便携工具中的安全系统 |
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| 申请号 | CN201180050094.8 | 申请日 | 2011-08-19 | 公开(公告)号 | CN103168192B | 公开(公告)日 | 2016-01-20 |
| 申请人 | 红帽子技术有限公司; | 发明人 | 保罗·卡佩拉里; 米歇尔·诺尔贾; 切萨雷·斯韦尔托; | ||||
| 摘要 | 便携式工具(1)中的安全系统，包括一对与测量评估单元相连的 电极 ，所述测量评估单元是设有 接地连接 器和感测电极的集成 电路 接触 式 传感器 装置，其中接地连接器构造为与一个电极相连的内部浮动地，所述测量评估单元构造用于采集在两个电极之间测量的相对于所述基准值变化预设 阈值 的基准电容值，安全 信号 被发送到工具去激励 致动器 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.设有握持操纵体和移动切割部分的便携工具中的安全系统，包括一对电极：分别地布置在所述操纵体下游的所述切割部分上和至少部分地在所述操纵体上的远端电极和近端电极，两个所述电极连接到安装在所述操纵体上的测量评估单元，其特征在于，所述测量评估单元包括设有接地连接器和感测电极的集成电路接触式传感器装置，其中所述接地连接器构造为与所述近端电极或所述远端电极相连的内部浮动地，并且所述感测电极与所述远端电极或者所述近端电极一致，并且在于 |
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| 说明书全文 | 便携工具中的安全系统技术领域背景技术[0002] 如已知的，存在包括有移动切割部分并且将使用者暴露于高的受伤风险中的便携施工设备，诸如链锯等等。事实上，虽然较易于将防护罩和/或防故障保护元件布置在固定设备和机床上以避免与运动部件的任何偶然接触，但这对于便携设备是不可行的。 [0003] 已经提出了用于链锯和类似工具的安全布置，具体地专用于解决与这种装置的使用相关的安全问题。具体地，已经提出了两种不同的方案，一种方案是基于机械无源系统，而另一方案是基于远程检测系统。在两种情况中，都意图于快速地检测到操作者四肢与运动部件(诸如，链锯的切削链)之间过于接近的状态，以及时停止工具的操作并由此限制因可能的直接接触引起的损伤。 [0005] 在该公开中，建议使用射频传输系统来检测操作者相对于链锯刀片的相对位置。采用射频的接收-发射系统的工作类似于聚光器(condenser)系统，其获取与两个电极之间的距离成比例的信号，一个电极插入在操作者防护衣的物品中，而另一个插入在链锯刀片部分中。 [0006] 在其它现有技术公开中，诸如US-A-5942975，公开了使用电容性系统检测两个电极之间的电容差用于确定该两个电极的相对距离。 [0007] 然而，这些被熟知的系统一般要求使用适当的服装，其中插入有电路和有源电子设备，该电路和有源电子设备构成系统的两个电容板之一。而且，它们并不具有最佳操作，因为安全信号的发出受到环境条件(例如，空气湿度、操作者的质量(mass)和衣服及其它)的影响。 [0008] WO9712174公开了其中应用于切削工具的安全系统的另一示例。在本示例中，通过读取发送信号的绝对值检测接收器和发射器(可能与操作者身体成为一体)之间的距离。这意味着针对具体条件的灵敏度和适应性的问题，以致于使得提出接地布置，以不会触发不期望的工具去激励(deactivation)。这样的系统已经证明是笨重的且在适于以高度可变状态操作的便携切削工具领域中具有拙劣的应用。 [0009] US2010180740公开了设有校准单元的安全系统。校准单元被设置用于改变能够由传感器单元检测到的显著量的报警阈值，该传感器因此旨在用于还在所检测量超过绝对(校准的)阈值之上时激发紧急信号。这意味着简单地使基准阈值适应于边界条件，而损失了系统灵敏度。而且，校准单元具有复杂的操作，该操作凭借独立于传感器单元的检测装置来检测要进入反馈环并与预存在适当存储器中的缺省值比较的一些基准量。绝对基准阈值的使用意味着操作者必须配合，处在从工具相距一段短距离的位置处用于完成校准操作。 发明内容[0013] 特别地，根据本发明的第一方面，安全系统被设置在设有握持操纵体和移动切割部分的便携切削工具中，该安全系统包括一对电极，即分别地布置在操纵体下游(相对于操作者)的切割部分上和至少部分地布置在所述操纵体上的远端电极和近端电极，该两个电极连接到安装在所述操纵体上的测量评估单元，其中： [0014] 所述测量评估单元包括设有接地连接器和感测电极的“接触式传感器”装置的集成电路，其中所述接地连接器构造为与所述近端电极或所述远端电极相连的内部浮动地，并且所述感测电极与所述远端电极或者所述近端电极一致，并且在于 [0015] -所述测量评估单元构造用于至少在打开所述便携工具时采集基准电容值并且用于在从所述两个电极之间测量的所述电容值相对于所述基准值变化预设阈值时发出安全信号，所述安全信号被发送到用于工具的去激励的致动器。 [0016] 根据优选方面，当测量的电容值相对于基准电容值增大0.5pF的量级的预设绝对值时和/或当测量的电容值根据超越预设值的导数相对于所述基准值增大时发出安全信号。 [0017] 根据另一方面，近端电极包括至少一个导电元件，该至少一个导电元件布置在所述操纵体的抓握部上，使得其在操作期间仍保持与操作者的手部接触；近端电极优选地包括至少一个插入在施放装置中的导电元件，该施放装置在操作期间可佩戴成与操作者身体接触，例如以在操作期间可佩戴在操作者手部上的手套的形状。 [0018] 根据另一方面，所述近端电极包括至少一个导电元件，该至少一个导电元件与所述工具的操纵体成一体并且在操作期间以电容性方式与操作者身体联接。 [0019] 有利的是，所述近端电极的所述导电元件和操作者身体之间的电容性或电阻性阻抗低于所述测量评估单元检测到的电容性阻抗，所述测量评估单元在所述近端电极和所述远端电极之间的最小阈值距离处，其中，在所述最小阈值距离处，期望发生发出安全信号。 [0020] 根据另一方面，在本发明的安全系统中，测量评估单元是电荷转移型接触式传感器装置，其中电压低于2.5V的电信号被突发发送向所述感测电极。根据实施方式，接触式传感器装置的感测电极与意欲安放成与操作者身体导电接触的近端电极一致。 [0022] 从下面对于通过举例给出且在附图中图示的本发明优选实施方式的详细说明，根据本发明的装置的进一步特征和优点将在任何情况中更为明显，其中： [0023] 图1是示出通过根据本发明的系统测量的等效电容的构思的图； [0024] 图2是在本发明的系统的使用期间所测量的电容的变化的例示示意图； [0025] 图3是接触式传感器的常规操作的例示示意图；和 [0026] 图4A和4B是根据本发明的两种构造的图。 具体实施方式[0027] 让我们来考虑便携切削工具1，诸如链锯，其由操作者2在通常尽可能远离移动刀片的位置处抓握。 [0028] 在正确使用期间，根据将刀片保持为距离操作者身体大致在相同距离处的圆形拱架，工具以切削刀片与操作者相对的倾斜并被引起振动，用于执行切削。 [0029] 在某些偶然情况中，由于操作者不谨慎或者由于对移动刀片的突然被卡住的反应，工具可能变得过于接近操作者，从而出现移动切割部分碰撞操作者身体的具体风险。 [0031] 用以检测切割部分相对于抓握工具的人员的接近度的技术在于测量电容的变化。 [0032] 根据本发明，测量电容系统整体安装在工具内，带有为等效理论电容器的两个电极的一部分的两个相对触头：一个触头位于工具的切割部分上，一个触头位于工具抓握部上，在适于与操作者身体导电接触的位置中。 [0033] 构成系统电极中的一个的、安装在切割部分(以下称为“刀片”)上的触头适当地与另一触头电绝缘。典型地，在链锯类工具中，规定已经要求切削链的支撑刀片与工具抓握部电绝缘：这通过适当的具有绝缘材料布置的安装构造来实现。替代地，一层绝缘材料能够布置在该触头和下方工具刀片之间。 [0034] 通过测量装置在两个相对触头之间检测系统电容，如下所指示。 [0035] 虽然等效系统电极之一与安装在刀片上的同一触头一致(或者如果触头与刀片两者相互绝缘，与触头+刀片组件相一致)，则另一电极由位于抓握部上的触头和操作者身体2一起构成。 [0036] 为正确限定电路并实现系统的正确操作，实现所需的主动保护，操作者身体因此必需被置于与建立在抓握部上的触头电连接。由此，测量装置测量的电容C(图1)与第一电极(操作者身体及其连接器)和第二电极(安装在刀片上的连接器)之间的电容一致。换句话说，布置在刀片上的远端系统电极呈现出由工具的具体构造限定的固定特征；包括操作者身体本身-如众所周知地导电-的另一近端电极因此主要依赖于操作者体型及环境湿度状态而具有变化的特征。 [0037] 操作者和抓握部上的触头之间的电连接能够以各种方式实现。可以通过布置在与操作者手部直接接触的抓握部或触发器上的金属板实现直接连接。可以使用带有金属触头的专用手套。可以提供通过电线的触头，该电线必须以某种方式连接到操作者。为优化电联接，可能会采用在操作者服装内采用金属织物，其必须(通过电缆或适当手套)直接与触头连接。操作者和电子测量系统的触头之间的电连接还可以为电容型：例如，可以将一层绝缘材料(塑料、织物、橡胶)布置在操作者手部和触头之间。 [0038] 在任一情况中，为系统的正确操作，重要的是操作者2和抓握部上的触头之间的电容性或电阻性阻抗比存在于操作者(近端电极)和刀片上的触头(远端电极)之间的最小阈值距离下的电容性阻抗足够地低，在该最小阈值距离处，期望发生关断工具刀片动作；否则，系统失去灵敏度且由此失去可靠性。 [0039] 在工具的合适位置中，例如在链锯的沉淀器(sump)或者壳体内，布置有用于近端电极和远端电极之间的电容测量的电子装置。在检测到的电容C突然增大的情况中(即，如果电容随时间增大的速率或导数超过预定阈值)或者在该测量结果超过在起始的开始步骤中检测到的电容值预设阈值差值的情况中，该测量装置读取两个电极之间的电容(如果为模拟型装置，以连续方式读取，或者如果为数字型装置，以一定的采样频率读取)，并发送关断信号，该信号通常被导引到工具的总开关(例如，切断到切削刀片的电马达的电源或内燃机中的点火线圈的电源的开关)。 [0040] 实际上，检测到该两种动作模式均是有效的，因为在刀片接近身体的情况中(即，该两个电极彼此接近)，根据本发明构造的系统读取的电容C随距离以近似双曲线方程增大。在图2中示出了电容C作为从刀片到身体的距离的函数的示例。 [0041] 根据本发明，测量电容的电路通过以完全原有方式安装和构造集成有测量容量的电路来实现，该电路被实施为接触式传感器装置，如昆腾研究集团(Quantum Research Group)(现在的爱特美尔公司(Atmel Corporation))制造的“电荷转移型接触式传感器”系统。 [0042] 这些传感器传统上用在室内的设备中：它们被安装到墙壁上，并且测量由于接近人体引起的朝向大质块的电容改变。