TWI689392B - 機械臂控制方法及機械臂 - Google Patents

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胡云川
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Abstract

本發明涉及一種機械臂控制方法及機械臂，包括藉由檢測模組自動檢測機械臂本體的位元姿資訊，控制模組根據所述位元姿資訊調整機械臂本體的位姿以適應其安裝狀態。並且，還藉由設置機械臂本體的安全工作區域，確保機械臂本體能夠實現安全操作。

Description

機械臂控制方法及機械臂
本發明涉及一種自動化設備技術領域，尤其涉及一種機械臂控制方法及機械臂。
機械臂是一種在工業生產中代替人工完成某些單調、頻繁和重複的長時間作業的自動化裝置，其按照設定的程式、軌跡和要求以執行監控、抓取、搬運工作或操持工具等操作。
機械臂的安裝狀態在一般情況下預設為地面，因此其安全運動範圍的設置，一般來說是基於地面安裝進行設置的，然而，發明人在實現本發明的過程中發現習知技術至少存在以下技術問題：當使用者根據實際使用場景改變機械臂的安裝狀態時，會使得其默認的安全工作範圍不能滿足實際需求，從而導致碰撞等事故的發生。
本發明的目的在於提供一種機械臂控制方法及機械臂，能夠自動檢測安裝方式和位置，設置最佳工作範圍，以確保其操作性能和操作安全。
為了達到上述目的，本發明提供了一種機械臂控制方法，包括：檢測模組檢測機械臂本體當前的位元姿資訊並傳送給控制模組；以及所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿，以使所述機械臂本體適應當前的安裝狀態。
較佳的，所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位元姿的步驟包括：所述控制模組根據所述位元姿資訊判斷所述機械臂本體的安裝狀態； 所述控制模組根據所述機械臂本體的安裝狀態類比出所述機械臂本體的修正位姿；以及當所述控制模組獲取一確定訊號後，將所述機械臂本體調整為所述修正位姿。
較佳的，所述控制模組根據所述機械臂本體的安裝狀態類比出所述機械臂本體的修正位元姿的步驟還包括：向使用者展示默認的工作範圍和模擬出的修正位姿，並接收使用者輸入的是否選擇調整的訊號。
較佳的，所述安裝狀態包括：所述機械臂本體安裝於地面、房頂或垂直牆壁中的任一種。
較佳的，所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿之後，所述機械臂控制方法還包括：所述檢測模組檢測機械臂本體工作範圍內的障礙物並設置所述機械臂本體的安全工作區域；以及所述控制模組控制所述機械臂本體在所述安全工作區域內工作。
較佳的，所述工作範圍是所述機械臂本體的有效臂展範圍。
較佳的，所述檢測模組檢測機械臂本體工作範圍內的障礙物的步驟包括：如檢測到存在障礙物，則由控制模組判斷是否需要清除所述障礙物。
較佳的，由所述控制模組判斷出需要清除所述障礙物時，所述控制模組控制所述機械臂本體停機並清除所述障礙物；反之，所述控制模組記錄所述障礙物的位置以設置安全工作區域。
本發明還提供了一種機械臂，包括控制模組、檢測模組及機械臂本體；所述檢測模組用於檢測所述機械臂本體當前的位元姿資訊，並發送所述位元姿資訊至所述控制模組；所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿，以使所述機械臂本體適應當前的安裝狀態。
較佳的，所述檢測模組還用於檢測所述機械臂本體工作範圍內的障礙物以設置所述機械臂本體的安全工作區域，所述控制模組控制所述機械臂本體在所述安全工作區域內工作。
