电动工具操作者保护系统和方法与流程

1.本发明涉及一种电动工具操作者保护系统，以及一种保护手持式电动工具的操作者免受伤害的方法。


背景技术：

2.us2010/0064532a1提出了一种电动工具操作者保护系统，旨在保护电锯操作者免于割伤他/她自己。该系统保持跟踪放置在电锯切割杆上的传感器与操作者身体之间的间隔距离，并且如果间隔距离在阈值内，则停止电动工具。然而，需要一种更高效、准确、可靠的保护系统。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决或至少减轻上述问题的部分或全部。为此，提供了一种电动工具操作者保护系统，其包括：多个可穿戴位置传感器，其被配置为由手持式电动工具的操作者穿戴；电动工具位置传感器，其被配置为检测手持式电动工具的位置；以及处理设备，其被配置为：从可穿戴位置传感器和电动工具位置传感器接收位置数据；基于从可穿戴位置传感器接收的位置数据，生成操作者的模型，该模型表示操作者的姿势并且基于各个可穿戴传感器相对于彼此的相互位置；根据该模型的表示，将操作者的多个肢体中的每个肢体与相应的保护体积相关联；基于从电动工具位置传感器接收的位置数据，确定电动工具的工作器具的位置；以及基于电动工具相对于保护体积的位置和/或运动，指示工作器具进入保护体积的迫切危险，生成保护信号。保护信号可以提醒使用者或启动工具的安全功能，从而可以减少由于工作器具与操作者身体接触而发生事故的风险。根据一个实施例，处理设备可以被配置为基于工作器具已经进入保护体积的边界生成保护信号。
4.根据其他实施例，当工作器具邻近保护体积时，可已经生成保护信号。可穿戴位置传感器可以被配置为与处理设备无线通信。类似地，电动工具位置传感器可以被配置为与处理设备无线通信。可替代地，处理设备可以机械地与电动工具位置传感器或可穿戴位置传感器集成和连线。操作者的模型可以是骨架模型，或者允许定义操作者姿势的任何其他合适的操作者的表示。
5.根据实施例，处理设备可进一步被配置为将电动工具的工作器具与工作器具模型相关联；并确定是否存在工作器具模型与保护体积重叠的迫切危险。因此，可以考虑电动工具的几何形状，从而可以使用例如更靠近身体的细长工作器具进行工作。工作器具模型可以在一个、两个或三个维度中表示工作器具。此外，电动工具位置传感器可以安装到电动工具的与工作器具几何分离的部分，同时仍然允许精确地触发保护信号。例如，只要电动工具的工作器具的模型保持在保护体积之外，就可以允许电动工具位置传感器进入保护体积而不触发保护信号的生成。
6.根据实施例，处理设备可进一步被配置为将电动工具的工作器具与工作器具体积相关联；并确定是否存在工作器具体积与保护体积重叠的迫切危险。
7.根据实施例，处理设备可进一步被配置为：确定工作器具接近保护体积的速度，以及基于确定的速度调整用于生成保护信号的安全距离。因此，可以允许操作者在工作器具靠近身体的情况下操作电动工具，而不生成任何保护信号，同时仍然保持高水平的安全性。很大一部分电锯回跳(kickback)事故是在引导杆相对远离操作者身体的情况下发生的，并且响应于这种事故相对早期生成保护信号可以提高操作者的安全性。
8.根据一些实施例，处理设备可以被配置为基于保护信号停止电动工具的工作器具。根据其它实施例，可以允许工作器具以减小的功率继续，或者可以致动机械保护元件以防止工作器具与操作者身体之间的接触。
9.根据实施例，处理设备可以被配置为基于保护信号向操作者生成警报。例如，该警报可以是可听警报，其可以经由例如蜂鸣器或扬声器发送；视觉警报，其可经由例如显示单元或光源发送；或触觉警报，其可经由例如振动器发送。处理设备可以被配置为采取与不同的相应安全距离相关联的不同控制动作。例如，当工作器具位于与保护体积相对较远的第一距离时，处理设备可以发出可听的警告信号，并且当工作器具位于与保护体积相对较近的第二距离时，处理设备可以停止工作器具。
