TWI614100B - 機械手臂的教導系統及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂的教導系統及其控制方法，透過觸覺回饋裝置產生教導資料予機械手臂，機械手臂依據教導資料移動與旋轉，以及力量感測器擷取機械手臂依據教導資料移動與旋轉所對應的第一力回饋資料，並輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝置的方式，讓操作觸覺回饋裝置的操作者即時了解機械手臂的受力狀況並即刻做出反應，用以避免習知教導系統因無法讓操作者即時反應機械手臂受力狀況而造成的風險。

Description

機械手臂的教導系統及其控制方法

本發明涉及一種教導系統及其控制方法，特別是機械手臂的教導系統及其控制方法。

近年來，隨著機構學、自動化控制及計算機技術的蓬勃發展，機械手臂已經廣泛地運用在各行各業，其可提供高效率及穩定的自動化生產與組裝。

一般而言，機械手臂大部分仍應用在需重複處理的固定工作中，如：裝配、加工、溶接、切割、加壓、搬運、檢測......等各項工作。在此情況下，需要將這些工作規劃後，利用教導器教導機械手臂沿著固定的軌跡移動與旋轉，以便使機械手臂能夠重複處理上述固定工作。

一般而言，操作者使用傳統的教導器時僅能使機械手臂依據教導的軌跡運作，而存在有無法得知之當前機械手臂的受力情況，導致機械手臂受力情況發生狀況時，操作者無法即時做出反應而造成風險之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

本發明揭露一種機械手臂的教導系統及其控制方法。

首先，本發明揭露一種機械手臂的教導系統，用以教導機械手臂，並儲存複數個教導資料。此機械手臂的教導系統包含：觸覺回饋裝置(Haptic Device)及力量感測器。其中，觸覺回饋裝置連接機械手臂，力量感測器設置於機械手臂。觸覺回饋裝置用以產生教導資料予機械手臂，使機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉。力量感測器用以擷取機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉所對應產生的第一力回饋資料，並輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝置。

另外，本發明揭露一種機械手臂的教導系統的控制方法，其步驟包括：將觸覺回饋裝置連接機械手臂；將力量感測器設置於機械手臂；利用觸覺回饋裝置產生複數個教導資料予機械手臂；教導系統儲存每一教導資料；機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉；力量感測器擷取機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉所對應產生的第一力回饋資料，並輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝置。

本發明所揭露之系統與方法如上，與先前技術的差異在於本發明是透過力量感測器輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝置，以驅動觸覺回饋裝置，進而為操作者帶來觸覺回饋。

透過上述的技術手段，本發明可以讓操作觸覺回饋裝置的操作者即時了解機械手臂的受力狀況並即時做出反應，用以避免習知教導系統因無法讓操作者即時反應機械手臂受力狀況而造成的風險。

10‧‧‧教導資料

12‧‧‧操作者

20‧‧‧第一力回饋資料

30‧‧‧回饋信號

40‧‧‧第二力回饋資料

50‧‧‧狀態信號

100‧‧‧機械手臂的教導系統

102‧‧‧觸覺回饋裝置

104‧‧‧機械手臂

106‧‧‧力量感測器

108‧‧‧雜訊濾波單元

110‧‧‧重力誤差單元

112‧‧‧座標轉換單元

200‧‧‧軌跡學習系統

202‧‧‧動態時間校正單元

204‧‧‧力場空間建立單元

206‧‧‧軌跡學習單元

208‧‧‧模擬單元

300‧‧‧控制系統

301‧‧‧狀態判斷單元

303‧‧‧導納控制組件

步驟210‧‧‧將觸覺回饋裝置連接機械手臂

步驟220‧‧‧將力量感測器設置於機械手臂

步驟230‧‧‧利用觸覺回饋裝置產生複數個教導資料予機械手臂

步驟240‧‧‧儲存每一教導資料

步驟250‧‧‧機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉

步驟260‧‧‧力量感測器擷取機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉所對應產生的第一力回饋資料，並輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝 置

