TW201737000A - 藉由示範來程式化一機器人 - Google Patents

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Abstract

提供一種方法及電腦程式產品以用於藉由在重力補償體感式引導模式中手動地操作其而程式化一機器人。更具體地，提供方法及電腦程式產品，其使用體感式教導作為一示範輸入模態，且不需要安裝或使用任何外部感測或資料擷取模組。需要一單一使用者示範以提取該程式之一表示法，並向使用者提呈一系列能輕易控制的參數，其等允許使用者修改或約束任務的所提取之程式表示法的該等參數。

Description

藉由示範來程式化一機器人
本發明係關於機器人，且更具體地係關於一種用於自動化機器人動作程式化之方法及設備。
機器人裝置可用於各種應用中(例如，製造、機械、安全、軍事、探索、老年護理、健康照護、及/或其他應用)。一些現存的機器人裝置(例如，製造總成及/或封裝機器人)可經程式化以便執行各種所欲功能。一些機器人裝置(例如手術機器人)可由人類遠端控制。一些機器人裝置可經由探索學習操作。
程式化機器人可係昂貴的，且由一人類操作者遠端控制可導致延遲及/或需要來自操作者之高水準的手部靈巧度(dexterity)。此外，機器人模型及/或環境中的變化可需要改變程式碼(programming code)。遠端控制一般依靠使用者的經驗及/或靈活性，當控制系統及/或環境之動態(例如，一意料之外的障礙物出現在一受遠端控制之車輛的路徑中)迅速改變時，其可係不足的。
近來已見到自動化產業從大型、危險、複雜的機器人改換為協作式機器人(collaborative robot)。此新種類的機器人容易設置、安全地伴隨人類一起進行操作、以及即使是無經驗的使用者也能輕易程式化。此極大 程度地減少部署機器人的成本及減少其等之回收期(payback time)，使小型及中型企業能夠在其等之生產工廠中設置機器人。
這些協作式機器人利用重力補償模式及體感式引導以允許使用者藉由手動地移動機器人至所欲的直角座標空間位置以及使用通常經定位在一教導裝置(teaching pendant)上之一圖形使用者介面(GUI)記錄點而在機器人中繼點(via-point)中進行教導。
雖然較使用數值程式化的傳統方法更為直觀，但是程序仍會耗費相當可觀的時間量，對更複雜的移動及較大的程式而言尤是如此，其中機器人必須循序地移動通過複數個點，全部均與透過教導裝置或GUI組態適當行動同時發生。
先前技術中針對引導式(lead through)教導方法的改善包括使用各種類型的教導手柄(teaching handle)(未展示)，其等協助操作者引導機器人進行所欲動作。教導手柄改善操作者的機械利益(mechanical advantage)使其優於機器人，不過操作者仍處於操縱及準確地控制機器人進行所欲動作，同時維持在三維空間或更多維度的空間中之控制的狀態。
針對藉由傳統方法或透過使用一GUI或教導裝置來程式化一機器人的複雜度與時間需求，由示範產生程式(programming by demonstration(PbD))的領域提供一替代方案。目標是將程式化簡化為對任何終端使用者而言均係直觀的，而無論使用者先前使用機器人的經驗水準。藉由下列來實現此事：藉由感測手段之一分類來擷取一機器人任務執行之所欲成果的一使用者示範；以及接著嘗試自所擷取的資料提取該任務之一通用的機器人程式敘述。
為此目的，最普遍的技術之一係體感式教導，藉此使用者使用自己的雙手操作置於一重力補償模式之機器人。使用者接著拖動機器人進行所欲的程式動作。其他已提出的擷取手段包括視覺系統、全身式感測套裝(full-body sensing suit)、感測手套、磁力追蹤裝置(magnetic tracking device)、或前述之一組合。
