TWI615693B - 多軸機器手臂及其調整方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露文件係揭露關於多軸機器手臂的一種調整方法。調整方法是藉由控制系統實施，用以調整包含複數個馬達的多軸機器手臂。調整方法包含：藉由控制系統分析此些馬達各自的衰退率；當此些馬達的其中之一馬達的衰退率大於對應的第一門檻值時，藉由控制系統進一步分析此其中之一馬達的殘餘價值；以及當殘餘價值高於第一預設值時，藉由控制系統調整此些馬達中至少一者的輸出能力。

Description

多軸機器手臂及其調整方法
本揭露文件係關於一種多軸機器手臂，特別係關於一種可減緩性能降低的多軸機器手臂其調整方法。
多軸機器手臂為現代自動化生產技術中十分重要的一環，其透過各個軸點的馬達驅動以完成各種動作，取代了人力執行各項精密或危險的任務，舉凡汽車製造業、電子業、甚至醫療救助等領域都可見多軸機器手臂的運用。
而在傳統上，當發現多軸機器手臂內部元件(例如馬達)出現衰退情形時，必須停機檢修或更換馬達。而因為各元件的衰退狀況根據使用情形或品質差異而有不同，因此常需要頻繁停機以更換各元件，導致了生產率嚴重下降。
未解決上述頻繁停機導致之生產率下降之間題，在本揭露文件之一技術態樣中提出一種調整方法。調整方法藉由控制系統實行並用以調整包含複數個馬達的多軸機器手臂。調整方法包含：藉由控制系統分析此些馬達各自 的衰退率；當此些馬達的其中之一馬達的衰退率大於對應的第一門檻值時，藉由控制系統進一步分析此其中之一馬達的殘餘價值；以及當殘餘價值高於第一預設值時，調整此些馬達中至少一者的輸出能力。
此外，在本揭露文件之另一技術態樣中提出一種多軸機器手臂。多軸機器手臂包含複數個馬達及控制系統。此複數個馬達分別設置於多軸機器手臂的多個軸點。控制系統用以分析此些馬達各自的衰退率。當控制系統判斷此些馬達的其中之一馬達的衰退率大於對應的第一門檻值時，控制系統進一步分析此其中之一馬達的殘餘價值。當殘餘價值高於第一預設值時，控制系統調整此些馬達中至少一者的輸出能力。
透過本揭露文件揭示之多軸機器手臂及調整方法，當多軸機器手臂有部分元件衰退時，不需急著停機更換元件，而可透過改變其他元件的作動來進行輸出補償，以維持一定的生產能力，不僅大大減少了因為停機帶來的損失，且亦可使各元件操作壽命延長，降低更換元件的成本。
100‧‧‧多軸機器手臂
110‧‧‧控制系統
200、300‧‧‧方法
M_1~M_n‧‧‧馬達
S202、S204、S206、S208‧‧‧步驟
S210、S220、S222、S230‧‧‧步驟
S240、S250、S260‧‧‧步驟
第1圖為本揭露文件之一實施例之多軸機器手臂架構示意圖。
第2圖為本揭露文件之一實施例之調整方法流程圖。
第3圖為本揭露文件之一實施例之調整方法流程圖。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用來限定本發明，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明揭示內容所涵蓋的範圍。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。
請參閱第1圖，第1圖繪示本揭露文件之一實施例之多軸機器手臂100的架構示意圖。多軸機器手臂100包含複數個馬達M_1~M_n以及控制系統110。其中n為正整數，而多軸機器手臂100之實際馬達數量可根據實際應用而設計。較佳地，多軸機器手臂100具有四個以上的馬達。
馬達M_1~M_n分別設置在多軸機器手臂100的n個軸點上，用以控制多軸機器手臂100的旋轉及屈伸，以使多軸機器手臂100可以沿著特定路徑作動或延伸至指定位置以進行下一步操作。其中，馬達M_1~M_n各者依據實際設計應用可負責多軸機器手臂100於水平方向、垂直方向及/或介於水平及垂直之間任一角度的方向的轉動及/或屈伸。
