TWI651175B

TWI651175B - 機械手臂之控制裝置及其教導系統與方法

Info

Publication number: TWI651175B
Application number: TW105137642A
Authority: TW
Inventors: 蘇瑞堯; 劉彥辰; 陳慶順; 陳昌毅; 吳棖立; 游鴻修
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2019-02-21
Also published as: TWI634400B; TW201805127A; TW201805745A

Abstract

一種機械手臂之控制裝置，包括一壓力感測模組以及一控制模組。壓力感測模組設置於一機械手臂的一操作部上，壓力感測模組具有一觸碰感應表面，用以偵測施加於觸碰感應表面上的一操作指令。控制模組用以接收壓力感測模組輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至機械手臂，以回應操作指令。觸碰感應表面包括一第一觸碰感應區以及一第二觸碰感應區，第一觸碰感應區用以定義滿足一平移運動模式的第一參考座標系，而第二觸碰感應區用以定義滿足一旋轉運動模式的第二參考座標系，且控制模組根據操作指令的觸碰位置，控制機械手臂平移或旋轉運動。

Description

機械手臂之控制裝置及其教導系統與方法

本發明是有關於一種機械手臂，且特別是有關於一種機械手臂之控制裝置及其教導系統與方法。

在傳統的製造或裝配自動化工廠中，機器人或機械手臂由關節馬達控制器控制，以進行相對應之關節馬達的運動。同時各關節馬達也會傳輸座標訊號至機械手臂控制模組以進行座標整合並運算成一絕對座標訊息，且絕對座標訊息會被同步顯示於使用者介面，以供使用者判斷機械手臂之運行狀態是否符合預期。然而，當機械手臂之運行狀態不符合預期時，使用者通常只能從程式語言或應用程式上修改指令，並根據指令一而再、再而三的修改機械手臂的移動路徑。如此繁雜的工作不僅耗時，且缺少直覺式的編程能力。亦即，機械手臂與使用者之間缺少直覺式的輸入介面，且以往的編程系統無法讓使用者根據直覺式的操作來修改或訓練機械手臂的移動路徑，是目前機械手臂設計及製造生產上仍需要去克服的問題。

本發明係有關於一種機械手臂之控制裝置及其教導系統與方法，可供操作人員根據直覺式的操作來修改或訓練機械手臂的移動路徑，以達到直覺式控制。

本發明係有關於一種機械手臂之控制裝置及其教導系統與方法，可供操作人員彈性地調整機械手臂的順應程度，並可徒手直接教導機械手臂以進行關節姿態控制(粗定位教導)及/或機械手臂端部位置控制(細定位教導)。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂之控制裝置，包括一壓力感測模組以及一控制模組。壓力感測模組設置於一機械手臂的一操作部上，壓力感測模組具有一觸碰感應表面，用以偵測施加於觸碰感應表面上的一操作指令。控制模組用以接收壓力感測模組輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至機械手臂，以回應操作指令。觸碰感應表面包括一第一觸碰感應區以及一第二觸碰感應區，第一觸碰感應區用以定義滿足一平移運動模式的第一參考座標系，而第二觸碰感應區用以定義滿足一旋轉運動模式的第二參考座標系，且控制模組根據操作指令的觸碰位置，控制機械手臂平移或旋轉運動。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂的教導系統，包括一壓力感測模組以及一控制模組。壓力感測模組設置於一機械手臂的一操作部上，壓力感測模組具有一觸碰感應表面，用以偵測施加於觸碰感應表面上的一操作指令。觸碰感應表面包括一第一觸碰感應區以及一第二觸碰感應區，第一觸碰感應區用以定義滿足一平移運動模式的第一參考座標系，而第二觸碰感應區用以定義滿足一旋轉運動模式的第二參考座標系。控制模組用以接收壓力感測模組輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至機械手臂，以回應操作指令，其中控制模組包括一關節馬達控制器、一模式切換模組以及複數個關節馬達編碼器。關節馬達控制器根據操作指令產生一組使機械手臂的端部平移運動或旋轉運動的馬達扭力訊號，且控制模組根據操作指令的觸碰位置，控制機械手臂平移或旋轉運動。模式切換模組用以切換機械手臂的操作模式，機械手臂的操作模式包括一順應教導模式以及一觸碰操作模式。關節馬達編碼器設置於機械手臂的關節處，此些關節馬達編碼器於順應教導模式下根據機械手臂的移動軌跡產生一組關節角度訊號。

