CN103079773B - 工具机装置、工具机和用于工具机装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工具机装置，尤其手持工具机装置，其具有传感单元（10），它在至少一个运行状态中提供至少一个传感信号（12），它设置用于确定相对于环境的相对运动。本发明建议，所述传感单元（10）具有至少一个光学的传感元件（14）。

Description

工具机装置、工具机和用于工具机装置的方法

技术领域

本发明涉及一种工具机装置、尤其手持工具机装置。

发明内容

本发明涉及一种工具机装置、尤其手持工具机装置，其具有传感单元，它在至少一个运行状态中提供至少一个传感信号，该传感信号设置用于确定相对于环境的相对运动。

本发明建议，所述传感单元具有至少一个光学的传感元件。“传感单元的传感信号”尤其指的是传感单元的模拟或数字的输出特征参数，它直接取决于传感单元的测量参数。传感单元的测量参数有利地构成为环境亮度。“提供传感信号”尤其指的是在传感单元的至少一个信号输出端上用于模拟和/或数字地继续处理传感信号的规定的输出。“光学的传感元件”尤其指的是对于光信号敏感的元件，其中“光学信号”尤其指的是在至少一个确定的光波长范围中的亮度。在此原则上可以使光学的传感元件在波长范围的确定波长上优化。“波长范围”尤其指的是可见光的波长范围。但是原则上光学的传感元件也可以是在不可见光的波长范围、例如尤其红外光范围敏感的。“设置”尤其指的是专门地构成、设计和/或编程。通过光学的传感元件可以实现特别简单的传感单元，它尤其可以设置用于连接在安全单元上，并且它有利地对于其它应用提供高附加效用。在此所述工具机装置可以固定地集成到工具机中或者也可以作为附属部件，尤其以附加手柄的形式构成。原则上能够使工具机装置设计成可再配备的附加装置。

所述传感单元优选包括另外至少一个传感元件，其中所述至少两个传感元件具有至少部分相互错开的检测范围。在此“传感元件的检测范围”尤其指的是沿着至少一个空间方向的至少一个角度范围，在该范围上所述传感元件检测环境亮度。传感元件的信号值优选对应于环境亮度在确定的空间范围上的积分度量。“相互错开的检测范围”尤其指的是，检测范围至少在部分范围中覆盖不同的空间范围。由此可以特别简单地识别相对运动，其中传感信号由此尤其设置用于确定运动方向。原则上这是足够的，当传感单元检测所有可能的空间方向的一部分时，尤其当仅仅要检测显著的运动时。此外有意义的是，限定的空间范围,尤其围绕手柄的空间范围,排除在利用传感单元进行的检测以外。

此外建议，所述至少两个传感元件的检测范围部分地重叠。“重叠的检测范围”尤其指的是，检测范围至少在部分范围中覆盖相同的空间范围。由此可以简化确定所述相对运动。

所述传感单元有利地具有至少一个传感器轴线并且所述至少两个传感元件基本环形地围绕传感器轴线布置。在此“传感器轴线”尤其指的是虚拟的轴线，通过它定义传感单元的敏感方向，即沿着该方向传感单元可以确定相对于环境的相对运动。在此“传感元件的布置”尤其指的是通过传感元件的检测范围定义的传感元件的方位。在此“环形的布置”尤其指的是传感元件基本同心地围绕传感器轴线的布置。传感元件有利地分别具有中心取向，其中所有的传感元件的中心取向在传感器轴线上相交。在此“中心取向”尤其指的是传感元件的检测方向，它通过传感元件的传感面的几何中心点和检测范围的几何中心点以到传感面的限定的距离来定义。“基本环形的布置”在此意义上尤其指的是，传感元件与传感器轴线的距离基本相同大小。对此尤其也指的是，仅仅一部分传感元件环形地围绕传感器轴线布置，尤其当传感单元具有三个或多个传感元件的时候。通过基本环形的布置尤其可以有利地确定围绕传感器轴线的旋转运动，由此可以找到尤其用于手持工具机的特别有利的构造。但是原则上也可以设想，使传感元件至少部分地基本直线地沿着传感器轴线布置，由此可以有利地检测直线运动。

