用于工具监测的设备和方法与流程

1.这些教导大体涉及工具的使用，并且更具体地，涉及工具的监测。


背景技术：

2.一些工具包括一个或多个关节连接(articulation)区域。如此构造，工具的一个部分可以相对于工具的另一部分独立移动。在一些情况下，这种移动可以自动控制。然而，为了确保这种移动的有效性，了解工具的此类部分的位置可能很重要。
附图说明
3.通过提供以下详细描述中描述的用于工具监测的设备和方法，特别是当结合附图研究时，至少部分地满足上述需求，其中：
4.图1包括根据这些教导的各种实施例构造的框图；
5.图2包括根据这些教导的各种实施例构造的框图；
6.图3包括根据这些教导的各种实施例构造的流程图；
7.图4包括根据这些教导的各种实施例构造的示意图；和
8.图5包括根据这些教导的各种实施例构造的示意图。
9.附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸和/或相对定位可能相对于其他元件被夸大，以帮助提高对本教导的各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但易于理解的元件通常未被描绘，以便于减少对本教导的这些不同实施例的视图的阻碍。某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序来描述或描绘，而本领域技术人员将理解，实际上不需要关于顺序的这种特异性。
具体实施方式
10.关于理解关节连接式工具的各个部分的位置的典型现有技术解决方案可能相对昂贵、物理上麻烦和/或不够准确。在一些情况下，现有技术解决方案不足以跟踪可能表征给定应用设置的所有移动自由度。
11.一般来说，根据这些不同的实施例，一种设备，包括具有被至少第一关节连接区域分开的第一部分和第二部分的工具。第一惯性测量单元相对于该第一部分固定，并且第二惯性测量单元相对于该第二部分固定。控制电路可操作地联接到那些惯性测量单元并接收关于工具的那些部分的对应信息。然后，控制电路可以处理所接收的信息，以生成关于那些被监测工具部分的位置本体感觉信息。这些教导将支持在不使用贯穿传动系信息(through-drivetrain information)的情况下生成该位置本体感觉信息。通过一种方法，控制电路通过首先确定彼此独立的工具部分中的每一个的绝对取向，并且然后根据那些工具部分的确定的绝对取向计算微分姿态(differential pose)来生成该位置本体感觉信息。
12.这些教导将适应提供两个或三个移动自由度的关节连接区域。
13.通过一种方式，上述惯性测量单元各自包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。
14.可以以多种方式采用所产生的位置本体感觉信息。作为一个示例，该信息可以用于确定工具是否正确移动。作为另一个示例，该信息可以用于实现涉及工具移动的闭环处理。
15.如此构造，关节连接式工具的各个部分的移动可以以可靠且成本有效的方式容易且准确地监测。
16.本文使用的术语和表述具有与上述技术领域的技术人员所赋予的这些术语和表述一致的普通技术含义，除非本文另有规定不同的具体含义。除非另有明确说明，否则本文使用的词语“或”应被解释为具有分离结构而不是连接结构。除非本文另有规定，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接。
17.单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。
18.如本文中在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言被应用于修饰可以允许变化而不导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指代在10％的余量内。
19.在对以下详细描述进行彻底回顾和研究后，这些和其他益处可能变得更加清楚。现在参考附图，特别是图1，现在将呈现与这些教导中的许多教导兼容的说明性设备100。
20.在该特定示例中，使能设备100包括控制电路101。作为“电路”，控制电路101因此包括这样的结构，该结构包括以有序的方式传输电力的至少一个(并且通常是多个)导电路径(例如由传导金属(诸如铜或银)组成的路径)，路径通常还将包括对应的电气部件(无源(例如电阻器和电容器)和有源(例如各种基于半导体的装置中的任何)，视情况而定)，以允许电路实现这些教导的控制方面。