步驟262‧‧‧雜訊濾波單元接收並消除第一力回饋資料的雜訊

步驟264‧‧‧重力誤差單元接收消除雜訊的第一力回饋資料並消除其重力誤差值

步驟266‧‧‧座標轉換單元轉換消除雜訊與重力誤差值的第一力回饋資料的座標以輸出回饋信號予觸覺回饋裝置

步驟302‧‧‧接收一暫停命令，使機械手臂暫停移動與旋轉

步驟304‧‧‧移動與旋轉觸覺回饋裝置至一預定位置

步驟306‧‧‧紀錄觸覺回饋裝置於預定位置的第一當前姿態訊息

步驟308‧‧‧接收一開始命令，使觸覺回饋裝置開始移動與旋轉，並同步紀錄觸覺回饋裝置開始移動與旋轉後的第二當前姿態訊息

步驟310‧‧‧依據第二當前姿態訊息與第一當前姿態訊息控制機械手臂移動與旋轉

步驟410‧‧‧設置軌跡學習系統，連接教導系統，軌跡學習系統包含動態時間校正單元、力場空間建立單元、軌跡學習單元與模擬單元

步驟420‧‧‧教導系統於教導完成時輸出複數個教導資料予軌跡學習系統

步驟430‧‧‧動態時間校正單元接收並消除該些教導資料的時間差

步驟440‧‧‧力場空間建立單元接收消除時間差的該些教導資料並利用內插法建立每一教導資料所對應的三維力場空間

步驟450‧‧‧軌跡學習單元接收消除時間差的該些教導資料並利用高斯混合模型(GMM)與高斯混合回歸(GMR)輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量

步驟460‧‧‧模擬單元接收每一教導資料所對應的參考軌跡與三維力場空間進行模擬碰撞偵測

步驟510‧‧‧設置控制系統，控制系統包含狀態判斷單元與導納控制組件，狀態判斷單元連接軌跡學習系統、力量感測器與導納控制組件，導納控制組件連接機械手臂

步驟520‧‧‧當軌跡學習系統輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量時，機械手臂依據參考軌跡移動與旋轉

步驟530‧‧‧狀態判斷單元利用力量感測器同步接收機械手臂依據參考軌跡移動與旋轉所產生的第二力回饋資料與該參考軌跡所對應的期望力量而輸出狀態信號予導納控制組件

步驟540‧‧‧導納控制組件依據狀態信號進行權重調整以調控機械手臂

第1圖為應用本發明機械手臂的教導系統之示意圖；第2圖為本發明機械手臂的教導系統的方塊圖；第3圖為第2圖之控制方法流程圖；第4圖為第2圖之力量感測器的方塊圖；第5圖為第4圖之控制方法流程圖；第6圖為本發明機械手臂的教導系統之觸覺回饋裝置相對控制機械手臂的方法流程圖；第7圖為本發明機械手臂的教導系統之軌跡學習系統的方塊圖；第8圖為第7圖之控制方法流程圖；第9圖為本發明機械手臂的教導系統之控制系統的方塊圖；以及第10圖為第9圖之控制方法流程圖。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

在說明本發明所揭露之機械手臂的教導系統及其控制方法之前，先針對機械手臂的教導整合系統的應用環境進行說明，機械手臂的教導系統100之觸覺回饋裝置102係設置在機械手臂104的操作端，力量感測器106設置在機械手臂104末端的法蘭界面上，機械手臂104可控制所需的治具以完成工作。之後，透過操作者12直接對觸覺回饋裝置進行操控的方式來快速教導機械手臂利用治具完成各項工作(請參閱「第1圖」，「第1圖」為應用本發明機械手臂的教導系 統之示意圖)，例如：自動化產線的元件組裝。接著，針對本發明所自行定義的名詞作說明，本發明所述的教導資料為多組軌跡，每條軌跡為連續的點位移，其中每個點各包含六個自由度方向之位置資訊(x、y、z、Rx、Ry、Rz)以及該點對應的三維度受力資訊(Fx、Fy、Fz)。

