CN108290237B - 不用磁力计测量焊接过程的三维焊枪取向的方法和装置 - Google Patents

不用磁力计测量焊接过程的三维焊枪取向的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种焊接系统，该焊接系统被配置为在不使用磁力计的情况下校准焊枪的取向。焊接系统包括：传感器，其刚性地安装到焊枪上，并被配置为输出分别对应于坐标系的第一轴线、第二轴线和第三轴线的第一输出、第二输出和第三输出，其中第一轴线、第二轴线和第三轴线彼此正交；以及焊接控制器，其被配置为：基于第一输出、第二输出和第三输出来确定传感器的第一旋转角以确定相对于参考坐标系的第一中间坐标系，以及确定传感器的第二旋转角以确定相对于第一中间坐标系的第二中间坐标系；以及基于第二中间坐标系校准传感器的取向。

Description

不用磁力计测量焊接过程的三维焊枪取向的方法和装置
相关申请案的交叉引用
本申请要求2015年6月15日提交的标题为“在不使用磁力计的情况下测量用于手工电弧焊接过程中的三维焊枪取向(Measurement Of Three-Dimensional Welding TorchOrientation For Manual Arc Welding Process Without Using A Magnetometer)”的美国临时专利申请62/175,599以及2016年6月3日提交的标题为“用于在不使用磁力计的情况下测量用于焊接过程的三维焊枪取向的方法和装置(Method and Apparatus ForMeasurement Of Three-Dimensional Welding Torch Orientation for a WeldingProcess Without Using a Magnetometer)”的美国专利申请15/172,425的优先权。美国临时专利申请62/175,599和美国专利申请15/172,425的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本公开涉及一种焊接机，尤其涉及一种用于在不使用磁力计的情况下测量用于焊接过程的三维焊枪取向的方法和装置。
通过将传统的焊接方法与参照附图在本公开的之后部分中阐述的本方法和系统的一些方面进行比较，这些传统的焊接方法的局限性和缺点对于本领域的技术人员将变得显而易见。
发明内容
基本上如结合至少一个附图所示和所描述的，提供了用于在不使用磁力计的情况下测量用于焊接过程的三维焊枪取向的方法和装置。
附图说明
结合附图，通过以下对示例性实施例的描述，这些和/或其他方面将变得显而易见和更容易理解。
图1示出了根据本公开的方面的示例性焊接系统。
图2是根据本公开的方面的示例性用户接口的框图。
图3A是根据本公开的方面的示例性焊枪的图。
图3B是根据本公开的方面的示例性惯性测量单元的图。
图4A是根据本公开的方面的参考坐标系的图示。
图4B是根据本公开的方面的第一中间坐标系的图示。
图4C是根据本公开的方面的第二中间坐标系的图示。
图5是根据本公开的方面的用于校准和使用惯性测量单元的取向的示例性流程图。
图6是根据本公开的方面的用于校准惯性测量单元的示例性流程图。
具体实施方式
本文中所用的焊接电源是指适合于焊接、等离子切割、感应加热、空气碳弧切割和/或气刨(CAC-A)、熔覆和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)的焊枪使用的电源。
本文中所用的焊接系统可以包括能够提供适合于焊接、等离子切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)的焊接电源的任何装置，包括逆变器、转换器、斩波器、谐振电力供应器、准谐振电力供应器等，以及与之相关的控制电路和其他辅助电路。
本公开的各个实施例包括一种焊接系统，该焊接系统包括传感器，该传感器被刚性地安装到焊枪，并被配置为输出分别对应于坐标系的第一轴线、第二轴线和第三轴线的第一输出、第二输出和第三输出，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线彼此正交。焊接控制器被配置为基于第一输出、第二输出和第三输出来确定传感器的第一旋转角以确定相对于参考坐标系的第一中间坐标系，以及确定传感器的第二旋转角以确定相对于第一中间坐标系的第二中间坐标系。焊接控制器还被配置为基于第二中间坐标系来校准传感器的取向。
焊接控制器进一步被配置为基于校准的取向以及基于来自传感器的第一输出、第二输出和第三输出的进一步的更新值来确定传感器的取向、传感器的速度和/或传感器的位置。传感器是加速度计，如果磁力计包含在焊接系统中，则焊接系统不使用来自磁力计的输出。焊接系统的各个实施例不包括磁力计。
焊接控制器被配置为将第一中间坐标系确定为参考坐标系围绕其第二轴线旋转第一旋转角，并将第二中间坐标系确定为第一中间坐标系围绕其第三轴线旋转第二旋转角。
焊接控制器被配置为当第一输出、第二输出和第三输出指示恒定的加速度时确定校准的取向。焊接控制器被配置成使用等式
Figure GDA0002581755590000031
确定第一旋转角，并且使用等式
Figure GDA0002581755590000032
确定第二旋转角，其中
Figure GDA0002581755590000033
是第一旋转角，
Figure GDA0002581755590000034
是第二旋转角度，a1是第一输出，a2是第二输出，并且a3是第三输出。
可以计算和/或在查找表中查找第一旋转角和第二旋转角。查找表可以由焊接控制器生成或者从外部系统下载或接收。
焊接系统可以包括机器人控制器以控制保持焊枪的机器人，并且焊接控制器被配置为基于传感器的取向来控制焊枪的速度和/或位置。
本公开的各个实施例还包括没有磁力计的系统，其中刚性地安装的传感器被配置为分别输出对应于坐标系的第一轴线、第二轴线和第三轴线的第一输出、第二输出和第三输出，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线彼此正交。所述系统还包括处理器，其被配置成基于第一输出、第二输出和第三输出来确定传感器的第一旋转角以确定相对于参考坐标系的第一中间坐标系，以及确定传感器的第二旋转角以确定相对于第一中间坐标系的第二中间坐标系。处理器被配置成基于第二中间坐标系来确定传感器的校准的取向。处理器进一步被配置成基于校准的取向以及基于来自传感器的第一输出、第二输出和第三输出的进一步的更新值来确定传感器的取向、速度和/或位置。
