CN218827629U - 电动工具及其可拆卸地适配于电动工具的电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种可拆卸地适配于电动工具的电池,包括电池单元;控制所述电池单元输出功率的开关网络;以及控制设备,包括:惯性测量单元,包括:至少一个传感器,用于测量所述电动工具的至少一个运动参数,控制器,配置为处理所测量的运动参数而生成指示所述电动工具的运动状态的状态指示信号;通信与控制模块,包括通信单元,配置为与外部设备通信;以及处理器,配置为基于所述状态指示信号而生成一开关控制信号并提供给所述开关网络。
Description
技术领域
本实用新型涉及电动工具。具体地,本实用新型涉及可用于电动工具的智能电池。
背景技术
电动工具通常用于执行工作任务,例如墙面钻孔、切割、紧固、冲击等。而在实际使用中,由于任务的特殊性以及工作操作失误或握持不住,偶而会存在一些安全问题,例如在冲击作业时可能发生的反冲,或者如果失误导致电动工具从手中坠落,或者直接由于疏忽而导致工具坠落。如果电机此时仍处于电机旋转的工作状态,则坠落会不可避免地导致工具损坏或对其它对象(例如人或物)造成损伤。因此需要对电动工具的潜在风险进行安全防范。此外,由于作业性质等原因,电动工具也会存在着寿命或故障等问题,能方便地收集电动工具信息也是非常有用的。
实用新型内容
本实用新型提供一种模块化实现的电动工具保护机制,不但可以在发生意外时防止工具损坏,而且采用该保护机制的模块与电池集成在一起时,可以适用于不同的电动工具,并且宜于维护与管理。
根据本实用新型的一个方面,提供一种控制设备,包括惯性测量单元,包括:至少一个传感器,用于测量所述电动工具的至少一个运动参数,控制器,配置为处理所测量的运动参数而生成指示所述电动工具的运动状态的状态指示信号;以及通信与控制模块,包括:通信单元,配置为与外部设备通信;处理器,配置为基于所述状态指示信号而生成一开关控制信号。由此利用装配有本实用新型的控制设备,从而实现对电动工具的状态监测,并使电动工具具有与外部通信能力。
根据本实用新型的另一个方面,提供了一种可拆卸地适配于电动工具的电池,包括:电池单元,控制所述电池单元输出功率的开关网络,以及根据本实用新型提出的控制设备,该控制设备可拆卸地附接到所述电动工具或所述电动工具的电池,其中所述控制设备将生成的开关控制信号提供给所述开关网络以控制所述电池单元的功率传输。
通过考虑详细描述和附图,本实用新型的其他特征,实施例和方面将变得显而易见。在适当和适用的情况下,本文关于一个方面或实施例描述的任何特征可以与本文关于任何其他方面或实施例描述的任何其他特征组合。
附图说明
图1示出了根据本实用新型一个示例的IMU配置方框图;
图2示出了根据一个示例的电池配置方框图;
图3示出了按照一个示例的坠落检测方法流程图;
图4示出了按照一个示例的电动工具的通信示意图;
具体实施方式
在详细解释本实用新型的任何实施例之前,应理解,本实用新型的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。本实用新型能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。另外,应理解,本文所使用的措词和术语是出于描述的目的,而不应被认为是限制性的。
在常规的电动工具中,通常利用集成在工具中的惯性测量单元(IMU)来测量电动工具的状态参数,例如利用IMU中的加速度计或陀螺仪来测量角度或加速度等,并将测量的运动参数提供给外部的中央处理单元CPU,其中IMU与CPU电气耦合并位于电动工具本体上,由此CPU可以基于预先编程并安装的运动检测程序,通过处理从传感器接收到的测量参数来实现对电动工具异常状态例如过冲或坠落的检测,并相应地执行控制,例如切断或减小电池对电动机的供电。然而,由于IMU是集成在电动工具中并且运动检测程序是由电机本体内的CPU实现的,因此导致这种运动检测机制只能适用于当前的电动工具,而不能适配于未安装有运动检测程序的其它电动工具的检测。特别地,由于CPU作为通用处理器还需要执行预设的其它功能,例如按照某一通信协议的控制或联网等,因此由电动工具本体上的 CPU来执行运动检测程序不但增加了CPU的负担,而且为CPU的软件更新带来不必要的负担,例如在更新或增加新的运动检测程序时,可能需要考虑CPU的通信协议等。而本实用新型提供可灵活地适配于不同电动工具的运动检测方案。