根據本發明之一方面，提出一種對機械手臂進行直接教導的方法，包括下列步驟。對一機械手臂進行初始化，並輸出一馬達驅動訊號至機械手臂。記錄機械手臂的移動軌跡，以得知機械手臂的目前位置及姿態。當機械手臂的移動軌跡偏離一目標位置時，切換機械手臂的操作模式，此操作模式包括一順應教導模式以及一觸控操作模式，其中，在觸控操作模式下，透過來自一壓力感測模組的操作指令對機械手臂進行機械手臂端部位置控制；在順應教導模式下，徒手對機械手臂進行關節姿態控制；以及透過對機械手臂的端部位置控制，或先透過對機械手臂的端部位置控制再進行關節姿態控制，或先透過對機械手臂進行關節姿態控制再進行端部位置控制，修正機械手臂的移動軌跡。結束記錄機械手臂的移動軌跡。重現機械手臂的教導軌跡，以移動機械手臂至目標位置。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉諸項實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧控制裝置

101‧‧‧機械手臂

102‧‧‧關節馬達

103‧‧‧前臂

104‧‧‧後臂

105‧‧‧操作部

106‧‧‧握持部

107‧‧‧支架

108‧‧‧端部

108a‧‧‧圓柱體

109‧‧‧機械工具

110‧‧‧壓力感測模組

111‧‧‧壓力感測元件

112‧‧‧觸碰感應表面

112a‧‧‧第一環狀觸碰感應區

112b‧‧‧第二環狀觸碰感應區

113‧‧‧陣列電路

114‧‧‧第一線路

115‧‧‧第二線路

116‧‧‧上電極層

117‧‧‧壓力感測層

118‧‧‧下電極層

130‧‧‧控制模組

132‧‧‧關節馬達控制器

133‧‧‧重力補償器

134‧‧‧模式切換模組

135‧‧‧摩擦力補償器

136‧‧‧關節馬達編碼器

138‧‧‧教導控制器

140‧‧‧教導系統

A1~A8‧‧‧感測區域

P、P1、P2‧‧‧觸碰點

fy‧‧‧Y軸向上的分量

fx‧‧‧X軸向上的分量

F‧‧‧作用力

C1、C2‧‧‧拖曳軌跡

Ry、Rx‧‧‧力矩

τ_g‧‧‧重力補償力矩

τ_F‧‧‧摩擦力補償力矩

S11~S18‧‧‧步驟

第1圖繪示應用於本發明之機械手臂之控制裝置中的壓力感測模組的示意圖。

第2圖繪示一具有徒手教導功能的機械手臂的示意圖。

第3A及3B圖繪示壓力感測模組設置於機械手臂的端部的示意圖及展開示意圖。

第4A至4D圖分別繪示端部進行徒手教導以對應產生平移運動或旋轉運動的參考示意圖。

第5圖繪示操作人員對機械手臂進行徒手教導的示意圖。

第6圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂之教導系統的方塊圖。

第7圖繪示對機械手臂進行力矩補償的示意圖。

第8圖繪示依照本發明一實施例之對機械手臂進行直接教導的流程圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1及2圖，根據本發明一實施例之機械手臂101之控制裝置100包括一壓力感測模組110以及一控制模組130。壓力感測模組110設置於一機械手臂101的操作部105上，如第3A圖，且壓力感測模組110具有一觸碰感應表面112，用以偵測施加於觸碰感應表面112上的一操作指令。此外，控制模組130用以接收壓力感測模組110輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至機械手臂101，以回應操作指令。

請參照第1及3A圖，壓力感測模組110包括多個以陣列排列並且相互連接的壓力感測元件111，以形成一觸碰感應表面112。每一個壓力感測元件111具有一上電極層116、一壓力感測層117以及一下電極層118，且壓力感測層117位於上電極層116與下電極層118之間。每一個壓力感測元件111可做為一觸碰點P，當壓力感測層117受壓而導通於上電極層116與下電極層118之間時，可藉由連接各壓力感測元件111的陣列電路113傳輸至控制模組130，以供控制模組130判斷觸碰點P的座標或所在的觸碰區域，進而驅動機械手臂101，以回應操作指令。

