(57)【要約】      （修正有）【課題】空間における手持ち工具の姿勢変化を特定する。【解決手段】工具の少なくとも第１の姿勢ベクトルＡ１を特定するために、初期工具姿勢を基準姿勢に位置合わせするステップであって、第１の姿勢ベクトルの少なくとも１つの成分は、工具１の所定の軸の方向での重力加速度の成分を測定することによって特定されるステップ；少なくとも１つの時間的に先行する姿勢ベクトルの、新規に特定された第２の姿勢ベクトルＡ２の、少なくとも１つの角度ずれを特定することによって、空間における工具１の実際の姿勢変化時の工具姿勢の修正を確定するステップであって、第２の姿勢ベクトルの少なくとも１つの成分が、工具の所定の軸の方向における重力加速度の成分を測定することによって、姿勢変化の後に特定されるステップ；工具１の方位に関係し、少なくとも１つの角度ずれから確定される、情報を提供するステップを含む。【選択図】図３
2013066999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間における手持ち工具（１）の姿勢変化を特定する方法であって、以下のステップ：
工具の少なくとも第１の姿勢ベクトルを特定するために、初期工具姿勢を基準姿勢に位置合わせするステップであって、前記第１の姿勢ベクトルの少なくとも１つの成分は、前記工具（１）の所定の軸の方向での重力加速度の成分を測定することによって特定される、前記ステップ；
少なくとも１つの時間的に先行する姿勢ベクトルの、新規に特定された第２の姿勢ベクトルの、少なくとも１つの角度ずれを特定することによって、空間における前記工具（１）の実際の姿勢変化時の工具姿勢の修正を確定するステップであって、前記第２の姿勢ベクトルの少なくとも１つの成分が、前記工具の所定の軸の方向における重力加速度の成分を測定することによって、姿勢変化の後に特定される、前記ステップ；
前記工具（１）の方位に関係し、前記少なくとも１つの角度ずれから確定される、情報を提供するステップ
を含む、前記方法。
【請求項２】
工具姿勢の修正を確定することが、工具に装着されて、少なくとも１つの角度ずれを直接的または間接的に確定する、少なくとも１つの加速度センサ（１０）を用いて実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの角度ずれは、最小が０°で、最大が１８０°であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの角度ずれを特定することには、姿勢ベクトルに対する工具（１）の傾斜姿勢を特定することを伴うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
工具姿勢の修正を確定するために、工具の２つ以上の所定の軸の方向における、重力加速度の２つ以上の成分を測定することによって、第１または第２の姿勢ベクトルの２つ以上の成分が特定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
角度ずれを特定することが、新規に確定された姿勢ベクトルと、少なくとも１つの時間的に先行する姿勢ベクトルとの間のスカラー積および絶対積から、商を計算することによって実行されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
センサ（複数を含む）は静的加速度センサであって、少なくとも１つの角度ずれが、前記加速度センサの静的加速度値を用いて計算されることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
センサ（複数を含む）（１０）は、３軸加速度センサを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
センサ（複数を含む）（１０）は、３つの短軸加速度センサを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのセンサ（１０）の加速度値が、重力加速度の値に対して計算されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの角度ずれから工具の方位に関する情報を確定することに、工具（１）上のセンサ（１０）の位置が考慮に入れられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの角度ずれを特定するための時間的に先行する姿勢ベクトルは、所定の基準ベクトル、特に、引力のベクトルであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
初期工具姿勢を基準姿勢と位置合わせすることによって、互いに垂直に位置して、２次元の座標系を定義する、工具（１）の２つの姿勢ベクトルを特定することが可能となり、
前記工具（１）の実際の空間姿勢変化中に工具姿勢の変化を確定することが、座標系に投影された新規に特定された姿勢ベクトルを確定することを伴うことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
特に、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実行するための工具および／または工具制御ユニットであって、
前記工具の１つまたは２つまたは３つの所定の軸の方向における重力加速度の少なくとも１つ、特に少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つの成分（複数を含む）を測定する、好ましくは工具に（確実に）連結された、少なくとも１つのセンサを含むことを特徴とする、前記工具および／または工具制御ユニット。
【請求項１５】
工具（１）が、溶接工具、接合工具、ドリル工具、フライス工具、または塗装操作を実行するための工具、例えばスプレーガンであることを特徴とする、請求項１４に記載の工具および／または工具制御ユニット。
【請求項１６】