以下配合圖式對本發明機械手臂的教導系統及其控制方法做進一步說明，請先參閱「第2圖」，「第2圖」為本發明機械手臂的教導系統的方塊圖。本發明機械手臂的教導系統100，用以教導機械手臂104，並儲存複數個教導資料10，由於教導資料10已於前述自行定義名詞中作說明，故在此不再多作贅述。機械手臂的教導系統100包含：觸覺回饋裝置102及力量感測器106。觸覺回饋裝置102連接機械手臂104，力量感測器106設置於機械手臂104。

其中，觸覺回饋裝置102用以產生多個教導資料10予機械手臂104，使機械手臂104依據每一教導資料10移動與旋轉。力量感測器106用以擷取機械手臂104依據每一教導資料10移動與旋轉所對應產生的第一力回饋資料20，並輸出相應的回饋信號30予觸覺回饋裝置102。

接著，請參閱「第3圖」，「第3圖」為「第2圖」之控制方法流程圖，其步驟包括：將觸覺回饋裝置連接機械手臂(步驟210)；將力量感測器設置於機械手臂(步驟220)；利用觸覺回饋裝置產生複數個教導資料予機械手臂(步驟230)；儲存每一教導資料(步驟240)；機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉(步驟250)；以及力量感測器擷取機械手臂依據每一教導資料移動與旋轉所對應產生的第一力回饋資料，並輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝置(步驟260)。透過上述步驟，即可透過力量感測器106輸出相應的回饋信號30予觸覺回饋裝置102，以驅動觸覺回饋裝置102，進而為操作者帶來觸覺回饋。

以下配合「第2圖」及「第3圖」以實施例的方式進行詳細說明，觸覺回饋裝置102可為一擁有六個軸關節及連桿構造的教導裝置，每個軸關節中各自內建一個可驅動及回傳編碼位置的馬達，驅動馬達可使觸覺回饋裝置102產生觸覺回饋給操作者，馬達回傳的編碼位置可計算觸覺回饋裝置102當前的六維度空間的姿態訊息。操作者於操作觸覺回饋裝置102的過程中，機械手臂的教導系統100會不斷地擷取觸覺回饋裝置102當前的六維度姿態訊息，並送給機械手臂104執行，以此方式進行機械手臂104的同步控制並達到示範動作教導之目的，且操作者也可直覺地操作觸覺回饋裝置102，不用熟悉個自由度的運動邏輯規則。其中，機械手臂104可為任何型號廠牌的機械手臂。

在本實施例中，力量感測器106可為一個擁有至少三個自由度感知方向的力量感測器，將力量感測器106可安裝於機械手臂104末端法蘭界面上，於觸覺回饋裝置102同步控制機械手臂104期間，力量感測器106可不斷地擷取機械手臂104移動與旋轉所對應產生的第一力回饋資料20並輸出相應的回饋信號30予觸覺回饋裝置，例如：當機械手臂104旋轉與移動發生碰撞擠壓時，力量感測器106所回傳的回饋信號30可驅動觸覺回饋裝置102內建的馬達而產生觸覺回饋給操作者，讓操作者可即時的了解目前機械手臂104的受力情況。

由於觸覺回饋裝置102同步控制機械手臂104期間，力量感測器106會受到雜訊、重力誤差、座標軸不一致等問題的影像而輸出不正確的回饋信號30，因此需要經過一些信號處理才能使其輸出正確的回饋信號30，信號處理的步驟與其硬體的需求，請先參閱「第4圖」，為「第2圖」之力量感測器的方塊圖。力量感測器106包含雜訊濾波單元108、重力誤差單元110以及座標轉換單元112，重力誤差單元110連接雜訊濾波單元108與座標轉換單元112。其中，雜訊濾波單元108用以接收並消除第一力回饋資料20的雜訊，重力誤差單元110用以接收消除 雜訊的第一力回饋資料20並消除其重力誤差值，座標轉換單元112用以轉換消除雜訊與重力誤差值的第一力回饋資料20的座標以輸出回饋信號30予觸覺回饋裝置102。

