TWI675269B - 可變姿態機器人及其姿態調整方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可變姿態機器人及其姿態調整方法。方法是於設定模式下感測可變姿態機器人的多個馬達的參考馬達資料，取得對應初始姿態的初始馬達資料，並依據參考馬達資料及初始馬達資料計算多個馬達的補償資料。方法還於操作模式依據補償資料與對應內建姿態的內建馬達資料計算調整馬達資料，並依據調整馬達資料控制多個馬達以使可變姿態機器人呈現調整後的內建姿態。本發明可供使用者直覺地調整機器人的姿態，而不須拆裝馬達，亦不須使用馬達校準儀器。

Description

可變姿態機器人及其姿態調整方法

本發明涉及機器人，特別涉及可變姿態機器人及其姿態調整方法。

目前已有一種可依據使用者操控來變換姿態的雙足機器人被提出。具體而言，使用者可操作遙控器來控制雙足機器人由一姿態(如站姿)變換為另一姿態(如行走)。透過混搭多種姿態，雙足機器人可呈現多種動作，而提供更佳的操控樂趣。

然而，由於馬達與機構件之間的背隙關係或機構件耗損問題，現有的雙足機器人經過一段時間的使用後，雙足機器人因馬達與機構件之間的誤差而使得姿態偏差(如雙足機器人於站立姿態下會後傾，或於行走姿態下雙腳步伐長度不同)，這使得雙足機器人無法精準地擺出姿態並可能因重心偏移而翻覆。

為解決上述問題，現有技術是由維修廠商拆下雙足機器人的所有馬達，並使用馬達校準儀器對各馬達進行校準，再將校準後的馬達逐一裝回。上述方式過於複雜且必須專門的維修人員與校準儀器，一般使用者並無法自行對雙足機器人進行校正。

此外，由於量產的雙足機器人的各姿態的控制參數皆相同，不同使用者所購買的雙足機器人所擺出的姿態會完全相同，而無法突顯使用者的個人風格，導致操控樂趣降低。

有鑑於此，目前亟待一種不需拆裝馬達或使用校準儀器即可調整機器人姿態的方案被提出。

本發明提供一種可變姿態機器人及其姿態調整方法，可依據使用者調整操作來調整馬達的馬達資料，藉以調整機器人的姿態。

於一實施例中，一種姿態調整方法，用於可變姿態機器人，可變姿態機器人包括用以變換姿態的多個馬達，姿態調整方法包括以下步驟：控制可變姿態機器人於調整條件滿足後感測多個馬達的參考馬達資料；取得對應初始姿態的初始馬達資料；依據參考馬達資料及初始馬達資料計算多個馬達的補償資料；於收到指定內建姿態的姿態變換指令後依據補償資料與對應內建姿態的內建馬達資料計算調整馬達資料；及，依據調整馬達資料控制多個馬達以使可變姿態機器人呈現調整後的內建姿態。

於一實施例中，一種可變姿態機器人，包括多個馬達、多個感測單元、儲存單元及電性連接多個馬達、多個感測單元及儲存單元的微處理單元。多個馬達連接多個驅動結構，用以驅動多個驅動結構來變換可變姿態機器人的姿態。多個感測單元分別設置於多個馬達，用以對多個馬達進行感測。儲存單元儲存調整條件、對應初始姿態的初始馬達資料及對應內建姿態的內建馬達資料。微處理單元於調整條件滿足後經由多個感測單元取得多個馬達的參考馬達資料，並依據參考馬達資料及初始馬達資料計算多個馬達的補償資料。微處理單元依據補償資料與內建馬達資料計算調整馬達資料。微處理單元於指定內建姿態的姿態變換指令被觸發後依據調整馬達資料控制多個馬達以使可變姿態機器人呈現調整後的內建姿態。