图3示出了典型的接触式传感器的安装操作图，见由TM昆腾制造的QProx QT113处理器的手册。集成电路通常具有两个电极，一个有源电极(感测电极)和接地电极。电路提供突发电荷(约1-2.5V电压，约微秒量级的频率)形式的信号到感测电极。传感器通过在感测电极上感测到的由于使用者靠近感测电极引起的相对于接地电极的电容变化而显示使用者的接近度。由此，这意味着这些装置通过接地电极被接地。 [0043] 在根据本发明的应用中，以原有方式使用这些装置：即，装置的接地触头或电极被有意地不接地(并且设想至少限制与地的任何电容性联接)，由此确定了被用作系统的两个检测电极之一的内部浮动电极。 [0044] 由此，提供了两个可能的构造，一种构造具有位于工具刀片上的感测电极，而另一构造使感测电极与操作者导电接触。 [0045] 在第一示例(图4A)中，传感器的内部浮动接地电极连接到切削工具的抓握部，且由此被强力地联接到操作者。脉冲信号相反被连接到工具刀片上的感测电极。利用该构造，系统检测刀片到具有明显尺寸的任何导电物体的接近度，由此，确保了由于操作者的接近以及相对于他人接近的偶发情况中都触发安全信号(触发距离-即安全信号触发的触发距离-小于接触抓握部的操作者的距离，但还保护不会损及第三方)；另外，在接近大的导电物体(例如，金属台架)的情况下也发生安全信号的触发，从而提供对链锯的保护，避免电锯损坏。 [0046] 在第二示例(图4B)中，装置的内部浮动地被连接到工具刀片。感测电极被布置在链锯抓握部，脉冲信号因此被强力联接于操作者。通过该构造，系统具有极高的选择性：触发仅在切削部位于抓握工具的操作者附近时发生；极大地限制了伪警报；并且简化了系统连接(不设置特别的电绝缘)：整个链锯被连接到传感器的浮动地并且脉冲仅被连接到操作者。 [0047] 因此，根据本文的教导被适当地构造的一体接触式传感器装置能够测量操作者身体和链锯刀片之间的电容并且能够在电容增大预设阈值差值时产生数字信号。 [0048] 此外，根据本发明的优选实施方式，该电路被构造成在其通电时测量起始电容并且将该电容临时存储作为参考值；当读取的电容相对于参考值(称为灵敏度)增大预设量时，例如当变化超过0.5pF时(图2)，数字输出形式的安全或触发信号由集成电路发送到用于工具的去激励的致动器。测量的起始电容为若干皮法的量级，而灵敏度以皮法的几分之一来测量。 [0049] 实质上，获得起始电容测量结果-利用接触式传感器装置的相同的感测电极(不需要凭借其它的附加传感器)是足够的，-该起始电容测量结果被临时存储作为参考值，以由此实现系统关于测量环境并且尤其地关于抓握工具的具体操作者的自动且可重复调节。事实上，测量的起始电容依赖于工具的大小、操作者的体型以及还依赖于周围环境(例如，依赖于邻近操作者存在的金属壁或者依赖于当前的湿度)。导致便携式工具的关断的安全信号在电容相对于参考值增大预设值(灵敏度)时或者当电容随时间的增大(去激励)超过第二阈值时产生。 [0050] 图2示出了本发明系统中的电容的双曲线特征如何使得系统固有地安全，即使当其在刀片已经接近操作者时被通电也是安全的：利用合理的值，可以检测到对距离操作者30cm远的系统的通电仍能够清楚地确定移动至接近15cm的安全阈值，而对距离操作者7cm远的装置通电使得可检测阈值降低到5cm。在任意情况中，在刀片移动接近操作者身体时，电容值趋于快速发散，曲线的导数值很高，引起对安全系统的即刻触发。 [0051] 通过关断电源以及制动系统的可能介入，所产生的安全信号能够以各种方式用来控制工具的移动部的去激励。