舉例來說，假設馬達M1負責水平方向的轉動，則馬達M1轉動時，可使多軸機器手臂100沿著水平面轉動或屈伸，而假設馬達M2負責垂直方向的轉動，則馬達M2轉動時，可使多軸機器手臂100沿著垂直面轉動或屈伸，依此類推。其中多軸機器手臂100的轉動或屈伸幅度相關於馬達M_1~M_n各者的輸出能力，例如當馬達M1負責水平方向的轉動時，若馬達M1的輸出(例如扭力)越大時，則多軸機器手臂100於水平方向的轉動幅度越大或屈伸程度越大。
控制系統110例如為嵌入式系統或電腦處理器等，其分別與馬達M_1~M_n電性連接，用以發出指令控制馬達M_1~M_n各者的作動。其中控制馬達M_1~M_n各者的作動例如為控制馬達M_1~M_n各者的輸出能力或轉動幅度等。當使用者輸入指令至控制系統110後，控制系統110可根據使用者的指令，計算多軸機器手臂100完成指定動作或達到指定位置時的最佳動作指令。具體而言，控制系統110可計算欲使多軸機器手臂100以最佳效率或最低功耗完成指定動作或達到指定位置時，馬達M_1~M_n各者須輸出多少扭力或須轉動多少幅度。
而當控制系統110計算出最佳動作指令後，可透過內建的機台預診斷功能(Prognostics and Health Management,PHM)判斷馬達M_1~M_n各者是否存在衰退情形，以供進一步判斷是否須調整馬達M_1~M_n各者的輸出能力或是否須更換例如馬達M_1~M_n等零件。其中，衰退情形可由馬達的扭力變化、振動頻率及/或運作溫度(轉 子溫度、定子溫度、零件溫度)等作為判斷依據。例如當馬達的扭力較平常輸出為小、振動頻率異常改變或運作溫度偏高時，則表示馬達已存在衰退現象。
關於判斷是否調整馬達M_1~M_n各者的輸出能力或是否更換零件的機制，請參閱第2圖繪示之本揭露文件之一實施例之調整方法200流程圖。調整方法200用以調整多軸機器手臂100。其中調整方法200包含步驟S210、220、S230、S240、S250等步驟。
於步驟S210，控制系統110將個別分析各馬達M_1~M_n的衰退率/衰退程度。衰退率可依據任何規則轉化為數值，於一實施例中，衰退率可為馬達已使用年限相對於預期操作壽命的比例。於另一實施例中，衰退率亦可為馬達當時最大扭力與初始最大扭力的相對比值。亦即，衰退率可根據多軸機器手臂100實際運用的領域來設定判斷基準，本揭露文件並不加以限制。
而於步驟S220中，若發現馬達M_1~M_n中的其中之一馬達(例如M_1)的衰退率大於對應的第一門檻值時，則進入步驟S230。其中，前述各馬達對應的第一門檻值可為相同的數值(例如80%)，或者，每一馬達可對應不同的第一門檻值。
在步驟S230中，調整方法200將進一步分析衰退率大於對應的第一門檻值的馬達(例如M_1)的殘餘價值。殘餘價值是指機器設備或元件在不繼續使用的前提下，機器設備或元件剩餘的價值估計額。具體來說，元件當前的 預估剩餘操作壽命(預估操作壽命減去當前使用年限)占整個預估操作壽命的比例乘以元件的購入價格即為元件的殘餘價值。
接著，於步驟S240判斷步驟S230中分析得之馬達(例如M_1)的殘餘價值是否高於第一預設值。當步驟S240判斷馬達的殘餘價值高於第一預設值時，表示馬達尚有較長的操作壽命，則更換零件成本較高，因此進入步驟S250調整馬達M_1~M_n中至少一者的輸出能力。前述第一預設值可根據實際需求作設定，本揭露文件不加以限制。
具體而言，步驟S250可調整衰退率大於對應第一門檻值的馬達的各項運作參數，以使控制系統110根據調整後的運作參數重新計算各馬達的最佳動作指令。較佳地，控制系統110將根據調整後的運作參數來降低衰退率大於對應第一門檻值的馬達的輸出扭力，並提高至少一另一馬達的輸出扭力來補償整體輸出能力。
舉例來說，假設多軸機器手臂100為四軸機器手臂，僅具有M_1~M_4等四個馬達，而多軸機器手臂100的端點初始位置位於A1點。當使用者欲使多軸機器手臂100的端點從初始位置延伸至目標位置時，各馬達M_1~M_4於座標系中的位置變化及所需輸出扭力如下表一：
Figure TWI615693BD00001
Figure TWI615693BD00002
