TW201819126A - 非接觸式的手勢教導機器人 - Google Patents

Abstract

一種非接觸式的手勢教導機器人，包含一移動單元、一感測單元，及一控制單元，該移動單元包括一驅動模組，及一受該驅動模組連動而可沿相互垂直的一第一方向、一第二方向及一第三方向移動的法蘭，該感測單元設置於該法蘭並以非接觸的方式朝向一感測區感測該使用者的手部，該感測區是沿一平行該第三方向的軸線與該感測單元間隔一最小量測距離，該控制單元電連接該驅動模組及該感測單元，且內建一手部特徵資料庫及一動作指令資料庫，並於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該手部特徵資料庫內的資料時，驅使該驅動模組執行該動作指令資料庫中相對應該手部動作的動作指令。

Description

非接觸式的手勢教導機器人

本發明是有關於一種機器人，特別是指一種非接觸式的手勢教導機器人。

現有的一機器手臂在操作時，必須要先將欲進行加工的一加工路徑程序寫入控制流程中，才能達到以該機器手臂對一待加工件進行加工的效果。

然而，當該待加工件是處於需要被不斷調整加工路徑的狀態時，例如是尚未決定出該待加工件的最終外型的試驗過程中，由於不斷地更新該加工路徑程序會非常花費時間，因此需要發展能夠隨時依使用者的需求而調整該機器手臂的動作的技術。

因此，專利編號CN103921265A揭示了一種示教機器人，是透過以影像判斷一手持搖控器的位置，而驅使該示教機器人移動，然而，由於使用者必須拿著該手持搖控器進行操作，在使用上非常不方便。

因此，本發明之目的，即在提供一種非接觸式的手勢教導機器人。

於是，本發明非接觸式的手勢教導機器人，用來感測一使用者的手部動作，該非接觸式的手勢教導機器人包含一基座單元、一移動單元、一感測單元，及一控制單元。

該移動單元包括一設置於該基座單元的驅動模組，及一連接並受該驅動模組連動而可沿相互垂直的一第一方向、一第二方向及一第三方向移動的法蘭，該感測單元設置於該法蘭並以非接觸的方式朝向一感測區感測該使用者的手部，該感測區是沿一平行該第三方向的軸線與該感測單元間隔一最小量測距離，該控制單元電連接該驅動模組及該感測單元，且內建一手部特徵資料庫，及一對應該手部特徵資料庫的動作指令資料庫，並於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該手部特徵資料庫內的資料時，驅使該驅動模組執行該動作指令資料庫中相對應該手部動作的動作指令。

本發明之功效在於：藉由該驅動模組、該感測單元及該控制單元的設置，使該驅動模組能根據該使用者的手部動作來執行相對應該手部動作的動作指令，而能達到以非接觸的方式來控制該非接觸式的手勢教導機器人的動作。

參閱圖1、2、3，本發明非接觸式的手勢教導機器人之一實施例，用來感測一使用者9的手部動作，該非接觸式的手勢教導機器人包含一基座單元2、一移動單元3、一感測單元4、一光源顯示單元5、一控制單元6，及一末端效應器7。

該移動單元3包括一設置於該基座單元2的驅動模組31，及一連接並受該驅動模組31連動而可沿相互垂直的一第一方向X、一第二方向Y及一第三方向Z移動的法蘭32。在本實施例中，該驅動模組31為複數個驅動該移動單元3之各活動關節的馬達，其中，該移動單元3為一個六軸機器手臂，也可以是其他形式的機器手臂。

參閱圖3、4、5，該感測單元4設置於該法蘭32並以非接觸的方式朝向一感測區41感測該使用者9的手部，且包括一用來感測該使用者9的手部是否位於該感測區41的紅外線感測模組42、一用來朝該感測區41拍攝影像的攝影模組43、一供該光源顯示單元5及該末端效應器7設置的轉接板44，及一設置於該轉接板44並供該紅外線感測模組42及該攝影模組43設置的托架45。於本實施例中，該攝影模組43使用一組鏡頭來拍攝影像，可以理解的是，當要拍攝三維影像時，該攝影模組43也可以使用多組鏡頭來拍攝影像。

參閱圖3、4、6，該感測區41是沿一平行該第三方向Z的軸線L與該感測單元4間隔一最小量測距離D1，且介於該最小量測距離D1及一沿該軸線L與該感測單元4間隔的最大量測距離D2之間。於本實施例中，該最小量測距離D1為10公分，該最大量測距離D2為20公分。

