TW201718209A - 防撞偵測裝置、相應之控制方法及適用其之機械手臂 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種防撞偵測裝置，相應之控制方法及適用其之機械手臂，其中機械手臂具有預設移動路徑。防撞偵測裝置包含第一感測單元及控制單元。第一感測單元係為一種非接觸式感測單元，佈設於機械手臂朝向預設移動路徑之一側；控制單元耦接於第一感測單元及機械手臂。當第一感測單元偵測到有物體進入預設移動路徑時，控制單元改變機械手臂之預設動作。

Description

防撞偵測裝置、相應之控制方法及適用其之機械手臂

本發明係有關一種防撞偵測裝置、相應之控制方法及適用其之機械手臂。具體而言，特別是一種非接觸式的防撞偵測裝置。

現今社會中，隨著工業的發展與科技的快速進步，自動化技術係被廣泛地應用於現代的製造產業之中，並逐漸地採用機器設備以取代人工勞動；從而於現代工廠之中，往往自上料、加工及下料各個工廠階段中都設置有相對應的自動化設備以代替人力進行自動操作，例如機械手臂或其他類似的設備，進而地減少了生產所需勞動力，且大幅提高了現代化工廠之生產效率。

然而，機械手臂於運作過程中，其工作範圍內可能會有人員或其他物體接近。為避免人員與機械手臂碰撞導致受傷或產品瑕疵，現有的安全裝置大致包括兩種：其一，是利用力量限制(Force Limited)的方式來達成，其原理為利用當機器手臂或機器碰撞到物體時，其馬達的電流會加大，當機器控制器偵測到電流超出限制時，即會停止機器的運作，達成保護功能。然而，此種方式由於是使用接觸式，且使用碰觸到力量達到限制來達成保護。當碰撞到人體較脆弱部分，會造成誤傷人員情形產生，且產 生碰撞的同時，產品或許已產生瑕疵。

其二，利用壓力感測器(Pressure Sensor)的方式來達成。其原理為在機器的表面佈滿壓力感測器，當機器碰撞到人或物品時，機器的壓力感應器便會發出信號給機器控制器，即會停止機器的運作，達成保護功能。然而，此方式必須在機器上佈滿成千上萬的感測器，除了增加機器的運作重量外，感測器在多曲面的機器上裝配也十分困難，每個感測器皆須與控制器連接，造成大量線材的浪費，且大量的感測器也會增加成本。除此之外，此感測方式亦為接觸式，因此同樣具有前述需要克服的問題。

有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種非接觸的感測方式，不必接觸到感測單元即可動作，可降低機械手臂遭碰撞時對人員及產品的傷害。此外，由於製造成本低廉，亦可導入較大型機台使用。

本發明之一實施例提供一種防撞偵測裝置，適用於一機械手臂，該機械手臂具有一預設移動路徑，該防撞偵測裝置包含一第一感測單元及一控制單元。第一感測單元係為一種非接觸式感測單元，佈設於該機械手臂朝向該預設移動路徑之一側；控制單元耦接於該第一感測單元及該機械手臂。

其中，當該第一感測單元偵測到有物體進入該預設移動路徑時，該控制單元改變該機械手臂之預設動作。

於一實施例中，當該第一感測單元偵測到該物體進入該機械手臂之該預設移動路徑上且該物體與該第一感測單元小於一第一距離時，該控制單元控制該機械手臂進行一第一動作改變。

於另一實施例中，防撞偵測裝置更包含一第二感測單元，佈設於該機械手臂朝向該預設移動路徑之一側，其中該第二感測單元之感測距離較該第一感測單元之感測距離為長。其中，當該第二感測單元偵測到該物體進入該機械手臂之該預設移動路徑上且該物體與該第二感測單元小於一第二距離時，該控制單元控制該機械手臂進行一第二動作改變。於此實施例中，該第二動作改變不同於該第一動作改變。