原则上可以设想，所述至少一个传感元件可旋转地布置。在此尤其有利的是，所有传感元件围绕布置轴线旋转。在此在一种构造中所述至少一个传感元件可自由旋转地支承，其中它具有至少一个不平衡，它影响传感元件在重力场中的方位。也可以选择地设想，使传感单元具有至少一个驱动装置，它设置用于，使所述至少一个传感元件被驱动进行旋转运动。由此可以减少传感元件的数量和/或平衡外壳运动。

所述至少一个光学的传感元件有利地设计成光电二极管或光晶体管，由此可以实现传感单元的特别的结构构造。在此光电二极管或光晶体管尤其指的是具有至少一个PN结或NP结的元件，其中由传感元件给出的电压或由传感元件给出的电流有利地用作为测量信号的信号值。在此尤其在要求高的测量精度时也可以设想以线传感器或图形传感器的形式形成传感元件，由此尤其可以实现具有多于100或者多于1000个传感元件的构造。但是原则上传感元件也可以设计成光敏电阻。

此外建议，所述工具机装置具有计算单元，它设置用于借助于由所述至少一个传感元件检测的环境亮度确定所述相对运动的速度值。“计算单元”尤其指的是具有信息输入、信息处理和信息输出的单元。计算单元有利地具有至少一个处理器、存储器、通讯机构、其它可能的电子元器件、驱动程序和/或计算程序，它布置在共同的电路板上，分布成多个结构组件和/或有利地布置在共同的外壳中。通过计算单元可以有利地评价传感信号，其中借助于环境亮度确定速度值，能够实现特别有利的工具机装置的构造。“检测的环境亮度”尤其指的是，由所述至少一个传感元件提供的传感信号的信号值至少取决于环境亮度。原则上传感值可以除了环境亮度附加地代表色值。尤其也能够实现信号值的多维结构，例如在单独评价不同的波长和/或波长范围的时候，它们分别形成信号值的单值。

在本发明的特别有利的方案中建议，所述计算单元设置用于确定角速度，由此尤其对于工具机的安全单元可以给出有利的电路基础，用于触发安全电路。在此“确定速度、尤其角速度”尤其指的是，在计算单元中储存至少一个程序，它设置用于，由传感信号随时间的变化至少近似地计算实际的速度。为此计算单元有利地至少评价由所述至少两个传感元件提供的不同的信号值，它们表示由传感元件测量的环境亮度随时间的变化。在此通过确定角速度可以找到对于具有旋转工具的工具机的特别有利的构造，其中这种构造尤其对于手持工具机是有利的。

原则上确定所述相对运动不局限于旋转运动。可确定的相对运动尤其受到传感元件的布置的限制。如果传感元件例如沿着直线的布置轴线来布置，传感单元可以用于确定沿着布置轴线的直线运动。在传感元件的球形布置中，计算单元可以借助于传感信号原则上识别围绕任意的旋转轴线的旋转运动并且确定其速度值。

此外建议，所述工具机装置具有安全单元，它包括所述传感单元。“安全单元”尤其指的是装置，它在至少一个运行状态中防止损伤、尤其手持工具机部件的损伤和/或尤其提高使用者的安全性。优选该安全单元至少用于识别不可控的锁死情况。“不可控的锁死情况”尤其指的是过程，在该过程中作用于外壳上的反作用转矩超过使用者的把持力并且外壳本身不可控地在确定的角度范围上围绕轴线、尤其工具卡头的旋转轴线进行旋转。由此可以提高对于使用者的安全性。所述安全单元优选至少部分地与计算单元一体地构成，即在计算单元中优选储存至少一个用于安全单元的程序。

在改进方案中建议，所述工具机装置包括用于外部数据传输的数据传输单元，它包括所述传感单元。“数据传输单元”尤其指的是装置，它在至少一个运行状态中设置用于，从外部装置接收数字和/或数字化的数据包，例如用于执行软件更新或者传输工件加工的参数。用于读出数据包的数据传输单元优选设置用于评价传感信号。由此可以提高对于使用者的灵活性尤其是操作舒适性。所述数据传输单元优选至少部分地与计算单元一体地构成，即在计算单元中优选储存至少一个用于数据传输单元的程序。