21.这样的控制电路101可以包括固定用途的硬连线硬件平台(包括但不限于专用集成电路(asic)(其是为特定用途而设计定制的集成电路，而不是旨在用于通用目的)，现场可编程门阵列(fpga)等)，或者可以包括部分或全部可编程的硬件平台(包括但不限于微控制器，微处理器等)。此类结构的这些架构选项在本领域中是众所周知和理解的，并且这里不需要进一步描述。该控制电路101被构造为(例如，通过使用本领域技术人员将很好理解的对应编程)执行本文描述的步骤、动作和/或功能中的一个或多个。
22.通过一种可选的方法，控制电路101可操作地联接到存储器(未示出)。该存储器可以集成到控制电路101或者可以根据需要从控制电路101物理地分离(全部或部分)。该存储器也可以相对于控制电路101位于本地(其中，例如，两者共享公共电路板、底架、电源和/或外壳)，或者可以相对于控制电路101部分或全部位于远程(其中，例如，与控制电路101相比，存储器物理地位于另一个设施、大都市区或甚至国家)。
23.该存储器可以用于例如非暂时性地存储计算机指令，该计算机指令在由控制电路101执行时，使控制电路101如本文所述那样运行。(如本文所用，对“非暂时性”的引用将被
理解为指存储内容的非短暂状态(并因此排除存储内容仅构成信号或波的情况)而不是存储介质本身的易失性，并因此包括非易失性存储器(例如只读存储器(rom))和易失性存储器(例如动态随机存取存储器(dram))。
24.如果需要，控制电路101还可以可操作地联接到网络接口(未示出)。如此构造的控制电路101可以经由网络接口与其他元件(设备100内和其外部的元件)通信。网络接口(包括无线和非无线平台)在本领域中是众所周知的，这里不需要特别阐述。
25.通过又一可选方法(代替前述方法或与其组合)，控制电路101可以可操作地联接到用户接口(未示出)。该用户接口可以包括多种用户输入机制(例如但不限于键盘和小键盘、光标控制装置、触敏显示器、语音识别接口、手势识别接口等)和/或用户输出机制(例如但不限于视觉显示器、音频换能器、打印机等)中的任何，以促进从用户接收信息和/或指令和/或向用户提供信息。
26.在该说明性示例中，设备100还包括工具102，工具102至少具有被第一关节连接区域105分开的第一部分103和第二部分104。在典型的应用设置中，这些部分103和104将是实心的(solid)，但这些教导在实践中是灵活的并且可以适应其他可能性。通过一种方法，第一部分103经由作为离散旋转点的第一关节连接区域105物理地连接到第二部分104。在其他实施例中，关节连接区域可以是软体或连续体机器人的区域，使得103和104之间的旋转不会发生在离散点上，而是分散在柔性材料区域上。
27.这些教导将适应上述关节连接的各种方法。通过一种方法，第一关节连接区域105提供至少两个移动自由度。通过另一种方法，第一关节连接区域105提供至少三个移动自由度(例如，俯仰(pitch)、滚动(roll)和偏航(yaw))。存在本领域已知的多种关节连接方法，包括坚决耦合(resolute coupling)、共享、扩展、收缩等。由于本教导对这些方面中的任何特定选择都不过分敏感，因此这里不提供关于任何特定形式或形态的关节连接的进一步阐述。
28.这些教导将可选地适应具有其他部分和/或附加关节连接区域的工具102。作为一个说明性示例，并且如图1所示，工具102可以具有第三部分106，第三部分106与第二部分104分开但通过第二关节连接区域107与其连接。作为另一个说明性示例(未示出)，第三部分可以与第一部分103分开但通过第二关节连接区域与其连接。
29.在该说明性示例中，第一惯性测量单元(imu)108相对于第一部分103固定，并且第二惯性测量单元109相对于第二部分104固定。就存在通过中间关节连接区域与其他工具部分分开的其他工具部分而言，可以根据需要提供附加的惯性测量单元。例如，并且可选地如图1所示，第三工具部分106可以具有固定到其的第三惯性测量单元110。这些教导将适应关于将这些惯性测量单元固定到它们对应的工具部分的各种方法。通过一种方法，惯性测量单元使用例如附接机构和/或粘合剂直接连接到它们的对应部分。
30.惯性测量单元在本领域中是已知的。通过一种方法，并且暂时参考图2，每个惯性测量单元200可以包括一个或多个基于重力的定向传感器201、一个或多个非重力加速度传感器202(例如，陀螺仪传感器或速率陀螺仪传感器)和一个或多个磁力计203。对于许多应用设置，惯性测量单元200可以包括三个基于重力的定向传感器201、三个非重力加速度传感器202和三个磁力计203。
31.再次参考图1，这些惯性测量单元中的每一个通信地联接到前述控制电路101(例
如，经由无线或非无线形态)。一般来说，惯性测量单元是测量和报告本体的比力、角速率和取向的电子装置。通过提供上述传感器中的每一个的三个，惯性测量单元可以提供关于三个主轴(有时称为俯仰、滚动和偏航)中的每一个的信息。如上所述构造，这些惯性测量单元可以向控制电路101提供关于它们相应工具部分中的每一个的这种信息。