本公开的各个实施例还可以包括存储机器可执行指令的非临时性机器可读介质，所述机器可执行指令在被执行时使计算系统控制以下操作：通过如下步骤确定刚性地安装到工具的传感器相对于参考坐标系的取向以控制所述工具：基于所述传感器的第一输出、第二输出和第三输出确定所述传感器的第一旋转角以确定相对于所述参考坐标系的第一中间坐标系，其中，所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出分别对应于坐标系的彼此正交的第一轴线、第二轴线和第三轴线。所执行的指令还可基于第一输出、第二输出和第三输出来确定传感器的第二旋转角以确定相对于第一中间坐标系的第二中间坐标系。因此，指令的进一步执行可以基于第二中间坐标系来确定传感器的校准取向。
非临时性机器可读介质还包括指令，所述指令使得处理器基于校准的取向以及基于来自传感器的第一输出、第二输出和第三输出的进一步的更新值来确定传感器的取向、传感器的速度以及传感器的位置中的至少一个。
所述指令使得处理器将参考坐标系和第二中间坐标系之间的关系处理为参考坐标系围绕其第二轴线旋转第一旋转角以形成第一中间坐标系，并且第一中间坐标系围绕其第三轴线旋转第二旋转角；并且所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出来自加速度计，并且所述指令使处理器在不使用磁力计输出的情况下确定传感器的取向。
所述指令使得处理器在第一输出、第二输出和第三输出指示恒定的加速度时确定校准的取向。处理器能够使用
Figure GDA0002581755590000041
来计算第一旋转角，并且使用
Figure GDA0002581755590000042
来确定第二旋转角，其中，
Figure GDA0002581755590000043
是第一旋转角，
Figure GDA0002581755590000044
是第二旋转角，a1是第一输出，a2是第二输出，以及a3是第三输出。可选地，处理器能够基于第一输出、第二输出和第三输出经由查找表来确定第一旋转角和第二旋转角。
图1是示出包括电源40的示例焊接系统10的框图。电源40将输入功率转换成适用于焊接操作(例如TIG、棒焊和/或埋弧焊(SAW))和/或在气刨操作(例如空气碳弧气刨)中的AC和/或DC功率。电源40允许操作者通过经由用户接口44选择适当的操作并且附接适当的焊接设备(例如，用于空气碳弧气刨的气刨枪和气体供应装置，用于TIG焊接的焊枪和气体供应装置，或用于保护金属电弧焊(SMAW)的电极保持器等)来将电源40用于气刨和/或焊接。
电源40包括功率转换器46。功率转换器46从功率输入端48接收输入功率，并将输入功率转换为AC和/或DC焊接功率，以输出到连接到功率输出端42、43的焊枪50。在图1的示例中，焊枪50连接到功率输出端42，工件夹具52连接到功率输出端43，以在电弧开始时与工件54形成电路。
功率转换器46是相控电源，其可以使用硅控整流器(SCR)将在功率输入端48处接收的功率转换为可用的焊接和/或气刨功率。另外地或替代地，功率转换器46可以使用DC斩波电路和/或任何其他功率转换拓扑结构。
电源40包括可操作地耦接到功率转换器46的控制器56。控制器56也可以被称为焊接处理器。控制器56可以使用一个或多个逻辑电路来实现，诸如一个或多个“通用”微处理器，一个或多个专用微处理器和/或专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和/或任何其他类型的逻辑和/或处理装置。例如，控制器56可以包括一个或多个数字信号处理器(DSP)。可选地，控制器56可以包括分立元件控制电路来执行这些控制功能。控制器56通过生成控制信号57来控制功率转换器46的输出功率，以控制功率转换器46中的开关组件(例如，SCR)。
控制器56从用户接口44接收用户选择的操作参数，诸如安培(例如，电流)选择。例如，用户接口44包括选择器(未示出)，其由用户操作来选择焊接过程(例如，气刨、TIG、STICK等)，电流控制(PANEL/REMOTE)，输出控制(ON/REMOTE)，启动模式(OFF/LIFT/HFSTART/HFCONT)，用于AC TIG焊接的正/负平衡控制，用于STICK焊接的DIG控制，电流水平，点焊操作和/或诸如启动电流，最终(成坑)电流或两者的序列选择。控制器56还向用户接口44传送关于对焊工有价值的焊接操作的信息，包括电弧电压、电弧电流和/或优选的选择器设置。示例用户接口44可以包括任何类型的接口设备，诸如键盘、指示设备(例如，鼠标，触控板)、麦克风、照相机(例如基于手势的输入)、触摸屏和/或任何其他类型的用户输入和/或输出装置。
控制器56还可以被配置为控制焊接系统10的各个方面。例如，控制器56可以经由用户接口44和/或通信接口45来控制输入和输出。如上所述，控制器56一般可以指包括处理器的多个装置，其协同工作以控制焊接系统10的各个方面。
在一些示例中，焊接系统10可以经由通信接口45接收信息。通信接口45可以接收信息，诸如，例如对焊接系统10可以使用的任何软件/固件的更新或者来自另一个设备而不是经由用户接口44的电流参数。例如，可以经由来自计算设备(例如，计算机、服务器、移动设备、云存储等)的有线和/或无线通信、有线和/或无线点对点连接(例如蓝牙、近场通信、USB等)、与另一个焊接装置的控制电缆通信、来自另一个焊接装置的焊接电缆通信、与诸如便携式存储设备(例如，闪存盘或其他具有USB能力的存储器，安全数字(SD)卡等)的存储设备的通信，和/或经由任何其他通信方法来接收诸如电流参数之类的信息。本公开的各个实施例还可以允许焊接系统10经由有线和/或无线通信传输信息。所传输的信息可以是，例如可以由其他设备/服务器等请求的命令、状态和/或其它信息。在焊接系统10和另一装置之间传送的信息也可以例如允许通过另一装置控制焊接系统10。
