优先权声明
本申请要求以下申请的优先权，其通过引用并入本文：
于2015年1月22日提交的标题为“manualtooltrackingandguidance(手动工具跟踪和引导)”的美国临时专利申请62/106,283。
背景技术：
许多应用需要使用手动或半自动而不是全自动的工具，例如焊接炬、等离子切割机、锯、钉枪等。然而，即使在技术熟练的操作者手中，手动工具也对于不精确、人为错误和令人不满意的结果留出大量空间。在使用手持式工具——例如，焊接炬——进行手动焊接时，重要的是：将工具瞄准接头的期望接缝；将工具在空间上相对于接头并且相对于行进方向来定向；以对于期望的热输入、穿透和焊缝轮廓来说恰当的速度移动工具；使工具在对于焊接开始的焊接起始时和对于坑洞填充的焊接结束时停留；以如下适当的位置焊接，例如，平面/水平/竖直/仰角和en26947和asme部分ix中规定的那些；正确地转弯；在某些接合位置处减速或加速；以对于变形和残余应力控制来说正确的顺序在工件内的各个位置焊接；在多道焊接中以适当的交叠图案来堆叠焊缝；使焊炬以规定的图案迂回行进；以及在主要结构焊接之前根据焊接程序进行定位焊接，等等。因此，手工焊接工具主要取决于操作者的动作技能、他们的手眼协调性以及他们坚持和遵照焊接程序规范和制造图纸的精神能力。制造商期望减少人类操作者的培训成本，使得较不熟练的操作者仍然可以产生符合质量要求的良好焊缝，并对操作者和作业候选人操纵焊接炬的灵活度进行评估，用于进行作业分配。制造商还期望监测和记录手持式工具的实际运动、定向和震动以及生产中的实际焊接顺序，用于质量保证和工人培训以及健康和安全目的。通过将这些系统与本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的一些方面进行比较，常规和传统方法的限制和缺点对本领域技术人员将变得明显。
技术实现要素：
提供了用于智能手持式工具的系统和方法，该智能手持式工具具有传感器以感测其相对于工件中的焊接接头的自身运动、定向和位置；并且进行跟踪和引导，基本上如结合附图中的至少一个所示和/或描述，如在权利要求书中更全面地阐述。
从下面的描述和附图将更充分地理解本发明的这些和其他优点、方面和新颖特征以及其所示实施例的细节。
附图说明
图1a是示出了用于跟踪和引导工具的具有机载和外部传感器的示例性手动工具的图。
图1b示出了图1a的传感器的示例性电路系统。
图2a是示出了用于处理用于确定焊接操作的各个特性的传感器数据的示例性方法的流程图。
图2b是示出了图1a的手动操作工具的行进速度的闭环控制的流程图。
图2c是示出了通过手动操作的焊接炬进行热输入的闭环控制的流程图。
图2d是示出了通过手动操作的焊接炬制成的焊缝的尺寸的闭环控制的流程图。
图2e示出了利用迂回行进图案制成的示例性焊缝。
图3a是示出了使用一个或多个惯性传感器和一个或多个相机的手动工具的跟踪和引导的流程图。
图3b是示出了校准惯性传感器的示例性方法的流程图。
图3c示出了用于校准集成在手动工具中/上的一个或多个传感器的示例性固定件。
图3d示出了示例性校准装置。
图4示出了使用一个或多个惯性传感器和温度传感器来确定手动焊接机或切焊炬的速度。
图5a和图5b示出了手动工具的工作角度和行进角度。
图5c示出了工具至工作(tool-to-work)距离。
图5d示出了手动工具的伸出距离。
图6示出了基于工具伸出距离和工具至工作距离定位焊接路径。
图7是示出了用于手动工具的电子引导的示例性方法的流程图。
图8a和图8b示出了手动工具操作的可视引导。
具体实施方式
惯性测量单元(imu)是用于运动测量的微机电系统(mems)传感器。它可以包括：一个或多个加速计(以感测线性加速度、速度和位置)、一个或多个陀螺仪(以感测角速度和位置)和/或一个或多个磁强计(例如，用于校准抵抗定向漂移)。市售的6d(6自由度)imu的示例是仙童fis1100，其在一个封装件中具有3轴加速计和3轴陀螺仪。具有3轴磁强计的示例是霍尼韦尔hmc5883l。3轴加速计、3轴陀螺仪和3轴磁强计的组合可以为运动感测提供9d(9自由度)imu。虽然陀螺仪通常用于imu以补充加速计，但是可以依靠具有增加自由度的更多加速装置(例如，设置在立方体的每个面上的6至9线性加速装置)来在没有陀螺仪的情况下确定刚体的运动学，或依靠具有改进性能的全加速计imu。在手持式工具的各个位置处(例如，在远离工具中心点(tcp)的手柄处、和/或工具中心点(tcp)附近、和/或其他位置处)安装一个或多个imu可以提供更简单的运动学计算并且可以区分预期的运动与非主动运动(颤动)。tcp通常用于由自动化装置而不是手持有的工具的特征，为了本公开的目的，tcp也包括手持式工具。为了本公开的目的，imu是指在手持式工具的各个位置处在具有或不具有一个或多个陀螺仪和/或磁强计的情况下的一个或多个加速计，用于馈送线性和角运动的运动学计算。在某些实施例中，本公开还包括“多模式”方法，例如，添加和集成其他非imu传感器，例如相机、gps、声学、接近度，激光等。
图1a是示出了具有用于跟踪和引导工具的机载传感器和/或相机的示例性手动工具的图。
