TWI676537B - 機器人裝置 - Google Patents

Abstract

一種機器人裝置包含頭部、身體、第一板體、第二板體、第一重力感測器、第二重力感測器與處理器。第一板體設置於身體，第二板體設置於頭部，第二板體樞接第一板體，且第二板體能夠相對第一板體旋轉。第一重力感測器設置於第一板體，並感測第一板體的第一角度。第二重力感測器設置於第二板體，並感測第二板體的第二角度。處理器電性連接第一重力感測器與第二重力感測器，並根據第一角度與第二角度之相差值變化判斷第二板體相對第一板體旋轉的方向。

Description

機器人裝置

本發明是關於一種機器人裝置。

隨著科技的日新月異，機器人的應用也變得越來越普及，而機器人在結構上的設計，往往離不開對人體結構的參考。為要使機器人的活動更能模擬人體的動作，機器人的關節除了要足夠堅固強壯外，其活動的準確性也是重要的一環。

因此，在機器人的研發領域中，如何提升關節活動的準確性和可靠性，無疑是業界發展的一個重要方向。

本發明之目的之一在於提供一種機器人裝置，其能可靠地判斷第二板體相對第一板體旋轉的角度，從而避免機器人在電子系統開機或重啟時因為不當的操作而造成結構上的破壞。

根據本發明的一實施方式，一種機器人裝置包含頭部、身體、第一板體、第二板體、第一重力感測器、第二重力感測器與處理器。第一板體設置於身體，第二板體設 置於頭部，第二板體樞接第一板體，且第二板體能夠相對第一板體旋轉。第一重力感測器設置於第一板體，並配置以感測第一板體的第一角度。第二重力感測器設置於第二板體，並配置以感測第二板體的第二角度。處理器電性連接第一重力感測器與第二重力感測器，並配置以根據所感測的第一角度與所感測的第二角度之相差值變化判斷第二板體相對第一板體旋轉的方向。

在本發明一或多個實施方式中，上述之第一板體相對水平參考面之角度定義第一角度，第二板體相對水平參考面之角度定義第二角度。

在本發明一或多個實施方式中，機器人裝置進一步包含光遮斷器，其電性連接處理器，並且包含接收器、發射器以及遮光部。接收器設置於第一板體。發射器設置於第一板體，並遠離接收器，發射器配置以向接收器發射光線。遮光部設置於第二板體，並配置以隨著第二板體相對第一板體旋轉而至少部分經過於發射器與接收器之間。處理器配置以根據接收器是否接收到光線，以及第二板體相對第一板體旋轉的方向，而判斷第二板體相對於第一板體之角度的範圍。

在本發明一或多個實施方式中，當上述之接收器接收到光線時，接收器向處理器傳送第一訊號，當接收器停止接收到光線時，接收器向處理器傳送第二訊號。

在本發明一或多個實施方式中，上述之遮光部具有第一子遮光部以及第二子遮光部，第一子遮光部與第二 子遮光部配置以交替地經過於發射器與接收器之間，第一子遮光部與第二子遮光部之間具有通光部，通光部配置以讓光線穿越。遮光部還具有中心線，其對稱地劃分通光部。

在本發明一或多個實施方式中，當上述之第二板體相對第一板體之角度小於第二子遮光部朝向第一子遮光部的表面與中心線之間的夾角時，光線穿越通光部。

在本發明一或多個實施方式中，第一子遮光部與第二子遮光部各自具有朝向與背對通光部的兩表面。第一子遮光部之兩表面與中心線之間的兩夾角定義第一範圍，而第二子遮光部之兩表面與中心線之間的兩夾角定義第二範圍。當接收器未接收到光線時，若處理器判斷第二板體相對第一板體的方向為第一方向，則第二板體相對第一板體之角度在第一範圍內，若處理器判斷第二板體相對第一板體旋轉的方向為相反於第一方向的第二方向，則第二板體相對第一板體之角度在第二範圍內。

在本發明一或多個實施方式中，當上述之第二板體相對第一板體之角度大於第二子遮光部背對第一子遮光部的表面與中心線之間的夾角時，接收器接收到光線。

在本發明一或多個實施方式中，上述之機器人裝置更包含移動裝置。此移動裝置電性連接處理器，並設置於第一板體，移動裝置配置以受處理器控制，以相對第一板體旋轉第二板體。

本發明上述實施方式至少具有以下優點：

(1)由於第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的 資訊，係藉由第一重力感測器、第二重力感測器以及光遮斷器的同時運作而獲得，因此，處理器所判斷第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度具有相當高的可靠度，更可避免機器人在電子系統開機或重啟時因為不當的操作而造成結構上的破壞。

