用于在工作空間將工具定位的系統和方法
【專利說明】用于在工作空間將工具定位的系統和方法
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請涉及并且要求標題為"SYSTEMANDMETHODFORPOSITIONINGATOOLINA WORKSPACE"、于2013年3月13日遞交的第13/800, 350號美國申請的優先權，其通過整體 引用并入本文。
[0003] 關于聯邦咨助研究或發展的陳沐
[0004] 不適用
【背景技術】
[0005] 本文涉及一種便于在工作空間中或在工地（例如，如建筑工地）上將工具定位的 系統。當建筑物的內部完工以后，連接器、錨等被附接到地板、天花板、或建筑物內的其它 結構中，并且利用電鋸或電鉆進行切割和鉆孔。所有這些必須在所需位置處使用特殊的電 動工具來完成，需要在建筑物內的多個精確限定的位置處操作該工具。例如，使用射釘槍、 電鋸、粉噴錨工具（powderanchortool)等等在建筑物內的所需位置處幾乎無誤差地固 定、切割、安裝緊固件以及執行其它操作。在任何建筑物中，通常必須通過電動工具適當地 設置并且安裝大量的電動部件、管道部件和HVAC部件。此外，精飾建筑物內部還需要在精 確限定的位置處操作若干不通電的不同工具，例如，如鋼筋條掃描器（reinforcementbar scanner)。將電動工具和非電動工具定位都必須快速地完成并且在它們被引入其中時相對 于周圍墻壁、天花板和地板具有某種精度。通常，需要將大量的勞力布局在該建筑工地上的 各種施工點。需要多組工人測量并標記預定位置。可以理解的是，該過程已經遭受了種種 誤差，該誤差源于測量錯誤和積累的誤差。另外，該布局過程的成本和執行該布局過程所需 的時間均已是顯著的。
[0006] 各種位置確定系統（包括包含一個或多個機器人全站儀的系統）已經被用于建筑 布局。在該系統中定位于固定的已知位置處的全站儀將激光束指向回射目標。隨著目標移 動，全站儀中的機器人使得光束跟蹤該目標。通過測量光束從全站儀到回射目標并且之后 返回到全站儀行進的時間，則確定了到目標的距離。還測量光束到目標的定向方向。由于 已知全站儀的空間坐標，故可以容易地確定回射目標的空間坐標。基于測量到的回射目標 的位置和一些建筑物特征（例如，鉆孔或緊固件）的所需位置，操作員可以將反射器移到所 需位置，并且標記該位置。
[0007] 盡管定位確定系統（例如，測距無線電系統和機器人全站儀系統）可以便于并且 加速該布局過程，但是該布局過程仍然是漫長、枯燥且昂貴的。
【發明內容】
[0008] -種用于協助操作員將多個工具中的任何工具的操作元件定位在工地上的所需 位置處的系統，包括多個固定定位的視頻成像設備，所述多個固定定位的視頻成像設備位 于工地上的已知位置處。每一個成像設備具有已知的視野。該工具具有操作元件。處理器 響應于多個固定定位的視頻成像設備，用于確定正在被觀看的工具，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。無線電發射器響應于處理器，用于通過工 具操作員將該工具和操作元件的位置和方向以及該工具和操作元件的所需位置和所需方 向發送給接收器。無線電接收器和響應于無線電接收器的顯示器由工具操作員攜帶，從而 協助操作員將該操作元件和該工具移動到所需位置。存儲器可以具有多個工具的每一者的 數字圖像和尺寸的數據庫，以及在工地上用于操作該工具的所需位置的數據庫。還可以使 用可移動的視頻成像設備。
[0009] -種協助操作員使用操作元件的方法，包括以下步驟：在工地提供工具；提供多 個視頻成像設備，所述多個視頻成像設備在工作空間中的已知位置處具有已知的視野，所 述視頻成像設備的至少兩個視頻成像設備在工地上提供工具的圖像；以及提供數據庫，所 述數據庫具體說明工具的圖像和尺寸，所述工具包括操作元件。之后，基于來自至少兩個視 頻成像設備的工具的圖像來確定工具的位置和方向。