示出了包括安装在其中或其上的传感器106的工具102以及与手持式工具102分离的相机104。在各个示例性实施例中，工具102可以包括例如焊接炬、等离子切割器、加热炬、感应加热器、钉枪、机械锯等。工具102被应用于工件108。在所示的示例中，工件108是管道，并且工具102的操作者试图利用工具102沿着管道的圆周跟随接头接缝路径112。随着焊炬围绕管道行进，在三个时刻t1、t2和t3处示出了焊炬。在所示的示例中，路径跟随待通过手动焊接炬102焊接的接头。在另一示例性实施方式中，路径是由等离子切割器102或锯102切割的路径。在另一示例性实施方式中，路径是由钉枪102以定期间隔钉成的路径。这些示例只是说明性的，可以设想出利用许多其他手动工具的类似的应用。
传感器106可以包括一个或多个imu。在工具102是焊接炬或切焊炬的情况下，传感器106还可以包括用于感测焊炬102的电极处的电压的电压传感器和/或电流传感器。在各个示例性实施方式中，传感器还可以包括全球导航系统(gps)接收器、本地定位系统(lps)接收器和/或相机。例如，在工具102是gtaw焊接炬的情况下，传感器106可以包括同轴的相机，所述相机可以安装在钨电极上方以捕获焊接熔池和接头的图像，但是电极不在焦点上以便不干扰焊接熔池和/或接头的视图。传感器106可以提供相对于其自身坐标系的读数。因此，电子工具跟踪/引导系统可以需要一种将传感器106的坐标系和位置与工件108的定向和位置相关联的方式，使得可以确定运动数据或属性，例如，工作角度、行进角度、tcp目标(例如，焊丝放置)、沿着路径112的行进速度等。为了确定工件108的定向，可以累积先前时间间隔(例如，前一秒)内的平均方向，并将其假设为路径112的定向，然后可以通过将所确定的路径112在先前时间间隔内的定向与瞬时方向(如由传感器106和/或相机104所报告)进行比较来确定工作角度和行进角度。传感器106可以包括在工具102的主体中的以已知距离间隔开的两个或更多个imu，以确定在世界坐标系中焊炬的定向和tcp的运动。
简要地参照图1b，传感器106可以通信地耦接到处理子系统150，处理子系统150包括例如cpu、dsp、fpga、cpld、asic、soc、gpu、adc、易失性和/或非易失性存储器、电池、时钟/振荡器、以及用于信号至/从处理子系统的信号的通信的输入/输出电路系统，所述通信包括rf无线通信(例如，至/从传感器106以及至/从电路系统以提供用于工具102的操作者的用户接口)。处理子系统150可以例如被集成到工具102中和/或可以是外部的(例如，在服务器、网关、云计算平台、个人计算机、智能电话、平板电脑、用户接口、操作者可穿戴或个人防护设备、焊接电源、机器人、焊接系统控制器等中)。处理子系统150被配置为基于传感器106的输出进行运动学计算。如所示出，处理系统还通信地耦接至焊接电源、送丝机和/或气体阀152。虽然穿透、焊缝尺寸(例如，焊缝的横截面积的测量)、冷却速率和/或所描述的其他参数的一些相对简单的计算在本文中作为示例提供，并且适用于甚至具有非常有限资源的处理系统150，但是当然可以使用足够的处理能力可用的更复杂的计算(例如，使用本文提到的预测模型在云中进行计算)。在示例性实施方式中，处理子系统150基于这样的模型计算对于以下中的一个或多个的预测：焊接微结构、硬度、缺陷和不连续性、残余应力和变形、以及机械性能。云中进行的预测然后可以实时传送回焊接设备用于反馈控制。
返回到图1a，相机104(在示例性实施方式中，以及传感器106的相机)可操作以使用任何合适波长(例如，红外、近红外、可见光谱等)的任何电磁波和/或声波(例如，超音波)来捕获图像。相机104可以例如是灰度成像相机(包括高动态范围相机)、激光扫描相机和/或飞行时间(tof)相机。将相机104的视场称为110。可以看出，在图1的示例性实施方式中，焊炬102对于路径的仅一部分在相机104的视野内，并且在沿着路径的其他点处被工件108隐藏而不能看见。在焊炬102处于视场110内时，来自相机104的数据可以用于校准传感器106(即，补偿通常在imu中发生的漂移)。然而，当焊炬在视场外时，当gps信号丢失时，类似于隧道中的汽车，传感器106可以继续提供手持式工具运动反馈信号。在示例性实施方式中，工件108的先验知识(例如，直径、定向、材料类型、厚度、3dcad模型等)、最大速度(例如，到平均工具行进速度的期望数量的标准偏差)、运动包络的预期范围等可以用于确定实际行进速度、实际行进距离和/或其他运动学计算。以这种方式，相机104和传感器106的组合可以能够跟踪手持式工具在应用中的运动，在应用中部署多个相机以观察整个路径在商业上或实际上是不可行的。然而，在其他实施方式中，可以使用多个相机104来捕获工件108的其他角度、工具102的其他角度、和/或周围环境。在一些实施例中，存在具有围绕工件108的多个视场110的多个相机104(例如，两个或三个)，使得传感器106可以在焊接期间被多次校准。
在另一个实施例中，可以在工件108周围产生已知的磁场，用于校准102，而不是使用相机104来校准。磁场发射器(例如，具有通量集中器的线圈)111可以在工件108的已知位置处被集成到焊接固定件(例如，内部和外部夹具、带等)中。磁场强度可以远大于地磁场。可替代地，磁场发射器可以被集成到工具102中(即，传感器106可以包括磁场发射器)，并且多个传感器(例如，磁强计)111可以在靠近沿着焊缝的焊接接缝的各个位置处集成到焊接固定件中，用于感测工具定向(例如，相对于焊接接头)和/或焊接位置(例如，感测是否为1g(“平坦”)、2g(“水平”)、3g(“竖直向上/向下”)、4g(“架空”)、5g(“管道水平”)或6g(“管道45°)位置)、以及集成到工具102中的传感器的校准。
