TWI636857B

TWI636857B - 電動關節校準方法及校準裝置

Info

Publication number: TWI636857B
Application number: TW106137101A
Authority: TW
Inventors: 陳民憶
Original assignee: 瑞軒科技股份有限公司
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-10-01
Also published as: TW201916990A

Abstract

一種電動關節校準方法，用於校準機器人的關節，其中關節具有馬達。所述電動關節校準方法包含控制所述馬達由初始位置往第一方向轉動同時取得馬達的第一轉動電流值，當第一轉動電流值等於預先定義之最大電流值時，偵測第一量測值，其中所述第一量測值對應於關節的第一轉動角度，控制馬達往相反於第一方向的第二方向轉動同時取得馬達的第二轉動電流值，當第二轉動電流值等於預先定義之最大電流值時，偵測第二量測值，其中所述第二量測值對應於關節的第二轉動角度，以及依據第一量測值及第二量測值產生校準值。

Description

電動關節校準方法及校準裝置

本發明係關於一種校準方法及校準裝置，特別關於一種電動關節校準方法及校準裝置。

隨著工業機械發展蓬勃，自動化設備、無線遙控等技術日益成熟，進而開始著重於機器人的研發，以執行工業上重複性高或是危險的工作。近年來，除了工業領域外，機器人的應用更拓展至國防、醫療、服務業以及居家伴隨機器人。機器人往往被設計以執行精密的工作流程甚至更細膩，更擬人化之活動。

然而，當機器人的各身體組件在經組裝時，往往會有些許角度上的偏差，導致各個機器人的關節的實際出廠預設值可能有所不同，進而使得這些機器人在接收同一中控系統的控制命令時，每個機器人執行命令的結果可能有所差異。舉例來說，甲機器人在出廠時其手臂與地面垂直，而乙機器人在出廠時其手臂則與垂直於地面的軸夾有1度角（1°）。如此一來，當中控系統指示甲及乙機器人的手臂關節執行旋轉任一角度時，甲及乙機器人的執行結果之間將會有1度角（1°）的差異。

因此，本發明在於提供一種電動關節校準方法及校準裝置。

依據本發明一實施例的電動關節校準方法，用於校準機器人的關節，其中關節具有馬達。所述電動關節校準方法包含控制所述馬達由初始位置往第一方向轉動同時取得馬達的第一轉動電流值；當第一轉動電流值等於預先定義之最大電流值時，偵測第一量測值，其中所述第一量測值對應於關節的第一轉動角度；控制馬達往相反於第一方向的第二方向轉動同時取得馬達的第二轉動電流值；當第二轉動電流值等於預先定義之最大電流值時，偵測第二量測值，其中所述第二量測值對應於關節的第二轉動角度；以及依據第一量測值及第二量測值產生校準值。

依據本發明另一實施例的電動關節校準方法，適用於具有距離感測器的電動關節校準裝置。所述電動關節校準方法用以校準機器人的關節，其中所述關節具有馬達以帶動機器人的身體組件轉動。所述電動關節校準方法包含控制馬達由初始位置往一方向轉動並偵測第一距離，其中第一距離指示身體組件與距離感測器之間的距離；當第一距離等於預設距離時，偵測量測值，其中所述量測值對應於關節的轉動角度；以及依據量測值及對應於預設距離的預設量測值，產生校準值。

依據本發明一實施例的電動關節校準裝置，用以校準機器人的關節，所述關節具有馬達以帶動機器人的身體組件轉動。電動關節校準裝置包含多個限位治具、電流偵測電路、角度感測器以及控制器，其中控制器連接於電流偵測電路及角度感測器。限位治具用以阻擋身體組件轉動使馬達的轉動電流具有預先定義之最大電流値。電流偵測電路用以偵測馬達的轉動電流。角度感測器用以偵測對應於關節的轉動角度的量測值。控制器用以連接並控制馬達往第一方向轉動並自電流偵測電路取得第一轉動電流値，當判斷第一轉動電流値等於預先定義之最大電流値時，自角度感測器取得第一量測值，再控制馬達往相反於第一方向的第二方向轉動並自電流偵測電路取得第二轉動電流値，當判斷第二轉動電流値等於預先定義之最大電流値時，自角度感測器取得第二量測值，並依據第一量測值及第二量測值產生校準值。