接著，請參閱「第5圖」，「第5圖」為「第4圖」之控制方法流程圖，步驟260可包括：雜訊濾波單元接收並消除第一力回饋資料的雜訊(步驟262)；重力誤差單元接收消除雜訊的第一力回饋資料並消除其重力誤差值(步驟264)；以及座標轉換單元轉換消除雜訊與重力誤差值的第一力回饋資料的座標，以輸出回饋信號予觸覺回饋裝置(步驟266)。透過上述步驟，即可透過力量感測器輸出正確的回饋信號予觸覺回饋裝置，以驅動觸覺回饋裝置，進而為操作者帶來觸覺回饋。

以下配合「第4圖」及「第5圖」以實施例的方式進行詳細說明，因為機械手臂106於通電後會產生躁動，使得當力量感測器106安裝於機械手臂104上時，力量感測器106所擷取的第一力回饋資料20因躁動而產生雜訊，因此力量感測器106所擷取的第一力回饋資料20需消除雜訊。在本實施例中，雜訊濾波單元108可為但不限於卡爾曼濾波器(Kalman filter)，雜訊濾波單元108可對第一力回饋資料20進行低延遲高效率的濾波，以消除躁動所帶來的雜訊。

由於機械手臂104進行旋轉動作時，力量感測器106會因為自身本體的重量帶來重力誤差，在本實施例中，可藉由重力誤差單元110事先錄製機械手臂104進行各種旋轉動作時於Rx及Ry方向的重力誤差，並使用線性擬合找出關係方程式，接著利用當前機械手臂的姿態訊息，帶入上述關係方程式來計算重力誤差值，以消除重力帶來的誤差值。在本實施例中，關係式如下：F=F _sensor -(cos(Rz)×F _(Rx)error +cos(Rz)×F _(Ry)error )，其中，F為消除重力誤差值與雜訊的第一力回饋資料20，F _sensor 為當前消除雜訊的第一力回饋資料20，F _(Rx)error 為 Rx帶入該方向之擬合方程式的值，F _(Ry)error 為Ry帶入該方向之擬合方程式的值，F _(Rx)error 與F _(Ry)error 分別與cos(Rz)向量結合。

由於機械手臂106進行旋轉動作後，力量感測器106的座標軸將會與機械手臂104不一致，導致觸覺回饋的方向不正確，因此，力量感測器106輸出回饋信號30前必須要經過座標轉換的處理。在本實施例中，可藉由座標轉換單元112配合機械手臂當前的姿態訊息以齊次矩陣計算方式轉換座標，以輸出正確反應機械手臂104受力狀況的回饋信號30。

此外，於操作者操作觸覺回饋裝置102的過程中，當觸覺回饋裝置102已到達硬體極限而機械手臂104尚未到達操作者預期的目標位置時，可透過下列步驟使觸覺回饋裝置相對控制機械手臂。請參閱「第6圖」，「第6圖」為本發明機械手臂的教導系統之觸覺回饋裝置相對控制機械手臂的方法流程圖，其步驟包括：接收一暫停命令，使機械手臂暫停移動與旋轉(步驟302)；移動與旋轉觸覺回饋裝置至一預定位置(步驟304)；紀錄觸覺回饋裝置於預定位置的第一當前姿態訊息(步驟306)；接收一開始命令，使觸覺回饋裝置開始移動與旋轉，並同步紀錄觸覺回饋裝置開始移動與旋轉後的第二當前姿態訊息(步驟308)；以及依據第二當前姿態訊息與第一當前姿態訊息控制機械手臂移動與旋轉(步驟310)。透過上述步驟，即可透過暫停機械手臂暫停移動與旋轉，以及將觸覺回饋裝置移至預定位置的方式，使得觸覺回饋裝置具有操作空間，以便操作者可開始繼續操作觸覺回饋裝置，進而使機械手臂到達操作者預期的目標位置。

