TWI634400B - 機械手臂之控制裝置及操作方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂之控制裝置，包括一壓力感測模組、一工作範圍界定模組以及一控制模組。壓力感測模組設置於一機械手臂上，壓力感測模組用以偵測一物體是否觸碰機械手臂，藉以切換機械手臂的操作模式。工作範圍界定模組包括一感應區，佈置於機械手臂的周圍區域上，工作範圍界定模組根據物體在感應區的位置，判斷物體是否進入一預定的工作區域，並根據物體進入的工作區域設定機械手臂的工作範圍以及工作模式。控制模組連接機械手臂、壓力感測模組以及工作範圍界定模組，其中控制模組用以切換機械手臂的操作模式，並根據機械手臂的工作模式輸出一馬達驅動訊號至機械手臂。

Description

機械手臂之控制裝置及操作方法

本發明是有關於一種機械手臂，且特別是有關於一種機械手臂之控制裝置及操作方法。

隨著機械手臂技術的日漸成熟，多個自主移動機械手臂在較大範圍內協同工作已成為可能。為了實現多機械手臂協同工作，必須對機械手臂進行協同控制，以使機械手臂不發生任務衝突，提高工作效率。

此外，透過機械手臂與人的協同運作，可提升複雜度高或需要高度彈性之製程的工作效率，但也提高操作人員的危險性。因此，如何規範機械手臂的運動範圍，並設計供人員活動的工作區間，以提早預防機械手臂對人的可能傷害，實為重要。

本發明係有關於一種機械手臂之控制裝置及其操作方法，能確保人機協同進行作業時的安全性與便捷性。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂之控制裝置，包括一壓力感測模組、一工作範圍界定模組以及一控制模 組。壓力感測模組設置於一機械手臂上，壓力感測模組用以偵測一物體是否觸碰機械手臂，藉以切換機械手臂的操作模式。工作範圍界定模組包括一感應區，佈置於機械手臂的周圍區域上，工作範圍界定模組根據物體在感應區的位置，判斷物體是否進入一預定的工作區域(operating space)，並根據物體進入的工作區域設定機械手臂的工作範圍以及工作模式。控制模組連接機械手臂、壓力感測模組以及工作範圍界定模組，其中控制模組用以切換機械手臂的操作模式，並根據機械手臂的工作模式輸出一馬達驅動訊號至機械手臂。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂之操作方法，包括下列步驟：經由佈置一感應區於一機械手臂的周圍區域上，以偵測一物體在感應區的位置，並判斷物體是否進入一預定的工作區域。根據物體進入的工作區域設定機械手臂的工作範圍以及工作模式，並根據機械手臂的工作模式，輸出一馬達驅動訊號至機械手臂。經由設置一壓力感測模組於機械手臂上，以偵測物體是否觸碰機械手臂。當偵測到物體觸碰機械手臂時，發出一停止訊號至機械手臂，以控制機械手臂停止。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉諸項實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧機械手臂之控制裝置

101‧‧‧機械手臂

102‧‧‧關節馬達

110‧‧‧壓力感測模組

112‧‧‧觸碰感應表面

120‧‧‧工作範圍界定模組

122‧‧‧感應區

130‧‧‧控制模組

132‧‧‧關節馬達控制器

133‧‧‧重力補償器

134‧‧‧模式切換模組

135‧‧‧摩擦力補償器

136‧‧‧關節馬達編碼器

138‧‧‧手持操作控制器

140‧‧‧機械手臂之手持操作系統

A1~A3‧‧‧工作區域

A4‧‧‧協作區域

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

D3‧‧‧第三距離

F‧‧‧足跡

第1圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂之控制裝置的方塊圖。

第2圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂之控制裝置的立體示意圖。

第3圖繪示設定機械手臂的工作範圍的示意圖。

第4圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂之操作方法的流程圖。

第5圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂之手持操作系統的方塊圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1及2圖，根據本發明一實施例之機械手臂之控制裝置100包括一壓力感測模組110、一工作範圍界定模組120以及一控制模組130。壓力感測模組110設置於一機械手臂101上，例如位於容易觸碰的任一部位或機械手臂101的端部上，壓力感測模組110用以偵測一物體是否觸碰機械手臂101。此物體例如是操作人員或與機械手臂101協同運作的機器。壓力感測模組110可與機械手臂101機電整合，以做為機械手臂101的觸覺皮膚。

