TW202138139A - 多角度末端效應器 - Google Patents

Abstract

本揭露的實施例係關於機器人系統及方法。該機器人可包括一末端效應器、該機器人的一工具凸緣、及一關節。該末端效應器可包括經建構以接觸一工件的一接觸部件。該關節可定位在該工具凸緣與該末端效應器之間，並連接至該工具凸緣與該末端效應器。該關節可包括在該工具凸緣與該末端效應器之間的一可變角度。

Description

多角度末端效應器

本發明大致關於機器人，且更具體關於機器人末端效應器。 ［相關申請案］

本申請案主張於2019年11月26日申請之美國臨時專利申請案第62/940,420號之優先權，其全文內容以引用方式併入本文中。

分配任務給機器人係困難的，且此困難係由以不自然、過度約束方式分配任務給機器人所惡化。自然分配任務係在沒有過度或低度約束的情況下輕易地指定機器人任務的綜合方法。

例如，體操運動員不會將手在槓上的放置的確切位置模型化，而係將該等槓模型化為在放置上具有一個自由度。類似地，像是焊接及塗漆的任務在電極或噴嘴如何圍繞其主軸旋轉上具有額外的自由度，且分配任務給機器人的操作者藉由使用此等自然約束工作而獲益。類似地，待由工業機器人抓握的工件可具有允許以多種方式抓握的對稱性。自然分配任務係以機器人之最小及最少限制的方式將約束指定於其上。

在工業機器人中，機器人動作幾乎始終係人類設計的且係重複的。此亦允許用於末端效應器的單一最佳化動作以及單一最佳化設計。在機器人動作在每個循環上不同的應用中，諸如在三維箱揀取中，針對循環的一個部分最佳化的末端效應器設計對該循環的其他部分拙劣地執行，使得任務不切實際或不經濟。

在本揭露的一或多個實施例中，提供一種機器人。該機器人可包括一末端效應器、該機器人的一工具凸緣、及一關節。該末端效應器可包括經建構以接觸一工件的一接觸部件。該關節可定位在該工具凸緣與該末端效應器之間，並連接至該工具凸緣與該末端效應器。該關節可經建構以在該工具凸緣與該末端效應器之間建立一可變角度。

可包括下列特徵的一或多者。該可變角度在至少二個固定角度之間可係可控制的。該可變角度可藉由一氣動圓柱體控制。該可變角度可控制在多個角度之間。該可變角度可控制在180度的動作範圍內。該可變角度可藉由一馬達控制。該末端效應器可係一機械末端效應器或吸力末端效應器。該接觸部件可針對至少一些該等可變角度延伸超出該機器人的一部分。該接觸部件可包括經建構以將該末端效應器附接至該工件的一吸力杯、一握爪手指、及一磁鐵中之至少一者。該機器人可包括一路徑，其中該路徑可至少基於該工件的一姿勢並基於該末端效應器自動地計算。該路徑可經計算以至少避免碰撞，並經計算以至少允許該末端效應器接觸該工件的一揀取表面。該路徑可基於該可變角度的一範圍計算。可計算該路徑及該可變角度的一角度以使能夠在三維體積中被揀取之工件的數目最大化。該路徑可基於該工件的一揀取姿勢計算並基於該工件的該放置姿勢來計算。該揀取姿勢可對應於該可變角度的一第一角度。該放置姿勢可對應於該可變角度的一第二角度。

在本揭露的另一實施例中，提供一種揀取以一可變姿勢呈現的一或多個工件的方法。該方法可包括識別在一第一地點的至少一個工件，並將該機器人的一末端效應器定位在該至少一個工件附近。該末端效應器可包括經建構以接觸該至少一個工件的一接觸部件。該方法可包括調整定位在該機器人的一工具凸緣與該末端效應器之間並連接至該機器人的該工具凸緣與該末端效應器的一關節。該關節可經建構以在該工具凸緣與該末端效應器之間建立一可變角度。該方法可包括控制該機器人以將該至少一個工件保持在該末端效應器中，並控制該機器人以將保持在該末端效應器中的該至少一個工件移動至一第二地點。該方法可包括經由該機器人及該末端效應器將採一已知姿勢的該至少一個工件放置在該第二地點處。

可包括下列特徵的一或多者。控制該機器人及該末端效應器可包括自動地計算在該第一地點與該第二地點之間的一路徑。計算在該第一地點與該第二地點之間的該路徑可至少部分基於該可變角度。該可變角度在至少二個固定角度之間可係可控制的。該方法亦可包括將該可變角度設定成一第一角度，並在該至少一個工件保持在該末端效應器中時，將該可變角度調整成一第二角度。設定及調整該可變角度可經由一氣動圓柱體發生。該可變角度可使用多個角度控制。該可變角度可控制在180度的動作範圍內。該可變角度可經由一馬達控制。該接觸部件可針對至少一些該等可變角度延伸超出該機器人的一部分。該接觸部件可包括經建構以將該末端效應器附接至該至少一個工件的一吸力杯、一握爪手指、及一磁鐵中之至少一者。自動地計算該路徑可至少基於該至少一個工件的一姿勢，並基於該末端效應器。自動地計算該路徑可至少基於避免碰撞，並至少基於該末端效應器接觸該工件的一揀取表面。自動地計算該路徑可使能夠在三維體積中被揀取之工件的該數目最大化。自動地計算該路徑可至少基於該工件的一揀取姿勢，並可至少基於該工件的該放置姿勢。該揀取姿勢可對應於該可變角度的一第一角度，該放置姿勢對應於該可變角度的一第二角度。該末端效應器的該放置範圍可藉由改變該可變角度而改變。

在附圖與下文描述中提出一或多個實作的細節。其他特徵及優點將由描述、圖式、及申請專利範圍而變得明顯。

本申請案的實施例可包括來自美國專利第6,757,587號、美國專利第7,680,300號、美國專利第8,301,421號、美國專利第8,408,918號、美國專利第8,428,781號、美國專利第9,357,708號、美國公開案第2015/0199458號、美國公開案第2016/0321381號、美國公開案第2018/0060459號、美國專利申請案第16/025,544197號（2018年7月2日申請；發明名稱：用於一或多個機器人之自然任務分配的系統及方法）、及美國專利申請案第16/453,197號（2019年6月26日申請；發明名稱：用於機器人箱揀取的系統及方法）的概念，各者的全部內容以引用其等全文之方式併入本文中。

直至最近，稱為3D箱揀取(bin picking)者的技術僅使待揀取之工件的定位自動化。找出繪製至工件及從工件至放置目標之機器人路徑的通用演算法的任務已交給程式設計師。鑑於箱可能含有數打至數百個工件，各工件在不同地點並採不同姿勢且該等姿勢在各不同箱中改變，沒有實際的方式預指定各路徑。允許工件以不同方式接觸或接觸在不同的工件表面上增加靈活性，並增加找出有效揀取/放置組合的可能性，但進一步倍增變化的數目。結果，箱揀取係仍產生不良結果的密集程式化工作。

可將用語「路徑(path)」視為係經過其以接近箱中的工件、拾取工件、將工件運輸至放置目標、放置工件、及使機器人返回至中性位置的一系列機器人姿勢。

藉由允許計算無數可行路徑所產生的問題係使箱揀取系統不受約束至足以使發現路徑變得可行且簡單係較佳的。在該情形中，因為程式設計師可觀察到機器人操作並調整系統，無需計算用於手動建立路徑的無數可行路徑。自動化路徑計算系統需要預先移除約束。在理想情形中，末端效應器可經設計以允許揀取在箱中任何地方採任何姿勢的任何工件；末端效應器亦可經設計以將工件以特定姿勢放置在放置目標，與該工件如何拾取無關；且箱、機器人、及放置目標可相對於彼此放置，使得在揀取及放置二者期間可能有最大數目的機器人姿勢。

現在參照圖1，提供機器人系統100的實施例。系統100可包括複數個組件，其等之部分可針對特定應用及/或任務設計。系統的第一組件可包括用於將新程序添加至資料庫104的軟體系統102。一旦建置，資料庫104可由操作者在視場或遠端地重複使用。如圖1所示，操作者可使用圖形使用者介面106從資料庫104選擇元件以供控制軟體108執行。用於特定應用及/或任務（例如，焊接、機器人組裝等）的程序可離線地由專家添加至資料庫104。此資料庫104可線上地與圖形使用者介面106及分配任務軟體一起使用以開發用於各任務的各程序。軟體模組可包括，但不限於，訓練、分配任務、及特定任務的效能等。其所有均可用以控制機器人硬體110的操作方式。機器人硬體110可回應於從控制軟體108接收的控制，然而，應注意機器人硬體自身可受限於其自有的最大自由度數目，如下文進一步詳細討論者。

在機器人系統中，片語「自由度(degrees of freedom)」可指機械裝置或系統可依其移動的特定經定義模式。自由度的數目可等於動作的獨立位移或態樣的總數目。例如，六個自由度（「6DOF」）情境可指剛性本體在三維空間中的移動自由。具體而言，該本體可自由地將位置改變為在三個垂直軸上的前/後（縱移）、上/下（起伏）、左/右（橫移）平移，結合通過圍繞三個垂直軸的旋轉在定向上的改變（常稱為偏擺（法向軸）、俯仰（橫軸）、及翻滾（縱軸））。相反地，將點放置在空間中可對應三個自由度、指定不同鏈接上的二個點之間的距離係一個自由度等。

在一些實施例中，如本文所用之片語「機器人系統(robotic system)」可包括一個、二個、及/或任何數目之機器人的系統。以此方式，整體機器人系統DOF可指個別機器人之各者上之DOF的總和。此可包括各單軸關節的一個DOF、及自由移動基座的六個DOF。例如，對於包括二個機器人的機器人系統，一個機器人具有6DOF且另一者具有5DOF，可用的整體機器人系統自由度可係11DOF。

本文所包括的實施例可經建構以探索一或多個機器人的額外自由度數目以自然地執行機器人任務。在此實例中，整體機器人系統可包括與其關聯的最大自由度數目（「N」），且亦可包括自其減去的最小DOF數目（「M」）。

例如，且現在參照圖2，提供來自圖形使用者介面200的3D演現，該圖形使用者介面描繪與具有六個自由度（完整3D旋轉與定向）的焊接工具對比之具有五個自由度的焊接工具。二者之間的差異係五個自由度可藉由放寬圍繞一個軸的旋轉而發現。此特定模型經調諧以最佳化掃描及焊接程序。此涉及組態掃描器工具周圍的包圍體，以及使系統與基座主框對準，以使工具路徑及點雲出現在正確位置上。工具偏移亦基於工具路徑如何從點雲建立而組態。路徑係沿著焊縫的底部產生，所以組態與尖端的偏移所以無碰撞。如圖2所示，臂可使用不同約束組約束，其中各約束組使用不同的工具偏移，一組用於掃描工件而一組用於焊接。如本文所用的用語「工件(workpiece)」可指待由機器人移動的物體。用於掃描的自由度組使用六個自由度框，且焊接組使用允許焊炬的尖端圍繞該尖端自由地旋轉的五個自由度框。此允許首先掃描工件，然後放寬焊接路徑的自由度，其在給定機器人之工作空間的包封時更難由機器人達成。

在一些實施例中，且現在參照圖3，提供描繪具有與機器人自然任務分配程序一致的一些操作的流程圖的實施例。自然任務分配程序300可包括定義302機器人、末端效應器、工件、及機器人環境。程序300可進一步包括基於任務、末端效應器幾何、工件幾何等定義304一或多個約束。程序300亦可包括使用約束定義306一或多個任務動作。程序300可經建構以通過幾何分析（例如，末端效應器幾何）自然地定義最小約束數目，諸如藉由發現相對於任務的對稱軸。以此方式，約束的自然性以及利用機器人動作中的額外自由度的能力允許對機器人的自然控制。自然控制可至少部分基於自然約束以及該等約束之自然最佳化二者，如將於下文進一步詳細討論者。在操作中，一旦自然地將任務最佳化，其可使用如下文討論之基於賈可比矩陣(Jacobian)的速度控制方法執行308。