其中，表一中初始座標為多軸機器手臂100的端點位於初始位置時各馬達對應的座標，目的座標為多軸機器手臂100的端點位於目標位置時各馬達對應的座標。亦即，當馬達M_1~M_4位於各自的目的座標時，多軸機器手臂100的端點才會抵達目標位置。此外，假設輸出扭力T1為0.56，T2為0.8，T3為0.9，T4為0.8。
一般而言，當各馬達皆未出現衰退情形時(即健康狀態)，馬達M_1~M_4將從各自的初始座標直線移動至目的座標，以使多軸機器手臂100可以直線(最短)路徑延伸至目標位置。然而，當馬達出現衰退時，原移動路徑所需扭力對馬達可能負擔較大，若仍以原路徑、原扭力運作，將加速馬達的損耗。
因此，假設馬達M_1發生衰退現象且衰退率大於對應的第一門檻值時，則於步驟S250調整各馬達的輸出能力之後，馬達M_1~M_4於座標系中的位置變化及所需輸出扭力將如下表二：
Figure TWI615693BD00003
 (表二)
於此例中，步驟5250例如將衰退率較高之馬達M_1的輸出扭力T1(例如0.56)降低至V1(例如0.3)，其中輸出扭力的降低幅度可根據實際應用作調整。而馬達M_2~M_4各者的輸出扭力將配合及補償馬達M_1的輸出扭力V1作調整，其中馬達M_2的輸出扭力由T2(例如0.8)調整至V2(例如0.6)，馬達M_3的輸出扭力由T3(例如0.9)調整至V3(例如1.3)，馬達M_4的輸出扭力由T4(例如0.8)調整至V4(例如1.2)，以使多軸機器手臂100的端點最終仍可移動至目標位置。
而因為輸出扭力改變，各軸馬達M_1~M_4無法以原先的直線距離移動至目的座標，而會例如先移動至中繼座標後，在自中繼座標移動到目的座標。藉此，馬達M_1的輸出扭力下降，損耗程度可獲得減緩，使得在不更換馬達的情況下，多軸機器手臂100的整體操作壽命可以延長。此外，應注意的是，中繼座標亦可為多個位置，前述說明僅是用以舉例，並非用以限定本發明。
於一實施例中，更詳細的調整方法例如第3圖所繪示本揭露文件之一實施例之調整方法300的流程圖。調整方法300亦是用以調整多軸機器手臂100。其中調整方法300包含步驟S202、S204、S210、S212、S220、S222、S230、S240、S250、S260等步驟。首先，當使用者輸入指令至多軸機器手臂100的控制系統110後，控制系統110於步驟S202呼叫及分析馬達M_1~M_n各者的初始設定 值。初始設定值例如為馬達M_1~M_n各者的原始輸出能力範圍及各種相關運作參數(溫度、摩擦力、設置之軸點位置等等)。
於步驟S204時，根據步驟S202所作分析進一步計算出最佳動作指令，例如多軸機器手臂100欲以最低功耗及/或最佳效率完成指令動作時，馬達M_1~M_n該如何作動。於計算出最佳動作指令後，步驟S206使控制系統110的機台預診斷功能(PHM)根據馬達M_1~M_n各者的扭力大小、振動程度、運作溫度等至少其中一者以分析馬達M_1~M_n各自的性能。
接著，於步驟S208判斷馬達M_1~M_n的性能是否存在衰退現象。當於步驟S208判斷馬達M_1~M_n的性能並無任何衰退現象時，則表示多軸機器手臂100功能正常，可根據步驟S204產生的最佳動作指令開始執行使用者指示的任務。而當步驟S208判斷馬達M_1~M_n的性能存在衰退現象時，則進一步進入步驟S210以個別分析各馬達M_1~M_n的衰退率/衰退程度。
於步驟S220中，若發現馬達M_1~M_n中的其中之一馬達(例如馬達M_1)的衰退率大於對應的第一門檻值時，則進入步驟S230。其中，如同調整方法200，調整方法300中所述各馬達對應的第一門檻值可為相同的數值(例如80%)，或者，每一馬達可對應不同的第一門檻值。
在步驟S230中，調整方法300進一步分析衰退率大於對應的第一門檻值的馬達(例如馬達M_1)的殘餘價 值。接著，於步驟S240判斷馬達的殘餘價值是否高於第一預設值。當步驟S240判斷殘餘價值高於第一預設值時，則進入步驟S250調整馬達M_1~M_n中至少一者的輸出能力。前述第一預設值可根據實際需求作設定，本揭露文件不加以限制。