[0010] 協助操作員在工地上的所需位置處使用工具的操作元件的方法還可以包括以下 步驟：識別在工地上待使用工具的所需位置，并且將工具的位置和方向以及工地上的所需 位置顯示給工具的操作員。
【附圖說明】
[0011] 圖1為示出了在建中的建筑物的視圖；
[0012] 圖2示出了電動工具；
[0013] 圖3示出了固定定位的視頻成像設備用于確定臨近電動工具的操作元件的點的 空間坐標的方式；
[0014] 圖4為在系統中使用的電路的原理圖；
[0015] 圖5和圖6用于闡述視頻成像設備可以用于確定空間中的點的位置的方式；以及
[0016] 圖7為顯示了固定的和可移動的視頻成像設備的建筑平面的圖解平面圖。
【具體實施方式】
[0017] 圖1示出了在建中的建筑物11、需要用于協助工具操作員適當地定位工具的系統 的典型環境、以及該系統可以提供生產力大幅度提高的環境。利用電動工具來安裝緊固件、 釘子和類似設備，并且在各種結構組件（例如，建筑物的地板、墻壁和天花板）中切割孔和 較大開口。非電動工具還可以用于執行多種功能。過去，對于工人而言在切割、緊固、和執 行步驟之前，必需經歷耗時的布局過程、測量并且標記待操作各種工具（例如，電動工具） 的點。下文中所描述的實施方式消除了該測量和標記過程，從而可以簡單地將工具直接移 到其待使用的位置，并且可以給操作員發送信號：該工具適當地被定位并且被定向，以待操 作和使用。
[0018] 參照圖1至圖4,圖1至圖4共同地示出了一種系統，該系統用于協助操作員在工 地上的所需位置處使用工具，而無需測量工地以及在地板、天花板和墻壁上標記合適的布 局信息。應當可以理解的是，該工具可以包括刻線尺，該刻線尺可以允許工人使用標記元件 在表面上做標記，從而可以適當地定位之后的操作。當用于所需操作的所需工具不能立即 得到以使用時，該刻線尺可以是特別有用的。該系統包括工具10,工具10在圖2中示出為 電動緊固工具。如下文所討論的，該系統可以包括并且操作多個不同的電動工具，且在它們 之間可以進行識別和區分。將可以理解的是，該系統也可以使用非電動工具。工具10具有 操作元件、桶體13,當操作員按壓扳機15時可以從桶體13發出該緊固件。提供的緊固件設 置在罐體17中。該系統包括定位的無線電接收器19,定位的無線電接收器19安置在工具 10上，用于接收具體說明工具的位置和方向的信息，從而該信息可以顯示在顯示器21上， 以供操作員瀏覽。基于顯示的信息，在致動工具之前，操作員可以適當地定位桶體13并且 使工具10適當地定向。這將導致緊固件固定在工地上的所需位置處的表面上，而無需在工 地上預先布局及做標記。
[0019]用于協助操作員定位工具的操作元件的系統包括多個固定定位的視頻成像設備， 該多個固定定位的視頻成像設備示出為數字視頻成像設備18、數字視頻成像設備20、數字 視頻成像設備22和數字視頻成像設備24。每一個成像設備已經被調平、位于工地11的已 知位置處、并且面向已知的方向。因此，每一個成像設備具有已知的視野。如圖1所示，存 在若干個數字視頻成像設備，數字視頻成像設備定位在每一層上，其中成像設備布置成給 予系統在建中的基本上整層的視圖。數字視頻成像設備18定位在建筑物11的第三層上、 數字視頻成像設備20定位在建筑物11的第一層上、數字視頻成像設備22定位在建筑物11 的第二層上、以及數字視頻成像設備24定位在建筑物11的第四層上。圖3示出了位于建 筑物11的第四層上的工具10,工具被四個單獨的視頻成像設備24觀看到。設備24手動 或自動地定向。設備24面向已知方向，并且因此它們的視野是已知的。在圖3中，每一個 視頻成像設備24都使工具10和工具10的操作元件13處在其視野中。然而，將可以理解 的是，并非所有的設備都能夠看到工具，這是因為它被移動到建筑物樓層的各個部分。在每 一個設備24生成的圖像中，操作元件13的中心限定了從該設備到操作元件的向量。由于 精確地已知設備24的位置，故來自設備的向量共同地提供工