然而，大部分PbD方法的問題在於：相同任務需要太多使用者示範才能夠提取一可用的程式表示法(program representation)；PbD方法之抽象概念對使用者而言太過複雜以致無法理解，且因此無法控制其等之聯結；或者PbD方法需要使用者利用外部硬體解決方案(解決方案可如磁力追蹤器、手套、攝影機、全身式感測套裝、或前述之任何組合)，從而大幅增加在一真實產業環境中部署此一類解決方案的成本及複雜度。
離線程式化方法需要：一電腦模型，其可用於工件；以及一準確的校準裝備及程序，其可用以將模擬設置中的程式資料轉換成機器人設置中的程式資料。結果，若無法利用電腦模型或校準的準確度不足以滿足程序需求，則無法使用此方法。
因此，需要一種方法及設備，其允許操作者在真實的設置中以最少人力程式化機器人動作以便一起提呈程序需求及動作路徑，且操作者可針對程式化機器人之過程中的任何細節提供原位且及時的判斷。另外，希望在不予操作者任何負擔的情況下恆定地維持機器人與工件之間的一空間關係。另外，亦希望機器人與工件永不碰撞，即使針對在其中緊密接觸係必要的應用亦然。另外，希望在致力於減少程式化機器人所欲動作的複雜度之程式化操作期間令使用者不必在一複雜路徑中針對所有程式點 於三維空間中引導機器人。另外，教導操作的簡化容許機器人動作之更有效率且自動化的教導，使得針對小批量工作頻繁地程式化可程式化機器人在經濟上切實可行。
本發明提供優於先前技術方法之一顯著的進展，因為其使用體感式教導作為一示範輸入模態，且不需要安裝或使用任何外部感測或資料擷取模組。本發明需要一單一使用者示範以提取程式之一表示法，並向使用者提呈一系列能輕易控制的參數，其等允許使用者修改或約束任務的所提取之程式表示法的該等參數。
根據本發明之第一態樣，提供種一方法，藉此在一示範模式中操作機器人以教導該機器人執行某一程序或任務。在一實施例中，此係藉由在重力補償體感式引導模式中手動地操作該機器人來達成。在此一類狀況下，該機器人具有雙重目的，不僅作為一致動器，且亦作為一測量裝置，藉此使用一感測裝置(例如機器人關節編碼器)記錄關節位置及速度，且憑藉該機器人狀態變數值或一類似程序直接記錄其他機器人操作變數(例如其輸入/輸出介面狀態、數位輸入及輸出、以及其他通訊信號)在該機器人內。該機器人亦可藉由透過該GUI或其他控制機構操作該機器人來進行程式化，而非僅有手動方式。同樣地，該機器人不必處於重力補償模式。該機器人可處於力控制或一些其他形式的控制，或者亦可處於藉由操作該等關節中的煞車(break release)以及接著四處拖動機器人。同樣地，作為體感式引導的替代，可為另一形式的控制(例如，使用一搖桿或使用該GUI箭頭進行遙控操作(teleoperation))。
根據本發明，使用者在整個所欲動作期間握住並引導該機器人手臂，同時致動必要的裝置(例如，開啟或閉合夾爪(gripper)、觸發一輸出等)以實現該任務。經由該機器人GUI或其他手段來提供用於致動此等裝置的構件‧例如，經定位在該機器人手臂上之一致動按鈕陣列)。
具體而言，本發明因而提供一種程式化一機器人以供執行一特定程序的方法，該方法包含以下步驟：‧提供一機器人(例如具有一機器人手臂之一機器人)，其具有用於在其各關節中測量關節位置及速度的感測器，該等感測器放置在該機器人內並使用機器人狀態變數值來進行感測；‧界定用於該機器人移動之一路徑(例如藉由允許一使用者握住該機器人手臂並引導該機器人手臂通過該所欲路徑各處)，同時致動相關聯的裝置；‧監視來自該等感測器的信號並記錄操作參數；‧處理該等操作參數以產生用於實施該程序的一機器人控制程式；‧可選地藉由對所記錄的資料應用一系列演算法來組態參數以控制輸出程式；‧提取代表由使用者所示範之連續動作的一系列中繼點；以及‧執行該程序，藉此產生對使用者所示範之該等移動與行動的模仿。