此外建议，所述工具机装置包括操作单元，它包括所述传感单元。操作单元尤其指的是单元，它设置用于通过使用者直接输入操作命令，例如用于调整驱动单元的旋转方向、转速和/或转矩的单元，例如用于控制使用者菜单或者其它、专业人员视为有意义的设定的单元。操作单元优选设置用于，为了调整和/或匹配至少一个工具机参数而评价传感信号。由此可以有利地减少操作元件的数量，由此尤其可以降低加工成本。所述操作单元优选与计算单元至少部分一体地构成，即在计算单元中优选储存至少一个用于操作单元的程序。

此外建议，所述工具机装置包括位置确定单元，它包括所述传感单元。“位置确定单元”尤其指的是用于确定工具机装置基于至少一个外部基准点的位置的单元。该位置确定单元有利地设置用于，为了求得基于所述至少一个外部基准点的相对位置而评价传感信号。“基准点”尤其指的是与工具机装置无关的点。该位置确定单元优选与计算单元至少部分一体地构成，即在计算单元中优选储存至少一个用于位置确定单元的程序。

此外本发明涉及一种工具机、尤其手持工具机，其中可以设想所有的、专业人员视为有意义的工具机、尤其如锤钻、电动螺丝刀、铣刀、角磨机、多功能工具和/或尤其钻机，用于以工具机装置运行。尤其也可以设想在固定的工具机中使用，例如作为旋转角传感器和/或角速度传感器。由此尤其可以提供特别可靠使用的工具机，其中手持工具机与手持工具机装置可以有利地相互协调。

此外本发明也涉及一种用于工具机装置、尤其手持工具机装置的方法，在该方法中在至少一个运行状态中借助于传感信号确定相对于环境的至少一个相对运动。在此建议，为了确定所述相对运动检测至少一个环境亮度，由此可以实现特别简单地确定所述相对运动。

附图说明

由下面的附图描述给出其它优点。在附图中示出本发明的实施例。附图、描述含有大量的特征组合。专业人员也可以适宜地单独考虑特征并且组成其它有意义的组合。附图中：

图1示出具有按照本发明的手持工具机装置的手持工具机，

图2示出手持工具机部分的放大图，

图3示出具有多个光学的传感元件的手持工具机装置的传感单元，

图4以示意横截面图示出具有环形布置的传感元件的传感单元，

图5示出由传感单元提供的传感信号。

具体实施方式

图1示出设计成手持工具机的工具机，具有按照本发明的工具机装置30。工具机也设计成钻机。它具有驱动电机32、工具卡头34和手枪形外壳36。原则上它还可以包括蓄电池。在外壳的上面的基本管状的部位的前侧上布置工具卡头34。在外壳36的上面部位的后侧上，驱动电机32布置在外壳36中。驱动电机32在运行期间围绕旋转轴线38旋转地驱动工具卡头34。

手持工具机具有附加手柄固定机构40，它固定附加手柄42。附加手柄42可以围绕旋转轴线38运动。在装配状态下附加手柄42与工具机的外壳36固定连接。附加手柄固定机构40在驱动电机32与工具卡头34之间在外部设在外壳36上。附加手柄42设计成手柄，它在手持工具机的外壳36一侧上与外壳36连接，该侧面面对手持工具机的工具卡头34。沿着主工作方向，附加手柄布置在主手柄44后。

工具机装置30具有安全单元22，它在不可控的锁死情况下起作用并且减小或中断工具卡头34的功率输出，其措施是例如安全单元使驱动电机32断电。为了识别锁死情况，工具机装置30包括与外壳36连接的传感单元10，它提供传感信号12，借助于传感信号12，安全单元22识别外壳36相对于环境的相对运动。由此安全单元22包括所述传感单元10。

传感单元10包括多个相同类型的光学的传感元件14（参见图3）。传感元件14分别检测环境亮度。由传感单元10提供的传感信号12描述单个由传感元件14检测的环境亮度。传感元件14设计成光晶体管。传感单元的所有光学的传感元件类似地构成。因此在附图中为了清晰仅仅示出其中两个传感元件14，其中对另一传感元件的附图标记14’添加上撇。为了在下面的描述和附图中区分，附属于传感元件14’的其它附图标记同样也添加上撇。