工具（１）に装着された、少なくとも１つのセンサ（１０）が、前記工具（１）の操作ハンドルまたはハンド部分に装着されるか、その中に装入されることを特徴とする、請求項１４または１５のいずれかに記載の工具および／または工具制御ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間における手持ち工具の姿勢変化を特定する方法、およびそのような方法を実行するための工具および工具制御ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ロボット技術の分野において、著しく進歩する技術開発にもかかわらず、手持ち工具は、特に特定用途向け、および工業規模では有利ではない用途向けとして、強く求められ続けている。この場合には、操作者または作業者によって手動で取り扱われる手持ち工具によって材料が加工される。しかしながら、満足のゆく操作結果を得るためには、工具の取り扱いにおける高度なスキルと長期間の経験が時には要求される。この要求またはタスクに応じて、作業者は工具の操作特性に順応する。典型的には、工具制御ユニット内での制御パラメータを修正することがこの目的で行われ、それによって様々な操作モードで工具を使用することができる。
【０００３】
例えば、溶接工具の場合には、例えば、高品質溶接シームを生成できるようにするためには、溶接しようとする材料の空間での幾何学的な配置を考慮に入れる必要がある。同様に、噴霧工具の場合には、可能なかぎり最も安定して均一な層の噴霧剤を塗布することができるように、噴霧しようとする表面の幾何学的配置を考慮に入れる必要がある。
【０００４】
しかしながら、工具の操作モードのそのように修正することについての問題は、作業者が、工具制御ユニットの調節を適切に実行できるようにするために、短時間、作業を中断しなくてはならないことである。この操作は、作業操作全体の効率を低下させるだけでなく、同じ高レベルの品質を保って作業を継続することが難しい場合があることである。例えば、溶接工具で溶接操作を実行しているときに、中断後に、望ましくない溶接部遷移（weld transition）が起こり、これが美的にだけでなく、技術的にも、溶接結果全体に対して不利になることがある。
そのような不利を避けるために、ＥＰ１８１２２００Ｂ１は、自動工具制御ユニットを提案しており、この制御ユニットは、工具の操作ヘッドに装着されたセンサを用いて、操作ヘッドの基準姿勢に対する、操作ヘッドの姿勢および／または姿勢変化を検知することができる。対応して特定された操作ヘッドの姿勢または姿勢変化に応じて、工具制御ユニットは、検知された姿勢または姿勢変化に応じて、工具操作の特性変数に影響を与えることができる。
【０００５】
結果的に、工具制御ユニットは、例えば、操作ヘッドが作業者によって、他の操作条件または作業条件を必要とする姿勢に動かされたときに、それぞれの場合に、操作モードを変化させることができる。例えば、特に、溶接ヘッドを使用する溶接操作を実行するときに、溶接ヘッドが上向き姿勢（overhead position）に動かされると、溶接電流または溶接電圧を、常に低減させることができる。結果的に、作業者は、変更された作業条件に対処するために工具制御ユニットに対する変更を手動で実行する必要がないので、作業の中断を避けることができる。
【０００６】
しかしながら、ＥＰ１８１２２００Ｂ１による方法の不利点は、姿勢または姿勢変化の確定には、高レベルの処理複雑性を必要とすることである。空間における姿勢または姿勢変化を確定するためには、最も簡単な場合において、３つの空間座標ｘ、ｙ、ｚを各時点において特定する必要がある。さらに、操作ヘッドが、所定の空間姿勢に対してどちらに向いているかに関しての情報が必要である。このために、最も簡単な場合には、２つの角度変数、極角（polar angle）および方位角（azimuth）が必要であり、これらは、操作ヘッドの空間姿勢に対して操作ヘッドの回転または方位を特定することができる。しかしながら、これらの変数を時間的に連続して特定すること、および電子的に処理することには、ある程度の複雑性が必要であり、これは、特に操作ヘッドが迅速かつ頻繁に姿勢変化する場合に、不利になることがある。
【発明の概要】
【０００７】
その結果、本発明の目的の１つは、手持ち工具の空間における姿勢変化を特定する方法、または従来技術の欠点を克服する工具制御ユニットを備えるような工具を提供することである。特に、手持ち工具の姿勢変化を特定するための簡便で実際的な可能性をもたらす、方法および工具制御ユニットを有する工具を提案することを意図している。
この目的は、請求項１に記載の方法、および請求項１４に記載の工具制御ユニットを有する工具によって達成される。
【０００８】
特に、この目的は、空間における手持ち工具の姿勢変化を特定する方法であって、以下のステップ：工具の少なくとも第１の姿勢ベクトルを特定するために、初期工具姿勢を基準姿勢に位置合わせするステップであって、前記第１の姿勢ベクトルの少なくとも１つの成分が、前記工具の所定の軸の方向での重力加速度の成分を測定することによって特定される、前記ステップ；少なくとも１つの時間的に先行する姿勢ベクトルの新規に特定された、第２の姿勢ベクトルの少なくとも１つの角度ずれを特定することによって、空間における工具の実際の姿勢変化時の工具姿勢の変化を検出するステップであって、第２の姿勢ベクトルの成分が、工具の所定の軸の方向における重力加速度の成分を測定することによって、姿勢変化の後に特定される、前記ステップ；前記少なくとも１つの角度ずれから確定される、工具の方位に関する情報を提供するステップを含む、方法によって達成される。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、特に、そのような方法を実行するための、工具および工具制御ユニットによって達成される。
本発明の中心概念は、姿勢変化の特定が、第１に、個々の姿勢ベクトルの特定に基づいていることである。この例においては、第１の姿勢ベクトルが、操作工程の始めに特定されて、この姿勢ベクトルが、時間的に後続する姿勢ベクトルに対する、工具の基準姿勢を構成してもよい。すなわち、基準姿勢の特定は、手作業者が工具を保持する初期工具姿勢を定義することを介して、実施される。次に作業者が、操作過程において工具を動かすと、工具の空間姿勢変化が生じ、この変化が、工具の時間的に先行する姿勢ベクトルまたは最初に特定された姿勢ベクトルに対する新規に特定された姿勢ベクトルの角度ずれを用いて特定される。この例において、少なくとも１つの特定された角度ずれは、工具の操作モードの調節のための、単一の補正変数または制御された変数を形成する。少なくとも１つの角度ずれに関する情報によって、工具の空間姿勢変化を、十分な程度に特定することが可能であり、その結果として、制御ユニットは、様々な操作条件に適当に対処することができる。
【００１０】
