TWI725630B

TWI725630B - 加工路徑生成裝置及其方法

Info

Publication number: TWI725630B
Application number: TW108142343A
Authority: TW
Inventors: 紀佃昀; 蔡承翰; 洪國峰
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-04-21
Also published as: CN112824060B; US20210154834A1; TW202120277A; CN112824060A; US11648667B2

Abstract

一種加工路徑生成裝置，包括一直覺式路徑教導器以及一控制器。直覺式路徑教導器用以供握持並相對於一加工物件移動，以產生一移動路徑。直覺式路徑教導器用以偵測該加工物件之一表面特徵。控制器連接直覺式路徑教導器，控制器根據直覺式路徑教導器的移動路徑及加工物件之表面特徵，生成一加工路徑。

Description

加工路徑生成裝置及其方法

本揭露是有關於一種路徑生成裝置，且特別是有關於一種加工路徑生成裝置及其方法。

現今產業機器人都配有一組教導器，負責教導機械手臂進行各種動作，使機械手臂在操作上可以被記錄軌跡並重複所教導之路徑，而能完成許多自動化的任務。然而，利用教導器來生成加工路徑，機械手臂必須實際依照儲存的工作座標移動到定點，若要修改路徑，必須重新設定新的工作座標，如此不僅耗時且操作繁複，因此，無形中產生了許多障礙。此外，面對現代少樣多樣的工業生產需求，如何能夠快速且可靠地進行路徑教導以生成加工路徑，成為了重要的關鍵。

本揭露係有關於一種加工路徑生成裝置及其方法，可透過直覺式路徑教導器收集及記錄一移動路徑中的工作座標，並將路徑教導器的移動路徑回傳至機械手臂的控制器中，以做為機械手臂的一加工路徑，並可透過路徑模擬分析優化機械手臂的移動路徑，以提高加工路徑的加工精度。

根據本揭露之一方面，提出一種加工路徑生成裝置，包括一直覺式路徑教導器以及一控制器。直覺式路徑教導器用以供握持並相對於一加工物件移動，以產生一移動路徑。直覺式路徑教導器用以偵測加工物件之一表面特徵。控制器連接直覺式路徑教導器，控制器根據直覺式路徑教導器的移動路徑及加工物件之表面特徵，生成一加工路徑。

根據本揭露之一方面，提出一種加工路徑生成方法，包括下列步驟。收集及記錄一直覺式路徑教導器的一移動路徑。偵測一加工物件之一表面特徵。根據直覺式路徑教導器的移動路徑及加工物件之表面特徵，生成一加工路徑。

為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本揭露欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本揭露。

依照本揭露之一實施例，提出一種加工路徑生成裝置，例如是可供使用者握持並移動的直覺式路徑教導器，其包括一路徑定位感測器，用以收集及記錄一移動路徑的工作座標及相對於加工物件的距離，並偵測加工物件的表面特徵，以加強姿態定位效果。

在一實施例中，路徑定位感測器例如包含一空間座標擷取模組，用以取得具有深度資訊的二維影像或三維空間點雲資料，以建立三維空間中的加工物件的座標。此外，路徑定位感測器例如包含一特徵擷取模組，用以擷取加工物件的表面特徵，以供後續進行特徵比對來增加定位效果。

請參照第1圖，其繪示依照本揭露一實施例之路徑生成裝置100的簡易示意圖。加工路徑生成裝置100包括一直覺式路徑教導器110以及一控制器120。直覺式路徑教導器110用以供握持並相對於一加工物件1移動，以產生一移動路徑。直覺式路徑教導器110用以偵測加工物件1之一表面特徵。控制器120連接直覺式路徑教導器110，控制器120可根據直覺式路徑教導器110的移動路徑及加工物件1之表面特徵，生成一加工路徑。

此外，加工路徑生成裝置100更可包括一機械手臂122，連接控制器120，控制器120根據加工路徑移動機械手臂122，並對加工物件1進行加工。

在一實施例中，直覺式路徑教導器110包括一路徑定位感測器112、一路徑教導移動平台114以及一末端介面回饋裝置116。

路徑定位感測器112用以收集及記錄一移動路徑的工作座標及相對於加工物件1的距離（或姿態）。在一實施例中，路徑定位感測器112用以提供相對於加工物件1的姿態感測，並可透過深度影像及二維影像來擷取加工物件1的特徵，以加強定位效果。