本發明之另一實施例提供一種防撞偵測的控制方法，適用於前述的防撞偵測裝置，該控制方法包含下列步驟：(S1)偵測該物體是否在該機械手臂之預設移動路徑上；(S2)若該偵測結果為是，則偵測該物體與該第二感測單元是否小於該第二距離；(S3)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第二動作改變；(S4)偵測該物體與該第一感測單元是否小於該第一距離；以及(S5)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第一動作改變。

本發明之另一實施例提供一種防撞偵測的控制方法，適用於前述的防撞偵測裝置，該控制方法包含下列步驟：(S11)偵測該物體與該第二感測單元是否小於該第二距離；(S12)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第二動作改變；(S13)偵測該物體與該第一感測單元是否小於該第一距離；以及(S14)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第一動作改變。

本發明之另一實施例提供一種機械手臂，包含一手臂本體、一第一感測單元以及一控制單元。手臂本體具有一預設移動路徑；第一感測單元係為一種非接觸式感測單元，佈設於該手臂本體朝向該預設移動路徑之一側；控制單元耦接於該第一感測單元及該手臂本體。

其中，當該第一感測單元偵測到有物體進入該預設移動路徑時，該控制單元改變該手臂本體之預設動作。

於一實施例中，當該第一感測單元偵測到該物體進入該手臂本體之該預設移動路徑上且該物體與該第一感測單元小於一第一距離時，該控制單元控制該手臂本體進行一第一動作改變。

於另一實施例中，機械手臂更包含一第二感測單元，佈設於該手臂本體朝向該預設移動路徑之一側，其中該第二感測單元之感測距離較該第一感測單元之感測距離為長。

其中，當該第二感測單元偵測到該物體進入該手臂本體之該預設移動路徑上且該物體與該第二感測單元小於一第二距離時，該控制單元控制該手臂本體進行一第二動作改變，且該第二動作改變不同於該第一動作改變。

相較於先前技術，本發明所提出「防撞偵測裝置、相應之控制方法及適用其之機械手臂」，利用非接觸式的感測方式進行感測，在機器尚未接觸到物體時即採取預防措施。此外，感測單元具可撓性，可佈設於機器的任何位置，製造方式簡單，亦可降低製造成本。