32.现在参考图3，将描述可以由前述控制电路101执行的处理300。
33.在框301处，控制电路101从上述第一惯性测量单元108接收关于第一部分103的第一信息。在该说明性示例中，该第一信息包括与该第一部分103有关的所有上述参数。在框302处，控制电路101从上述第二惯性测量单元109接收关于第二部分104的第二信息，其中第二信息再次包括与第二部分104有关的所有上述参数。(如果并且由于特定工具102包括附加部分(例如图1中所示的第三部分106)，则控制电路101可以从惯性测量单元(例如所示的第三惯性测量单元110)接收关于这些附加部分的被监测参数的附加对应信息。)
34.在框303处，控制电路101处理上述接收的信息以生成关于被监测工具部分的位置本体感觉信息。通过一种方法，控制电路101被构造为在不使用贯穿传动系信息的情况下生成该位置本体感觉信息。通过一种方法，控制电路101被构造为通过首先确定彼此独立的被监测工具部分中的每一个的绝对取向，并且然后根据那些被监测工具部分的确定的绝对取向计算微分姿态来生成该位置本体感觉信息。
35.暂时参考图4和图5，将提供关于这种位置本体感觉信息的生成的附加细节。应当理解，在这些方面中没有关于这些教导的特定限制，并且这样的附加细节仅旨在用于说明性目的。
36.在该示例中，设备100测量沿近端(p)加速度计和远端(d)加速度计的每个轴线的重力加速度，加速度计包括对应惯性测量单元200(此处由上面讨论的上述第一和第二惯性测量单元108、109表示)的一部分。
37.由近端本体(pg)和远端本体(dg)测量的重力方向的正交分量为：p
gx
,p
gy
,p
gz
,d
gx
,d
gy
,d
gz
。
38.为方便起见，这些教导提供创建中间控制点(c)坐标系，使得c围绕近端本体p和远端本体d的x轴滚动，围绕c的y轴俯仰，从而d的取向(包括滚动、俯仰和偏航)可以通过受约束的滚动和俯仰角，以及通过以下描述机制耦合到滚动和俯仰的测量偏航角计算从p到c到d的链来求解(其中“t”表示包括要估计的旋转的变换，使得
p
tc是从p到c的旋转，并且ctd是从c到d的旋转，并且其中p
x
是附接到近端本体的传感器的x轴，p
gx
是映射到p
x
上的重力加速度的分量，p
gy
和p
gz
以及p
gx
提供由近端本体传感器测量的加速度重力的分量(并因此取向)，并且其中对于远端本体也是如此(c上没有传感器))：
39.d＝p p
tccctd40.同样在该示例中，运动被约束为使得：
41.ptc包含固定的变换和仅围绕p
x
的滚动旋转，因此c
x
||p
x
；并且
42.ctd包含固定的变换和仅围绕cy的俯仰旋转，因此dy||cy。
43.可以基于这些约束映射重力加速度：
44.c
gx
＝p
gx
45.c
gy
＝d
gy
46.围绕p
x
滚动然后是c
φ
和p
φ
之间的角度。因此：
47.滚动＝c
φ-p
φ
其中
48.并且
[0049][0050]
在上文中，c
gz
未测量，但假设静态系统(其中，例如，g已知且恒定)，该变量可以计算自：
[0051][0052]
围绕cy俯仰然后是d
θ
和c
θ
之间的角度。因此：
[0053]
俯仰＝d
θ-c
θ
其中
[0054]
并且
[0055][0056]
再次参考图3和图4，对于工具102的这些不同部分，生成的位置本体感觉信息(例如近端103和远端104本体之间的估计滚动角和俯仰角)可以以多种方式中的任何方式被采用。作为一个示例，并且如可选框304处所示，控制电路101可以使用该生成的信息来确定工具102是否以预期的或其他安全和/或有效的方式正确移动。例如，如果工具102在运动，则控制电路101可以确定工具102是否表现出姿态误差(其也可能是速度(包括角速度)误差)。当情况并非如此时，这些教导将适应采取各种对应行动中的任何行动。示例包括提供警告或警报和/或针对工具102本身采取特定动作(例如，通过停止进一步的移动或通过反转刚刚完成的先前移动)。
[0057]
作为另一个示例，并且如可选框305处所示，控制电路101可以至少部分地根据生成的位置本体感觉信息来实现涉及工具102的闭环处理。
[0058]
如此构造，这些教导支持跨多个关节连接区域使用多个惯性测量单元，以支持生成取向的绝对参考，后者适合于实现例如跨多个旋转/关节连接的任何姿势的初始化，而不必进一步要求工具的移动。这些教导可以与多种工具(包括例如关节连接式机器人臂和所谓的机械蛇形臂)一起采用。
[0059]
本公开的进一步方面由以下条项的主题提供：
[0060]
1.一种设备，包括：
[0061]