較佳的，所述機械臂本體包括基座及設置於所述基座上的複數個連接臂，相鄰的所述連接臂之間滑動連接或樞接，所述控制模組控制所述複數個連接臂之間相對移動或轉動以改變所述機械臂本體的位姿。
本發明藉由檢測模組自動檢測機械臂本體的位元姿資訊，控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿以適應其安裝狀態。
進一步，還藉由設置機械臂本體的安全工作區域，確保所述機械臂本體能夠實現安全操作。
10:控制模組
20:檢測模組
21:位置傳感元件
22:距離傳感元件
30:機械臂本體
31:基座
32:連接臂
101:工作區域A
102:工作區域B
31a:基座
32a:連接臂
321a:第一連接臂
322a:第二連接臂
323a:第三連接臂
324a:第四連接臂
325a:第五連接臂
41a:第一旋轉部
42a:第二旋轉部
31b:基座
32b:連接臂
321b:第一連接臂
322b:第二連接臂
323b:第三連接臂
324b:第四連接臂
325b:第五連接臂
41b:第一旋轉部
31c:基座
32c:連接臂
321c:第一連接臂
322c:第二連接臂
323c:第三連接臂
324c:第四連接臂
325c:第五連接臂
326c:第六連接臂
圖1為本發明實施例提供的機械臂組成方塊圖；圖2為本發明實施例提供的機械臂控制方法流程示意圖；圖3a為本發明實施例提供的特殊構型機械臂安裝於房頂的示意圖；圖3b本發明實施例提供的特殊構型機械臂安裝於房頂經調整後的示意圖；圖4為本發明實施例提供的第一機械臂安裝於地面的示意圖；圖5a為本發明實施例提供的第一機械臂安裝於房頂的示意圖；圖5b為本發明實施例提供的第一機械臂安裝於房頂經調整後的示意圖；圖6a為本發明實施例提供的第二機械臂安裝於牆壁的示意圖；圖6b為本發明實施例提供的第二機械臂安裝於牆壁經調整後的示意圖；圖7為本發明實施例提供的標準六軸機械臂安裝於牆壁的示意圖。
下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列描述，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
如圖1所示，本發明提供了一種機械臂，包括控制模組10、檢測模組20及機械臂本體30。所述檢測模組20用於檢測所述機械臂本體30當前的位元姿資訊，所述控制模組10根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體30的位姿，以使所述機械臂本體30適應當前的安裝狀態。
進一步的，所述檢測模組20還用於檢測所述機械臂本體30的工作範圍內的障礙物以設置所述機械臂本體30的安全工作區域，所述控制模組10控制所述機械臂本體30在所述安全工作區域內工作。
進一步的，所述機械臂本體30包括基座31及設置於所述基座31上的複數個連接臂32，相鄰的所述連接臂32之間滑動連接或樞接，所述控制模組10控制所述複數個連接臂32之間相對移動或轉動以改變所述機械臂本體30的位姿。
具體的，所述複數個連接臂32依次連接，且相鄰的所述連接臂32之間滑動連接或樞接，所述檢測模組20包括位置傳感元件21和距離傳感元件22，所述位置傳感元件21採集所述機械臂本體30所處安裝狀態的位元姿資訊，此處所述位元姿資訊指的是機械臂本體30的安裝基準面是基於地面、牆壁或房頂，只需判斷安裝基準面即可。所述距離傳感元件22採集所述機械臂本體30所處工作環境的距離資訊，所述控制模組10用於讀取所述位置傳感元件21的位元姿資訊及所述距離傳感元件22的距離資訊，並根據所述位元姿資訊及距離資訊控制所述機械臂本體30的運動範圍。
進一步的，所述檢測模組20中的位置傳感元件21包括重力感測器、角速度感測器及加速度感測器中的一種或多種。