在示例性实施方式中，传感器106可以用于管理焊接设备的功率消耗。例如，当imu指示焊炬102已经静止了一段确定的时间段时，工具102、其电源和/或其他辅助设备可以被置于低功率状态。当imu指示一些确定的特性的运动(例如，高于确定的阈值的加速度)时，焊炬102、其电源和/或其他辅助设备可以切换到就绪状态。例如，对于被供电使用的焊炬102，主变压器可以被激励，并且对于发动机驱动的焊接机，发动机可以从怠速切换到更高的rpm。
图2a是示出了用于处理用于确定焊接操作的各个特性的传感器数据的示例性方法的流程图。
在框202中，处理子系统150接收在焊炬102和工件108之间已经点燃弧的信号。
在框204中，响应于框202中的焊接起始信号，处理子系统存储焊接起始时间、传感器106在起始时的输出以及在起始时的弧的位置(例如，参照例如在下文参照图3b和图3c所述的在焊炬102的初始校准期间确定的三维坐标系)。
在框206中，当焊炬102在焊接操作期间沿着路径行进时，传感器106的输出(例如，加速计输出、陀螺仪输出、磁强计输出、焊接电压(例如，在电源、焊炬输入、电极、弧或任何其他合适的参照点处)传感器输出、和焊接电流传感器输出)被周期性地和/或偶尔采样并存储到存储器中。
在框208中，处理子系统150接收弧已经熄灭的信号。
在框210中，响应于框210中的焊接终止信号，处理子系统150存储焊接终止时间、传感器106在终止时的输出以及在起始时的弧的位置(例如，参照例如在下文参照图3b和图3c所述的在焊炬102的初始校准期间确定的三维坐标系)。
在框212中，处理子系统150使用在焊接操作期间存储的传感器数据来确定沿着完成的焊缝的路径的各个点处的焊炬行进速度，并且确定完成的焊缝的长度。这可以包括例如计算沿着路径的传感器106的加速度输出的时间积分，以确定沿着路径的各个点处的工具102的瞬时速度(行进速度和方向)。这还可以包括对在焊缝的某些长度/部分上平均的所确定的瞬时行进速度进行平均，以确定在这些长度/部分上的实际(相对于预定或预期的)行进速度。此外，这可以包括在焊接时间内累积实际焊接速度以确定实际的焊缝长度。实际行进速度的确定可以在没有任何用户输入、猜测或错误的情况下，并且在没有工件108的任何先验知识或焊接路径的几何形状的情况下自动进行。每单位长度的实际热输入可以通过处理子系统150通过随时间积分瞬时功率并除以沿着焊接路径的实际焊缝长度来计算。热输入计算的细节可以在asme部分ix附录qw409.1方法(c)和iso/dtr18491中找到。在框212中，焊接路径可以不是直线。例如，它可以是曲折路径或曲线路径。简要地参照图2e，示出了由焊炬迂回行进产生的曲折路径的示例。在这种情况下，可以使用l1、l2、...、l10轨迹(由弧跟踪的实际路径)或l100轨迹来进行两种热输入计算方法。此外，实际的焊缝尺寸(例如，圆角焊接脚尺寸)可以被计算(例如，与热输入的平方根成比例)。如果焊炬102由操作者迂回行进，则存在两种计算焊缝长度的方法。在图2e中，焊缝长度可以是l1、l2、...、l10的总和，或其可以沿平均的焊炬行进方向为l100。在示例性实施方式中，如图2e所示的迂回行进路径的平均焊接速度可以是沿l100的平均速度。处理子系统150可以使用来自传感器106的位置信息与几何计算结合和/或结合关于焊接的先验知识(例如，在wps中阐述的迂回行进的特征)来确定该平均速度。
返回到图2a的框212，在示例性实施方式中，可以基于所确定的实际热输入来计算(例如，可以基于与实际热输入成反比来计算)冷却速率(以及所得到的微结构、硬度、残余应力和变形以及机械性能)。冷却速率例如可以通过热输入和初始板温度(由图1b中的温度传感器测量)的乘积的倒数来计算。在示例性实施方式中，框212还可以涉及基于所记录的数据确定以下中的一个或多个：在框212中可以确定的焊炬角度、行进角度、焊接位置和/或焊缝尺寸。
在框214中，在框212中确定的实际行进速度和实际焊缝长度值与操作期间记录的传感器数据一起被存储(即，传感器数据的采样或采样组以相应的速度和/或长度值被“标记”)。
在框216中，处理子系统150基于在焊接操作期间收集的传感器数据确定对焊缝的实际热输入。这可以包括例如将瞬时焊接功率(从捕获的焊接电压和焊接电流值计算)在实际焊缝长度(在框216中确定)上积分。可以在焊缝的某些长度/部分上计算实际热输入。例如，可以对每英寸的实际焊缝进行积分，以确定以千焦耳每英寸焊缝长度(kj/in)为单位的实际热输入。实际热输入的确定可以在没有任何用户输入、猜测或错误的情况下，并且在没有工件108的任何先验知识或焊接路径的几何形状的情况下自动进行。
在框218中，在框212中确定的实际热输入值与在操作期间记录的相对焊缝位置数据(例如，10％为完成的焊缝)一起被存储(即，传感器数据的采样或采样组用相应的热输入值“标记”，使得例如可以制作沿着焊缝线的瞬时热输入的图)。质量控制限制可以沿着焊缝线应用于热输入值，并且控制限制外的偏差可以标记用于目标视觉检查或其他无损测试。在焊接完成时，可以将实际的热输入、估计的冷却速率和/或估计的焊缝尺寸与wps(焊接程序规范)进行比较，并且可以识别不合格。