本發明可供使用者直覺地調整機器人的姿態，而不須拆裝馬達，亦不須使用馬達校準儀器。

下面結合圖式和具體實施例對本發明技術方案進行詳細的描述，以更進一步瞭解本發明的目的、方案及功效，但並非作為本發明所附申請專利範圍的限制。

首先，請同時參閱圖1及圖2，圖1為本發明一實施例的可變姿態機器人的架構圖，圖2為本發明一實施例的可變姿態機器人的外觀示意圖。如圖所示，本發明揭露了一種可變姿態機器人10(下稱機器人10，機器人10可如圖2所示為雙足機器人，或者為仿生機器人、機械手臂或其他具有馬達與多軸機構件而可變換不同姿態的機器人)，可自動或依據使用者操作進行姿態變換。機器人10主要包括用以儲存資料的儲存單元11、多個馬達13及電性連接上述單元並用以控制的微處理單元12。

多個馬達13分別連接多個驅動結構(如齒輪組、傳動軸或其他可傳遞動力的機構件)，用以輸出動力至驅動結構以推動驅動結構來變換機器人10的姿態。舉例來說，若任一馬達13輸出動力至手部的驅動結構，則可使機器人10的手部擺出舉起、彎曲或放下等姿態。

微處理單元12可控制各馬達13的輸出動力。於一實施例中，儲存單元11記錄有分別對應多種姿態的多筆馬達資料(如後述初始姿態的初始馬達資料或內建姿態的內建馬達資料)，其中，對應多種姿態的多筆馬達資料為機器人10出廠時即已設定完成並儲存於儲存單元11。微處理單元12可依據任一姿態的馬達資料來控制多個馬達13分別輸出不同動力而使機器人10擺出此姿態。

於一實施例中，機器人10包括電性連接微處理單元12的多個感測單元14。多個感測單元14分別設置於多個馬達13，可分別感測多個馬達的轉動狀態(如感測馬達13的轉動位置、速度或電流)，並產生對應的馬達資料。並且，微處理單元12是於所感測的馬達資料符合任一姿態的馬達資料時判定機器人10已擺出此姿態。

於一實施例中，各感測單元14可包括軸編碼器，各感測單元14可感測各馬達13當前的轉動位置或旋轉量，並經由軸編碼器將所感測的轉動位置編碼為類比或數位訊號。

以10位元軸編碼器為例，若馬達13可轉角度為310度，則軸編碼器可將0度至310度分別對應至數值0~1023。舉例來說，當馬達13當前的轉動位置為0度時軸編碼器可輸出數值0，當馬達13當前的轉動位置為310度時軸編碼器可輸出數值1023。藉此，微處理單元12可經由編碼後的數值來對馬達13進行更精密的控制。

於一實施例中，機器人10可包括電性連接微處理單元12的人機介面15(如指示燈、喇叭、按鈕或其他輸入/輸出元件)。使用者可經由人機介面15輸入操作來令微處理單元12執行特定指令(如切換至設定模式、切換至操作模式、執行指定特定姿態的姿態變換指令等等)，或經由人機介面15得知機器人10的當前狀態(如當前所在模式或電量)。

於一實施例中，機器人10可包括電性連接微處理單元12的通訊單元16(如藍芽收發器、Zig-Bee收發器、Wi-Fi收發器、Sub-1GHz收發器或其他無線收發器)。使用者可經由與通訊單元16配對完成的遙控器17(如機器人10的專用遙控器或安裝有對應的應用程式的智慧型手機)輸入操作來令微處理單元12執行特定指令，或經由遙控器17接收並顯示機器人10的當前狀態。

續請參閱圖3，為本發明第一實施例的姿態調整方法的流程圖。本發明進一步揭露一種姿態調整方法，所述姿態調整方法主要運用於如圖1、圖2所示的機器人10。

於一實施例中，儲存單元11包括非暫態電腦可讀取媒體，並儲存有電腦程式110(如機器人10的韌體)，電腦程式110記錄有電腦可讀取的程式碼。微處理單元12可執行電腦程式110來控制機器人10實現本發明各實施例的姿態調整方法的各步驟。並且，使用者可操作人機介面15或遙控器17來控制機器人10於設定模式與操作模式間進行切換。

