CN115723121A - 机械手臂避障方法及机械手臂避障系统 - Google Patents

机械手臂避障方法及机械手臂避障系统 Download PDF

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林士偉
黎昆政
楊長運
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Abstract

本发明公开一种机械手臂避障方法适用于机械手臂，并包含模型化步骤、搜集评估坐标步骤、取得控制变量步骤、建立占据函数步骤及寻找避障姿态步骤。本发明透过将执行所述模型化步骤、所述建立评估坐标步骤、所述取得控制变量步骤，及所述建立占据函数步骤中所得到的数据先预存入一数据库，藉此让后续机械手臂执行任务时，能快速评估是否会发生碰撞行为，若评估会产生碰撞，则执行所述寻找避障姿态步骤来闪避障碍物。本发明采非接触式的防撞设计，能改善现有接触式防撞设计所面临到的缺点。

Description

机械手臂避障方法及机械手臂避障系统
技术领域
本发明为提供一种自动化设备技术领域，特别是指一种非接触式的机械手臂避障方法，及一种使用该机械手臂避障方法的机械手臂避障系统。
背景技术
随着工业技术的快速发展，自动化技术已被广泛地应用于各行各业中，举例来说，通过机械手臂或其他类似的设备，来协助生产以提高工厂的生产效率。然而机械手臂在运作过程中，其工作范围内可能会有人员或其他障碍物的存在，目前为了避免机械手臂因碰撞而损坏，常见的防撞安全技术大致包括以下两种：
第一种、利用阻力与工作电流的限制关系来达成保护目的，其原理是当机械手臂碰撞到障碍物时，会因为遇到阻力而使得用于控制机械手臂的马达的电流加大，进而可藉此设定当工作电流超出限制时，便停止机械手臂运作。
第二种、利用智慧皮肤的方式来达成保护的目的，其原理是在机械手臂的表面上布满压力传感器，当机械手臂碰撞到障碍物时，所述压力传感器便会发出信号，控制机械手臂停止运作，然而，此种方式必须在机械手臂上尽可能布满传感器，所以除了有增加机械手臂整体重量的缺点外，也会因为配装传感器的工序麻烦，进而增加生产成本。
由于上述两种技术皆是采用接触式，即必须碰触到障碍物后，才会触发停止运作的限制条件，故当机械手臂碰撞到人员或障碍物时，往往已发生人员受伤、产品损毁或机械手臂损坏的情形。另外现有机械手臂只针对其末端效应器(end effector)进行防撞效果的设计，并非是以机械手臂整体为考虑，所以防撞效果实属有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式且能实现总体防撞效果的机械手臂避障方法。
为实现上述目的，本发明公开一种机械手臂避障方法，适用于一机械手臂，所述机械手臂包括多个关节与多个分别连接不同所述关节的连接臂，所述机械手臂避障方法包含：模型化步骤:将所述连接臂均构建成固定直径的柱体，且所述柱体的直径不小于最粗连接臂的直径;搜集评估坐标步骤:搜集模型化后的所述机械手臂在一工作范围内的第i个工作姿态下的第k个采样点，并将所述采样点所对应的评估坐标标记为Qi k，i与k均属正整数;建立占据函数步骤:建立用以判断第m个空间坐标是否为部分所述机械手臂所占据的占据函数O，m属正整数，当第m个空间坐标与待比较的评估坐标之间距小于一设定值时，定义占据状态下所对应的所述占据函数O的函数值范围为大于0.5且1以下，而非占据状态下所对应的所述占据函数O的函数值范围为0以上且0.5以下; 取得控制变量步骤:取得动作路径上所述机械手臂的第i个工作姿态所对应的控制变量Xi;及寻找避障姿态步骤:根据下列方程式Min (Xi new-Xi)2 s.t. O(Xi new) ≤OT，以得到一避障姿态，其中，Xi new为避障姿态所对应的控制变量，OT为一阀值。
作为进一步的改进，在所述寻找避障姿态步骤中还包括将所述阀值OT调整成另一阀值OT’ 步骤，调整后的所述阀值OT’系小于所述阀值OT，所述阀值OT’系小于0.5。
作为进一步的改进，所述机械手臂还包括一末端效应器，所述末端效应器在世界坐标系中的姿态不随时间改变。
作为进一步的改进，当所述寻找避障姿态步骤所需时间是大于一运行时间时，所述机械手臂停止移动。