一些实施例可以允许焊接系统10的两个部件之间的无线或有线通信。例如，焊枪50可以通过通信接口45将其位置和角度取向无线地传输到控制器56。焊枪50还可以通过有线通信将其位置和角度取向传输到控制器56。一个实施例可以允许通过功率输出端42从焊枪50到控制器56的通信。因此，通信接口45的一部分可以被认为是在功率转换器46中。也可以存在从控制器56到焊枪50的通信。通信可以指示例如正在被使用的焊枪的状态。该状态可以指示焊枪50是移动太慢还是太快。然后焊工可以使用该状态来调整焊接速度以确保良好的焊接。该状态还可以指示焊枪50是否例如在最佳焊接区域之外。
内存装置58和存储装置60耦接到控制器56，用于存储包括用户接口44上的选择器的设置的数据，用于将来在断电之后和/或在焊接循环之间的时间进行检索。内存装置58可以包括诸如随机存取内存(RAM)的易失性内存和/或诸如只读存内存(ROM)的非易失性内存。存储装置60可以包括诸如硬盘的磁性介质、固态存储器、光学介质和/或任何其它短期和/或长期存储装置。内存装置58和/或存储装置60可以存储用于任何目的的信息(例如，数据)和/或在控制器56请求时传输所存储的数据。例如，内存装置58和/或存储装置60可以存储可供控制器56执行的处理器可执行指令(例如，固件或软件)。另外，用于各种焊接工艺的一个或多个控制方案连同关联的设置和参数可以与在操作期间提供特定输出(例如，开始送丝、启用气体流、捕获焊接电流数据，检测短路参数，确定飞溅量)的代码一起存储在内存装置58和/或存储装置60中。
内存装置58可以包括诸如随机存取内存(RAM)的易失性内存和/或诸如只读内存(ROM)的非易失性内存。内存装置58可以存储各种信息并且可以用于各种目的。例如，内存装置58可以存储可供控制器56执行的处理器可执行指令(例如，固件或软件)。另外，用于各种焊接工艺的一个或多个控制方案连同关联的设置和参数可以与被配置为在操作期间提供特定输出(例如，开始送丝、启用气体流、捕获焊接电流数据，检测短路参数，确定飞溅量)的代码一起存储在内存装置58和/或存储装置60中。内存装置58还可以存储其他数据，例如由焊接系统10使用的查找表。
控制器56还通过遥控电路86从输入装置84接收遥控输入85。输入装置84是用户可操作的并且能够用来控制焊接功率输出。保护气体和/或气刨气体的流动也可以由控制器56控制。在该实施例中，控制信号88从控制器56经由通过流量控制电路92的路径被发送到流量控制仪表90。流量控制仪表90被耦接到气体供应装置(未示出)，用于调节从气体供应装置到焊接点(例如到焊枪50)的保护气体和/或气刨气体的流量。流量控制仪表90可以在电源40的内部或外部，具有气体流动通道(未示出)，该气体流动通道从气体供应装置延伸通过电源40，通过流量控制仪表90，然后输出到焊枪50以提供给操作现场。流量控制电路92也可以是埋弧焊剂控制器或焊剂料斗控制器。
虽然以上参照执行实际焊接操作描述了图1的示例性系统10，但是系统10可以附加地或可选地用于焊接训练。例如，可以将控制器56(经由用户接口44和/或通信接口45)设置为训练模式，其中功率转换器46不输出实际的焊接功率，但是跟踪焊枪50的取向和/或运动以提供焊工反馈。在其他示例中，系统10是不能够执行实际焊接(例如省略了功率转换器46)而是提供模拟的焊接环境的焊接训练装置。
图2是根据本公开的方面的示例性用户接口的框图。参考图2，示出了包括输入接口210和输出接口220的用户接口200。用户接口200可以类似于图1的用户接口44。输入接口210可以包括任何类型的接口设备，诸如键盘、指示设备(例如，鼠标，触控板)、麦克风、照相机(例如，基于手势的输入)、触摸屏、可旋转和/或推动的按钮、滑动旋钮和/或任何其他类型的用户输入和/或输出装置。输出接口220可以包括任何类型的视觉输出装置，诸如例如LCD显示器，LED显示器等、可以振动的触觉反馈设备，诸如扬声器的音频输出设备，以及可以用于提供信息或通知的任何其他输出设备。输出接口220还可以显示，例如可以传输到焊枪50的状态/命令。
尽管用户接口200将用户接口210和输出接口220示出为分离的，但是这种描述严格来说是为了便于解释，并不意味着以任何特定的方式限制任何实施例。
图3A是根据本公开的方面的示例性焊枪的图。参照图3A，示出了可以与图1的焊枪50相似的焊枪300。焊枪300包括焊枪控制器302、显示器304和惯性测量单元(IMU)306。焊枪控制器302包括类似于控制器56的处理器，类似于内存装置58和/或存储装置60的内存以及类似于通信接口45的通信接口。因此，焊枪控制器302能够处理数据以及与其他装置通信。例如，焊枪控制器302能够处理来自IMU 306的数据，控制到显示器304的输出，并与图1的控制器56通信。显示器304可以包括LED灯，可以显示文本和/或图形的LCD显示器，和/或扬声器。IMU306可以包括一个或多个传感器，例如加速度计和陀螺仪。其他传感器也可以酌情包含在其他实施例中。
IMU 306可将其输出、例如加速度测量结果和/或陀螺仪测量结果传送到焊枪控制器302。焊枪控制器302然后可处理加速度信息以确定焊枪300的速度和/或焊枪300的角度取向。通过使用时间信息，如果初始起点已知，则焊枪控制器302也能够确定焊枪300的位置。然后，焊枪控制器302可以向显示器304输出以指示，例如焊枪300是否被保持在可接受的取向上或是否正在以可接受的速度移动。
各个实施例可以使用不同的配置来处理来自IMU 306的数据并且基于来自IMU306的数据来显示输出。例如，一些实施例可以将IMU 306的输出发送到图1的控制器56，该控制器56然后可以处理该输出并控制由输出接口220和/或显示器304进行的信息显示。
图3B示出了IMU 306包括焊枪控制器302的配置。图3B是根据本公开的方面的示例性IMU的图。参照图3B，示出了IMU 306和系统330。IMU 306包括加速度计320、陀螺仪322、微处理器324、收发器326和内存328。加速度计320是能够感测沿三个正交轴线的加速度的三轴装置。陀螺仪322是能够感测相对于三个轴线的角度变化的三轴装置。微处理器324与控制器56相似。收发器326允许IMU 306与系统330通信。系统330可以是例如电源40或计算机系统。收发器326可以允许与系统330进行无线和/或有线通信。
内存328可以类似于内存装置58，并且还可以包括类似于存储装置60的存储器329。内存328可以存储各种指令328a和数据328b，包括一个或多个查找表328c。指令328a在被执行时能够使用数据328b和查找表328c来执行焊枪50和焊接系统10的各种操作。