如圖3所示，當使用者要對機器人10的姿態進行調整(包括校正姿態與設定個人化姿態)時首先操作機器人10來於設定模式下調整姿態(步驟S10)。

具體而言，於設定模式下，微處理單元12可自儲存單元11讀取預設的調整條件(如計時預設的調整時間經過、收到調整訊號或經由監測多個馬達13感測到姿態調整操作)，並判斷調整條件是否滿足(步驟S100)。並且，微處理單元12可於調整條件滿足時經由感測單元14感測多個馬達13當前的參考馬達資料 (步驟S101)，並可於調整條件不滿足時繼續進行判斷。前述參考馬達資料可為各馬達13的當前位置所對應數值，並對應使用者所期望的姿態。

以調整條件是計時預設的調整時間經過為例，使用者可於計時期間內手動調整機器人10的姿態來使機器人10呈現期望的姿態。以調整條件是收到調整訊號為例，使用者可於機器人10呈現期望的姿態後操作人機介面15或遙控器17來觸發調整訊號。以調整條件是感測到姿態調整操作為例，微處理單元12可經由感測單元14監控多個馬達13當前的馬達資料以判斷使用者是否正在對機器人10進行姿態調整操作，並於馬達資料停止改變時判定姿態調整操作完成，並將當前的馬達資料記錄為參考馬達資料。

接著，微處理單元12自儲存單元11讀取初始的初始馬達資料，並依據參考馬達資料及初始馬達資料之間的差異計算多個馬達13的補償資料(步驟S102)，並將補償資料儲存於儲存單元11。藉此，微處理單元12完成姿態調整的設定並可離開設定模式。

接著，當使用者要對機器人10的姿態進行變換時可操作機器人10來於操作模式下呈現所指定的姿態(步驟S11)。

具體而言，於操作模式下，微處理單元12可判斷是否收到指定任一內建姿態的姿態變換指令(步驟S110)，並可於未收到姿態變換指令繼續偵測。

舉例來說，使用者可經由人機介面15或遙控器17來輸入姿態變換指令或由機器人10自行產生姿態變換指令。

微處理單元12於收到指定任一內建姿態的姿態變換指令後自儲存單元11讀取此內建姿態所對應的內建馬達資料(步驟S111)並取得先前依據初始姿態所算出的補償資料。

接著，微處理單元12依據所取得的內建馬達資料與補償資料計算調整馬達資料(步驟S112)，並依據所算出的調整馬達資料控制多個馬達13輸出動力來連動驅動結構而使機器人10呈現依據補償值調整後的內建姿態(步驟S113)。

本發明可供使用者直覺地調整機器人的姿態，而不須拆裝馬達，亦不須使用馬達校準儀器。

本發明經由依據初始姿態所算出的補償值來自動調整內建姿態，可有效減少使用者手動調整其他姿態所需時間。

雖圖3所示的實施例是收到姿態變換指令後才依據補償資料與對應的馬達資料計算此姿態的調整馬達資料，但不以此限定。

續請同時參閱圖4及圖5，圖4為本發明第二實施例的姿態調整方法的設定流程圖，圖5為本發明第二實施例的姿態調整方法的操作流程圖。相較於圖3，圖4與圖5所示的實施例是於設定模式下預先計算各內建姿態的調整馬達資料，並於操作模式下收到姿態變換指令後直接讀取對應的調整馬達資料。藉此，本發明於操作模式下可不需計算調整馬達資料，而可使得操作更為流暢。

如圖4所示，當使用者要對機器人10的姿態進行調整時可先操作機器人10來進入設定模式(如輸入切換設定模式操作)以調整姿態(步驟S20)。接著，微處理單元12控制所有馬達13進入洩力狀態以降低所有馬達13的扭矩(步驟S21)。

值得一提的是，為了使機器人10維持當前的姿態或避免翻覆，馬達13必須持續產生扭矩至驅動結構來使驅動結構維持於固定位置。於此狀況下，使用者必須相當費力才可手動調整機器人10的姿態。

因此，本發明經由控制所有馬達13進入洩力狀態可令使用者輕鬆地手動調整機器人10為期望的姿態。

接著，機器人10於馬達13進入洩力狀態後偵測調整條件(如計時預設的調整時間經過、收到調整訊號或經由監測多個馬達13感測到姿態調整操作)是否滿足(步驟S22)，並於偵測調整條件滿足時感測馬達的參考馬達資料(步驟S23)。