在一實施例中，陣列電路113可包括多條沿著X軸向平行排列的第一線路114以及多條沿著Y軸方向平行排列的第二線路115，每一條第一線路114電性連接沿著X軸向直線排列的壓力感測元件111的上電極層116，而每一條第二線路115電性連接沿著Y軸向直線排列的壓力感測元件111的下電極層118，以形成一觸碰感應表面112。當然，以其他觸碰感應技術或近接感應技術所形成的觸碰感應表面112亦可應用在本發明之控制裝置100中，本發明不以此為限。

壓力感測模組110可偵測一物體是否觸碰機械手臂101。此物體例如是操作人員或與機械手臂101偕同運作的機器。壓力感測模組110可與機械手臂101機電整合，以做為機械手臂 101的觸覺皮膚。此外，控制模組130可經由機械手臂101內部的訊號線與壓力感測模組110電性連接，或經由無線傳輸的方式接收壓力感測模組110輸出的訊號。

舉例來說，當操作人員以手指觸碰壓力感測模組110時，壓力感測模組110根據施加於觸碰感應表面112上的一操作指令產生一壓力感測訊號，此壓力感測訊號經由控制模組130轉換成用以控制機械手臂101的端部108平移及/或旋轉的馬達驅動訊號。此外，馬達驅動訊號的運動參數(位移量及旋轉量)可由單一觸碰點P產生的平移訊號或旋轉訊號來決定，或由多個觸碰點P組合產生的平移訊號或旋轉訊號來決定，或由上述兩者的組合來決定，進而控制機械手臂101的各關節馬達102、前臂103及後臂104產生水平移動、垂直移動、向前伸展、向後倒退、向上抬升、向下降低或旋轉運動等。

請參照第2圖，壓力感測模組110設置於一機械手臂101的操作部105上。在一實施例中，操作部105例如位於機械手臂101的前臂103的最前端，其具有一可供操作人員握持的握持部106、一用以放置機械工具109的支架107以及一用以設置壓力感測模組110的端部108。然而，在另一實施例中，壓力感測模組110亦可設置於容易觸碰的任一部位，例如前臂103的外表面或後臂104的外表面上，但本發明對此不加以限制。

請參照第3A圖，觸碰感應表面112例如彎曲為一曲面，而用以設置壓力感測模組110的端部108例如為一圓柱體108a，且觸碰感應表面112位於圓柱體108a之圓周表面上，以形成一個以圓柱體108a的中心為圓心、圓柱體108a的半徑為距離、 Z軸為軸向長度的三度空間極坐標系，用以定義觸碰感應表面112上任一觸碰點P的座標。在一實施例中，觸碰感應表面112可完整包覆端部108，或局部包覆端部108，或者觸碰感應表面112可分為多個獨立的感測區域，每一個獨立感測區域貼附在不同的方位上，並一起圍繞在端部108的周圍表面以形成一環狀感測區域或其他形狀，本發明對此不加以限制。

請參照第3B圖，在一實施例中，觸碰感應表面112展開來之後，可依照操作模式區分為第一環狀觸碰感應區112a以及第二環狀觸碰感應區112b。第一環狀觸碰感應區112a可區分多個感測區域A1~A8，例如4~12個或更多，本實施例以8個為範例。第二環狀觸碰感應區112b可區分多個感測區域A1~A8，例如4~12個或更多，本實施例以8個為範例。每個感測區域A1~A8位於圓柱體108a的不同方位(例如上、下、左、右、左上、右上、左下、右下)上，以將圓柱體108a的圓周表面的座標加以定義，進而方便計算施加於感測區域A1~A8上的作用力的方位及座標。

第一環狀觸碰感應區112a用以定義滿足一平移運動模式的第一參考座標系，也就是說，當偵測到施加於第一環狀觸碰感應區112a上的操作指令時，控制模組130可控制機械手臂101之端部108進行平移運動。此外，第二環狀觸碰感應區112b用以定義滿足一旋轉運動模式的第二參考座標系，也就是說，當偵測到施加於第二環狀觸碰感應區112b上的操作指令時，控制模組130可控制機械手臂101之端部108進行旋轉運動。