在一些實施例中，且現在參照圖4，提供與本揭露之機器人系統的實施例一致的方塊圖400。系統中之機器人手臂之末端效應器的控制（例如，使用Energid’s Actin®軟體）可使用多個組件達成。此等組件可包括，但不限於，外部位置控制器402及內部速度控制器404。此經組合控制系統400允許程式藉由指定所欲放置而使末端效應器在整個任務空間中「飛」，且可自動地計算關節速度及位置。此解放操作者以使其專注在任務而非機器人的低階控制上。

在一些實施例中，核心速度架構可基於機器臂賈可比矩陣方程式：

(1)

此處，V 係末端效應器之動作的m -長度向量表示（通常係參考至嚴格地附接至機器臂之部件之點的線速度及角速度的某種組合）；q 係關節位置的n -長度向量（其中

係其之時間導數）；且J 係m ×n 機器臂賈可比矩陣，q 的函數。（對於具有單一末端效應器的空間臂，V 通常係具有三個線性分量及三個角分量的框速度。如本文中所使用，其採用包括點、框、或多個末端效應器的其他動作之并列的較大意義。）賈可比矩陣

係使()對

的所有可能值為真的矩陣。應注意V 可代表多個末端效應器之值的并列，實現機器臂上的多個點的協調動作。

速度控制問題如下：給定所欲末端效應器動作 V ，最佳地達到此動作的關節速率

為何?為回答此，該架構部分基於以下方法，其使用純量α、矩陣函數 W(q) 、及純量函數 f(q) 以在通過下式給定 V 時，對

求解：

(2) 其中▽ f 係f 的梯度且

係跨越J 之零空間的n × (n ×m )向量組。亦即，

，且

具有秩(n ×m )。▽ f 及NJ 二者通常係q 的函數。藉由改變α、W 、及f 的值，可實施許多新且最完善的速度控制技術。

然而，本揭露的實施例超出上式以建立更一般化的架構。使用一般行向量F (q )而非堅持使用函數的梯度。非所有向量函數均係梯度。此次要但重要的修改產生下式：

(3)

此在將下式最小化時達成所欲的V：

(4)

參數α、 W 、及 F 可使用XML定義，以給出許多不同類型的速度控制。

在一些實施例中，位置控制系統402可建立在速度控制系統404上，以將強健的位置控制給予末端效應器。可將位置控制模組供應為對位置控制系統402的介面，以實現新的位置控制演算法的添加。位置控制系統402可藉由建立在速度控制系統404上而提供末端效應器的基本位置控制。從速度控制系統404給定關節速度，位置控制系統402可使用尤拉(Euler)積分計算關節位置。一旦計算出關節位置，即得知末端效應器位置。當控制系統在時間上順向迭代時，其可檢查關節極限超出度及碰撞。若偵測到奇異點，亦可將關節速率命令零化。

在一些實施例中，上文討論的控制方法可至少部分地用以允許控制器將整體機器人系統DOF（例如，系統的可用DOF，「N」）相關於單獨基於工件約束識別的所需最小自由度數目（「M」）。換言之，本文描述的機器人系統及方法可僅需要工件資料以執行自然機器人任務。在一些情形中，DOF亦可基於其他因子，包括，但不限於，其他因子或約束，然而此資訊可能非必要。本文提供之機器人系統及方法的實施例係可用的，以提供機器人系統的較佳控制及/或增加的效能、機器人任務的更可行及/或經最佳化解決方案等。

片語「最大自由度數目(maximum number of degrees of freedom)」可指機械裝置、（多個）機器人、及/或系統可依其移動之特定經定義模式的最大數目。片語「最小自由度數目(minimum number of degrees of freedom)」可指機械裝置、（多個）機器人、及/或系統依其移動以自然地執行位務之特定經定義模式的最小數目。片語「自然機器人任務(natural robot task)」可指可使用減少及/或簡化的動作量執行的任務。在一些情形中，指定自然機器人任務可與指定可能需要使用者在機器人系統的座標/框中指定之任務的數學密集方式成對比。自然機器人任務可使用一或多個機器人或末端效應器指定/展示給機器人系統，且最小自由度數目可至少部分基於自然機器人任務判定。最小自由度數目可通過末端效應器、機器人、及/或工件幾何的分析來判定。其可使用展示（教導以學習機器人技術）、使用GUI等指定。

在一些實施例中，任務之自然性可指在1)已命令的機器人任務與2)實際所欲完成之事物之間的對準度。提供一些實例如下： 所欲任務(1)：將杯置於桌上。 不自然：從隅角將具有指向右側之把手的杯放置在x=30、y=50 cm處。 自然：以把手指向任何方向的狀態將杯放置在桌之邊界內的任何位置。 所欲任務(2)：使機器人上的攝影機指向空間中的3D點x=1、y=2、z=2。 不自然：將攝影機放置在x=0、y=.2、z=.3處，並使其指向x=1、y=2、z=2。 不自然：以影像中的上方與真實世界中的上方對準的狀態從任何位置使攝影機指向{1,2,2}處。 自然：在相機位置上沒有約束的狀態下，以任何定向使攝影機指向{1,2,2}處。 所欲任務(3)：使用1 m遠的噴嘴對工件噴漆，並直接指向工件的中心處。 不自然：使用指向工件處且特別圍繞其軸定向的噴嘴自1 m遠處噴灑。 自然：使用除了將其指向工件外，無特別定向的噴嘴自1 m遠處噴灑。

應注意雖然此等不自然約束在其等如何過度約束機器人動作上似乎很奇怪，其等係實際上此等種類的任務一般係執行的方式。本文所包括之機器人系統的實施例允許使用及解決自然表示。

在一些實施例中，片語「自然工件約束(natural workpiece constraint)」可相關於幾何特徵、及/或與特定工件關聯的任何其他態樣。片語「自然環境約束(natural environmental constraint)」可相關於幾何特徵、障礙、及/或與可與自然機器人任務關聯之環境關聯的任何其他態樣。

在一些實施例中，工件約束、環境約束、及機器臂約束可在此方法中形成連續體，且可組合多個自然約束以定義全面的任務分配移動。此等的一些可包括，但不限於，方向性約束、定向約束、指派至曲線或表面、距離約束、關節位置、關節位置的線性及非線性函數組合、質量中心、及線動量及角動量。此等約束可隨機器人組態而變動。末端效應器偏移、靜態工件或障礙、及動態工件或障礙可用以定義及組態約束。在一些實施例中，最小自由度數目的識別可基於工件約束幾何及/或其特徵，其等的一些可包括，但不限於，孔、形狀、大小等。

在一些實施例中，一或多個約束可由使用者使用視覺編輯器組合及/或指定，以建立隨時間變化的複合約束組合，以最佳地達成現實世界的任務。應注意一些或全部的此等約束可在機器人任務的執行或操作期間甚至逐步地改變，並可與諸如碰撞及關節限制避免的最佳化組合。以此方式，約束的數目及類型可動態地即時更新。例如，在一些實施例中，一些或所有的約束可使用掃描器自動判定及/或識別，該掃描器可經建構以掃描機器人環境以識別、允許必要處理、及後續判定。可使用各種感測器及裝置以獲得此資料，其等的一些可包括，但不限於，來自光學雷達、立體攝影機、彩色攝影機、多光譜攝影機的資料。額外及/或替代地，一些或所有的約束可透過通訊通道（例如，無線電、雷射、或網路通訊等）遠端地更新。約束係使用2D圖形使用者介面或3D介面（例如，擴增實境等）設定。約束可係「小於或等於」而非恰「等於」變化的。因此，本文所包括的機器人系統可允許使用者，例如，將點約束在地板上方而非恰於其上。

因此，本文描述之機器人系統的實施例可包括具有最大自由度數目「N」的一或多個機器人。在一些實施例中，該系統可允許使用者藉由僅指示什麼需要完成（諸如將釘插入孔中（在約束中使用五個自由度）、使焊接工具的尖端跟隨線（在約束中使用三個自由度）、或使攝影機指向空間中的位置處（在約束中使用二個自由度））等而自然地指定（例如，藉由實例教導機器人系統、使用一或多個感測器執行機器人「觀看」及學習、使用諸如教導器的GUI執行展示等）任務。自然地指定任務可包括使用展示指定任務，例如，教導或學習機器人如何執行任務。額外及/或替代地，使用者可不指定機器人系統可如何執行任務，且該系統可自動地或使用最小輸入判定如何執行任務。

在一些實施例中，在M＜=N時，本文描述的機器人系統可經建構以判定執行自然機器人任務可能需要的最小自由度數目「M」。該機器人系統可經建構以經由探索額外(N-M)個額外自由度以判定依其執行任務的最自然或最有效率的方式。此可涉及使用額外自由度將次要準則最佳化。例如，控制器（例如，Actin）可幫助實現利用如上文討論的額外自由度(N-M)。額外的自由度數目可用以判定執行任務的更方便、更快速、更有能源效率、及/或更可行的「方式」。執行的方式或方法可至少部分基於無碰撞路徑的判定、機器人的協調（若多於一個）等。在一些實施例中，執行或實行自然機器人任務可至少部分地使用各種軟體方法（例如，使用Energid的Actin®軟體）而利用。判定自然地執行任務的方式或方法亦可包括使用可經建構以執行模擬的一或多個模擬器。此一模擬的結果可用以判定如何執行任務。

在一些實施例中，探索額外自由度(N-M)可包括完全放寬一些DOF（例如，「Z」維度）。額外及/或替代地，本文所包括的實施例可經建構以部分地放寬DOF，例如，允許Z在+- 15度內自由地旋轉。如本文中所使用的，片語「自由旋轉(free spin)」可指允許機器人動作在至少一個軸（例如，末端效應器軸等）上不受約束。相同概念可施用至任何DOF以在指定自然任務時提供彈性。因此，此可允許機器人系統以更有效率的方式找出解決方案。

在一些實施例中，本文描述的機器人系統可經建構以指定一或多個機器人姿勢。通常，機器人可程式化成一系列的姿勢，亦即，機器人之關節及剛性元件的特定定向。機器人接著可在機器人控制器的命令下循環通過該等姿勢以完成某種任務。例如，使用其末端效應器拾取工件並將其運輸至新位置、使漆料噴灑器移動通過一系列位置等。

在一些情形中，至機器人的感測輸入可限於錯誤信號、暫停信號、或速度信號。此等信號僅使機器人停止、暫停、或減緩通過其系列姿勢的動作，但不影響姿勢自身。在更進階的情形中，至機器人的感測輸入可用以影響姿勢自身。例如，2D攝影機可用以識別工件在已知位置之平坦表面上的位置。由此，可計算拾取工件的機器人姿勢。通常，針對任何給定的感測輸入可僅計算單一的機器人姿勢。此將計算時間最小化，但不將機器人達成姿勢的最有效率路徑列入考慮，無論拾取工件的機器人姿勢亦再度為機器人產生將工件放下的正確路徑或此等點之間的最有效率的路徑。

允許基於多個可能的機器人姿勢的機器人姿勢計算及動作控制對更有效率的動作及更可實現之姿勢組合的發現係所欲的。不幸地，指定可能的機器人姿勢需要瞭解機器人動力學，並將其等施用至機器人揀取及放置任務中的每一個特定情形。指定此等變數迄今對不熟練使用者仍係不實際或不可能的。因此，下文包括的實施例可簡單地藉由描述工件、末端效應器、及工件放置目標的少數特性而用以間接地指定此等變數。

在一些實施例中，且現在參照圖5，提供描繪具有與機器人程序500一致的一些操作的流程圖的實施例。程序500可包括提供(502)機器人，該機器人經建構以接收用於執行機器人任務的初始約束方法。該程序可進一步包括允許(504)使用者使用與該機器人通訊的圖形使用者介面與該機器人互動，該圖形使用者介面經建構以允許使用者與機器人互動以判定與機器人任務關聯的可允許機器人姿勢範圍，其中該可允許機器人姿勢範圍包括比初始約束方法更少的約束，且其中該可允許姿勢範圍至少部分基於與機器人任務關聯之工件或與機器人關聯之末端效應器中之至少一者關聯的一或多個對稱度。該方法亦可包括經由處理器將可允許機器人姿勢範圍傳達(506)至機器人。