作为进一步的改进，所述模型化步骤、所述建立评估坐标步骤、所述取得控制变量步骤，及所述建立占据函数步骤中所得到的数据均预存于一数据库。
作为进一步的改进，当所述寻找避障姿态步骤所需时间是大于一运行时间时，所述机械手臂停止移动。
为实现上述目的，本发明公开一种机械手臂避障系统，其特征在于：包含一机械手臂，固定于一基座，所述机械手臂包括多个关节与多个分别连接不同所述关节的连接臂;及一主机，电性连接所述机械手臂，并包括一数据库，储存如上述中所述模型化步骤、所述建立评估坐标步骤、所述取得控制变量步骤，及所述建立占据函数步骤中所得到的数据;及一运算控制模块，电性连接所述数据库，并用以执行如上述中所述寻找避障姿态步骤，以控制所述机械手臂闪过障碍物。
作为进一步的改进，所述机械手臂还包括一末端效应器，所述末端效应器在世界坐标系中的姿态不随时间改变。
作为进一步的改进，当所述寻找避障姿态步骤所需时间是大于一运行时间时，所述机械手臂停止移动。
作为进一步的改进，在所述寻找避障姿态步骤中还包括将所述阀值OT调整成另一阀值OT’ 步骤，调整后的所述阀值OT’系小于所述阀值OT，所述阀值OT’系小于0.5。
如上所述，本发明之功效至少有：透过将机械手臂在执行任务中所可能采用的姿态参数先预存于数据库中，以便后续机械手臂执行任务时能快速评估其在移动过程中是否会产生与障碍物碰撞之行为，若评估会产生碰撞，则执行所述寻找避障姿态步骤来闪避障碍物。本发明不仅能使机械手臂实现整体避障的防撞效果，也因为是采非接触式的防撞设计，故也能改善现有接触式防撞设计所面临到的缺点。
附图说明
图1为本发明机械手臂避障方法的一流程图。
图2为本发明机械手臂避障系统的一实施例的一示意图。
图3为本发明机械手臂避障系统的一主机的一方块图。
图4为本发明机械手臂避障系统的该实施例的一机械手臂在一工作范围内的一示意图。
图5为本发明机械手臂避障系统的该实施例的该机械手臂的一示意图，说明机械手臂在第1个工作姿态下且只有两个关节自由度。
图6为本发明机械手臂避障方法的一占据函数的一分布图，其横轴上有第i个工作姿态的控制变量Xi，而纵轴为占据函数的函数值。
图7为本发明机械手臂避障系统的该实施例的另一机械手臂在第i个工作姿态下的一示意图，说明机械手臂在第i个工作姿态下的第k个采样点Qi k与第m个空间坐标Rm两者间距为di,k,m。
图8为本发明该实施例的机械手臂沿一动作路径移动的一示意图。
图9为类似于图8的一示意图，说明本发明机械手臂被控制为以一避障姿态来闪避障碍物。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的和功效，以下结合具体实施例并配合附图予以详细说明。
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示，此外图式中组件的形状、尺寸、厚度、以及角度等相关参数并未依照比例绘制，其简化用意仅为方便清楚说明。
参阅图1、2、3，本发明机械手臂避障方法适用于机械手臂避障系统。所述机械手臂避障系统包括高自由度的机械手臂1，及与机械手臂1电性连接的主机2，在本实施例中，机械手臂1固定于一基座3，机械手臂1包括多个关节11与多个分别连接不同关节11的连接臂12。主机2包括彼此电性连接的数据库21(database)、运算控制模块22与讯号接收模块23等等组件，所述运算控制模块22包括有处理器(processor)，所述接收模块包括有接收器(receiver)与发射器(emitter)，于实际应用上，主机2可以为机械手臂控制器(RobotController)、服务器(sever)、桌面计算机(desk computer)或笔记本电脑(laptop)等。主机2与机械手臂1的电性连接方式，不限于是透过讯号接收模块23以无线方式传送讯号，也可以是透过有线方式传送讯号。
本发明机械手臂避障方法至少包含下列步骤S101~步骤S105:
