TWI667109B - 機器手臂卡阻轉矩的檢測方法 - Google Patents

Abstract

一種機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，機器手臂輸出預先儲存的測試指令組，利用預設的單位脈衝，驅動機器手臂的馬達轉動一單位轉角，等待預設的延遲時間，檢查馬達的轉速為零，偵測及儲存該單位轉角的位置及卡阻轉矩，繼續檢測下一單位轉角的卡阻轉矩，至符合預設完成測試條件，以儲存的各單位轉角的位置及卡阻轉矩，形成卡阻轉矩曲線。

Description

機器手臂卡阻轉矩的檢測方法

本發明有關一種機器手臂，尤其關於機器手臂形成阻礙馬達轉動的卡阻轉矩的檢測方法。

機器手臂具有靈活的移動、精確的定位及連續性作業的特性，在人力缺乏及成本高漲的環境下，已成為產品生產線上製造組裝的最佳利器。而機器手臂的致動器，擔負精確移動及定位的關鍵，已成為機器手臂研發的主要課題之一。

如圖9所示，為先前技術機器手臂的致動器1。先前技術的致動器1在外殼2中設馬達3，馬達3中心設中空的轉軸4，電纜5穿過中空轉軸4，與設在馬達3一側的電路板6及編碼器7相連接。機器手臂藉由電纜5傳輸電力及控制致動器1的訊號至電路板6，由電路板6根據接收的控制訊號控制馬達3轉動，提供轉軸4的轉動動力。編碼器7偵測轉軸4的轉動訊號，回饋給電路板6，處理成轉動角度，以控制轉動馬達3的轉速。而轉動的轉軸4則經設在馬達3另一側的減速器8降低至適當轉速，並由連接在減速器8後的轉矩感測器9輸出動力，以轉動固定在致動器1的凸緣10的機器手臂的下游致動器(圖未示)。而致動器1的連接座11則固定在上游致動器(圖未示)，以接 受上游致動器的轉動。其中轉矩感測器9偵測轉軸4的轉矩訊號，藉由中空轉軸4中的電纜5，傳輸回電路板6，處理成轉軸4的輸出轉矩，控制機器手臂的致動器1正確輸出動力，以精確移動及定位機器手臂。

然而，先前技術的機器手臂通常由多個致動器1串聯構成為多軸型態。致動器1中的馬達3除受致動器1內部機構的卡阻外，也會隨著致動器1設在機器手臂的位置、重量及機構摩擦力的不同，而產生不同阻礙馬達3轉動的卡阻轉矩(Detent Torque)。而機器手臂產生的卡阻轉矩，將抵銷馬達3的部分輸出動力，以致馬達3的輸出動力不足，不僅造成機器手臂抖動，產生移動噪音，且無法驅動機器手臂到達預定的位置，致使機器手臂產生移動及定位的誤差，進而影響產品生產線順利製造組裝及產品品質。因此，機器手臂在偵測卡阻轉矩上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，藉由切換檢測模式，輸出測試指令組，利用脈衝轉動馬達，偵測及儲存各轉角零轉速的卡阻轉矩，以形成馬達的卡阻轉矩曲線。

本發明另一目的在提供一種機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，利用脈衝轉動馬達，於預設數脈衝，偵測及儲存零轉速的卡阻轉矩，做為該預設數脈衝轉角的平均值，以快速取得馬達的卡阻轉矩曲線。

為了達到前述發明的目的，本發明機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，將機器手臂切換至檢測模式，機器手臂輸出預先儲存的測試指令組，利用預設的單位脈衝，驅動機器手臂的馬達轉動一單位轉角，並預設停留的測試時間，等待預設的延遲時間，檢查馬達的轉速不為零時，等待一延遲 時間再繼續檢測，檢查馬達的轉速為零，偵測及儲存該單位轉角的位置及卡阻轉矩，繼續檢測下一單位轉角的卡阻轉矩，至符合預設完成測試條件，馬達轉動一圈或檢測機器手臂一周期的移動後，以儲存的各單位轉角的位置及卡阻轉矩，形成卡阻轉矩曲線。

本發明另一實施例機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，將機器手臂切換至檢測模式，機器手臂輸出測試指令組，利用預定數的單位脈衝，驅動機器手臂的馬達轉動，在預定數之一單位脈衝設測試時間進行測試作業，其餘預定數單位脈衝則快速通過，平均卡阻轉矩的測試作業可設定在預定數的倍數的單位脈衝進行，測試作業時等待預設的延遲時間，檢查馬達的轉速不為零時，等待一延遲時間再繼續檢測，檢查馬達的轉速為零，偵測及儲存卡阻轉矩作為該預定數的單位脈衝的平均卡阻轉矩，繼續檢測下一預定數單位脈衝的平均卡阻轉矩，至符合預設完成測試的條件，以儲存的各預定數單位脈衝的平均卡阻轉矩，形成卡阻轉矩曲線。