图1示出一种改进的惯性测量单元IMU,除了包含传统的一种或多种运动传感器SNS之外,惯性测量单元IMU还包括一个可编程的嵌入式控制器例如数据信号处理模块(Fuser Core)或其它类型微型控制器,以下统一简称为FUS。按照本实用新型的示例,将基于多个传感器SNS的运动检测程序例如坠落检测程序DropProgram编程到FUS上。在本例中,FUS与传感器SNS集成在一起,例如形成单芯片级封装。IMU中的多个传感器SNS 用于检测电动工具的当前状态并输出运动参数MotionVar。在一个示例中,集成在IMU中的传感器包括但不限于3轴陀螺仪,3轴加速度计等,并且 FUS采用可编程微控制器例如超低功耗的32位单片机实现,这里微控制器可以专门针对传感器融合和运动识别算法优化定制,与标准微控制器相比,其耗电显著降低。在该示例中,可利用3轴加速度计获取电动工具的3轴向的加速度α,并且利用3轴陀螺仪获取围绕3轴的角速度ω。FUS执行运动检测操作,例如坠落检测DropProgram,通过对IMU中的多个传感器输出的运动参数MotionVar例如加速度或角度、角速度等进行处理,从而生成关于电动工具的当前状态的指示信号。
在一个示例中,包含有可编程嵌入式控制器FUS的惯性测量单元IMU 作为一个单独的部件可安装于电动工具或电动工具的电池中,并由电池供电。由此,当惯性测量单元IMU中的控制器FUS检测到异常状态例如坠落时,将生成的状态指示信号作为中断提供给位于电动工具100或电池内部的CPU,从而CPU可以直接基于信号而做出相应的响应动作。由此,可以解除由CPU直接执行坠落检测的负担。
在电动工具的实际使用中,通常用户需要收集关于他们的电动工具设备的信息,例如工具的使用效率、故障统计、电量监测以及定位等。这些信息通常是通过位于电动工具上的无线接口(例如无线收发器,包括蓝牙等) 来实现信息的收集或控制指令的发送。然而这些通信模块位于电动工具本体上为通信的扩展带来不便,同时对于不具有无线接口的电动工具而言,则无法实现信息采集。
因此,在本实用新型一个优选实施例中,为了可在不同的电动工具上实现安全控制与通信,这里充分地利用电动工具的电池的便利性和可适配到不同的标准工具的特性,本实例提供一种具有安全控制与通信功能的电池,由此利用电池来实现对电动工具的安全保护。在本例中,将IMU与通信模块以及通用处理器CPU集成在一起,从而由集成的CPU完成为实现电动工具控制所预设的功能,图2示出用于电动工具10的电池100。
如图2所示,电池100可拆卸地附接到电动工具,包括一组或多组电池单元101、用于控制电池单元101的输出功率或电流的开关网络102,其中开关网络102电气地耦合到电动工具上的电动机SWN,以向电动机SWN提供电池单元101的输出功率。由此在用户触发时,可驱动电动机SWN转动进行相应作业。此外,电池100还包括控制设备200,控制设备200可以集成在电池100内,或可拆卸地装配到电池100上。如图所示,控制设备200 包括二个部分,即惯性测量单元IMU300以及通信/控制模块400。
如图所示,IMU300包括多个传感器SNS,例如3轴陀螺仪301,3轴加速度计302、以及用于对运动状态进行计时的定时器303;此外IMU300还集成有微控制器FUS 304。在本例中,FUS 304例如采用可编程微控制器例如32位单片机实现,其中3轴加速度计302获取电动工具的3轴向的加速度α,并且3轴陀螺仪获取围绕3轴的角速度ω。FUS 304执行运动检测操作,例如坠落检测DropProgram或反问检测程序Kick-BackProgram,通过对IMU300中的多个传感器至少一部分的输出的运动参数MotionVar例如加速度来诊断设备的运动状态,从而生成关于当前状态的指示信号Stat_SIG。通信/控制模块400包括实现通用控制的中央处理单元或处理器401以及通用通信模块,例如包括WiFi模块402、窄带-物联网(NB-IoT)模块403以及定位模块404等。当然集成在控制设备200中的通信模块不限于上述示例,例如还可以包括蓝牙模块或无线蜂窝模块等。由此将电动工具的全部控制与通信功能实现在电池100上。