現在參照圖6，提供機器人系統600的實施例。在此實例中，攝影機602（例如，2D、3D等）可用以識別工件在已知位置之平坦表面上的位置。在一些實施例中，視覺軟體604可用以計算工件在3D空間中的座標並將其傳遞至機器人控制器606。控制器606接著可計算設想實現機器人的末端效應器610拾取工件之機器人608的姿勢。具有與其關聯之圖形使用者介面的教導器612可將控制機器人系統600的能力提供給使用者，如下文進一步詳細討論者。

在操作中，使用者可對機器人系統展示如何執行特定任務。此展示可使用任何合適方法接收，包括，但不限於，經由圖形使用者介面、該使用者實體地引導機器人、使用模擬、使用預產生的程式、使用即時產生的程式等。展示可提供顯示機器人系統如何確切地執行特定任務的初始約束方法。在先前的系統中，一旦初始約束方法已經學習/輸入，系統可使用相同的揀取姿勢、放置姿勢、路徑等以執行任務。

在一些實施例中，本文描述的機器人程序可藉由判定可減少來自初始約束方法之約束的數目的可允許姿勢範圍而允許放寬初始約束方法。因此，機器人程序的實施例可識別及隨後允許用於揀取及/或放置工件的姿勢範圍，其等之任何者係可接受以用於完成任務。在一些實施例中，可（例如，自動地）提供及/或選擇最少約束的選項。

在一些實施例中，可允許姿勢範圍可至少部分基於工件幾何、末端效應器幾何、二幾何的組合、任一幾何的一部分、二幾何的一部分等。應注意此等幾何可使用任何合適方法接收，包括，但不限於，掃描、經由圖形使用者介面的使用者輸入、存取一或多個預定或即時產生的程式等。

在一些實施例中，可將與機器人關聯的一或多個自由度部分或完全地放寬。程序接著可判定及/或規劃機器人實施任務的合適路徑及/或姿勢。此可包括，但不限於，判定冗餘自由度、考慮環境障礙、系統效能最佳化（例如，能源效率）、特定度量最佳化等。

現在參照圖7，提供機器人系統700的實施例。在此實例中，可看到有機器人可設想以拾取工件的許多可能的機器人姿勢。因為工件可相對於法向於平坦表面的軸Z_O 旋轉對稱，將機器人的末端效應器定位成使得其Z_E 軸與工件的Z_O 軸對準的任何機器人姿勢可使機器人能夠使用末端效應器710拾取工件。在此實例中，機器人可藉由將其末端效應器710的手指定位在工件之環的內側，並使手指張開以建立工件的內部抓握來拾取工件，雖然許多其他選項亦係可用的。

現在參照圖8，提供機器人系統800的實施例。在此實例中，機器人末端效應器810具有大約45°的彎曲。末端效應器的Z_E 軸已重定義以對準手指的末端，所以在圖7中其相對於末端效應器旋轉45°。再者，在平坦表面上的工件相對於法向於該平坦表面的軸Z_O 非旋轉對稱。然而，工件的確具有圓形切口，該圓形切口具有與圖7中之工件內側相同的尺寸，適合恰如圖7中的內部抓握。應注意定位機器人的末端效應器810以便其之Z_E 軸與工件之Z_O 軸對準的任何機器人姿勢可使機器人能夠使用其末端效應器810拾取工件。圖8亦顯示工件放置目標814。工件放置目標814在放置時需要工件的特定姿勢。若機器人具有足夠的範圍，且工件放置目標814周圍的環境不受約束，機器人可能能夠將工件放置在目標中，而與機器人設想拾取該工件的姿勢無關。顯示於圖7至圖8中的實例為規劃至工件、及從工件至工件放置目標的機器人路徑提供許多選項。選項數目的增加允許計算最有效率的路徑或最可能的揀取成功度。

現在參照圖9，提供機器人系統900的實施例。此實例顯示與圖8相同的條件，但在工件放置目標周圍具有障礙。在此實例中，僅將末端效應器910定位在180°弧內的機器人姿勢可允許將工件放置在目標中。為使該機器人能夠始終將工件放置在目標中，應將拾取工件時的機器人姿勢限制成相同的180°弧。仍有多個用於計算機器人姿勢及其等之間的路徑的選項，但選項的數目係更有限的。

現在參照圖10，提供機器人系統1000的實施例。此實例顯示矩形工件及矩形工件放置目標1014。在此實例中，機器人可藉由使用如圖10之左部分所示地定位或如圖10之右部分所示地相對於其Z_E 軸旋轉180°定位的末端效應器1010從外側抓握工件來拾取。此外，工件可沿著工件之長軸在多個位置上抓握，顯示於圖11中。所有此等抓握位置均允許放置在工件放置目標1014中。導因於末端效應器手指與工件之間的靜態摩擦上的限制，且導因於工件之質量中心的位置，僅有沿著長軸之所有可能抓握位置的子集將具有可接受的效能。

現在參照圖12，提供機器人系統1200的實施例。此實例顯示矩形工件、矩形工件放置目標、及真空吸力杯末端效應器1210。顯示於工件上之區域A內的吸力杯的任何接觸將導致工件的成功拾取。如圖13所示，使用定位在區域A中的任何位置的吸力杯，末端效應器1310可具有圍繞其軸Z_E 的任何旋轉。另外，若吸力杯接觸的位置係在相對於工件的Z_O 軸之法線的10°內的任何位置，吸力杯的可撓本質可提供可接受的效能。

現在參照圖14，提供機器人系統1400的實施例。此實例顯示在一端具有六角形截面且在另一端具有圓形截面之大致圓柱形的工件。工件放置目標係3顎夾機器夾頭。在此實例中，末端效應器1410係經設計用於從外側抓握工件的機器握爪。為將工件正確地放置在夾頭中，工件的六角形半部的平坦側必須與夾頭之顎夾的一者對準。因為機械握爪接觸工件的圓側，且工件的抓握特徵相對於軸Z_O 旋轉對稱，定位機器人之末端效應器以便其Z_E 軸與工件之Z_O 軸對準的任何機器人姿勢將使機器人能夠使用其末端效應器拾取工件。然而，與工件如何拾取無關，在此特定實例中，只有六個工件姿勢將導致工件正確放置在機器夾頭中，工件圍繞其Z_O 軸的每60°旋轉一個。

上文描述的實施例說明揀取及放置效能可藉由在機器人末端效應器相對於工件及工件放置目標的位置上允許更多選項而增強，但係以理解及指定此等選項內之限制的困難程序為代價。若此工件揀取係三維的（與實例不同），諸如當工件隨機地分布在箱中時，此複雜度增加。

本文描述的實施例包括基於系統之組件的一組特性合成動作限制的程序。該等特性可在使用為程式化機器人之部分的圖形使用者介面或應用程式中指定，如下文進一步詳細討論者。

如本文中所使用的，片語「揀取特徵(pick feature)」可指工件之可使用為機器人末端效應器之接觸點或配接接觸點的某個區段。「放置特徵(place feature)」可指工件或放置目標之可使用為工件與工件的放置目標之間的接觸點或配接接觸點的某個區段。片語「工件特徵(workpiece feature)」可指揀取特徵或放置特徵的其中一者或二者。如本文中所使用的，片語「座標框(coordinate frame)」通常指可對應於各機器人、工件特徵、機器人末端效應器、及工件放置目標的三個正交軸。如本文中所使用的，工件特徵、機器人末端效應器、及工件放置目標的用語「對稱性(symmetry)」可就當該特徵、機器人末端效應器、或工件放置目標圍繞其座標框的三個軸的一或多者旋轉時是否對其所意圖之揀取或放置操作具有相同效能的方面描述。當工件特徵、機器人末端效應器、或工件放置目標可圍繞其軸的一者旋轉任何角度時，對揀取或放置具有相同或實質相同的效能，其具有圍繞該軸的「連續對稱性(continuous symmetry)」。當工件特徵、機器人末端效應器、或工件放置目標可圍繞其軸的一者旋轉多於一且小於無限增量的任何整數增量時，在各增量處的揀取或放置具有相同效能，其具有圍繞該軸的「離散對稱性(discrete symmetry)」。當工件特徵、機器人末端效應器、或工件放置目標僅可圍繞其軸的一者旋轉一個完整周期（亦即，恆等操作）時，以對揀取或放置具有相同效能，其具有圍繞該軸的「不對稱性(asymmetry)」」。

因此，不受約束的機器人軸及利用工件、末端效應器、及/或放置目標上的對稱性可導致更平滑的路徑、更可能的揀取、及更佳的箱清空（例如，在工件可隨機放置在箱中的情況下）。本文所包括的實施例可設立預設約束動作。若使用者展示或程式化揀取或放置，該系統可在每一個揀取及放置中重複工件---、末端效應器、及放置目標的確切對準。所有不受約束的動作可使用圖形使用者介面顯示（例如，在進階欄標中），諸如下文所討論的彼等。因此，此可使使用者之第一程式的建立簡化，且因此與他/她對多數系統如何運作的直覺理解匹配，其適於除錯使用手動配置工件的程式。

在一些實施例中，不受約束的動作可漸進地執行。例如，使末端效應器旋轉在揀取期間不受約束具有增加的效益。此外，使工件姿勢在放置期間不受約束具有獨立的附加效益。

在一些實施例中，由於不受約束的機器人軸通常可能需要對動力學及機器人的進階理解，可能無法直接指定。替代地，本文所包括的實施例可提供輸入特徵的精靈或機構，其可向使用者詢問有關工件、末端效應器、及/或放置目標的特性。該系統可使用此資訊計算並施用動作約束。此可簡化使用者訓練並使使用者免於必須考慮，例如，影響不受約束之機器人的末端效應器特性及工件特性的組合。顯著的工件、末端效應器、及放置目標的特性係對稱性。

如上文所討論的，本揭露的實施例可允許在程序的態樣之前、期間、及/或之後分析各種類型的對稱性。在一些實施例中，使機器人軸不受約束所可能需要的唯一對稱性資訊係工件上的揀取特徵、工件上的放置特徵、末端效應器、及/或放置目標之彼等。在一些實施例中，系統可能僅需要知道關於旋轉對稱性。旋轉對稱性始終相對於一些旋轉軸。在一些實施例中，所有的旋轉對稱性可圍繞關聯框的三個軸的一者，例如，x、y、或z軸。

現在參照圖15至圖16，提供描繪工件對稱性之實例的實施例。在一些實施例中，在工件的情形中，對稱性旋轉可相對於與工件關聯的座標框（例如，嵌入在CAD檔案、網格檔案等中）。圖15顯示具有圍繞所有三個軸之連續對稱性的工件，在此實例中係球。圖16顯示具有圍繞z軸之連續對稱性的工件。

在一些實施例中，為使用於揀取及放置的機器人軸不受約束，揀取特徵及放置特徵的對稱性可彼此分開考慮並從整體工件對稱性考慮。

現在參照圖17，提供描繪具有對稱揀取特徵之非對稱工件的實施例。應注意到工件的揀取或放置特徵可具有其自有、分開之與工件自身無關的對稱性。例如，圖17所示之工件係非對稱的，亦即，其沒有圍繞軸之任何者的旋轉對稱性。此外，對於此特定工件，工件對任何框中的軸均非旋轉對稱。在此實例中，工件具有在左側上顯示為內部抓握的一個可能揀取特徵。即使工件係非對稱的，此揀取特徵具有圍繞(z)軸的旋轉對稱性。