参阅图1、2、步骤S101、模型化步骤:将所述连接臂12均构建成固定直径的柱体，且所述柱体的直径不小于最粗连接臂的直径。举例来说，实体机械手臂1的多个连接臂12分别有径宽为130mm与220mm两种尺寸，则模型化后的连接臂12之径宽须至少等于220mm或大于220mm。此步骤是模拟机械手臂1在较严苛的条件下来进行闪避障碍物b(如图8所示)之距离估算，若后续模拟结果是顺利闪避障碍物b，则表示机械手臂1在实际操作上，机械手臂1与障碍物b之间仍有相当程度的缓冲空间，也就是说，本发明多了模型化步骤能提高在使用时的可靠度。
参阅图1、2、4，步骤S102、搜集评估坐标步骤:搜集模型化后的机械手臂1在一工作范围W内的第i个工作姿态下的第k个采样点，并将所述采样点所对应的评估坐标位置标记为Qi k，i与k均属正整数。不同i值表示机械手臂1的不同工作姿态，举例来说，Q1 3表示为机械手臂1在第1个工作姿态中的第3个采样点的评估坐标，在图4中，采样点是以三角形符号来表示，所述采样点分别有各自的评估坐标。当建构出一定数量的采样点后，便能建立出采样点的评估坐标与机械手臂1的工作姿态两者间的对应关系。
参阅图1、2、5，步骤S103、取得控制变量步骤:取得动作路径P上机械手臂1的第i个工作姿态所对应的控制变量Xi。所述控制变量Xi可以是直接从控制器设定的控制变量Xi；或是从已知的工作姿态，再根据逆向运动学得出所对应的控制变量，也就是说，在步骤S103中只要能得到机械手臂1在其动作路径P上的第i个工作姿态所对应的控制变量Xi，其控制变量Xi的来源如何产生并不需特别为限。
第i个工作姿态所对应的控制变量Xi符合下列方程式
Xi=ΣN j=1xi jej (1)
其中N属于正整数且表示机械手臂1的最高自由度，在本实施例中采用的是八轴机械手臂1(如图2所示)，因此N为8，xj表示第j个关节11的变异量大小，ej表示第j个正规基底(normal basis)，j属于正整数，经由方程式(1)便可让所述控制变量Xi，涵盖关节11间的转动或移动的变异量。
为了方便且清楚说明公式(1)，图4与图5是以关节数量为二的机械手臂来举例，藉此进一步供理解以类推高自由度的八轴机械手臂的避障运作。图5显示机械手臂1’的第1个工作姿态，所述第1个工作姿态可以是直接设定控制变量X1来操作，或是所述的第1个工作姿态是根据逆向运动学得出所对应的控制变量X1，应用于方程式(1)后，可表示成如下:
X1=x1 1e1+x1 2e2
而当机械手臂1’有另一个工作姿态时，其控制变量可记录成X2，依此类推当第i个工作姿态时，其控制变量可记录成Xi。
参阅图1、2、6、7，步骤S104、建立占据函数步骤: 建立一占据函数O，其是用以判断在机械手臂1的工作范围内的第m个空间坐标是否为部分该机械手臂所占据，m属正整数，所述第m个空间坐标可以记作为Rm，而Rm与Qi k两者距离可以用di,k,m表示，其中di,k,m=||Qik－Rm||。
占据函数O(Xi)被描述为如下
Figure 788220DEST_PATH_IMAGE001
数学式(2)说明当第m个空间坐标Rm与待比较的评估坐标Qi k之间距小于一设定值ε时，且对机械手臂1的第i个工作姿态下的所有第k个采样点而言，定义占据状态下所对应的占据函数O的函数值Om范围为大于0.5且1以下，而非占据状态下所对应的占据函数O的函数值Om范围为0以上且0.5以下，其中ε为实数。举例来说，如果空间中第m个空间坐标Rm被障碍物占据，且当占据函数O(Xi)经计算后为1时，因为占据函数的函数值Om只要是大于0.5且是1以下则表示空间坐标Rm实质上会被评估坐标Qi k占据，又评估坐标Qi k是机械手臂1在第i个工作姿态下的第k个采样点，所以机械手臂的第i个工作姿态会被评估为碰触到障碍物，而当O(Xi)为0时，因为占据函数的函数值Om是0以上且0.5以下则表示空间坐标Rm实质上不会被评估坐标Qi k占据，所以机械手臂的第i个工作姿态会被评估为不会碰触到障碍物。较佳地，在所述建立占据函数步骤中，为了让后续机械手臂之避障动作路径能有最佳数值解，则需进一步将所述占据函数O(Xi)转换成高斯函数，其所绘制出来的曲线如图6中的虚线所示。
需特别说明的是，步骤S104不一定要在步骤S103的后面，也可以是先执行步骤S103后再执行步骤S104，甚至也可以是步骤S103、S104同时执行。
参阅图1，步骤S105、寻找避障姿态步骤:根据下列方程式
Min (Xi new-Xi)2 s.t. O(Xi new)≤OT (3)
