TWI483819B - 夾爪裝置及其控制方法 - Google Patents

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Description

夾爪裝置及其控制方法
本揭露係有關於一種夾爪裝置及其控制方法，尤指一種藉由彈性件及角度編碼器感測夾爪變形量，並可順應外力而改變機構外型的夾爪裝置及其控制方法。
產業用機器人目前絕大多數仍採用位置控制，而在國際機器人技術的發展趨勢上，其中一項重要技術發展趨勢是提供機器人手眼力協調的控制能力，這將提供產業用機器人進一步擴展可應用的工作，如需要靠視覺導引取放物體、仰賴力量與運動控制進行工件組裝、需順應能力的人機共存工作等。針對此發展趨勢，相關技術業者皆不約而同開始投注資源於手眼力協調技術的開發，並開始探討相關技術用於電子產業、食品產業、傳統製造業上的可能性。其中針對電子產業智慧自動化，各大廠皆將亞洲區的消費性電子產業生產製造業視為銷售重點未來。而隨著中國工資攀升，我國生產製造自動化的需求與日俱增。然而組裝上最重要的手眼力協調控制技術卻是我國產業用機器人目前所缺乏的，而此技術所仰賴的手眼力協調機器人控制器也仍闕如。
機械夾爪必須具備有體積小、重量輕，外型逼真與高靈活度的特點。隨著機械人發展的趨勢，機械夾爪的研發近來有大幅進展。然綜觀習知的夾爪裝置，大多數係將多個力感測器分別設置於夾爪不同部位，例如手掌形狀的夾 爪，通常會於指節、指尖等部位設置一至多個力感測器(force sensor or tactile sensor)，當夾爪抓取物體時，可碰觸到相對應位置的力感測器，由力感測器回授力量或接觸壓力，藉此達到抓取物體的目的。或於夾爪驅動器上加裝電流監測元件，利用感測負載電流是否大於某一閥值來判斷夾爪是否接觸到物體。然上述利用力感測器或電流感測的方式，不僅定位精確度差、反應速度慢、解析度差，且在抓取軟質、易碎或形狀複雜之物體，例如軟質金屬薄片、玻璃等物體時，並無法即時控制調整夾取力量，容易造成物體損傷。
本揭露提出一種夾爪裝置及其控制方法，藉由彈性件及角度編碼器感測夾爪變形量，並可順應外力而改變機構外型。
於一實施例中，本揭露提出一種夾爪裝置，其包含至少一組夾爪單元，該夾爪單元包括一第一連桿、一第二連桿、一彈性件、一驅動裝置、一角度編碼器以及一控制器，第一連桿具有相對之一第一端以及一第二端，第二連桿具有相對之一第三端以及一第四端，第三端與第二端相互樞接，彈性件係設置於第一連桿與第二連桿之樞接處，彈性件係用以使第一連桿與第二連桿彈性地相樞接，驅動裝置係連接於第四端，驅動裝置係用以驅動第二連桿及第一連桿同步擺動，角度編碼器係與彈性件電性連接，角度編碼器係用以感測彈性件之變形量並產生一力量資訊，控制器 係與角度編碼器電性連接，該控制器係用以根據該力量資訊切換該夾爪裝置之操作模式。
於一實施例中，本揭露更提出一種夾爪裝置之控制方法，其包含：由一控制器控制一夾爪裝置，夾爪裝置包括至少一夾爪單元，夾爪單元具有相互樞接之一第一連桿以及一第二連桿，第一連桿具有相對之一第一端以及一第二端，第二連桿具有相對之一第三端以及一第四端，第三端與第二端相互樞接，於第一連桿與第二連桿之樞接處設有一彈性件，彈性件電性連接一角度編碼器，控制器係與角度編碼器電性連接，第二連桿相對於連接第一連桿之一端連接一驅動裝置；由控制器控制夾爪裝置以一第一控制模式移動朝向一物體；由夾爪單元碰觸物體並施加一作用力於物體，使彈性件變形，由角度編碼器感測彈性件之變形量並產生一力量資訊；以及，由控制器根據力量資訊將夾爪裝置之操作模式切換至一第二控制模式。
以下將參照隨附之圖式來描述本揭露為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利 貴審查委員瞭解，但本揭露之技術手段並不限於所列舉圖式。