接著，於機器人10已被擺出使用者所期望的姿態(如使用者所期望的站姿)的情況下，微處理單元12可經由各感測單元14的軸編碼器取得各馬達13當前的編碼位置(即參考編碼位置)，並做為參考馬達資料(步驟S23)。

接著，微處理單元12自儲存單元11讀取初始姿態(如站姿)的初始馬達資料，並依據參考馬達資料及初始馬達資料之間的差異計算多個馬達13的補償資料(步驟S24)。

於一實施例中，初始馬達資料可包括分別對應多個馬達13的多個初始編碼位置，補償資料包括各馬達13的補償值。微處理單元12是計算各馬達13所對應的參考編碼位置與初始編碼位置之間的差值以做為此馬達13的補償值。

接著，微處理單元12自儲存單元11讀取所有內建姿態(內建姿態可包括初始姿態(如站姿)與其他內建姿態(如舉右手或直走等等))所對應的內建馬達資料(步驟S25，內建馬達資料可包括初始姿態的初始馬達資料與其他內建姿態的內建馬達資料)。

接著，微處理單元12依據各內建姿態的內建馬達資料與補償資料計算各內建姿態所對應的調整馬達資料(步驟S26)，並儲存所算出的各內建姿態的調整馬達資料於儲存單元11。接著，微處理單元12完成姿態調整的設定並離開設定模式。

於一實施例中，調整馬達資料包括各馬達13的調整位置，微處理單元12是將各內建姿態的內建馬達資料所記錄的各馬達13的內建編碼位置加上對應相同馬達13的補償值以作為此馬達13於此內建姿態的調整位置，如將舉右手的內建馬達資料所記錄的各馬達13的內建編碼位置加上相同馬達13的補償值以作為各馬達13於舉右手姿態下的調整位置。

接著，如圖5所示，當使用者希望機器人10進行姿態變換時可操作機器人10來進入操作模式(步驟S30，如輸入切換操作模式操作)。

於操作模式下，微處理單元12可經由人機介面15或通訊單元16判斷是否收到指定任一內建姿態(包括初始姿態或其他內建姿態)的姿態變換指令(步驟S31)。若未收到姿態變換指令則微處理單元12再次執行步驟S31。若收到姿態變換指令，則微處理單元12自儲存單元11讀取此內建姿態所對應的調整馬達資料(步驟S32)，並據以控制多個馬達13輸出動力來連動驅動結構而使機器人10呈現調整後的內建姿態(步驟S33)。

接著，微處理單元12判斷是否結束控制(步驟S34，如使用者關閉機器人10)。若微處理單元12判定結束控制，則終止姿態調整方法。否則，再次執行步驟S31。

續請同時參閱圖6A至圖7C。圖6A為本發明的校正姿態的參考馬達資料的示意圖，圖6B為本發明的校正姿態的初始馬達資料的示意圖，圖6C為本發明的校正姿態的補償資料的示意圖，圖7A為本發明的校正姿態的內建馬達資料的示意圖，圖7B為本發明的校正姿態的補償資料的示意圖，圖7C為本發明的校正姿態的調整馬達資料的示意圖。圖6A至圖7C是用以說明本發明如何對姿態偏差（於本例子中為後傾）的機器人10進行校正。於本例子中，機器人10包括十組馬達20-29，馬達資料包括各馬達20-29的編碼位置，補償資料包括各馬達20-29的補償值，調整馬達資料包括各馬達20-29的調整位置。

首先，當發生姿態偏差的機器人10依據站姿(於本例子中為初始姿態)的初始馬達資料變換為站姿後，其實際姿態為後傾(如圖6A所示)。接著，使用者可於設定模式下調整機器人10為正確的站姿，並令機器人10感測所有馬達20-29的參考馬達資料（如圖6B所示）。接著，機器人10可依據站姿的初始馬達資料與參考馬達資料計算補償資料（如圖6C所示）。