承上述，倘若於步驟S240判斷殘餘價值低於第一預設值時，則進入步驟S260使控制系統110發出通知訊號，以通知使用者更換零件。具體來說，欲更換零件例如為馬達M_1~M_n中之至少其中一者、或者對應設置於各馬達M_1~M_n旁以協助馬達調整扭力或加速/減速作用的減速機(圖未示)之至少其中一者。其中，可更換衰退率大於對應第一門檻值的部分馬達及/或其對應的減速機，或者，可更換全部的馬達及/或減速機。
承上實施例，若步驟S220判斷其中之一馬達的衰退率小於對應的第一門檻值時，則進入步驟S222，判斷馬達M_1~M_n之中是否有K個馬達的衰退率大於各自對應的第二門檻值。其中K為大於一的正整數。較佳地，K例如為n/2，即半數的馬達。此外，馬達M_1~M_n各自對應的第二門檻值小於各自對應的第一門檻值，而前述各馬達對應的第二門檻值可為相同的數值(例如50%)，或者，每一馬達可對應不同的第二門檻值。
舉例來說，當馬達M_1~M_n之中衰退率大於各自對應的第二門檻值的馬達數量少於K個(例如半數)時，表示多軸機器手臂100的整體健康狀態尚可，故可直接 以步驟S204計算得之最佳動作指令開始執行任務。
而當馬達M_1~M_n之中有K個(例如半數)以上的馬達的衰退率大於各自對應的第二門檻值時，則表示多軸機器手臂100的整體衰退程度較高，調整方法300進入步驟S230以分析預測多軸機器手臂100中衰退率大於各自對應的第二門檻值的馬達的平均殘餘價值。並接著進入步驟S240判斷此平均殘餘價值是否高於第二預設值。第二預設值可相同於第一預設值，或可根據實際應用而不同於第一預設值。
當步驟S240判斷平均殘餘價值高於第二預設值時，則進入步驟S250以調整馬達M_1~M_n中至少一者的輸出能力。於此例中，可例如降低衰退率大於各自所對應第二門檻值的馬達的輸出扭力，並以衰退率小於各自所對應第二門檻值的馬達來進行補償。而當步驟S240判斷平均殘餘價值低於第二預設值時，則進入步驟S260使控制系統110發出通知訊號，以通知使用者更換馬達M_1~M_n中之至少其中一者及/或更換對應設置於各馬達M_1~M_n旁的減速機之至少其中一者。其中，因為馬達M_1~M_n之中有半數以上的馬達的衰退率大於各自對應的第二門檻值，較佳更換全部的馬達及/或減速機。
於本揭露文件的另一實施例中，調整方法200及調整方法300的步驟S230~S240中的判斷依據亦可以多軸機器手臂100的生產能力(產能)作為參考基準值。生產能力是指多軸機器手臂100運作時所能產生的產品價值或產 量。舉例來說，調整方法200及/或調整方法300於步驟S230中分析多軸機器手臂100的生產能力，接著於步驟S240判斷生產能力的高低。當多軸機器手臂100的生產能力較高時，進入步驟S250調整馬達的輸出能力以繼續執行任務，反之，則進入步驟S260發出通知訊號以更換馬達。
於本揭露文件的又一實施例中，調整方法200及調整方法300的步驟S230~S240中的判斷依據亦可以停機成本作為參考基準值。停機成本是指為了更換零件而停機所可能造成的產能削減量。舉例來說，調整方法200及/或調整方法300於步驟S230中分析多軸機器手臂100的停機成本，接著於步驟S240判斷停機成本的高低。當停機成本較高時，表示產能削減量較多，不應該停機更換零件，則進入步驟S250調整馬達的輸出能力以繼續執行任務。反之，當停機成本較低時，表示產能削減量較少，即馬達衰退程度較嚴重以進而導致產能偏低，應該停機更換零件，則進入步驟S260發出通知訊號以更換馬達。
透過本揭示文件的教示，多軸機器手臂可不用頻繁更換馬達，而仍能維持整體運作精度和性能，也因此減少了產線因為頻繁更換零件帶來的損失。此外，因為透過各馬達彼此間互相補償，衰退馬達的損耗程度可大幅降低，以延長操作年限，也因而降低了更換零件的成本。
雖然本發明之實施例已揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以 後附之申請專利範圍所界定為準。
200‧‧‧方法
S210、S220、S230、S240、S250‧‧‧步驟

Claims (12)