传感元件14、14’分别具有确定的检测范围16、16’。传感元件14、14’的检测范围16、16’分别相互错开了确定的量（参见图4）。因此传感元件14、14’检测在不同空间范围中的环境亮度。在自然环境中不同的空间范围具有不同的环境亮度。由传感单元10提供的传感信号12具有多个信号值46、46’，它们对应于不同的由传感元件14、14’检测的环境亮度。所述不同的信号值46、46’分别表现为在由相应的传感元件14、14’检测的空间范围中的环境亮度的积分度量。不同的信号值46、46’组合到传感信号12（参见图5）。传感信号12或单个信号值46、46’原则上可以以不同的形式传递，例如以电流、电压、电阻或数字值的形式。

为了布置传感元件14、14’，传感单元10包括环形的传感器支架48。传感器支架48布置在附加手柄固定机构40的区域中。传感元件14、14’分布地布置在传感器支架48的圆周上。在所示的实施例中传感元件14、14’均匀地分布在圆周上。传感元件14、14’以15度的角距布置。在传感器支架48的圆周上布置总共24个传感元件14、14’（参见图2）。

传感器支架48与工具机的外壳36固定连接。传感单元10直接布置在外壳36上的附加手柄固定机构40旁边。传感器支架48部分地与外壳36一体地构成。原则上也可以设想，使传感单元10至少部分地与附加手柄42固定连接或者部分地与附加手柄42一体地构成。在外壳36与附加手柄42之间的供电和/或传感信号12的传递在此可以有选择地以电缆连接或无电缆地构成。

传感单元10具有传感器轴线18，它与工具卡头34的旋转轴线38同轴地取向。传感元件14、14’环形地围绕传感器轴线18布置。传感元件14、14’的检测范围16、16’基于传感器轴线18包括最大50度的角度范围。由此检测范围16、16’远大于单个传感元件14、14’之间的角距。传感元件14、14’具有灵敏度，它在±15度的角度范围内、从相应的传感元件14、14’的中心取向50、50’开始减小到约三分之一。传感元件14、14’广角地设计。传感元件14、14’的中心取向50、50’垂直于传感器轴线18并由此也垂直于旋转轴线38。传感元件14、14’的角距对应于传感元件14、14’的中心取向50、50’的角距。

为了评价传感信号12，工具机装置30包括计算单元20。计算单元20由传感元件14、14’检测的环境亮度来确定传感单元10和由此外壳36相对于环境的相对运动。由传感信号12随时间的变化，计算单元20确定所述相对运动的速度值。由计算单元20确定的相对运动构成围绕旋转轴线38的旋转。由计算单元20确定的速度值给出围绕旋转轴线38的角速度。

计算单元20为了确定角速度使用连续方程。借助于连续方程，计算单元对于每个传感元件14、14’计算旋转角。为此计算单元比较两个相邻传感元件14、14’的信号值46、46’并且确定其随时间的变化。在计算单元20由单个信号值46、46’确定的旋转角上求平均值来提供外壳36的旋转角的估计值。然后计算单元20利用旋转角对时间的导数计算角速度。

在此连续方程的分子构成为相关传感元件14的信号值46的随时间的变化。为了确定随时间的变化，计算单元20检测在时刻和时刻的信号值46。连续方程的分母是位置微分。为此计算单元20确定相关传感元件14的信号值46与相邻传感元件14’的信号值46’之间在时刻的差值以及相邻传感元件14、14’的信号值46、46’在时刻的差值并且将两个差值相加。此外在连续方程中加入相邻传感元件14、14’的角距以及系数-2。因此由计算单元20计算的连续方程如下

其中在所示的实施例中β_i是借助于信号值46、46’计算的外壳36的旋转角，Δ是相邻传感元件14、14’之间的角距，s_i是传感元件14的信号值46，而s_i-1是传感元件14’的信号值46’。

如果外壳36基本静止，则单个传感元件14、14’的信号值46、46’基本保持恒定。如果外壳36进行旋转运动，它例如由于应用工具52的卡棱引起，则由传感元件14、14’检测的空间范围变化。因为不同的空间范围在一般的使用条件下具有不同的亮度，由于外壳36旋转运动，由传感元件14、14’提供的信号值46、46’也变化。因此上面连续方程的分子不等于零。