參閱圖3、4、5，該轉接板44具有一設置於該法蘭32的裝設面441、一相反該裝設面441的工作面442，及一連接該裝設面441及該工作面442的圍繞面443。於本實施例中，該轉接板44是以螺絲鎖固的方式連接該法蘭32，該轉接板44的該裝設面441與該工作面442相互平行，且與該第三方向Z垂直，該托架45是設置於該圍繞面443。

該光源顯示單元5設置於該轉接板44並電連接該控制單元6，且具有複數設置於該圍繞面443的發光二極體51，並可依該非接觸式的手勢教導機器人的不同狀態而顯示不同顏色的光。

參閱圖2、3、5，該控制單元6電連接該驅動模組31、該感測單元4及該光源顯示單元5，且內建一手部特徵資料庫61，及一對應該手部特徵資料庫61的動作指令資料庫62，並於該感測單元4感測到該使用者9的手部位於該感測區41且手部動作符合該手部特徵資料庫61內的資料時，驅使該驅動模組31執行該動作指令資料庫62中相對應該手部動作的動作指令。

該手部特徵資料庫61包括一第一手勢特徵資料611、一第二手勢特徵資料612、一第三手勢特徵資料613，及一第四手勢特徵資料614。於本實施例中，該第一手勢特徵資料611、該第二手勢特徵資料612、該第三手勢特徵資料613，及該第四手勢特徵資料614皆為手部動作的影像資料。

該動作指令資料庫62包括一驅使該驅動模組31連動使該法蘭32跟隨該使用者的手而移動的跟隨動作指令621、一驅使該驅動模組31連動使該法蘭32沿該第一方向X微吋動的第一吋動指令622、一驅使該驅動模組31連動使該法蘭32沿該第二方向Y微吋動的第二吋動指令623，及一驅使該驅動模組31連動使該法蘭32沿該第三方向Z微吋動的第三吋動指令624。

該末端效應器7設置於該轉接板44的該工作面442，並可受該控制單元6的控制而作動。於本實施例中，該末端效應器7是一種可開合的夾爪，以螺絲鎖固的方式連接該轉接板44，用以夾持一待加工件（圖未示）或一加工刀具（圖未示），此外，該末端效應器7也可以是一種吸盤或頂出機構。值得一提的是，該第一方向X、該第二方向Y及該第三方向Z也可為供使用者設定且適用於該末端效應器7的自定義座標系。

參閱圖2、3、6，使用時，是以該感測單元4持續對該感測區41進行感測。

當該控制單元6於該感測單元4感測到該使用者9的手部位於該感測區41且手部動作符合該第一手勢特徵資料611時，驅使該驅動模組31執行該跟隨動作指令621，以使該法蘭32跟隨該使用者9的手而移動。

當該控制單元6於該感測單元4感測到該使用者9的手部位於該感測區41且手部動作符合該第二手勢特徵資料612時，驅使該驅動模組31執行該第一吋動指令622，以使該法蘭32沿該第一方向X移動一第一吋動距離。於本實施例中，該第一吋動距離是可調整地介於1~10毫米之間。

當該控制單元6於該感測單元4感測到該使用者9的手部位於該感測區41且手部動作符合該第三手勢特徵資料613時，驅使該驅動模組31執行該第二吋動指令623，以使該法蘭32沿該第二方向Y移動一第二吋動距離。於本實施例中，該第二吋動距離是可調整地介於1~10毫米之間。

當該控制單元6於該感測單元4感測到該使用者9的手部位於該感測區41且手部動作符合該第四手勢特徵資料614時，驅使該驅動模組31執行該第三吋動指令624，以使該法蘭32沿該第三方向Z移動一第三吋動距離。於本實施例中，該第三吋動距離是可調整地介於1~10毫米之間。

舉例來說，該第一手勢特徵資料611、該第二手勢特徵資料612、該第三手勢特徵資料613，及該第四手勢特徵資料614可以例如為圖7~11所示的不同手部動作的影像資料，該控制單元6以該紅外線感測模組42感測到該使用者9的手部位於該感測區41時，接著以該攝影模組43對位於該感測區41內的該使用者9的手部拍攝影像，並判斷該使用者9的手部符合其中一手勢特徵資料後，驅使該驅動模組31執行相對應的指令。