關於本發明之優點與精神，可以藉由以下的實施方式及所附圖式得到進一步的瞭解。

11‧‧‧第一感測單元

12‧‧‧第二感測單元

21‧‧‧機械手臂

31‧‧‧連接媒介

4‧‧‧機械手臂

41‧‧‧手臂本體

42‧‧‧第一感測單元

43‧‧‧第二感測單元

411‧‧‧前臂

412‧‧‧轉軸

413‧‧‧長臂

414‧‧‧短臂

415‧‧‧底座

C‧‧‧控制單元

d1‧‧‧第一距離

d2‧‧‧第二距離

L1~L8‧‧‧感測線

X‧‧‧物體

圖1A係為本發明防撞偵測裝置之一實施例立體圖。

圖1B係為圖1A之實施例方塊圖。

圖1C係為圖1A之實施例剖視圖。

圖2A係為本發明防撞偵測裝置之一實施例側視圖。

圖2B係為本發明防撞偵測裝置之另一實施例上視圖。

圖2C係為本發明第一感測單元之一實施例示意圖。

圖2D係為本發明第一感測單元之一實施例示意圖。

圖3A係為本發明防撞偵測裝置之另一實施例立體圖。

圖3B係為本發明第一感測單元及第二感測單元之實施例示意圖。

圖3C係為本發明防撞偵測裝置之一實施例側視圖。

圖3D係為本發明防撞偵測裝置之另一實施例上視圖。

圖4係為本發明之一實施例流程圖。

圖5係為本發明之另一實施例流程圖。

圖6係為本發明機械手臂之一實施例立體圖。

以下將以圖式配合文字敘述揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪出。

需說明的是，本發明所提供的防撞偵測裝置可應用於機械手臂、專用機及工具機等，但並不以此為限。只要對於防撞偵測有需求，皆可導入本發明的設計中。

請參閱圖1A及圖1B，本發明之防撞偵測裝置較佳適用於機械手臂21，例如製程機台上的機械手臂、工程用機械手臂、電子裝置上的 機械手臂或其他類似的功具機等。防撞偵測裝置較佳包含第一感測單元11及控制單元C，控制單元C與第一感測單元11及機械手臂21耦接，藉以傳遞訊號。第一感測單元11較佳為一種非接觸式感測單元，於本實施例中，第一感測單元11是一種投射式電容結構，其感測線可以網格或線狀交錯結構的方式構成，因此具有單一定位點、多點感應等特性。於本實施例中，第一感測單元11可以軟板的方式製作，使其具有可撓性，且由於投射式電容結構具有單一定位點的特性，因此以軟板方式實現並不會影響其定位精準度。

第一感測單元11可貼附或包覆於機械手臂21的任何位置，且因具有可撓性，即使機械手臂21表面為非平面時，仍可適用。

需注意的是，由於第一感測單元為投射式電容結構，當機械手臂表面為非導電材質時，可以直接貼附或包覆使用。但是，當機械手臂表面為導電材質時，為減少短路的情形，較佳需在機械手臂與第一感測單元之間設置非導電性的連接媒介。如圖1C所示，機械手臂21與第一感測單元11之間夾設有連接媒介31，且連接媒介31不具導電性，例如泡棉，但不以此為限。並且，連接媒介31與機械手臂21、第一感測單元11之間可以透過黏著層(例如黏膠、雙面膠等)加以固定。於其他實施中，亦可在第一感測單元11的外表面塗上一層保護漆，除了保護功能之外，也具有美觀的效果，但不以此為限制。

請參閱圖2A，機械手臂21具有一預設移動路徑，此預設移動路徑較佳係依其工作目的及順序而設定，可由工程師或相關技術人員事先將其寫入至控制單元。本實施例以上下方向移動為例，但不以此為限。 第一感測單元11較佳可佈設於機械手臂21朝向預設移動路徑的一側，本實施例之第一感測單元11係為包覆之態樣，亦即環繞機械手臂21一圈呈環狀分佈；然在不同實施例中，當然也可僅以小面積的方式貼附。如圖2A所示，當第一感測單元11感應到有物體X(例如工作人員或其肢體)在預設移動路徑上出現時，第一感測單元11會將感測訊號傳遞至控制單元，控制單元會發出指令至機械手臂，令其改變預設動作。值得一提的是，本實施例之控制單元可與第一感測單元11同時存在於單一軟板上，也可以從軟板拉線外接，並無特定限制。

於此實施例中，具體而言，由於投射式電容結構的特性，物體X不需碰觸到第一感測單元即可產生動作，因此，當物體X在預設移動路徑上出現且距離第一感測單元11小於第一距離d1時，控制單元發出指令給機械手臂21進行第一動作改變。第一動作改變較佳包含但不限於使機械手臂脫離原本的預設移動路徑，或維持在原本的預設路徑上但改變速度或方向。於此實施例中，第一動作改變較佳為機械手臂21停止運作，但不以此為限，於其他實施例中，也可以設計為閃避動作或減速動作。須說明的是，本實施例之第一距離d1較佳為小於2公分。

另，圖2B之實施例主要係以左右方向移動為例，其感測及作動方式如同圖2A之實施例，故不在此贅述。唯在進行第一動作改變之設定時，可依預設移動路徑之不同、周圍環境狀況、物體X的移動方向、機械手臂本身機構設計或承載元件之差異而採取不同之設定。例如若物體X的移動方向與預設移動路徑垂直時，第一動作改變可設定為停止，等待物體X通過後再繼續動作；若物體X的移動方向與預設移動路徑平行時，第一動作改 變則可能需設定為閃避，而避免被追擊的狀況產生。

本發明第一感測單元11的感測方式可進一步說明如下。舉例來說，如圖2C所示，可將第一感測單元11的感測線作區分，以感測線L1~L8為例，當機械手臂往第一方向移動時，可以透過第一感測單元11上的感測線L1、L2、L5及L6做感測，當感測到有物體時，便將感測訊號傳遞至控制單元並進行後續動作。相反地，若機械手臂朝著第一方向之反方向移動時，則以感測線L3、L4、L7及L8做感測。