以得到避障姿态，其中，Xi new为避障姿态所对应的控制变量。补充说明，由于控制变量Xi举例来说可以是表示每个关节受各自马达所调控的改变量，因此，藉由对公式(3)最小化问题(minimization problem)，使各马达所需调变的改变量最小，藉此取得符合公式(3)的避障姿态。由于依定义是当占据函数O(Xi)的函数值Om为0.5<Om≤1时，表示机械手臂被评估为会碰触到障碍物，而当占据函数O(Xi)的函数值Om为0≤Om≤0.5时，表示机械手臂被评估为未碰触到障碍物，因此本发明还可透过将该阀值OT从0.5调整成另一个阀值OT’，整后的阀值OT’系小于0.5，例如OT’=0.4，藉此提升避障的安全层级，此时所计算的占据函数的函数值Om必须是小于等于0.4，机械手臂的避障姿态才会被评估为不会碰触到障碍物，而当所计算的占据函数的函数值Om是大于0.4时，则机械手臂的避障姿态会被评估为碰触到障碍物，且随着占据函数值Om值越大，意味着其碰撞程度越严重。由上可知，调整后的阀值OT’更小于该阀值OT的限制条件，在实际使用上是加大机械手臂与障碍物两者间距，而能降低机械手臂碰触到障碍物的机率，故可藉由调整阀值OT的大小来控制避障的安全层级。
于实际应用上，举例来说，当机械手臂是在一水平面上沿特定路径执行如点胶(dispensing)作业时，此时机械手臂用以点胶的末端部位须维持在该水平面上，因此，在符合方程式(3)的条件下，可以增加机械手臂自基座依序向外设置的第八个关节，其与基座两者间的相对位置在所述寻找避障姿态步骤之前与之后均一样的限制条件，确保机械手臂在闪开障碍物的同时，还能维持末端效应器在执行任务时的正确位置。此外，还能透过增加一个末端向量不变的限制条件，也就是让机械手臂的末端效应器本身在世界坐标系中的姿态不随时间改变，如此便可应用于孔位须精确对准(与孔位进入方向不倾斜)的作业(如:锁螺丝作业)或是对目标物品进行寻边作业。
参阅图2、3、8、9，以下将透过机械手臂1采用上述所述避障方法来避开障碍物b的流程，藉此以了解本发明的优点:
首先，将执行步骤S101~步骤S104中所得到的数据存入于主机2的数据库21中，然后将机械手臂1与所述主机2进行相关驱动程序之安装。本发明执行步骤S101~步骤S104所需时间为评估坐标数量乘以采样姿态数量再乘以每组姿态占据评估坐标时之排列组合之计算时间，较佳地，执行步骤S101~步骤S104所需时间是在一天之内完成。
接着，机械手臂1在执行任务时，运算控制模块22控制机械手臂1沿一动作路径P移动，所述动作路径P上有多个路径坐标，每一个路径坐标能匹配于相应的评估坐标，而当有障碍物b位于机械手臂1的工作范围内时(障碍物之相关坐标，举例来说能透过三维点云技术取得)，运算控制模块22会计算器械手臂1是否会碰撞到障碍物b，此计算过程能在10毫秒内完成。若此计算过程评估为不会发生碰撞，则机械手臂1继续沿着动作路径P移动，反之，若评估为会发生碰撞(如图8所示)，则运算控制模块22会执行所述寻找避障姿态步骤，从而使机械手臂1以避障姿态闪过障碍物b来继续执行任务(如图9所示)。执行所述寻找避障姿态步骤所需时间举例来说，可以是如下计算公式
t=D*(E*F+G) (4)
其中t是指所述寻找避障姿态步骤所需的时间，D是迭代次数，E是每次迭代所需的占据函数计算次数，F是每次占据函数计算的所需时间，G是适用于此计算公式(4)之算法计算所需的时间。
倘若，运算控制模块22评估为会发生碰撞，但在执行所述寻找避障姿态步骤的时间超过一运行时间时，运算控制模块22会控制机械手臂1停止动作，等待障碍物b移开于可能产生碰撞的位置后，运算控制模块22才会控制机械手臂1继续执行任务。
本发明透过将机械手臂在执行任务中所可能面临到的相关参数先预存于数据库，因此在使用时便能快速评估机械手臂在移动过程中是否会发生碰撞，此外，若评估为会发生碰撞，本发明机械手臂避障方法因为已预先计算所有会碰触到障碍物的各种可能工作姿态，因此计算上只要针对闪避该些会碰触到障碍物的工作姿态去进行运算，便可快速找到合适的避障姿态来闪避障碍物，从而使本发明机械手臂在执行任务的过程中，不会因为碰触到障碍物而发生任务中断的情形。