姿勢変化は、工具の所定の軸の方向の重力加速度の成分または重力加速度ベクトルによって（少なくとも部分的に）決まるという事実から、姿勢変化の特定は特に簡略化される。重力加速度の成分が工具の所定の軸の方向で測定されることによって、この成分は、工具が回転すると変化する。結果的に、本発明の重要な観点は、工具の所定の軸の方向において測定された重力加速度のある特定の成分の変動から、工具の回転が推定できることである。
【００１１】
最初に、工具の所定の軸が、例えば、重力加速度の方向にある場合には、所定軸の方向における、重力加速度の成分の測定は、最大値を生ずることになる。工具が、９０°回転されると（これは工具の姿勢変化に対応する）、所定の軸の方向における重力加速度の成分は、（理想的には）ゼロの値を生ずる。工具が、例えば、１８０°傾けられると、重力加速度の成分は、最大値（但し、逆符号付き）に対応する。
【００１２】
本発明の重要な観点はまた、姿勢変化の特定が、手持ち工具によって実施されることである。手持ち工具という用語は、作業者による手動操作を可能にするように構築された工具を指すことを意図している。そのような手持ち工具は、例えば、作業者が工具を動かしたり傾けたりすることを可能にするハンドルなどとは区別される。「手持ち」の用語は、例えば、ボタンの作動またはプログラムの設定によって完全に間接的に動かされる、例えば、ロボットなどの自動装置を指すものではないことを特に意図している。そのような自動装置には、特に、作業者用の把持要素がない。
【００１３】
工具の「所定の軸」という用語は、工具といっしょに回転するように、工具によって定義される任意の軸を指すことを意図している。この軸は、結果的に、工具に対して固定される。この軸は、好ましくは、対称軸および／または材料の排出方向によって定義される軸とするのがよい。
【００１４】
ＥＰ１８１２２００Ｂ１とは異なり、姿勢変化は、水銀を含む中空部材を含むセンサによっては実行されない。本発明においては、代わりに、少なくとも１つの加速度センサが設けられる。さらに、この例では、空間姿勢変化の特定は、工具または工具の空間方位の正確な記述によって実行するのではなく、その代わりに、時間的に先行する姿勢ベクトルと異なる姿勢ベクトルの少なくとも１つの角度ずれにのみ基づいて実行される。工具の第１の姿勢ベクトルを特定するために、工具姿勢を最初に基準姿勢で開始するか、またはそれに位置合わせすることによって、工具の絶対空間姿勢の特定は必要ではなくなる。その代わりに、工具が異なる操作モードで工具制御ユニットによって操作されるべきかどうかを特定することができるようにするためには、時間の経過による工具姿勢の変化を特定すれば十分である。様々な操作モードが、加工物に対する相対的工具姿勢によってのみ特定することができるので、少なくとも１つの角度ずれだけによって、工具の相対姿勢または空間姿勢変化を特定すれば十分であることがわかっている。
【００１５】
工具姿勢の基準姿勢との位置合わせは、例えば、工具が、正確に定義された姿勢と方位を有する保持部材内に位置している場合に、実行してもよい。オペレータの位置合わせを、ボタンを押すことによって開始することもできる。異なる実施形態においては、位置合わせが自動的に実施されるように準備してもよい。
【００１６】
この場合に、前記の少なくとも１つの角度ずれは、極角の意味合いで理解することも、極座標系における方位角の意味合いで理解することも、意図していないことにも留意すべきである。工具の実際の空間姿勢変化に関する結論を導くためには、２つの姿勢ベクトルの空間角度ずれを特定すれば十分である。この姿勢変化から、またはこの少なくとも１つの制御変数から、工具用の工具制御ユニットによって新規の操作モードを調節することを意図しているかどうかを、確定しておくことができる。
【００１７】
本発明によれば、このように、大幅に減少した情報によって、すなわち、少なくとも１つの角度ずれによって、自動制御または自動調節の意味合いで工具の適当な操作を保証することができる。手持ち工具の空間姿勢変化を特定する方法によれば、少なくとも１つの角度ずれによって、工具の方位に関する情報を、例えば、加工品制御システムが適当な方法で受け取ることができる形態で提供することが可能になる。工具の方位に関係する情報は、この例では、角度ずれの値においてのみ明白にするか、またはすでにさらに処理されているデータ値において明白にしてもよい。
【００１８】
本発明の別の中心観点は、本発明の方法は、工具の幾何学的配置または工具に装着することのできるセンサに依存しないことである。それよりむしろ、本発明による方法は間接的測定方法であって、工具上のそのようなセンサの位置決めに対しても高度な柔軟性をもたらす。この例における工具の幾何学的配置を本方法を支援するために使用してもよいが、このことは、少なくとも第１の姿勢ベクトルを特定するために、最初に工具姿勢が基準姿勢と位置合わせされているので、必須ではない。本発明による方法が工具の幾何学的条件、または工具上でのセンサの可能な位置決めに依存しないことによって、さらに、既設の工具制御ユニットを有する工具上の後付け可能な方位特定ユニットによって、この方法を実行することが可能になる。
【００１９】
本発明による方法の特に好ましい態様によれば、工具姿勢の変化を確定することは、工具に装着されて、少なくとも１つの角度ずれを直接的または間接的に確定する、少なくとも１つのセンサによって実行される。直接的な確定は、例えば、適当な傾斜センサによって実行することができる。間接的な確定は、例えば、作業工程において工具の運動状態または加速状態を追跡することのできるセンサによって可能である。センサ情報について簡単な評価を行った後に、少なくとも１つの角度ずれをその結果として特定して、それを工具の方位についてのさらなる情報として提供することができる。
【００２０】
しかしながら、工具に装着された少なくとも１つのセンサは、操作過程中に工具に接続したままにすることが必要である。この例においては、その少なくとも１つのセンサは、工具の幾何学的配置に適合させるか、または適当な方法で工具と一体化することができる。この少なくとも１つのセンサは、工具の把持領域に一体化するのが好ましい。しかしながら、工具の少なくとも第１の姿勢ベクトルを特定するために、工具姿勢が最初に基準姿勢と位置合わせされることによって、センサの姿勢が、本発明の方法にさらなる影響を与えることがない。しかしながら、より正確な工具姿勢を特定するために、工具の幾何学的配置に対するセンサの位置決めを行うか、またはその位置を事前設定することも有利である。