在本發明之一較佳實施例中，使用選自機器人關節編碼器之感測裝置以及其他機器人操作變數(例如其輸入/輸出介面狀態、數位輸入及輸出、以及其他通訊信號)來記錄該等關節位置及速度。同樣地，較佳的係經由該機器人通用(或圖形)使用者介面(GUI)或其他構件來提供用於 致動該等感測裝置的構件，例如，經定位在該機器人手臂上之一致動按鈕陣列。
在本發明之一第二態樣中，提供用於程式化一機器人之一電腦程式產品，該機器人具備一機器人手臂，其具有用於在其各關節中測量關節位置及速度的感測器，該等感測器係放置在該機器人內，該電腦程式產品體現本發明之方法，藉此藉由允許一使用者握住該機器人手臂並引導其通過所欲路徑各處而標示用於該機器人移動之一路徑。
作為一記錄裝置，該機器人記錄任務之使用者示範。此行動序列可進一步使用若干組態參數由使用者進行微調，其可調整例如移動的精確度、速度，無論該動作係點對點或連續的且無論該程式是否應簡化為一較簡單的結構表示法以及其他可能性。在一較佳實施例中，本發明允許使用者選擇是否應直接執行所記錄的行動序列。在此情況下，該機器人將僅執行由使用者所示範之移動與行動的確切模仿。此允許使用者驗證該機器人所記錄者及相應地修改其示範。此可藉由讀取所記錄的關節位置資料及使用與所記錄者相同的動作參數在該機器人上執行一連串移動命令來實現。
若不直接執行，則使用者可如所述組態若干參數以控制輸出程式。在此情況下，該機器人將對所記錄的資料應用一連串演算法。連續曲線簡化法或一類似方法用於提取一連串中繼點，其等係使用者所示範之該連續動作的最佳代表。步驟過濾器或其他類似機構可用於偵測輸入及輸出變化。輸出係一連串行動事件或等效抽象概念，該等抽象概念以一高階代表經教導給該機器人的該任務。
接著可將先前所述之行動事件清單在內部轉換為由該機器人直接讀取及執行的一機器人特有程式格式。此轉換將受到經使用者組態之參數的影響，如先前所詳述者。接著可在該機器人上執行該程式檔案。透過觀察，使用者接著可藉由執行欲校正片段之部分的再次示範或者藉由其他手段而使用該GUI反覆編輯一示範的部分-行動或軌跡片段(trajectory segment)。
在前文所提及的例項兩者中，該機器人作為一致動裝置。
此外，可使用一模擬機器人來實現前文所提及的程序，在此情況中，此模擬機器人係用作一記錄工具及一致動器兩者。在此情況下，使用者將不以體感方式引導經重力補償的機器人，而將替代地使用一GUI或類似的輸入機構來模擬該模擬機器人的移動。
無論如何，在一模擬機器人的情況中的互動程序係等效於使用一實體機器人所經歷者。使用者可再次選擇直接執行所記錄的示範；或者設定複數個組態參數以影響行動提取及後續的程式轉換常式的行為。之後在將該模擬機器人置於一模擬致動器模式中時，該模擬機器人將接著透過該GUI或其他適當的表示手段提呈所學得之程式執行的一模擬表示法。
無論如何，前文所陳述之模擬系統的輸出係等效於前述之實體機器人系統的輸出，即使用其特殊程式設計語言之可由該機器人執行的一機器人程式。即，機器人程式具有在該模擬系統與實體系統之間之可攜性。此外，該程式可在該兩個系統的任一者中進行編輯、儲存、以及之後在另一系統中進行後續的進一步編輯。