現在參照圖18，提供描繪具有對稱放置特徵之非對稱工件的實施例。圖18中的工件係非對稱的，亦即，其沒有圍繞任何可能軸的旋轉對稱性。在此實例中，其具有一個非對稱揀取特徵，亦即，沿著把手之漸縮側的外側抓握。然而，應注意此實例的確包括對稱放置特徵，亦即，將圓柱形轉軸放置在夾頭中。放置特徵具有圍繞(z)軸的旋轉對稱性。

現在參照圖19，提供描繪具有對稱放置特徵之放置目標的實施例。放置目標可具有其自有對稱性。例如，夾頭可具有圍繞其旋轉軸的旋轉對稱性。或夾具可具有圍繞法向於其表面之軸的對稱性。為利用此對稱性，本文所包括的實施例可經建構以放置目標建立座標框。一些選項可包括，但不限於，給定放置目標其自有的座標框（例如，定義放置目標的特徵、處理放置目標（類似具有其自有之基於CAD座標框的末端效應器等））、當教導放置時使用工件姿勢的座標框等。例如，假設使用者在教導放置時正確地對準工件及目標，二個座標框各自在放置點可係相同的。在一些實施例中，應注意可有多於一個與特定機器人任務或系列任務關聯的放置目標。

現在參照圖20至圖22，提供描繪非對稱實例的實施例。在一些實施例中，非對稱性可係程式化預設。當有非對稱性時，沒有二個揀取或放置特徵係相同的，且沒有二個末端效應器（在固持工件時）係相同的。圖20顯示非對稱放置目標，圖21顯示非對稱末端效應器，且圖22顯示具有非對稱工件特徵的非對稱工件。應注意到圖22中的工件具有一些可能的對稱揀取及放置特徵，例如，圓形螺釘孔及圓柱形釘展現對稱性。若此等未使用為揀取或放置特徵，工件揀取及放置可視為不對稱的。將對稱工件視為係非對稱的可亦係可能的。在一些實施例中，此可係程式化預設。在此情形中，系統可選擇對稱工件可具有之無限姿勢的一者，且控制軟體可嘗試判定至允許該姿勢之揀取特徵的路徑，即使有其他相同的揀取特徵可用。此可限制揀取及路徑規劃效能。在一些實施例中，可將具有圍繞關聯框之x、y、或z軸以外之軸的對稱性的工件視為係非對稱的。此可指示需要合適地指派該框以實現對稱性。圖23顯示不具有圍繞x、y、或z軸的對稱性之揀取或放置特徵且因此係不對稱之工件的實例。為清楚起見，應注意到顯示於圖23中的軸均未沿著工件的最長尺寸穿過工件之任何截面的中心。

現在參照圖24至圖25，提供描繪連續對稱性實例的實施例。如上文所討論的，連續對稱性可指示揀取或放置特徵可圍繞其x、y、或z軸旋轉在360°範圍上的任何增量而在其外觀上沒有變化。應注意此可係揀取或放置特徵而非工件或夾具作為整體的情形。圖24顯示在各端具有二個可能揀取特徵的非對稱工件，其各者可圍繞穿過各揀取特徵之中心的(x)軸連續地對稱。對於末端效應器，此可指示末端效應器可圍繞軸在360°之範圍上的任何增量旋轉而在其揀取或放置工件的能力上沒有變化。在一些實施例中，慣例係將此指派為末端效應器的z軸，然而，亦可使用x或y軸。圖25顯示具有圍繞垂直於接觸點之中心之軸的連續對稱性的末端效應器。

現在參照圖26至圖29，提供描繪離散對稱性實例的實施例。離散對稱性指示揀取或放置特徵或末端效應器可圍繞其x、y、或z軸以至少二個離散增量旋轉360°，而在用於揀取或放置工件之目的的特徵功能上沒有變化。應注意此實例係說明揀取或放置特徵而非工件或夾具作為整體。例如，在圖26中，經教導為外側抓握的揀取可具有離散對稱性，而經教導為內側抓握的揀取可具有連續對稱性。在一些實施例中，可將增量指定為增量的數目、指定為度、或使用任何合適的方法。例如，亦可將具有三個離散對稱性增量的揀取特徵描述為具有360° / 3 = 120°的離散對稱性。圖27顯示具有180°離散對稱性的實例末端效應器。圖28顯示具有120°離散對稱性的實例末端效應器。圖29顯示具有120°離散對稱性的放置目標（CNC夾頭）。圖30顯示具有180°離散對稱性的放置目標（CNC虎鉗）。

現在參照圖31，提供描繪圍繞x、y、及z軸之工件對稱性的實施例。為對準具有離散對稱性的末端效應器、工件、及放置目標，可能需要判定離散對稱性的起始點或零角度。例如，若放置目標的座標框可從經教導工件姿勢推斷，零角度可從工件及放置目標的相對位置推斷。替代地，若將座標框明確地指派至放置目標，使用者可能需要將其他二軸的一者指定為零角度。在一些實施例中，系統可允許圍繞多於一個軸的對稱性定義。圖31顯示具有六個可能揀取特徵的工件。亦即，具有圍繞z軸之連續對稱性的二個內部抓握、具有圍繞y軸之連續對稱性的二個內部抓握、及具有圍繞x軸之90°離散對稱性的二個外部吸力揀取（工件的二側）。在圍繞x軸之離散對稱性的情形中，系統可能需要指定哪個軸設定圍繞x軸之揀取對稱性的零角度。在此特定實例中，其可係y或z軸的其中一者。

現在參照圖32，提供顯示具有非正交軸之實例的實施例。一些工件具有可圍繞多個軸對稱的揀取及放置特徵，然而該等軸不彼此正交。例如，圖32中的工件包括第一內部抓握（在頂部上的連續對稱揀取特徵）、及第二內部抓握（在底部（不可見）上的連續對稱放置特徵）。其亦具有相對於第三軸的第三揀取特徵及相對於第四軸的第四揀取特徵。因為系統通常僅可允許指定圍繞工件框中之x、y、或z軸的對稱性，可將第三及第四揀取特徵視為不對稱。系統仍可允許使用者將揀取特徵指定在此點，但由於沒有圍繞x、y、或z軸的一者的對稱性，其等僅可具有一個可能的末端效應器位置。由於非正交的對稱軸相當不尋常，不允許其實際上產生幾個問題。若末端效應器具有對稱性，其足以允許不受約束的揀取而不需要工件揀取特徵對稱性（見圖33）。不太可能使工件揀取特徵對稱性具有不對稱的末端效應器，但即使此發生，程式化用於未對準軸的多個揀取的變通方法仍係可能的。

在一些實施例中，系統可經建構以從對稱性資訊計算動作約束。不受約束的動作可藉由調查下列組合而輕易地計算：工件揀取特徵及末端效應器及工件放置特徵及放置目標放置特徵。由於當環境受約束時可能有進一步規則，此全部假設不受約束的環境。較佳規則係根據最低約束操作。例如，若末端效應器具有圍繞其z軸的連續對稱性，且揀取特徵係不對稱的，該系統可利用較不受約束的特徵，末端效應器圍繞其z軸的連續對稱性，並允許工件的揀取使用僅在圍繞末端效應器z軸之旋轉上變化的任何有效的末端效應器姿勢。允許末端效應器姿勢的此自由本質上允許機器人動作在末端效應器軸的一者上（此處在末端效應器z軸上）不受約束。替代地，若末端效應器具有圍繞其z軸的180°離散對稱性，且揀取特徵具有圍繞工件x軸的連續對稱性，該系統可利用較不受約束的特徵，揀取特徵圍繞工件x軸的連續對稱性，並允許工件的揀取使用僅在圍繞工件x軸的末端效應器旋轉上變化的任何有效的末端效應器姿勢。允許末端效應器姿勢的此自由可稱為工件x上的自由旋轉。若工件放置特徵具有圍繞關聯工件軸的120°離散對稱性，且放置目標放置特徵具有圍繞關聯放置目標軸的60°離散對稱性，系統可利用較不受約束的特徵（60°離散放置目標對稱性（二個角度中之較小者）），並允許使用採圍繞放置目標參考軸的60°旋轉增量的任何有效末端效應器姿勢來放置工件。允許末端效應器姿勢的此自由可稱為圍繞放置目標參考軸x的離散旋轉。在此實例中，工件座標框及放置目標座標框可能需要對準相同的零角度。一些可能的規則實例提供在圖33至圖34中。

現在參照圖35至圖40，提供其提供工件之實例的本揭露的實施例。圖35顯示由六角形毛坯製成的實例工件，z對準的放置在夾頭中。對於揀取該工件，因為工件揀取特徵比末端效應器受更少約束，使用工件z上的自由旋轉。對於放置該工件，二個離散對稱性的較小者係工件的60°，使得放置可以任何60°增量。應注意將工件零參考軸及放置目標零參考軸對準。圖36顯示相同工件，但具有未對準的末端效應器z軸及工件z軸。此類似於以上實例，然而，揀取位置可使用從側邊抓握不同地教導。對於揀取該工件，因為工件揀取特徵比末端效應器受更少約束，使用工件z上的自由旋轉。對於放置該工件，二個離散對稱性的較小者係工件的60°，使得放置可以任何60°增量。應注意將工件零參考軸及放置目標零參考軸對準。在此實例中，末端效應器的z軸與工件的z軸不再對準。因此，系統可始終明確地指定自由旋轉係圍繞工件z，且不會假設與末端效應器中心點(TCP) z對準。可能人工地對準工件及末端效應器z，但此可接著將揀取限制至一個TCP。替代地，使用者可指定並從多個TCP選擇。下文所包括的實施例提供許多GUI及顯示器，其等可經建構以減輕使用者的此負擔（及建立更複雜的UI），其可允許基於所教導的揀取計算其自有的暫時TCP。

現在參照圖37，提供顯示點對點抓握末端效應器的實施例。為揀取工件，而非重定向工件框，使用者已選擇y軸取代x作為零角度參考。因此，y軸與該等點而非六角形毛坯的平面對齊。二個離散對稱性的較小者係工件的60°，所以揀取可以任何60°增量自由地旋轉。在此實例中，末端效應器的零角度參考X軸可相對於工件揀取特徵之零角度參考Y旋轉負二個（或正四個）60°增量。對於放置工件，因為工件放置特徵比放置目標受更小的約束，放置可使用工件z上的自由旋轉。圖38顯示具有外部非對稱性之必須放置在特定非對稱位置中之工件的實例。對於揀取工件，此類似於上述實例，除了工件揀取特徵具有圍繞y軸的離散對稱性且零角度可藉由z軸設定。在此實例中，該握爪可係平面對平面的。二個離散對稱性的較小者係工件的60°，所以揀取可以任何60°增量自由地旋轉。對於放置工件，因為工件上的放置特徵（其包括把手）及放置目標二者均非對稱，工件僅有一個有效的放置姿勢。

在一些實施例中，可將所有揀取規劃及動作約束程式化為圖形使用者介面上之用於揀取、放置、及末端效應器的對話（例如，進階欄標）。在一些實施例中，使用者可選取以指定從零至所有四個對稱性的任何位置。即使在其他者仍保持預設（例如，非對稱）時，每個額外的資訊項均可改善效能。事實上，當揀取及放置對之二個半部的一者（分別係揀取特徵及末端效應器，或放置特徵及放置目標、放置特徵等）具有連續對稱性時，該對的另一半的對稱性係不相關的。

現在參照圖39，提供顯示與本揭露一致之實例圖形使用者介面3900的實施例。GUI 3900可允許產生並顯示放置規則。在操作中，在使用者選擇GUI 3900中的教導欄標時，可產生放置精靈。

現在參照圖40，提供顯示與本揭露一致之實例圖形使用者介面4000的實施例。GUI 4000可允許顯示用於工件的安裝欄標。定義工件揀取及/或放置對稱性允許較少的揀取規則及就地自由旋轉工件Z。例如，使用者可指定對各工件軸存在的對稱性類型（例如，無、連續、或N側等）。

