本公开涉及用于基于在惯性运动传感器之间的角度生成可变电信号的设备和方法。

　　诸如钻头、圆锯和研磨机的工具可以使用按钮控制，该按钮控制将按钮被按压的距离转换为设置工具的速度或转矩的电控制信号。电位计可以被用于创建电控制信号。然而，电位计会受到由于金属屑进入电位计而导致的磨损、灰尘侵入和电短路。由于电位计磨损，工具的特性可以随时间而变化。日常地使用工具的电力工具用户对于工具的响应性非常敏感。

　　在各种实施例中，本公开提供了设备和方法，其中“智能”按钮被用于将线性运动转换为PP电子旋转运动。例如，线性运动可以由包括智能按钮的电力工具的用户提供。两个或更多个运动传感器(诸如第一和第二惯性测量单元)被用于基于智能按钮的操作来控制工具的一个或多个操作参数或特征。更具体地说，第一惯性测量单元可以在旋转构件上响应于线性运动(例如，响应于用户按压智能按钮)而旋转，而第二惯性测量单元可以具有固定的位置，诸如在工具的外壳上或内部。相对于第二惯性测量单元的第一惯性测量单元的旋转量可以被用作智能按钮的按压量的代理，或者可以表示智能按钮的按压量。因此，第一和第二惯性测量单元的输出可以被处理并且用于控制工具的一个或多个操作参数，诸如电机的速度等。

　　智能按钮设备可以包括线性构件、可旋转构件以及第一和第二惯性测量单元(imu)。可旋转构件被耦接到线性构件，使得当线性构件运动或位移时，可旋转构件与线性构件的位移成比例地旋转。第一imu被耦接到可旋转构件，使得第一imu的位置响应于可旋转构件的旋转而变化。第一imu被配置为生成第一感测信号。第二imu相对于可旋转构件具有固定位置。第二imu被配置为生成第二感测信号。智能按钮设备还包括第一处理电路(或电路装置)，该第一处理电路被耦接到接收第一和第二感测信号的第一imu和第二imu。处理电路在操作中基于第一和第二感测信号确定相对于第二imu的第一惯性测量单元imu的姿态，并且基于所确定的第一惯性测量单元的姿态生成控制信号。

　　利用智能按钮的工具可以包括线性构件以及可旋转构件。可旋转构件可以被耦接到线性构件，其中可旋转构件的旋转运动由线性构件的线性位移确定。该工具还可以包括第一imu和第二imu。第一imu被耦接到可旋转构件，具有响应于可旋转构件的旋转而变化的位置。相对于第二惯性测量单元的第一惯性测量单元的姿态确定了该工具的操作参数。

　　用于智能按钮设备的操作方法可以包括将线性构件的线性运动转换为第一惯性测量单元的旋转运动；通过使用来自第一和第二惯性测量单元的感测信号的第一处理电路来确定关于第二惯性测量单元的第一惯性测量单元的姿态；以及基于所确定的姿态控制工具的操作参数。

　　现在将通过示例参考附图。在附图中，相同的附图标记标识相似的元件或动作。然而，在一些附图中，不同的附图标记可以被用于指示相同或相似的元件。附图中元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。这些元件中的一些元件被放大或定位以提高附图的易读性。

　　图1是示意性图示了根据本公开的一个或多个实施例的智能按钮设备的机械组件的前视图。

　　图3是图示了根据一个或多个实施例的智能按钮设备的机械组件的部件的等距视图。

　　图6是图示了根据一个或多个实施例的控制具有智能按钮的工具的操作参数的方法的流程图。

　　在以下描述中，提出了某些具体细节，以提供对各种公开的实施例的彻底的理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到实施例可以在没有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下被实践，或者可以使用其他方法、部件、材料等实践。在其他实例中，没有详细示出或描述与芯片处理相关联的众所周知的结构或方法，以避免不必要地模糊实施例的描述。

　　除非本文另外指出，否则在整篇说明书和权利要求中，词语“包括”及其变体(诸如“包括了”和“包括有”)应该以开放、包容的意义解释为“包括，但不限于”。此外，术语“第一”、“第二”以及类似的序列指示应该被解释为可互换的，除非本文另外明确指出。

　　整篇说明书对“一个实施例”或“一种实施例”的引用的意思是结合实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一种实施例中”在整篇说明书的各种位置的出现不一定全都引用相同实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合。