請參閱第一圖至第三圖所示夾爪裝置實施例結構，該夾爪裝置包含一組夾爪單元100，該夾爪單元100包括一第一連桿10以及一第二連桿20，第一連桿10具有相對之一第一端11以及一第二端12，第二連桿20具有相對之一 第三端21以及一第四端22，第二連桿20之第三端21與第一連桿10之第二端12相互樞接，於第一連桿10與第二連桿20之樞接處設有一彈性件30。如第三圖所示，其係於第一連桿10之第二端12設有一第一套管13，於該第一套管13內設有一第一軸體14，第一軸體14之一端部設有一軸承15。彈性件30係設置於該第一套管13內，彈性件30之二彈性端部31、32係抵制於第一套管13之內側壁131，於彈性件30內設有一襯套16，該第一軸體14相對於設有軸承15之一端部係穿設於該彈性件30內之襯套16，再於該第一軸體14相對於設有軸承15之一端部設有一扣環17。於第二連桿20之第三端21設有一第二套管23，於第二套管23內設有一第二軸體24，第二套管23與第二軸體24係朝向第一連桿10，第二套管23係穿設於第一套管13內，第二軸體24與第一軸體14同軸，且於第二軸體24與第一軸體14設有一角度編碼器40，角度編碼器40係與彈性件30電性連接，角度編碼器40係用以感測彈性件30之變形量並可產生一力量資訊。彈性件30及角度編碼器40夾設於第一連桿10與第二連桿20之間，且第一連桿10與第二連桿20藉由彈性件30彈性地相樞接。
此外，於第一連桿10之第一端11樞設有一第一夾爪50，第二連桿20之第四端22係樞設於一座體60。於第一夾爪50與座體60之間設有一第三連桿70，第三連桿70具有相對之一第五端71以及一第六端72，第五端71係樞接於第一夾爪50，第六端72係樞接於座體60。於第四端22設有一被動齒輪25，該被動齒輪25係與一主動齒輪81 囓合，該主動齒輪81係連接於一驅動裝置80，亦即，第二連桿20之第四端22係藉由被動齒輪25、主動齒輪81間接連接於驅動裝置80。驅動裝置80可採用直流伺服馬達，驅動裝置80與角度編碼器40同時與一控制器(圖中未示出)電性連接，由控制器根據角度編碼器40所產生之力量資訊切換該夾爪裝置之操作模式。該控制器可採用16位元微控制器，整合驅動裝置80的驅動電路及電流回授，角度編碼器40回授及序列通訊電路與控制器連線，構成一嵌入式控制系統。
請參閱第六圖所示順應控制流程300與第七圖所示改變位置積分流程305，並配合第四圖及第五圖，說明控制本揭露夾取物體之方法。
請參閱第四圖至第七圖，由控制器執行順應控制流程300，首先控制夾爪單元100(亦即夾爪裝置)於一第一控制模式下運作，該第一控制模式係一定位控制模式，由控制器產生一位置命令(步驟301)，控制夾爪單元100相對於物體90的移動方向、移動距離以及第一夾爪50對於物體90之作用力(亦即夾取力)。請參閱第四圖所示，夾爪單元100以第一控制模式移動靠近該欲夾取之物體90，物體90係設置於一平面91上，當夾爪單元100就定位後，再控制主動齒輪81轉動，進而帶動被動齒輪25驅動第二連桿20、第一連桿10、第一夾爪50及第三連桿70朝向物體90擺動。當第一夾爪50尚未碰觸到物體90前，仍繼續執行該位置命令。
當第一夾爪50碰觸到物體90時，先判斷彈性件(可參 閱第三圖所示)是否變形(步驟302)。由於當第一夾爪50剛碰觸到物體90，或是施加於物體90之作用力未達到能夠夾持物體90之一預設之夾持力時，都仍然無法導致彈性件變形，此時，則繼續執行該位置命令(步驟303)，再判斷位置命令是否完成(步驟304)，若位置命令尚未完成，則繼續執行位置命令，若位置命令已完成，則控制驅動裝置80停止運作。
當第一夾爪50碰觸到物體90，且第一夾爪50作用於物體90之作用力達到能夠夾持物體90之預設之夾持力時，即會導致彈性件變形，如第五圖所示，使第一連桿10與第二連桿20間之夾角θ 1產生變化，該夾角θ 1係依物體90之外型、尺寸、材質與接觸力量不同而改變，係透過角度編碼器感測，當控制器接收到該感測資訊時，則將操作模式切換至一第二控制模式。該第二控制模式係一力量順應控制模式，其中改變一位置積分(步驟305)流程如下：控制器藉由系統速度與總力之關係(詳如後述)估算驅動裝置80所需輸出力量與該時候系統達到之預設速度(步驟3051)；計算速度差值並積分，用以估算位移改變量(位置積分值)(步驟3052)；接著由控制器發送控制命令改變驅動裝置80之輸出力量，同時改變第一夾爪50位移(步驟3053)；這時控制器藉由一力量觀測器估算第一夾爪50之位移量X(t)與驅動裝置80的電流回授值I(t)(步驟3054)，透過系統參數與系統力量之關係(詳如後述)感測第一夾爪50作用於物體90之作用力與系統總和力，再藉此力量資訊判斷該作用力是否到達一預設之最大值(步驟 306)。