更詳細地說，在本實施例中，觸覺回饋裝置相對控制機械手臂的關係式如下：Command _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} =tmpR _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} +(H _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} -oldH _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} )，其中，Command _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} 為傳輸予機械手臂的執行指令， tmpR _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} 為機械手臂暫停移動與旋轉後的姿態，H _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} 為第二當前姿態訊息，oldH _{x,y,z,Rx,Ry,Rz} 為第一當前姿態訊息。

上述實施例之觸覺回饋裝置102的操作可同時進行六個自由度的操作，解決一般傳統教導器無法同時控制多個自由度的問題，且為了降低操作的困難度，觸覺回饋裝置102的操作亦可鎖定特定的自由度進行操作。此外，上述實施例之觸覺回饋裝置102的操作可調整對機械手臂104的控制移動比例大小。

為了確保機械手臂104學習的軌跡之安全性與讓機械手臂104學習最佳化的軌跡，機械手臂的教導系統更可包含軌跡學習系統，詳細的說明請先參閱「第7圖」，「第7圖」為本發明機械手臂的教導系統之軌跡學習系統的方塊圖。軌跡學習系統200連接教導系統100，軌跡學習系統200包含動態時間校正單元202、力場空間建立單元204、軌跡學習單元206與模擬單元208。

動態時間校正單元202用以接收來自教導系統100的複數個教導資料10並消除這些教導資料10的時間差。力場空間建立單元204用以接收消除時間差的該些教導資料10並利用內插法建立每一教導資料10所對應的三維力場空間。軌跡學習單元206用以接收消除時間差的該些教導資料10並利用高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)與高斯混合回歸(Gaussian mixture regression，GMR)輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量。模擬單元208用以接收每一教導資料10所對應的參考軌跡與三維力場空間進行模擬碰撞偵測。

接著，請參閱「第8圖」，「第8圖」為「第7圖」之控制方法流程圖，其步驟包括：設置軌跡學習系統，連接教導系統，軌跡學習系統包含動態時間校正單元、力場空間建立單元、軌跡學習單元與模擬單元(步驟410)；教導 系統於教導完成時輸出複數個教導資料予軌跡學習系統(步驟420)；動態時間校正單元接收並消除該些教導資料的時間差(步驟430)；力場空間建立單元接收消除時間差的該些教導資料並利用內插法建立每一教導資料所對應的三維力場空間(步驟440)；軌跡學習單元接收消除時間差的該些教導資料並利用高斯混合模型(GMM)與高斯混合回歸(GMR)輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量(步驟450)；以及模擬單元接收每一教導資料所對應的參考軌跡與三維力場空間進行模擬碰撞偵測(步驟460)。透過上述步驟，即可透過軌跡學習系統利用模擬的方式，提升機械手臂學習軌跡的安全性，以及使機械手臂學習最佳化軌跡，以提升機械手臂的效率。

以下配合「第7圖」及「第8圖」以實施例的方式進行詳細說明，教導系統100教導機械手臂104多次後即完成教導，此時教導系統100已儲存每次教導所產生的教導資料，在本實施例中，教導系統100可教導機械手臂104五次後完成教導，但本實施例並非用以限定本發明。由於操作者操作觸覺回饋裝置102進行每次教導的完成速度不一致會產生時間差問題，因此動態時間校正單元202經教導系統100得到五個教導資料10後須進行動態時間校正，以消除時間差問題。接著，力場空間建立單元204創建一個三維空間並做網格狀分割，將所接收之消除時間差的每一教導資料10放入空間中對應的網格點，並用內插法補齊沒有教導資料的空間，其中，每一網格點各包含有三維度受力資訊(Fx、Fy、Fz)，以完成建立每一教導資料所對應的三維力場空間。軌跡學習單元206接收消除時間差的每一教導資料並利用高斯混合模型(GMM)與高斯混合回歸(GMR)輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量。模擬單元208接收每一教導資料 所對應的參考軌跡與三維力場空間進行模擬碰撞偵測，以提升機械手臂學習軌跡的安全性以及機械手臂的效率。

