TWI698311B - 機械手臂的自動對位系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂的自動對位系統，自動對位系統包含訊號傳輸模組及控制器。訊號傳輸模組包含設置於機械手臂之第一訊號收發元件及鄰設於目標工件之第二訊號收發元件，第一訊號收發元件與第二訊號收發元件間相互傳遞訊號。控制器電連接於訊號傳輸模組，以接收訊號傳輸模組所輸出之訊號，控制器經由訊號變化獲取第一訊號收發元件與第二訊號收發元件間之相對位置，並根據相對位置控制機械手臂自動對位於目標工件。

Description

機械手臂的自動對位系統及方法

本案係關於一種自動對位系統及方法，尤指一種機械手臂的自動對位系統及方法。

如今，機械手臂已廣泛運用於自動化產線中，例如組裝、焊接及搬運等工序皆能以機械手臂取代人力執行而達成較高效率。在將機械手臂導入產線之過程中，使用者需對機械手臂教導位置與姿態，並利用所教導之位置與姿態設定機械手臂之作業程序，其中為了教導位置與姿態，須先將機械手臂移動至目標位置進行對位。

現有之對位方式係可由使用者透過控制器或教導器控制機械手臂移動至目標位置，或由使用者以手拉動機械手臂至目標位置，從而實現對位。其中，係以人眼確認機械手臂是否已位於目標位置，抑或是利用外掛式機器，以機器視覺輔助確認機械手臂是否已位於目標位置。然而，於上述現有之對位方式中，均以人工方式控制機械手臂之移動及確認機械手臂之位置，容易因人為因素而產生較大誤差，即便以機器視覺輔助確認機械手臂之位置，機 械手臂之移動仍需由人工進行操作，而無法實現自動對位，且機器視覺之精度亦不足以使機械手臂實現準確對位。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之機械手臂的自動對位系統及方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種機械手臂的自動對位系統及方法。自動對位系統之訊號收發元件分別設置於機械手臂及鄰設於目標工件，控制器藉由訊號收發元件間所傳遞之訊號的變化獲取訊號收發元件間之相對位置，進而依據相對位置控制機械手臂移動至目標位置，藉此使機械手臂自動對位於目標工件，對位之精度及準確度較佳。此外，控制器可控制機械手臂依循訊號於空間中之分佈移動至目標位置，而無須透過繁雜計算設定機械手臂之移動路徑，且可依實際需求調整作為訊號發射器之訊號收發元件的實際態樣，進而調整機械手臂之移動路徑，故適用性較佳。

為達上述目的，本案提供一種機械手臂的自動對位系統，包含訊號傳輸模組及控制器。訊號傳輸模組包含第一訊號收發元件及第二訊號收發元件，第一訊號收發元件係設置於機械手臂，第二訊號收發元件係鄰設於目標工件，第一訊號收發元件與第二訊號收發元件間相互傳遞訊號。控制器電連接於訊號傳輸模組，以接收訊號傳輸模組所輸出之訊號，控制器經由訊號變化獲取第一訊號收發元件與第二訊號收發元件間之相對位置，並根據相對位置控制機械手臂自動對位於目標工件。

為達上述目的，本案另提供機械手臂的自動對位方法。首先，使訊號傳輸模組之第一訊號收發元件與第二訊號收發元件間相互傳遞訊號，其中第一訊號收發元件係設置於機械手臂，第二訊號收發元件係鄰設於目標工件。接著，利用控制器接收訊號，並依據訊號變化獲取第一訊號收發元件與第二訊號收發元件間之相對位置。最後，利用控制器依據相對位置控制機械手臂自動對位於目標工件。

1、1’:機械手臂的自動對位系統

11:機械手臂

111:末端軸

12:目標工件

13、13’:訊號傳輸模組

131、131’:第一訊號收發元件

132、132a、132b、132’:第二訊號收發元件

133、133’:訊號

14:控制器

15:工作平台

S1~S3:機械手臂的自動對位方法的步驟

第1A圖係為本案較佳實施例之機械手臂的自動對位系統的立體結構示意圖。

第1B圖係為顯示第1A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖。

第2A圖係為第1A圖所示之機械手臂的自動對位系統之變化例的立體結構示意圖。

第2B圖係為顯示第2A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖。

第3A圖係為第1A圖所示之機械手臂的自動對位系統之另一變化例的立體結構示意圖。

第3B圖係為顯示第3A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖。

第4A圖係為本案另一較佳實施例之機械手臂的自動對位系統的立體結構示意圖。

第4B圖係為顯示第4A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖。

第5圖係為本案較佳實施例之機械手臂的自動對位方法的流程圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