依據本發明另一實施例的電動關節校準裝置，用以校準機器人的關節，所述關節具有馬達以帶動機器人的身體組件轉動。電動關節校準裝置包含距離感測器、角度感測器以及控制器，其中控制器連接於距離感測器及角度感測器，距離感測器用以偵測身體組件與距離感測器之間的第一距離。角度感測器用以偵測對應於關節的轉動角度的量測值。控制器用以連接並控制馬達往一方向轉動並自距離感測器取得第一距離，在判斷第一距離等於預設距離時，自角度感測器讀取量測值，並依據量測值及對應於預設距離的預設量測值，產生校準值。

藉由上述本發明所揭示的電動關節校準方法及校準裝置，可以取得機器人的關節的實際出廠預設位置與理想預設位置之間的角度差，並據以產生校準值，使得在後續機器人的控制中，可依據校準值以調整控制指令，提升機器人執行控制指令的精準度。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1A及1B，圖1A及1B分別係依據本發明一實施例所繪示的適用於機器人1的關節10的電動關節校準裝置2的側視圖及局部前視圖。如圖1A及1B所示，電動關節校準裝置2係用以校準機器人1的關節10，其中機器人1的關節10為電動關節，具有馬達100以帶動機器人的身體組件12轉動。電動關節校準裝置2包含有多個限位治具21A及21B、電流偵測電路23、角度感測器25以及控制器27，其中控制器27連接於電流偵測電路23及角度感測器25。

限位治具21A及21B係用以阻擋機器人1的身體組件12轉動而使得馬達的轉動電流具有預先定義之最大電流値。詳細來說，以圖1A及1B所呈現的實施例來作說明，在馬達100帶動身體組件12逆時針轉動的過程中，身體組件12會被限位治具21A阻擋而無法轉動，也就是說，馬達100會呈堵轉狀態，此時馬達100的轉動電流將具有預先定義之最大電流值，其中預先定義之最大電流值為馬達100的堵轉電流值。另一方面，在馬達100帶動身體組件12順時針轉動的過程中，身體組件12會被限位治具21B阻擋而呈堵轉狀態，使馬達100的轉動電流將具有預先定義之最大電流值。於此實施例中，限位治具21A及21B的數量以兩個為例，然而本發明並不限於此。於此實施例中，電動關節校準裝置2係用以校準機器人1的關節10，其中關節10在此例中為肩膀關節，但本發明並不限於此，亦可用於脖子關節或四肢關節。

電流偵測電路23受控於控制器27並用以連接於馬達100以取得馬達100的轉動電流。詳細來說，電流偵測電路23可以依據控制器27的控制指令定期地取得馬達100的轉動電流，再將其回傳至控制器27。

角度感測器25則用以偵測對應於關節10的轉動角度的量測值。如圖1B所示，角度感測器25以對應於關節10的齒輪組102的方式設置。於此實施例中，角度感測器25例如係增量型的磁式角度感測器，其量測值為電壓值，範圍可為0～3.3伏特（V），且量測值與轉動角度間具有比例關係，此比例關係視角度感測器25可量測的轉動角度範圍而定。

舉例來說，在角度感測器25可量測的轉動角度範圍為0～180度（0°~180°）的情況下，角度感測器25偵測得1.1V的量測值即對應於60度（60°）的轉動角度；也就是說，當角度感測器25所偵測到的量測值為1.1V時，即可判斷關節10轉動了60度（60°）。舉另一個例子，在角度感測器25可量測的轉動角度範圍設計為0～360度（0°~360°）的情況下，當角度感測器25偵測到1.1V的量測值時，即可判斷關節10轉動了120度（120°）。本發明所屬領域中具有通常知識者得以依據實際所需來設計角度感測器可量測的角度範圍。以機器人的脖子關節為例，為了符合人類的肢體動作，可以設計轉動角度範圍為0～180度（0°~180°）的角度感測器。而以肩膀關節為例，則可設計轉動角度範圍為0～360度（0°~360°）的角度感測器。