因此，在第4A及4B圖中，機械手臂101的端部 108可根據施加於第一環狀觸碰感應區112a上的單一觸碰點P的座標(或方位)，產生相對於圓柱體108a的軸線(即Z軸)垂直的一維或二維的平移運動，或可根據施加於第一環狀觸碰感應區112a上的至少兩個觸碰點P各自形成的拖曳軌跡，產生沿著圓柱體108a的軸線(即Z軸)的平移運動。例如，以多根手指(例如二個，亦可三個或四個)同時且持續按壓在端部108上，並控制各手指同時平行移動或旋轉以產生多個等長度之由A點移動到B點的拖曳軌跡，此時，控制模組130可根據由A點到B點的移動向量或旋轉角度來控制端部108沿著Z軸平移運動。

請參照第4A圖，在一平移運動模式下，當偵測到施加於第一環狀觸碰感應區112a上的一操作指令(例如單一觸碰動作)時，此觸碰座標上的作用力F於X軸向上的分量為fx，於Y軸向上的分量為fy。因此，端部108根據X軸向上的分量fx產生於X軸向上的平移，且端部108根據Y軸向上的分量fy產生於Y軸向上的平移，因此端部108可產生二維的平移運動。當作用力於X軸向上的分量fx為零或於Y軸向上的分量fy為零時，端部108只會有一維的平移運動。

接著，請參照第4B圖，在一平移運動模式下，當偵測到施加於第一環狀觸碰感應區112a上的操作指令(例如兩個觸碰動作)時，根據兩個手指同時持續按壓與旋轉以產生施加於第一環狀觸碰感應區112a上的兩個觸碰點P1、P2各自形成的等長度拖曳軌跡，可控制端部108產生沿著圓柱體108a的軸線(即Z軸)的平移運動。例如，若以順時鐘方向產生拖曳軌跡C1時，可控制端部108產生沿著+Z軸向的平移；若以逆時鐘方向產生拖曳軌跡C2時，可控制端部108產生沿著-Z軸向的平移。在本實施例中，以兩個手指同時且持續按壓在端部108上做說明，但不限於此，亦可以三個或四個手指同時且持續按壓。

此外，請參照第4C及4D圖，機械手臂101的端部108可根據施加於第二環狀觸碰感應區112b上的一觸碰點P的座標，產生相對於垂直圓柱體108a的軸線(即Z軸)的一維或二維座標軸(X軸及/或Y軸)旋轉的旋轉運動，或根據施加於第二環狀觸碰感應區112b上的兩個觸碰點P1、P2各自形成的等長度拖曳軌跡，產生相對於圓柱體108a的軸線(即Z軸)旋轉的旋轉運動。例如，以多根手指(例如二個，亦可三個或四個)同時且持續按壓在端部108上，並控制各手指同時平行移動或旋轉以產生多個等長度之由A點移動到B點的拖曳軌跡，此時，控制模組130可根據由A點到B點的移動向量或旋轉角度來控制端部108繞著Z軸旋轉運動。

請參照第4C圖，在一旋轉運動模式中，當偵測到施加於第二環狀觸碰感應區112b上的一操作指令(例如單一觸碰動作)時，此觸碰座標上的作用力F於X軸向上的分量為fx，於Y軸向上的分量為fy。因此，端部108可根據X軸向上的分量fx產生繞著Y軸向旋轉的力矩Ry，且端部108可根據Y軸向上的分量fy產生繞著X軸向旋轉的力矩Rx，因此端部108可產生二維的旋轉運動。當作用力於X軸向上的分量fx為零或於Y軸向上的分量fy為零時，端部108只會繞著一維座標軸旋轉。