第1A圖係為本案較佳實施例之機械手臂的自動對位系統的立體結構示意圖，第1B圖係為顯示第1A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖。如第1A圖所示，本案之機械手臂的自動對位系統1包含機械手臂11、目標工件12、訊號傳輸模組13及控制器14。

訊號傳輸模組13包含第一訊號收發元件131及第二訊號收發元件132，其中第一訊號收發元件131設置於機械手臂11，第二訊號收發元件132鄰設於目標工件12，第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132間進行訊號傳遞，訊號傳輸模組13係輸出第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132間所傳遞之訊號133，其中訊號133係由第一訊號收發元件131或第二訊號收發元件132產生，相應地，較佳但不限於由第二訊號收發元件132或第一訊號收發元件131輸出訊號133。於一些實施例中，機械手臂11包含末端軸111，第一訊號收發元件131係設置於末端軸111。於一些實施例中，目標工件12及第二訊號收發元件132設置於工作平台15上，但不以此為限。

控制器14係電連接於機械手臂11及訊號傳輸模組13，以接收訊號傳輸模組13所輸出之訊號133，控制器經由訊號133變化獲取第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132間之相對位置。因第一訊號收發元件131設置於機械手臂11，第二訊號收發元件132鄰設 於目標工件12，故控制器14透過第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132間之相對位置即可經由計算獲得機械手臂11與目標工件12間之位置關係。因此，控制器14可根據該相對位置控制機械手臂11移動至目標位置，如第1B圖所示，使機械手臂11自動對位於目標工件12。

於一些實施例中，在控制器14控制機械手臂11移動至目標位置之過程中，第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132之間持續進行訊號傳遞，訊號傳輸模組13持續輸出訊號133，故控制器14持續依據訊號傳輸模組13所輸出之訊號133獲取第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132間之實時相對位置，並同時得知第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132間之相對位置的變化量，藉此，可提升控制器14控制機械手臂11進行移動的精度及準確度，使機械手臂11準確對位於目標工件12。此外，在控制器14控制機械手臂11移動至目標位置之過程中，因第一訊號收發元件131與第二訊號收發元件132之間持續進行訊號傳遞，故第一訊號收發元件131之移動實際上係依循訊號133於空間中之分佈，換言之，機械手臂11之移動軌跡與訊號133於空間中之分佈相對應。由此可知，控制器14可控制機械手臂11依照訊號133於空間中之分佈進行移動，使機械手臂11移動至目標位置而對位於目標工件12，而無須透過繁雜計算設定機械手臂11之移動路徑，適用性較佳。

請參閱第1A、1B、2A、2B、3A及3B圖，其中第2A圖係為第1A圖所示之機械手臂的自動對位系統之變化例的立體結構示意圖，第2B圖係為顯示第2A圖之機械手臂對位於目標工件的示意 圖，第3A圖係為第1A圖所示之機械手臂的自動對位系統之另一變化例的立體結構示意圖，第3B圖係為顯示第3A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖。於第1A、1B、2A、2B、3A及3B圖所示之各實施例中，第一訊號收發元件131為訊號感測器，第二訊號收發元件(132、132a、132b)為訊號發射器，控制器14係電連接於訊號傳輸模組13之第一訊號收發元件131。第二訊號收發元件(132、132a、132b)係架構於發射訊號133，第一訊號收發元件131係架構於接收第二訊號收發元件(132、132a、132b)所發射之訊號133，並將所接收之訊號133輸出至控制器14。其中，第二訊號收發元件之實際態樣具有多種可能，於一些實施例中，如第1A及1B圖所示，第二訊號收發元件132為環繞目標工件之環狀訊號發射器。於另一些實施例中，第二訊號收發元件為複數個點狀訊號發射器，其中複數個點狀訊號發射器間之連線為封閉多邊形，例如第2A及2B圖所示，第二訊號收發元件132a為連線為四邊形的四個點狀訊號發射器。於又一些實施例中，第二訊號收發元件為複數個線狀訊號發射器，其中複數個線狀訊號發射器間之連線相交於目標工件，例如第3A及3B圖所示，第二訊號收發元件132b為連線相交於目標工件的兩個線狀訊號發射器。當然，上述各種第二訊號收發元件(132、132a、132b)之態樣僅用於示例，第二訊號收發元件132之可能實施態樣並不以此為限。此外，如第1A、1B、2A、2B、3A及3B圖所示，隨著第二訊號收發元件(132、132a、132b)之實際態樣的改變，訊號133於空間中之分佈亦對應產生變化，進而改變機械手臂11移動至目標位置之路徑。因此，可依實 際需求調整第二訊號收發元件132之實際態樣，進而調整機械手臂11之移動路徑，有效提升適用性。