此外，為了解決機械手臂執行過程中碰到外在干擾或治具偏移等問題，機械手臂的教導系統更可包含控制系統，詳細的說明請先參閱「第9圖」，「第9圖」為本發明機械手臂的教導系統之控制系統的方塊圖。控制系統300包含狀態判斷單元301與導納控制組件303，狀態判斷單元301連接軌跡學習系統200、力量感測器106與導納控制組件303，導納控制組件303連接機械手臂104。機械手臂104依據參考軌跡移動與旋轉時，狀態判斷單元301用以利用力量感測器106同步接收機械手臂104依據參考軌跡移動與旋轉所產生的第二力回饋資料40與參考軌跡所對應的期望力量而輸出狀態信號50予導納控制組件303。導納控制組件303用以依據狀態信號50進行權重調整，以調控機械手臂104。

接著，請參閱「第10圖」，「第10圖」為「第9圖」之控制方法流程圖，其步驟包括：設置控制系統，控制系統包含狀態判斷單元與導納控制組件，狀態判斷單元連接軌跡學習系統、力量感測器與導納控制組件，導納控制組件連接機械手臂(步驟510)；當軌跡學習系統輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量時，機械手臂依據參考軌跡移動與旋轉(步驟520)；狀態判斷單元利用力量感測器同步接收機械手臂依據參考軌跡移動與旋轉所產生的第二力回饋資料與參考軌跡所對應的期望力量而輸出狀態信號予導納控制組件(步驟530)；以及導納控制組件依據狀態信號進行權重調整，以調控機械手臂(步驟540)。透過上述步驟，即可透過控制系統判斷是否有外在干擾或治具偏移，並依據判斷結果對導納控制組件的權重進行調整。

以下配合「第8圖」及「第9圖」以實施例的方式進行詳細說明，當軌跡學習系統200輸出每一教導資料所對應的參考軌跡與期望力量時，機械手臂104依據參考軌跡執行旋轉與移動，而狀態判斷單元301利用力量感測器106同步接收機械手臂104依據參考軌跡移動與旋轉所產生的第二力回饋資料40與參考軌跡所對應的期望力量，並依據第二力回饋資料40與參考軌跡所對應的期望力量的差值進行狀態判斷，判斷是否有外在干擾或是治具偏移而輸出狀態信號50，接著依判斷的狀況對導納控制組件303的權重進行調整(即導納控制組件303依據狀態信號50進行權重調整)。由於一般力回授控制系統只有參考軌跡，因此當機械手臂104進行元件組裝過程中有遇到類似彈簧組件需要施力才能完成組裝的元件時，一般力回授控制系統會不知道哪裡需要施力而導致力回授控制因彈簧彈力往錯誤的方向修正，本發明之控制系統加入期望力量後便可了解元件組裝過程中何處需要施加力量。

