用于在工作空间将工具定位的系统和方法
【专利说明】用于在工作空间将工具定位的系统和方法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请涉及并且要求标题为"SYSTEMANDMETHODFORPOSITIONINGATOOLINA WORKSPACE"、于2013年3月13日递交的第13/800, 350号美国申请的优先权，其通过整体 引用并入本文。
[0003] 关于联邦咨助研究或发展的陈沐
[0004] 不适用
【背景技术】
[0005] 本文涉及一种便于在工作空间中或在工地（例如，如建筑工地）上将工具定位的 系统。当建筑物的内部完工以后，连接器、锚等被附接到地板、天花板、或建筑物内的其它 结构中，并且利用电锯或电钻进行切割和钻孔。所有这些必须在所需位置处使用特殊的电 动工具来完成，需要在建筑物内的多个精确限定的位置处操作该工具。例如，使用射钉枪、 电锯、粉喷锚工具（powderanchortool)等等在建筑物内的所需位置处几乎无误差地固 定、切割、安装紧固件以及执行其它操作。在任何建筑物中，通常必须通过电动工具适当地 设置并且安装大量的电动部件、管道部件和HVAC部件。此外，精饰建筑物内部还需要在精 确限定的位置处操作若干不通电的不同工具，例如，如钢筋条扫描器（reinforcementbar scanner)。将电动工具和非电动工具定位都必须快速地完成并且在它们被引入其中时相对 于周围墙壁、天花板和地板具有某种精度。通常，需要将大量的劳力布局在该建筑工地上的 各种施工点。需要多组工人测量并标记预定位置。可以理解的是，该过程已经遭受了种种 误差，该误差源于测量错误和积累的误差。另外，该布局过程的成本和执行该布局过程所需 的时间均已是显著的。
[0006] 各种位置确定系统（包括包含一个或多个机器人全站仪的系统）已经被用于建筑 布局。在该系统中定位于固定的已知位置处的全站仪将激光束指向回射目标。随着目标移 动，全站仪中的机器人使得光束跟踪该目标。通过测量光束从全站仪到回射目标并且之后 返回到全站仪行进的时间，则确定了到目标的距离。还测量光束到目标的定向方向。由于 已知全站仪的空间坐标，故可以容易地确定回射目标的空间坐标。基于测量到的回射目标 的位置和一些建筑物特征（例如，钻孔或紧固件）的所需位置，操作员可以将反射器移到所 需位置，并且标记该位置。
[0007] 尽管定位确定系统（例如，测距无线电系统和机器人全站仪系统）可以便于并且 加速该布局过程，但是该布局过程仍然是漫长、枯燥且昂贵的。
【发明内容】
[0008] -种用于协助操作员将多个工具中的任何工具的操作元件定位在工地上的所需 位置处的系统，包括多个固定定位的视频成像设备，所述多个固定定位的视频成像设备位 于工地上的已知位置处。每一个成像设备具有已知的视野。该工具具有操作元件。处理器 响应于多个固定定位的视频成像设备，用于确定正在被观看的工具，以及所述工具的位置 和方向以及所述工具的操作元件的位置和方向。无线电发射器响应于处理器，用于通过工 具操作员将该工具和操作元件的位置和方向以及该工具和操作元件的所需位置和所需方 向发送给接收器。无线电接收器和响应于无线电接收器的显示器由工具操作员携带，从而 协助操作员将该操作元件和该工具移动到所需位置。存储器可以具有多个工具的每一者的 数字图像和尺寸的数据库，以及在工地上用于操作该工具的所需位置的数据库。还可以使 用可移动的视频成像设备。
[0009] -种协助操作员使用操作元件的方法，包括以下步骤：在工地提供工具；提供多 个视频成像设备，所述多个视频成像设备在工作空间中的已知位置处具有已知的视野，所 述视频成像设备的至少两个视频成像设备在工地上提供工具的图像；以及提供数据库，所 述数据库具体说明工具的图像和尺寸，所述工具包括操作元件。之后，基于来自至少两个视 频成像设备的工具的图像来确定工具的位置和方向。