20‧‧‧檢測系統

21‧‧‧控制器

22‧‧‧馬達

23‧‧‧檢查步驟

30‧‧‧檢查轉速步驟

31‧‧‧儲存步驟

圖1 本發明機器手臂的檢測系統的功能圖。

圖2 為本發明馬達轉動的脈衝圖。

圖3 為本發明偵測單位轉角的卡阻轉矩的示意圖。

圖4 為本發明馬達的卡阻轉矩曲線圖。

圖5 為本發明機器手臂卡阻轉矩的檢測方法的流程圖。

圖6 為本發明另一實施例馬達轉動的脈衝圖。

圖7 為本發明另一實施例馬達的卡阻轉矩曲線圖。

圖8 為本發明另一實施例機器手臂卡阻轉矩的檢測方法的流程圖。

圖9 為先前技術機器手臂的馬達的側剖面圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。

請同時參閱圖1、圖2、圖3及圖4，圖1為本發明機器手臂的檢測系統的功能圖，圖2為本發明馬達轉動的脈衝圖，圖3為本發明偵測單位轉角的卡阻轉矩的示意圖，圖4為本發明馬達的卡阻轉矩曲線圖。由於機器手臂因轉角位置、重量、機構摩擦力的不同，產生不同阻礙馬達22轉動的卡阻轉矩。為了精確控制馬達22的輸出力矩，圖1中，本發明機器手臂卡阻力矩的檢測系統20，在需要偵測馬達22的卡阻力矩時，將機器手臂切換至檢測模式。檢測系統20的控制器21就會輸出預先儲存的測試指令組，依序控制馬達22逐步轉動單位轉角，進行測試及儲存馬達22每一轉角的卡阻轉矩。直到檢查步驟23檢查符合完成預設測試的條件，例如檢測馬達22轉動一圈或檢測機器手臂一周期的移動，控制器21才會停止輸出測試指令組。

在圖2中，本發明的測試指令組，利用預設適當大小驅動力的單位脈衝P，驅動馬達22轉動一單位轉角。並在每一單位轉角預設停留的測試時間T0，以進行檢測該單位轉角的卡阻轉矩。圖3中，當輸出單位脈衝P完成驅動馬達22轉動一單位轉角，進入測試時間T0，卡阻轉矩雖作用在馬達22的轉矩感測器阻止馬達22轉動。但是馬達22中定子及轉子磁極間磁力的分布並非均勻，導致在該單位轉角中馬達22的驅動轉矩並非固定，以致卡阻轉矩與驅動轉矩一開始就在互相頂推角力，以尋求力的平衡。因此馬 達22也處在非靜止的轉動狀態，而馬達22的驅動轉矩並非卡阻轉矩，不能立即進行檢測卡阻轉矩。需等到馬達22停止轉動，卡阻轉矩與驅動轉矩達到平衡時，馬達22的驅動轉矩才等於卡阻轉矩。而馬達22的驅動轉矩可利用控制馬達22轉動的驅動電流依比例轉換，例如驅動電流為0.1時，只要乘上馬達設計值的力矩常數，就可計算出馬達22的驅動轉矩。

因此，本發明在進行檢測單位轉角的卡阻轉矩的測試作業時，當到達測試時間T0必須先以預設的延遲時間△t，等待卡阻轉矩與驅動轉矩達到平衡，再進入檢查轉速步驟30由致動器的編碼器，檢查馬達22的轉速為零，以確認馬達22靜止轉動，也就是卡阻轉矩與驅動轉矩達到平衡。接著進入儲存步驟31，由馬達22的驅動電流比例換算驅動轉矩，以獲得卡阻轉矩，控制器21並儲存該單位轉角的位置及卡阻轉矩。假如延遲時間△t，而檢查轉速步驟30檢查馬達22的轉速不為零，因卡阻轉矩與驅動轉矩無法達到平衡，則不量取卡阻轉矩，需再重新等待延遲時間△t，讓卡阻轉矩與驅動轉矩達到平衡，再量取卡阻轉矩。

接著，再以單位脈衝P驅動馬達22轉動至下一單位轉角檢測卡阻轉矩。直到符合完成預設測試單位轉角的條件。以預設測試馬達22轉動一圈為例，在完成檢測時，控制器21儲存的各單位轉角的位置及卡阻轉矩，如圖4中，就可形成馬達22的卡阻轉矩曲線。只要知道馬達22轉動至任何轉角，就可由卡阻轉矩曲線獲得該轉角的卡阻轉矩。