虽然加速度计320和陀螺仪322已经被描述为三轴装置，但是各种实施例无需受此限制。例如，加速度计320可以包括一起输出三个轴线的加速度的多个单独的装置。类似地，陀螺仪322也可以包括一起输出相对于三个轴线的角度变化的多个单独的装置。
图4A示出了具有相互正交的轴线
Figure GDA00025817555900000911
的参考坐标系410。图4B示出了具有相互正交轴线
Figure GDA00025817555900000912
的第一中间坐标系420，其是参考坐标系410围绕轴线
Figure GDA00025817555900000913
旋转
Figure GDA00025817555900000914
而得到的。图4C示出了具有相互正交轴线
Figure GDA00025817555900000915
的第二中间坐标系430，其是第一中间坐标系420围绕轴线
Figure GDA00025817555900000916
旋转
Figure GDA00025817555900000917
而得到的。
IMU 306在其内部坐标系
Figure GDA0002581755590000091
中的任何取向都可以通过从参考坐标系
Figure GDA0002581755590000092
旋转两次来实现。例如，为了从参考坐标系
Figure GDA0002581755590000093
到IMU 306的内部坐标系
Figure GDA0002581755590000094
参考坐标系410
Figure GDA0002581755590000095
可以绕
Figure GDA00025817555900000918
旋转角度
Figure GDA00025817555900000919
以实现第一中间坐标系420
Figure GDA0002581755590000096
其中
Figure GDA0002581755590000097
然后，第一中间坐标系420可以绕
Figure GDA00025817555900000920
旋转角度
Figure GDA00025817555900000921
以实现第二坐标系430
Figure GDA0002581755590000098
第二坐标系430
Figure GDA0002581755590000099
是IMU 306的内部坐标系，因此可以用
Figure GDA00025817555900000910
表示。
因此，IMU 306的任何取向都可以通过相对于参考坐标系410
Figure GDA0002581755590000101
的两个有先后次序的角度
Figure GDA0002581755590000102
来完全描述。这种关系可以用于校准IMU 306的取向。这将参照图5进一步描述。IMU 306的内部坐标系
Figure GDA0002581755590000103
与加速度计320的内部坐标系相同。
图5是根据本公开的方面的用于在焊接/训练过程期间并使用惯性测量单元的取向进行校准的示例性流程图。参考图5，在500处，传感器(例如，传感器306)被置于静止位置以确定重力加速度的大小
Figure GDA0002581755590000104
在502处，焊接/训练过程开始，并且可以包括传感器306的校准。校准可以例如在从微处理器324接收到信号的情况下开始，或者校准可以周期性地进行，或者校准可以当某个实施例的某些条件被满足时进行。例如，当经由输入接口210输入命令时，或者如果通过按压焊枪50上的触发器而存在焊接/训练开始的指示时，可以开始校准，或者在焊接/训练过程中的一段时间内——当在这段时间内存在落在阈值内的恒定加速度时，可以开始校准。其他条件也可以用来启动校准。因此，校准可以在使用焊接系统10之前或在使用焊接系统10期间进行。
在504处，微处理器324确定由加速度计320测量的总加速度是否在将焊枪50置于静止位置时获得的预估的重力加速度大小
Figure GDA0002581755590000109
的预定的阈值内。该阈值用于确定焊枪50是否具有接近重力加速度大小
Figure GDA00025817555900001010
的加速度，即，焊枪50是否基本上仅受到重力加速度的影响。如果焊枪50的加速度的大小相对于预定的重力加速度大小
Figure GDA00025817555900001011
处于阈值内，那么加速度计320的三轴线ax、ay以及az的输出被判定为是由重力引起的，并且可以校准加速度计320的取向，进而校准焊枪的50的取向。
如果加速度输出
Figure GDA00025817555900001012
是恒定的并且
Figure GDA00025817555900001013
大小与
Figure GDA00025817555900001014
的接近程度在阈值内，则可以说加速度很可能是由于重力加速度
Figure GDA00025817555900001015
引起的。重力加速度
Figure GDA00025817555900001016
可以表示为
Figure GDA0002581755590000105
其中
Figure GDA00025817555900001017
是参考坐标系410中的单位向量，并且g是已知的重力加速度大小。更具体地说，重力加速度
Figure GDA00025817555900001018
在参考坐标系410的z轴线
Figure GDA0002581755590000106
处被完全感测到，同时加速度计320在参考坐标系410的x轴线和y轴线
Figure GDA0002581755590000107
处没感测到任何重力加速度
Figure GDA0002581755590000108
考虑到这种关系，当加速度输出
Figure GDA00025817555900001117
的大小恒定或与
Figure GDA00025817555900001118
的接近程度在阈值内时，可以从加速度计的三个轴线ax，ay，以及az的输出确定第一旋转角
Figure GDA00025817555900001119
和第二旋转角
Figure GDA00025817555900001132
使用αz和
Figure GDA00025817555900001121
可以确定