综上所述，本发明机械手臂避障方法及使用所述避障方法的机械手臂避障系统，确实能达成本发明之目的。
本创作所揭露之技术内容并不限于上述之实施例，凡是与本创作所揭露之创作概念及原则相同者，皆落入本创作之申请专利范围。需注意的是，组件的定义，例如“第一”和“第二”并不是限定之文字，而是区别性的用语。而本案所用之“包括”或“包含”涵盖“包括”和“具有”的概念，并表示组件、操作步骤及/或组或上述的组合，并不代表排除或增加的意思。又，除非有特别说明，否则操作之步骤顺序并不代表绝对顺序。更，除非有特别说明，否则以单数形式提及组件时（例如使用冠词“一”或“一个”）并不代表“一个且只有一个”而是“一个或多个”。本案所使用的“及/或”是指“及”或“或”，以及“及”和“或”。本案所使用的范围相关用语系包含全部及/或范围限定，例如“至少”、 “大于”、“小于”、“不超过”等，是指范围的上限或下限。
惟以上所述者，仅为本发明之实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。

Claims (10)

1.一种机械手臂避障方法，适用于一机械手臂，其特征在于：所述机械手臂包括多个关节与多个分别连接不同所述关节的连接臂，所述机械手臂避障方法包含：模型化步骤:将所述连接臂均构建成固定直径的柱体，且所述柱体的直径不小于最粗连接臂的直径;搜集评估坐标步骤:搜集模型化后的所述机械手臂在一工作范围内的第i个工作姿态下的第k个采样点，并将所述采样点所对应的评估坐标标记为Qi k，i与k均属正整数;建立占据函数步骤:建立用以判断第m个空间坐标是否为部分所述机械手臂所占据的占据函数O，m属正整数，当第m个空间坐标与待比较的评估坐标之间距小于一设定值时，定义占据状态下所对应的所述占据函数O的函数值范围为大于0.5且1以下，而非占据状态下所对应的所述占据函数O的函数值范围为0以上且0.5以下; 取得控制变量步骤:取得动作路径上所述机械手臂的第i个工作姿态所对应的控制变量Xi;及寻找避障姿态步骤:根据下列方程式Min (Xinew-Xi)2 s.t. O(Xi new) ≤OT，以得到一避障姿态，其中，Xi new为避障姿态所对应的控制变量，OT为一阀值。
2.如权利要求1所述的机械手臂避障方法，其特征在于：在所述寻找避障姿态步骤中还包括将所述阀值OT调整成另一阀值OT’ 步骤，调整后的所述阀值OT’系小于所述阀值OT，所述阀值OT’系小于0.5。
3.如权利要求1所述的机械手臂避障方法，其特征在于：所述机械手臂还包括一末端效应器，所述末端效应器在世界坐标系中的姿态不随时间改变。
4.如权利要求3所述的机械手臂避障方法，其特征在于：当所述寻找避障姿态步骤所需时间是大于一运行时间时，所述机械手臂停止移动。
5.如权利要求1所述的机械手臂避障方法，其特征在于：所述模型化步骤、所述建立评估坐标步骤、所述取得控制变量步骤，及所述建立占据函数步骤中所得到的数据均预存于一数据库。
6.如权利要求5所述的机械手臂避障方法，其特征在于：当所述寻找避障姿态步骤所需时间是大于一运行时间时，所述机械手臂停止移动。
7.一种机械手臂避障系统，其特征在于：包含一机械手臂，固定于一基座，所述机械手臂包括多个关节与多个分别连接不同所述关节的连接臂;及一主机，电性连接所述机械手臂，并包括一数据库，储存如请求项1中所述模型化步骤、所述建立评估坐标步骤、所述取得控制变量步骤，及所述建立占据函数步骤中所得到的数据;及一运算控制模块，电性连接所述数据库，并用以执行如请求项1中所述寻找避障姿态步骤，以控制所述机械手臂闪过障碍物。
8.如权利要求7所述的机械手臂避障系统，其特征在于：所述机械手臂还包括一末端效应器，所述末端效应器在世界坐标系中的姿态不随时间改变。
9.如权利要求7所述的机械手臂避障系统，其特征在于：当所述寻找避障姿态步骤所需时间是大于一运行时间时，所述机械手臂停止移动。
10.如权利要求7所述的机械手臂避障系统，其特征在于：在所述寻找避障姿态步骤中还包括将所述阀值OT调整成另一阀值OT’ 步骤，调整后的所述阀值OT’系小于所述阀值OT，所述阀值OT’系小于0.5。
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