具體的，所述位置傳感元件21主要用於檢測所述機械臂本體30當前的位元姿資訊，藉由不同方式判斷所述機械臂本體30的安裝狀態，如機械臂本體30安裝於地面、房頂或垂直牆壁上。位置傳感元件21啟動後，向所述控制模組10提供當前機械臂本體30的位元姿資訊，使控制模組10能夠根據所述位元姿資訊，判斷當前的安裝狀態，從而進行後續的參數配置。所述位置傳感元件21對精度要求不高，包括但不限於重力感測器、角速度感測器及加速度感測器等。
進一步的，所述檢測模組20中的距離傳感元件22包括雷射雷達、攝像頭及毫米波雷達中的一種或多種。
具體的，所述距離傳感元件22用於掃描周圍工作環境狀態，並識別當前安全工作範圍，可以藉由不同方式識別當前安裝狀態下，所述機械臂本體30距離牆壁、障礙物和地面等物體的距離。所述距離傳感元件22啟動後，掃描四周環境狀態，並將距離資訊傳輸到控制模組10，以便進行機械臂本體30工作範圍的配置，確保使用者的安全。其中，配置方式包括兩種：一種是對機械臂本體每個關節的轉動範圍進行設置，例如安裝於地面時，某連接臂的關節可以旋轉±180°，而安裝於牆壁時，所述連接臂的關節僅能旋轉±120°，此時即可將所述連接臂的關節的轉動範圍進行修改；另一種是設定所述機械臂本體工作範圍內的某個區域或某幾個區域為“碰撞區”，運行時必須繞過所述“碰撞區”。機械臂本體運行前將運動路徑和設定的“碰撞區”座標進行對比；當發現有進入“碰撞區”的路徑或動作時，則調整路徑，直到完全繞開“碰撞區”為止。
所述距離傳感元件22的精度越高，越有助於提高避障的精確性，所述距離傳感元件22包括但不限於雷射雷達、攝像頭及毫米波雷達，其比較情況如下：探測距離和夜景模式方面，雷射雷達和毫米波雷達優於攝像頭；細節分辨方面，攝像頭>雷射雷達>毫米波雷達；行人檢測方面，雷射雷達>攝像頭>毫米波雷達；準確性方面，雷射雷達優於毫米波雷達和 攝像頭。雷射雷達是以發射雷射光束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統，其向目標發射探測訊號(雷射光束)，然後將接收到的從目標反射回來的訊號(目標回波)與發射訊號進行比較，作適當處理後，就可獲得目標的有關資訊，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對目標進行探測、跟蹤和識別。目前雷射雷達廣泛應用於移動機器人及自動駕駛車輛中，可以看出雷射雷達在探測距離和準確性方面具有很大優勢，雷射雷達探測距離精度可以達到cm級別，探測角度精度可以達到小數點後兩位級別，完全可以滿足機械臂規避碰撞及障礙功能的要求。雷射雷達水平掃描範圍可以藉由設置達到應用需求，垂直掃描範圍一般可以達到-15°~15°。
本發明還提供了一種如上所述的機械臂控制方法，如圖2所示，包括：S1：檢測模組檢測機械臂本體當前的位元姿資訊並傳送給控制模組；S2：所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿，以使所述機械臂本體適應當前的安裝狀態。
進一步的，所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位元姿的步驟包括：所述控制模組根據所述位元姿資訊判斷所述機械臂本體的安裝狀態；所述控制模組根據所述機械臂本體的安裝狀態類比出所述機械臂本體的修正位姿；當所述控制模組獲取一確定訊號後，將所述機械臂本體調整為所述修正位姿。
具體的，所述控制模組10讀取檢測模組20中的位置傳感元件21所採集的位元姿資訊，並判斷當前機械臂本體30的安裝狀態，所述當前機械臂本體30的安裝狀態，包括機械臂本體30安裝於地面、房頂或垂直牆壁中的任一種。
所述控制模組10根據當前機械臂本體30的安裝狀態及預設的需求工作範圍，模擬出所述機械臂本體30的修正位姿，以推薦給使用者，從而達到優化機械臂本體30的機械結構，使其更適用於當前的安裝狀態的目的。