Figure GDA00025817555900001133
使用αx和αy可以确定
Figure GDA00025817555900001134
在506处，可以使用以下等式来计算旋转角。
Figure GDA0002581755590000111
Figure GDA0002581755590000112
等式(1)和等式(2)的推导如下所示。
最初，参考坐标系410
Figure GDA0002581755590000113
与加速度计320的内部坐标系
Figure GDA0002581755590000114
对齐。在围绕
Figure GDA00025817555900001124
(也是加速度计320的y轴线)以角度
Figure GDA00025817555900001125
进行第一次旋转之后，重力加速度以角度
Figure GDA00025817555900001126
被投影在加速度计320的z轴线上，使得
Figure GDA0002581755590000115
其余的投影到x轴线上，即
Figure GDA0002581755590000116
由于y轴线没有改变，所以没有重力加速度αy。
在围绕加速度计320的新的z轴线
Figure GDA0002581755590000117
以角度
Figure GDA00025817555900001127
进行第二次旋转后，
Figure GDA00025817555900001128
不变，但
Figure GDA00025817555900001129
重新分配至加速度计的新的x轴线和y轴线，使得针对第二中间坐标系，
Figure GDA00025817555900001130
以及
Figure GDA0002581755590000118
相应地，加速度计320的三个轴线上的输出是：
Figure GDA0002581755590000119
Figure GDA00025817555900001110
Figure GDA00025817555900001111
对于以角度
Figure GDA00025817555900001131
的第一角度旋转，使用等式(3)和(4)得到
Figure GDA00025817555900001112
并且等式(6)除以等式(5)得到
因此，求等式(7)的反正切得到
Figure GDA00025817555900001114
对于第二角度旋转
Figure GDA00025817555900001115
将αy(等式(4))除以αx(等式(3))得到
Figure GDA00025817555900001116
因此，求等式(8)的反正切得到
Figure GDA0002581755590000121
在508处，焊接系统10的焊枪50的角度取向可以被校准，使得焊接系统10可以被用于焊接工件54。
一般来说，统一的参考坐标系可以通过如下方式由制造商来定义：定义
Figure GDA00025817555900001218
和以选择的任意的方向来定义
Figure GDA00025817555900001227
只要
Figure GDA00025817555900001220
和
Figure GDA00025817555900001221
是正交的。
Figure GDA00025817555900001222
可以被唯一地确定为形成作为制造商的参考坐标系410的右手坐标系
Figure GDA0002581755590000122
其中
Figure GDA00025817555900001223
等同于
Figure GDA0002581755590000123
那么对于任何对应于
Figure GDA0002581755590000124
的
Figure GDA0002581755590000125
可以计算
Figure GDA00025817555900001224
在
Figure GDA0002581755590000126
中的投影，即(αx，αy，αz)。或者，可以使用查找表来建立第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA0002581755590000127
到加速度向量(αx，αy，αz)的映射。因此，每次执行校准时，可以从加速度计320的输出实时地从查找表中确定第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA0002581755590000128
查找表可以是例如查找表328c。查找表328c可以由焊接系统10外部的系统发送或从焊接系统10外部的系统下载，例如系统330。查找表328c也可以由焊接系统10产生。
当第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA0002581755590000129
已知时，如上所示，焊枪50相对于参考坐标系410的取向是已知的。
也就是说，当第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA00025817555900001210
是已知的时，
Figure GDA00025817555900001211
可以分别按照
Figure GDA00025817555900001212
表示。因此，当加速度计320的输出ax，ay，az是已知时，参考坐标系410中的加速度向量可以由
Figure GDA00025817555900001225
来确定，其中
Figure GDA00025817555900001226
是焊枪的加速度。
因此，
Figure GDA00025817555900001213
相应地，
Figure GDA00025817555900001214
是焊枪50的加速度在参考坐标系统410中三个方向上的投影，可以用来计算焊枪在三维的运动，以确定其速度和/或位置。
在第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA00025817555900001215
的每次校准中，陀螺仪322的旋转对于使用来自陀螺仪322的输出的计算是已知的。这些旋转也可以使用第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA00025817555900001216