连续方程的分母对于小值变得不稳定，即测量误差的误差传播变大。为了计算外壳36的旋转角（计算单元20通过单个旋转角的求平均值确定该旋转角），计算单元20只使用这样的旋转角，即以该旋转角连续方程的分母至少大于等于边界值。作为边界值计算单元20使用对单个传感元件14、14’所有连续方程的分母的平均值。如果分母不小于这样形成的中值，则使用用于计算外壳36的旋转角的相应旋转角。

在图5中示出对于三个不同时刻的传感信号12，它们分别具有时间距离T。传感信号12分别具有24个传感值46、46’，其信号大小对应于环境亮度。图5的横坐标以基于传感器轴线18的极坐标给出传感元件14、14’在传感器支架48上的布置。图5中的纵坐标给出单个信号值46、46’的信号大小。在图5中所示的两个传感值46、46’的距离在此正好对应于角距，相应的两个传感元件14、14’具有这个角距。从时刻的传感信号12到时刻的传感信号12的信号变化对应于外壳36旋转了12度。到时刻的传感信号12的信号变化对应于外壳36继续旋转了12度。

通过使用多个、即至少六个传感元件14、14’提高由计算单元20计算的旋转角的精度。原则上在检测两个空间范围时可以具有相同的亮度。则相应的传感元件提供相同的信号值。通过使用多个传感元件14、14’，在所示实施例中传感单元10具有总共24个光学的传感元件14、14’，提高可能性，即由于外壳36的旋转改变至少其中一个信号值46、46’，由此借助于相应的信号值46、46’计算单元20识别外壳36的相对运动。

备选或附加于利用连续方程计算，计算单元20也可以这样确定外壳36的旋转角，即计算单元将时刻的传感信号12与时刻的传感信号12相比较。在此计算单元20确定由于传感信号12在时刻沿着横坐标的错开引起的旋转角并且检验在时刻和时刻的两个传感信号12之间的一致性。对于对应于外壳36的实际旋转角的错开而言，一致性最大。在此环境亮度在时间区间T期间与运动无关的变化与环境亮度与运动有关的变化相比是小的并因此可以忽略。

在此计算单元20原则上可以具有至少部分类似的组件。尤其连续方程的分子，即传感元件14的信号值46的时间微分，可以利用类似的元器件执行。此外，分母或至少部分分母，尤其如相邻的传感元件14、14’的信号值46、46’的差值的计算，也同样可以类似地表示。

由计算单元20规定的、尤其通过时间间隔T给出的扫描频率适配于环境亮度的光波动。尤其发光材料管、但是也包括其它人造光源具有规则的脉冲频率，它例如通过电网频率给出。在此光源的脉冲频率一般高于人眼的识别率，即尤其大于30赫兹。扫描频率匹配于脉冲频率。扫描频率优选基本等于人造光源一般具有的脉冲频率。计算单元20有利地借助于电网频率定义扫描频率。但是原则上扫描频率也可以作为固定值存储在计算单元20中，例如以50赫兹或者自动地通过评价传感信号12确定。在此扫描频率也可以为脉冲频率的整数倍或者整除数。

为了补偿脉冲频率，但是也为了补偿其他高频亮度变化，计算单元20在确定的时间段上对传感信号12的信号值46、46’积分。在此积分的时间段大于通过待补偿的亮度变化的频率给出的时间段，即尤其大于通过脉冲频率或电网频率给出的时间段。通过积分计算单元20求出这个高频亮度变化。

安全单元22包括计算单元20。安全单元22借助于角速度识别不可控的锁死情况。如果计算单元20求得超过确定的边界量的角速度的值，则计算单元20触发安全电路并且减小工具卡头34的功率输出。在计算单元20中储存用于触发安全电路的边界值。

在此计算单元20尤其为了形成安全单元22设置用于单个评价单个信号值46、46’。计算单元20借助于单个信号值46、46’识别运动，这些信号值与外壳36的运动无关，即不是由于外壳36相对于环境的运动而引起。在此安全单元22设置用于，借助于单个光学的传感元件14、14’的信号值46、46’引发紧急关闭，例如，当计算单元20识别到传感元件14、14’的由于物体、尤其手引起的局部变暗时。