【００２１】
本発明による方法の別の態様によれば、少なくとも１つの角度ずれは、最小で０度、最大で１８０度である。すなわち、重力加速度の方向に対する相対姿勢に応じて、加工しようとする材料への溶接エネルギーの入力を比較的大きく、または小さくして溶接操作が実行してもよいので、例えば、溶接操作を実行するための溶接工具について、重力加速度の場に対して溶接工具がどの姿勢または方位を有するかを特定することだけが必要である。しかしながら、この例においては、重力加速度の方向に対して、０度から１８０度の範囲における角度ずれの値を知れば十分である。結果として、工具制御ユニットによって処理される情報のさらなる低減を実現することができて、これによって、工具制御ユニットによる、より高速で効率的なモニタリング、制御または調整が可能になる。
【００２２】
本発明による方法の別の有利な態様によれば、少なくとも１つの角度ずれを特定することには、姿勢ベクトルに対する工具の傾斜姿勢を特定することを伴う。少なくとも１つの角度ずれに加えて、傾斜姿勢は、姿勢ベクトルに対する工具の方位に関するさらなる情報を提供する。この例においては、傾斜姿勢は、姿勢ベクトルに対する工具の相対的回転を確定し、例えば、極角および／または方位角を用いて再生することができる。工具の傾斜姿勢を考慮に入れることによって、加工しようとする加工物に対する正確な工具方位を考慮することが可能になるとともに、複雑な操作に対して有利になることもある。
【００２３】
本発明による方法の別の態様によれば、基準姿勢は、重力加速度の方向によって決められる。結果として、初期工具姿勢の位置合わせの工程中に工具の第１の姿勢ベクトルを特定するために、工具は、重力加速度の方向に対して所定の相対的姿勢において初期化される。初期化のために、例えば、所定の工具の軸、例えば、溶接工具のトーチヘッド（torch head）を、垂直姿勢に動かして、それによって重力加速度の方向との対応づけが実行される。この方位において特定された第１の姿勢ベクトルは、確定され、記憶されて、次いで、さらに特定される姿勢ベクトルすべてに対する基準ベクトルを構成することができる。
【００２４】
工具が交換されると、次いで、新規の姿勢ベクトルが適当な時間間隔で特定されて、記憶された第１の姿勢ベクトルと電子的に比較される。この比較によって、少なくとも１つの角度差の特定を可能にして、結果として、工具の現在空間方位に関する言明を可能にする。少なくとも１つの角度ずれが０度から１８０度の間であれば、例えば、初期化ベクトルとして作用する第１の姿勢ベクトルは、重力加速の方向に対して、０度の方位に対応する。１８０度に対して、第１の姿勢ベクトルおよび時間的にその後に特定された姿勢ベクトルは反対方向に向いており、これは、工具の上向き姿勢に実質的に対応する。９０度において、工具は、例えば、水平方位に保持される。
【００２５】
本発明による方法の別の態様によれば、角度ずれの特定は、新規に確定された姿勢ベクトルと少なくとも１つの時間的に先行する姿勢ベクトルとの、スカラー積および絶対積から、商を計算することによって実行される。角度ずれの特定は、この例において、電子的な方法で達成するのが、特に容易である。２つの姿勢ベクトル間のスカラー積および絶対積から商を計算することによれば、中間角度の余弦を最初に求めることができ、それから、三角関数計算によって、中間角度それ自体を容易に求めることができる。
【００２６】
本発明による方法の別の極めて有利な観点によれば、加速度センサ（複数を含む）は、静的加速度センサであり、少なくとも１つの角度ずれは、それらのセンサの静的加速度値を用いて計算される。この例においては、静的な３軸加速度センサが、有利であることがわかっており、それらによって３軸における静的な重力加速度を特定することが可能になるのに加えて、運動変化から生じる動的な加速度値も特定することが可能となる。しかしながら、工具の方位を特定するためには、この例においては、静的な加速部分だけが必要である。しかしながら、動的加速度部分は、さらなる機能のために使用することができる。しかしながら、代替的に、互いに適当な方位で工具に固定された３つの単軸加速度センサを使用することも有利である。
【００２７】
本発明による方法において使用するのに適するセンサの種類は、測定範囲、精度または解像度、大きさ、データ転送およびそれらの価格において異なる。そのようなセンサの好適な態様によれば、測定範囲は、−２ｇから＋２ｇ（この例でのｇは重力加速度の値に対応する）の範囲に選択してもよい。これらのセンサは、好ましくは堅牢で、衝撃感受性であって、比較的大きな温度範囲にわたって使用することもできる。そのような温度範囲は、例えば、−１５℃から＋１００℃に拡がる。そのようなセンサの大きさは、典型的には、センサの解像度または精度を決め、操作に応じて、数ミリメートルからエッジ長１ｃｍ超までのエッジ長を有する。さらに、本発明による方法に好ましく使用することのできる、アナログセンサおよびディジタルセンサがある。データ転送は、例えば、Ｉ２ＣバスまたはＳＰＩバスを介して電圧信号を用いて実行してもよい。
【００２８】
本発明による方法の別の態様によれば、そのようなセンサはまた、例えば、自由落下または適当なフィルタリング用の閾値の認識、および信号処理などの追加の機能を有する。自由落下検出は、例えば、工具が作業者の手から制御されずに落下するときに、例えば、適当な安全機能を実現することを可能にする。例えば、自由落下の発生時に溶接トーチのスイッチを自動的に切断することが可能である。また、工具に対して、または工具によって所定のタッピング信号を使用して、工具制御ユニットを使用する適当な操作モードを調節することもできる。そのような追加の機能は、工具制御ユニットによって選択方式でサポートしてもよい。
【００２９】
本発明による方法の別の態様によれば、センサ（複数を含む）は、３軸加速度センサを含む。代替的に、３つの単軸加速度センサを含めてもよい。
本発明による方法の別の観点によれば、加速度センサ（複数を含む）は、工具の少なくとも１つの速度成分を特定するのに適した、動的加速度値を検出してもよい。動的加速度値は、典型的には、追加の機能に使用してもよい。これによって、例えば、動的加速度値を時間で積分することによって、適当な速度成分を計算することができる。この方法で求められた少なくとも１つの速度成分も、例えば、発生している横方向加速度に対して補正されるか、または横方向加速度が補償される場合には、それによって溶接速度を確定することも可能である。そのような溶接速度は、例えば、工具の方位に関係する情報を調節するための方位情報の代わりに使用するか、またはそれに加えて使用してもよい。