進一步的，所述控制模組10根據所述機械臂本體30的安裝狀態類比出所述機械臂本體30的修正位元姿的步驟還包括，向使用者展示默認的工作範圍和模擬出的修正位姿，並接收使用者輸入的是否選擇調整的訊號。
具體的，所述控制模組10獲取的確定訊號，可以由使用者選擇是否調整機構姿態的設置；如選擇調整，則控制模組10以推薦的機構姿態設置參數，將所述機械臂本體30調整為所述修正位姿；反之，則控制模組10以當前的機構姿態設置參數。其中，所述參數包括運動學方面的參數，如坐標系的設定、每個連接臂的關節限位、關節旋轉方向(偏轉角度)等；另外還包括動力學方面的參數，如機械臂本體的品質及重心分佈、電機控制的參數等。所述控制模組10將根據所述安裝狀態進行參數配置和限速保護(如最大速度、最大加速度等)。參閱圖3a，當機械臂本體30的安裝狀態為安裝于房頂上時，那麼控制模組10內軟體的預設工作區域A101是在機械臂本體30正下方的框線內，因此，控制模組10會根據預設的工作區域A101建議使用者修改合適的機構姿態，推薦的機構姿態如圖3b所示，此時軟體中類比和展示出默認的工作範圍和推薦的手臂機構姿態給使用者，若實際需工作範圍為工作區域A101，使用者可以選擇調整以適應當前的安裝狀態；若實際需工作範圍為工作區域B102，即靠近房頂，使用者則可以選擇不調整，使機械臂本體30保持當前的位姿。
進一步的，所述控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿之後，所述機械臂控制方法還包括： 所述檢測模組檢測機械臂本體工作範圍內的障礙物並設置所述機械臂本體的安全工作區域；所述控制模組控制所述機械臂本體在所述安全工作區域內工作。
進一步的，所述檢測模組20檢測機械臂本體30工作範圍內的障礙物的步驟包括，如檢測到存在障礙物，則由控制模組10判斷是否需要清除所述障礙物。由所述控制模組10判斷出需要清除所述障礙物時，所述控制模組10控制所述機械臂本體30停機並清除所述障礙物；反之，所述控制模組10記錄所述障礙物的位置以設置安全工作區域。
具體的，所述檢測模組20中的距離傳感元件22進行工作範圍掃描，以檢測工作範圍內是否存在障礙物，工作範圍即機械臂本體的有效臂展範圍，如存在障礙物，則由控制模組10判斷是否需要手動清除，如需要手動清除，則控制模組10控制所述機械臂本體30停機，由人工清除障礙物；反之，所述控制模組10記錄所述障礙物的位置，即“碰撞區”，以設置安全工作區域，在機械臂本體30實際操作中規避障礙物。
進而，所述控制模組10自動設置安全工作區域之後，機械臂本體30開始作業。
圖4為第一機械臂安裝於地面的示意圖，圖中機械臂本體的基座31a上設置有檢測模組20(包括位置傳感元件21及距離傳感元件22)，本實施例中複數個連接臂32a分別為第一連接臂321a、第二連接臂322a、第三連接臂323a、第四連接臂324a及第五連接臂325a，其中，第一連接臂321a設置於基座31a上，並能相對於所述基座31a繞其軸線方向作水平轉動，第二連接臂322a相對於所述第一連接臂321a作垂直往復移動，第三連接臂323a與第二連接臂322a的連接處可以相對水平轉動，第四連接臂324a與第三連接臂323a的連接處可以相對水平轉動，第五連接臂325a與第四連接臂324a的連接處相對扭轉。第二連接臂322a上設置有可旋轉的第一旋轉部41a，第四連接臂324a上設置有可旋轉的第二旋轉部42a，可以滿足不同場 景的使用需要。可以根據實際需求，由控制模組控制旋轉所述第一旋轉部41a或第二旋轉部42a，改變所述機械臂的複數個連接臂32a的位元姿狀態。