(2)機器人裝置能夠簡單容易地掌握第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度，以便機器人裝置進行校正。

(3)由於第一重力感測器與第二重力感測器容易安裝，且體積細小，因而有利於維持機器人裝置的結構緊密性，更有利於控制機器人裝置的製作成本。

(4)由於第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度並非判斷於移動裝置的作動行程，因此，第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度的掌握，不會因為移動裝置在操作時出現掉步的情況而有所影響。

100‧‧‧機器人裝置

110‧‧‧第一板體

120‧‧‧第二板體

121‧‧‧齒輪

130‧‧‧第一重力感測器

140‧‧‧第二重力感測器

150‧‧‧光遮斷器

151‧‧‧接收器

152‧‧‧發射器

153‧‧‧遮光部

153a‧‧‧第一子遮光部

153a1、153a2‧‧‧表面

153b‧‧‧第二子遮光部

153b1、153b2‧‧‧表面

153c‧‧‧通光部

160‧‧‧處理器

170‧‧‧移動裝置

171‧‧‧蝸輪

R‧‧‧水平參考面

θ‧‧‧角度

θ1‧‧‧第一角度

θ2‧‧‧第二角度

θa、θb、θc‧‧‧範圍

CL‧‧‧中心線

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

M-M‧‧‧線段

S‧‧‧空間

X‧‧‧軸線

第1圖為繪示依照本發明一實施方式之機器人裝置的立體示意圖。

第2圖為繪示第1圖之機器人裝置的正面示意圖。

第3圖為繪示第1圖之機器人裝置的應用示意圖，其中第二板體的第二角度大於第一板體的第一角度。

第4圖為繪示第1圖之機器人裝置的應用示意圖，其中第二板體的第二角度小於第一板體的第一角度。

第5圖為繪示第1圖之光遮斷器的側面放大示意圖。

第6圖為繪示第1圖之機器人裝置的電性連接示意圖。

第7圖為繪示第5圖沿線段M-M的切面示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。且若實施上為可能，不同實施例的特徵係可以交互應用。

請參照第1~2圖。第1圖為繪示依照本發明一實施方式之機器人裝置100的立體示意圖。第2圖為繪示第1圖之機器人裝置100的正面示意圖。在本實施方式中，如第1~2圖所示，一種機器人裝置100包含第一板體110、第二板體120、光遮斷器150、第一重力感測器(gravitational sensor；G-sensor)130與第二重力感測器140(第一重力感測器130及第二重力感測器140請見第2圖)。第一板體110與第二板體120分別設置有電路板。第二板體120樞接第一板體110，第二板體120配置以相對第一板體110繞軸線X旋轉角度θ(請見第3~4圖)。在實務的應用中，第二板體120可連接機器人的頭部(圖未示)或作為機器人頭部的一部分，而第一板體110則可連接機器人的身體(圖未示) 或作為機器人身體的一部分。如此一來，當第二板體120相對第一板體110旋轉時，可比擬機器人點頭的動作。

請參照第3~4圖。第3圖為繪示第1圖之機器人裝置100的應用示意圖，其中第二板體120的第二角度θ2大於第一板體110的第一角度θ1。第4圖為繪示第1圖之機器人裝置100的應用示意圖，其中第二板體120的第二角度θ2小於第一板體110的第一角度θ1。具體而言，如第2~4圖所示，第一重力感測器130設置於第一板體110，並可連接第一板體110上的電路板或第一重力感測器130直接設置於第一板體110上的電路板，第一重力感測器130配置以感測第一板體110的第一角度θ1，而第二重力感測器140設置於第二板體120，並可連接第二板體120上的電路板或第二重力感測器140直接設置於第二板體120上的電路板，第二重力感測器140配置以感測第二板體120的第二角度θ2。更具體而言，如第3~4圖所示，第一板體110相對水平參考面R之角度定義第一角度θ1，第二板體120相對水平參考面R之角度定義該第二角度θ2。舉例而言，當機器人裝置100出廠進行水平校正時，機器人裝置100可被放置於水平測試台(圖未示)上進行水平校正，若第一重力感測器130及第二重力感測器140不存在誤差，則第一角度θ1及第二角度θ2應皆為0度。

請注意到，在實務的應用中，水平測試台的上表面應為水平設置，且與水平參考面R相互平行，亦即第一板體110與水平參考面R亦為相互平行的，然而，第3~4圖 所繪示的機器人裝置100，係刻意與水平參考面R誇張地旋轉，以清楚表達圖中角度間的關係。