【００３０】
運動を互いに区別するために、動的な加速度値を使用することも可能である。例えば、溶接工具を使用して溶接を行うときに、上向き方向（ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ６９４７による姿勢ＰＦ）および下向き方向（ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ６９４７による姿勢ＰＧ）での溶接方向の区別は、工具制御ユニットによって工具の制御または調整を改善することのできる、重要な情報である。
【００３１】
本発明による方法の別の態様によれば、少なくとも１つのセンサの加速度値が、重力加速度の値に対して計算される。この例においては、重力加速度の値は、典型的には、事前設定される。したがって、時間的に先行する姿勢ベクトルから、新規に特定された姿勢ベクトルの少なくとも１つの角度ずれを特定することを容易化することができて、相対値だけが計算される。
【００３２】
本発明による方法の別の観点によれば、少なくとも１つの角度ずれの特定は、初期工具姿勢の位置合わせの後に、規則的時間間隔で、好ましくは少なくとも１００Ｈｚ、特に少なくとも１０Ｈｚ、好ましくは少なくとも１Ｈｚの頻度で、連続的に実行される。操作方法に応じて、手持ち工具の姿勢変化につながる、比較的高速の運動変化も、このようにして確定することが可能であり、少なくとも１つの角度ずれの計算に寄与する。連続的溶接工程でも、１秒未満の時間解像度は必要であると思われるような、工具姿勢の迅速な変化は行われないので、手持ち工具を使用する従来型溶接方法に対しては、特に、１Ｈｚの頻度はすでに十分である。
【００３３】
特に、工具がまだ操作可能でないが、基準姿勢の位置合わせのために初期工具姿勢が達成されているときに、比較的短期間に少なくとも１つの角度ずれの特定を実行することも可能である。この工具を用いて操作が開始される場合には、少なくとも１つの角度ずれの特定が、相対的な意味で、時間的によりゆるやかに行われてもよい。例えば、落下の検出と、その結果としての工具のスイッチ切断も提供することを意図される場合には、角度位置の比較的迅速な検出は、やはり操作中に有利でもある。結果として、例えば、落下状態が検出されるときに、工具が場合によっては床に衝突する前に、工具のスイッチを切断することも可能である。
【００３４】
手持ち工具の姿勢変化を特定する方法の別の観点によれば、少なくとも１つの角度ずれから工具の方位に関する情報を確定することに、工具上のセンサの位置が考慮に入れられる。工具上のセンサの位置を考慮に入れることによって、例えば、姿勢ベクトルに対する工具の回転を特定することが可能となり、その結果として工具および加工しようとする構成部品の方位を、実質的に明確な方法で特定することができる。例えば、それによって、加工しようとする材料に対して、工具が向いている角度に関する情報を提供する、姿勢または方位に関する情報の項目を取得または計算することができる。
【００３５】
例えば、溶接方法について、材料に対する工具の入射角を介して、材料の表面積当たりのエネルギー入力を特定して、結果として、不適当な値が生じた場合には、溶接電流または溶接電圧または溶接パラメータ全般を調節または追跡することが考えられる。ドリル加工またはフライス加工の方法、および接合方法または噴霧方法の場合には、加工しようとする加工物と工具の有利な相対的方位を用いることによって操作結果の品質に影響を与えるのが有利なことがある。工具上のセンサの正確な位置が既知であり、工具の幾何学的配置が考慮に入れられているときには、利用可能な情報は、あいまいさのない方法で工具の姿勢または方位を特定するのに十分である。
【００３６】
本発明による方法の別の態様によれば、少なくとも１つの角度ずれを特定するための時間的に先行する姿勢ベクトルは、所定の基準ベクトル、特に、引力の基準ベクトルである。この態様によれば、少なくとも１つの角度ずれは、このように重力場の方向を基準として常時、特定され、それによってほとんどの操作に対して十分である方位情報を特定することができる。好ましくは、引力および引力の方向は、その目的のために特別に設けられたセンサによって特定することが可能であり、その結果として、少なくとも１つの角度ずれを特定する度に、引力の適切な値および適切な方位ベクトルが利用可能である。そのような基準ベクトルは、工具制御ユニット内にあらかじめ記憶させることもできる。
【００３７】
本発明による方法の別の態様によれば、工具の方位に関する情報を提供した後に、工具の少なくとも１つの制御変数が確定され、この制御変数は、工具制御ユニットに伝送するために準備される。少なくとも１つの制御変数を確定することは、この例においては、工具制御ユニットそれ自体において、またはその上流に配設される装置において行うことができる。したがって、工具制御ユニットは、直接的に変換して、工具の操作モードを制御または調整するのに使用することのできる、適切な制御変数または調整変数を受け取ることができる。したがって、この態様による方法は、少なくとも１つの制御変数の迅速で効率的な提供を可能にする。
【００３８】
本発明による方法の別の態様によれば、工具の方位に関して提供された情報および／または少なくとも１つの制御変数の値が、データ記憶装置に記憶される。一方で、この記憶装置は、作業者が、作業工程を連続的にモニタリングすることを可能にするとともに、適切に準備された練習および訓練の目的で作業者に利用可能にすることもできる。さらに、データ記憶装置は、品質保証に関して、作業工程をモニタリングすることを可能にするとともに、エラーの除去またはエラーの解析に貢献することができる。
【００３９】
本発明による方法の別の態様によれば、工具の方位に関する情報に加えて、少なくとも１つの制御パラメータも、工具が、所定の加速パターンとして確定することのできる、所定の空間姿勢変化を実行するときに提供される。制御パラメータは、制御変数の文脈において、工具制御ユニットによるさらなる処理に関する情報を構成することができる。特に、制御パラメータは、制御または調整のために工具制御ユニットが、未修正の形態で受け取ることのできる、制御変数である。本態様による空間姿勢変化とは、例えば、望ましくない工具誘導を知らせる、加速ピークや加速ステージである。例えば、工具を意図せずに落とした場合、特に溶接工具の場合、望ましくない工具誘導または作業者に危険な工具誘導を知らせる、加速ステージが確定される。代替的に、ある特定のパターン、例えば、工具のある特定の急速加速および回転は、自由落下を示すことがある。これに応じて、工具制御ユニットによって緊急停止に変換される、適切な情報または少なくとも１つの制御パラメータを提供することができる。