請參照第4D圖，在一旋轉運動模式下，當偵測到施加於第二環狀觸碰感應區112b上的操作指令(例如兩個觸碰動作)時，根據兩個手指同時持續按壓與旋轉以產生施加於第二環狀觸碰感應區112b上的兩個觸碰點P1、P2各自形成的拖曳軌跡，可控制端部108產生相對於圓柱體108a的軸線(即Z軸)旋轉的旋轉運動。例如，若以順時鐘方向產生拖曳軌跡C1時，可控制端部108產生繞著Z軸向的順時鐘旋轉；若以逆時鐘方向產生拖曳軌跡C2時，可控制端部108產生繞著Z軸向的逆時鐘旋轉。在本實施例中，以兩個手指同時且持續按壓在端部108上做說明，但不限於此，亦可以三個或四個手指同時且持續按壓。

請參照第5及6圖，依照本發明一實施例之機械手臂101之教導系統140包括一壓力感測模組110以及一控制模組130。壓力感測模組110設置於一機械手臂101的操作部105上，且壓力感測模組110具有一觸碰感應表面112，用以偵測施加於觸碰感應表面112上的一操作指令，有關壓力感測模組110的細部內容請參照上述實施例，在此不再贅述。

請參照第6圖，控制模組130包括一關節馬達控制器132、一模式切換模組134、至少一個關節馬達編碼器136以及一教導控制器138。第6圖中以一個關節馬達編碼器136為例說明。模式切換模組134用以切換機械手臂101的操作模式，以選擇進入一觸碰操作模式或一順應教導模式。在觸碰操作模式下，關節馬達控制器132可根據來自壓力感測模組110的操作指令產生一組使機械手臂101移動的馬達扭力訊號，以控制各關節馬達102的扭力。此外，在順應教導模式中，關節馬達控制器132可根據來自關節馬達編碼器136的編碼指令產生一組關節角度訊號。觸碰操作模式與順應教導模式的差別在於：觸碰操作模式可透過來自壓力感測模組110的操作指令精確地控制端部108的位置，而順應教導模式可透過徒手拉動機械手臂101以快速地移動機械手臂101到達預定的位置，也就是控制機械手臂101的關節姿態。因此，本發明之教導系統可透過觸碰操作模式直接進行機械手臂101的端部位置控制(可稱為細定位教導)，或者先透過順應教導模式進行機械手臂101的關節姿態控制(可稱為粗定位教導)，再透過觸碰操作模式進行機械手臂101的端部位置的精確控制(細定位教導)，或者先進行機械手臂101的端部位置的精確控制(細定位教導)，再進行機械手臂101的關節姿態控制(粗定位教導)，本發明對此不加以限制，進而解決教導系統進行直接粗定位教導時遇到的定位精度不佳以及馬達阻力過大以致無法達到機械手臂端部位置的精確控制(細定位)等問題。

此外，關節馬達編碼器136設置於機械手臂101的關節處，此些關節馬達編碼器136於順應教導模式下根據機械手臂101的移動軌跡產生一組關節角度訊號，以記錄各關節的目前位置及姿態。另外，教導控制器138連接關節馬達編碼器136，且於順應教導模式下儲存關節馬達編碼器136產生的此組關節角度訊號，亦可於觸碰操作模式下儲存各關節處的馬達扭力訊號，以記錄教導點(即關節姿態)的座標資訊。當要重現機械手臂101的移動軌跡時，教導控制器138可將此組關節角度訊號及馬達扭力訊號轉換成使機械手臂101的移動軌跡重現的馬達驅動訊號。

請參照第5圖，也就是說，教導控制器138係利用操作人員於進行機械手臂101教導時所產生之觸碰感應訊號(單點觸碰訊號或至少兩點觸碰點各自形成的拖曳訊號)、編碼器位置 (關節角度訊號)和教導點的座標資訊，並配合內建的機械手臂101數學模型以及物理參數(各關節的質心位置、質量、摩擦係數以及參考重力方向等)計算出對各關節馬達102、前臂103或後臂104進行控制的輸出指令，使操作人員能更直接地對機械手臂101進行教導，並能根據個別狀況調整不同定位精度。同時，在直接教導過程中，教導控制器138儲存教導點之座標資訊，這些教導點的座標資訊構成了機械手臂101的移動軌跡。因此，有了教導點的座標資訊，教導控制器138便可進一步產生規劃好的教導路徑，並驅動機械手臂101，使手臂端部108平順地經過這些教導點。