　　如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数指示，除非内容另外明确指出。还应该注意的是，术语“或”通常在其最广泛的意义上使用，即，意思是“和/或”，除非内容另外明确指出。

　　在各种实施例中，本公开提供了用于利用惯性测量单元(imu)进行电机的可变强度控制的智能按钮设备。imu包括微机电系统(mems)传感器(诸如加速度计和陀螺仪)。按钮的线性位移被转换为mems传感器的旋转位移。使用齿轮或其他耦接方法，线性构件被耦接到可旋转构件。第一imu跟随可旋转构件定向。第二imu位于相对于可旋转构件固定的位置。相对于第二imu的第一imu的姿态或角度是从每个imu的加速度计和陀螺仪输出计算的。然后相对于第二imu的第一imu的姿态或角度被转换为电控制信号(模拟信号或数字信号)，该电控制信号可以被用于驱动电机或任何其他电气特征、部件、电路装置等。

　　线性按钮或开关，作为具有少量的开关状态(例如，“按压”和“释放”)的替代，可以以连续的方式提供关于线性按钮被按压或位移的范围的信息，诸如从静止位置到完全按压的位置。用于线性按钮的相同类型的机制可以被一般化到除了按钮和开关以外的其他应用，诸如低冲程功率计、阻尼器以及机械悬架等。制造商需要根据应用在尺寸和分辨率方面调用可扩缩解决方案。因此，尽管以下描述通常是相对于按钮来提供的，但是应该理解的是，本公开的实施例涵盖任何设备(例如，包括功率计、阻尼器、机械悬架等)，其中线性运动可以被转换为旋转运动，并且其中如本文将要进一步详细描述的，两个或更多个imu可以被用于生成指示线性运动的输出信号。

　　电力工具行业依赖于线性按钮来持续地生成控制信号，以如由用户需要地驱动电力工具。例如，在电钻上的线性按钮根据按压按钮的距离量成比例地调节钻头的速度或转矩。按钮的运动被转换为控制信号(模拟信号或数字信号)，该控制信号被用作具有被耦接到钻头的转子的电机的输入。

　　由于运动传感器的使用，可以立即获得除电机控制以外的内在益处，诸如活动识别、跌倒检测和静止状态检测。如果检测到不安全的操作，那么电机可以被禁用。

　　图1是示意性图示了机械组件100的前视图，该机械组件100可以被包括在智能按钮设备200(在图2中示出)中。机械组件100包括线、第一惯性测量单元(imu)106、第二惯性测量单元108以及支撑框架110。第一imu106被耦接到可旋转构件104以跟随可旋转构件104定向，例如，第一imu106可以被附接到可旋转构件104，使得第一imu106的位置对应于可旋转构件104的旋转而旋转。第二imu108可以被附接到支撑框架110并且固定在相对于支撑框架110的位置中。第二imu108可以被认为是参考imu，并且第一imu106的旋转(例如，响应于线的线性位移)可以相对于参考imu或第二imu108来确定。在一些实施例中，第二imu108可以被用作参考，而不需要被固定在相对于支撑框架110的任何特定的位置。例如，如本文下面将要进一步详细描述的，第二imu108可以被配置为在与第一imu106的旋转方向相反的方向上旋转。

　　为了有助于智能按键200的描述，示出了具有x轴线、y轴线和z轴线的三轴线坐标系。重力加速度向量g被示出为平行于轴线z。

　　线沿着线性或基本线中所示地平行于轴线y)可运动。可旋转构件104被机械地耦接到线响应于线沿着线性轴线的运动而围绕旋转轴线中所示平行于轴线x)可运动。在一些实施例中，线。然而，本公开的实施例不限于此，并且在各种实施例中线可以具有任何形状、尺寸或其他特征，其适于引起旋转构件104响应于线的线性运动的旋转。

　　齿轮116被机械地耦接到可旋转构件104，例如，齿轮116可以被附接到可旋转构件104的一侧。在一些实施例中，齿轮116本身可以是可旋转构件104。齿轮116和可旋转构件104例如可以响应于线可以被机械地耦接到支撑框架110。线可以通过任何适当的机制被机械地耦接到可旋转构件104，该机制有助于将线的线性运动转换为可旋转构件104的旋转运动。在一些实施例中，可以通过将齿轮116的轮齿118与线啮合而将线。在一些实施例中，可旋转构件104的旋转位移124可以与线的线成比例。相对于第二imu的第一imu的姿态可以被用于确定在第一imu106与第二imu108之间的旋转角126。