10.根据实施例，操作者的每条腿可以与相应的保护体积相关联。可选地，操作者的头部可以与相应的保护体积相关联。可选地，操作者的躯干可以与相应的保护体积相关联。可选地，操作者的每个臂可以与相应的保护体积相关联。
11.根据实施例，每个位置传感器可以被配置为确定空间中的绝对位置。
12.根据实施例，所述位置传感器的每个相应位置传感器可以被配置为确定空间中的相对位置，所述相对位置是相对于其他位置传感器的。
13.根据一个实施例，电动工具位置传感器进一步被配置为检测电动工具的方位。因此，如果电动工具位置传感器不直接附接到工作器具，则可以获得工作器具的更准确的位置。类似地，每个可穿戴位置传感器可以被配置为检测相应的方位。由此，可减少用于确定操作者姿势的可穿戴传感器的数量。
14.根据实施例，每个所述可穿戴位置传感器可以包括惯性测量单元，例如陀螺仪或加速度计。由此，可以从已知的起始位置跟踪可穿戴位置传感器的位置。可替代地，通过将操作者的运动装配到操作者的动态模型，可以基于操作者的运动来校准可穿戴位置的位置，而不需要任何已知的起始位置。可选地，电动工具位置传感器也可以以相同的方式操作。
15.根据实施例，电动工具操作者保护系统可以包括gnss(全球导航卫星系统)接收器。可选地，每个可穿戴位置传感器可以包括gnss接收器。仍然可选地，电动工具位置传感器可以包括gnss接收器。
16.根据实施例，电动工具操作者保护系统可进一步包括rtk(实时动态)基站，其中，所述可穿戴位置传感器中的每一个包括启用rtk的gnss接收器。rtk基站可以被配置为发送校正数据以解决gnss信号的任何位置模糊性。基站可以位于例如停放的林业地面车辆上，或者位于其他林业设备上，例如位于用于手持林业工具的便携式工具箱上。
17.根据实施例，电动工具操作者保护系统可进一步包括多个无线电信标，其中，所述可穿戴位置传感器中的每一个包括相应的无线电接口，可穿戴位置传感器的位置由从相应可穿戴位置传感器到每个所述无线电信标的检测距离确定。可选地，电动工具位置传感器
也可以以相同的方式操作。每个无线电信标可以被配置为向位置传感器发送相应的无线电信号。可替代地或附加地，每个信标可以被配置为从每个相应位置传感器接收无线电信号。
18.根据实施例，可以基于来自几个不同传感器的输入来确定每个肢体的位置。来自不同传感器的数据可以使用各种技术进行融合，例如slam(同时定位和映射)。此外，来自一个肢体携带的传感器的位置数据可以用于确定另一个肢体的位置。
19.根据实施例，处理设备可以被配置为基于来自附接到另一身体部分的可穿戴位置传感器的位置数据来确定一个身体部分的位置。例如，操作者的脚和头的相对位置，结合表示操作者躯干的长度和操作者腿的上部和下部的模型，可以足以在一定的统计置信度内确定操作者的姿势，包括操作者的膝盖弯曲角度和操作者腿的上部和下部的位置。此外，操作者肢体的运动通常是相互关联的，使得不是所有的肢体都需要配备可穿戴传感器来生成操作者身体的完整动态模型，该模型至少具有合理的统计置信度。未配备相应可穿戴传感器的肢体和身体部分的位置或运动可通过将可穿戴传感器数据馈送到例如人工神经网络或任何其他合适的ai(人工智能)应用来确定。
20.根据实施例，电动工具操作者保护系统可进一步包括连接到电动工具的电子致动的工作器具制动器，其中，工作器具制动器被配置为基于保护信号机械接合以停止工作器具的运动。
21.根据实施例，手持式电动工具可以是诸如电锯的手持式切割工具。可替代地，手持式电动工具可以是例如树篱修剪器。
22.根据实施例，电动工具位置传感器可以固定地附接到电动工具。
23.根据实施例，电动工具位置传感器可以集成在电动工具壳体内。
24.根据实施例，可穿戴位置传感器可以集成到工作服中，例如夹克、裤子、手套或靴子。
25.根据实施例，工作服可以是被配置为机械地保护操作者免受伤害的保护服。例如，保护服可以是电锯保护服，例如电锯保护头盔、电锯保护裤或电锯保护靴。