接著，機器人10可切換至操作模式並於收到指示行走的姿態變換指令後取得行走(於本例子中為內建姿態)的內建馬達資料（如圖7A所示，機器人10原本的行走姿態會後傾）與先前計算的補償資料（如圖7B所示），依據行走的內建馬達資料與補償資料計算行走的調整馬達資料，並依據調整馬達資料控制機器人10變換為調整後的行走姿態（如圖7C所示，調整後的行走姿態不會後傾）。

本發明可供使用者直覺地對發生姿態偏差的機器人10進行校正。

續請同時參閱圖8A至圖9C。圖8A為本發明的個人化姿態的參考馬達資料的示意圖，圖8B為本發明的個人化姿態的初始馬達資料的示意圖，圖8C為本發明的個人化姿態的補償資料的示意圖，圖9A為本發明的個人化姿態的內建馬達資料的示意圖，圖9B為本發明的個人化姿態的補償資料的示意圖，圖9C為本發明的個人化姿態的調整馬達資料的示意圖。圖8A至圖9C是用以說明本發明如何對運作正常的機器人10進行調整，而使調整後的機器人可呈現使用者個人特色（於本例子中為後傾）。於本例子中，機器人10包括十組馬達20-29，補償資料包括各馬達20-29的補償值，調整馬達資料包括各馬達20-29的調整位置。

首先，當運作正常的機器人10依據站姿(於本例子中為初始姿態)的初始馬達資料可變換為正常的站姿(如圖8A所示)。接著，使用者可於設定模式下調整機器人10為所期望的站姿(於本例子中為後傾)，並令機器人10感測所有馬達20-29的參考馬達資料（如圖8B所示）。接著，機器人10可依據站姿的初始馬達資料與參考馬達資料計算補償資料（如圖8C所示）。

接著，機器人10可切換至操作模式並於收到指示行走的姿態變換指令後取得行走(於本例子中為內建姿態)的內建馬達資料（如圖9A所示，機器人10原本的行走姿態為正常）與先前計算的補償資料（如圖9B所示），並依據行走的內建馬達資料與補償資料計算行走的調整馬達資料，並依據調整馬達資料控制機器人10變換為調整後的行走姿態（如圖9C所示，調整後的行走姿態會後傾）。

本發明可供使用者直覺地對機器人10進行調整來使機器人10的姿態呈現個人特色。

當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的申請專利範圍。

10‧‧‧可變姿態機器人

11‧‧‧儲存單元

12‧‧‧微處理單元

13‧‧‧馬達

14‧‧‧感測單元

15‧‧‧人機介面

16‧‧‧通訊單元

17‧‧‧遙控器

20-29‧‧‧馬達

S10、S100-S102‧‧‧第一設定步驟

S11、S110-S113‧‧‧第一操作步驟

S20-S26‧‧‧第二設定步驟

S30-S34‧‧‧第二操作步驟

圖1為本發明一實施例的可變姿態機器人的架構圖；

圖2為本發明一實施例的可變姿態機器人的外觀示意圖；

圖3為本發明第一實施例的姿態調整方法的流程圖；

圖4為本發明第二實施例的姿態調整方法的設定流程圖；

圖5為本發明第二實施例的姿態調整方法的操作流程圖；

圖6A為本發明的校正姿態的參考馬達資料的示意圖；

圖6B為本發明的校正姿態的初始馬達資料的示意圖；

圖6C為本發明的校正姿態的補償資料的示意圖；

圖7A為本發明的校正姿態的內建馬達資料的示意圖；

圖7B為本發明的校正姿態的補償資料的示意圖；

圖7C為本發明的校正姿態的調整馬達資料的示意圖；

圖8A為本發明的個人化姿態的參考馬達資料的示意圖；

圖8B為本發明的個人化姿態的初始馬達資料的示意圖；

圖8C為本發明的個人化姿態的補償資料的示意圖；

圖9A為本發明的個人化姿態的內建馬達資料的示意圖；

圖9B為本發明的個人化姿態的補償資料的示意圖；及

圖9C為本發明的個人化姿態的調整馬達資料的示意圖。

Claims (12)