在框220中，经由处理子系统150的人机接口(hmi)(例如，经由焊炬上、操作者穿戴的头饰上、操作者的腕带上佩戴的智能手表上的led或lcd等)呈现捕获的传感器数据和元数据。行进速度、焊炬行进角度、工作角度、热输入、冷却速率和焊缝尺寸的任何不合格可能会触发喷漆机，其在焊接停止后立即自动启动，以标记可疑焊缝。数据和/或元数据的呈现可以用于操作者培训、焊接的质量保证和/或任何其他期望的目的。
替代将元数据确定和呈现为后处理功能，而是可以在焊接操作期间实时进行。运行速度、焊炬角度、行进角度、热输入、冷却焊缝和焊缝尺寸可以基于传感器数据动态地计算，因为焊接动态地发生甚至通过反馈控制动态地调整。以下参照图2b至图2d描述一些示例。
图2b是示出了图1a的手动操作工具的行进速度的闭环控制的流程图。该过程开始于框232，其中处理子系统150加载用于要执行的焊接程序的wps。这可以包括例如响应于焊接操作者选择特定的wps从远程数据库检索wps(例如，经由处理子系统150的hmi或由工具自动扫描的工件上的qr码)。wps可以包括例如最小和最大行进速度(和/或热输入和/或冷却速率和/或焊缝尺寸)阈值，然后将其加载到易失性存储器中，使得cpu可以快速地执行与这些阈值的比较。
在框234中，处理子系统150接收在焊炬102和工件108之间已经点燃弧的信号。例如，焊接起始源自操作者拉动焊炬102的触发器。在将焊接能量传送到焊炬102之前，将从传感器106的输出确定的实际焊炬位置与要在焊接顺序中执行的下一个焊缝的期望位置进行比较。如果满足接近阈值，则焊接电力被激励并允许焊接进行。否则，焊接电源输出被关闭，并且经由hmi向操作者给出警告指示符：操作者试图例如不按顺序焊接或将焊缝焊接在wps中未指出的位置。因此，强制遵守wps。
在框236中，响应于框234中的焊接起始信号，处理子系统存储焊接起始时间、传感器106在起始时的输出以及在起始时的弧的位置(例如，参照例如在下文参照图3b和图3c所述的在焊炬102的初始校准期间确定的三维坐标系)。
在框238中，当焊炬102在焊接操作期间沿着路径行进时，传感器106的输出(例如，加速计输出、陀螺仪输出、磁强计输出、焊接电压传感器输出和焊接电流传感器输出)被采样并用于确定焊炬行进速度。实际焊炬行进速度的确定可以如上文参照图2a的框212所述。同样地，在框238中可以确定焊炬角度、行进角度、焊接位置、热输入、冷却速率和焊缝尺寸。
在框240中，经由hmi呈现所确定的行进速度，使得执行焊接的操作者或监督焊接的另一人获得关于焊接的实时反馈。
在框242中，将确定的行进速度与来自wps的阈值进行比较。如果行进速度在阈值之间，则过程前进到框246。如果行进速度高于高阈值或低于低阈值(“超出规格”)，则过程前进到框244。
在框244中，经由hmi警告焊炬操作者。警告可以包括例如闪光灯或屏幕、声音报警和/或图形/动画/视频/等等，用于指示操作者加速、减速和/或进行一些其他纠正操作。框244可以附加地包括处理子系统150产生控制信号以触发校正动作，以试图补偿超出规格的行进速度。例如，处理子系统150可以产生控制信号以自适应地控制焊接功率水平和/或焊丝沉积速率，使得保持适当的热输入量或焊缝尺寸以补偿由传感器106测量的实际行进速度的变化(例如，调整焊接电源和/或焊丝供给速度)和/或触发预防动作(例如关闭电源，使得工件108不被损坏)。
在框246中，如果已经接收到焊接停止信号，则过程前进到框248，其中完成的焊接操作的概要经由hmi呈现和/或存储到训练和/或质量保证数据库。如果没有接收到焊接停止信号，则过程返回到框238。在示例性实施方式中，概要可以保存在焊接设备中本地的数据库中，或者上传到云或远程数据库。
图2c是示出了通过手动操作的焊接炬进行热输入的闭环控制的流程图。图2c的流程图基本上类似于图2b的流程图，除了实际热输入(例如，如上参照图2a的框216所确定)而不是如图2b中的实际行进速度被监测并用于控制焊接设备和/或向操作者提供反馈。热输入过多可能导致工件燃烧穿通，并且热输入过少可能导致熔融缺乏。热输入与焊缝深度或穿透有关。为了补偿操作者行进速度变化并保持适当的热输入，244中的纠正动作可以包括提高焊丝速度(在gmaw焊接中)或焊接电流(在gtaw焊接中)，以匹配增加的实际行进速度；以及降低焊丝速度或焊接电流，以匹配降低的实际行进速度。
图2d是示出了通过手动操作的焊接炬进行热输入的闭环控制的流程图。图2d的流程图基本上类似于图2b的流程图，除了实际焊缝尺寸(例如，如上参照图2a的框216所确定)而不是如图2b所示的实际行进速度被监测并用于控制焊接设备和/或向操作者提供反馈。更具体地，焊缝宽度(例如，圆角腿长度)可以被保持。例如，缺乏经验或缺乏认真的焊接操作者可能会倾向于错误的“过焊接”想法：较大的焊缝总是较好，而没有考虑顺应焊接后的变形的大的成本。为了实现适当的焊缝尺寸，实际行进速度可以在262中被监测，并且焊缝尺寸(例如，随着热输入的平方根变化的圆角腿长度)可以被动态地计算。如果实际速度太慢，导致尺寸过大的圆角腿长度，则焊丝速度可以在244中自动减慢，因此较少的金属被沉积以匹配较慢的实际行进速度。在这种自适应焊接期间，也可以检查最小行进速度(如图2b中所示)，但是较宽的适应性窗口容忍操作者具有较宽的技术差距。