若第一夾爪50之位移量X(t)尚未到達一預設之位移最大值X_max，或電流回授值I(t)尚未到達一預設之回授最大值I_max，則驅動裝置80繼續運作，亦即第一夾爪50繼續對物體90施加作用力；若第一夾爪50之位移量X(t)到達預設之位移最大值X_max，亦即X(t)>=X_max，或電流回授值I(t)到達預設之回授最大值I_max，亦即I(t)>=I_max，則由控制器控制驅動裝置80停止運作。
該位移最大值X_max及回授最大值I_max係根據物體所能承受的變形量而決定，例如材質為玻璃或彈性剛片，形狀為圓形、方形或不規則形，所能承受之作用力分別不同。
本揭露提供之順應控制模式，可順應外力方向及外力大小而控制位移變化，利用彈性件及角度編碼器感測夾爪夾取物體時之變形量，並且採用馬達位置與電流回授以控制夾力，可解決異型零件及定位誤差的問題，於成本、反應速度及可靠度上，都優於力感測器或僅用電流閥值作為接觸依據的方式。
關於本揭露力量順應控制模式之原理及理論依據，謹說明如下。
假設一系統具有轉動慣量(inertia)J，本身阻尼常數(damping constant)b，則系統的行為可寫成下列數學式： 其中為θ (t)為系統的位移量，T(t)為系統總受力，可視為由環境造成的總和外力Text (t)。在此定義阻抗比 (Impedence)為系統受到外力時速度的變化量： 依阻抗比的定義而言，此系統的阻抗為 若欲將系統速度調整為，在目標系統阻抗小於原系統時，兩系統速度差異量必然由致動器加以補償，亦即馬達輸出一扭力Tm 補償原系統行為，使其滿足預設目標速度。此時原系統行為可改寫成下列方程式： 如此可透過致動器輸出力改變位置積分，在不增加系統額外元件的情況下達成力量順應目標。
因為系統上並沒有額外力量感測元件力量，故需要由控制器中所擷取到的驅動裝置參數用以推估系統力量資訊。假設驅動裝置為一直流伺服馬達，馬達的輸入電壓Vi (t)與馬達角度θ m (t)的微分方程式為：
其中Ra ，Kt ，Kb 與Tm (t)分別是電樞電阻、扭力係數、感應電動勢係數及馬達軸扭力。在馬達低速運轉時，(t)→0，扭力與電壓可以視為比例關係：T(t)Vi (t)。或在馬達的PWM驅動電路上加入測量電流回授值I(t)的精密電阻。因為Tm (t)=Kt *I(t)的關係，此電阻的電壓降與扭力Tm (t)成正比。
假設馬達直接驅動第一夾爪，而且第一夾爪剛性K_gripper 係無窮大時，馬達角度θ m (t)與其電流I(t)的變化會反應第一夾爪夾力F(t)對位移量X(t)的關係：F(t)=K_object *X(t)
其中，K_object 代表零件剛性。理論上，第一夾爪未接觸到物體前，K_object =0；若第一夾爪夾到剛體(rigid body)時，K_object →∞，趨近無窮大。但受限於第一夾爪本身的剛性，所能偵測的物體剛性會落在0<K_object K_gripper 的範圍內。根據此一觀察，透過連桿關節或馬達位置的角位移與電流回授，可以作為力量觀測器推估其力量，可判斷第一夾爪與物體接觸的瞬間，並可透過位移及電流控制夾力值與判斷零件剛性。第一夾爪接觸零件前，將維持低剛性的定位控制模式；第一夾爪接觸物體後，會改以較高但限制最大夾力的順應控制模式，使第一夾爪夾住物體以進行所需製程。
