TWI574800B - Robot control system - Google Patents

Description

機械手控制系統

本發明是有關於一種機械系統，特別是指一種可被電控產生動作之機械手控制系統。

機械手臂是許多需要執行危險作業之場所通常會設置之裝置，可透過遠端遙控機械手臂運作的方式，由機械手臂代為執行特定事務，隨著科技的進步，機械手臂已逐漸轉應用於義肢領域，可用以協助手部殘缺或功能性不良的人處理事務。目前機械手臂的大多是由預先設定好的電腦程式進行控制，或者是透過操作遙控器進行控制，嫌少是直接透過使用者之肢體動作來進行控制。

因此，本發明的目的，即在提供一種結合肌電與手勢進行控制之機械手控制系統。

於是，本發明機械手控制系統，包含一個安裝在使用者之肢體與手掌的手控裝置，及一個與該手控裝置訊號連接之機械手裝置。該手控裝置包括一個肌電感測控制模組、一個彎曲感測控制模組，及一個第一無線通訊模組。

該肌電感測控制模組包括一個肌電感測器，及一個肌電分析控制單元，該肌電感測器可量測該肢體執行特定動作產生之肌電訊號，該肌電分析控制單元可根據該肌電感測器於一個特定時間內連續輸出該肌電訊號之次數，對應輸出一個幅度控制訊號。

該彎曲感測控制模組包括一個供穿戴於手掌且具有多個指套部之手套、多個沿該等指套部長向延伸地分別安裝於該等指套部之彎曲感測器，及一個訊號連接於該等彎曲感測器之曲度分析控制單元，每一個彎曲感測器可被各別之指套部連動彎曲而對應輸出一個彎曲訊號，該曲度分析控制單元可分析該彎曲訊號代表之彎曲弧度而對應輸出一個屈指控制訊號。該第一無線通訊模組，可無線發送該幅度控制訊號與該等屈指控制訊號。

該機械手裝置包括一個可無線接收該幅度控制訊號與該等屈指控制訊號之第二無線通訊模組、一個可被驅動產生不同動作幅度之一個特定功能動作的手臂機構、一個安裝於該手臂機構之手掌機構、一個訊號連接該手臂機構之手臂控制模組，及一個訊號連接該手掌機構之手掌控制模組，該手掌機構具有多個可被驅動伸直與彎曲的手指單元，該手臂控制模組可被該幅度控制訊號觸發，而控制該手臂機構產生對應動作幅度之該特定功能動作，該手掌控制模組可被各個屈指控制訊號觸發，而控制各別之手指單元彎曲成對應之彎曲弧度。

本發明的功效在於：可方便使用者透過肢體直接操作該手控裝置的方式，來遙控該機械手裝置產生對應特定功能動作與手勢，且可直接調整特定功能動作幅度與手勢。

參閱圖1、2、3，本發明機械手控制系統的實施例，包含一個用以安裝在一位使用者900之肢體901的手控裝置3，及一個訊號連接於該手控裝置3且安裝樞設於一個基座的800的機械手裝置4。該機械手裝置4可供該使用者900作為義肢使用，尤其適用於殘缺一隻手的使用者、或者是具有兩隻正常手臂但殘缺一個手掌的使用者，或者是具有兩隻完整的手但其中一隻手的功能異常者。但實施時不以上述類型為限，所述肢體901可以是手臂與手掌，但實施時，也可以是腿部與手掌。

該手控裝置3包括一個肌電感測控制模組31、一個彎曲感測控制模組32，及一個第一無線通訊模組33。

該肌電感測控制模組31包括一個用以安裝固定於使用者900手臂表面之肌電感測器311、一個訊號連接於該肌電感測器311之肌電分析控制單元312、一個手臂控制啟動鍵313，及一個手臂復歸鍵314。該肌電感測器311可經由貼觸於體表之電極（圖未示）量測該使用者900之該肢體901執行一個特定動作所產生之肌電訊號，例如安裝於該手臂之上臂部，可量測該手臂之下臂部相對上臂部彎曲上舉之動作所產生的肌電訊號，或者是量測上臂部上下舉動或左右擺動時所產生的肌電訊號。