再者，如圖2D之實施例為例，可將第一感測單元11的感測線區分為L1~L8，當機械手臂往第二方向移動時，可以透過第一感測單元11上的感測線L1、L2、L3及L4做感測，當感測到有物體時，便將感測訊號傳遞至控制單元並進行後續動作。相反地，若機械手臂朝著第二方向之反方向移動時，則以感測線L5、L6、L7及L8做感測。

本發明之另一實施例，請參閱圖3A~圖3B。如圖3A所示，防撞偵測裝置更包含第二感測單元12，亦耦接於控制單元，其位置同樣可佈設於機械手臂21朝向預設移動路徑的一側，但不以此為限。須說明的是，第二感測單元12較佳可為感測距離較第一感測單元11為長的感測器，例如超音波、紅外線等，但不以此為限。唯第二感測單元12不具可撓性，因此較佳可採用點設置的方式設置，特此說明。如圖3B所示，第一感測單元11的感測距離(即第一距離d1)與第二感測單元12的感測距離(即第二距離d2)不同，以此實施例而言，第一距離d1小於第二距離d2。

請參閱圖3C，機械手臂21具有一預設移動路徑，本實施例以上下方向移動為例，第二感測單元12較佳可佈設於機械手臂21朝向預設 移動路徑的一側，當第二感測單元12感應到有物體X(例如工作人員)在預設移動路徑上出現時，第二感測單元12會將感測訊號傳遞至控制單元，控制單元會發出指令至機械手臂，令其改變預設動作。

於此實施例中，當物體X在預設移動路徑上出現且距離第二感測單元11小於第二距離d2時，控制單元發出指令給機械手臂21進行第二動作改變，其中，第二動作改變與前述實施例之第一動作改變不相同。第二動作改變較佳為機械手臂21減速運作，但不以此為限，於其他實施例中，亦可設計為閃避動作。須說明的是，第二距離d2較佳為1.5~2公尺。

類似地，圖3D之實施例係以左右方向移動為例，其感測及作動方式如同圖3C之實施例，故不在此贅述。

本發明之另一實施例，為適用於上述防撞偵測裝置的控制方法。請參閱圖4，該方法包含下列步驟：(S1)偵測該物體是否在該機械手臂之預設移動路徑上；(S2)若該偵測結果為是，則偵測該物體與該第二感測單元是否小於該第二距離；(S3)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第二動作改變；(S4)偵測該物體與該第一感測單元是否小於該第一距離；以及(S5)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第一動作改變。其元件配置及其作動原理如同前述實施例，在此不多加贅述。值得一提的是，若將步驟(S2)、(S3)視為一組，將步驟(S4)、(S5)視為一組，此兩組順序可顛倒或同時進行，特此說明。

本發明之另一實施例，亦適用於上述防撞偵測裝置。請參閱圖5，該方法包含下列步驟：(S11)偵測該物體與該第二感測單元是否小於該第二距離；(S12)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第二動作改 變；(S13)偵測該物體與該第一感測單元是否小於該第一距離；以及(S14)若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第一動作改變。類似地，步驟(S11)、(S12)與步驟(S13)、(S14)之順序可顛倒或同時進行。

本發明之另一實施例提供一種機械手臂。如圖6所示，機械手臂4包含手臂本體41、第一感測單元42、第二感測單元43及控制單元(圖未示)。手臂本體41較佳包含前臂411、轉軸412、長臂413、短臂414以及底座415。前臂411後端與長臂413前端共同連接於轉軸412，使前臂411得以朝上下方向擺動；長臂413後端係夾設於短臂414內，以此能進一步令前臂411朝前後方向移動；短臂414與底座415連接，底座415可以旋轉以使手臂本體41能達到360度全方位的作動。

第一感測單元42與第二感測單元43係佈部設於手臂本體41朝向其預設路徑之一側，以本實施例而言，第一感測單元42係以小面積且多片的方式佈設，但不以此為限。類似地，其作動原理、感應特性、控制方法如同前述實施例，在此不另行贅述。