26.根据实施例，处理设备还可以被配置为：从相邻人穿戴的可穿戴位置传感器接收位置数据；基于从相邻人的可穿戴位置传感器接收的位置数据，生成相邻人的模型，该模型表示相邻人的姿势并且基于相邻人的各个可穿戴传感器相对于彼此的相互位置；根据相邻人的模型的表示，将相邻人的多个肢体中的每个肢体与相邻人的相应的保护体积相关联；以及基于电动工具相对于相邻人的保护体积的位置和/或运动，指示工作器具进入相邻人的保护体积的迫切危险，生成保护信号。由此，也可以保护与电动工具操作者相邻人免受伤害。相邻人的可穿戴传感器可以与操作者的可穿戴传感器具有相同类型，并且相邻人的模型和保护体积可以以相同的方式生成。
27.根据第二方面，通过保护手持式电动工具的操作者免受伤害的方法来解决或至少减轻上述问题的部分或全部，该方法包括：从操作者穿戴的可穿戴位置传感器接收位置数据；从电动工具位置传感器接收位置数据；基于从可穿戴位置传感器接收的位置数据，生成操作者的模型，该模型(26)表示操作者的姿势并且基于各个可穿戴传感器相对于彼此的相互位置；根据该模型的表示，将操作者的多个肢体中的每个肢体与相应的保护体积相关联；基于从电动工具位置传感器接收的位置数据，确定电动工具的工作器具的位置；以及基于电动工具相对于保护体积的位置和/或运动，指示工作器具进入保护体积的迫切危险，生成
保护信号。
28.注意，本发明的实施例可以通过权利要求中记载的特征的所有可能的组合来实施。此外，应当理解，上文定义的用于电动工具操作者保护系统的各种实施例都可以与根据第二方面定义的方法组合，反之亦然。
附图说明
29.通过以下参考附图对本发明优选实施例的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明的上述以及附加目的、特征和优点，其中相同的附图标记将用于相似的元素，在附图中：
30.图1是应用于操作电锯的电锯操作者的个人保护系统的示意透视图；
31.图2是应用于图1的操作者和电锯的骨架模型的示意透视图；
32.图3是应用于图1的操作者和电锯的多个保护体积和工作器具体积的示意透视图；
33.图4是图2和图3的骨架模型、保护体积和工作器具体积的示意透视图；
34.图5是示出保护手持式电动工具的操作者免受伤害的方法的流程图。
35.所有的图都是示意性的，不一定是按比例的，并且通常只示出了为了阐明实施例而必需的部分，其中可以省略其他部分。
具体实施方式
36.图1示出了操作电锯8的电锯操作者6。操作者6由电动工具操作者保护系统10保护，该电动工具操作者保护系统包括集成在操作者工作服中的多个可穿戴位置传感器12a-e和集成在电锯8的壳体9内的电动工具位置传感器14。可穿戴位置传感器12a-e体现为加速度计，并且这样被配置为识别任何运动以及相应传感器12a-e相对于竖直方向的方位。可穿戴传感器12a-e分别集成到操作者的电锯保护头盔16a、保护手套16b-c和保护靴16d-e中。
37.电动工具位置传感器14与电动工具操作者保护系统10的控制器18共同定位。此外，电动工具位置传感器14体现为加速度计，并且由此感测传感器14的运动和方位。控制器18被配置为无线地从可穿戴位置传感器12a-e接收位置数据，并接收电动工具位置传感器14的位置，并且基于从可穿戴位置传感器12a-e和电动工具位置传感器14接收的位置数据，以下面将进一步说明的方式生成操作者6和电锯8的模型。
38.电锯8包括环形锯链20，该环形锯链被配置为通过位于电锯8的壳体9内的驱动电机(未示出)绕引导杆22的周边旋转。电子可致动的链式制动器24可操作地连接到控制器18，允许控制器18致动链式制动器24以停止锯链20。
39.当操作者6移动他的肢体时，可穿戴位置传感器12a-e将运动数据发送到控制器18，该控制器基于运动模式将位置传感器12a-e装配到表示操作者6的操作者骨架模型26上，如图2所示。因此，一旦装配到操作者骨架模型26，位置传感器12a-e相对于彼此的位置已经确定，并且任何可穿戴位置传感器12a-e的位置的任何变化将通过各个可穿戴位置传感器12a-e向控制器18发送它们的运动数据来更新。操作者骨架模型26包括由多个关节27互连的多个刚性杆25。该模型可进一步包括与每个关节相关联的相应约束，例如可用的弯曲方向和弯曲角度范围。