　　机械组件100还可以包括被耦接到线，例如，以适应用户的手指。在一些实施例中，线本身可以响应于施加在线上的一个或多个力而在线性方向上被按压或移动，并且按钮128可以被省略。压缩弹簧132可以被耦接在按钮128与支撑框架110之间，提供恢复力以允许线移开后返回静止位置。备选地，用户接口(诸如杠杆或多维操纵杆)可以被耦接到线，并且可以被用于操纵线的线性运动。例如，针对被耦接到线的多维操纵杆，线的线可以与操纵杆沿着单个轴线的位移成比例。

　　现在参考图2，智能按钮设备200包括机械组件100、处理电路装置210以及电机214。尽管图2仅图示了在机械组件100中的第一和第二惯性测量单元106、108，但是应该理解的是机械组件100的其他特征可以被包括在各种实施例中(例如，如在图1中所图示的)。第一imu106的输出(或第一感测信号202)以及第二imu108的输出(或第二感测信号204)被耦接到处理电路装置210。处理电路装置210使用相对于第二imu108的第一imu106的姿态来确定在第一imu106与第二imu108之间的旋转角126。处理电路装置210使用所确定的旋转角126生成控制信号212。处理电路装置210可以包括存储器、模拟电路装置、数字电路装置、处理器以及处理核心。控制信号212被耦接到电机214，并且控制信号212可以被用于控制电机214的操作参数或方面。电机214的操作方面的示例包括速度或角速度ω216以及电机轴218的转矩τ220。因此，智能按钮设备200可以基于所确定的旋转角126控制电机214的操作方面，该旋转角126表示线的线性运动量(例如由用户按压按钮126导致的)。在一些实施例中，控制信号调制电流，该电流被用于控制电机214的操作方面。

　　现在参考图3，在与图1的前视图对应的等距视图中示出了机械组件100，为了清晰起见隐藏了机械组件100的一些元件。可旋转构件104的表面150平行于平面y-z。可旋转构件104和支撑框架110通过任何适当的技术或特征被机械地相互耦接。例如，可旋转构件104和支撑框架110可以借助轴120机械地耦接，这允许可旋转构件104相对于支撑框架110旋转，围绕轴线r形成旋转约束，轴线中所示平行于轴线和轴线r与轴线y和轴线z或平面y-z成直角或垂直。

　　第一imu106具有跟随第一imu106定向的检测轴线的表面152)。第二imu108被示出为具有跟随第二imu108定向的检测轴线被机械地固定到支撑框架，使得第二imu108的表面154平行于可旋转构件104的表面150，并且从而平行于第一imu106的表面152。相对于第二imu108的第一imu106的姿态利用了第一imu106的检测轴线的检测轴线和位置s2)中示出，以便帮助讨论处理电路装置210的操作。尽管检测轴线保持相同的方向，但是对于外部观察者而言，检测轴线的定向而变化。所示出的检测轴线的检测轴线的检测轴线将被用于描述处理电路装置210使用相对于第二imu108的第一imu106的姿态来确定旋转角

　　图4是图示了结合第一和第二imu106、108的处理电路装置210的操作的功能框图300。第一imu106包括第一加速度计320，该第一加速度计320被配置为当第一imu106随着可旋转构件104的旋转而相对应地旋转时，感测沿着第一imu106的对应的检测轴线包括第二加速度计322，该第二加速度计322被配置为感测沿着第二imu108的对应的检测轴线。通常，第一和第二加速度计320、322适用于通过测量加速度来检测机械组件100的运动。此外，第一imu106的第一加速度计320适用于检测机械组件100的可旋转构件104的运动(例如，由于旋转运动的加速)，这是因为第一imu106被耦接到可旋转构件104并且与可旋转构件104的旋转一起旋转。第一和第二加速度计320、322例如可以是使用mems技术制造的mems加速度计。