所主張的發明亦可利用額外記錄的示範資料來進一步調諧 輸出機器人程式。例如，來自所記錄之使用者示範的速度資訊可用於調諧該系統之精確度限制條件(precision constraints)，其係使用下列一方式進行：當使用者以體感方式引導該機器人至一位置同時該機器人處於重力補償模式中時，較快的移動將以較低的精確度需求指示行動點之間的過渡位移(transitional displacement)，而較慢且更審慎的移動表達出當前的機器人位置係意欲以較緊束的精確度限制條件來執行。此係藉由調諧前述連續曲線簡化演算法中之一ε(epsilon)參數或任何類似的實施方案來達成，其控制兩軌跡點所必須分隔的距離以便將其加入程式中繼點清單。此目的亦可透過不同手段達成。
此外，可用與使用人機互動程序之一分類的可能性補充該系統，藉此該系統在適當時間詢問使用者關於其意向以及關於截至目前為止所提取之程式表示法的校正。這些詢問可包括但不限於該任務是否應推廣至另一選定位置、使用者是否正試圖示範任何迴圈或分支結構、或其他類似詢問。
131‧‧‧印刷電路板(PCB)
132‧‧‧位置感測器
133‧‧‧位置感測器
134‧‧‧安全制動器
135‧‧‧安全制動器
136‧‧‧定子部分
137‧‧‧轉子部分
138‧‧‧輸出軸；中空軸；輸出構件
139‧‧‧輸出凸緣；輸出構件
140‧‧‧編碼器盤
141‧‧‧電氣與氣動連接件；扭絞導線
145‧‧‧連接部分
146‧‧‧關節殼體
147‧‧‧密封件
148‧‧‧主軸承
149‧‧‧密封軸承
150‧‧‧傳動裝置
151‧‧‧通道
152‧‧‧區域/空間
153‧‧‧軸承
154‧‧‧板
155‧‧‧傾斜的內部表面部分(軸承表面)
圖1展示機器人手臂之一關節，其具有用於在其各關節中測量關節位置及速度以用於教導機器人的感測器。
圖2展示根據本發明之一實施例的一互動圖。
圖3展示根據本發明之一較佳實施例的一互動圖。
在下文中，展示可應用至本發明的機器人手臂的一部分(關 節)。對本發明之教導方法而言，具有特別重要性的係用於在其各關節中測量關節位置及速度的感測器。此等在圖1中係展示為位置感測器132、133。在此圖中，展示通過根據本發明之一實施例之一關節的一截面圖。該關節包含機械、機電、電子、及光學元件，其等經由電連接器或經由無線(例如光學)耦合至其他元件而直接相互地互連。為了確保此等元件之最簡單直接的安裝與連接，若能在一個印刷電路板131(PCB)上提供盡可能多的此等元件係有利的。亦展示通過一關節之一實施例的一截面圖，該關節可用在六軸機器人中，但須了解此關節亦可與其他機器人一同使用。在所示之實施例中，實施一安全制動器(safety brake)134、135，然而，此非一決定性特徵。
用於判定馬達(角定向)之位置(軸/轉子之角定向)的感測器133安裝在PCB 131之後表面處。圖1所示之馬達包含一定子部分136及一轉子部分137。
用於判定關節之輸出軸138或輸出凸緣139之角定向的感測器132安裝在該PCB的前表面上或在PCB 131之前表面上的一插口中。較佳地，使用一高解析度感測器，且中空軸138與感測器之間的短距離係重要的，以便獲得感測器與編碼器盤(encoder disc)相對於彼此之一適宜定位。為了能夠透過該關節來感測輸出凸緣139在PCB 131處的移動(旋轉)，編碼器盤140安裝在中空軸138上，藉此引導電氣與氣動連接件141通過該關節，且中空軸138連接至輸出凸緣139。
此外，根據本發明之此實施例的關節經設計使得相鄰的關節可彼此附接，而無需使用另外元件。關節至一相鄰關節或連接構件(例如 一薄壁管)的附接經由輸出凸緣139及關節殼體146上的連接部分145而發生。除此以外，根據本發明之機器人關節可藉由合適的構件(例如薄壁管)耦合在一起，由於薄壁管之最佳剛性/重量比而使其等成為一較佳選擇。此外，根據本發明之此實施例的關節包含一密封件147，其係介於殼體146與輸出凸緣139之間；主軸承148，其係緊靠殼體146中所提供之傾斜的內部表面部分(軸承表面)155；密封軸承149；傳動裝置150；至少一通道151，其用於來自一相鄰關節或連接構件之連接；一區域/空間(152)，當輸出構件138、139旋轉時，其用於一滑環(slip ring)及用於扭絞導線(twisting wire)141；另外的軸承153；及一板154(例如鋁板或其他合適的材料板)，其用於安裝PCB 131且亦為了作用如用於該關節中之動力電子元件(power electronics)的一散熱板。