工具，所述工具具有由至少第一关节连接区域分开的第一部分和第二部分；
[0062]
第一惯性测量单元(imu)，所述第一惯性测量单元(imu)相对于所述第一部分固定；
[0063]
第二imu，所述第二imu相对于所述第二部分固定；
[0064]
控制电路，所述控制电路可操作地联接到所述第一imu和所述第二imu，并且被构造为：
[0065]
从所述第一imu接收关于所述第一部分的第一信息，并从所述第二imu接收关于所述第二部分的第二信息；
[0066]
处理所述第一信息和所述第二信息以生成关于所述第一部分相对于所述第二部分的位置本体感觉信息。
[0067]
2.根据条项1所述的设备，其中，所述第一关节连接区域提供至少两个移动自由度。
[0068]
3.根据条项1所述的设备，其中，所述第一关节连接区域提供至少三个移动自由度。
[0069]
4.根据条项1所述的设备，其中，所述第一imu包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。
[0070]
5.根据条项1所述的设备，其中，所述第一imu和所述第二imu中的每一个都包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。
[0071]
6.根据条项1所述的设备，其中，所述控制电路被构造为在不使用贯穿传动系信息的情况下生成所述位置本体感觉信息。
[0072]
7.根据条项1所述的设备，其中，所述控制电路被构造为通过首先确定彼此独立的所述第一部分和所述第二部分中的每一个的绝对取向，并且然后根据确定的所述第一部分的绝对取向和确定的所述第二部分的绝对取向计算微分姿态来生成所述位置本体感觉信息。
[0073]
8.根据条项1所述的设备，其中，所述控制电路进一步被构造为：
[0074]
根据生成的位置本体感觉信息确定所述工具是否正确移动。
[0075]
9.根据条项1所述的设备，其中，所述控制电路进一步被构造为：
[0076]
至少部分地根据生成的位置本体感觉信息来实现涉及所述工具的闭环处理。
[0077]
10.根据条项1所述的设备，其中，所述工具包括第三部分，所述第三部分通过至少第二关节连接区域与所述第二部分分开，所述设备进一步包括：
[0078]
第三imu，所述第三imu相对于所述第三部分固定；
[0079]
并且其中所述控制电路进一步被构造为：
[0080]
从所述第三imu接收关于所述第三部分的第三信息；
[0081]
处理所述第三信息以及所述第一信息和所述第二信息中的至少一个，以生成关于所述第三部分相对于所述第一部分和所述第二部分中的至少一个的位置本体感觉信息。
[0082]
11.一种与设备一起使用的方法，所述设备包括：
[0083]
工具，所述工具具有由至少第一关节连接区域分开的第一部分和第二部分；
[0084]
第一惯性测量单元(imu)，所述第一惯性测量单元(imu)相对于所述第一部分固定；
[0085]
第二imu，所述第二imu相对于所述第二部分固定；以及
[0086]
控制电路，所述控制电路可操作地联接到所述第一imu和所述第二imu；
[0087]
所述方法包括通过所述控制电路：
[0088]
从所述第一imu接收关于所述第一部分的第一信息，并从所述第二imu接收关于所述第二部分的第二信息；
[0089]
处理所述第一信息和所述第二信息以生成关于所述第一部分相对于所述第二部
分的位置本体感觉信息。
[0090]
12.根据条项11所述的方法，其中，所述第一关节连接区域提供至少两个移动自由度。
[0091]
13.根据条项11所述的方法，其中，所述第一关节连接区域提供至少三个移动自由度。
[0092]
14.根据条项11所述的方法，其中，所述第一imu包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。
[0093]
15.根据条项11所述的方法，其中，所述第一imu和所述第二imu中的每一个都包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。
[0094]
16.根据条项11所述的方法，其中，处理所述第一信息和所述第二信息以生成位置本体感觉信息包括在不使用贯穿传动系信息的情况下生成所述位置本体感觉信息。
[0095]
17.根据条项11所述的方法，其中，处理所述第一信息和所述第二信息以生成位置本体感觉信息包括首先确定彼此独立的所述第一部分和所述第二部分中的每一个的绝对取向，并且然后根据确定的所述第一部分的绝对取向和确定的所述第二部分的绝对取向计算微分姿态。
[0096]
18.根据条项11所述的方法，进一步包括通过所述控制电路：
[0097]