為方便說明，舉例而言，假設在第2~4圖中，機器人的面部朝向圖的左方，當第二板體120相對第一板體110朝第二方向D2旋轉時，第二板體120的第二角度θ2減去第一板體110的第一角度θ1後為正值，即第二板體120的第二角度θ2大於第一板體110的第一角度θ1，可視為機器人仰頭，如第3圖所示。反之，當第二板體120相對第一板體110朝相反於第二方向D2的第一方向D1旋轉時，第二板體120的第二角度θ2減去第一板體110的第一角度θ1為負值，即第二板體120的第二角度θ2小於第一板體110的第一角度θ1，可視為機器人點頭，如第4圖所示。在本實施方式中，第一方向D1為逆時針方向，第二方向D2為順時針方向。

在實務的應用中，在機器人點頭或後仰時，第二板體120相對第一板體110所旋轉最大的角度為+15度及-15度之間，但本發明並不以此為限。

請參照第5圖，其為繪示第1圖之光遮斷器150的側面放大示意圖。在本實施方式中，如第5圖所示，光遮斷器150包含接收器151、發射器152以及遮光部153。接收器151設置於第一板體110，發射器152設置於第一板體110並遠離接收器151，發射器152與接收器151之間具有空間S，而發射器152配置以向接收器151發射光線。遮光部153設置於第二板體120，並配置以隨著第二板體120相對第一板體110旋轉，至少部分經過位於發射器152與接收器151 之間的空間S。

另外，請參照第6圖，其為繪示第1圖之機器人裝置100的電性連接示意圖。在本實施方式中，機器人裝置100包含處理器160。如第6圖所示，處理器160電性連接第一重力感測器130、第二重力感測器140與光遮斷器150，處理器160配置以根據所感測的第一角度θ1與所感測的第二角度θ2之相差值變化，以及光遮斷器150之接收器151是否接收到光線，而判斷第二板體120與第一板體110之間角度θ的範圍。

在本實施方式中，如第1~4圖所示，機器人裝置100更包含移動裝置170，移動裝置170設置於第一板體110。再者，如第6圖所示，移動裝置170電性連接處理器160，並配置以受處理器160控制，以相對第一板體110旋轉第二板體120。在實務的應用中，移動裝置170可具有驅動裝置(圖未示)及蝸輪171，當移動裝置170受到處理器160控制而啟動時，驅動裝置帶動蝸輪171轉動並帶動位於第二板體120的齒輪121轉動，從而使第二板體120相對第一板體110旋轉。

具體而言，當接收器151接收到光線時，接收器151會向處理器160傳送第一訊號，而當接收器151停止接收到光線時，接收器151向處理器160傳送第二訊號。

請參照第7圖，其為繪示第5圖沿線段M-M的切面示意圖。在本實施方式中，如第7圖所示，遮光部153具有第一子遮光部153a以及第二子遮光部153b，第一子遮光 部153a與第二子遮光部153b配置以交替地經過位於發射器152與接收器151之間的空間S(請參照第5圖)，第一子遮光部153a與第二子遮光部153b之間具有通光部153c，通光部153c配置以讓光線穿越。

從結構上而言，如第7圖所示，通光部153c係呈扇形，且通光部153c連接第一子遮光部153a與第二子遮光部153b的邊緣，在幾何上可延伸至軸線X，再者，遮光部153的中心線CL經過軸線X，且實質上垂直於第一板體110，中心線CL更把通光部153c對稱地劃分。在本實施方式中，以中心線CL為0度的話，則通光部153c連接第一子遮光部153a與第二子遮光部153b的邊緣分別為-4度及+4度。換句話說，第一子遮光部153a所朝向第二子遮光部153b的表面153a1，係以-4度旋轉於中心線CL，而第二子遮光部153b所朝向第一子遮光部153a的表面153b1，係以+4度旋轉於中心線CL，而通光部153c的範圍θc為-4度至+4度。

由於遮光部153的中心線CL實質上垂直於第一板體110，因此，當第二板體120相對第一板體110之角度大於表面153a1與中心線CL之間的夾角且小於表面153b1與中心線CL之間的夾角時(亦即，當第二板體120旋轉於第一板體110的角度θ在範圍θc即+4度至-4度之間時)，則光線不受第一子遮光部153a或第二子遮光部153b的阻擋而可穿越通光部153c。換句話說，當第二板體120旋轉於第一板體110的角度θ在+4度至-4度之間的範圍時，接收器151能夠接收光線，且接收器151會向處理器160傳送第一訊號。