进行校准，但是不需要这种校准。作为例子，考虑这是第k次校准，并且这个校准具有用于IMU 306取向的
Figure GDA00025817555900001217
陀螺仪旋转(θx(k)，θy(k)，θz(k))以及漂移(δωx(k)，δωy(k)，δωz(k))。然后，可以从作为初始陀螺仪输出(ωx，ωy，ωz)的(θx(k)，θy(k)，θz(k))和漂移(δωx(k)，δωy(k)，δωz(k))确定将k+1次校准(θx，θy，θz)之前的旋转。一旦(θx，θy，θz)更新，更新的(θx，θy，θz)可以用来从
Figure GDA0002581755590000131
更新
Figure GDA0002581755590000132
在510处，在使用第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA0002581755590000133
进行校准之后，焊接系统10的使用开始或继续，情况可能如此。现在可以在校准之后更准确地跟踪焊枪50。焊枪50可被追踪以例如在焊接训练期间提供反馈，在所述焊接训练期间，受训者正在学习以正确的角度握住焊枪50并以正确的速度移动焊枪50。在正常的训练模式中，焊枪50可能不会被激活，因为没有电力被提供用于焊接，或者可以在“逼真的”训练模式下向焊枪50提供电力。反馈可以实时输出到，例如显示器304。另外或者可选地，还可以将反馈存储在例如内存328中以供受训者和/或其他人稍后查看。因此，所存储的反馈信息可以从内存328流式传输和/或下载到可以是系统330的一部分的观看系统(未示出)。
焊接系统10的实时反馈也可用于非训练焊接系统10中，以帮助焊工在焊接时保持在焊枪50的速度和位置的容限内。焊接系统10的校准也可以用于控制焊接机器人(未示出)自动焊接工件。在开始焊接作业之前和在焊接作业期间的校准可以帮助焊接机器人精确地焊接。
可以使用焊接系统10的校准来使反馈更准确，这个反馈，不管是实时的还是延迟的，都可以用来提供一个总结来证明工件已经用正确的程序焊接了。该总结可以提供，例如示出焊接工件期间和进行校准时焊枪50的速度和角度的图。
本公开的各个实施例可以使焊接系统10支持训练模式，无论是以实时反馈和/或延迟反馈的方式，和/或支持非训练模式。
尽管已经针对焊接描述了用于校准的各种用法，但是本公开的实施例不需要受此限制。例如，所描述的校准过程可以用于需要跟踪其三维位置和取向的任何工具或系统。
图6是根据本公开的方面的用于校准惯性测量单元的示例性流程图。参考图6，在例如微处理器324的控制下，加速度计320可以利用以下过程来校准。在602处，通过在将焊枪50置于静止位置持续时间段T1之后测量重力加速度来开始校准。时间段T1可以是例如小于或等于3秒的预定时间。测量可以是在时间段T1期间的连续测量或周期性测量。
在604处，在时间段T1期间加速度α(t)计算为
Figure GDA0002581755590000141
在606处，在时间段T1期间计算α(t)的平均值
Figure GDA0002581755590000146
和方差σ2。该平均值
Figure GDA0002581755590000147
将用作重力加速度大小的预定或预校准估计，即
Figure GDA0002581755590000142
在608处，如果局部重力加速度g的平均值
Figure GDA0002581755590000148
与理论值之间的差值的绝对值大于预定阈值，则在618处发送通知以指示加速度计320可能的故障。通知可以由例如IMU 306发送。该通知可以被发送到显示器304、输出接口220和/或系统330。校准过程然后在620处结束。
否则，如果局部重力加速度g的平均值
Figure GDA0002581755590000149
与理论值之间的差值的绝对值小于或等于预定阈值，则在610处检查焊枪50以查看其是否在工作中。如果不是，则在610处进行进一步的检查，直到焊枪50处于工作中。如果焊枪50正在工作，则在612处持续时间段T2地启动计时器。
在614处，进行检查以查看何时
Figure GDA00025817555900001410
处于局部最小值。如果
Figure GDA0002581755590000143
不应当执行校准。如果找到了局部最小值
Figure GDA0002581755590000144
则在615处计算用于加速度计320校准的第一旋转角和第二旋转角
Figure GDA0002581755590000145
在616处，确定是否应该对预估的重力加速度大小
Figure GDA00025817555900001411
进行进一步的校准。可以根据需要对预估的重力加速度大小
Figure GDA00025817555900001412
进行重新校准。例如，当高度改变时可能需要重新校准。如果不进行重新校准，则在610处焊接系统10将继续焊接/训练过程。如果要进一步校准，则在602处再次执行校准过程。
此外，在校准之后，可以使用来自IMU 306中的加速度计320和/或其他传感器的进一步输出来保持跟踪焊枪50的取向、速度和/或位置。
在614处，如果针对
Figure GDA00025817555900001413
未检测到局部最小值，则在622处检查定时器以查看是否已超过时间段T2。如果是，则在624处发送通知以指示可能的操作不规范。通知可以由例如IMU 306发送。通知可以被发送到显示器304、输出接口220和/或系统330。校准过程然后在620处结束。
在622处，如果没有超过时间段T2，则在614处再次针对
Figure GDA00025817555900001414
查找局部最小值。在622之后，可以连续地或周期性地查找局部最小值。
尽管已经将微处理器324描述为执行用于校准IMU 306的取向的各种处理，但是应当理解的是，这仅仅是示例。处理可以由另一个处理器例如控制器56、焊枪控制器302或者通过控制器56，焊枪控制器302和微处理器324的一些组合来联合地完成。其他实施例可以具有不同配置，其中其他处理器/控制器可以完成处理。例如，系统330可能涉及处理或控制处理。因此可以看出，可执行指令可以存储在焊接系统10的内存中。例如，指令可以被存储在内存装置58、存储装置60和/或内存328中。