請參閱第八圖所示實施例，該夾爪裝置包括二組對稱設置之夾爪單元100A、100B，夾爪單元100A、100B包括第一連桿10A、10B、第二連桿20A、20B、第一夾爪50A、50B、座體60A、60B及第三連桿70A、70B，夾爪單元100B與夾爪單元100A對稱設置。主動齒輪81A、81B可分別帶動對應囓合之被動齒輪25A、25B轉動，因此可使二第一夾爪50A、50B相對運動，藉此將物體90夾持於該二第一夾爪50A、50B之間。
請參閱第九圖所示，該夾爪裝置包括一組夾爪單元100C，其包括第一連桿10C、第二連桿20C、第一夾爪50C、 座體60C及第三連桿70C，本實施例係於座體60C設有一第二夾爪61C，當主動齒輪81C帶動被動齒輪25C轉動時，可帶動第二連桿20C、第一連桿10C、第一夾爪50C及第三連桿70C同步左右往復擺動，因此可使第一夾爪50C與第二夾爪61C相對運動，藉此將物體90夾持第一夾爪50C與第二夾爪61C之間。
請參閱第十圖所示實施例，該夾爪裝置包括二組對稱設置之夾爪單元100D、100E，夾爪單元100D、100E分別包括第一連桿10D、10E、第二連桿20D、20E、第一夾爪50D、50E及第三連桿70D、70E，夾爪單元100E與夾爪單元100D對稱設置，第二連桿20D、20E之第四端22D、22E係樞設於同一座體60D，於第二連桿20D、20E之第四端22D、22E分別設有一被動齒輪25D、25E，該二被動齒輪25D、25E相互囓合，主動齒輪81D係與其中一被動齒輪25D相囓合，驅動裝置(圖中未示出)係用以驅動該二第二連桿20D、20E同步擺動，且可使得分別設置於該二第一連桿10D、10E之第一夾爪50D、50E相對運動，藉此將物體90夾持於該二第一夾爪50D、50E之間。
必須說明的是，本揭露之第一連桿、第二連桿、第一夾爪、座體及第三連桿之形狀並不限於以上圖示實施例結構，係依實際所需而設計，包括考量物體大小、物體形狀及物體重量等因素。例如，第一夾爪與第一連桿可為一體式結構，亦即第一連桿之第一端可直接形成具有第一夾爪之外形。驅動裝置可直接驅動第二連桿，不需要透過被動齒輪及主動齒輪間接驅動。亦可將主動齒輪置換為螺桿以 驅動被動齒輪。上述圖示第一連桿、第二連桿、第一夾爪、座體及第三連桿構成一概呈平行四邊形之連桿架構，係作為本揭露之說明例而已。
100、100A~100E‧‧‧夾爪單元
10、10A~10E‧‧‧第一連桿
11‧‧‧第一端
12‧‧‧第二端
13‧‧‧第一套管
14‧‧‧第一軸體
15‧‧‧軸承
16‧‧‧襯套
17‧‧‧扣環
20、20A~20E‧‧‧第二連桿
21‧‧‧第三端
22、22D、22E‧‧‧第四端
23‧‧‧第二套管
24‧‧‧第二軸體
25、25A~25E‧‧‧被動齒輪
30‧‧‧彈性件
31、32‧‧‧二彈性端部
40‧‧‧角度編碼器
50、50A~50E‧‧‧第一夾爪
60、60A~60D‧‧‧座體
61C‧‧‧第二夾爪
70、70A~70E‧‧‧第三連桿
71‧‧‧第五端
72‧‧‧第六端
80‧‧‧驅動裝置
81、81A~81D‧‧‧主動齒輪
90‧‧‧物體
91‧‧‧平面
300‧‧‧順應控制流程
301~306‧‧‧順應控制流程步驟
3051~3055‧‧‧改變位置積分步驟
I(t)‧‧‧電流回授值
I_max‧‧‧回授最大值
X(t)‧‧‧位移量
X_max‧‧‧位移最大值
θ 1‧‧‧夾角
第一圖係本揭露夾爪裝置一實施例之正面結構示意圖。
第二圖係第一圖實施例之A-A面結構示意圖。
第三圖係本揭露夾爪裝置之第一連桿與第二連桿之一立體結構實施例之分解結構示意圖。
第四圖及第五圖係第一圖實施例夾取物體之動作示意圖。
第六圖係本揭露順應控制方法之一實施例流程圖。
第七圖係本揭露改變位置積分之一實施例流程圖。
第八圖至第十圖係本揭露夾爪裝置不同實施例之正面結構示意圖。
100‧‧‧夾爪單元
10‧‧‧第一連桿
20‧‧‧第二連桿
21‧‧‧第三端
22‧‧‧第四端
25‧‧‧被動齒輪
50‧‧‧第一夾爪
60‧‧‧座體
70‧‧‧第三連桿
71‧‧‧第五端
72‧‧‧第六端
80‧‧‧驅動裝置
81‧‧‧主動齒輪

Claims (7)