再者，如第7圖所示，第一子遮光部153a亦呈扇形，且第一子遮光部153a朝向第二子遮光部153b的表面153a1及背對第二子遮光部153b的表面153a2，在幾何上均可延伸至軸線X。在本實施方式中，第一子遮光部153a所朝向第二子遮光部153b的表面153a1相對中心線CL為-4度，而第一子遮光部153a背對第二子遮光部153b的表面153a2相對中心線CL為-12度，而表面153a1與中心線CL之間的夾角以及表面153a2與中心線CL之間的夾角定義-4至-12度的範圍θa。換句話說，當第二板體120相對第一板體110朝第一方向D1旋轉而第二板體120旋轉於第一板體110的角度θ落入範圍θa即-4度至-12度時，光線受到第一子遮光部153a的阻擋，以使接收器151停止接收光線，且接收器151會向處理器160傳送第二訊號。

相似地，如第7圖所示，第二子遮光部153b亦呈扇形，且第二子遮光部153b朝向第一子遮光部153a的表面153b1及背對第一子遮光部153a的表面153b2，在幾何上均可延伸至軸線X。在本實施方式中，第二子遮光部153b所朝向第一子遮光部153a的表面153b1相對中心線CL為+4度，而第二子遮光部153b背對第一子遮光部153a的表面153b2相對中心線CL為+12度，而表面153b1與中心線CL之間的夾角以及表面153b2與中心線CL之間的夾角定義+4至+12度的範圍θb。換句話說，當第二板體120相對第一板體110朝相第二方向D2旋轉而第二板體120旋轉於第一板體110的角度θ落入範圍θb即+4度至+12度時，光線受到第 二子遮光部153b的阻擋，以使接收器151停止接收光線，且接收器151會向處理器160傳送第二訊號。

進一步而言，當第二板體120旋轉於第一板體110的角度θ位於小於-12度(亦即，表面153a2與中心線CL之間的夾角)或大於+12度(亦即，表面153b2與中心線CL之間的夾角)時，接收器151亦能夠接收光線，且接收器151會向處理器160傳送第一訊號。此時，第二板體120相對第一板體110所旋轉的角度已接近極限的-15度或+15度，而處理器160則設定控制移動裝置170並使蝸輪171以較慢的速度轉動，以避免第二板體120相對第一板體110所旋轉的角度超越-15度或+15度而造成機器人裝置100的損壞。

當機器人的電子系統開機或重啟時，若第二重力感測器140所感測到第二板體120的第二角度θ2，在減去第一重力感測器130所感測到第一板體110的第一角度θ1後得出正值時，如上所述，機器人裝置100處於仰頭的狀態(亦即，第二板體120相對第一板體110朝第二方向D2旋轉)。此時，若光遮斷器150的接收器151停止接收光線，且向處理器160傳送第二訊號，則處理器160可以判斷第二板體120與第一板體110之間的角度θ正好落入範圍θb即+4度至+12度。如此一來，處理器160可控制移動裝置170，使機器人裝置100進行點頭的動作來使第二板體120相對第一板體110返回歸零點，而避免在機器人的電子系統開機或重啟時，使機器人裝置100繼續往後仰而造成結構上的破壞。

相似地，當機器人的電子系統開機或重啟時，若第二重力感測器140所感測到第二板體120的第二角度θ2，在減去第一重力感測器130所感測到第一板體110的第一角度θ1後得出負值時，如上所述，機器人裝置100處於點頭的狀態(亦即，第二板體120相對第一板體110朝第一方向D1旋轉)。此時，若光遮斷器150的接收器151停止接收光線，且向處理器160傳送第二訊號，則處理器160可以判斷第二板體120與第一板體110之間的角度θ正好落入範圍θa即-4度至-12度。如此一來，處理器160可控制移動裝置170，使機器人裝置100進行仰後的動作來使第二板體120相對第一板體110返回歸零點，而避免在機器人的電子系統開機或重啟時，使機器人裝置100繼續往前傾而造成結構上的破壞。

根據以上所述的狀況，舉例而言，當機器人裝置100進行仰後的動作時，光遮斷器150的接收器151向處理器160所傳送的訊號由第二訊號變成第一訊號的瞬間，處理器160可以判斷第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的角度θ正好是-4度。相似地，當機器人裝置100進行點頭的動作時，光遮斷器150的接收器151向處理器160所傳送的訊號由第二訊號變成第一訊號的瞬間，處理器160可以判斷第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的角度θ正好是+4度。如此一來，機器人裝置100能夠簡單容易地掌握第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的角度θ，以便機器人裝置100進行校正。

在本實施方式中，由於第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的資訊，係藉由第一重力感測器130、第二重力感測器140以及光遮斷器150的同時運作而獲得，因此，處理器160所判斷第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的角度θ具有相當高的可靠度。