圖5a為第一機械臂安裝於房頂的示意圖，控制模組10讀取位置傳感元件21採集的位元姿資訊，並判斷當前機械臂本體30的安裝狀態；所述控制模組10根據當前機械臂本體30的安裝狀態(此實施例中為安裝於房頂)及默認的需求工作範圍，模擬出所述機械臂本體30的修正位姿，推薦給使用者；若使用者選擇調整機構姿態的設置，控制模組10將所述機械臂本體30調整為所述修正位姿，本實施例中，控制第一旋轉部41a旋轉180°，以優化機械臂本體30的整體姿態，使其適應當前的安裝狀態，如圖5b所示；之後，檢測模組20中的距離傳感元件22檢測機械臂本體30工作範圍內是否有障礙物，並由控制模組10判斷是否需要清除；所述控制模組10自動設置安全工作區域，控制所述機械臂本體30在所述安全工作區域內工作。 本實施例中，需求工作範圍為機械臂本體30遠離牆壁的一端，所述第一旋轉部41a旋轉180°，使第三連接臂323a及第四連接臂324a的姿態由原先的靠近房頂變換為遠離房頂，更有利於實現機械臂的可操作性最優化，並避免觸碰房頂，保證其操作安全的最佳工作範圍；如若實際需求工作範圍為靠近所述牆壁的一端，則無需調整機構姿態的設置。
圖6a為第二機械臂安裝於牆壁的示意圖，本例中選用的是900行程帶滑軌的碼垛機械臂，機械臂本體的基座31b安裝於牆壁上，基座31b上設置有依次連接的複數個連接臂32b，第一連接臂321b相對於所述基座31b往復移動，第二連接臂322b相對於第一連接臂321b作俯仰轉動，第三連接臂323b相對於第二連接臂322b作俯仰轉動，第四連接臂324b的軸線方向垂直於水平面並相對於第三連接臂323b作水平轉動，第三連接臂323b上設置有第一旋轉部41b。具體實施時，所述控制模組10讀取位置傳感元件21採集的位元姿資訊，並判斷當前機械臂本體30的安裝狀態；所述控制模組10根據當前機械臂本體30的安裝狀態(此實施例中為安裝於垂直牆 壁)，模擬出所述機械臂本體30的修正位姿，適應當前的安裝狀態；若使用者選擇調整機構姿態的設置，控制模組10將所述機械臂本體30調整為所述修正位姿，本實施例中，控制第一旋轉部41b旋轉90°，以優化機械臂本體30的整體姿態，如圖6b所示；之後，距離傳感元件22進行工作範圍掃描，並由控制模組10自動設置安全工作區域。本實施例中，第一旋轉部41b旋轉90°，使第三連接臂323b與第四連接臂324b共同旋轉90°，從而使第四連接臂324b的軸線方向由垂直於水平面變換為平行於水平面，更能夠滿足當前工況需求。
參閱圖7，其為標準六軸機械臂安裝於牆壁的示意圖，機械臂的基座31c與牆壁安裝固定，基座31c上設置有複數個依次連接的連接臂32c，分別為第一連接臂321c、第二連接臂322c、第三連接臂323c、第四連接臂324c、第五連接臂325c及第六連接臂326c。具體實施時，機械臂本體30初始化啟動後，控制模組10讀取位置傳感元件21採集的位元姿資訊，並判斷當前機械臂本體30的安裝狀態，此實施例中為安裝於牆壁；根據所述安裝狀態進行參數配置和限速保護，設定預設值，控制各連接臂32c的姿態；控制模組10控制距離傳感元件22進行工作範圍掃描，並讀取所述距離傳感元件22採集的距離資訊，識別機械臂本體30到地面及障礙物的距離，並自動設置安全工作區域以實現避障；之後，機械臂本體30開始作業，確保其在安全工作區域內操作。
本發明針對傳統六軸機械臂能保證其安全和性能不被破壞，而針對非標準規格的機械臂，除了保證其安全和性能不被破壞外，還能進一步拓展其功能，極大的滿足不同場景的使用需要。
綜上，在本發明實施例提供的機械臂控制方法及機械臂中，藉由檢測模組自動檢測機械臂本體的位元姿資訊，控制模組根據所述位元姿資訊調整所述機械臂本體的位姿以適應其安裝狀態；進一步，還藉由設置機械臂本體的安全工作區域，確保所述機械臂本體能夠實現安全操作。
上述僅為本發明的較佳實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。