1. 一種姿態調整方法，用於一可變姿態機器人，該可變姿態機器人包括用以變換姿態的多個馬達，該姿態調整方法包括以下步驟： a) 控制該可變姿態機器人於一調整條件滿足後感測該多個馬達的一參考馬達資料； b) 取得對應一初始姿態的一初始馬達資料； c) 依據該參考馬達資料及該初始馬達資料計算該多個馬達的一補償資料； d) 於收到指定一內建姿態的一姿態變換指令後依據該補償資料與對應該內建姿態的一內建馬達資料計算一調整馬達資料；及 e) 依據該調整馬達資料控制該多個馬達以使該可變姿態機器人呈現調整後的該內建姿態。
2. 如請求項1所述的姿態調整方法，其中該步驟a)包括以下步驟： a1) 控制該多個馬達進入一洩力狀態以降低該多個馬達的扭矩；及 a2) 於該調整條件滿足後感測該多個馬達的該參考馬達資料。
3. 如請求項2所述的姿態調整方法，其中該調整條件是計時一調整時間經過、收到一調整訊號或經由監測該多個馬達感測到一姿態調整操作。
4. 如請求項1所述的姿態調整方法，其中該步驟c)是依據該參考馬達資料所記錄的該多個馬達的多個參考編碼位置及該初始馬達資料所記錄的該多個馬達的多個初始編碼位置計算各該馬達的一補償值以作為該補償資料。
5. 如請求項4所述的姿態調整方法，其中該步驟d)是於收到該姿態變換指令後依據各該馬達的該補償值與該內建馬達資料所記錄的該多個馬達的多個內建編碼位置計算該調整馬達資料。
6. 如請求項5所述的姿態調整方法，其中該步驟c)是計算同一該馬達的該參考編碼位置與該初始編碼位置之間的差值作為該馬達的該補償值，該步驟d)是將各該馬達的該補償值加上該內建編碼位置作為該調整馬達資料。
7. 一種可變姿態機器人，包括： 多個馬達，連接多個驅動結構，用以驅動該多個驅動結構來變換該可變姿態機器人的姿態； 多個感測單元，分別設置於該多個馬達，用以對該多個馬達進行感測； 一儲存單元，儲存一調整條件、對應一初始姿態的一初始馬達資料及對應一內建姿態的一內建馬達資料；及 一微處理單元，電性連接該多個馬達、該多個感測單元及該儲存單元，該微處理單元於該調整條件滿足後經由該多個感測單元取得該多個馬達的一參考馬達資料，並依據該參考馬達資料及該初始馬達資料計算該多個馬達的一補償資料； 其中，該微處理單元依據該補償資料與該內建馬達資料計算一調整馬達資料； 其中，該微處理單元於指定該內建姿態的一姿態變換指令被觸發後依據該調整馬達資料控制該多個馬達以使該可變姿態機器人呈現調整後的該內建姿態。
8. 如請求項7所述的可變姿態機器人，其中該微處理單元是先控制該多個馬達進入一洩力狀態以降低該多個馬達的扭矩，並於該調整條件滿足後取得該多個馬達的該參考馬達資料。
9. 如請求項8所述的可變姿態機器人，其中該調整條件是計時一調整時間經過、收到一調整訊號或經由監測該多個馬達感測到一姿態調整操作。
10. 如請求項7所述的可變姿態機器人，其中該微處理單元是依據該參考馬達資料所記錄的該多個馬達的多個參考編碼位置及該初始馬達資料所記錄的該多個馬達的多個初始編碼位置計算各該馬達的一補償值以作為該補償資料。
11. 如請求項10所述的可變姿態機器人，其中該微處理單元是於該姿態變換指令被觸發後依據各該馬達的該補償值與該內建馬達資料所記錄的該多個馬達的多個內建編碼位置計算該調整馬達資料。
12. 如請求項11所述的可變姿態機器人，其中該微處理單元是計算同一該馬達的該參考編碼位置與該初始編碼位置之間的差值作為該馬達的該補償值，並將各該馬達的該補償值加上該內建編碼位置作為該調整馬達資料。