以下结合图3来说明根据本实用新型的一个示例的坠落检测与防范方法DropProgram。如图所示,检测流程起始于步骤301,FUS监测IMU300 中的多个传感器的输出。在本例中,为执行坠落检测,FUS 304监测3轴加速度传感器301输出。在步骤303,FUS304接收到来自3轴加速度传感器 301输出的电动工具的当前时刻t1的三个轴向上的加速度信号αt1,在步骤 305对加速度信号αt1进行必要的过滤或标准化处理后,在步骤307并将其与一阈值αTH1进行比较,这里αTH1可以是重力加速度。如果任一轴向上的αt1基本等于αTH1,则表明当前电动工具的状态未发生明显突变,因此进程返回步骤303继续监测传感器的输出;如果例如Z向上的αt1小于αTH1,同时其它轴向例如X、Y方向上的加速度α保持基本不变,则进程前进至步骤309,则启动定时器303开始对Z向上的加速度传感器输出的αt进行计时TIMER并持续监测随时间进行而输出的αt是否发生变化。
在步骤311,将计时TIMER与时间阈值TTH1进行比较。如果当TIMER达到一时间阈值TTH1时,在此期间输出的Z向上的αt持续小于αTH1,则进入步骤313,在此FUS输出状态指示信号Stat_SIG1,并进入步骤315继续监测计时TIMER与加速度输出信号。状态指示信号Stat_SIG1作为中断提供给CPU 401,CPU 401在接收到状态指示信号Stat_SIG1后生成开关控制信号SIGCTR1,以便控制开关网络102减小电池单元101向电动机SWN的供电电流,从而降低电动机的转速和扭矩输出。这里降低电动机转速的目的在于降低可能发生风险的预防步骤。
在步骤315,如果确定TIMER达到了另一时间阈值TTH2,并且在步骤317 确定输出的αt持续小于αTH1,这里TTH2大于TTH1,则在在步骤319,FUS 304 输出状态指示信号Stat_SIG2,CPU 401接收到状态指示信号Stat_SIG2后生成开关控制信号SIGCTR2,以便控制开关网络102切断电池101向电动机 SWN的供电,从而使电动机停止工作,从而避免对电动工具或其它对象的损坏。如果在步骤317,当TIMER达到时间阈值TTH2时,输出的αt变为等于于αTH1,则FUS输出状态恢复的指示信号Stat_SIG3,该信号Stat_SIG3例如可以是一个复位信号,CPU 401接收到Stat_SIG3后生成控制信号SIGCTR3控制开关网络102恢复电池101向电动机SWN的正常供电,从而使电动机恢复正常转速;同时复位定时器303。
在步骤311,如果当TIMER达到一时间阈值TTH1时,输出的αt已经等于αTH1,则表明电动工具恢复至正常状态或风险降低,因此复位定时器303,同时进程返回步骤303,继续监测3轴加速度传感器301的输出。
在本例中这里的时间阈值TTH1、TTH2代表了电动工具坠落的时间,显然时间越长,则坠落高度越大,因此对电动机可能造成的损伤越大,例如这种情况可能发生于电动工具从高处(例如梯子上)作业的工人手中坠落的情形,通常可以设定TTH1为坠落时间超过0.5秒,而TTH2为坠落时间超过2秒。
在上述示例中,以坠落检测与防范为例来多说明了本实用新型的一个应用,然而利用电池100内的控制设备200,可以在IMU300的FUS 304中集成多个运动检测程序,并且通过输出具有不同的信号值的状态信号SIGCTR来指示相应的多个不同的状态,由此,CPU 401可仅基于信号值来执行相应的控制,因此极大地简化了CPU的计算负担。
此外,在上述示例中,通过仅监测三轴加速度计301的输出来实现对坠落的监测。在另一示例中,还可以通过监测例如陀螺仪302输出的角度信号来实现辅助监测。例如通过监测与重力轴的夹角是否始终处于同一角度例如零度来组合判断是否可能发生了坠落,并结合定时器303的时间监测来执行相应的控制。