該肌電分析控制單元312內建有該使用者900之手臂執行該特定動作所產生之肌電訊號樣本，可接收分析該肌電感測器311輸出之該肌電訊號，以判斷該使用者900執行該個特定動作之次數，並可根據該特定動作之次數，對應輸出一個用以控制該機械手裝置4產生特定動作幅度之特定功能動作的幅度控制訊號。

該肌電分析控制單元312內建有一個基本動作控制模式，及一個增幅動作控制模式，該肌電分析控制單元312會於分析出該使用者900於一個特定時間內僅執行一個該特定動作時，啟動該基本動作控制模式，而於分析出該使用者900於該特定時間內連續重複執行特定次數以上之該特定動作時，啟動該增幅動作控制模式。例如於2秒內僅執行一個該特定動作時，啟動該基本動作控制模式，而於2秒內連續重複執行5次以上該特定動作時，執行該增幅動作控制模式。

於啟動該基本動作控制模式時，該肌電分析控制單元312輸出之該幅度控制訊號可用以控制該機械手裝置4產生一個基本動作幅度的特定功能動作。

於啟動該增幅動作控制模式時，該肌電分析控制單元312會根據該使用者900做出該特定動作之動作次數與該特定次數之比例關係，調整輸出之該幅度控制訊號，使該幅度控制訊號可控制該機械手裝置4產生更大幅度之該特定功能動作。例如該特定次數預設為5次，當動作次數為5次時，是預設該幅度控制訊號能驅使該機械手裝置4產生之該特定功能動作之動作幅度大於基本動作幅度20%；當動作次數為6次時，則被驅動產生之該特定功能動作的動作幅度會提高至大於基本動作幅度40%；當動作次數為7次時，將該特定功能動作之動作幅度提高至大於基本動作幅度60%；當動作次數為8次時，被驅動產生之該特定功能動作之動作幅度會提高至大於基本動作幅度80%；當動作次數為9次時，則被驅動產生之該特定功能動作之動作幅度會提高至大於基本動作幅度100%，也就是兩倍於該基本動作幅度。但實施時，該幅度控制訊號控制該機械手裝置4產生不同動作幅度之該特定功能動作的方式不以此為限。

該手臂控制啟動鍵313可被操作以啟動或關閉整個肌電感測控制模組31，可用以控制該肌電感測控制模組31是否感測輸出該幅度控制訊號。該手臂復歸鍵314可被操作而觸發該肌電分析控制單元312經由該第一無線通訊模組33無線發送一個手臂復歸訊號，該手臂復歸訊號可控制該機械手裝置4回復至一個基本手臂姿勢。

該彎曲感測控制模組32包括一個可穿戴於手掌之手套321、多個安裝於該手套321之彎曲感測器323、一個安裝於該手套321且訊號連接於該等彎曲感測器323之曲度分析控制單元324、一個手掌控制啟動鍵325，及一個掌勢固定鍵326。

該手套321具有多個分別供該手掌之該等手指穿置的指套部322。該等彎曲感測器323是分別沿該等指套部322長向延伸地分別固定於該等指套部322，可分別被各別之指套部322連動彎曲變形，並可於彎曲變形時，對應輸出一個代表其彎曲幅度之彎曲訊號。

該曲度分析控制單元324可分析各個彎曲感測器323輸出之該彎曲訊號，而得到該彎曲感測器323的彎曲弧度，並對應該彎曲弧度輸出一個屈指控制訊號。

該第一無線通訊模組33可透過無線通訊技術，將該幅度控制訊號與對應該等彎曲感測器323之該等屈指控制訊號無線發送至該機械手裝置4。所述無線通訊技術可以是藍芽、ZigBee、WiFi等無線通訊技術。

該手掌控制啟動鍵325可供操作以開啟或關閉整個彎曲感測控制32模組，可控制該彎曲感測控制模組32是否感測輸出該等屈指控制訊號。該掌勢固定鍵326可被操作啟動，而驅使該曲度分析控制單元324經由該第一無線通訊模組33無線發送一個固定手勢訊號，並可被操作關閉，而驅使該曲度分析控制單元324經由該第一無線通訊模組33無線發送一個解除訊號，該固定手勢訊號可驅使該機械手裝置4維持在當前被操作之手勢狀態，該解除訊號可驅使該機械手裝置4能夠再被該屈指控制訊號控制。