參照圖2及圖3，展示兩個可行的互動圖，而圖3所展示者較佳。
本發明者已在圖2及圖3中提供兩種可行的方法，然而可根據本發明設想用以由示範產生程式(PbD)的許多不同方法。針對此等特殊方法，由使用者作出示範，並基於提取代表使用者所示範之連續動作的一系列中繼點而將機器人的移動記錄為一通用程式碼(universal program code(UR))。在本發明之一實施例中，機器人具有一機器人手臂，其具有用於在其各關節中測量關節位置及速度的感測器，以便監視來自感測器的信號並記錄操作參數。然而，在替代實施例中，可使用不具有機器人手臂的機器人。同樣地，取代測量關節位置/速度，亦可在直角座標空間/任務空間或任何其他框架中完成。感測器亦可在外部而非經定位在關節上，例如，一視 覺系統或用於一自走式機器人的一GPS。
隨後，處理操作參數以產生用於實施程序的一機器人控制程式。以該種方式，程式可產生對使用者所示範之移動與行動的模仿。

Claims (8)

  1. 一種程式化一機器人以供執行一特定程序的方法，該方法包含以下步驟：提供一機器人，例如具有一機器人手臂之一機器人，該機器人具有用於在其各關節中測量關節位置及速度的感測器；界定用於該機器人移動之一路徑；監視來自該等感測器的信號並記錄操作參數；處理該等操作參數以產生用於實施該程序的一機器人控制程式；提取代表由使用者所示範之連續動作的一系列中繼點；及執行該程序，藉此產生對使用者所示範之該等移動與行動的模仿。
  2. 如請求項1之方法，其中使用選自機器人關節編碼器之感測裝置以及其他機器人操作變數，例如其輸入/輸出介面狀態、數位輸入及輸出以及其他通訊信號，來記錄該等關節位置及速度。
  3. 如請求項1或2之方法，其中經由該機器人通用使用者介面(GUI)或其他構件來提供用於致動該等感測裝置的構件，例如，經定位在該機器人手臂上之一致動按鈕陣列。
  4. 如請求項1或2之方法，其進一步包含以下步驟：藉由對該所記錄的資料應用一系列演算法來組態參數以控制該輸出程式。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該程式化該機器人以供執行一特定程序係藉由在重力補償體感式引導模式中手動地操作該機器人來達成。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該等感測器放置在該機器人內，並使用該機器人狀態變數值來感測。
  7. 如請求項5之方法，其中界定該路徑係藉由允許一使用者握住該機器人手臂並引導其通過該所欲路徑各處同時致動相關聯的裝置來執行。
  8. 一種用於程式化一機器人之一電腦程式產品，該機器人具備一機器人手臂，其具有用於在其各關節中測量關節位置及速度的感測器，該等感測器放置在該機器人內，該電腦程式產品體現如請求項1至4中任一項之方法，藉此藉由允許一使用者握住該機器人手臂並引導其通過該所欲路徑各處而標示用於該機器人移動之一路徑。
TW106110317A 2016-04-12 2017-03-28 用於藉由示範來程式化機器人之方法和電腦程式產品 TWI805545B (zh)

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