控制器27用以連接至馬達100，以控制馬達100往一方向轉動，並同時判斷來自電流偵測電路23的轉動電流值是否等於馬達100的預先定義之最大電流值。當控制器27判斷轉動電流值等於預先定義之最大電流值時，控制器27控制角度感測器25偵測對應於轉動角度的量測值，並接著控制馬達100往另一方向轉動，以同於上述的判斷步驟取得另一量測值，再依據兩個量測值產生校準值以完成機器人1的關節10的校準。

於另一實施例中，角度感測器25亦可以係內建於機器人1的元件，而電動關節校準裝置2可以包含有無線收發器以無線的方式執行驅動馬達100、偵測馬達100的電流以及讀取角度感測器25的量測值的動作。

詳細的校準方法請一併參考圖1B、圖2及圖3A～3C。圖2係依據本發明一實施例所繪示的機器人關節的電動關節校準方法的流程圖，而圖3A～3C則係依據本發明一實施例所繪示的機器人關節的電動關節校準裝置的運作示意圖。如圖3A所示，電動關節校準裝置2在對機器人1的關節10進行校準時，電動關節校準裝置2的控制器27會先控制關節10的馬達100轉動，使身體組件12轉動至初始位置P0，即實際出廠預設位置。由圖3A可得知，初始位置P0與理想預設位置Y之間夾有偏差角度θ0。由於多個機器人可能各自會有不同的偏差角度，故當這些機器人接收同一中控系統的控制命令（例如將手臂向前舉30度（30°））時，每個機器人執行命令的結果可能會有所差異。因此透過圖2所示的電動關節校準方法可以判斷出如圖3A中所示的偏差角度θ0，再依據此偏差角度θ0計算出校準值，以供後續對機器人的控制使用。

詳細來說，如圖2、3A及3B所示，於步驟S101中，控制器27控制馬達100由初始位置P0往第一方向D1轉動，同時控制電流偵測電路23取得馬達100的第一轉動電流（即馬達100沿第一方向D1轉動時的電流值）。當馬達100帶動身體組件12轉動至第一位置P1時，身體組件12被限位治具21A阻擋而無法繼續轉動，此時馬達100呈堵轉狀態，且其轉動電流值將為預先定義之最大電流值。因此，於步驟S103中，當控制器27判斷電流偵測電路23所取得的第一轉動電流等於預先定義之最大電流值時，即表示馬達100因身體組件12受阻而堵轉，此時控制器27控制角度感測器25偵測第一量測值，此第一量測值對應於關節10的第一轉動角度θ1，即初始位置P0及第一位置P1之間的夾角。

接著，如圖2、3B及3C所示，於步驟S105中，控制器27控制馬達100自第一位置P1往第二方向D2轉動，同時控制電流偵測電路23取得馬達100的第二轉動電流（即馬達100沿第二方向D2轉動時的電流值）。同於前述判斷馬達堵轉的原理，於步驟S107中，當控制器27判斷電流偵測電路23所取得的第二轉動電流等於預先定義之最大電流值時，即表示馬達100因身體組件12在第二位置P2被限位治具21B阻擋而堵轉，此時角度感測器25偵測第二量測值，此第二量測值對應於關節10的第二轉動角度θ2，即第一位置P1與第二位置P2之間的夾角。

再來於步驟S109中，控制器27依據第一量測值及第二量測值來產生校準值。更詳細來說，如圖3A～3C所示，偏差角度θ0可由第一轉動角度θ1及第二轉動角度θ2計算推得，即方程式θ0=1/2*θ2-θ1。再者，如前所述，角度感測器25所量測出的量測值（例如係電壓值）與關節10的轉動角度間具有比例關係。於一實施例中，校準值可以係第二量測值的二分之一減掉第一量測值的計算結果，也就是說校準值係對應於偏差角度θ0的電壓值。而於另一實施例中，校準值係第二量測值的二分之一減掉第一量測值的計算結果再乘以調整係數而得。於又一實施例中，校準值則係第二量測值的二分之一減掉第一量測值的計算結果再加上調整值而得。如此一來，當理想預設位置並非位於第二轉動角度θ2的一半時，可將理想預設位置與第二轉動角度θ2的一半的差值設定為所述調整值，以取得對應於所述理想預設位置的校準值。