工作範圍界定模組120用以設定機械手臂101的工作範圍以及工作模式。控制模組130連接機械手臂101、壓力感測模組110以及工作範圍界定模組120，用以切換機械手臂101的操作模式，並根據機械手臂101的工作模式輸出一馬達驅動訊 號至機械手臂101。

舉例來說，在一工作模式下，若無人員或物體進入機械手臂101的工作範圍內，控制模組130根據預設的參數值(扭力、速度或移動軌跡等)正常操作機械手臂101，當有人員或物體進入預設的一工作區域(A1~A3其中之一)時，工作範圍界定模組120會根據人員或物體所進入的工作區域屬於A1~A3中何者，來設定機械手臂101的工作範圍以及工作模式，此時，控制模組130根據調整後的參數值(扭力、速度或移動軌跡等)操作機械手臂101。一方面可避免機械手臂101的工作範圍(或移動軌跡)與人員或物體進入的工作區域(A1~A3其中之一)發生重疊以致產生碰撞等異常事件，另一方面可限制機械手臂101的最大移動速度或最大輸出扭力，以避免機械手臂101在高速或高扭力下操作而發生碰撞的危險。

請參照第2及3圖，工作範圍界定模組120可包括一感應區122，例如是感應地墊或壓力感測器所設置成的陣列區域，感應區122佈置於機械手臂101的周圍區域上，例如是周圍地面上，且感應區122可區分為多個工作區域A1~A3，每個工作區域A1~A3對應不同的工作模式(或不同的工作參數)。在一實施例中，感應區122可區分為三個或更多個工作區域A1~A3，第一工作區域A1相對於機械手臂101相隔一第一距離D1，第二工作區域A2相對於機械手臂101相隔一第二距離D2，第三工作區域A3相對於機械手臂101相隔一第三距離D3，第一距離D1小於 第二距離D2，第二距離D2小於第三距離D3，依此類推。

當有人員或物體進入感應區122時，工作範圍界定模組120根據人員或物體在感應區122的位置判斷人員或物體是否進入一預定的工作區域(A1~A3其中之一)，藉以調整機械手臂101的參數值。在一實施例中，機械手臂101的工作模式根據不同的參數值大致上可區分為低速度/低扭力工作模式、中速度/中扭力工作模式以及高速度/高扭力工作模式，但本發明不以此為限。

例如，在第3圖中，當人員或物體(以足跡F表示)靠近機械手臂101時，人員或物體與機械手臂101之間相隔一距離，工作範圍界定模組120可根據相隔的距離與機械手臂101的速度或扭力之間的關係表，來設定機械手臂101的工作範圍以及工作模式。當人員或物體越靠近機械手臂101，危險性以及發生碰撞的機率也越高，因而控制模組130可根據上述的關係表(距離vs.移動速度或距離vs.輸出扭力)來控制機械手臂101的最大移動速度或最大輸出扭力，以減少危險性以及發生碰撞的機率。

此外，在上述其中一種工作模式下，當人員以手指觸碰壓力感測模組110時，壓力感測模組110產生一觸碰感應訊號至控制模組130，控制模組130再根據觸碰感應訊號發出一停止訊號至機械手臂101，以控制機械手臂101停止。當機械手臂101處於停止狀態時，控制模組130可切換機械手臂101的操作模式，並可進行徒手教導或順應教導等手持操作模式。請參照第 2圖，在另一實施例中，工作範圍界定模組120還可包括一協作區域A4(collaborative workspace)，而且協作區域A4的周圍例如設有影像感測器或在地面上設有感應地墊，當有人員或物體進入協作區域A4時，控制模組130可根據影像感測器或感應地墊產生的感應訊號發出一操作訊號至機械手臂101，以控制機械手臂101停止或進入手持操作模式。

請參照第4圖，根據本發明一實施例之機械手臂101之操作方法包括下列步驟：在步驟S11中，經由佈置一感應區122於機械手臂101的周圍區域上，以偵測人員或物體在感應區122的位置，並判斷人員或物體是否進入一預定的工作區域(A1~A3其中之一)；在步驟S12中，根據物體進入的工作區域A1~A3設定機械手臂101的工作範圍以及工作模式，並根據機械手臂101的工作模式，輸出一馬達驅動訊號至機械手臂101；在步驟S13中，經由設置一壓力感測模組110於機械手臂101上，以偵測人員或物體是否觸碰機械手臂101；在步驟S14中，當偵測到物體觸碰機械手臂101時，發出一停止訊號至機械手臂101，以控制機械手臂101停止。在步驟S15中，當機械手臂101停止時，切換機械手臂101的操作模式，以選擇進入手持操作模式或解除停止狀態。在步驟S17中，當機械手臂101解除停止狀態時，回到步驟S13，繼續偵測物體是否觸碰機械手臂101。在步驟S16中，當機械手臂101進入手持操作模式時，可根據施加於機械手臂101的端部的一觸碰感應表面112的操作指令控制機械手臂101，並 根據操作指令產生一組使機械手臂101移動的馬達扭力訊號。在步驟S18中，當機械手臂101結束手持操作模式時，回到步驟S13，繼續偵測物體是否觸碰機械手臂101。