此外，請參照第6及7圖，關節馬達控制器132更包括一重力補償器133，重力補償器133根據機械手臂101上每個關節的角度、每個手臂的重心到每個關節的重心的距離以及每個手臂的質量計算作用於每個手臂上的重力補償力矩τ_g。另外，關節馬達控制器132更包括一摩擦力補償器135，摩擦力補償器135可根據機械手臂101上每個關節的轉動速度計算作用於每個關節上的摩擦力補償力矩τ_F。因此，控制模組110可根據上述的重力補償力矩τ_g及摩擦力補償力矩τ_F來修正機械手臂101的各關節馬達102的輸出力矩τ。

當操作人員實際使用直接教導時，由於大部分機械手臂101各關節都存在阻力(慣量負載效應、摩擦力等)，操作人員往往必須施加較大的力量才能推動機器人，導致教導點無法細微化。雖然習知技術經由一些複雜或特殊之機構設計可解決阻力的問題，但卻無法彈性化地調整教導時的順應程度。因此，本發明之教導系統中結合了壓力感測模組110以及關節馬達編碼器136以進行細定位和粗定位的教導，故可根據個別狀況順應教導機器人，使操作人員更省力，以提高人機協調作業時的細定位教導的便捷性。

請參照第8圖，根據本發明一實施例之對機械手臂101進行直接教導之方法包括下列步驟：在步驟S11中，對機械手臂101進行初始化，例如設定各關節馬達102的慣性矩陣、重力矩、摩擦係數以及參考重力方向等參數及運動方程式，例如「牛頓‧歐拉運動方程式」、「拉格朗其(Lagrangian)運動方程式」等，控制模組130可經由各關節馬達102輸出的慣性矩陣或重力矩計算出機械手臂101的目前位置及姿態，亦即機械手臂101的初始位置及姿態。在步驟S12中，記錄機械手臂101的移動軌跡，並驅動機械手臂101的端部108至一目標位置。此時，控制模組130可根據運動參數(例如扭力及速度)設定機械手臂101的工作範圍以及工作模式，並根據機械手臂101的工作模式，輸出一馬達驅動訊號至機械手臂101。此外，控制模組130可判斷機械手臂101的移動軌跡是否在一預定的移動路徑上或偏離目標位置，若機械手臂101偏離目標位置，可選擇進行下列教導步驟。在步驟S13中，若需對機械手臂101進行直接教導時，切換機械手臂101的操作模式至下列三種操作模式其中之一。在第一種操作模式(步驟S14)中，可透過來自壓力感測模組110的操作指令控制機械手臂101，直接進行端部位置控制(細定位教導)，以修正機械手臂101 的移動軌跡。在第二種操作模式(步驟S15)中，可先徒手移動機械手臂101到預定的位置，也就是控制機械手臂101的關節姿態(粗定位教導)，接著，再透過觸碰操作進行機械手臂101端部位置的精確控制(細定位教導)，以修正機械手臂101的移動軌跡。另外，在第三種操作模式(步驟16)中，可先進行機械手臂101的端部位置控制(細定位教導)之後，再徒手進行關節姿態控制(粗定位教導)，以修正機械手臂101的移動軌跡。接著，在步驟S17中，當完成上述教導之後，結束記錄機械手臂101的移動軌跡。此時，教導控制器138可儲存操作人員於進行機械手臂101教導時所產生之觸碰感應訊號(單點觸碰訊號或至少兩個觸碰點各自形成的拖曳訊號)、編碼器位置(關節角度訊號)和教導點的座標資訊。在步驟S18中，當要重現機械手臂101的教導軌跡時，教導控制器138可將剛才儲存的訊號轉換成使機械手臂101的移動軌跡重現的馬達驅動訊號，以驅動機械手臂101至目標位置。

由上述的說明可知，操作人員可透過壓力感測模組110給予機械手臂101移動的操作指令，並可透過控制模組130轉化成機械手臂101各關節處所需之扭力值或對扭力值進行補償(重力補償力矩或摩擦力補償力矩)，以供控制模組130控制各關節的位置及姿態，進而實現人與機械手臂101協作的工業應用。此外，本發明之教導系統及教導方法中結合了壓力感測模組110以及關節馬達編碼器136以進行細定位和粗定位的教導，可供操作人員彈性地調整機械手臂101的順應程度，進而解決教導系統進行直接教導時遇到的定位精度不佳以及馬達阻力過大無法細定位等問題。