通过相对于参考坐标系统直接校准传感器主体取向，不需要使用来自其他传感器装置(例如陀螺仪和/或磁力计)的输出。另外，与使用来自其他传感器的输出相反，可以在校准传感器主体取向方面提高精度。相应地，如果磁力计未被包括作为IMU 306的部件，则使用两个旋转角来实现传感器取向的本公开的各种实施例可以通过使用更少的部件来引入更高的精度和成本节约。
本发明的各个实施例可以使用所公开的用于焊接工艺的校准方法来帮助焊工正确地焊接，或者使用机器人焊工(未示出)在其自动焊接工件时精确地引导它。尽管具体描述了焊接以给出一种用途的更清楚的展示，但是本公开的各个实施例不需要受此限制。因此，本公开可以与需要校准其角度取向以跟踪其速度、位置和/或角度取向的其他工具和/或系统一起使用。
本方法和系统可以用硬件、软件和/或硬件和软件的组合来实现。本方法和/或系统可以在至少一个计算系统中以集中方式实现，或者以不同的元件分布在几个互连的计算系统中的分布方式来实现。任何种类的适用于执行本文描述的方法的计算系统或其他设备都是合适的。硬件和软件的组合可以包括通用计算系统，该通用计算系统具有焊接专用程序或其他代码，当被加载和执行时，该程序或代码控制计算系统使得其执行本文中描述的方法。另一种实施方式可以包括一个或多个专用于焊接的专用集成电路或芯片。一些实施方式可以包括其上存储有一行或多行可由机器执行的代码的非临时性机器可读(例如，计算机可读)介质(例如，闪存、光盘、磁存储盘等)，从而使机器执行如本文所述的方法。如本文所使用的，术语“非临时性机器可读介质”被定义为包括所有类型的机器可读存储介质并且排除传播信号。
如本文中所使用的，术语“电子电路”和“电路”是指可以配置硬件，由硬件执行，或者以其他方式与硬件相关联的物理电子组件(即，硬件)和任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，当执行第一组一行或多行代码时，特定的处理器和存储器可以包括第一“电路”，以及当执行第二组一行或多行代码时，特定的处理器和内存可以包括第二“电路”。如本文所使用的，“和/或”是指以“和/或”连接的列表中的任何一个或多个项目。作为示例，“x和/或y”意味着三元素集合{(x)，(y)，(x，y)}中的任意元素。换句话说，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两个”。作为另一个示例，“x，y和/或z”是指七元素集合{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，，z)，(x，y，z)}中的任意元素。换句话说，“x，y和/或z”是指“x，y和z中的一个或多个”。如本文所使用的，术语“示例性”意味着用作非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，术语“举例说”和“例如”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，只要电路包括必要的硬件和代码(如果需要的话)来执行功能，电路是“可操作”以执行该功能，不管功能的性能是否被禁用或未被启用(例如，通过用户可配置的设置，工厂修整等)。
本方法和/或系统可以用硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现。本方法和/或系统可以在至少一个计算系统中以集中方式实现，或者以分布方式来实现，在分布方式中，不同的元件分布在几个互连的计算系统中。任何种类的适用于执行本文描述的方法的计算系统或其他装置都是合适的。硬件和软件的典型组合可以是具有程序或其他代码的通用计算系统，其在被加载和执行时控制计算系统，使得其执行本文描述的方法。另一种典型的实施方式可以包括专用集成电路或芯片。一些实施方式可以包括其上存储有一行或多行可由机器执行的代码的非临时性机器可读(例如，计算机可读)介质(例如，闪存、光盘、磁存储盘等)，从而使机器执行如本文所述的方法。
虽然已经参照某些实施方式描述了本方法和/或系统，本领域技术人员将会理解，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下，可以进行各种改变并且以及进行等同替换。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以做出许多修改以使具体情况或材料适应本公开的教导。因此，本方法和/或系统不限于所公开的具体实施方式。相反，本方法和/或系统将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方式，无论是按照字义还是根据等同原则。

Claims (24)

1.一种焊接系统，包括：
传感器，所述传感器刚性地安装到焊枪上，并被配置为输出分别对应于坐标系的第一轴线、第二轴线和第三轴线的第一输出、第二输出和第三输出，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线彼此正交；以及
焊接控制器，所述焊接控制器被配置为：
基于所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出，确定所述传感器的第一旋转角以确定相对于参考坐标系的第一中间坐标系，以及
确定所述传感器的第二旋转角以确定相对于所述第一中间坐标系的第二中间坐标系；以及
基于所述第二中间坐标系校准所述传感器的取向。
2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中，基于所述校准的取向以及基于来自所述传感器的所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出的进一步的更新值来确定所述传感器的速度、所述传感器的所述取向以及所述传感器的位置中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的焊接系统，其中，所述传感器是三轴加速度计，并且所述焊接系统不包括磁力计。
4.根据权利要求1所述的焊接系统，其中，所述焊接控制器不使用磁力计输出。
5.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接控制器被配置为将所述第一中间坐标系确定为所述参考坐标系围绕其第二轴线旋转所述第一旋转角，并将所述第二中间坐标系确定为所述第一中间坐标系围绕其第三轴线旋转所述第二旋转角。