參閱圖2、3、4，該機械手裝置4包括一個可與該第一無線通訊模組33無線通訊之第二無線通訊模組41、一個樞設於該基座800的手臂機構42、一個安裝於該手臂機構42的手掌機構43、一個訊號連接於該第二無線通訊模組41與該手臂機構42之手臂控制模組44，及一個訊號連接於該第二無線通訊模組41與該手掌機構43之手掌控制模組45。

該手臂機構42包括一個樞設於該基座800的多節式結構設計的手臂單元421，及一個安裝於該手臂單元421與該基座800間之手臂驅動單元423。在本實施例中，該手臂單元421是以兩節式為例進行說明，包括兩個相樞接並可相對樞擺之臂段422，該手臂驅動單元423為傳動連結於該等臂段422間，以及傳動連結於該基座800與其中一臂段422間的馬達傳動組件，可被驅動而傳動該等臂段422相對樞擺，以傳動該手臂單元421相對該基座800樞擺，而產生一個特定功能動作。實施時，由於手臂機構42為習知構件且類型眾多，亦非本發明之改良重點，因此不再詳述，且該手臂驅動單元423傳動該手臂單元421的方式不以上述類型為限。

該手掌機構43是安裝於該手臂單元421末端，包括一個掌體431，及個樞設於該掌體431且分別與該等彎曲感測器323對應之手指單元432。該等手指單元432可被該手掌控制模組45驅動彎曲與伸直。在本實施例中，每一個手指單元432具有多個依序樞接的指節433，並設有延伸穿設於該等指節433的傳動皮帶（圖未示），及用以傳動該傳動皮帶之馬達（圖未示），該馬達可被驅動而傳動該傳動皮帶連動該等指節433相對樞擺，以控制該手指單元432彎曲或伸直。由於該手掌機構43為習知構件，且該等手指單元432可被驅動彎曲伸直的結構眾多，也非本發明之改良重點，因此不再詳述，且不以上述類型為限。

該手臂控制模組44可被該幅度控制訊號觸發，而對應控制該手臂機構42之該手臂驅動單元423的運作，進而傳動控制該手臂機構42產生對應動作幅度之該特定功能動作。

該手掌控制模組45可被該曲度分析控制單元324針對各個彎曲感測器323所輸出之該屈指控制訊號觸發，而控制對應之手指單元432的該等指節433相對樞擺，使整個手指單元432彎曲至特定彎曲弧度，進而可透過控制該等手指單元432之彎曲與伸直，來模擬出該手套321被手掌操作產生之手勢動作。

參閱圖1、2、3，本發明機械手控制系統使用時，對於殘缺一隻手的使用者，可將該肌電感測控制模組31安裝固定正常手之體表，例如是安裝於上臂部，然後，將該手套321穿戴於正常手之手掌外，使五指分別穿置於該等指套部322中，便完成該手控裝置3之穿置。對於殘缺一個手掌的使用者，可將該肌電感測控制模組31安裝固定正常手之手臂或殘缺手掌之另一手的手臂，並將該手套321穿戴於正常手之手掌外。對於其中一隻手功能不正常之使用者，可將該肌電感測控制模組31與該手套321都裝設於正常手。實施時，該肌電感測控制模組31也可安裝固定手臂以外之其它肢體900。

當要控制該機械手裝置4之該手臂機構42產生該特定功能動作時，可操作開啟該手臂控制啟動鍵313，然後，透過活動肢體901做出該特定動作，並可根據使用該手臂機構42之需求，在該特定時間內重複執行該特定動作。該肌電感測控制模組31會持續接收分析該肢體901活動產生之肌電訊號，藉以判斷該使用者900做出該特定動作之次數，同時根據該特定動作之次數選擇啟動該基本動作控制模式或該增幅動作控制模式，並輸出對應之幅度控制訊號。

參閱圖2、3、4，該機械手裝置4收到該幅度控訊號時，該手臂控制模組44會根據該幅度控制訊號之增幅比例，控制該手臂機構42產生對應之動作幅度的該特定功能動作，例如控制該手臂機構42抬高10公分、20公分、50公分，或者是抬高10度、30度、60度等，但不以此為限。