此外，上述實施例係以逆時針作為第一方向D1再以順時針作為第二方向D2為例，然而本發明亦可以先順時針再逆時針的順序進行校準。

接下來請參考圖4A及4B，圖4A及4B分別係依據本發明另一實施例所繪示的電動關節校準裝置的側視圖及局部前視圖。如圖4A及4B所示，電動關節校準裝置3同於圖1A及1B所示的電動關節校準裝置2，係用於校準機器人1的關節10，其中關節10具有馬達100以帶動機器人1的身體組件12轉動。電動關節校準裝置3包含距離感測器31、角度感測器35以及控制器37，其中控制器37連接於距離感測器31及角度感測器35。

距離感測器31例如是紅外線感測器，用於偵測身體組件12與距離感測器31之間的距離。角度感測器35用以偵測對應於關節10的轉動角度的量測值。類似於圖1B的實施例中所述的角度感測器25，如圖4B所示，角度感測器35對應於關節10的齒輪組102以設置，其量測值例如為電壓值且與關節10的轉動角度間具有比例關係，詳細的比例關係如前所述，於此不再贅述。

控制器37用於連接至馬達100以控制其往一方向轉動，並判斷距離感測器31所偵測的距離是否等於預設距離。當控制器37判斷距離感測器31所偵測的距離等於預設距離時，控制器37控制角度感測器35偵測對應於轉動角度的量測值，再依據此量測值以及對應於預設距離的預設量測值產生校準值。

於另一實施例中，角度感測器35亦可以係內建於機器人1的元件，而電動關節校準裝置3可以包含有無線收發器以無線的方式執行驅動馬達100以及讀取角度感測器25的量測值的動作。

詳細的校準方法請一併參考圖4B、5、6A及6B。圖5係依據本發明另一實施例所繪示的機器人關節的電動關節校準方法的流程圖，圖6A及6B則係依據本發明另一實施例所繪示的電動關節校準裝置的運作示意圖。如圖6A所示，電動關節校準裝置3在對機器人1的關節10進行校準時，電動關節校準裝置3的控制器37會先控制關節10的馬達100轉動，使身體組件12轉動至初始位置P0（實際出廠預設位置），其中初始位置P0與理想預設位置Y之間夾有偏差角度θ0。

為了取得偏差角度θ0以計算出校準值，如圖5、6A及6B所示，於步驟S201中，控制器37控制馬達100由初始位置P0往第三方向D3轉動，並控制距離感測器31偵測身體組件12與距離感測器31之間的距離作為第一距離W1。當控制器37自距離感測器31取得第一距離W1時，會判斷第一距離W1是否等於預設距離W0，其中預設距離W0對應於一預設轉動角度。於步驟S203中，如圖6B所示，當關節10的馬達100帶動身體組件12轉動至第三位置P3且此時身體組件12與距離感測器31之間的第一距離W1等於預設距離W0時，控制器37會控制角度感測器35偵測關節10的第三轉動角度θ3以取得量測值，其中第三轉動角度θ3即為初始位置P0及第三位置P3之間的夾角。

理想上，若機器人的身體組件的初始位置與理想預設位置Y之間無偏差角度，則當身體組件與距離感測器31之間的距離等於預設距離W0時，關節從初始位置轉動了預設轉動角度，因此角度感測器35所測得的量測值所對應的轉動角度應等於預設轉動角度。然而，於圖6A～6B的實施例中，機器人1的身體組件12的初始位置P0與理想預設位置Y之間具有偏差角度θ0，因此當身體組件12與距離感測器31之間的距離等於預設距離W0時，角度感測器35所測得的量測值所對應的轉動角度（第三轉動角度θ3）將不等於預設轉動角度，兩者之間的差即為偏差角度θ0。