再者，由於第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的角度θ並非判斷於移動裝置170的作動行程，因此，第二板體120繞軸線X相對第一板體110旋轉的角度θ的掌握，不會因為移動裝置170在操作時出現掉步的情況而有所影響。

在實務的應用中，由於第一重力感測器130與第二重力感測器140容易安裝，且體積細小，因而有利於維持機器人裝置100的結構緊密性，更有利於控制機器人裝置100的製作成本。

綜上所述，本發明上述實施方式所揭露的技術方案至少具有以下優點：

(1)由於第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的資訊，係藉由第一重力感測器、第二重力感測器以及光遮斷器的同時運作而獲得，因此，處理器所判斷第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度具有相當高的可靠度，更可避免機器人在電子系統開機或重啟時因為不當的操作而造成結構上的破壞。

(2)機器人裝置能夠簡單容易地掌握第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度，以便機器人裝置進行校 正。

(3)由於第一重力感測器與第二重力感測器容易安裝，且體積小，因而有利於維持機器人裝置的結構緊密性，更有利於控制機器人裝置的製作成本。

(4)由於第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度並非判斷於移動裝置的作動行程，因此，第二板體繞軸線相對第一板體旋轉的角度的掌握，不會因為移動裝置在操作時出現掉步的情況而有所影響。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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 (8)

1. 一種機器人裝置，包含：一頭部；一身體；一第一板體，設置於該身體；一第二板體，設置於該頭部，該第二板體樞接該第一板體，該第二板體能夠相對該第一板體旋轉；一第一重力感測器，設置於該第一板體，並配置以感測該第一板體的一第一角度；一第二重力感測器，設置於該第二板體，並配置以感測該第二板體的一第二角度；一處理器，電性連接該第一重力感測器與該第二重力感測器，並配置以根據所感測的該第一角度與所感測的該第二角度之相差值變化，判斷該第二板體相對該第一板體旋轉的一方向，一光遮斷器，該光遮斷器電性連接該處理器，並且包含：一發射器，設置於該第一板體，並遠離該接收器，該發射器配置以向該接收器發射一光線；以及一遮光部，設置於該第二板體，並配置以隨著該第二板體相對該第一板體旋轉而至少部分經過於該發射器與該接收器之間，其中該處理器配置以根據該接收器是否接收到該光線，以及該第二板體相對該第一板體旋轉的該方向，而判斷該第二板體相對於該第一板體之一角度的範圍。
2. 如請求項1所述之機器人裝置，其中該第一板體相對一水平參考面之角度定義該第一角度，該第二板體相對該水平參考面之角度定義該第二角度。
3. 如請求項1所述之機器人裝置，其中當該接收器接收到該光線時，該接收器向該處理器傳送一第一訊號，當該接收器停止接收到該光線時，該接收器向該處理器傳送一第二訊號。
4. 如請求項1所述之機器人裝置，其中該遮光部具有一第一子遮光部以及一第二子遮光部，該第一子遮光部與該第二子遮光部配置以交替地經過於該發射器與該接收器之間，該第一子遮光部與該第二子遮光部之間具有一通光部，該通光部配置以讓該光線穿越，該遮光部還具有一中心線，該中心線對稱地劃分該通光部。
5. 如請求項4所述之機器人裝置，其中當該第二板體相對該第一板體之該角度小於該第二子遮光部朝向該第一子遮光部的表面與該中心線之間的夾角時，該光線穿越該通光部。
6. 如請求項4所述之機器人裝置，其中該第一子遮光部與該第二子遮光部各自具有朝向與背對該通光部的兩表面，該第一子遮光部之該兩表面與該中心線之間的兩夾角定義一第一範圍，該第二子遮光部之該兩表面與該中心線之間的兩夾角定義一第二範圍，當該接收器未接收到該光線時，若該處理器判斷該第二板體相對該第一板體之該方向為一第一方向，則該第二板體相對該第一板體之該角度在該第一範圍內，若該處理器判斷該第二板體相對該第一板體之該方向為一第二方向，則該第二板體相對該第一板體之該角度在該第二範圍內，該第二方向相反於該第一方向。
7. 如請求項4所述之機器人裝置，其中當該第二板體相對該第一板體之該角度大於該第二子遮光部背對該第一子遮光部的表面與該中心線之間的夾角時，該接收器接收到該光線。
8. 如請求項1所述之機器人裝置，更包含：一移動裝置，電性連接該處理器，並設置於該第一板體，該移動裝置配置以受該處理器控制，以相對該第一板體旋轉該第二板體。