參閱圖1、3、5，當要使該手臂機構42回復至該基本手臂姿勢時，可透過操作該手臂復歸鍵314的方式，驅使該肌電感測控制模組31發出該手臂復歸訊號，該手臂控制模組44會被該手臂復歸訊號觸發，而控制驅動該手臂機構42回復至該基本手臂姿勢。

當要控制該手掌機構43產生特定動作時，例如抓握物品或做出特定手勢，可操作開啟該手掌控制啟動鍵325，然後，透過彎曲該手套321之該等指套部322以做出對應的動作，藉以驅使該等彎曲感測器323同步彎曲變形。此時，該曲度分析控制單元324會接收分析該等彎曲感測器323之該等彎曲訊號，並對應輸出該等屈指控制訊號。該手掌控制模組45收到該等屈指控制訊號時，會根據各個屈指控制訊號代表之彎曲弧度，分別控制各別之手指單元432彎曲或伸直，以模擬出對應之彎曲感測器323被指套部322連動彎曲的外型，進而使該等手指單元432相配合模擬做出該手套321被手掌操作產生之手勢。

當要使該手掌機構43維持在當前被控制之手勢時，可操作啟動該掌勢固定鍵326，使該手掌控制模組45不再接受該等屈指控制訊號之控制。當需要再次控制該手掌機構43之手勢時，僅需操作關閉該掌勢固定鍵326，該手掌控制模組45就可接受該等屈指控制訊號之控制，而調整該等手指單元432之彎曲幅度。

綜上所述，透過該手控裝置3可藉由該肌電感測控制模組31感測分析肢體901產生特定動作之肌電訊號，以判斷在特定時間內該特定動作之產生模式，並對應控制調整該機械手裝置4之該手臂機構42產生不同動作幅度之特定功能動作的設計，以及該彎曲感測控制模組32可感測手掌五指之彎曲弧度，並針對該等手指之彎曲對應輸出該等屈指控制訊號，藉以控制該機械手裝置4之該手掌機構43的該等手指單元432模擬產生對應手勢的設計，可方便使用者900透過自身肢體901動作直接遙控該機械手裝置4產生所需之動作，且可調整產生之特定功能動作之動作幅度，以及使該手掌機構43直接模擬出使用者900手掌之手勢，相當方便實用，因此，確實能達成本發明的目的。

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。

3‧‧‧手控裝置

31‧‧‧肌電感測控制模組

311‧‧‧肌電感測器

312‧‧‧肌電分析控制單元

313‧‧‧手臂控制啟動鍵

314‧‧‧手臂復歸鍵

32‧‧‧彎曲感測控制模組

321‧‧‧手套

322‧‧‧指套部

323‧‧‧彎曲感測器

324‧‧‧曲度分析控制單元

325‧‧‧手掌控制啟動鍵

326‧‧‧掌勢固定鍵

33‧‧‧第一無線通訊模組

4‧‧‧機械手裝置

41‧‧‧第二無線通訊模組

42‧‧‧手臂機構

421‧‧‧手臂單元

422‧‧‧臂段

423‧‧‧手臂驅動單元

43‧‧‧手掌機構

431‧‧‧掌體

432‧‧‧手指單元

433‧‧‧指節

44‧‧‧手臂控制模組

45‧‧‧手掌控制模組

800‧‧‧基座

900‧‧‧使用者

901‧‧‧肢體

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是本發明機械手控制系統的一個實施例的一個手控裝置配至於一位使用者肢體的立體示意圖； 圖2是該實施例的之一個機械手裝置安裝於一個基座的立體圖； 圖3是該實施例之功能方塊圖； 圖4是該實施例之該機械手裝置的一個手臂機構被驅動產生一個特定功能動作的側視示意圖；及 圖5是該實施例之一個手掌機構之多個手指單元被驅彎曲時的立體圖。

3‧‧‧手控裝置

31‧‧‧肌電感測控制模組

311‧‧‧肌電感測器

312‧‧‧肌電分析控制單元

313‧‧‧手臂控制啟動鍵

314‧‧‧手臂復歸鍵

32‧‧‧彎曲感測控制模組

323‧‧‧彎曲感測器

33‧‧‧第一無線通訊模組

4‧‧‧機械手裝置

41‧‧‧第二無線通訊模組

42‧‧‧手臂機構

421‧‧‧手臂單元

423‧‧‧手臂驅動單元

43‧‧‧手掌機構

432‧‧‧手指單元

324‧‧‧曲度分析控制單元

325‧‧‧手掌控制啟動鍵

326‧‧‧掌勢固定鍵

44‧‧‧手臂控制模組

45‧‧‧手掌控制模組

Claims (5)