如圖5所示，為本發明機器手臂卡阻轉矩的檢測方法的流程。本發明機器手臂卡阻轉矩的檢測方法的詳細步驟說明如下：首先在步驟S1，本發明的機器手臂在需要偵測卡阻轉矩時，將機器手臂切換至檢測模 式；步驟S2，機器手臂輸出預先儲存的測試指令組；步驟S3，利用預設的單位脈衝，驅動馬達轉動一單位轉角；步驟S4，等待預設的延遲時間；在步驟S5，檢查馬達的轉速是否為零？假如檢查馬達的轉速不為零，則回到步驟S4，等待另一延遲時間再繼續檢測，假如檢查馬達的轉速為零，則進入步驟S6，偵測及儲存該單位轉角的位置及卡阻轉矩。接著進入步驟S7，檢查是否符合預設完成測試的條件？假如不符合預設完成測試的條件，則回到步驟S3，繼續檢測下一單位轉角，假如符合預設完成測試的條件，則進入步驟S8，以儲存的各單位轉角的位置及卡阻轉矩，形成卡阻轉矩曲線。

因此本發明的機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，就可藉由切換檢測模式，利用預設的測試指令組，以單位脈衝轉動馬達單位轉角，一一偵測及儲存馬達零轉速的轉角位置及卡阻轉矩，達到形成馬達的卡阻轉矩曲線的目的。而利用卡阻轉矩曲線，可提供機器手臂的馬達補償輸出動力，避免機器手臂移動時因驅動力不足產生抖動，或利用比較卡阻轉矩曲線的高低，推測機器手臂或致動器本身卡阻的狀況，作為產品品質評估的依據。

請同時參考圖6及圖7，圖6本發明另一實施例馬達轉動的脈衝圖，圖7為本發明另一實施例馬達的卡阻轉矩曲線圖。由於前實施例是逐步一單位脈衝P轉動一單位轉角，進行檢測馬達各轉角位置的卡阻轉矩。雖然可獲得較精確的卡阻轉矩曲線，但單位轉角轉動幅度過小，又需耗費固定的測試時間T0，致使檢測所需的時間過長。因此本實施例採取預定數N個單位脈衝P，才以測試時間T0進行測試作業，檢測一單位轉角的卡阻轉矩，以作為該N個單位脈衝P的平均卡阻轉矩，其餘單位脈衝的單位轉角，則以一般作業時間T1快速通過，以加速進行檢測。圖6中，設定到達預定數N個 的倍數的單位脈衝P，就進行卡阻轉矩的測試作業，儲存作為該N個單位脈衝P的平均卡阻轉矩。因此快速完成檢測後，可獲得圖7中階梯狀的卡阻轉矩曲線。

如圖8所示，為本發明另一實施例機器手臂卡阻轉矩的檢測方法的流程。本發明另一實施例機器手臂卡阻轉矩的檢測方法的詳細步驟說明如下：首先在步驟T1，本發明的機器手臂在需要偵測卡阻轉矩時，將機器手臂切換至檢測模式；步驟T2，機器手臂輸出預先儲存的測試指令組；步驟T3，利用預定數的單位脈衝驅動馬達轉動，在預定數之一單位脈衝預設測試時間，以進行測試作業；步驟T4，等待預設的延遲時間；在步驟T5，檢查馬達的轉速是否為零？假如檢查馬達的轉速不為零，則回到步驟T4，等待另一延遲時間再繼續檢測，假如檢查馬達的轉速為零，則進入步驟T6，儲存該單位轉角的卡阻轉矩作為該預定數的單位脈衝的平均卡阻轉矩。接著進入步驟T7，檢查是否符合預設完成測試的條件？假如不符合預設完成測試的條件，則回到步驟T3，繼續檢測下一預定數的單位脈衝，假如符合預設完成測試的條件，則進入步驟T8，以儲存的各預定數單位脈衝的平均卡阻轉矩，形成卡阻轉矩曲線。

因此，本發明的機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，就可利用預定數單位脈衝轉動馬達，僅在其中一單位脈衝進行卡阻轉矩的測試作業，儲存零轉速的卡阻轉矩，做為該預定數脈衝的平均卡阻轉矩，而可達到快速取得馬達的卡阻轉矩曲線的目的。此外，本發明的實施例雖以單位脈衝正向轉動馬達，取得正向卡阻轉矩曲線，同理也可以單位脈衝反向轉動馬達，取得反向卡阻轉矩曲線，亦屬本發明的技術範疇。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

Claims (4)

1. 一種機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，其步驟包含：將機器手臂切換至檢測模式；機器手臂輸出測試指令組；利用預定數的單位脈衝，驅動機器手臂的馬達轉動，在預定數之一單位脈衝進行測試作業；等待預設的延遲時間；檢查馬達的轉速為零，偵測及儲存卡阻轉矩作為該預定數的單位脈衝的平均卡阻轉矩；繼續檢測下一預定數單位脈衝的平均卡阻轉矩，至符合預設完成測試的條件；以儲存的各預定數單位脈衝的平均卡阻轉矩，形成卡阻轉矩曲線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，其中該平均卡阻轉矩的測試作業設定在預定數的倍數的單位脈衝進行測試作業。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，其中預定數之一單位脈衝預設測試時間進行測試作業，其餘預定數單位脈衝則快速通過。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂卡阻轉矩的檢測方法，其中檢查馬達的轉速不為零時，等待一延遲時間再繼續檢測。