現在參照圖41，提供顯示與本揭露一致之實例圖形使用者介面4100的實施例。GUI 4100可顯示揀取規則旋轉欄標，其可經建構以允許使用者藉由將末端效應器及工件組合在相同視圖中而將衍生自末端效應器及工件對稱性的揀取最佳化視覺化。如圖41所示，可顯示定義在安裝欄標中的任何對稱性，且若對稱性未定義，可不再強調（例如，變灰等）。在一些實施例中，使用者可針對特定放置規則覆寫任何對稱性的使用。

現在參照圖42，提供顯示與本揭露一致之實例圖形使用者介面4200的實施例。GUI 4200可經建構以顯示安裝欄標變化末端效應器。在操作中，播放選項可經建構以藉由將末端效應器或工件的旋轉動畫化而在觀看器中展示所選擇的旋轉。選擇任何欄位（觀看器本身以外）或離開頁面可使觀看器退出播放模式。在一些實施例中，下拉式選單可允許使用者選擇末端效應器對稱性的類型（例如，各位置均係獨特的、所有位置均等效，有2/3/4個等效位置等）。且在其他實施例中，當選擇顯示於圖42中的「播放」選項時，可藉由將末端效應器或工件的旋轉動畫化而在觀看器中展示所選擇的旋轉。選擇任何欄位（觀看器本身以外）或離開頁面可使觀看器退出播放模式。圖42僅顯示末端效應器對稱性的規格。應理解相似的控制組可用以指定圍繞其他軸的對稱性。

現在參照圖43，提供顯示與本揭露一致之實例圖形使用者介面4300的實施例。GUI 4300可顯示放置規則旋轉欄標，其可經建構以允許使用者將衍生自工件軸的一者上的工件對稱性的一或多個放置最佳化視覺化。

在一些實施例中，本揭露的圖形使用者介面可允許使用各種使用者可編輯選項（諸如上文描述的安裝欄標）定義工件及末端效應器對稱性。因此，無需在揀取/放置規則頁中編輯對稱性。易用性可通過對稱性在觀看器中的視覺化而達成，且在一些實施例中，觀看器顯示末端效應器旋轉。在一些實施例中，由於零參考可由揀取及放置規則隱含地定義，可能不需要明確定義旋轉對稱性的零參考軸。

在一些實施例中，且如上文所討論的，本揭露可提供用於指定用於拾取工件之目的之機器人及/或機器人末端效應器之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括圖形地顯示機器人及/或機器人末端效應器、工件、及/或工件座標框的軸。該方法亦可包括當末端效應器圍繞其座標框的一或多個軸旋轉時，向使用者查詢末端效應器對拾取工件是否具有實質等效效能。

在一些實施例中，當末端效應器圍繞其座標框的一或多個軸旋轉時，可判定末端效應器對拾取工件具有實質等效效能。在此情況下，可允許使用者將各旋轉指定成連續的或指定在數個離散步階中。在一些情形中，可將所指定的旋轉顯示為一系列影像。例如，在圖形顯示器（諸如上文描述之該等者（例如，在機器人教導器或任何其他合適的裝置上））。

在一些實施例中，本揭露可提供用於指定用於為機器人及/或機器人末端效應器所接觸之目的之工件特徵之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括圖形地顯示工件、其座標框之軸、及/或機器人或機器人末端效應器，其中機器人及/或機器人末端效應器可以用於接觸工件的姿勢顯示。該方法可進一步包括當工件圍繞其座標框中的一或多個軸旋轉時，向使用者查詢末端效應器對接觸工件是否具有實質等效效能。

在一些實施例中，當工件圍繞其座標框的一或多個軸旋轉時，機器人及/或機器人末端效應器對接觸工件可具有實質等效效能。因此，使用者可將各旋轉指定成連續的或指定在數個離散步階中。

在一些實施例中，本揭露可提供用於指定用於將工件放置在工件放置目標之目的之工件之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括圖形地顯示工件、其座標框之軸、及/或工件放置目標。在一些實施例中，工件可以用於將工件放置在工件放置目標的姿勢顯示。該方法可包括當工件圍繞其座標框中的一或多個軸旋轉時，向使用者查詢工件是否可正確地放置。

在一些實施例中，本揭露可提供用於指定用於將工件放置在工件放置目標之目的之機器人及/或機器人末端效應器之可允許姿勢範圍的方法，其中該可允許姿勢範圍係相對於工件放置目標。該方法可包括圖形地顯示機器人及/或機器人末端效應器、工件、工件座標框之軸、及/或工件放置目標。在一些實施例中，機器人及/或機器人末端效應器可以用於將工件放置在工件放置目標的姿勢顯示。該方法可包括當工件圍繞其座標框中的一或多個軸旋轉時，向使用者查詢是否可能將工件正確地放置在工件放置目標。

在一些實施例中，當工件圍繞其座標框中的一或多個軸旋轉時，工件在放置目標可具有至少一個正確放置。在此情況下，使用者可將各旋轉指定成連續的或指定在數個離散步階中。若工件圍繞其座標框中的一或多個軸旋轉，且工件在放置目標具有至少一個正確放置，使用者可將各旋轉指定成比完整旋轉更小的角度。在一些情形中，可將可能旋轉範圍顯示成一系列影像（例如，在與機器人教導器關聯的圖形顯示器）。

在一些實施例中，本揭露可提供針對以機器人末端效應器接觸工件特徵，用於計算各自相對於彼此之工件特徵及機器人及/或機器人末端效應器之最大可能姿勢範圍的方法。該方法可包括判定工件特徵的第一組可允許姿勢範圍，其中可允許姿勢之各者對以機器人及/或機器人末端效應器接觸工件特徵導致實質等效效能。該方法可包括判定機器人及/或機器人末端效應器的第二組可允許姿勢範圍，其中可允許姿勢之各者對以機器人及/或機器人末端效應器接觸工件特徵導致實質等效效能。該方法亦可包括選擇第一組或第二組的其中一者。此可基於何組允許對以機器人及/或機器人末端效應器接觸工件特徵具有實質等效效能之最大姿勢範圍而判定。

在一些實施例中，本揭露可提供針對將工件放置在工件放置目標，用於計算各自相對於彼此之工件及工件放置目標之最大姿勢範圍的方法。該方法可包括判定工件的第一組可允許姿勢範圍，其中可允許姿勢之各者可對將工件放置在工件放置目標導致實質等效效能。該方法可進一步包括判定工件放置目標的第二組可允許姿勢範圍，其中可允許姿勢之各者可對將工件放置在工件放置目標導致實質等效效能。該方法亦可包括選擇第一組或第二組的其中一者，藉由何組允許對將工件放置在工件放置目標具有實質等效效能之最大姿勢範圍而判定。

在一些實施例中，本揭露可提供用於針對接觸工件以使用機器人末端效應器運輸工件之目的指定機器人末端效應器相對於工件之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括圖形地顯示工件、機器人及/或機器人末端效應器、及/或工件座標框之軸，其中機器人末端效應器可以用於接觸工件的姿勢顯示。可允許使用者指定末端效應器沿著工件座標框之各軸平移的量值，依該量值機器人末端效應器與工件之間的接觸對接觸工件以使用機器人末端效應器運輸工件之目的具有可接受的效能。在一些情形中，可將沿著各軸指定的平移顯示成一系列影像（例如，在與機器人教導器關聯的圖形顯示器）。

在一些實施例中，本揭露可提供用於指定針對接觸工件以使用機器人末端效應器運輸工件之目的之機器人末端效應器相對於工件之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括圖形地顯示工件、機器人末端效應器、及機器人末端效應器座標框之軸，其中機器人及/或機器人末端效應器可以用於接觸工件的姿勢顯示。在一些實施例中，可允許使用者指定相對於機器人末端效應器座標框的一或多個軸，圍繞機器人末端效應器座標框之原點的末端效應器旋轉的量值，依該量值機器人末端效應器與工件之間的接觸對接觸工件以使用機器人末端效應器運輸工件之目的具有可接受的效能。在一些情形中，機器人末端效應器座標框之軸的一者可在工件的表面法向於接觸點。在一些情形中，可將相對於各軸指定的旋轉顯示成一系列影像（例如，在與機器人教導器關聯的圖形顯示器）。

在一些實施例中，本揭露可提供用於指定用於拾取工件之目的之機器人末端效應器之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括判定工件上之揀取特徵的對稱度。對稱度可係連續的、離散的、及/或非對稱的，其用於工件圍繞工件之座標框之軸之各者的旋轉。若所判定的對稱性係離散的，該方法可包括判定圍繞對應軸之離散旋轉的增量。該方法亦可包括判定機器人末端效應器的對稱度，其中對稱度可係連續的、離散的、及/或不對稱的，用於機器人末端效應器圍繞機器人末端效應器之座標框之軸之各者的旋轉。若所判定的對稱性係離散的，該方法可包括判定圍繞對應軸之離散旋轉的增量。該方法亦可包括判定工件相對於用於拾取工件之目的之機器人末端效應器的第一有效姿勢。對於當工件係在第一有效姿勢時與機器人末端效應器之座標框的軸重合之工件之座標框的軸，該方法可包括藉由根據為在工件之座標框之軸周圍的工件或為在機器人末端效應器之座標框之軸周圍的機器人末端效應器判定的對稱度允許末端效應器旋轉來判定有效機器人末端效應器姿勢範圍。

在一些實施例中，本揭露可提供用於指定用於將工件放置在放置目標之目的之工件之可允許姿勢範圍的方法。該方法可包括判定工件上之放置特徵的對稱度，其中對稱度可係連續的、離散的、或不對稱的，用於工件圍繞工件之座標框之軸的各者的旋轉，且其中若經判定對稱性係離散的，判定圍繞對應軸之離散旋轉的增量。該方法亦可包括判定放置目標的對稱度，其中對稱度可係連續的、離散的、或不對稱的，用於放置目標圍繞放置目標之座標框之軸的各者的旋轉，且其中若經判定對稱性係離散的，判定圍繞對應軸之離散旋轉的增量。該方法可進一步包括判定工件相對於用於放置工件之目的之放置目標的第一有效姿勢。對於當工件係在第一有效姿勢時可與放置目標之座標框的軸重合之工件之座標框的軸，該方法可包括藉由根據為在工件之座標框之軸周圍的工件或為在放置目標之座標框之軸周圍的放置目標判定的對稱度允許工件旋轉來判定有效工件姿勢範圍。

在一些實施例中，本揭露可提供用於拾取及放置工件的系統。該系統可包括機器人、機器人末端效應器、感測器、機器人控制器、及/或與該機器人控制器通訊之機器人教導器的一或多者。在一些實施例中，該感測器可經建構以偵測一或多個工件相對於機器人的姿勢，且該機器人控制器可經建構以選擇由該感測器偵測的工件。該機器人控制器可進一步經建構以針對拾取工件的目的而自可能的末端效應器揀取姿勢範圍中選擇。該機器人控制器可進一步經建構以針對將工件放置在工件放置目標的目的而自可能的末端效應器放置姿勢範圍中選擇。該機器人控制器可進一步經建構以提示使用者關於末端效應器之對稱性的資訊，以產生可能的末端效應器揀取姿勢範圍。可使用圖形使用者介面（例如，在機器人教導器上）提示使用者關於末端效應器之對稱性的資訊。該機器人控制器可進一步經建構以提示使用者關於工件揀取特徵之對稱性的資訊，以產生可能的末端效應器揀取姿勢範圍。可在機器人教導器上提示使用者關於末端效應器之對稱性的資訊。該機器人控制器可進一步經建構以針對將工件放置在工件放置目標的目的而自可能的末端效應器放置姿勢範圍中選擇。

在一些實施例中，該機器人控制器可進一步經建構以提示使用者關於工件放置特徵之對稱性的資訊，以產生可能的末端效應器放置姿勢範圍。可在機器人教導器上提示使用者關於末端效應器之對稱性的資訊。該機器人控制器可進一步經建構以提示使用者關於工件放置目標之對稱性的資訊，以產生可能的末端效應器放置姿勢範圍。可在機器人教導器上提示使用者關於末端效應器之對稱性的資訊。該機器人控制器可進一步經建構以計算從經選擇末端效應器揀取姿勢至經選擇末端效應器放置姿勢的路徑。經選擇末端效應器揀取姿勢與經選擇末端效應器放置姿勢之間的路徑可針對成功工件揀取及成功工件放置的最高可能性最佳化。