Claims (9)

  1. 一種機械臂控制方法，其包括下列步驟：利用一檢測模組之一位置傳感元件檢測一機械臂本體當前的一位元姿資訊並傳送給一控制模組；該控制模組根據該位元姿資訊判斷該機械臂本體的安裝基準面以調整該機械臂本體的位姿，以使該機械臂本體適應當前的安裝狀態，且該控制模組根據該位元姿資訊以限制該機械臂本體之複數個連接臂之轉動範圍；利用該檢測模組之一距離傳感元件檢測該機械臂本體的一工作範圍內的障礙物而產生一距離資訊並傳送給該控制模組；以及該控制模組依據該距離資訊產生該機械本體的一安全工作區域，該控制模組係於該安全工作區域內設置複數個碰撞區，該控制模組控制該機械臂本體於該安全工作區域內工作，且該機械臂本體係無法進入該複數個碰撞區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的機械臂控制方法，其中，該控制模組根據該位元姿資訊調整該機械臂本體的位元姿的步驟包括：該控制模組根據該位元姿資訊判斷該機械臂本體的一安裝狀態；該控制模組根據該機械臂本體的安裝狀態類比出該機械臂本體的一修正位姿；以及當該控制模組獲取一確定訊號後，將該機械臂本體調整為該修正位姿。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的機械臂控制方法，其中，該控制模組根據該機械臂本體的安裝狀態類比出該機械臂本體的該修正位元姿的步驟更包括： 向使用者展示默認的工作範圍和模擬出的修正位姿，並接收使用者輸入的是否選擇調整的訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的機械臂控制方法，其中，安裝狀態包括該機械臂本體安裝於地面、房頂或垂直牆壁中的任一種。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的機械臂控制方法，其中，該工作範圍是該機械臂本體的有效臂展範圍。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的機械臂控制方法，其中，該檢測模組檢測該機械臂本體的該工作範圍內的障礙物的步驟更包括：若檢測到存在障礙物，則由該控制模組判斷是否需要清除障礙物。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的機械臂控制方法，其中，由該控制模組判斷出需要清除障礙物時，該控制模組控制該機械臂本體停機並清除障礙物；反之，該控制模組記錄障礙物的位置以設置安全工作區域。
  8. 一種機械臂，其包括一控制模組、一檢測模組及一機械臂本體；該檢測模組之一位置傳感元件用於檢測該機械臂本體當前的一位元姿資訊，並發送該位元姿資訊至該控制模組；該控制模組根據該位元姿資訊判斷該機械臂本體的安裝基準面以調整該機械臂本體的位姿，以使該機械臂本體適應當前的一安裝狀態，且該控制模組根據該位元姿資訊以限制該機械臂本體之複數個連接臂之轉動範圍；利用該檢測模組之一距離傳感元件檢測該機械臂本體的一工作範圍內的障礙物而產生該機械臂本體的一距離資訊並傳送給該控制模組；以及 該控制模組依據該距離資訊產生該機械本體的一安全工作區域，該控制模組係於該安全工作區域內設置複數個碰撞區，該控制模組控制該機械臂本體於該安全工作區域內工作，且該機械臂本體係無法進入該複數個碰撞區。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的機械臂，其中，該機械臂本體包括一基座及設置於該基座上的複數個連接臂，相鄰的該連接臂之間滑動連接或樞接，該控制模組控制該複數個連接臂之間相對移動或轉動以改變該機械臂本體的位姿。
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