1. 一種機械手控制系統，包含一個安裝在使用者之肢體與手掌的手控裝置，及一個與該手控裝置訊號連接之機械手裝置，其中： 該手控裝置包括一個肌電感測控制模組、一個彎曲感測控制模組，及一個第一無線通訊模組； 該肌電感測控制模組包括一個肌電感測器，及一個肌電分析控制單元，該肌電感測器可量測該肢體執行特定動作產生之肌電訊號，該肌電分析控制單元可根據該肌電感測器於一個特定時間內連續輸出該肌電訊號之次數，對應輸出一個幅度控制訊號； 該彎曲感測控制模組包括一個供穿戴於手掌且具有多個指套部之手套、多個沿該等指套部長向延伸地分別安裝於該等指套部之彎曲感測器，及一個訊號連接於該等彎曲感測器之曲度分析控制單元，每一個彎曲感測器可被各別之指套部連動彎曲而對應輸出一個彎曲訊號，該曲度分析控制單元可分析該彎曲訊號代表之彎曲弧度而對應輸出一個屈指控制訊號； 該第一無線通訊模組，可無線發送該幅度控制訊號與該等屈指控制訊號； 該機械手裝置包括一個可無線接收該幅度控制訊號與該等屈指控制訊號之第二無線通訊模組、一個可被驅動產生不同動作幅度之一個特定功能動作的手臂機構、一個安裝於該手臂機構之手掌機構、一個訊號連接該手臂機構之手臂控制模組，及一個訊號連接該手掌機構之手掌控制模組，該手掌機構具有多個可被驅動伸直與彎曲的手指單元，該手臂控制模組可被該幅度控制訊號觸發，而控制該手臂機構產生對應動作幅度之該特定功能動作，該手掌控制模組可被各個屈指控制訊號觸發，而控制各別之手指單元控彎曲成對應之彎曲弧度。
2. 如請求項1所述的機械手控制系統，其中，該肌電分析控制單元內建有一個基本動作模式與一個增幅動作模式，該肌電分析控制單元可於判斷該肌電感測器於該特定時間內僅輸出一次該肌電訊號時，觸發啟動該基本動作模式，會輸出一個能夠驅使該手臂控制模組控制該手臂機構產生一個基本作動幅度之該特定功能動作的幅度控制訊號，該肌電分析控制單元可於判斷該肌電感測器於該特定時間內連續輸出該肌電訊號之次數大於等於一個特定次數時，觸發啟動該增幅動作模式，會根據該肌電訊號之次數相對於該特定次數之比例，輸出一個能夠驅使該手臂控制模組控制該手臂機構產生相對於該基本動作幅度增加特定幅度比例的該特定功能動作的幅度控制訊號。
3. 如請求項2所述的機械手控制系統，其中，該手臂機構具有兩個相樞接之臂段，及一個安裝於該等臂段間且可驅動該等臂段相對樞擺以相配合產生該特定功能動作之手臂驅動單元，該手臂控制模組可被該幅度控制訊號觸發，而驅動該手臂驅動單元傳動該等臂段相對樞擺以產生該特定功能動作。
4. 如請求項3所述的機械手控制系統，其中，該肌電感測控制模組還包括一個手臂復歸鍵，該手臂復歸鍵可被操作啟動，而驅使該肌電分析控制單元經由該第一無線通訊模組無線發送一個手臂復歸訊號，該手臂控制模組可被該手臂復歸訊號觸發，而控制該手臂動單元傳動該手臂單元活動至一個基本手臂姿勢。
5. 如請求項1所述的機械手控制系統，其中，該彎曲感測控制模組還包括一個掌勢固定鍵，該掌勢固定鍵可被操作啟動，而驅使該曲度分析控制單元經由該第一無線通訊模組無線發送一個固定手勢訊號，該手掌控制模組可被該固定手勢訊號觸發，而停止接受該等屈指控制訊號之控制。