根据生成的位置本体感觉信息确定所述工具是否正确移动。
[0098]
19.根据条项11所述的方法，进一步包括通过所述控制电路：
[0099]
至少部分地根据生成的位置本体感觉信息来实现涉及所述工具的闭环处理。
[0100]
20.根据条项11所述的方法，其中，所述工具包括通过至少第二关节连接区域与所述第二部分分开的第三部分和相对于所述第三部分固定的第三imu，并且其中所述方法进一步包括通过所述控制电路：
[0101]
从所述第三imu接收关于所述第三部分的第三信息；
[0102]
处理所述第三信息以及所述第一信息和所述第二信息中的至少一个，以生成关于所述第三部分相对于所述第一部分和所述第二部分中的至少一个的位置本体感觉信息。
[0103]
本领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对上述实施例进行多种修改、变化和组合，并且这样的修改、变化和组合应被视为在本发明概念的范围内。

技术特征：
1.一种设备，其特征在于，包括：工具，所述工具具有由至少第一关节连接区域分开的第一部分和第二部分；第一惯性测量单元(imu)，所述第一惯性测量单元(imu)相对于所述第一部分固定；第二imu，所述第二imu相对于所述第二部分固定；控制电路，所述控制电路可操作地联接到所述第一imu和所述第二imu，并且被构造为：从所述第一imu接收关于所述第一部分的第一信息，并从所述第二imu接收关于所述第二部分的第二信息；处理所述第一信息和所述第二信息以生成关于所述第一部分相对于所述第二部分的位置本体感觉信息。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述第一关节连接区域提供至少两个移动自由度。3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述第一关节连接区域提供至少三个移动自由度。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述第一imu包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述第一imu和所述第二imu中的每一个都包括至少三个基于重力的定向传感器、三个非重力加速度传感器和三个磁力计。6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述控制电路被构造为在不使用贯穿传动系信息的情况下生成所述位置本体感觉信息。7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述控制电路被构造为通过首先确定彼此独立的所述第一部分和所述第二部分中的每一个的绝对取向，并且然后根据确定的所述第一部分的绝对取向和确定的所述第二部分的绝对取向计算微分姿态来生成所述位置本体感觉信息。8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述控制电路进一步被构造为：根据生成的位置本体感觉信息确定所述工具是否正确移动。9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述控制电路进一步被构造为：至少部分地根据生成的位置本体感觉信息来实现涉及所述工具的闭环处理。10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中，所述工具包括第三部分，所述第三部分通过至少第二关节连接区域与所述第二部分分开，所述设备进一步包括：第三imu，所述第三imu相对于所述第三部分固定；并且其中所述控制电路进一步被构造为：从所述第三imu接收关于所述第三部分的第三信息；处理所述第三信息以及所述第一信息和所述第二信息中的至少一个，以生成关于所述第三部分相对于所述第一部分和所述第二部分中的至少一个的位置本体感觉信息。

技术总结
一种设备，包括具有被至少第一关节连接区域分开的第一部分和第二部分的工具。第一惯性测量单元相对于该第一部分固定，并且第二惯性测量单元相对于该第二部分固定。控制电路可操作地联接到那些惯性测量单元，并接收关于工具的那些部分的对应信息。然后，控制电路可以处理接收的信息，以生成关于那些被监测工具部分的位置本体感觉信息。通过一种方法，控制电路通过首先确定彼此独立的工具部分中的每一个的绝对取向，并且然后根据那些工具部分的确定的绝对取向计算微分姿态来生成位置本体感觉信息。信息。信息。


技术研发人员：托德
受保护的技术使用者：奥利弗克里斯宾机器人有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/10/19