第4A圖係為本案另一較佳實施例之機械手臂的自動對位系統的立體結構示意圖，第4B圖係為顯示第4A圖之機械手臂對位於目標工件的示意圖，其中與第1A及1B圖中相似之結構係以相同標號表示，故於此不再贅述。於此實施例中，機械手臂的自動對位系統1’包含機械手臂11、目標工件12、訊號傳輸模組13’及控制器14，訊號傳輸模組13’之第一訊號收發元件131’及第二訊號收發元件132’分別設置於機械手臂11及鄰設於目標工件12。第一訊號收發元件131’為訊號發射器，第二訊號收發元件132’為訊號感測器，控制器14係電連接於第二訊號收發元件132’。第一訊號收發元件131’係架構於發射訊號133’，第二訊號收發元件132’係架構於接收第一訊號收發元件131’所發射之訊號133’，並將所接收之訊號輸出至控制器14，控制器經由訊號133’變化獲取第一訊號收發元件131’與第二訊號收發元件132’間之相對位置，並依據相對位置控制機械手臂11移動至目標位置，使機械手臂11自動對位於目標工件12。於一些實施例中，第一訊號收發元件131’可為例如但不限於環狀訊號發射器。

第5圖係為本案較佳實施例之機械手臂的自動對位方法的流程圖。本案較佳實施例之機械手臂的自動對位方法係適用於第1A圖及第4A圖所示之機械手臂的自動對位系統，並包含如下步驟：首先，使訊號傳輸模組(13、13’)之第一訊號收發元件(131、131’)與第二訊號收發元件(132、132’)間相互傳遞訊號(133、133’)，其 中第一訊號收發元件(131、131’)係設置於機械手臂11，第二訊號收發元件(132、132’)係鄰設於目標工件12(如步驟S1所示)。

接著，利用控制器14接收訊號(133、133’)，並依據訊號(133、133’)變化獲取第一訊號收發元件(131、131’)與第二訊號收發元件(132、132’)間之相對位置(如步驟S2所示)。

最後，利用控制器14依據相對位置控制機械手臂11自動對位於目標工件12(如步驟S3所示)。於一些實施例中，控制器14依據相對位置控制機械手臂11沿著訊號(133、133’)於空間中之分佈移動至目標位置，機械手臂11之移動軌跡係對應於訊號(133、133’)於空間中之分佈。

於一些實施例中，第一訊號收發元件131為訊號感測器，第二訊號收發元件132為訊號發射器，控制器14係電連接於第一訊號收發元件131(如第1A圖所示)，於步驟S1中，係利用第二訊號收發元件132發射訊號133，並利用第一訊號收發元件131接收及輸出訊號133，於步驟S2中，係利用控制器14接收第一訊號收發元件131所輸出之訊號133。反之，於一些實施例中，第一訊號收發元件131’為訊號發射器，第二訊號收發元件132’為訊號感測器，控制器14係電連接於第二訊號收發元件132’(如第4A圖所示)，於步驟S1中，係利用第一訊號收發元件131’發射訊號133’，並利用第二訊號收發元件132’接收及輸出訊號133’，於步驟S2中，係利用控制器14接收第二訊號收發元件132’所輸出之訊號133’。

綜上所述，本案提供一種機械手臂的自動對位系統及方法。自動對位系統之訊號收發元件分別設置於機械手臂及鄰設於目標工件，控制器藉由訊號收發元件間所傳遞之訊號獲取訊號收發元件 間之相對位置，進而依據相對位置控制機械手臂移動至目標位置，藉此使機械手臂自動對位於目標工件，對位之精度及準確度較佳。此外，控制器可控制機械手臂依循訊號於空間中之分佈移動至目標位置，而無須透過繁雜計算設定機械手臂之移動路徑，且可依實際需求調整作為訊號發射器之訊號收發元件的實際態樣，進而調整機械手臂之移動路徑，故適用性較佳。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1‧‧‧機械手臂的自動對位系統