　　第一imu106还包括第一陀螺仪324，第一陀螺仪324被配置为当第一imu106随着可旋转构件104的旋转而相对应地旋转时，感测围绕对应的检测轴线。第二imu还包括第二陀螺仪326，第二陀螺仪326被配置为当第二imu108随着支撑框架110的运动而相对应地运动时，感测围绕对应的检测轴线(参见图2)包括由第一imu106感测和输出的第一加速度ax1、ay1、az1和第一旋转角速度ωx1、ωy1、ωz1。第二感测信号204(参见图2)包括由第二imu108感测和输出的第二加速度ax2、ay2、az2和第二旋转角速度ωx2、ωy2、ωz2。尽管为了方便，第一和第二感测信号202、204被描述为包括加速度和旋转角速度信号二者，但是应该理解的是在各种实施例中，第一和第二感测信号202、204中的每个感测信号可以表示由第一和第二imu106、108输出的多个信号。例如，第一和第二imu106、108中的每个imu可以输出加速度和旋转角速度信号。

　　126的第二方法可以使用旋转角速度，例如仅基于由第一和第二陀螺仪感测的旋转角速度。加速度计算块350接收第一加速度ax1、ay1和第二加速度ax2、ay2以根据以下算式确定从加速度计算的旋转角：

　　计算的旋转角的可靠性可以基于机械组件100相对于重力加速度向量g的方向而受到限制。针对在图3中所示的定向，可靠性较高。然而，轴线r与重力加速度向量g越接近平行，从加速度计算的旋转角的可靠性变得越低。

　　加速度计可靠性块352接受指示第一加速度az1和第二加速度az2的信号以生成加速度可靠性权重因数k，该因数k可以具有0至1的范围，例如，利用1表示最高的可靠性。在轴线r垂直于重力加速度向量g的机械组件100的定向上，az1和az2接近0并且加速度可靠性权重因数k可以为1。在轴线r平行于重力加速度向量g的机械组件100的方向上，可靠性权重因数k可以为0，这指示由加速度计算块350计算的旋转角的可靠性较低。旋转速度计算块354包括差计算块354a(本文可以称为子块354a)和旋转角计算块354b(本文可以称为子块354b)。子块354a接受指示来自第一imu106的第一旋转角速度ωz1和来自第二imu108的第二旋转角速度ωz2的信号，并且通过以下给出的算式确定在当前瞬时时间t处的两个旋转角速度之间的差：

　　其中dt是陀螺仪的采样时间或者是刚好在瞬时时间t之前的陀螺仪读取之间的时间。第二子块354b接受旋转角

　　基于加权因数k来加权。在一些实施例中，过滤器块356使用以下算式实现互补过滤：φ(t)＝k*φxl(t)+(1-k)*φgyro(t)其中t是当前时间。

　　126生成控制信号212。控制信号212的类型可以由被控制的部件(诸如电机214)确定。例如，电机214可以是串联绕组直流(dc)电机，在这种情况下固定频率、经脉冲宽度调制的控制信号可以被使用。在另一示例中，电机214可以是多相永磁电机，其中一组多相、可变频率的控制信号可以被使用。转换电路360不仅生成该类型的控制信号212，它还确定在旋转角

　　126与脉冲宽度调制的控制信号212之间的指数传递函数。该指数传递函数可以使用查找表来实现，并且可以使用处理器或者可以使用模拟电路装置来计算。传递函数的其他示例可以包括响应于在旋转角126中的变化或旋转角126变化的速度的非线性函数。在一些实施例中，转换电路360可以被包括为处理电路装置210的部分，转换电路360可以通过访问存储在计算机可读存储器中的值来生成或输出控制信号，例如，包括在处理电路装置210中或者可以由处理电路装置210访问。例如。旋转角126的值可以与控制信号输出或与旋转角26的所存储的值对应的值共同被存储在存储器中。在一些实施例中，转换电路360可以利用所确定的旋转角126来确定对应的控制信号输出，该控制信号输出与在存储在存储器中的查找表中所确定的旋转角126相关联。位置s1和s2已经被用于说明。在相对于第二imu的第一imu的操作期间可以使用其他位置。确定相对于第二imu的第一imu的姿态的其他方法也可以被使用。加速度计算块350、加速度计可靠性块352、旋转速度计算块354、子块354a、子块354b以及过滤器块356中的每个块可以作为电路装置来实现。在一些PP电子实施例中，加速度计算块350、加速度计可靠性块352、旋转速度计算块354、子块354a、子块354b以及过滤器块356中的一个或多个块可以至少部分地作为由一个或多个硬件结构可加载或可执行的软件来实现，诸如微控制器单元(mcu)、微处理器、应用处理器等。