因此於步驟S205中，控制器37依據對應於第三轉動角度θ3的量測值以及對應於預設距離W0的預設量測值以產生校準值。如前所述，預設距離W0對應於預設轉動角度，即第三位置P3與理想預設位置Y之間的夾角。又控制器37可將預設轉動角度依照角度感測器35的轉動角度-量測值比例關係取得對應的預設量測值，再減去對應於第三轉動角度θ3的量測值以取得對應於偏差角度θ0的計算結果。於一實施例中，校準值即係所述對應於偏差角度θ0的計算結果，而於另一實施例中，校準值係以此計算結果再乘上調整係數而得，於又一實施例中，校準值則係以此計算結果在加上調整值而得。

上述實施例中的電動關節校準裝置2或3更可以包含記憶體電性連接於控制器27或37以儲存藉由電動關節校準方法所產生的校準值，因此在後續機器人1的控制中，可以依據所述校準值調整控制指令。舉例來說，當機器人1的關節10的初始位置P0（實際出廠預設位置）與理想預設位置Y之間的偏差角度θ0為1度角時，經上述實施例的電動關節校準裝置2或3的校準，會產生並儲存對應於1度角的校準值。而在後續機器人1的控制中，當控制者欲使機器人1將身體組件12抬舉20度角（20°），中控系統可依據校準值調整控制指令為抬舉19度角（19°），如此一來機器人1即可精準地將身體組件12抬舉20度角（20°）。

上述實施例僅以對機器人的其中一身體組件的校準來作說明。請參考圖7A～7C，圖7A～7C係依據本發明又一實施例所繪示的電動關節校準裝置的前視圖及側視圖。如圖7A～7C所示，電動關節校準裝置4具有多個距離感測器41A～41N，可以依序或同時對多個關節進行校準以取得各關節的校準值。舉例來說，藉由距離感測器41A及41F可以針對機器人1的抬頭角度產生校準值；藉由距離感測器41B及41C可以針對機器人1的轉頭角度產生校準值；藉由距離感測器41D可以針對右大臂的張開角度產生角準值；藉由距離感測器41G及41H可以針對右大臂的前後擺動角度產生校準值；藉由距離感測器41I及41J可以針對右小臂的前後角度或手肘方向產生校準值，而詳細的校準方法如前所述於此便不再贅述。

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。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1‧‧‧機器人

10‧‧‧關節

12‧‧‧身體組件

100‧‧‧馬達

102‧‧‧齒輪組

2、3、4‧‧‧電動關節校準裝置

21A、21B‧‧‧限位治具

23‧‧‧電流偵測電路

25、35‧‧‧角度感測器

27、37‧‧‧控制器

Y‧‧‧理想預設位置

P0‧‧‧初始位置

θ0‧‧‧偏差角度

D1‧‧‧第一方向

P1‧‧‧第一位置

θ1‧‧‧第一轉動角度

D2‧‧‧第二方向

P2‧‧‧第二位置

θ2‧‧‧第二轉動角度

31、41A～41N‧‧‧距離感測器

W0‧‧‧預設距離

W1‧‧‧第一距離

D3‧‧‧第三方向

P3‧‧‧第三位置

θ3‧‧‧第三轉動角度

圖1A係依據本發明一實施例所繪示的電動關節校準裝置的側視圖。圖1B係依據本發明一實施例所繪示的電動關節校準裝置的局部前視圖。圖2係依據本發明一實施例所繪示的電動關節的校準方法的流程圖。圖3A～3C係依據本發明一實施例所繪示的電動關節校準裝置的運作示意圖。圖4A係依據本發明另一實施例所繪示的電動關節校準裝置的側視圖。圖4B係依據本發明另一實施例所繪示的電動關節校準裝置的局部前視圖。圖5係依據本發明另一實施例所繪示的電動關節校準方法的流程圖。圖6A及6B係依據本發明另一實施例所繪示的電動關節校準裝置的運作示意圖。圖7A係依據本發明又一實施例所繪示的電動關節校準裝置的前視圖。圖7B及7C係依據本發明又一實施例所繪示的電動關節校準裝置的側視圖。