現在參照圖44，提供與本揭露的一實施例一致的實例工件。此工件具有可適合用於與吸力末端效應器接觸的三個表面：頂部4402、左側4404、及右側4406。底側4408可能不能夠用於揀取，因為工件係以底部在放置目標上來放置，若嘗試使用其，可能在機器人末端效應器與放置目標之間導致碰撞。管側4410可能不能夠用於箱揀取，因為可藉由接觸工件之頂部、左側、或右側而拾取該部件的末端效應器可能不適合用於接觸工件的管側。該實例工件不具有旋轉對稱性。

現在參照圖45，提供與本揭露的一實施例一致的實例末端效應器。各末端效應器可具有通過管線4504連接的吸力杯4502，該管線可允許至真空源的連接件4506。各末端效應器亦可具有至機器人工具凸緣的連接件4508。末端效應器可僅在管線4504的彎曲角度上不同。顯示0°、45°、及90°的變化。

一些實例可說明問題的本質，其中固定末端效應器設計過度地約束箱揀取系統。例如，可以底側4408向下及管側4410朝前的狀態將工件放置在放置目標。該工件可以此一方式揀取以允許此放置。

現在參照圖46，提供顯示與本揭露的一實施例一致之在箱之隅角中的工件的實例圖。圖46顯示箱4602及以二個不同定向在箱之隅角中的工件4604。

現在參照圖47，提供與本揭露的一實施例一致之使用0°末端效應器的頂部揀取及側邊揀取的實例圖。圖47顯示0°末端效應器可能不是非常適合用於揀取在箱之隅角中的工件。在二種情形中，機器人的部件可與箱壁碰撞。沒有至或自揀取位置的無碰撞路徑可係可能的，使工件無法以所示的二個工件姿勢被揀取。

現在參照圖48，提供與本揭露的一實施例一致之使用90°末端效應器的頂部揀取及側邊揀取的實例圖。圖48顯示90°末端效應器可能更適合用於揀取在箱之隅角中的工件。對於在箱之左隅角中的二個工件姿勢，可能存在機器人進入及離開該箱的路徑。然而，導因於此特定機器人之關節組態上的限制，當工件在箱的右隅角中時，可能沒有可行的揀取該工件的機器人姿勢。

現在參照圖49，提供與本揭露的一實施例一致之使用45°末端效應器的頂部揀取及側邊揀取的實例圖。圖49顯示對於具有45°末端效應器的機器人可能有進入及離開箱並揀取在二個隅角中採二個定向之工件的可行路徑。

可能推斷0°末端效應器係最不靈活的組態、將90°末端效應器推斷成係適度靈活的、並將45°末端效應器推斷成係最靈活的。但此等實例僅考慮揀取工件，且僅考慮在頂部表面上的揀取。

現在參照圖50，提供與本揭露的一實施例一致之用於來自圖49之左側二個揀取之放置的實例圖。考慮圖49的左側二個實例。二個揀取在相對於工件之頂部彎曲的末端效應器管的位置上具有180度差。以相同的最終姿勢放置工件可能需要二個不同的機器人姿勢。簡單地旋轉末端效應器（藉由旋轉最末機器人關節）可能係不充分的。

使最終工件姿勢與此末端效應器組態一致的要求可能約束揀取或約束放置。若機器人放置姿勢可能需要一致，相對於工件姿勢的揀取姿勢可能亦需要一致。例如，若圖50中的最左側機器人姿勢係唯一容許的機器人放置姿勢，則此可使圖49中的四個可能揀取中的三者失去資格，使該等部件無法揀取。若允許機器人揀取任何定向的工件，且因此可設想許多不同的機器人姿勢以達成一致的工件放置姿勢，此可約束放置目標的地點。肢接機器人可設想的姿勢數目可由可執行工件放置的範圍所影響。

現在參照圖51，提供與本揭露的一實施例一致之用於定位放置目標的三個不同範圍的實例比較。圖51顯示沿著一個左右維度的三個例示性末端效應器對於一致的工件放置姿勢但可變的機器人揀取姿勢定位放置目標的可能範圍的比較。

0°末端效應器具有最寬範圍，在此情形中係0.73公尺，其幾乎係從機器人的最小伸距至最大伸距的全部範圍。此係因為工件姿勢可簡單地藉由旋轉最末機器人關節而旋轉360°。工件可使用最末機器人關節的任何位置揀取，並放置在任何其他位置上。

45°末端效應器具有更受約束的範圍，在此情形中係0.42公尺。為補償末端效應器管中的45°彎曲，機器人關節必須以伸距受限的此一方式配置，以獲得一致的工件放置姿勢。

90°末端效應器具有最受約束的範圍，在此情形中係0.24公尺。在二種情形中，補償末端效應器管上的90°彎曲需要機器人超出工件之外，以獲得一致的工件放置姿勢。

此例示性範圍限制比簡化實例更複雜。其可隨機器人尺寸、數目、配置、及機器人關節的行進限制而不同。亦可隨放置目標的位置在機器人基底平面上方或下方而變，隨放置目標平面與機器人基底平面不同而變得越發受約束。

在許多應用中，相對於機器人的放置目標位置可能無法對最大數目的機器人放置姿勢最佳化。操作環境可能具有障礙，或放置目標可能在固定機器的內側。放置目標位置上的約束限制可實現的路徑數目，且因此限制有多少部件可揀取。

如先前提及的，揀取效能在使用45°末端效應器時最佳、使用90°末端效應器時較差、且使用0°末端效應器時最差。但放置效能在使用0°末端效應器時最佳、使用45°末端效應器時較差、且使用90°末端效應器時最差。最佳的末端效應器組態對於揀取及放置可不同。

此簡化實例僅考慮單一揀取表面。但當僅使用一個揀取表面時，在箱中採隨機姿勢的許多工件可能無法揀取，因為該表面可能不具有不受阻礙的接近。箱揀取的實際實施方案可能需要多個可能揀取表面。

圖47至圖51僅顯示揀取單一（頂部）表面。若將工件的二側加至可能揀取表面，此增加在揀取及放置二者上的機器人姿勢的可能數目。

現在參照圖52，提供與本揭露的一實施例一致之使用側邊揀取之如圖47中的工件姿勢及末端效應器的實例圖。

現在參照圖53，且提供與本揭露的一實施例一致之使用側邊揀取之如圖48中的工件姿勢及末端效應器的實例圖。

現在參照圖54，且提供與本揭露的一實施例一致之使用側邊揀取之如圖49中的工件姿勢及末端效應器的實例圖。

圖52、圖53、及圖54分別顯示與圖47、圖48、及圖49相同的工件姿勢及末端效應器，但允許工件從右側或左側揀取。0°末端效應器對頂部揀取及側邊揀取可具有相同效能，且工件仍維持無法揀取。90°末端效應器對側邊揀取可具有較佳效能，其可能已使更多的無碰撞機器人姿勢變得可用。45°末端效應器效能對頂部揀取及側邊揀取二者可能類似。請注意雖然揀取效能可能對許多所示實例不變，揀取效能幾乎總是藉由增加更多的揀取表面而改善。例如，在揀取表面由於工件姿勢或阻礙而不可存取處。

現在參照圖55，提供與本揭露的一實施例一致之用於側邊揀取的三個不同放置範圍的實例比較。將此等與圖51比較：0°末端效應器之用於側邊揀取的放置範圍係0.11公尺，遠小於0.73公尺的頂部揀取範圍。45°末端效應器的放置範圍係0.34公尺，小於0.42公尺的頂部揀取範圍。但90°末端效應器的放置範圍係0.59公尺，大於0.24公尺之頂部揀取範圍的二倍。

允許側邊揀取可具有數目增加的可行機器人揀取姿勢，但可能足以在放置目標放置上引入額外揀取表面的利益可能無法在實際實施方案中實現的新限制。此等實例僅顯示有限數目的工件揀取及放置姿勢。許多更多的姿勢可能係可行或所欲的。為簡單起見，此等實例僅顯示一個維度的放置範圍。放置範圍可係在機器人之操作範圍內的三維體積。該等原理亦適用於水平放置至機器夾頭中及類似者。

在顯示於實例中之末端效應器上的期望改善可允許最大數目之用於揀取及放置二者的機器人姿勢。如實例所示，針對揀取及放置的最佳化常係矛盾的，其中在前者中良好地執行的實施方案在後者中拙劣地執行，或反之亦然；或者有在任一者中不能非常良好地執行的折衷。

本揭露係具有相對於機器人凸緣之可變角度的末端效應器。此角度可係可控制的，使得其可對工件揀取及放置不同。在最簡單的情形中，末端效應器可僅具有二個角度，例如，0°及45°。末端效應器可具有在此等角度之各者的「硬停機(hard stop)」，使控制既簡單又準確。在更靈活的情形中，末端效應器可具有0°、45°、及90°的位置。甚至可使用可具有0°、45°、90°、及-90°之位置的末端效應器而找到更佳的靈活性。

藉由允許將不同的末端效應器角度用於揀取及放置，末端效應器可從，例如，用於最大數目的可行機器人揀取姿勢的45°，且接著取決於放置的本質、針對最大數目的可行機器人放置姿勢而改變至0°或90°。

儘可能地使用機器人的固有定位能力可係較佳的。例如，大多數肢接機器人可將法向於工具凸緣的關節旋轉360°或更多。藉由使末端效應器角度相對於法向於最末關節旋轉之平面（機器人工具凸緣的平面）的軸，法向關節可用以定位末端效應器，以覆蓋最大的操作範圍，如實例中所示。

現在參照圖56，提供與本揭露的一實施例一致的實例二個位置末端效應器。此末端效應器可具有關節，諸如例如，但不限於，轉動關節5602，其可允許其係末端效應器之可接觸工件之部件的吸力杯5604相對於法向於最末關節旋轉之平面（機器人工具凸緣之平面）的軸改變其角度。可將至吸力杯（未圖示）的真空連接件5606製造成末端效應器在轉動關節處的可動部件。此連接器的實施例可見於圖58。在圖56中，氣動圓柱體5608可連接至壓縮空氣連接件5610，並可以壓縮空氣填充或將壓縮空氣抽空以將末端效應器（在此實例中）切換至0°或45°的位置。其他位置，諸如0°及90°，或90°及45°，亦係可行的。該二個位置可具有「硬停機」，亦即，轉動關節的移動可由固定特徵所限制，而非藉由氣動圓柱體的行進限制。此可在二個末端效應器位置的各者上提供更大準確度。此實施例可具有至機器人工具凸緣的連接件5612。

現在參照圖57A及圖57B，提供與本揭露的一實施例一致之實例多位置末端效應器的二個不同視圖。末端效應器可具有至機器人凸緣的連接件5702、步進馬達5704，球形蝸桿(globoid worm) 5706、及球形蝸輪(globoid worm gear) 5708。末端效應器可具有關節，諸如例如，轉動關節5710，其可允許其係末端效應器之可接觸工件之部件的吸力杯5712相對於法向於機器人工具凸緣之平面的軸改變其角度。在所示實例中，角度可相對於法向於機器人工具凸緣的軸在±90°的範圍內改變。如圖57B中所見，末端效應器可具有至真空泵的連接5714。

在此實例中，末端效應器的角度可由連接至球形蝸桿5706的步進馬達5704控制，該球形蝸桿經由球形蝸輪5708依次將步進馬達的旋轉轉移至轉動關節5710。真空源與吸力杯之間的連接5814可經由短管線及用於撓性軟管的配件。

現在參照圖58，提供與本揭露的一實施例一致之以45°角揀取並以0°角放置之末端效應器的實例圖。圖59顯示例示性多位置末端效應器可以45°角揀取工件，就像圖4所示的固定末端效應器。但藉由將末端效應器角度改變至用於放置的0°，取代圖51所示之具有0.42公尺的有限45度放置範圍，將放置範圍增加至0.73公尺的0度放置範圍，增加約75%以上。來自圖56之亦可在0°與45°之間切換的二個位置末端效應器亦可達成相同的效能改善。