图3a是示出了使用一个或多个惯性传感器和一个或多个相机的手动工具的跟踪和引导的流程图。
在框302中，传感器106和相机104使用例如手动校准方法进行校准，例如下面参照图3b所述。
在框304中，手动工具操作开始。例如，在工具102是焊接机的情况下，操作者可以沿着路径112开始焊接接头。作为另一个示例，在工具102是切割器(例如，等离子切割器或锯)的情况下，操作者可以沿着路径112开始切割。
在框306中，传感器106周期性地输出读数，并且相机(106和/或104)在手动工具操作期间周期性地捕获图像。来自传感器和相机的读数可以同时或在时间和/或空间上分开进行获取。读数和图像可以存储到存储器中用于进一步处理。
在框308中，来自传感器106的读数和来自相机104的图像彼此互补使用，用于确定工具102的定向、速度、位置和/或其他运动数据或属性，其具有比利用单独的传感器106或单独的相机104可以实现的更高的精度。定向、速度、位置和/或其他运动数据或属性可以使用启发式方法来确定。可以基于从相机104的图像确定的运动数据或属性和从传感器106的读数确定的运动数据或属性的加权组合来确定定向、速度、位置和/或其他运动数据或属性。当相机104具有(has)/具有(have)良好视野时，来自相机104的数据可以在最终确定的运动数据或属性中权重较大(并且传感器权重较小)。当相机104不具有良好的视野时，来自相机的数据可以在最终确定的运动数据或属性中权重较小(并且传感器权重较大)。另外或可替代地，因为传感器106可能随时间漂移，因此当视图良好时来自相机104的图像可以用于重新校准传感器106。在这方面，在示例性实施方式中，一个或多个相机104可以定位/配置为使得除了(或替代)跟踪工具102和工件108之外可以跟踪传感器106。在这方面，在一些情况下，工具102、工件108和传感器106的布置可以使得保持传感器106的良好视野比保持工具102(例如，焊接电极或切割尖端)和工件108的良好视野更容易。
在示例性实施方式中，相机104捕获红外波长并且可操作以测量其视场中的对象的温度。该温度梯度图可以被处理以确定实际的焊炬行进速度，如下面参照图3所述。在示例性实施方式中，非常接近传感器106测量的温度可以用于补偿传感器106或数据处理/传输硬件的温度漂移。另外或可替代地，温度传感器106可以包括用于补偿温度漂移的温度传感器(如图1b所示)。
图3b是示出了校准惯性传感器的示例性方法的流程图。在示例性实施方式中，校准的目标是找到相对于工作固定件的框架(“用户框架”或“任务框架”)的起点，并且通过将工具放置在相对于焊接固定件的已知位置和已知定向，并且在已知静止状态下来消除累积的漂移。在示例性焊接实施方式中，固定的伸出电极本身(或焊炬末端的指针)可以指向工具中心点(tcp)，并用于触摸校准块(内置在固定件中的jo块或量规块)上的已知点。当焊炬102处于这些位置时，处理子系统150存储来自传感器106的输出。在框312中，工具被触摸到jo块的原点，并且给出命令(例如，触发拉动、按钮按压、语音命令或由接近传感器自动地)来记录原点。然后，在框314至框318中，将工具移动到例如jo块的其他三个已知部分，并且记录正交点(位置和定向)。在框320中，基于来自jo块的四个点的四组读数来校准传感器106。在框322中，处理子系统150进行框架转换以获取传感器位置信息并将其转换成tcp位置和焊炬定向。
图3c示出了用于校准集成在手动工具中/上的一个或多个传感器的示例性固定件。固定件(例如，在制造厂中或可被带入现场的便携式固定件)包括将工具102(示出的示例中的焊接炬)定位在已知的原始位置和定向上的机架356。机架356可以具有接近或其他传感器354(工具102可以具有对应的感测元件352，例如，用于接近传感器354的铁磁材料块，其可以是传感器106的一部分)，使得系统知道何时将焊炬牢固地并且完全放置在机架356内，使得可以自动进行传感器106的精确校准。一旦被校准，传感器106可用于确定工具102的定向和/或工具在3d空间中相对于固定件的位置。
在示例性实施方式中，如图3d所示，具有不同位置和/或定向的多个机架356a、356b、356c被安装到固定件用于精确校准(例如，如图所示，三个机架各自相隔90°)。校准保持器可以相对于固定件、工件和接头几何地固定，使得可以建立用户/任务框架。为了校准，操作者可以由hmi引导以将焊炬102依次放置在三个机架中。接下来描述示例性实施方式。
首先，机架356a上的led可以闪烁，以指示操作者将焊炬102插入机架356a。当焊炬102被插入机架356a中并且接近传感器354a检测到焊炬102被完全插入时，处理子系统150记录传感器输出。然后，机架356b上的led闪烁，以提示操作者将焊炬插入356b。当焊炬102被插入机架356b中并且接近传感器354b检测到焊炬102完全插入时，处理子系统150记录传感器输出。最后，机架356c上的led闪烁，以提示操作者将焊炬插入356c。当焊炬102被插入机架356c中并且接近传感器354c检测到焊炬102完全插入时，处理子系统150记录传感器输出。在针对每个机架356a至356c记录了传感器输出之后，处理子系统150可以准确地确定用户/任务框架。在另一示例性实施方式中，替代机架，校准装置可以包括栓、支架、夹具和/或用于将焊炬保持在已知位置和定向上的任何其他合适的装置。