  1. 一種調整方法，藉由一控制系統實施，用以調整一多軸機器手臂，該多軸機器手臂包含複數個馬達，該調整方法包含：(A)藉由該控制系統分析該些馬達各自的一衰退率；(B)當該些馬達的其中之一馬達的該衰退率大於對應的一第一門檻值時，藉由該控制系統進一步分析該其中之一馬達的一殘餘價值；以及(C)當該殘餘價值高於一第一預設值時，藉由該控制系統降低該些馬達中之該衰退率大於對應的該第一門檻值之至少一者的一輸出能力；其中該馬達之該殘餘價值為該馬達之一當前預估剩餘操作壽命除以該馬達之一預估操作壽命，再乘以該馬達之一購入價格所得之數值。
  2. 如請求項1所述之調整方法，其中在步驟(B)更包含：藉由該控制系統根據該其中之一馬達的一預估剩餘操作壽命來分析該殘餘價值。
  3. 如請求項1所述之調整方法，更包含：(D)當該殘餘價值低於該第一預設值時，藉由該控制系統發出一通知訊號以更換該些馬達之至少其中一者。
  4. 如請求項1所述之調整方法，其中步驟(B) 更包含：當該其中之一馬達的該衰退率小於對應的該第一門檻值時，藉由該控制系統進一步判斷該些馬達之中是否有複數個馬達的該衰退率大於各自對應的一第二門檻值，其中該些馬達各自對應的該第二門檻值小於各自對應的該第一門檻值；當該些馬達之中有複數個馬達的該衰退率大於各自對應的該第二門檻值時，藉由該控制系統進一步分析該衰退率大於各自對應的該第二門檻值的該些馬達的一平均殘餘價值；以及當該平均殘餘價值高於一第二預設值時，藉由該控制系統調整該些馬達中至少一者的該輸出能力。
  5. 如請求項4所述之調整方法，更包含：(D1)當該平均殘餘價值低於該第二預設值時，藉由該控制系統發出一通知訊號以更換該些馬達之至少其中一者。
  6. 如請求項1所述之調整方法，其中在步驟(A)更包含：藉由該控制系統根據該些馬達的一扭力大小、一振動程度、一運作溫度之其中一者來判斷該些馬達的性能是否衰退，當判斷該些馬達性能衰退時，才分析該些馬達各自的該衰退率。
  7. 如請求項1所述之調整方法，其中步驟(C)更包含以下步驟：(C1)降低該些馬達中之該衰退率大於對應的該第一門檻值之至少一者的輸出扭力；以及(C2)提高該些馬達之至少一另一馬達的輸出扭力。
  8. 一種多軸機器手臂，包含：複數個馬達，分別設置於該多軸機器手臂的多個軸點；以及一控制系統，用以分析該些馬達各自的一衰退率；其中當該控制系統判斷該些馬達的其中之一馬達的該衰退率大於對應的一第一門檻值時，該控制系統進一步分析該其中之一馬達的一殘餘價值，當該殘餘價值高於一第一預設值時，該控制系統降低該些馬達中之該衰退率大於對應的該第一門檻值之至少一者的一輸出能力；其中該馬達之該殘餘價值為該馬達之一當前預估剩餘操作壽命除以該馬達之一預估操作壽命，再乘以該馬達之一購入價格所得之數值。
  9. 如請求項8所述之多軸機器手臂，其中該控制系統是根據該其中之一馬達的一預估剩餘操作壽命來分析該殘餘價值。
  10. 如請求項8所述之多軸機器手臂，其中當該控制系統判斷該其中之一馬達的該衰退率小於對應的 該第一門檻值時，該控制系統進一步判斷該些馬達之中是否有複數個馬達的該衰退率大於各自對應的一第二門檻值，其中該些馬達各自對應的該第二門檻值小於各自對應的該第一門檻值，當該控制系統判斷該些馬達之中有複數個馬達的該衰退率大於各自對應的該第二門檻值時，該控制系統進一步分析該衰退率大於各自對應的該第二門檻值的該些馬達的一平均殘餘價值，當該平均殘餘價值高於一第二預設值時，該控制系統調整該些馬達中至少一者的該輸出能力。
  11. 如請求項8所述之多軸機器手臂，其中該控制系統調整該些馬達中至少一者的該輸出能力包含降低該些馬達中之該衰退率大於對應的該第一門檻值之至少一者的輸出扭力，並提高該些馬達之至少一另一馬達的輸出扭力。
  12. 如請求項8所述之多軸機器手臂，其中在控制系統分析該些馬達各自的該衰退率之前，該控制系統根據該些馬達的一扭力大小、一振動程度、一運作溫度之其中一者來判斷該些馬達的性能是否衰退，當判斷該些馬達性能衰退時，控制系統才分析該些馬達各自的該衰退率。
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