6.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接控制器被配置为当所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出指示恒定的加速度时确定所述校准的取向。
7.根据权利要求6所述的焊接系统，其中所述焊接控制器被配置成使用
Figure FDA0002581755580000011
确定所述第一旋转角，其中
Figure FDA0002581755580000012
是所述第一旋转角，a1是所述第一输出，a2是所述第二输出，并且a3是所述第三输出。
8.根据权利要求6所述的焊接系统，其中所述焊接控制器被配置成使用
Figure FDA0002581755580000022
确定所述第二旋转角，其中
Figure FDA0002581755580000021
是所述第二旋转角，a1是所述第一输出，并且a2是所述第二输出。
9.根据权利要求6所述的焊接系统，其中所述焊接控制器被配置为基于所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出经由查找表来确定所述第一旋转角和所述第二旋转角。
10.根据权利要求9所述的焊接系统，其中所述焊接系统被配置为从外部源接收所述查找表。
11.根据权利要求9所述的焊接系统，其中所述焊接控制器被配置为生成所述查找表。
12.根据权利要求1所述的焊接系统，还包括机器人控制器以控制保持所述焊枪的机器人，所述焊接控制器被配置为基于所述传感器的所述取向来控制所述焊枪。
13.根据权利要求1所述的焊接系统，还包括所述焊枪。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的焊接系统，其中所述控制器还被配置为基于来自所述传感器的校准的输出来生成焊接训练输出。
15.一种存储机器可执行指令的非临时性机器可读介质，在所述指令被执行时，所述指令使得处理器通过以下方式确定刚性地安装到工具的传感器相对于参考坐标系的取向，从而来控制所述工具：
基于所述传感器的第一输出、第二输出和第三输出来确定所述传感器的第一旋转角，以确定相对于所述参考坐标系的第一中间坐标系，其中，所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出分别对应于坐标系的彼此正交的第一轴线、第二轴线和第三轴线；
基于所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出来确定所述传感器的第二旋转角，以确定相对于所述第一中间坐标系的第二中间坐标系；以及
基于所述第二中间坐标系校准所述传感器的取向。
16.根据权利要求15所述的非临时性机器可读介质，还包括使得所述处理器基于所述校准的取向以及基于来自所述传感器的所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出的进一步的更新值来确定所述传感器的所述取向、所述传感器的速度以及所述传感器的位置中的至少一个的指令。
17.根据权利要求15所述的非临时性机器可读介质，其中，所述指令使得所述处理器将所述参考坐标系和所述第二中间坐标系之间的关系确定为：所述参考坐标系围绕其第二轴线旋转所述第一旋转角以形成所述第一中间坐标系，并且所述第一中间坐标系围绕其第三轴线旋转所述第二旋转角。
18.根据权利要求15所述的非临时性机器可读介质，其中，所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出来自加速度计，并且所述指令使得所述处理器在不使用磁力计输出的情况下确定所述传感器的所述取向。
19.根据权利要求15所述的非临时性机器可读介质，其中，所述指令使得所述处理器在所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出指示恒定的加速度时确定所述校准的取向。
20.根据权利要求19所述的非临时性机器可读介质，其中，所述指令使得所述处理器使用
Figure FDA0002581755580000033
来确定所述第一旋转角，并且使用
Figure FDA0002581755580000034
来确定所述第二旋转角，其中，
Figure FDA0002581755580000031
是所述第一旋转角，
Figure FDA0002581755580000032
是所述第二旋转角，a1是所述第一输出，a2是所述第二输出，以及a3是所述第三输出。
21.根据权利要求15所述的非临时性机器可读介质，其中，所述指令使得所述处理器基于所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出经由查找表来确定所述第一旋转角和所述第二旋转角。
22.一种没有磁力计的系统，包括：
刚性地安装的传感器，所述传感器被配置为输出分别对应于坐标系的第一轴线、第二轴线和第三轴线的第一输出、第二输出和第三输出，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线彼此正交；以及
处理器，所述处理器被配置为：
基于所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出，确定所述传感器的第一旋转角以确定相对于参考坐标系的第一中间坐标系，以及
确定所述传感器的第二旋转角以确定相对于所述第一中间坐标系的第二中间坐标系；以及
基于所述第二中间坐标系校准所述传感器的取向。
23.根据权利要求22所述的系统，其中基于所述校准的取向以及基于来自所述传感器的所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出的进一步的更新值来确定所述传感器的所述取向、所述传感器的速度以及所述传感器的位置中的至少一个。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述处理器还被配置为基于来自所述传感器的校准的输出来生成焊接训练输出。
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