图4示出了使用一个或多个惯性传感器和温度传感器来确定手动焊接机或加热或切割焊炬的速度。在示例性实施方式中，相机104是可操作以测量其视野中的对象的温度的红外相机。对于各种类型的工具102(例如焊炬、等离子切割机、感应加热器和甚至刀片锯)，工件的温度在工具102当前与工件相互作用的点(即，弧、刀片等的位置)处将是最高的并沿着远离该点的方向衰减。图4示出了纵轴表示温度并且横轴表示工具102的行进方向的图。行进方向可以例如根据传感器106的加速计的读数来确定。在横轴上的标记为工具102当前正在与工件108相互作用(焊接、加热、切割等)的点。因此，温度梯度的形状与从加速计确定的方向信息相结合，提供关于工具102的速度的信息。例如，线402表示较慢移动的工具102，而线404表示较快移动的工具102。因此，温度梯度的性质(例如，在相互作用点前和/或后的一个或多个点处的dt/dd，其中t是温度，d是距离)可用于确定工具102的速度。一旦确定速度，就可以将其与期望的速度(例如，在焊接程序规范中阐述)进行比较，并且可以引导手动工具102的操作者(例如，使用视觉、听觉和/或触觉反馈)加速或减速，因为焊接参数的适当的闭环控制可以适应行进速度变化，以保持热输入、焊缝尺寸、冷却速率等。
在焊接操作期间，工具102的位置和定向可以由以下参数限定：包括行进角度502、工作角度504、行进速度、目标、以及工具至工作距离。假设工具102的行进方向处于x方向，图5a示出了工具102的工作角度504，并且图5b示出了行进角度502(对于焊接炬的示例，在506处指出焊缝被铺设)。行进速度是工具102(或更具体地，由工具102控制的弧/刀等)沿着路径112移动的速度。工具102的目的是测量工具的尖端(例如，焊接炬的非消耗性电极或接触尖端、等离子切割器的喷嘴、锯片等等)相对于待跟随的路径112的位置。目标可以例如被测量为在与行进方向垂直的方向上距离路径112的中心的距离。可以相对于工具102的尖端的突起来测量目标，如图5c中的测量结果524所示，和/或可以相对于尖端的正交投影来测量，如图5c中的测量结果522所示。
这里使用的工具至工作距离是工具(例如焊接炬的电极或接触尖端、等离子切割机或氧燃料加热器的喷嘴、锯齿等)与在工具102与工件相互作用的点处或附近的工件108的表面之间的垂直距离，如图5d所示。gmaw焊接炬的伸出距离是焊丝从工具102的接触尖端延伸多远的测量。图5d示出了焊丝556的两个伸出距离。第一伸出距离560a以实线示出，并且第二伸出560b以虚线示出。图4d所示的角度512可以是工作角度或行进角度，这取决于行进方向和焊炬被拍摄的方向。
对于gmaw焊接，焊丝556离开工具102的接触尖端，但是焊丝伸出长度是可变的。在焊丝的末端是大部分熔化的弧。因此，为了精确地跟踪焊接焊缝，重要的是要知道弧的位置，这需要考虑实际的伸出距离和/或焊丝至工作距离(或弧长度)。在这方面，工具中心点的跟踪位置可能不足以准确跟踪通过工具102的实际路径切割/焊接等。以焊接炬为例，图6的上半部分示出了在恒定的伸出距离(“so”)下，弧610在y方向上的位置跟踪接触尖端602在y方向上的位置。然而，如图5d所示，弧610在y方向上的绝对位置需要知道伸出距离、工作角度和行进角度。实际上，如图6的下半部分所示，通过将通过弧信号获得的伸出长度测量值添加至经由传感器获得的接触尖端602的位置、工作角度
图7是示出了用于手动工具的电子引导的示例性方法的流程图。在框702中，该工具或诸如具有传感器106的探针的工具的替代物被放置在“路径记录”模式下。在框704中，探针或工具被放置在路径112的开始处。在框706中，操作者开始以“记录路径”模式使用探针或工具追踪路径112，同时将运动属性(例如，定向、速度、方向、工具至工作距离等)保持为由wps对于沿着路径112进行工作所指定的。在跟踪期间，可以基于来自相机104和/或传感器106的输出来确定诸如定向、位置、速度等的运动属性。处理子系统150可以在路径记录期间提供运动属性的实时反馈(例如，视觉、听觉和/或触觉)，以使得操作者能够在跟踪路径112的同时维持适当的运动属性。在框708中，所确定的运动属性被存储到存储器中。来自相机104和/或传感器106的原始数据也可以与运动属性一起存储。在框710中，将工具放置于实时模式(或者探针被换出成工具102)。在框712中，记录的路径信息由处理子系统150加载，使得系统准备好引导操作者或机器人重复教导的路径和属性。在框714中，系统可以初始化用于引导操作者的用户界面。例如，系统可以在操作者的面罩内和/或操作者可以看到的监视器上产生近眼显示或增强的现实显示，例如下面参照图8a和图8b所述。用户界面可以是工作单元中的光投影，例如在工件上方的天花板或操作者戴上的头盔中。在框716中，操作者开始手动工具操作(例如，焊接、切割、加热、打钉、胶合、研磨等)。在框718中，将在实时手动工具操作期间从传感器106的读数和/或来自相机104的图像确定的运动数据或属性与记录的运动数据或属性进行比较。该系统可以提供音频、视觉和/或触觉反馈以引导操作者朝向所记录的路径。例如，如果工作角度太大或太小，则系统可以以视觉、音频和/或触觉提示引导操作者返回到适当的工作角度。作为另一个示例，如果工具的速度太快或者太慢，则系统可以以视觉、音频和/或触觉提示引导操作者返回适当的速度。在框720中，在完成实时手动工具操作时，可以将来自实时手动工具操作的数据与用于质量控制目的的记录数据进行比较。