特别地，在利用内燃机的链锯应用中，发动机在安全系统的每个动作被停止对于发动机是不利的，能够设置为使得安全信号被专门用于驱动切削链的制动装置，例如以本申请人同时提交的申请中所教导的方式。 [0052] 电容测量的其它示例有：与待测量电容相连的非稳态电子振荡器的频率测量；带有δ-Δ转换器的数字电容计；通过对正弦或脉冲信号传输的测量进行的电容测量；利用电桥技术的测量；利用谐振技术的测量；利用电流-电压技术的测量。 [0053] 集成的测量装置具有最小化的尺寸并且安装在电路板上，电路板包括： [0054] -正确操作所需的一些无源元件(电阻和电容)， [0055] -用于对被授权用于安全功能的致动器供给所需电流的晶体管级(stage)，和[0056] -用于电源的电压稳定器。 [0057] 在实施方式中，致动器是关断继电器，其旨在对电源线圈短路(例如，在链锯的实例中)，或者旨在切断到切削链的电动马达的供电(例如，在电动链锯的实例中)。 [0058] 电路板上的电路的电源或者直接来自链锯-通过从线圈获取所需功率的电路-或者考虑到消耗可忽略不计(600μA的量级)，从小的板载电池获取。在电锯的实例中，电源直接从输电干线获取。 [0059] 电子电路可以是小的，为1cm2量级，因此易于直接插入在链锯主体中的任何位置中，假设该电子电路能够通过简单的电缆与切削部(刀片)且与抓握部(或者与要施加到操作者身体的另一连接器)接触。除该电路之外，致动器(继电器)和供电部件能够布置在链锯内的其它位置中，以使得链锯体积最小化。 [0060] 总体上，根据本发明的系统能够包括仅4种元件： [0061] 1)带有集成的测量器件及其电极的电路板； [0062] 2)电路板的电源系统； [0063] 3)用于对链锯关闭的致动器(典型地为继电器)； [0064] 4)朝向切削部(刀片)且朝向抓握部/操作者的内部触头。 [0065] 电动链锯操作 [0066] 带有集成电路的电路板从与链锯的打开按钮串联的输电干线取得电源：当操作者按下链锯按钮时，电路接通。此时计算起始电容并确定参考值。该电路使能(通常打开)继电器，该继电器将功率带到链锯(链锯由此被接通)。当起始电容超过最大预设阈值时，电路并不使能继电器，使链锯保持断开；由此，在电路故障的情况中，链锯甚至不启动。 [0067] 带有内燃机的链锯操作 [0068] 带有集成电路的电路板从线圈获取电源：因此，首先对链锯通电，然后安全电路通电。此时检测到起始电容。与发动机的点火火花同时地，通常布置打开的继电器，其在检测的电容超过预设阈值时由安全电路关闭：此时，安全信号使火花短路并且链锯发动机关闭。替代于关断继电器或者与关断继电器组合地，关断致动器能够由对切削链的制动系统作用的机电致动器。 [0069] 根据上述记载能够清楚理解的，根据本发明的安全系统允许理想地实现在前言中阐述的目标。特别地，本发明的简单电路能够以一定的精度确定在工具刀片和操作者之间的距离减小。用于控制被授权用于工具的去激励的致动器的安全信号以各种方式产生，这些方式防止任意误差并且尤其地不受具体环境条件的影响。 [0070] 然而上述的具体构造仅代表了本发明范围的非限定性示例，本发明并不局限于上述特别的构造，而是在不偏离本发明范围的情况下，许多变形例是可能的，都是本领域技术人员能够达到的范围内。 [0071] 例如，能够设置为使得不仅在便携式工具的关断之后，而且在工具已经维持在最小转速下预设最小时间时，重新确定起始参考值：这确保了即使在工具暂时不使用但不关断并且然后在明显不同的状态下(由另一操作者或者在明显不同的位置中)恢复其使用时，也实现对安全系统的正确重复调整。 |
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