Claims

一種電動關節校準方法，用於校準一機器人的一關節，該關節具有一馬達，該電動關節校準方法包含：控制該馬達由一初始位置往第一方向轉動同時取得該馬達的一第一轉動電流值；當該第一轉動電流值等於一預先定義之最大電流值時，偵測一第一量測值，該第一量測值對應於該關節的一第一轉動角度；控制該馬達往相反於該第一方向的第二方向轉動同時取得該馬達的一第二轉動電流值；當該第二轉動電流值等於該預先定義之最大電流值時，偵測一第二量測值，該第二量測值對應於該關節的一第二轉動角度；以及依據該第一量測值及該第二量測值產生一校準值。
如請求項1所述的電動關節校準方法，其中依據該第一量測值及該第二量測值產生該校準值包含依據該第二量測值的二分之一減掉該第一量測值的一計算結果產生該校準值。
如請求項1所述的電動關節校準方法，其中依據該第一量測值及該第二量測值產生該校準值包含依據該第二量測值的二分之一減掉該第一量測值取得一計算結果，並將該計算結果乘以一調整係數以產生該校準值。
如請求項1所述的電動關節校準方法，其中依據該第一量測值及該第二量測值產生該校準值包含依據該第二量測值的二分之一減掉該第一量測值取得一計算結果，並將該計算結果加上一調整值以產生該校準值。
一種電動關節校準方法，適用於一電動關節校準裝置，該電動關節校準裝置具有一距離感測器，該電動關節校準方法用以校準一機器人的一關節，該關節具有一馬達以帶動該機器人的一身體組件轉動，且該電動關節校準方法包含：控制該馬達由一初始位置往一方向轉動並偵測一第一距離，該第一距離指示該身體組件與該距離感測器之間的距離；當該第一距離等於一預設距離時，偵測一量測值，該量測值對應於該關節的一轉動角度；以及依據該量測值及對應於該預設距離的一預設量測值，產生一校準值。
如請求項5所述的電動關節校準方法，其中依據該量測值及對應於該預設距離的該預設量測值產生該校準值包含依據該預設量測值減掉該量測值的一計算結果產生該校準值。
如請求項5所述的電動關節校準方法，其中依據該量測值及對應於該預設距離的該預設量測值產生該校準值包含依據該預設量測值減掉該量測值取得一計算結果，將該計算結果乘以一調整係數以產生該校準值。
如請求項5所述的電動關節校準方法，其中依據該量測值及對應於該預設距離的該預設量測值產生該校準值包含依據該預設量測值減掉該量測值取得一計算結果，將該計算結果加上一調整值以產生該校準值。
一種電動關節校準裝置，用以校準一機器人的一關節，該關節具有一馬達用以帶動該機器人的一身體組件轉動，該電動關節校準裝置包含：多個限位治具，用以阻擋該身體組件轉動使該馬達的一轉動電流具有一預先定義之最大電流值；一電流偵測電路，用以偵測該馬達的該轉動電流；一角度感測器，用以偵測對應於該關節的轉動角度的量測值；以及一控制器，連接於該電流偵測電路及該角度感測器，用以連接並控制該馬達往第一方向轉動並自該電流偵測電路取得一第一轉動電流値，當判斷該第一轉動電流値等於該預先定義之最大電流値時，自該角度感測器取得一第一量測值，再控制該馬達往相反於該第一方向的第二方向轉動並自該電流偵測電路取得一第二轉動電流値，當判斷該第二轉動電流値等於該預先定義之最大電流値時，自該角度感測器取得一第二量測值，並依據該第一量測值及該第二量測值產生一校準值。
一種電動關節校準裝置，用以校準一機器人的一關節，該關節具有一馬達用以帶動該機器人的一身體組件轉動，該電動關節校準裝置包含：一距離感測器，用以偵測該身體組件與該距離感測器之間的一第一距離；一角度感測器，用以偵測對應於該關節的轉動角度的量測值；以及一控制器，連接於該距離感測器及該角度感測器，用以連接並控制該馬達往一方向轉動並自該距離感測器取得該第一距離，在判斷該第一距離等於一預設距離時，自該角度感測器讀取一量測值，並依據該量測值及對應於該預設距離的一預設量測值，產生一校準值。