在示例性实施方式中，跟踪可以由教导者执行，并且随后的实时手动操作可以由学生执行。教导者可以监视现场操作来评估学生的技能。即使当工具不在其他/她视线内(例如，在360°管道焊接或切割、角焊接或切割等)时，实时反馈信息也可以使教导者不断地评估工具定向、位置、速度等。
在示例性实施方式中，路径记录可以包括沿着路径的多遍。例如，第一遍可以沿着整个路径追踪以定位路径，并且第二遍可以包括沿着路径放置探针或工具航路点，并在这些航点上设置适当的定向。
图8a和图8b示出了用于手动工具操作的视觉引导的方法和系统。图8a示出了操作者14在工件108上用工具102进行手动工具操作。存在障碍物808，阻挡操作者对工具102将沿着路径112的至少一部分通过的视野。因此，传感器106和/或相机104可以确定工具102相对于路径112的位置和定向。可以将从传感器106和相机104确定的位置和定向提供给处理子系统150，这可以呈现工具102相对于工件108的位置和定向实时可视化。例如，将工具102(或其一部分，例如焊接炬的电极、等离子切割器的喷嘴，锯片等)呈现在其当前位置和定向上可以覆盖在工件108的表示上。如果相机104可以捕获工件108和工具102的适当图像，则工件108的表示可以是来自相机104的实时图像。当相机104不能捕获工件108和工具102的适当图像时，工件108的表示可以是3d呈现(例如，从数据库804中的3dcad模型文件取出)。除了或替代呈现实际工具102的可视化之外，各种运动数据或属性(例如，行进速度、工作角度、行进角度、电极目标/焊丝放置等)的视觉指示(例如，文本、图形表等)可以呈现在处理子系统150的显示器上或投影到工件和工具的实际场景上。在示例性实施方式中，还可以在处理子系统150的显示器上显示运动数据或属性(例如，从wps中取出)存储在数据库604中的目标值。可以将发生的焊接操作的呈现和/或实时图像传输到远程观察站，使得例如，检查者可以批量地检查许多焊件(例如，从中心位置检查工厂中的所有焊接)。数据库604还可以存储以下中的一个或多个：用于工件108的基于calphad的热力学模型、动力学模型和fea(有限元分析)模型等。
图8b示出了在手动工具操作期间可以在处理子系统150的显示器上呈现的内容的示例。在图8b的左上方，示出了工具102和工件108的当前位置和定向的第一视点呈现。例如，该第一视点可以允许操作者看到当前行进角度和行进速度。在图8b的左下方，示出了工具102和工件108的当前位置和定向的第二视点呈现。例如，该第二视点可以允许操作者看到当前的工作角度。在图8b的右半部分，示出了工具102和工件108的当前位置和定向的第三视点呈现。例如，该第三视点可以允许操作者看到当前目标(例如，焊丝放置)。
在示例性实施方式中，从相机104和传感器106确定的运动数据和属性信息可以与工件108的cad文件和/或将在工件108上执行的规格结合使用以控制工具102的自动锁定。使用该信息，系统可以操作以检测工具何时处于其不安全的位置/定向/位置，或者另外地不希望允许工具102被激活(例如，激发焊接炬的电极、正在旋转锯片等)。例如，在以下任一情况下，工具102可被锁定：操作者尝试在工件108上执行不按顺序的操作(焊接、切割、打钉等)；安全设备(头盔、护目镜、安全眼镜、手套、夹克、papr等)上的传感器指示安全设备不存在或不在正确的位置；工具102是用于执行操作的错误工具，工具102是正确的工具但被设置为用于要执行的操作的错误设置，工具102处于错误的定向，工具102距离路径112太远等。
根据本公开的各种示例性实施方式，从imu的输出确定诸如行进速度和/或焊缝长度的一个或多个运动属性。然后将确定的运动属性用监测，并且在一些情况下，自适应地控制以下中的一个或多个：行进速度、行进角度、工作角度、目标、焊接顺序、焊接位置和定位、每单位长度的热输入、穿透、焊缝尺寸、冷却速率和焊缝的机械性能，如焊缝微观结构、硬度、缺陷和不连续性。
根据本公开的示例性实施方式，系统包括手持式焊接工具(例如，102)、处理子系统(例如，150)和校准装置(例如，356)，手持式焊接工具包括具有惯性测量单元(imu)的定位和定向测量系统(例如，106、150、和/或任一或两者的一部分)。处理子系统可操作以基于在工件(例如，108)上的焊接操作期间由imu产生的数据来计算用于手持式焊接工具的一个或多个实际运动属性。校准装置被配置为将手持式焊接工具保持在已知的位置和定向并且处于静止状态，用于定位和定向测量系统的校准。校准装置可以包括传感器(例如，354)，用于检测手持式焊接工具何时被适当地定位用于校准。校准装置可以包括在三维空间中正交定向的三个机架(例如，356a-356c)。