在一實施例中，上述步驟S12，設定機械手臂101的工作範圍以及工作模式之步驟中，該控制模組130內預先設有工作區域A1~A3與機械手臂101的速度或扭力之間的一關係表，當判斷人員或物體進入的工作區域(A1~A3其中之一)相對於機械手臂101相隔一距離，更包括步驟S12-1及步驟S12-2，其中步驟S12-1是根據距離選擇該關係表中進入的工作區域(A1~A3其中之一)與機械手臂101的速度或扭力之間的一對應值，步驟S12-2是根據該對應值控制機械手臂101的最大移動速度或最大輸出扭力。也就是說，當人員或物體越靠近機械手臂101時，根據人機相隔的距離，例如可依序設定為降低機械手臂101的移動速度或輸出扭力為最大值的80%、50%、30%等，以降低危險性以及發生碰撞的機率，但本發明不以此設定方式為限。

請參照第5圖，依照本發明一實施例之機械手臂之手持操作系統140包括一壓力感測模組110以及一控制模組130。壓力感測模組110設置於一機械手臂101的任一部位或端部上，壓力感測模組110具有一觸碰感應表面112(請另參見第2圖所示)，用以偵測施加於觸碰感應表面112上的一操作指令，操作指令例如是人員的手指觸摸產生的點訊號、軌跡訊號或其組合。觸碰感應表面112例如是由壓力感測器所設置成的陣列區域，以 形成一座標系。在手持操作模式中(請參照第4圖之步驟S16中)，控制模組130用以接收觸碰感應表面112輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至機械手臂101，以回應操作指令。

控制模組130包括一關節馬達控制器132、一模式切換模組134、複數個關節馬達編碼器136以及一手持操作控制器138。模式切換模組134用以切換機械手臂101的操作模式，以選擇進入一手持操作模式或解除停止狀態(請參照第4圖的步驟S15)，在手持操作模式下，關節馬達控制器132根據操作指令產生一組使機械手臂101移動的馬達扭力訊號，以控制各關節馬達102的扭力。

此外，關節馬達編碼器136設置於機械手臂101的關節處，此些關節馬達編碼器136於手持操作模式下根據機械手臂101的移動軌跡產生一組關節角度訊號，以記錄各關節的姿態及方位。另外，手持操作控制器138連接關節馬達編碼器136，且於手持操作模式下記錄並儲存關節馬達編碼器136產生的此組關節角度訊號，當要重現機械手臂101的移動軌跡時，手持操作控制器138可將此組關節角度訊號轉換成使機械手臂101的移動軌跡重現的馬達驅動訊號。

此外，關節馬達控制器132更包括一重力補償器133，重力補償器133根據機械手臂101上每個關節的角度、每個手臂的重心到每個關節的重心的距離以及每個手臂的質量，來計算出作用於每個手臂上的重力補償力矩。另外，關節馬達控制 器132更包括一摩擦力補償器135，摩擦力補償器135根據機械手臂101上每個關節的轉動速度來計算出作用於每個關節上的摩擦力補償力矩。

由上述的說明可知，人員可透過壓力感測模組110給予機器手臂101移動的外部力量與方向資訊(操作指令)，透過控制模組130轉化成機器手臂各關節處需補償之扭力值(重力補償力矩或摩擦力補償力矩)，並由控制模組130控制各關節力量與姿態，以實現人與機器手臂協作的作業模式。此外，當有人員或物體靠近機械手臂101時，控制模組130可根據關係表(距離vs.移動速度或距離vs.輸出扭力)來控制機械手臂101的最大移動速度或最大輸出扭力，以確保人機協同作業的安全性與便捷性。再者，當人員或物體與機械手臂101發生觸碰時，控制模組130發出一停止訊號至機械手臂101，以控制機械手臂101停止，進而方便人員進行手持操作模式，以提高人機協同作業的便捷性。