　　图5是图示了根据本公开的一个或多个实施例的电力工具400的示意性框图。在图5中图示的电力工具400可以是钻头，尽管实施例不限于此，并且在各种实施例中，电力工具400可以是任何具有用户输入元件(诸如按钮、触发器等)的电力工具，该用户输入元件可以响应于用户输入而线性运动，以控制电力工具400的操作。

　　如在图5中所示，电力工具400包括按钮402。按钮402通过线的工具主体405，使得机械组件404跟随工具主体405的定向。机械组件404可以与图1的机械组件100相同或基本相似，具有被耦接到线并且进一步被耦接到旋转构件410的齿轮408。第一imu412被耦接到旋转构件410以跟随旋转构件的定向。第二imu被机械地耦接到支撑框架416，支撑框架416被机械地耦接到工具主体405。可旋转构件410通过轴418被耦接到支撑框架，轴418允许可旋转构件410相对于支撑框架416旋转。在操作中，第一imu412生成第一感测信号420，第一感测信号420包括第一imu的加速度和旋转速度。在操作中，表示第二imu414的加速度和旋转速度的第二imu414生成第二感测信号422，第二感测信号422包括第二imu414的加速度和旋转速度。电力工具400还包括处理电路424，处理电路424接受第一和第二感测信号420和422。处理电路使用第一和第二感测信号420和422来生成控制信号426。电力工具400还包括具有电机轴430的电机428。电机428可以是串联绕组电机，具有由脉冲宽度调制的控制信号426控制的电机轴430的旋转速度。电机轴430可以被耦接到钻头卡盘432或钻头434。

　　电力工具400还可以包括智能特征电路装置436或第二处理电路装置，它们被耦接到第一或第二imu412或414任一者。智能特征电路装置436的示例在图5中示出，该智能特征电路装置436通过第二感测信号422电耦接到第二imu414。智能特征电路装置436可以使用第二感测信号422，以基于如由第一或第二imu412、414中的至少一个imu所感测的电力工具400的运动，来确定与电力工具400相关联的各种状态。这样的状态例如可以包括电力工具定向、电力工具活动识别或不安全的电力工具操作。不安全的电力工具操作可以包括过度振动或棘手的操作位置。其他状态可以基于第二感测信号来确定，诸如确定电力工具400正在坠落或者电力工具400保持静止。智能特征电路装置436可以与处理电路装置424交互。例如，电力工具400被运输的状态可以由智能特征电路装置436感测，并且电力工具400的操作在运输期间可以受到抑制。例如，基于确定电力工具被运输或以超过所选择的运动速度的阈值的运动速度移动，处理电路装置424或智能特征电路装置436可以禁用电力工具400的操作。相反地，智能特征电路装置436可以检测电力工具400的静止状态并且为处理电路装置424提供启用输入以启用控制信号212。

　　图6是图示了根据一个或多个实施例的控制具有智能按钮设备的工具的操作参数的方法600的流程图。在602处，线。例如，在一些实施例中，线可以通过旋转角

　　126)来控制。在606处被控制的操作参数的示例包括速度、转矩以及位置，它们例如可以通过控制一个或多个电机(诸如电机214)来控制。

　　其他实施例可以在除了电力工具以外的设备中实现。例如，本公开的实施例可以包括在家用电器(诸如搅拌机)和汽车应用(诸如主动悬架系统中部件线性运动的电反馈)中或者在它们中实现。附加的实施例可以被用于控制工业机器。智能按钮设备例如可以控制热线圈，诸如可以被用于烙铁或螺线管设备，所施加的力与智能按钮按压的距离成比例。

　　上文描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。可以根据上述详细描述对实施例进行这些和其他更改。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而是应该解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求所要求的等效物的全部范围。因此，权利要求不受本公开限制。

　　技术研发人员：M·比安科;L·布拉科;M·乔达里;R·穆拉;S·P·里沃尔塔;F·里扎尔迪尼

　　1.数字信号处理 2.传感器技术及应用 3.机电一体化产品开发 4.机械工程测试技术 5.逆向工程技术研究