根据各种示例性实施方式，系统还可以包括非imu传感器，其可操作以产生包括以下中的一个或多个的数据：对应于焊接操作期间的焊接电压的值，对应于在焊接操作期间从手持式焊接工具流出的电流的值，对应于在焊接操作期间从手持式焊接工具传递到工件的功率的值，以及对应于在焊接操作期间焊接阻抗的值(例如，沿着从电源到工件的电流路径的确定点处测量的)。处理子系统可以可操作用于计算这些值中的一个或多个的时间积分和/或时间导数(例如，第一和/或第二导数)。非imu传感器可以包括相机，并且处理子系统可以可操作用于用于基于由相机捕获的手持式工具的图像来补偿imu的漂移。非imu传感器可以包括定位接收器，处理子系统可以可操作用于用于基于定位接收器输出的数据来补偿imu的漂移。非imu传感器可以包括声学接收器，并且处理子系统可以可操作用于用于基于声学接收器输出的数据来补偿imu的漂移。非imu传感器可以是接近传感器，并且处理子系统可以可操作用于用于基于当在相对于焊接固定件的已知位置处靠近接近传感器放置或移动焊炬时输出的数据来补偿imu的漂移。所述一个或多个实际运动属性包括实际行进速度，并且处理子系统可操作用于用于：处理由imu产生的数据，以在焊接操作期间的一个或多个时刻确定手持式焊接工具的瞬时行进速度；在间隔内对瞬时行进速度进行平均，以确定间隔期间的实际行进速度；以及以下中的一个或多个：提供实际行进速度的实时视觉和/或听觉指示；将实际行进速度存储到通信地耦接的数据库；基于间隔期间的实际行进速度的累积确定间隔期间的焊缝长度；并且基于实际行进速度自适应地控制以下中的一个或多个：焊接操作期间每单位长度的热输入，使得每单位长度的热输入在焊接操作期间保持在确定的阈值内(例如，目标热输入的加或减10％)；焊接操作期间的焊缝尺寸，使得焊缝尺寸在焊接操作期间保持在确定的阈值内(例如，目标焊接尺寸的加或减10％)；焊接操作期间的冷却速率，使得冷却速率在焊接操作期间保持在确定的阈值内(例如，目标冷却速率的加或减10％)。处理子系统可以可操作用于基于在工件上的焊接操作期间由imu产生的数据在焊接操作期间的实际焊缝长度来计算。非imu传感器可以可操作用于用于测量瞬时焊接功率，并且处理子系统可以可操作用于：随时间积分瞬时功率以确定实际热输入；并且通过将实际热输入除以实际焊缝长度来确定每单位长度的实际热输入。处理子系统可以可操作用于提供实际热输入的实时视觉和/或听觉指示。处理子系统可操作用于基于实际热输入自适应地控制以下中的一个或两个：在焊接操作期间由焊接电源提供的功率，以及在焊接操作期间由焊丝供给器供给焊丝的速度。处理子系统可以可操作用于用于将实际热输入存储到与其通信地耦接的数据库。运动属性可以是以下之一：焊接操作期间的实际焊炬角度，焊接操作期间的实际行进角度，焊接操作期间相对于工件的实际焊接位置，以及焊接操作期间工件内的实际焊接位置。
本发明的其他实施例可以提供一种非暂时性计算机可读介质和/或存储介质、和/或非暂时性机器可读介质和/或存储介质，其上存储有机器代码和/或计算机程序，机器代码和/或计算机程序具有可由机器和/或计算机执行的至少一个代码段，从而使机器和/或计算机执行如本文所述的过程。
因此，本发明可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。本发明可以在至少一个计算系统中以集中的方式实现，或者以其中不同的元件在多个互连的计算系统之间分布的分布式的方式实现。适用于执行本文描述的方法的任何类型的计算系统或其他装置是适合的。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，当程序或其他代码被加载和执行时，其控制计算系统，使得计算系统执行本文描述的方法。另一典型实施方式可以包括专用集成电路或芯片。
虽然已经参照某些实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离其范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
如本文所使用的，术语“电路”和“电路系统”是指物理电子部件(即，硬件)以及可以配置硬件的由硬件执行的和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，当执行第一个一行或多行代码时，特定处理器和存储器可以包括第一“电路”，并且当执行第二个一行或多行代码时可以包括第二“电路”。如本文所使用的，“和/或”是指通过“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”表示三元素集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”表示“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{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x，y和/或z”表示“x，y和z中的一个或多个”。如本文所使用的，术语“示例性”表示用作非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，术语“例如(e.g.)”和“例如(forexample)”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所使用的，无论电路系统是否包括必要的硬件和代码(如果需要的话)，电路系统是“可操作用于”执行功能，而不管功能的性能是否被禁用或不被启用(例如，通过用户可配置设置、工厂设置等)。