末端效應器的角度變化可以多種方式由軟體控制。在最簡單的情形中，改變末端效應器角度的控制可係形成揀取及放置序列之部分的正常末端效應器控制的部分。例如，當揀取工件時，真空可能必須在預揀取位置接通。切換末端效應器角度可係在相同的預揀取位置執行的類似控制。末端效應器角度亦可在後揀取位置、預放置位置、後放置位置、或某中間轉向點切換。在此等情形中，在將角度切換加入在揀取與放置之間及/或揀取之前的狀態下，揀取或放置係使用在用於該操作之期望角度的末端效應器而被教導或程式化，且程式的其餘部分正常地執行。

替代地，可將末端效應器角度控制成逆向動力學計算之控制可變機器人路徑的部分。可用的末端效應器角度亦可形成路徑規劃演算法的部分，以協助判定最佳路徑。

現在參照圖59，提供與本揭露的一實施例一致的末端效應器關鍵尺寸的實例圖。末端效應器的尺寸可取決於終端應用而最佳化。用於判定理想尺寸的因子可包括機器人伸距、箱的深度、地點及圍繞放置目標的障礙、與工件的（多個）接觸點的尺寸、及工件的尺寸。圖59顯示針對許多應用最佳化的末端效應器。在此實例中，可將尺寸A設定成足夠用於與工件的接觸點，以延伸超出最末機器人關節。此最佳化可允許末端效應器在轉動至所示的90°時，揀取在箱之隅角中之非常小或非常薄的工件，同時避免機器人關節與箱壁或箱底之間的碰撞。同樣地，在此實例中，可將尺寸B儘可能地最小化，同時仍將尺寸A維持在其最小長度。將尺寸B最小化允許末端效應器在某些組態中從側邊揀取接近箱壁的工件，諸如在圖48及圖49中的最左側部分所示的。

雖然此處給定的實例使用吸力末端效應器，原理可相等地應用於具有二或更多根手指的機械末端效應器；使用磁性、靜電力、黏著劑、或凡得瓦(van der Waals)力的末端效應器；或將末端效應器附接至工件的任何其他機構。在一些實施例中，機械末端效應器可包括單一手指及固定構件。該部件可藉由保持在該單一手指與該固定構件之間而接觸。

所示實例中的末端效應器使用單一抽力杯與工件接觸。本發明亦可有益於使用多個吸力杯、多個握爪手指、多個磁鐵（例如，電磁磁鐵等）、或將末端效應器附接至工件之任何其他機構的應用。

雖然所示實例僅討論二個揀取表面、非對稱工件、具有旋轉對稱性的末端效應器、及非對稱放置目標，但本發明的利益亦可使用一個揀取表面、許多揀取表面、及具有額外類型之對稱性的工件及放置目標實現。類似地，本發明可有益於具有有限對稱性或無對稱性的末端效應器。

實例僅顯示單一維度的放置目標範圍。該範圍實際上可係三維體積。本發明可增加機器人路徑規劃在整體三維體積上的靈活性。

本發明亦可施用至2D揀取應用，其中工件係配置在平坦表面上。例如，可允許2D物體以與揀取其等時更不同的姿勢放置。

機器人可如該實例中係肢接的，或任何其他類型的機器人（球型、圓柱型、SCARA、直角座標型、多關節型）。

放置目標可係靜態夾具、表面、機器、容器、或其他工件，或可係自身可變的，諸如輸送器、行動機器人、或另一類型的機器人。

放置目標在本質上可係實體的，或可係空間中的地點。

現在參照圖60，提供揀取以可變姿勢呈現的一或多個工件的實施方案6000的流程圖。該方法可包括識別6010在第一地點的至少一個工件，並將機器人的末端效應器定位6020在該至少一個工件附近。該末端效應器可包括經建構以接觸該至少一個工件的一接觸部件。該方法可進一步包括調整6030定位在機器人的工具凸緣與末端效應器之間並連接至該機器人的該工具凸緣與該末端效應器的關節，該關節經建構以在該工具凸緣與該末端效應器之間建立可變角度。該方法可包括控制6040機器人以將該至少一個工件保持在末端效應器中，及/或控制6050機器人以將保持在末端效應器中的該至少一個工件移動至第二地點。該方法可進一步包括經由機器人及末端效應器將採已知姿勢的該至少一個工件放置6060在第二地點。應注意與包括於本文中之方法關聯的操作可以相對於彼此的任何順序執行，包括同時、部分同時等。

如將為所屬技術領域中具有通常知識者所理解的，本揭露的態樣可具現為系統、方法、或電腦程式產品。因此，本揭露的態樣可採取完全硬體實施例、完全軟體實施例（包括韌體、常駐軟體、微碼等）、或結合軟體及硬體態樣之實施例的形式，其等全部在本文中通常可稱為電路」、「模組」、或「系統」。此外，本揭露的態樣可採取具現在具有具現於其上之電腦可讀程式碼之一或多個電腦可讀媒體中之電腦程式產品的形式。

可利用一或多個電腦可讀媒體的任何組合。電腦可讀媒體可係電腦可讀信號媒體或電腦可讀儲存媒體。電腦可讀儲存媒體可係，例如，但不限於，電子、磁性、光學、電磁、紅外線、或半導體系統、設備、或裝置、或前述的任何合適組合。電腦可讀儲存媒體的更具體實例（非窮舉列表）將包括下列：具有一或多條電線的電連接、可攜式電腦碟片、硬碟、隨機存取記憶體(random access memory, RAM)、唯讀記憶體(read-only memory, ROM)、可抹除可程式化唯讀記憶體（erasable programmable read-only memory, EPROM或快閃記憶體）、光纖、可攜式唯讀光碟(compact disc read-only memory, CD-ROM)、光學儲存裝置、磁性儲存裝置、或前述的任何合適組合。在本文件的上下文中，電腦可讀儲存媒體可係可含有或儲存用於由指令執行系統、設備、或裝置使用或與指令執行系統、設備、或裝置連接之程式的任何有形媒體。

電腦可讀信號媒體可包括具有具現於其中之電腦可讀程式碼的傳播資料信號，例如，在基帶中或作為載波的一部分。

此一傳播信號可採取各種形式的任何者，包括，但不限於，電磁、光學、或其任何合適的組合。電腦可讀信號媒體可係非電腦可讀儲存媒體且可傳達、傳播、或傳輸用於由指令執行系統、設備、或裝置使用或與指令執行系統、設備、或裝置連接之程式的任何電腦可讀媒體。具現在電腦可讀媒體上的程式碼可使用任何合適的媒體傳輸，包括但不限於，無線、有線、光纖纜線、RF等，或前述的任何合適組合。

用於實行本揭露之態樣之操作的電腦程式碼可以一或多個程式語言的任何組合撰寫，包括物件導向程式語言，諸如Smalltalk、C++、或類似者、及習知的程序程式語言，諸如「C」程式語言或類似的程式語言。程式碼可完全在使用者的電腦上執行、部分在使用者的電腦上執行、作為獨立套裝軟體執行、部分在使用者的電腦上且部分在遠端電腦上執行、或完全在遠端電腦或伺服器上執行。在後一情境中，遠端電腦可通過任何類型的網路連接至使用者的電腦，包括區域網路(local area network, LAN)或廣域網路(wide area network, WAN)，或可產生至外部電腦的連接（例如，使用網際網路服務供應商通過網際網路）。

本揭露的態樣參考根據本揭露之實施例的方法、設備（系統）、及電腦程式產品的流程圖繪示及/或方塊圖於下文描述。應理解流程圖繪示及/或方塊圖之各方塊，及流程圖繪示及/或方塊圖中之方塊的組合可藉由電腦程式指令實施。此等電腦程式指令可提供至通用電腦、專用電腦、或其他可程式化資料處理設備的處理器，以產生機器，使得該等指令（經由電腦或其他可程式化資料處理設備之處理器執行）建立用於實施在流程圖及/或方塊圖（多個）方塊中指定之功能/行動的機構。

此等電腦程式指令亦可儲存在電腦可讀媒體中，該電腦可讀媒體可引導電腦、其他可程式化資料處理設備、或其他裝置以特定方式運作，使得儲存在電腦可讀媒體中的指令產生製造物品，該製造物品包括實施在流程圖及/或方塊圖（多個）方塊中指定之功能/行動的指令。

電腦程式指令亦可載入至電腦、其他可程式化資料處理設備、或其他裝置上，以引起在待在電腦、其他可程式化設備、或其他裝置上執行的一系列操作步驟以產生電腦實施程序，使得在電腦或其他可程式化設備上執行的指令提供用於實施在流程圖及/或方塊圖（多個）方塊中指定之功能/行動的程序。

圖式中的流程圖及方塊圖繪示根據本揭露的各種實施例之系統、方法、及電腦程式產品之可能實施方案的架構、功能、及操作。在此方面，流程圖或方塊圖中的各方塊可，但非始終，表示碼的模組、區段、或部分，該碼的模組、區段、或部分包含用於實施（多個）經指定邏輯功能的一或多個可執行指令。亦應注意在一些替代實施方案中，在方塊中提到的功能可不以圖式中提到的順序發生。例如，取決於所涉及的功能，連續顯示的二個方塊事實上可實質並行地執行，或該等方塊有時可依反序執行。亦應注意方塊圖及/或流程圖繪示的各方塊及方塊圖及/或流程圖繪示中之方塊的組合可藉由執行指定功能或動作之基於專用硬體的系統或專用硬體及電腦指令的組合實施。

本文所使用之用語僅用於描述特定實施方案的目的，並未意圖限制本揭露。如本文所使用，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」亦意圖包括複數形式，除非上下文另有明確指示。應進一步瞭解當使用在本說明書中時，用語「包含(comprises)」及/或「包含(comprising)」指定所陳述之特徵、整數、步驟（不必然以特定次序）、操作、元件、及/或組件的存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟（不必然以特定次序）、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或添加。

可在下文之申請專利範圍中的對應的結構、材料、行動、及所有手段或步驟加上功能元件的等同物意圖包括與如所具體請求的其他請求元件組合用於執行功能的任何結構、材料、或行動。本揭露的描述已出於說明及描述之目的而呈現，但未意圖以所揭示的形式窮舉或限制本揭露。對所屬技術領域中具有通常知識者而言，許多修改、變化、替換、及其任何組合將係顯而易見的，而不脫離本揭露之範圍及精神。（多個）實施方案經選擇及描述以最佳地解釋本揭露的原理及實際應用，並使其他所屬技術領域中具有通常知識者能夠瞭解本揭露，以用於具有適合於所設想的特定用途之（多個）實施方案的各種修改及/或任何組合的各種（多個）實施方案。

已描述本揭露的一些實施方案。然而，將理解可在不脫離本揭露之精神及範疇的情況下進行各種修改。

例如，在一些實施方案中，機器人可係經建構以拾取至少一個物體並將其從一個地方移至另一地方的任何機器系統。

在一些實施方案中，圖形使用者介面可在機器人教導器以外的地方實施，包括但不限於，電腦顯示器、行動裝置、或平板電腦。此外，雖然在一些實施方案中，可使用「處理器」，但應注意此可包括但不限於，與機器人控制器關聯或分開的處理器，例如，與控制器分開或包括於其內部的單一處理器、與控制器分開或包括於其內的複數個處理器等。在一些情形中，位於一個裝置中的一個處理器可執行某些操作，且位於實體分開區域中的另一處理器可執行其他操作。額外及/或替代地，一些或全部操作可由位於單一裝置中的處理器或處理器群組執行，諸如與本文所包括之機器人系統關聯之彼等者。

本申請案之揭露內容因此已藉由參考本申請案之（多個）實施方案詳細地描述，顯而易見的係在不脫離定義在隨附之申請專利範圍中之本揭露之範圍的狀況下（多個）實施方案的修改、變化、及任何組合（包括任何修改、變化、替換、及其組合）係可能的。