40.类似地，当操作者6通过电锯手柄抓住电锯8并开始移动它时，控制器18检测电锯8
的运动并自动将电锯8的位置与操作者骨架模型26装配。可以基于手套16b、16c中的传感器12b、12c之间的相对位置将电锯位置装配到操作者骨架模型26，从而可以获得表示锯链20的工作器具骨架模型28，并相对于操作者骨架模型26定位。一旦工作器具骨架模型28已经相对于操作者骨架模型26定位，锯链20相对于操作者6的位置的任何变化都将由电动工具位置传感器14通过将其运动数据发送到控制器18来更新。
41.现在转到图3，一旦已经建立骨架模型26、28，控制器18将操作者骨架模型26与多个保护体积30a-30g相关联，其中每个保护体积包围操作者6的相应身体部分。例如，操作者的头部32a可以与相应的头部保护体积30a相关联，操作者的躯干32b可以与相应的躯干保护体积30b相关联；操作者的腿32c中的每一个可以与两个相应的腿保护体积30c、30d相关联；操作者的臂32e中的每一个可以与两个相应的臂保护体积30e、30f相关联；并且操作者的脚32g中的每一个可以与相应的脚保护体积30g相关联。在所示的示例中，保护体积30a-g中的每一个具有围绕骨架模型26的相应刚性杆25(图2)为中心的圆形-圆柱形形状，尽管其他形状也是可能的。圆柱形保护体积30a-g可以根据它们相关联的身体部分具有各自不同的半径。此外，可以基于例如工作服的尺寸来设置半径，工作服的尺寸可以被配置为与控制器18无线地通信。
42.类似地，控制器将锯链20与包围引导杆22和锯链20的工作器具体积34相关联。此外，工作器具体积34具有以工作器具骨架模型28为中心的圆形-圆柱形形状。
43.图4示出了骨架模型26、28以及保护体积30a-g。当工作器具体积34的任何部分与保护体积30a-g重叠时，存在锯链20可能进入保护体积30a-g的迫切危险。控制器18一旦识别出这样的重叠，就生成保护信号。保护信号被无线传输到操作者听力保护的耳杯36(图1)内的扬声器。此外，保护信号激活电子可致动链式制动器24，以立即停止锯链20。此外，每当控制器18确定工作器具体积34以超过极限速度的速度接近保护体积30a-g，当工作器具体积34已经到达与保护体积30a-g的安全距离内时，控制器18就已经生成保护信号。可以根据工作器具体积34接近保护体积30a-g的速度来设置安全距离。
44.电动工具操作者保护系统10(图1)也可用于保护操作者附近的其他人。相邻人(未示出)，例如另一电锯操作者，可以穿戴类似的一组可穿戴传感器，其可以将位置数据发送到控制器18。基于来自相邻人的可穿戴传感器的位置数据，控制器18可以生成相邻人的类似骨架模型，并将该模型与相邻人的肢体的相应保护体积相关联。
45.图5的流程图示出了操作电动工具操作者保护系统10的方法。
46.在步骤501中，从操作者6穿戴的可穿戴位置传感器12a-e接收位置数据。
47.在步骤502中，从电动工具位置传感器14接收位置数据。
48.在步骤503中，基于从可穿戴位置传感器12a-e接收的位置数据，生成操作者6的模型26，该模型26表示操作者的姿势并且基于各个可穿戴传感器12a-e的相互位置。
49.在步骤504中，操作者6的多个肢体中的每个肢体与相应的保护体积30a-g相关联。
50.在步骤505中，基于从电动工具位置传感器14接收的位置数据，确定电动工具8的工作器具20的位置。
51.在步骤506中，响应于电动工具8相对于保护体积30a-g的位置和/或运动而生成保护信号，该保护信号指示工作器具20进入保护体积30a-g的迫切危险。
52.上面已经主要参考几个实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解
的，在本发明的范围内，如所附专利权利要求所限定的，除了上面公开的实施例之外的其他实施例也同样可能。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数。