按照本实用新型的另一示例,利用控制设备200中的通信模块,安装有电池100的电动工具可实现与外部通信终端的通信。如图4所示,利用装配有控制设备200的电池,电动工具10可注册到外部通信终端例如用户手机 500,并与其进行通信。例如在利用近距离通信的网络例如WiFi情况下,可以利用WiFi模块402实现与手机500的通信,从而电池100可以向手机500 传送与电动工具或电池有关的数据,例如电动工具状态、电动工具操作统计、电动工具标识、存储的电动工具使用信息、电动工具维护数据等,这些数据可以存储于位于电池100内的存储器内,也可以存储于电动工具本体上的存储器内并可由电池100的处理器401访问。因此,使用手机,用户可以访问存储的电动工具使用信息或电动工具维护数据。使用该工具数据,用户可以确定电动工具设备100至今的使用方式,是否建议维护或过去已经进行了维护,并且识别故障部件或某些性能问题的其他原因。此外,通过手机 500,还可以通过蜂窝网络实现与远程服务器600例如电动工具100的服务商服务器的通信,例如利用手机500将电动工具100注册到远程服务器上。在另一示例中,在模块400配置有远程通信模块例如NB-IoT模块情况下,控制设备200还可以直接注册到远程服务器上。
在本实用新型的另一示例中,如图2所示,在控制设备200中还提供有一个更新单元405,该更新单元405用于从外部设备例如手机接收电动工具配置,例如操作参数、安全参数、选择工具模式等,从而控制电动工具按预定配置操作。进一步,更新单元405还可以将从服务器600接收的电动工具的软件更新、升级或增加的运动检测程序例如过冲防范程序重新编程或烧录到FUS 304中,从而实现对电动工具的功能的扩展。这里,虽然示出的更新单元405是位于模块400内,但在另一示例中,更新单元405也可设置于 IMU300内。作为一种实现方式,更新单元405可以由处理器401或FUS 304 来实现。在本实用新型的上述示例中,控制器FUS是以可编程的控制器实现的,但在另一示例中,也可以由通用处理器实现,其通过执行位于IMU300 内的存储器中的程序来实现本实用新型提出的运动状态检测。
Claims (7)
1.一种可拆卸地适配于电动工具的电池(100),包括电池单元(101);其特征在于,所述电池(100)还包括:
控制设备(200),所述控制设备(200)可拆卸地装配到所述电池(100)上,所述控制设备(200)包括:
惯性测量单元(300),包括:
至少一个传感器(301,302),配置为测量所述电动工具的至少一个运动参数,
控制器(304),配置为接收所述至少一个传感器(301,
302)输出的运动参数,并生成指示所述电动工具的运动状态的状态指示信号;
通信与控制模块(400),包括:
通信单元(402,403,404),配置为与外部设备通信;
处理器(401),配置为接收所述状态指示信号及生成开关控制信号;
开关网络(102),其中所述控制设备(200)将所生成的开关控制信号提供给所述开关网络(102),以便所述开关网络(102)控制所述电池单元(101)的功率或电流输出。
2.如权利要求1所述的电池,其特征在于,所述惯性测量单元(300)还包括定时器(303),用于测量所述运动状态的持续时间;
其中,所述控制器(304)基于所述运动参数与所述持续时间生成不同的状态指示信号;
其中,所述处理器(401)基于所述不同的状态指示信号而生成不同开关控制信号。
3.如权利要求1所述的电池,其特征在于,所述运动参数指示了电动工具的加速度或角度。
4.如权利要求1-3之一所述的电池,其特征在于,所述处理器(401)进一步配置为响应于外部命令,通过所述通信单元(402,403,404)向外部设备发送与所述电动工具或电池(100)相关的数据,或者修改与所述电动工具或电池(100)相关的工作参数,
其中,所述处理器(401)通过所述通信单元(402,403,404)从所述外部设备接收所述外部命令,所述外部设备包括用户终端或远程服务器。
5.如权利要求4所述的电池,其特征在于,所述通信单元(402,403,404)包括以下中的至少一个:
蓝牙模块;
NB-IoT模块;
无线蜂窝模块;
定位模块。
6.如权利要求1-3之一所述的电池,其特征在于,所述至少一个传感器(301,302)与所述控制器(304)集成在单个芯片封装内。
7.一种电动工具,其特征在于,包括:
如权利要求1-6之一所述的电池(100);
电动机;
其中,所述电池(100)的开关网络(102)电气地耦合到所述电动机,用于控制所述电池单元(101)对所述电动机的所述功率或电流输出。
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