100:機器人系統/系統 102:軟體系統 104:資料庫 106:圖形使用者介面 108:控制軟體 110:機器人硬體 200:圖形使用者介面 300:自然任務分配程序/程序 302:定義 304:定義 306:定義 308:執行 400:方塊圖/控制系統 402:外部位置控制器/位置控制系統 404:內部速度控制器/速度控制系統 500:機器人程序/程序 502:提供 504:允許 506:傳達 600:機器人系統 602:攝影機 604:視覺軟體 606:控制器 608:機器人 610:末端效應器 612:教導器 700:機器人系統 710:末端效應器 800:機器人系統 810:末端效應器 814:工件放置目標 900:機器人系統 910:末端效應器 1000:機器人系統 1010:末端效應器 1014:工件放置目標 1200:機器人系統 1210:末端效應器 1310:末端效應器 1400:機器人系統 1410:末端效應器 3900:圖形使用者介面/GUI 4000:圖形使用者介面/GUI 4100:圖形使用者介面/GUI 4200:圖形使用者介面/GUI 4300:圖形使用者介面/GUI 4402:頂部 4404:左側 4406:右側 4408:底側 4410:管側 4502:吸力杯 4504:管線 4506:連接件 4508:連接件 4602:箱 4604:工件 5602:轉動關節 5604:吸力杯 5606:真空連接件 5608:氣動圓柱體 5610:壓縮空氣連接件 5612:連接件 5702:連接件 5704:步進馬達 5706:球形蝸桿 5708:球形蝸輪 5710:轉動關節 5712:吸力杯 5714:連接 6000:實施方案 6010:識別 6020:定位 6030:調整 6040:控制 6050:控制 6060:放置 A:尺寸 B:尺寸

為更佳地瞭解本揭露之性質及目的，請參考結合下列圖式的以下實施方式，在該等圖式中： [圖1]係根據本揭露的一實施例之機器人自然任務分配系統的方塊圖； [圖2]係根據本揭露的一實施例顯示機器人自然任務分配系統的多個自由度的圖形使用者介面； [圖3]係根據本揭露的一實施例之機器人自然任務分配系統的方塊圖； [圖4]係根據本揭露的一實施例之用於在機器人自然任務分配系統中使用之速度控制方法的方塊圖； [圖5]係根據本揭露的一實施例之機器人自然任務分配方法的流程圖； [圖6]係根據本揭露的一實施例之機器人自然任務分配系統的系統圖； [圖7]根據本揭露的實施例顯示可用以拾取工件或工件之機器人姿勢的實例； [圖8]根據本揭露的實施例顯示工件放置目標的實例； [圖9]根據本揭露的實施例顯示具有位於目標周圍之障礙之工件放置目標的實例； [圖10]根據本揭露的實施例顯示矩形工件及矩形工件放置目標的實例； [圖11]根據本揭露的實施例顯示描繪可如何在多個位置抓握工件的實例； [圖12]根據本揭露的實施例顯示矩形工件及矩形工件放置目標的實例； [圖13]根據本揭露的實施例顯示矩形工件及矩形工件放置目標的實例； [圖14]根據本揭露的實施例顯示大致圓柱形工件的實例； [圖15]根據本揭露的實施例顯示具有圍繞所有三個軸連續對稱性之工件的實例； [圖16]根據本揭露的實施例顯示具有圍繞z軸的連續對稱性之工件的實例； [圖17]根據本揭露的實施例顯示具有對稱揀取特徵之非對稱工件的實例； [圖18]根據本揭露的實施例顯示具有對稱放置特徵之非對稱工件的實例； [圖19]根據本揭露的實施例顯示具有對稱放置特徵之放置目標的實例； [圖20]根據本揭露的實施例顯示非對稱放置目標的實例； [圖21]根據本揭露的實施例顯示非對稱末端效應器的實例； [圖22]根據本揭露的實施例顯示具有非對稱揀取特徵之非對稱工件的實例； [圖23]根據本揭露的實施例顯示不具有圍繞x、y、或z軸的對稱性之揀取或放置特徵之工件的實例； [圖24]根據本揭露的實施例顯示非對稱工件的實例； [圖25]根據本揭露的實施例顯示末端效應器的實例； [圖26]根據本揭露的實施例顯示工件的實例； [圖27]根據本揭露的實施例顯示末端效應器的實例； [圖28]根據本揭露的實施例顯示末端效應器的實例； [圖29]根據本揭露的實施例顯示放置目標的實例； [圖30]根據本揭露的實施例顯示放置目標的實例； [圖31]根據本揭露的實施例顯示工件的實例； [圖32]根據本揭露的實施例顯示工件的實例； [圖33]根據本揭露的實施例顯示描繪動作約束之實例的表； [圖34]根據本揭露的實施例顯示描繪動作約束之實例的表； [圖35]根據本揭露的實施例顯示放置在放置目標處之工件的實例； [圖36]根據本揭露的實施例顯示放置在放置目標處之工件的實例； [圖37]根據本揭露的實施例顯示放置在放置目標處之工件的實例； [圖38]根據本揭露的實施例顯示放置在放置目標處之工件的實例； [圖39]係根據本揭露的一實施例之機器人系統的圖形使用者介面； [圖40]係根據本揭露的一實施例之機器人系統的圖形使用者介面； [圖41]係根據本揭露的一實施例之機器人系統的圖形使用者介面； [圖42]係根據本揭露的一實施例之機器人系統的圖形使用者介面； [圖43]係根據本揭露的一實施例之機器人系統的圖形使用者介面； [圖44]係與本揭露的一實施例一致的實例工件； [圖45]係與本揭露的一實施例一致的實例末端效應器的圖； [圖46]係顯示與本揭露的一實施例一致之在箱的隅角中的工件的實例圖； [圖47]係與本揭露的一實施例一致之使用0°末端效應器的頂部揀取及側邊揀取的實例圖； [圖48]係與本揭露的一實施例一致之使用90°末端效應器的頂部揀取及側邊揀取的實例圖； [圖49]係與本揭露的一實施例一致之使用45°末端效應器的頂部揀取及側邊揀取的實例圖； [圖50]係與本揭露的一實施例一致之用於來自圖49之左側二個揀取的放置的實例圖； [圖51]係與本揭露的一實施例一致之用於定位放置目標的三個不同範圍的實例比較； [圖52]係與本揭露的一實施例一致之使用側邊揀取之如圖47中的工件姿勢及末端效應器的實例圖； [圖53]係與本揭露的一實施例一致之使用側邊揀取之如圖48中的工件姿勢及末端效應器的實例圖； [圖54]係與本揭露的一實施例一致之使用側邊揀取之如圖49中的工件姿勢及末端效應器的實例圖； [圖55]係與本揭露的一實施例一致之用於側邊揀取的三個不同放置範圍的實例比較； [圖56]係與本揭露的一實施例一致的實例二個位置末端效應器； [圖57A]係與本揭露的一實施例一致之實例多位置末端效應器的第一視圖； [圖57B]係與本揭露的一實施例一致之圖57A中的實例多位置末端效應器的第二視圖； [圖58]係與本揭露的一實施例一致之以45°角揀取並以0°角放置之末端效應器的實例圖； [圖59]係與本揭露的一實施例一致之末端效應器關鍵尺寸的實例圖；及 [圖60]係與本揭露的一實施例一致之揀取以可變姿勢呈現的一或多個工件的實施方案的流程圖。

5602:轉動關節

5604:吸力杯

5606:真空連接件

5608:氣動圓柱體

5610:壓縮空氣連接件

5612:連接件

Claims (30)

1. 一種機器人，其包含： 一末端效應器，其包括經建構以接觸一工件的一接觸部件； 該機器人的一工具凸緣；及 一關節，其定位在該工具凸緣與該末端效應器之間並連接至該工具凸緣與該末端效應器，該關節經建構以在該工具凸緣與該末端效應器之間建立一可變角度。
2. 如請求項1之機器人，其中該可變角度經控制在至少二個固定角度之間。
3. 如請求項2之機器人，其中該可變角度係藉由一氣動圓柱體控制。
4. 如請求項1之機器人，其中該可變角度經控制在多個角度之間。
5. 如請求項4之機器人，其中該可變角度經控制在180度的一動作範圍內。
6. 如請求項4之機器人，其中該可變角度係藉由一馬達控制。
7. 如請求項4之機器人，其中該末端效應器係一機械末端效應器或吸力末端效應器。
8. 如請求項1之機器人，其中該接觸部件針對該可變角度延伸超出該機器人的一部分。
9. 如請求項1之機器人，其中該接觸部件包括經建構以將該末端效應器附接至該工件的一吸力杯、一握爪手指、及一磁鐵中之至少一者。
10. 如請求項1之機器人，其中一路徑至少部分基於該可變角度自動地計算。
11. 如請求項10之機器人，其中該路徑經計算以避免碰撞並經計算以允許該末端效應器接觸該工件的一揀取表面。
12. 如請求項10之機器人，其中該路徑至少部分基於一第二可變角度自動地計算。
13. 如請求項12之機器人，其中該路徑至少部分基於該第一可變角度及該第二可變角度來最佳化。
14. 如請求項10之機器人，其中該路徑至少部分基於該工件的一揀取姿勢或該工件的該放置姿勢來計算，其中該揀取姿勢對應於該可變角度的一第一角度，且該放置姿勢對應於該可變角度的一第二角度。
15. 一種揀取以一可變姿勢呈現的一或多個工件的方法，該方法包含： 識別在一第一地點的至少一個工件； 將該機器人的一末端效應器定位在該至少一個工件附近，該末端效應器包括經建構以接觸該至少一個工件的一接觸部件； 調整定位在該機器人的一工具凸緣與該末端效應器之間並連接至該機器人的該工具凸緣與該末端效應器的一關節，該關節經建構以在該工具凸緣與該末端效應器之間建立一可變角度； 控制該機器人以將該至少一個工件保持在該末端效應器中； 控制該機器人以將保持在該末端效應器中的該至少一個工件移動至一第二地點；及 經由該機器人及該末端效應器將採一已知姿勢的該至少一個工件放置在該第二地點處。
16. 如請求項15之方法，其中控制該機器人及該末端效應器包括自動地計算在該第一地點與該第二地點之間的一路徑。
17. 如請求項16之方法，其中自動地計算在該第一地點與該第二地點之間的該路徑至少部分基於該可變角度。
18. 如請求項15之方法，其中該可變角度經控制在至少二個固定角度之間。
19. 如請求項18之方法，其進一步包含： 將該可變角度設定成一第一角度；及 在該至少一個工件保持在該末端效應器中的同時，將該可變角度調整至一第二角度。
20. 如請求項19之方法，其中設定及調整該可變角度經由一氣動圓柱體發生。
21. 如請求項15之方法，其中該可變角度係使用多個角度控制。
22. 如請求項21之方法，其中該可變角度經控制在180度的一動作範圍內。
23. 如請求項21之方法，其中該可變角度係經由一馬達控制。
24. 如請求項15之方法，其中該接觸部件針對該可變角度延伸超出該機器人的一部分。
25. 如請求項15之方法，其中該接觸部件包括經建構以將該末端效應器附接至該至少一個工件的一吸力杯、一握爪手指、及一磁鐵中之至少一者。
26. 如請求項16之方法，其中該路徑至少部分基於該可變角度自動地計算。
27. 如請求項26之方法，其中該路徑經計算以避免碰撞並經計算以允許該末端效應器接觸該工件的一揀取表面。
28. 如請求項26之方法，其中該路徑至少部分基於一第二可變角度自動地計算。
29. 如請求項26之方法，其中自動地計算該路徑至少部分基於該工件的一揀取姿勢或該工件的該放置姿勢，其中該揀取姿勢對應於該可變角度的一第一角度，且該放置姿勢對應於該可變角度的一第二角度。
30. 如請求項28之方法，其中該路徑至少部分基於該第一可變角度及該第二可變角度來最佳化。

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