【００４０】
本発明による方法の別の観点によれば、初期工具姿勢を基準姿勢と位置合わせすることによって、互いに垂直に位置して、２次元の座標系を定義する、工具の２つの姿勢ベクトルを特定することが可能となり、工具の実際の空間姿勢変化中に工具姿勢の変化を確定することは、座標系に投影された新規に特定された姿勢ベクトルを確定することを伴う。最初に定められた座標系にそのように投影することによって、ユーザは、その工具が、例えば、取り扱い中に逸脱または傾斜する方向、または所望の操作結果を達成するための補正を実行しなくてはらない方向を示すことができる。最も簡単な場合に、定義された２次元座標系は、工具の基準姿勢および現在姿勢ベクトルの座標がそこで計算される、直交座標系である。結果として、簡単な三角関数計算によって、工具姿勢（実際姿勢）の所望基準姿勢（座標系の原点）からの差異を計算することができ、続いて、この差異を、特に有利な方法で工具の取り扱いを選択的に実行するように作業者を誘導するために、適当な形態で作業者に供給することができる。
【００４１】
上記の目的は、特に、上記の方法を実行するための、工具および／または工具制御ユニットであって、工具の１つまたは２つまたは３つの所定の軸の方向における重力加速度の少なくとも１つ、特に２つ、好ましくは少なくとも３つの成分（複数を含む）を測定する、好ましくは工具に（確実に）連結された、少なくとも１つのセンサを含む、前記工具および／または工具制御ユニットによって独立して達成される。センサが工具に（確実に）連結されていることから、センサが、工具の回転動作または傾斜動作に参加し、結果的に、工具の回転または傾斜中に変化する重力加速度の成分によって、異なる値を示す。この値の差異から、本発明によれば、次いで工具の傾斜もしくは回転またはその姿勢変化を導出することができる。それによって、構造的に簡単な姿勢変化の特定を実行することができる。
【００４２】
一般的な概念（これは独立して請求されている）によれば、加速度センサの使用が提案されており、この加速度センサは、（前記）工具に（確実に）連結されており、工具の少なくとも１つ（または２つまたは３つ）の所定の軸の方向における重力加速度の少なくとも１つ（または２つまたは３つ）の成分を測定する。
【００４３】
本発明による工具または工具制御ユニットの特に好ましい態様によれば、工具に装着された少なくとも１つのセンサを用いて生成されたデータは、工具制御ユニットまたは工具制御ユニットと協働する検出ユニットに、固定式導線を用いて伝送される。代替的に、伝送は無線で実行してもよい。無線伝送は、例えば、電波を用いて実行することができるが、センサによって生成されたデータを伝送する固定式導線を、工具と工具制御ユニットを接続するホースアセンブリ内に、他の電線と一緒に含めてもよい。両方の態様は、作業操作の間に、実質的に妨げられることのない工具の取り扱いを可能にする。特に、工具制御ユニットと協働する検出ユニットと、それ自体が協働する無線センサを使用することによって、工具および工具制御ユニットの有利な後付けが可能となり、それによって、それらが方位特定または姿勢特定の利点および柔軟性を活用することもできる。
【００４４】
本発明による方法の別の態様によれば、工具は溶接工具である。この工具は、接合工具またはドリル工具もしくはフライス工具、あるいは塗装操作を実行するための工具、例えば、スプレーガン（または噴霧工具または噴射工具）とすることもできる。
本発明による工具または工具制御ユニットの別の態様によれば、工具に装着された少なくとも１つのセンサの内の少なくとも１つが、工具の操作ハンドルまたはハンド部分に装着されるか、その中に装入される。一方、操作ハンドルまたはハンド部分への装着は、センサへの損傷の可能性という意味合いでは、信頼性の高いタイプの装着であり、他方、この装着場所によって、作業者の位置に対してセンサ位置を明確に定義することも可能になる。さらに、工具の操作ハンドルまたはハンド部分に装着すると、作業手順中に破壊する危険性が比較的低いことがわかっており、この理由は、一方で、作業者が操作手順における不利点を考慮に入れなければならないほど、工具のバランスにも、工具の到達範囲のいずれにも影響を与えることがないからである。
【００４５】
本発明による工具または工具制御ユニットの別の態様によれば、工具の方位に関する情報および／または少なくとも１つの制御変数の少なくとも１つの値が、工具制御ユニット、または工具制御ユニットと協働する検出ユニットに伝送される。それに応じて、工具制御ユニットは、方位情報または制御変数を処理することが可能であり、それによって、その情報が工具の適切な操作モードを選択するために適当な方法で供給される。好ましくは、工具の方位に関する情報を提供すること、または少なくとも１つの制御変数を提供することは、工具制御ユニットに情報を供給する前に、適当な変数を計算するマイクロコントローラよって実行することができる。
【００４６】
本発明による工具の別の態様および工具制御ユニットによれば、工具制御ユニットは、工具の方位に関する情報および／または制御変数の少なくとも１つの値に基づいて、工具の操作状態の変更が実行されるかどうかを決める。制御変数がすでに制御パラメータになっている態様であって、それによれば制御パラメータは工具制御ユニットによって直接的に処理されるともに、未修正の形態で受け取られて読み込まれ、工具を制御または調整することができる態様は、この例においては、特に有利であることがわかっている。
本発明のその他の態様は、独立請求項から理解されるであろう。
以下に、実施態様を参照して本発明を記述するが、これらの実施態様は、図面を参照することにより、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１ａ】工具の第１の姿勢ベクトルを特定するための工具姿勢にある工具制御ユニットを有する、本発明による工具の第１の態様を示す図である。
【図１ｂ】時間的に後続の姿勢ベクトルを特定するために、工具を姿勢変化させた後の工具制御ユニットを有する、図１ａに示す本発明による工具の態様を示す図である。