綜上所述，雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種機械手臂之控制裝置，包括：一壓力感測模組，設置於一機械手臂的一操作部上，該壓力感測模組具有一觸碰感應表面，用以偵測施加於該觸碰感應表面上的一操作指令，其中該觸碰感應表面包括一第一觸碰感應區以及一第二觸碰感應區，該第一觸碰感應區用以定義滿足一平移運動模式的第一參考座標系，而該第二觸碰感應區用以定義滿足一旋轉運動模式的第二參考座標系；以及一控制模組，用以接收該壓力感測模組輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至該機械手臂，以回應該操作指令，其中該控制模組根據該操作指令的觸碰位置，控制該機械手臂平移或旋轉運動。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該壓力感測模組包括複數個以陣列排列並且相互連接的壓力感測元件，每一壓力感測元件具有一上電極層、一壓力感測層以及一下電極層，且該壓力感測層位於該上電極層與該下電極層之間。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該觸碰感應表面彎曲為一曲面，且該操作部具有一端部，該觸碰感應表面位於該端部之表面上。
如申請專利範圍第3項所述之控制裝置，其中該端部為一圓柱體，該第一觸碰感應區與該第二觸碰感應區環繞在該圓柱體之圓周表面。
如申請專利範圍第4項所述之控制裝置，其中該機械手臂的該端部根據施加於該第一觸碰感應區上的單一觸碰點的座標，產生相對於該圓柱體的軸線垂直的一維或二維的平移運動，或根據施加於該第一觸碰感應區上的至少兩個觸碰點各自形成的拖曳軌跡，產生沿著該圓柱體的軸線的平移運動。
如申請專利範圍第4項所述之控制裝置，其中該機械手臂的該端部根據施加於該第二觸碰感應區上的單一觸碰點的座標，產生相對於垂直該圓柱體的軸線的一維或二維座標軸旋轉的旋轉運動，或根據施加於該第二觸碰感應區上的至少兩個觸碰點各自形成的拖曳軌跡，產生相對於該圓柱體的軸線旋轉的旋轉運動。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該控制模組包括一關節馬達控制器以及一模式切換模組，該模式切換模組用以切換該機械手臂的操作模式，該機械手臂的操作模式包括一順應教導模式以及一觸碰操作模式，在該觸碰操作模式下，該關節馬達控制器根據該操作指令產生一組使該機械手臂的一端部平移運動或旋轉運動的馬達扭力訊號。
如申請專利範圍第7項所述之控制裝置，其中該控制模組包括至少一關節馬達編碼器，設置於該機械手臂的關節處，該關節馬達編碼器於該順應教導模式下根據該機械手臂的移動軌跡產生一組關節角度訊號。
如申請專利範圍第8項所述之控制裝置，其中該控制模組包括一教導控制器，該教導控制器於該順應教導模式中儲存該關節馬達編碼器產生的該組關節角度訊號，且該教導控制器可將該組關節角度訊號及該組馬達扭力訊號轉換成使該機械手臂的移動軌跡重現的該馬達驅動訊號。
如申請專利範圍第7項所述之控制裝置，其中該關節馬達控制器更包括一重力補償器，該重力補償器根據該機械手臂上每個關節的角度、每個手臂的重心到每個關節的重心的距離以及每個手臂的質量計算作用於每個手臂上的重力補償力矩。
如申請專利範圍第7項所述之控制裝置，其中該關節馬達控制器更包括一摩擦力補償器，該摩擦力補償器根據該機械手臂上每個關節的轉動速度計算作用於每個關節上的摩擦力補償力矩。