綜上所述，雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種機械手臂之控制裝置，包括：一壓力感測模組，設置於一機械手臂上，該壓力感測模組用以偵測一物體是否觸碰該機械手臂，藉以切換該機械手臂的操作模式；一工作範圍界定模組，包括一感應區，佈置於該機械手臂的周圍區域上，該工作範圍界定模組根據該物體在該感應區的位置，判斷該物體是否進入一預定的工作區域，並根據該物體進入的該工作區域設定該機械手臂的工作範圍以及工作模式；以及一控制模組，連接該機械手臂、該壓力感測模組以及該工作範圍界定模組，其中該控制模組用以切換該機械手臂的操作模式，並根據該機械手臂的工作模式輸出一馬達驅動訊號至該機械手臂，其中該控制模組包括一關節馬達控制器以及一模式切換模組，該模式切換模組用以切換該機械手臂的操作模式，以選擇進入一手持操作模式或解除停止狀態，在該手持操作模式下，該壓力感測模組於該機械手臂的端部設有一觸碰感應表面，用以偵測施加於該觸碰感應表面上的一操作指令，該關節馬達控制器根據該操作指令產生一組使該機械手臂移動的馬達扭力訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂之控制裝置，其中該工作範圍界定模組內預先設有該感應區的工作區域與該機械手臂的速度或扭力之間的一關係表，當該物體進入的該工作區域相對於該機械手臂相隔一距離時，該工作範圍界定模組根據該距離，選擇該關係表中進入的該工作區域與該機械手臂的速度或扭 力之間的一對應值，且該控制模組根據該對應值控制該機械手臂的最大移動速度或最大輸出扭力。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂之控制裝置，其中該控制模組判斷該物體與該機械手臂上的該壓力感測模組發生觸碰時，該控制模組發出一停止訊號至該機械手臂，以控制該機械手臂停止。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂之控制裝置，其中該控制模組包括複數個關節馬達編碼器，設置於該機械手臂的關節處，該些關節馬達編碼器於該手持操作模式下根據該機械手臂的移動軌跡產生一組關節角度訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機械手臂之控制裝置，其中該控制模組包括一手持操作控制器，該手持操作控制器於該手持操作模式下記錄並儲存該些關節馬達編碼器產生的該組關節角度訊號，且該手持操作控制器可將該組關節角度訊號轉換成使該機械手臂的移動軌跡重現的該馬達驅動訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂之控制裝置，其中該關節馬達控制器更包括一重力補償器，該重力補償器根據該機械手臂上每個關節的角度、每個手臂的重心到每個關節的重心的距離以及每個手臂的質量來計算出作用於每個手臂上的重力補償力矩。
7. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂之控制裝置，其中該關節馬達控制器更包括一摩擦力補償器，該摩擦力補償器根據 該機械手臂上每個關節的轉動速度來計算出作用於每個關節上的摩擦力補償力矩。
8. 一種機械手臂之操作方法，包括：經由佈置一感應區於一機械手臂的周圍區域上，以偵測一物體在該感應區的位置，並判斷該物體是否進入一預定的工作區域；根據該物體進入的該工作區域設定該機械手臂的工作範圍以及工作模式，並預先設有該感應區的工作區域與該機械手臂的速度或扭力之間的一關係表；根據該機械手臂的工作模式，輸出一馬達驅動訊號至該機械手臂；經由設置一壓力感測模組於該機械手臂上，以偵測該物體是否觸碰該機械手臂；以及當偵測到該物體觸碰該機械手臂時，發出一停止訊號至該機械手臂，以控制該機械手臂停止。
9. 如申請專利範圍第8項所述之機械手臂之操作方法，更包括：當機械手臂停止時，切換該機械手臂的操作模式，以選擇進入一手持操作模式或解除停止狀態。
10. 如申請專利範圍第8項所述之機械手臂之操作方法，其中該操作方法更包括：當判斷該物體進入的該工作區域相對於該機械手臂相隔一 距離時，根據該距離選擇該關係表中進入的該工作區域與該機械手臂的速度或扭力之間的一對應值，且根據該對應值控制該機械手臂的最大移動速度或最大輸出扭力。如申請專利範圍第9項所述之機械手臂之操作方法，其中該機械手臂進入該手持操作模式之後，該操作方法更包括：經由設置一觸碰感應表面於該機械手臂的端部上，以偵測施加於該觸碰感應表面上的一操作指令，並根據該操作指令產生一組使該機械手臂移動的馬達扭力訊號；根據該機械手臂的移動軌跡產生一組關節角度訊號，並儲存該組關節角度訊號；以及將該組關節角度訊號轉換成使該機械手臂的移動軌跡重現的該馬達驅動訊號。