當執行該跟隨動作指令621時，該控制單元6會根據該使用者9的手部接下來在該感測區41內的移動距離及方向，驅使該驅動模組31帶動使該法蘭32、該轉接板44及該末端效應器7以相同的移動距離及方向進行移動，進而進行加工，由於不需額外的控制器，因此可以避免人體接觸控制器所產生的靜電對加工時產生不良影響。於本實施例中，該控制單元6是在該使用者9的手部移動大於一預設距離後且該使用者9的手部停止一預設時間後，才驅使該驅動模組31運作，該預設距離例如是5公分，該預設時間例如是1秒鐘，如此就能避免該使用者9的手部因不慎晃動而造成誤動作。

而當執行該第一吋動指令622、該第二吋動指令623或該第三吋動指令624時，該控制單元6會根據該使用者9的手部接下來在該感測區41內的不同動作而驅使該法蘭32、該轉接板44及該末端效應器7沿著相對應的方向進行吋動，例如是以兩手指分開或貼靠的差異作為驅使該法蘭32、該轉接板44及該末端效應器7沿著相對應的方向前進或後退，由於手指的操作較為靈敏，因此可以大幅提高加工效率。

參閱圖2、3、5，於本實施例中，該等發光二極體51是受該控制單元6的控制而依該非接觸式的手勢教導機器人的不同狀態而顯示不同顏色的光，例如是當該手勢教導機器人處於正常停止狀態時，該控制單元6控制使該等發光二極體51發出常亮的綠色燈號，當該手勢教導機器人處於正常移動狀態時，該控制單元6控制使該等發光二極體51發出閃爍的綠色燈號，當該手勢教導機器人有錯誤訊息發生時，該控制單元6控制使該等發光二極體51發出閃爍的紅色燈號，此時該控制單元6會控制使該驅動模組31停止運作，當該手勢教導機器人在執行該跟隨動作指令621且在記錄該使用者9的手部接下來在該感測區41內的移動距離及方向時，該控制單元6控制使該等發光二極體51發出閃爍的藍色燈號，當該手勢教導機器人在執行該跟隨動作指令621且根據記錄進行移動時，該控制單元6控制使該等發光二極體51發出常亮的藍色燈號，如此該使用者9就能輕易地根據該等發光二極體51的發光狀態及顏色得知目前該手勢教導機器人的使用狀況。

要說明的是，該手勢教導機器人除了是如本實施例中所揭露的外型，也可以是任何形式的加工機械臂，例如六軸機械臂、平行機械臂等等，而能達到相同的功效。

另外，可以理解的是，在判斷該使用者9的手部動作時，除了是以固定的手部動作進行判斷之外，也可以是以某一特定手部動作轉換成另一特定手部動作的方式進行判斷，而可達到相同的功效。

由於本發明能夠確保當該使用者9的手部在該感測區41內才進行運作，因此可以確保使用時的安全性，且藉由該感測單元4以非接觸的方式導引該末端效應器7移動及開合，而能避免手持搖控器可能造成的靜電干擾，故本發明還能進一步應用於無塵無靜電要求的環境，此外，由於該轉接板44的該工作面442是與該第三方向Z垂直，因此使該末端效應器7在移動時是與該使用者9的手部的移動同方向，讓該使用者9能夠直覺地進行控制，使用上非常便利。

綜上所述，藉由該驅動模組31、該感測單元4及該控制單元6的設置，使該驅動模組31能根據該使用者9的手部動作來執行相對應該手部動作的動作指令，而能達到以非接觸的方式來控制該非接觸式的手勢教導機器人的動作，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2‧‧‧基座單元