11‧‧‧機械手臂

111‧‧‧末端軸

12‧‧‧目標工件

13‧‧‧訊號傳輸模組

131‧‧‧第一訊號收發元件

132‧‧‧第二訊號收發元件

133‧‧‧訊號

14‧‧‧控制器

15‧‧‧工作平台

Claims (13)

1. 一種機械手臂的自動對位系統，包含：一訊號傳輸模組，包含一第一訊號收發元件及一第二訊號收發元件，其中該第一訊號收發元件係設置於一機械手臂，該第二訊號收發元件係鄰設於一目標工件，該第一訊號收發元件與該第二訊號收發元件間相互傳遞一訊號；以及一控制器，電連接於該訊號傳輸模組，以接收該訊號傳輸模組所輸出之該訊號，該控制器經由該訊號變化獲取該第一訊號收發元件與該第二訊號收發元件間之一相對位置，並根據該相對位置控制該機械手臂沿著該訊號於空間中之分佈進行移動而自動對位於該目標工件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動對位系統，其中該第一訊號收發元件為一訊號感測器，該第二訊號收發元件為至少一訊號發射器，該控制器係電連接於該第一訊號收發元件，其中該第二訊號收發元件係架構於發射該訊號，該第一訊號收發元件係架構於接收並輸出該訊號至該控制器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之自動對位系統，其中該第二訊號收發元件為環繞該目標工件之一環狀訊號發射器、連線為封閉多邊形之複數個點狀訊號發射器或連線相交於該目標工件之複數個線狀訊號發射器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自動對位系統，其中該第一訊號收發元件為至少一訊號發射器，該第二訊號收發元件為一訊號感測器，該控制器係電連接於該第二訊號收發元件，其中該第一訊號收發元件 係架構於發射該訊號，該第二訊號收發元件係架構於接收並輸出該訊號至該控制器。
5. 如申請專利範圍第4項所述之自動對位系統，其中該第一訊號收發元件為一環狀訊號發射器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自動對位系統，其中機械手臂包含一末端軸，該第一訊號收發元件係設置於該末端軸。
7. 如申請專利範圍第1項所述之自動對位系統，其中該目標工件及該第二訊號收發元件係設置於一工作平台上。
8. 一種機械手臂的自動對位方法，包含：(a)使一訊號傳輸模組之一第一訊號收發元件與一第二訊號收發元件間相互傳遞一訊號，其中該第一訊號收發元件係設置於一機械手臂，該第二訊號收發元件係鄰設於一目標工件；(b)利用一控制器接收該訊號，並依據該訊號變化獲取該第一訊號收發元件與該第二訊號收發元件間之一相對位置；以及(c)利用該控制器依據該相對位置控制該機械手臂沿著該訊號於空間中之分佈進行移動而自動對位於該目標工件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自動對位方法，其中該第一訊號收發元件為一訊號感測器，該第二訊號收發元件為至少一訊號發射器，該控制器係電連接於該第一訊號收發元件，於該步驟(a)中，係利用該第二訊號收發元件發射該訊號，並利用該第一訊號收發元件接收並輸出該訊號，於該步驟(b)中，係利用該控制器接收該第一訊號收發元件所輸出之該訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之自動對位方法，其中該第二訊號收發元件為環繞該目標工件之一環狀訊號發射器、連線為封閉多邊形之複 數個點狀訊號發射器或連線相交於該目標工件之複數個線狀訊號發射器。
11. 如申請專利範圍第8項所述之自動對位方法，其中該第一訊號收發元件為至少一訊號發射器，該第二訊號收發元件為一訊號感測器，該控制器係電連接於該第二訊號收發元件，於該步驟(a)中，係利用該第一訊號收發元件發射該訊號，並利用該第二訊號收發元件接收並輸出該訊號，於該步驟(b)中，係利用該控制器接收該第二訊號收發元件所輸出之該訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之自動對位方法，其中該第一訊號收發元件為一環狀訊號發射器。
13. 如申請專利範圍第8項所述之自動對位方法，其中於該步驟(c)中，該控制器依據該相對位置控制該機械手臂沿著該訊號於空間中之分佈移動至一目標位置。

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