工具机装置30还包括数据传输单元24，它包括所述传感单元10。数据传输单元24在运行模式中使用传感信号12用于传递数据。因此数据传输单元24至少部分地设计成光学数据传输单元24。由未详细示出的数据发送器发出的光学信号引起信号值12的变化。在此数据传输单元尤其可以利用相对于可见光范围错开的范围，尤其是红外范围。由此原则上可以使数据传输单元与安全单元22脱耦，即由安全单元22利用的部分传感信号12不同于由数据传输单元24利用的部分传感信号12。数据传输单元24还包括计算单元20，它评价传感信号12，用于读出单个数据组。

工具机装置还包括操作单元26，它同样包括所述传感单元10。操作单元26设置用于直接通过使用者输入操作命令。传感单元10与光学的传感元件14、14’形成操作单元26的操作元件。在计算单元20中储存用于亮度变化的确定的模式，它们对应于使用者的操作命令。通过引起按照确定的模式的环境亮度变化的手势，使用者可以输入操作命令，由此由计算单元20执行相应的动作。利用操作单元26执行的动作例如是调整驱动电机32的旋转方向、转速或转矩、调整起动速度或换挡。此外操作单元26可以用于调整锤击，用于打开或关闭工具卡头34，用于改变或控制菜单显示以及用于关闭安全单元22。原则上尤其对于其它手持工具机也可以设想专业人员视为有意义的其它动作。

此外工具机装置30包括位置确定单元28，它包括所述传感单元10。位置确定单元28设置用于，确定工具机基于至少一个外部基准点的位置。外部基准点设计成光源。基准点围绕工作面确定地布置。它们在计算单元20中具有储存的光学特性，借助于这些特性位置确定单元28可以区分基准点与其它光源。例如可以设想，利用红外光源、尤其红外二极管定义基准点。通过位置确定单元28使用者可以确定手持工具机在工作面上的位置。因此位置确定单元28用于使手持工具机基于外部基准点定位。位置确定单元28包括光学显示单元54，在其上给出手持工具机装置30基于外部基准点的位置。

Claims (13)

1.工具机装置，其具有传感单元（10），该传感单元在至少一个运行状态中提供至少一个传感信号（12），所述至少一个传感信号设置用于确定工具机的外壳相对于环境的相对运动，其中所述传感单元（10）具有至少两个光学的传感元件（14、14’）用于检测环境亮度，其特征在于，所述传感单元（10）具有传感器轴线（18）并且所述至少两个光学的传感元件（14、14’）基本环形地围绕传感器轴线（18）布置且分别具有中心取向（50、50’），其中所述传感元件的中心取向在传感器轴线上相交，并且其中所述至少两个光学的传感元件（14、14’）具有至少部分相互错开的检测范围（16、16’）。

2.如权利要求1所述的工具机装置，其特征在于，所述至少两个光学的传感元件（14、14’）的检测范围（16、16’）部分地重叠。

3.如权利要求1或2所述的工具机装置，其特征在于，所述至少两个光学的传感元件（14、14’）构造成光电二极管或光晶体管。

4.如权利要求1或2所述的工具机装置，其特征在于计算单元（20），它设置用于借助于由所述至少两个光学的传感元件（14、14’）检测的环境亮度确定所述相对运动的速度值。

5.如权利要求1或2所述的工具机装置，其特征在于安全单元（22），它包括所述传感单元（10）。

6.如权利要求1或2所述的工具机装置，其特征在于用于外部数据传输的数据传输单元（24），它包括所述传感单元（10）。

7.如权利要求1或2所述的工具机装置，其特征在于操作单元（26），它包括所述传感单元（10）。

8.如权利要求1或2所述的工具机装置，其特征在于位置确定单元（28），它包括所述传感单元（10）。

9.如权利要求1所述的工具机装置，其特征在于，所述工具机装置是手持工具机装置。

10.工具机，具有如上述权利要求中任一项所述的工具机装置（30）。

11.如权利要求10所述的工具机，其特征在于，所述工具机是手持工具机。

12.一种用于工具机装置的方法，在该方法中在至少一个运行状态中借助于传感信号（12）确定工具机的外壳相对于环境的至少一个相对运动，其特征在于，为了确定所述相对运动，对应于不同的由传感元件（14、14’）检测的环境亮度的信号值（46、46’）组合到所述传感信号（12），由传感信号（12）随时间的变化确定所述相对运动的速度值。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工具机装置是手持工具机装置。