此外，由於控制系統300中的導納控制組件303可控制的震動頻率範圍有一定程度的上限，當外在震動頻率過高時導納控制組件303會失去作用並有反效果的可能性，因此機械手臂104執行參考軌跡的過程中狀態判斷單元301會不斷地擷取第二力回饋資料40並與參考軌跡所對應的期望力量相減，判斷外在干擾為震動或治具偏移(如果第二力回饋資料40與期望力量相減結果為來回震盪，將判斷為震動狀態，並計算震動頻率大小，如果純粹只是正值或是負值則判斷為偏移)，接著依判斷的狀態調整導納控制組件303的權重。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過力量感測器輸出相應的回饋信號予觸覺回饋裝置，以驅動觸覺回饋裝置，進而為操作者帶來觸覺回饋，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題。此外，本發明 之機械手臂的教導系統可直覺地同步操控機械手臂的多個自由度，解決一般傳統教導器於教導機械手臂連續點位移的軌跡時所存在設定過程複雜且繁瑣的問題。可透過力量感測器消除第一力回饋資料的雜訊與重力誤差值並轉換座標而輸出正確的回饋信號予觸覺回饋裝置，進而為操作者帶來正確的觸覺回饋。再者，可透過軌跡學習系統利用參考軌跡與三維力場空間進行模擬的方式，提升機械手臂學習軌跡的安全性，以及使機械手臂學習最佳化軌跡，以提升機械手臂的效率。可透過控制系統判斷是否有外在干擾或治具偏移，並依據判斷結果對導納控制組件的權重進行調整，且控制系統可利用參考軌跡與期望力量了解元件組裝過程中何處需要施加力量，以利進行機械手臂受力情況的調整。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧教導資料

20‧‧‧第一力回饋資料

30‧‧‧回饋信號

100‧‧‧機械手臂的教導系統

102‧‧‧觸覺回饋裝置

104‧‧‧機械手臂

106‧‧‧力量感測器

Claims (8)

