对象进行识别。控制器140应用诸如边缘检测和聚类的一个或多个图像处理算法来区分图像数据中的对象。例如，控制器140参考在工件160中识别的与手指164的不同温度范围相比较的温度的范围来对工件160是与手指164分离的对象进行识别，手指164的不同温度范围在大约35℃至40℃的预定温度范围内。 [0023] 在过程300期间，如果仅控制器140在从红外传感器120接收的数据中识别的对象与在预定温度范围外的对象相对应(框312)，则电动工具继续利用致动器以使器具移动的操作(框316)。在锯100中，电机112继续使锯片108转动，并且控制器140继续监测从红外传感器120接收的温度图像数据(框308)。 [0024] 在过程300期间，如果控制器140在区域150中识别到在预定温度范围内的一个或多个对象(框312)，则控制器140使用从距离测定传感器124接收的数据来对对象与移动器具之间的距离进行识别(框320)。在锯100中，距离测定传感器124生成区域150的图像数据像素的另一二维布置，其中，图像数据中的每个像素包括与区域150中的对象与距离测定传感器124之间的距离相对应的数据。来自距离测定传感器124的图像数据被称为区域150的“深度图”。控制器140参考来自红外传感器120的温度数据和来自距离测定传感器124的对应的深度图数据来对诸如工件160和手指164的一个或多个对象距移动锯片108的距离进行识别。如以上所描述的，距离测定传感器124被定位在距锯片108预定距离处，并且控制器140还修改从距离测定传感器124接收的深度图中的距离数据来对对象与锯片108之间的实际距离进行识别。 [0025] 在过程300期间，如果深度图数据指示具有在预定温度范围内的温度的对象没有在距器具的预定最小距离内(框324)，则电动工具随着对象靠近器具而继续对移动器具进行操作(框328)。例如，在图1中，控制器140将手指164识别为在与人体的一部分相对应的温度范围内。控制器140还对手指164距锯片108的距离进行识别。电机112当手指保持超过距刀片108的预定距离时继续使锯片108旋转。例如，在一个配置中，当诸如手指尖端166的手指164最接近刀片108的一部分保持距刀片108至少2厘米远时，刀片108继续旋转。在过程300期间，距离测定传感器124和控制器继续监测区域150中的对象与锯片之间的距离(框 320)。 [0026] 如果具有在预定范围内的温度的对象在距器具的预定最小距离内移动(框324)，则电动工具停用致动器并且任选地使制动器或其他机构停止对器具的移动(框332)。在锯100中，诸如手指164的在预定温度范围内的对象在旋转锯片108的预定最小距离内移动，则控制器140停用电机112并且使制动器132停止锯片108。在另一台锯实施例中，控制器140还操作将锯片108撤回到台104的表面以下的收回机构。 [0027] 在台锯100中，锯片108一般由于锯片108在操作期间累积的动量而继续旋转几秒的时间段。制动器132使得锯片108能够在短得多的时间段内停止。在其他电动工具实施例中，移动器具在不要求额外的制动器机构的情况下在停用致动器之后的短时间段内停止。 [0028] 在一个实施例中，制动器132是应用到锯片108的侧面以阻止锯片108的运动的摩擦制动器。对人体的一部分与台锯中的刀片之间的接触进行检测的一些现有系统包括爆炸包和机械止动器，爆炸包和机械止动器被迫使进入锯片108的齿中以在非常短的时间段，通常大约1毫秒内停止锯片108。需要这样的制动器系统，因为现有系统对实际的人与刀片的接触进行检测，并且刀片必须在非常短的时间内停止以避免与人的额外接触。爆炸系统通常损坏锯片并且有意地使锯中的制动器构件变形以便在短时间段内吸收锯片的机械能量。尽管爆炸制动器系统能够被包含在锯100的备选实施例中，但是过程300使得控制器140能够对人体的一部分何时在距移动刀片108的预定最小距离内移动进行识别。因此，摩擦制动器132能够被用于在刀片108接触手指164之前阻止刀片108的运动，同时减少或消除对锯 100内的部件的损坏。 [0029] 在过程300中，电动工具响应于人体的一部分在器具的预定距离内移动而停用使器具移动的致动器。图4和图5分别描绘了过程400和500，在过程400和500中，电动工具响应于检测到人体的一部分以指示器具接触人体的高可能性的方式的运动来停用致动器。锯100被配置为在操作期间执行过程300、400和500中的一个或多个。 [0030] 图4描绘了用于响应于识别到人体的一部分正以大于预定速率向器具移动而停止对电动工具中的器具的移动的过程400。出于说明性的目的，将图4联合图1和图2的锯100进行描述。在下文讨论中，对执行功能或动作的过程400的引用指的是诸如控制器140的一个或多个处理器运行在存储器中存储的编程指令来执行所述功能或动作。 [0031] 过程400当电动工具操作致动器以使器具移动时开始(框404)，并且电动工具利用红外传感器在接近器具的区域中对对象进行识别(框408)。电动工具中的控制器对从红外传感器接收的数据是否包括具有在与人的一部分相对应的预定温度范围内的温度的对象进行识别(框412)，并且当没有识别到预定温度范围内的对象时，致动器继续使器具移动(框416)。分别以与以上在过程300中参考框304-316所描述的处理相同的方式来执行参考框404-416所描述的处理。 [0032] 如果识别到在人体的一部分的预定温度范围内的对象(框412)，则控制器在一段时间内跟踪对象与电动工具中的器具之间的运动以对对象相对于器具的速度进行识别(框420)。例如，在台锯100中，控制器140以例如60或120帧每秒的速率来接收来自传感器124的深度图数据的一系列帧。控制器140在深度数据的每帧中对对象相对于锯片108的位置进行识别，并且将对象的速度识别为对象与器具之间的距离在从距离测定传感器124接收的深度图数据的连续帧上的变化的速率。对象的速度包括对象的移动的方向和对象的移动的速率。 [0033] 在对对象的速度进行识别之后，如果对象不靠近器具或者以小于预定速度靠近器具(框424)，则致动器继续使器具移动(框428)。在锯100中，电机继续使刀片108旋转。控制器140继续使用从距离测定传感器124接收的数据来跟踪对象的运动和速度(框416)。 [0034] 如果对象正以大于预定速度靠近器具(框420)，则控制器操作电动工具以停用致动器并且任选地使制动器或其他机构停止对器具的移动(框432)。控制器操作电动工具以利用与以上参考图3中的框332所描述的处理类似的处理来停用致动器并且使制动器或其他机构阻止对器具的移动。 [0035] 在过程400中，控制器操作电动工具以在人体的附肢或其他部分以大于预定速率靠近器具时停止对器具的移动。例如，在图1的配置中，如果手指164在区域150中以大于15厘米每秒的速率靠近锯片108，则控制器140停用电机112并且应用制动器132来阻止对刀片108的移动。如果人类操作者上的手指164或其他附肢在向刀片108移动的同时无意地滑动，则锯100在手指164到达刀片之前停止刀片108。过程400在不考虑手指164与刀片108之间的绝对距离的情况下操作，只要使用从红外传感器120和距离测定传感器124接收的数据在区域150中识别到手指164。 [0036] 图5描绘了在响应于接近器具的区域中的人的附肢或人的其他部分的运动而停止对电动工具中的器具的移动的电动工具中实施的另一过程500。出于说明性的目的，将图5联合图1和图2的锯100进行描述。在下文讨论中，对执行功能或动作的过程500的引用指的是诸如控制器140的一个或多个处理器运行在存储器中存储的编程指令以操作电动工具的一个或多个部件来执行所述功能或动作。 [0037] 过程500当电动工具操作致动器以使器具移动时开始(框504)，并且电动工具利用红外传感器在接近器具的区域中对对象进行识别(框508)。电动工具中的控制器对从红外传感器接收的数据是否包括具有与人的一部分相对应的预定温度范围内的温度的对象进行识别(框512)，并且当没有识别到预定温度范围内的对象时，致动器继续使器具移动(框516)。如果识别到在人体的一部分的预定温度范围内的对象(框512)，则电动工具在一段时间内跟踪对象与电动工具中的器具之间的运动以对对象相对于器具的速度进行识别(框 520)。分别以与以上在过程400中参考框404-420所描述的处理相同的方式来执行参考框 504-520所描述的处理。 [0038] 过程500以电动工具对对象是否正在靠近器具以及使用针对对象的所识别的速度的对象在器具的预定距离内的预计到达时间进行识别作为继续(框524)。在工具100中，控制器140使用从距离测定传感器124接收的最新深度图数据来对诸如手指164的对象的当前位置进行识别。如果手指164正在向刀片108移动，则控制器对手指164接触刀片108或者使用手指164的所识别的位置和速度移动在刀片的预定距离内的估计时间进行识别。如果手指164正在移动远离锯片108或者正以大于预定时间阈值的预计到达时间向锯片108移动，则电机112继续使锯片旋转(框528)，并且控制器140继续跟踪手指164的位置和速度(框520)。 [0039] 如果对象正在向锯片108移动并且具有小于预定时间阈值的预计到达时间(框524)，则电动工具停用致动器并且任选地使制动器或其他机构停止对器具的移动(框520)。 电动工具利用与以上参考图4中的框432描述的处理类似的处理来停用致动器并且使制动器或其他机构阻止器具的移动。在一个实施例中，与框524中所述的处理相关联使用的预定时间阈值与停止对诸如锯100中的锯片108的器具的运动所需的时间量相对应。 [0040] 过程500与过程400类似，因为这两个过程都对接近诸如锯片108的移动器具的区域中的诸如手指164的人体附肢或人体的其他部分的速度进行识别。尽管在过程500中锯100参考识别的速度来停止锯片108，但是在过程500中锯100参考使用手指164的所识别的速度和当前位置两者的手指164将在刀片108的预定距离内的预计时间来停止锯片108。所以，例如，如果手指164在32cm的距离处正以10cm/秒的速率来靠近锯片108，则到达距锯片 2cm的距离的预计到达时间是3秒。如果用于停用电机112并且停止刀片108的预定时间阈值是0.5秒，则控制器140使得电机112能够继续使刀片108旋转。然而，如果手指164在6cm的距离处正以10cm/秒的速率向刀片108移动，则到达2cm的预定距离的预计时间是0.5秒，并且控制器140停用电机112并且应用制动器132来阻止刀片108的运动。 [0041] 将认识到，以上描述的和其他特征和功能或其备选的变体可以以期望的方式组合到许多其他不同的系统、应用或方法中。本领域的技术人员随后可以做出也旨在由权利要求书包含的各种当前未预见到或未预料到的备选、修改、变型或改进。 |
||||||