[0010] 协助操作员在工地上的所需位置处使用工具的操作元件的方法还可以包括以下 步骤：识别在工地上待使用工具的所需位置，并且将工具的位置和方向以及工地上的所需 位置显示给工具的操作员。
【附图说明】
[0011] 图1为示出了在建中的建筑物的视图；
[0012] 图2示出了电动工具；
[0013] 图3示出了固定定位的视频成像设备用于确定临近电动工具的操作元件的点的 空间坐标的方式；
[0014] 图4为在系统中使用的电路的原理图；
[0015] 图5和图6用于阐述视频成像设备可以用于确定空间中的点的位置的方式；以及
[0016] 图7为显示了固定的和可移动的视频成像设备的建筑平面的图解平面图。
【具体实施方式】
[0017] 图1示出了在建中的建筑物11、需要用于协助工具操作员适当地定位工具的系统 的典型环境、以及该系统可以提供生产力大幅度提高的环境。利用电动工具来安装紧固件、 钉子和类似设备，并且在各种结构组件（例如，建筑物的地板、墙壁和天花板）中切割孔和 较大开口。非电动工具还可以用于执行多种功能。过去，对于工人而言在切割、紧固、和执 行步骤之前，必需经历耗时的布局过程、测量并且标记待操作各种工具（例如，电动工具） 的点。下文中所描述的实施方式消除了该测量和标记过程，从而可以简单地将工具直接移 到其待使用的位置，并且可以给操作员发送信号：该工具适当地被定位并且被定向，以待操 作和使用。
[0018] 参照图1至图4,图1至图4共同地示出了一种系统，该系统用于协助操作员在工 地上的所需位置处使用工具，而无需测量工地以及在地板、天花板和墙壁上标记合适的布 局信息。应当可以理解的是，该工具可以包括刻线尺，该刻线尺可以允许工人使用标记元件 在表面上做标记，从而可以适当地定位之后的操作。当用于所需操作的所需工具不能立即 得到以使用时，该刻线尺可以是特别有用的。该系统包括工具10,工具10在图2中示出为 电动紧固工具。如下文所讨论的，该系统可以包括并且操作多个不同的电动工具，且在它们 之间可以进行识别和区分。将可以理解的是，该系统也可以使用非电动工具。工具10具有 操作元件、桶体13,当操作员按压扳机15时可以从桶体13发出该紧固件。提供的紧固件设 置在罐体17中。该系统包括定位的无线电接收器19,定位的无线电接收器19安置在工具 10上，用于接收具体说明工具的位置和方向的信息，从而该信息可以显示在显示器21上， 以供操作员浏览。基于显示的信息，在致动工具之前，操作员可以适当地定位桶体13并且 使工具10适当地定向。这将导致紧固件固定在工地上的所需位置处的表面上，而无需在工 地上预先布局及做标记。
[0019]用于协助操作员定位工具的操作元件的系统包括多个固定定位的视频成像设备， 该多个固定定位的视频成像设备示出为数字视频成像设备18、数字视频成像设备20、数字 视频成像设备22和数字视频成像设备24。每一个成像设备已经被调平、位于工地11的已 知位置处、并且面向已知的方向。因此，每一个成像设备具有已知的视野。如图1所示，存 在若干个数字视频成像设备，数字视频成像设备定位在每一层上，其中成像设备布置成给 予系统在建中的基本上整层的视图。数字视频成像设备18定位在建筑物11的第三层上、 数字视频成像设备20定位在建筑物11的第一层上、数字视频成像设备22定位在建筑物11 的第二层上、以及数字视频成像设备24定位在建筑物11的第四层上。图3示出了位于建 筑物11的第四层上的工具10,工具被四个单独的视频成像设备24观看到。设备24手动 或自动地定向。设备24面向已知方向，并且因此它们的视野是已知的。在图3中，每一个 视频成像设备24都使工具10和工具10的操作元件13处在其视野中。然而，将可以理解 的是，并非所有的设备都能够看到工具，这是因为它被移动到建筑物楼层的各个部分。在每 一个设备24生成的图像中，操作元件13的中心限定了从该设备到操作元件的向量。由于 精确地已知设备24的位置，故来自设备的向量共同地提供工