1. 一種機械手臂的教導系統，用以教導一機械手臂，並儲存複數個教導資料，該機械手臂的教導系統包含：一觸覺回饋裝置(Haptic Device)，連接該機械手臂，用以產生該些教導資料予該機械手臂，使該機械手臂依據每一該些教導資料移動與旋轉；一力量感測器，設置於該機械手臂，用以擷取該機械手臂依據每一該些教導資料移動與旋轉所對應產生的一第一力回饋資料，並輸出相應的一回饋信號予該觸覺回饋裝置；以及一軌跡學習系統，連接該教導系統，該軌跡學習系統包含一動態時間校正單元、一力場空間建立單元、一軌跡學習單元與一模擬單元，當該教導系統教導完成時輸出該些教導資料予該軌跡學習系統，該動態時間校正單元用以接收來自該教導系統的該些教導資料並消除該些教導資料的時間差，該力場空間建立單元用以接收消除時間差的該些教導資料並利用內插法建立每一該些教導資料所對應的一三維力場空間，該軌跡學習單元用以接收消除時間差的該些教導資料並利用高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)與高斯混合回歸(Gaussian mixture regression，GMR)輸出每一該些教導資料所對應的一參考軌跡與一期望力量，該模擬單元用以接收每一該些教導資料所對應的該參考軌跡與該三維力場空間進行模擬碰撞偵測。
2. 根據申請專利範圍第1項之機械手臂的教導系統，其中該力量感測器包含一雜訊濾波單元、一重力誤差單元以及一座標轉換單元，該重力誤差單元連接該雜訊濾波單元與該座標轉換單元，該雜訊濾波單元用以接收並消除該第一力回饋資料的雜訊，該重力誤差單元用以接收消除雜訊的該第一力回饋資料並消除其重力誤差值，該座標轉換單元用以轉換消除雜訊與重力誤差值的該第一力回饋資料的座標，以輸出該回饋信號予該觸覺回饋裝置。
3. 根據申請專利範圍第1項之機械手臂的教導系統，其中該機械手臂的教導系統又包含一控制系統，該控制系統包含一狀態判斷單元與一導納控制組件，該狀態判斷單元連接該軌跡學習系統、該力量感測器與該導納控制組件，該導納控制組件連接該機械手臂，當該軌跡學習系統輸出每一該些教導資料所對應的該參考軌跡與該期望力量，且該機械手臂依據該參考軌跡移動與旋轉時，該狀態判斷單元用以利用該力量感測器同步接收該機械手臂依據該參考軌跡移動與旋轉所產生的一第二力回饋資料與該參考軌跡所對應的該期望力量而輸出一狀態信號予該導納控制組件，該導納控制組件用以依據該狀態信號進行權重調整，以調控該機械手臂。
4. 根據申請專利範圍第1項之機械手臂的教導系統，其中該觸覺回饋裝置調整對該機械手臂的控制移動比例。
5. 一種機械手臂的教導系統的控制方法，其步驟包括：將一觸覺回饋裝置連接一機械手臂；將一力量感測器設置於該機械手臂； 利用該觸覺回饋裝置產生複數個教導資料予該機械手臂；儲存該些教導資料；該機械手臂依據每一該些教導資料移動與旋轉；該力量感測器擷取該機械手臂依據每一該些教導資料移動與旋轉所對應產生的一第一力回饋資料，並輸出相應的一回饋信號予該觸覺回饋裝置；以及設置一軌跡學習系統，連接該教導系統，該軌跡學習系統包含一動態時間校正單元、一力場空間建立單元、一軌跡學習單元與一模擬單元；該教導系統於教導完成時輸出該些教導資料予該軌跡學習系統；該動態時間校正單元接收並消除該些教導資料的時間差；該力場空間建立單元接收消除時間差的該些教導資料並利用內插法建立每一該些教導資料所對應的一三維力場空間；該軌跡學習單元接收消除時間差的該些教導資料並利用高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)與高斯混合回歸(Gaussian mixture regression，GMR)輸出每一該些教導資料所對應的一參考軌跡與一期望力量；以及該模擬單元接收每一該些教導資料所對應的該參考軌跡與該三維力場空間進行模擬碰撞偵測。
6. 根據申請專利範圍第5項之機械手臂的教導系統的控制方法，其中該力量感測器包含一雜訊濾波單元、一重力誤差單元以及一座標 轉換單元，在該力量感測器擷取該機械手臂依據每一該些教導資料移動與旋轉所對應產生的該第一力回饋資料並輸出相應的該回饋信號予該觸覺回饋裝置之步驟更包含下列步驟：該雜訊濾波單元接收並消除該第一力回饋資料的雜訊；該重力誤差單元接收消除雜訊的該第一力回饋資料並消除其重力誤差值；以及該座標轉換單元轉換消除雜訊與重力誤差值的該第一力回饋資料的座標，以輸出該回饋信號予該觸覺回饋裝置。
7. 根據申請專利範圍第5項之機械手臂的教導系統的控制方法，更包含：設置一控制系統，該控制系統包含一狀態判斷單元與一導納控制組件，該狀態判斷單元連接該軌跡學習系統、該力量感測器與該導納控制組件，該導納控制組件連接該機械手臂；當該軌跡學習系統輸出每一該些教導資料所對應的該參考軌跡與該期望力量時，該機械手臂依據該參考軌跡移動與旋轉；該狀態判斷單元利用該力量感測器同步接收該機械手臂依據該參考軌跡移動與旋轉所產生的一第二力回饋資料與該參考軌跡所對應的該期望力量而輸出一狀態信號予該導納控制組件；以及該導納控制組件依據該狀態信號進行權重調整，以調控該機械手臂。
8. 根據申請專利範圍第5項之機械手臂的教導系統的控制方法，更包含下列步驟： 接收一暫停命令，使該機械手臂暫停移動與旋轉；移動與旋轉該觸覺回饋裝置至一預定位置；紀錄該觸覺回饋裝置於該預定位置的一第一當前姿態訊息；接收一開始命令，使該觸覺回饋裝置開始移動與旋轉，並同步紀錄該觸覺回饋裝置開始移動與旋轉後的一第二當前姿態訊息；以及依據該第二當前姿態訊息與該第一當前姿態訊息控制該機械手臂移動與旋轉。