一種機械手臂的教導系統，包括：一壓力感測模組，設置於一機械手臂的一操作部上，該壓力感測模組具有一觸碰感應表面，用以偵測施加於該觸碰感應表面上的一操作指令，其中該觸碰感應表面包括一第一觸碰感應區以及一第二觸碰感應區，該第一觸碰感應區用以定義滿足一平移運動模式的第一參考座標系，而該第二觸碰感應區用以定義滿足一旋轉運動模式的第二參考座標系；以及一控制模組，用以接收該壓力感測模組輸出的至少一壓力感測訊號，並輸出一馬達驅動訊號至該機械手臂，以回應該操作指令，其中該控制模組包括：一關節馬達控制器，該關節馬達控制器根據該操作指令產生一組使該機械手臂平移運動或旋轉運動的馬達扭力訊號；一模式切換模組，用以切換該機械手臂的操作模式，該機械手臂的操作模式包括一順應教導模式以及一觸碰操作模式；以及複數個關節馬達編碼器，設置於該機械手臂的關節處，該些關節馬達編碼器於該順應教導模式下根據該機械手臂的移動軌跡產生一組關節角度訊號；其中，該控制模組根據該操作指令的觸碰位置，控制該機械手臂平移或旋轉運動。
如申請專利範圍第12項所述之教導系統，其中該壓力感測模組包括多個以陣列排列並且相互連接的壓力感測元件，每一壓力感測元件具有一上電極層、一壓力感測層以及一下電極層，且該壓力感測層位於該上電極層與該下電極層之間。
如申請專利範圍第12項所述之教導系統，其中該觸碰感應表面為一曲面，且該操作部具有一端部，該曲面位於該端部之表面上。
如申請專利範圍第14項所述之教導系統，其中該端部為一圓柱體，該第一觸碰感應區與該第二觸碰感應區環繞在該圓柱體的圓周表面。
如申請專利範圍第15項所述之教導系統，其中該機械手臂的該端部根據施加於該第一觸碰感應區上的單一觸碰點的位置及方向，產生相對於該圓柱體的軸線垂直的一維或二維的平移運動，或根據施加於該第一觸碰感應區上的至少兩個觸碰點各自形成的拖曳軌跡，產生沿著該圓柱體的軸線的平移運動。
如申請專利範圍第15項所述之教導系統，其中該機械手臂的該端部根據施加於該第二觸碰感應區上的單一觸碰點的位置及方向，產生相對於垂直該圓柱體的軸線的一維或二維座標軸旋轉的旋轉運動，或根據施加於該第二觸碰感應區上的至少兩個觸碰點各自形成的拖曳軌跡，產生相對於該軸線旋轉的旋轉運動。
如申請專利範圍第14項所述之教導系統，其中該控制模組更包括一教導控制器，該教導控制器於該順應教導模式中儲存該些關節馬達編碼器產生的該組關節角度訊號，且該教導控制器可將該組關節角度訊號轉換成使該機械手臂的移動軌跡重現的該馬達驅動訊號。
如申請專利範圍第14項所述之教導系統，其中該關節馬達控制器更包括一重力補償器，該重力補償器根據該機械手臂上每個關節的角度、每個手臂的重心到每個關節的重心的距離以及每個手臂的質量計算作用於每個手臂上的重力補償力矩。
如申請專利範圍第14項所述之教導系統，其中該關節馬達控制器更包括一摩擦力補償器，該摩擦力補償器根據該機械手臂上每個關節的轉動速度計算作用於每個關節上的摩擦力補償力矩。
一種對機械手臂進行直接教導的方法，包括：對一機械手臂進行初始化，並輸出一馬達驅動訊號至該機械手臂；記錄該機械手臂的移動軌跡，以得知該機械手臂的目前位置及姿態；當該機械手臂的移動軌跡偏離一目標位置時，切換該機械手臂的操作模式，該操作模式包括一順應教導模式以及一觸控操作模式，其中，在該觸控操作模式下，透過來自一壓力感測模組的一觸碰感應表面的操作指令對該機械手臂進行機械手臂端部位置控制；在該順應教導模式下，徒手對該機械手臂進行關節姿態控制；透過對該機械手臂的端部位置控制，或先透過對該機械手臂的端部位置控制再進行關節姿態控制，或先透過對該機械手臂進行關節姿態控制再進行端部位置控制，修正該機械手臂的移動軌跡；結束記錄該機械手臂的移動軌跡；以及重現該機械手臂的教導軌跡，以移動該機械手臂至該目標位置。