【図１ｃ】図１ａおよび図１ｂによる工具姿勢によって記述された、工具の姿勢変化の概略図である。
【図２】工具制御ユニットを有する、本発明による工具の別の態様を示す図である。
【図３】時間的に連続する姿勢ベクトルの間の少なくとも１つの角度ずれを特定するための、全体的な工具の空間姿勢変化の概略図である。
【図４】工具の様々な操作モードに関連する様々な領域を基準とする、２つの異なる空間工具姿勢の概略図である。
【図５】完全な空間工具方位を特定する、本発明による方法の別の態様を示す図である。
【図６】本発明による方法の一態様を示すフローチャートである。
【００４８】
以下の説明においては、同一の参照番号は、同一または同一の効果を有する構成要素に使用される。
図１ａは、工具制御ユニット２を有する、本発明による工具１の第１の態様の概略側面図である。この例においては、工具１は、好ましくは溶接工具である。しかしながら、上記構造による他のすべての有利な工具形態も、工具１の図解に含まれている。工具１は、最初に、軸ｘ、ｙ、ｚを有する概略表示された座標系によって示される空間内に自由に配設される。工具１の配設は、この例では
【数１】
2013066999.tif 000003
で示されている重力加速度の場の方向に対して固定された、あらかじめに定められた配設とするのが好ましい。
【００４９】
この例においては、上記配設は、工具１のハンドルの縦方向限界方向を向いた軸Ｌ２に対するか、またはそれに対して垂直に伸びるとともに、工具１の工具ヘッドに対して縦方向に伸びる、軸Ｌ１に沿って決めることができる。工具１の姿勢変化を特定するために、工具１は、ハンドルの端部に、無線で工具制御ユニット２内の受信器と通信することのできるセンサ１０を備えている。この例においては、工具制御ユニット２自体に、適当な受信器が備えられるか、または無線通信を可能にする別の受信要素または別の受信器ユニットが設けられている。
【００５０】
本態様における手持ち工具の姿勢変化を特定するための本発明による方法を実行するためには、最初に、初期工具姿勢を基準姿勢と位置合わせして、工具の少なくとも第１の姿勢ベクトルを特定しなくてはならない。この操作が、図１ａに図解されており、工具１は、重力加速度
【数２】
2013066999.tif 000004
の方向に対して幾何学的に簡単な関係にある。時間的に継続して、工具１がこの初期姿勢に対して、例えば図１ｂに概略的に図示されるように、作業者によって動かされると、センサ１０が、工具１の実際の姿勢変化中の工具の空間姿勢の変化を確定する。
【００５１】
この確定は、本態様によるこの例においては、（例えば、Ｌ１および／またはＬ２によって定義される）工具の所定の軸において静的加速度成分を確定することによって実行される。センサ１０は、好ましくは３次元加速度センサであって、これによって静的加速度成分を確定することも可能になる。センサ１０が検出する静的加速度部分から、時間的に先行する姿勢ベクトルを基準として、新規に特定された姿勢ベクトルの角度ずれが特定される。この態様によれば、時間的に先行する姿勢ベクトルは、図１ａに図示するような第１の姿勢ベクトルである。この態様によれば、第１の姿勢ベクトルは、静的重力加速度
【数３】
2013066999.tif 000005
のベクトルと同一にしてもよい。
【００５２】
工具１の実際の姿勢変化中の工具姿勢の変化の確定は、時間的に先行する姿勢ベクトルとの比較において、新規に特定された姿勢ベクトルの少なくとも１つの角度ずれ（この例では、ぴったり１つの角度ずれ）αを特定することによって実行される。図１ｃは、このような少なくとも１つの角度ずれαを特定するステップを概略的に示す。この例では、工具１のハンドルの縦方向限界方向に伸びる縦方向軸Ｌ２は、最初に、重力加速度
【数４】
2013066999.tif 000006
に垂直な方向に位置合わせされた。この位置合わせによって、この例には図示されていないが、ｘ方向に伸びる少なくとも第１の姿勢ベクトルを特定することが可能になる。工具姿勢をうまく変化させた後に、別の姿勢ベクトルが特定され（やはり、この例には図示されていない）、その結果として、第１および２の姿勢ベクトルの間の角度ずれαを特定することができる。この角度ずれαによって、工具の方位に関する適当な情報の提供が可能となり、その結果として、この情報を取得した後の工具制御ユニットは、工具１の適当な操作モードを調節することができる。操作モードの選択は、この例においては、操作タスクに依存する。
【００５３】
この例においては、角度ずれαは、重力加速度
【数５】
2013066999.tif 000007
のベクトルの方向または姿勢に最初に位置合わせされた工具姿勢によって特定することができることに留意されたい。それに応じて、工具１の工具ヘッドに沿って、図１ａに示す軸Ｌ１との位置合わせを実行することができる。
【００５４】
図２は、工具制御ユニット２を有する、本発明による工具１の別の態様を図示しており、この工具制御ユニット２は、センサ１０が、無線式ではなく、代わりに固定式導線１１を用いて工具制御ユニット２に連結されている点においてのみ、図１ａおよび１ｂに図示された態様と異なる。この例においては、固定式導線１１はまた、工具１と工具制御ユニット２の間のその他の供給管および排出管と一緒に、ケーブルアセンブリ内に含めてもよい。センサ１０から工具制御ユニットまでのセンサデータの伝送を、直接的に実行するのではなく、代わりに、この例には図示されていないが、工具制御ユニット２の上流に配設された、検出ユニットを介して行うことが可能である。
【００５５】
図３は、本発明による方法の一態様の概略図解であり、やはり空間角度ずれを特定するための明示的姿勢ベクトルを示している。この例においては、工具１は、最初に姿勢ベクトル
【数６】
2013066999.tif 000008
によって記述される姿勢から、姿勢ベクトル
【数７】
2013066999.tif 000009
によって記述される第２の姿勢まで動かされる。この例においては、姿勢変化は空間内で自由に実行することができる。２つの姿勢ベクトル
【数８】
2013066999.tif 000010
および
【数９】
2013066999.tif 000011
の角度ずれから、角度ずれαの値が特定され、この値が、工具１の方位に関する情報を確定するために提供される。
【００５６】
この例においては、姿勢ベクトル
【数１０】
2013066999.tif 000012