  1. 一種夾爪裝置，其包含至少一組夾爪單元，該夾爪單元包括：一第一連桿，其具有相對之一第一端以及一第二端；一第二連桿，其具有相對之一第三端以及一第四端，該第三端與該第二端相互樞接；一彈性件，係設置於該第一連桿與該第二連桿之樞接處，該彈性件係用以使該第一連桿與該第二連桿彈性地相樞接；一驅動裝置，係連接於該第四端，該驅動裝置係用以驅動該第二連桿及該第一連桿同步擺動，該驅動裝置具有一主動齒輪，於該第四端設有一被動齒輪，該主動齒輪與該被動齒輪相互囓合；一第一夾爪，係樞設於該第一端；一座體，該第四端係樞設於該座體；一第三連桿，其具有相對之一第五端以及一第六端，該第五端係樞接於該第一夾爪，該第六端係樞接於該座體；一角度編碼器，係與該彈性件電性連接，該角度編碼器係用以感測該彈性件之變形量並產生一力量資訊；以及一控制器，係與該角度編碼器與該驅動裝置電性連接，該控制器係用以根據該力量資訊切換該夾爪裝置之操作模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之夾爪裝置，其包含二組對稱設置之夾爪單元，於該二組夾爪單元之該二第二連桿之該第四端分別設有一該被動齒輪，該二組夾爪單元之 該二被動齒輪相互囓合，該主動齒輪係與其中一該被動齒輪相囓合，該驅動裝置係用以驅動該二第二連桿同步擺動，且該二第一連桿之該第一端相對運動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之夾爪裝置，其中，該座體設有一第二夾爪，該第二連桿擺動時，可帶動該第一夾爪與該第二夾爪相對運動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之夾爪裝置，其包含二組夾爪單元，該二組夾爪單元係對稱設置，該二組夾爪單元之該第一夾爪係相對運動。
  5. 一種夾爪裝置之控制方法，包含：由一控制器控制一夾爪裝置，該夾爪裝置包括至少一夾爪單元，該夾爪單元具有相互樞接之一第一連桿以及一第二連桿，該第一連桿具有相對之一第一端以及一第二端，該第二連桿具有相對之一第三端以及一第四端，該第三端與該第二端相互樞接，於該第一連桿與該第二連桿之樞接處設有一彈性件，該彈性件電性連接一角度編碼器，該控制器係與該角度編碼器電性連接，該第二連桿相對於連接該第一連桿之一端連接一驅動裝置；由該控制器控制該夾爪裝置以一第一控制模式移動朝向一物體；由該夾爪單元碰觸該物體並施加一作用力於該物體，使該彈性件變形，由該角度編碼器感測該彈性件之變形量並產生一力量資訊；由該控制器根據該力量資訊將該夾爪裝置之操作模式切換至一第二控制模式；以及 該控制器更執行一順應控制流程，該順應控制流程包括：控制該夾爪裝置進入該第一控制模式；產生一位置命令；判斷該彈性件是否變形；若該彈性件未變形，則繼續執行該位置命令；若彈性件變形，則將操作模式切換至該第二控制模式；改變一位置積分；以及判斷該作用力是否到達一預設之最大值；若該作用力尚未到達該預設之最大值，則保持該驅動裝置繼續運作；若該作用力到達該預設之最大值時，則控制該驅動裝置停止運作。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之夾爪裝置之控制方法，其中，若該夾爪單元尚未碰觸到該物體，則繼續執行該位置命令，並且判斷該位置命令是否完成；若該位置命令完成，則控制該驅動裝置停止運作；若該位置命令尚未完成，則繼續執行該位置命令。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之夾爪裝置之控制方法，其中，係藉由一力量觀測器感測該夾爪單元作用於該物體之作用力，該力量觀測器係用以感測該第一連桿之位移量或一電流回授值；若該第一連桿之該第一端之位移量尚未到達一預設之位移最大值，或該電流回授尚未到達一預設之回授最大值時，則該驅動裝置繼續運作；若該第一連桿之該第一端之位移量到達該預設之位移最大值，或該電流回授到達該預設之回授最大值時，則控制該驅動裝置停止運作。
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