相較於先前技術，本發明所提出「防撞偵測裝置及其控制方法」，利用非接觸式的感測方式進行感測，在機器尚未接觸到物體時即採取預防措施。此外，感測單元具可撓性，可佈設於機器的任何位置，製造方式簡單，亦可降低製造成本。

藉由以上具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制，任何熟知此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做各種更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界 定者為準。

11‧‧‧第一感測單元

21‧‧‧機械手臂

Claims (14)

1. 一種防撞偵測裝置，適用於一機械手臂，該機械手臂具有一預設移動路徑，該防撞偵測裝置包含：一第一感測單元，係為一種非接觸式感測單元，佈設於該機械手臂朝向該預設移動路徑之一側；以及一控制單元，耦接於該第一感測單元及該機械手臂，其中，當該第一感測單元偵測到有物體進入該預設移動路徑時，該控制單元改變該機械手臂之預設動作。
2. 如請求項1所述之防撞偵測裝置，其中該第一感測單元係為投射式電容結構。
3. 如請求項1所述之防撞偵測裝置，其中該第一感測單元與該機械手臂之間具有一連接媒介，且該連接媒介不具導電性。
4. 如請求項1所述之防撞偵測裝置，當該第一感測單元偵測到該物體進入該機械手臂之該預設移動路徑上且該物體與該第一感測單元相距小於一第一距離時，該控制單元控制該機械手臂進行一第一動作改變。
5. 如請求項4所述之防撞偵測裝置，更包含一第二感測單元，佈設於該機械手臂朝向該預設移動路徑之一側，其中該第二感測單元之感測距離較該第一感測單元之感測距離為長。
6. 如請求項5所述之防撞偵測裝置，當該第二感測單元偵測到該物體進入該機械手臂之該預設移動路徑上且該物體與該第二感測單元相距小於一第二距離時，該控制單元控制該機械手臂進行一第二動作改變。
7. 如請求項1所述之防撞偵測裝置，其中該第一感測單元係以可撓式材質 製成。
8. 一種防撞偵測裝置的控制方法，適用於請求項6所述之防撞偵測裝置，該控制方法包含下列步驟：偵測該物體是否在該機械手臂之預設移動路徑上；若該偵測結果為是，則偵測該物體與該第二感測單元是否相距小於該第二距離；若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第二動作改變；偵測該物體與該第一感測單元是否相距小於該第一距離；以及若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第一動作改變。
9. 一種防撞偵測裝置的控制方法，適用於請求項6所述之防撞偵測裝置，該控制方法包含下列步驟：偵測該物體與該第二感測單元是否相距小於該第二距離；若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第二動作改變；偵測該物體與該第一感測單元是否相距小於該第一距離；以及若該偵測結果為是，則該機械手臂進行該第一動作改變。
10. 一種機械手臂，包含：一手臂本體，具有一預設移動路徑；一第一感測單元，係為一種非接觸式感測單元，佈設於該手臂本體朝向該預設移動路徑之一側；以及一控制單元，耦接於該第一感測單元及該手臂本體，其中，當該第一感測單元偵測到有物體進入該預設移動路徑時，該控制單元改變該手臂本體之預設動作。
11. 如請求項10所述之機械手臂，當該第一感測單元偵測到該物體進入該手臂本體之該預設移動路徑上且該物體與該第一感測單元相距小於一第一距離時，該控制單元控制該手臂本體進行一第一動作改變。
12. 如請求項11所述之機械手臂，更包含一第二感測單元，佈設於該手臂本體朝向該預設移動路徑之一側，其中該第二感測單元之感測距離較該第一感測單元之感測距離為長。
13. 如請求項12所述之機械手臂，當該第二感測單元偵測到該物體進入該手臂本體之該預設移動路徑上且該物體與該第二感測單元相距小於一第二距離時，該控制單元控制該手臂本體進行一第二動作改變，且該第二動作改變不同於該第一動作改變。
14. 如請求項10所述之機械手臂，其中該第一感測單元係以可撓式材質製成。