は、工具１の第１の姿勢ベクトルであり、このベクトルは、初期工具姿勢が基準姿勢と位置合わせされるときに実質的に特定されるが、時間的に先行する姿勢ベクトルとしてもよい。特に有利な方法で、姿勢ベクトル
【数１１】
2013066999.tif 000013
は、重力加速度
【数１２】
2013066999.tif 000014
の方向に対して特定される。この目的で、工具１は、重力加速度ベクトル
【数１３】
2013066999.tif 000015
の方向に対して、固定的に定義された姿勢へと動かすことを意図しており、その結果として、両者が互いに固定された関係で位置している。特に、姿勢ベクトル
【数１４】
2013066999.tif 000016
が重力加速度場
【数１５】
2013066999.tif 000017
のベクトルと平行に伸びることは有利である。
【００５７】
図４は、手持ち工具の空間姿勢変化を特定するための、本発明による方法の別の態様を図示している。この例においては、工具１は、再び、姿勢ベクトル
【数１６】
2013066999.tif 000018
で図示される初期姿勢から、姿勢ベクトル
【数１７】
2013066999.tif 000019
で図示される時間的に後続の姿勢へと動かされる。両方の姿勢ベクトルの間で、角度ずれαが特定される。この態様によれば、工具の方位に関する情報が、特定された角度ずれαから確定され、工具が領域１または領域２のいずれに配設されているかを区別することを可能にする。両方の領域が、工具１の操作モードに関連しており、その結果として、工具姿勢が領域１から領域２へ動くと、操作モードの変化が実行される。
【００５８】
この例においては、領域１と領域２は、工具１の角度位置だけによって、空間的に互いに区別されることにも留意されたい。特に、両方の領域は、その記述には３つの空間方向の確定を必要とする座標系の領域ではない。この例においては、領域１は、その先端が座標系の原点に対応する、円錐台として図示されている。結果として、工具は、姿勢ベクトル
【数１８】
2013066999.tif 000020
によって図示されている、その初期姿勢から離れて、角度αのまわりに任意の空間方向に動かされて、計算された角度ずれαを使用して、工具１が領域１から領域２へと動かされたかどうかを特定することができる。正常な転送が行われる場合には、操作モードの変化を、図示されていない工具制御ユニット２で開始することができる。
【００５９】
図５は、工具１の正確な空間姿勢または正確な方位を特定するために、３つの角度ずれα１、α２およびα３を特定する、手持ち工具の姿勢変化を特定するための本発明による方法の別の態様を図示している。この例における角度ずれα１は、方位角度に対応する。角度ずれα２は、極角度に対応する。両方とも、姿勢ベクトル
【数１９】
2013066999.tif 000021
と時間的に後続の姿勢ベクトル
【数２０】
2013066999.tif 000022
の適当な三角関数関係から特定することができる。角度ずれα１は、この例では、ベクトル
【数２１】
2013066999.tif 000023
の角度ずれを示し、このベクトルは、ｘ、ｚ面に投影されて、ｘ、ｚ面内の姿勢ベクトル
【数２２】
2013066999.tif 000024
の投影から特定される。
【００６０】
姿勢ベクトル
【数２３】
2013066999.tif 000025
に対する、工具１の相対的回転または方位に関する言明をさらに可能にするために、別の角度ずれα３が特定され、この角度ずれは、工具１のハンドルの縦方向限界方向のまわりの回転を確定する。これらの３つの角度ずれα１、α２およびα３を確定することによって、その空間姿勢を基準とする、より広範で正確な工具ヘッドの特定が可能であり、これは、より困難な操作またはさらに複雑な幾何学的配置を実行するために必要となる可能性がある。
【００６１】
この点において、２つ以上の角度を使用することは、初期工具姿勢の基準姿勢との位置合わせのための初期化と、工具の時間的に後続の方位を特定することの両方に対して重要であることも留意されたい。初期化は、例えば、結果的に工具の空間姿勢をより完全に記述できるように、複数の姿勢ベクトルを介して、実行してもよい。例えば、工具１の水平方位に対して、工具が、加工物の左または右の位置のいずれに、またどの角度で配設されているかに関して、方位情報の追加の項目を提供することができる。原理的に、初期化のために、任意の量の工具１の姿勢ベクトルを使用することも可能であり、ある特定の時間に、必要に応じて続いて計算することができる。しかしながら、初期化を行う結果として、通常は、正確に幾何学的な方法で工具を記述または測定する必要はない。
【００６２】
図６は、手持ち工具の姿勢変化を特定するための、本発明の方法の一態様を図解するためのフローチャートである。この例においては、姿勢ベクトル１を特定するために、最初に、初期工具姿勢を位置合わせすることが必要である。正常な位置合わせの後に、工具の空間姿勢は、作業工程において作業者によって適切に修正され、この工具姿勢の修正の確定は、時間的に後続の新規姿勢ベクトルを用いて実行することができる。姿勢ベクトルの角度ずれと新規に特定された姿勢ベクトルによって、工具１が基準姿勢に対してどのように変化したかの結論を導くことが可能になる。この態様によれば、前記の角度ずれまたは複数の角度ずれが、工具の方位に関する情報として提供される。前記の角度ずれまたは複数の角度ずれはまた、代替態様においては、工具の方位に関する情報の確定に貢献するように、相応に処理してもよい。
【００６３】
この点において、単独または任意の組合せで考慮される、上述のすべての構成要素、特に図面に図示された詳細は、本発明に対して重要であるものとして特許請求されることに留意されたい。それらに対する修正は、当業者にはありふれたものである。
【符号の説明】
【００６４】
１ 工具
２ 工具制御ユニット
１０ センサ
１１ 固定式導線
【図１ａ】
2013066999.tif 000026
【図１ｂ】
2013066999.tif 000027
【図１ｃ】
2013066999.tif 000028
【図２】
2013066999.tif 000029
【図３】
2013066999.tif 000030
【図４】
2013066999.tif 000031
【図５】
2013066999.tif 000032
【図６】
2013066999.tif 000033
【外国語明細書】
2013066999000001.pdf