3‧‧‧移動單元

31‧‧‧驅動模組

32‧‧‧法蘭

4‧‧‧感測單元

41‧‧‧感測區

42‧‧‧紅外線感測模組

43‧‧‧攝影模組

44‧‧‧轉接板

441‧‧‧裝設面

442‧‧‧工作面

443‧‧‧圍繞面

45‧‧‧托架

5‧‧‧光源顯示單元

51‧‧‧發光二極體

6‧‧‧控制單元

61‧‧‧手部特徵資料庫

611‧‧‧第一手勢特徵資料

612‧‧‧第二手勢特徵資料

613‧‧‧第三手勢特徵資料

614‧‧‧第四手勢特徵資料

62‧‧‧動作指令資料庫

621‧‧‧跟隨動作指令

622‧‧‧第一吋動指令

623‧‧‧第二吋動指令

624‧‧‧第三吋動指令

7‧‧‧末端效應器

9‧‧‧使用者

D1‧‧‧最小量測距離

D2‧‧‧最大量測距離

L‧‧‧軸線

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

Z‧‧‧第三方向

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明非接觸式的手勢教導機器人的一實施例的一立體組合圖； 圖2是該實施例的一系統方塊圖； 圖3是該實施例的一使用示意圖； 圖4是該實施例於另一視角的一局部立體分解圖； 圖5是該實施例的一感測單元及一光源顯示單元的一立體圖； 圖6是該實施例的另一使用示意圖； 圖7是該實施例的一手部特徵資料庫內所儲存的一手部動作的影像資料； 圖8是該實施例的該手部特徵資料庫內所儲存的另一手部動作的影像資料； 圖9是該實施例的該手部特徵資料庫內所儲存的另一手部動作的影像資料； 圖10是該實施例的該手部特徵資料庫內所儲存的另一手部動作的影像資料；及 圖11是該實施例的該手部特徵資料庫內所儲存的另一手部動作的影像資料。

Claims (9)

1. 一種非接觸式的手勢教導機器人，用來感測一使用者的手部動作，該非接觸式的手勢教導機器人包含： 一基座單元； 一移動單元，包括一設置於該基座單元的驅動模組，及一連接並受該驅動模組連動而可沿相互垂直的一第一方向、一第二方向及一第三方向移動的法蘭； 一感測單元，設置於該法蘭並以非接觸的方式朝向一感測區感測該使用者的手部，該感測區是沿一平行該第三方向的軸線與該感測單元間隔一最小量測距離；及 一控制單元，電連接該驅動模組及該感測單元，且內建一手部特徵資料庫，及一對應該手部特徵資料庫的動作指令資料庫，並於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該手部特徵資料庫內的資料時，驅使該驅動模組執行該動作指令資料庫中相對應該手部動作的動作指令。
2. 如請求項1所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該手部特徵資料庫包括一第一手勢特徵資料，該動作指令資料庫包括一驅使該驅動模組連動使該法蘭跟隨該使用者的手而移動的跟隨動作指令，該控制單元於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該第一手勢特徵資料時，驅使該驅動模組執行該跟隨動作指令，以使該法蘭跟隨該使用者的手而移動。
3. 如請求項1所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該手部特徵資料庫包括一第二手勢特徵資料、一第三手勢特徵資料，及一第四手勢特徵資料，該動作指令資料庫包括一驅使該驅動模組連動使該法蘭沿該第一方向微吋動的第一吋動指令、一驅使該驅動模組連動使該法蘭沿該第二方向微吋動的第二吋動指令，及一驅使該驅動模組連動使該法蘭沿該第三方向微吋動的第三吋動指令，該控制單元於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該第二手勢特徵資料時，驅使該驅動模組執行該第一吋動指令，以使該法蘭沿該第一方向移動一第一吋動距離，該控制單元於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該第三手勢特徵資料時，驅使該驅動模組執行該第二吋動指令，以使該法蘭沿該第二方向移動一第二吋動距離，該控制單元於該感測單元感測到該使用者的手部位於該感測區且手部動作符合該第四手勢特徵資料時，驅使該驅動模組執行該第三吋動指令，以使該法蘭沿該第三方向移動一第三吋動距離。
4. 如請求項3所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該第一吋動距離是可調整地介於1~10毫米之間，該第二吋動距離是可調整地介於1~10毫米之間，該第三吋動距離是可調整地介於1~10毫米之間。
5. 如請求項1所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該感測區是介於該最小量測距離及一沿該軸線與該感測單元間隔的最大量測距離之間，該最小量測距離為10公分，該最大量測距離為20公分。
6. 如請求項1所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該感測單元包括一用來感測該使用者的手部是否位於該感測區的紅外線感測模組，及一用來朝該感測區拍攝影像的攝影模組。
7. 如請求項6所述的非接觸式的手勢教導機器人，該非接觸式的手勢教導機器人還包含一電連接該控制單元並可依該非接觸式的手勢教導機器人的不同狀態而顯示不同顏色的光的光源顯示單元，及一可受該控制單元的控制而作動的末端效應器，該感測單元還包括一供該光源顯示單元及該末端效應器設置的轉接板，及一設置於該轉接板並供該紅外線感測模組及該攝影模組設置的托架，該轉接板具有一設置於該法蘭的裝設面，及一相反該裝設面的工作面。
8. 如請求項7所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該轉接板的該工作面與該第三方向垂直。
9. 如請求項7所述的非接觸式的手勢教導機器人，其中，該轉接板還包括一連接該裝設面及該工作面的圍繞面，該光源顯示單元具有複數設置於該圍繞面的發光二極體。