路徑教導移動平台114用以供承載並移動路徑定位感測器112。在一實施例中，使用者可握持路徑教導移動平台114（例如第3圖中的把手108），以手動方式移動。路徑教導移動平台114具有可為任意形狀之殼體（例如長方體、圓柱體），並可依據機械手臂122的外型相對應地變更此殼體的外型，再者，移動平台114的殼體亦可設計為可替換，以供使用者可採用相對應於實際進行加工之機械手臂的殼體形狀，以便在進行路徑教導時，能更接近真實的機械手臂122所需的避障空間，避免發生碰撞。

請參照第3圖，在一實施例中，路徑教導移動平台114可包括一把手108及一按鈕109，使用者啟動按鈕109，路徑定位感測器112被啟動而開始收集及記錄直覺式路徑教導器110的一移動路徑。此外，啟動按鈕109以按壓維持一段時間，路徑定位感測器112可擷取加工物件1的表面特徵，以進行相對於加工物件1的姿態感測。放開按鈕109之後，路徑定位感測器112自動儲存一組移動路徑的位置資訊於儲存單元中，若要記錄下一組移動路徑的位置資訊，只需重新啟動按鈕109。本實施例除了使用按鈕109外, 也可以透過網路、聲控、或者是力回饋訊號, 來控制路徑的記錄的開始與結束。例如：利用網路通訊, 操作人員操作電腦遠端送出路徑記錄的控制命令。或者，操作人員以聲控方式命令進行路徑記錄的控制。又或者，可以利用末端介面的接觸式力回饋訊號來進行路徑的記錄的開始與結束。在一實施例中，上述的網路和聲控方式可包含以下路徑記錄的控制命令：開啟記錄、結束記錄、暫停記錄、捨棄目前記錄、重新開始記錄、重複同樣路徑記錄並進行路徑優化等，但不限制。

因此，直覺式路徑教導器110可重複進行多次路徑教導，以產生複數個移動路徑；使用者並可透過反覆操作多次，再進行移動路徑平滑化的處理，以減少路徑教導的誤差。

此外，末端介面回饋裝置116設置於路徑教導移動平台114上，用以輸出一末端感測訊號至路徑定位感測器112；末端介面回饋裝置116例如具有探針、夾具、刀具、噴槍、力感測器、鑽頭、鎖螺絲槍、焊槍、雷射光源…等的至少其中之一。控制器120可根據記錄的移動路徑、加工物件1的表面特徵及末端感測訊號，生成一加工路徑。做為一實例但不限制，探針用以進行三維物件的表面輪廓的量測。夾具用以進行工件取放料製程。刀具用以進行切削製程。噴槍用以進行噴塗製程。力感測器及鑽頭用以進行鑽孔製程。力感測器及鎖螺絲槍用以進行鎖螺絲製程。力感測器及夾具用以進行工件取放料製程，由於有力感測器可使操作人員進行更細緻取放動作（例如工件很小）。力感測器及刀具用以進行切削製程，由於有力感測可使操作人員進行更細緻加工動作（例如精密加工）。力感測器及焊槍用以進行焊接製程。雷射光源用以進行雷射切割加工或進行塗膠、焊接製程。

在一實施例中，末端介面回饋裝置116例如為接觸式感測裝置或非接觸式感測裝置，用以提供使用者進行路徑教導時的末端回饋。接觸式感測包括壓力感測、夾具抓取感測或觸覺感測，以模擬機械手臂122的加工；而非接觸式感測包括光學感測、超音波感測或影像感測，並可結合虛擬實境軟體（選配）模擬機械手臂122的周邊是否有障礙物，以設定機械手臂122的安全操作範圍。此外，非接觸式感測可設置一水霧生成裝置（選配）於路徑教導移動平台114上，可對加工物件1噴灑暫時性表面顯影材料或改質材料，以模擬實際加工物件1的工作狀態。

在一實施例中，控制器120可將加工路徑的座標位置輸入至機械手臂122，使機械手臂122根據接收的座標位置來移動機械手臂122，以對加工物件1實際進行加工，例如噴塗、研磨、雷射切割、抓取、組裝等加工。

本實施例採用直覺式路徑教導器110，透過握持並移動直覺式路徑教導器110，以提供控制器120生成加工路徑所需的移動資訊，不需移動機械手臂122，故不需事先依照控制器120提供的座標位置指令移動機械手臂122到定點，因此操作方便。

請再參照第1圖，加工路徑生成裝置100可包括一路徑優化模組118（選配），用以接收路徑定位感測器112回傳的移動路徑。路徑優化模組118對回傳的移動路徑進行模擬分析，並儲存優化後的移動路徑於控制器120中。

在本實施例中，路徑優化模組118（選配）例如為一模擬分析模組，其或獨立設置於直覺式路徑教導器110與控制器120之間，或者內建於直覺式路徑教導器110中，又或者設置在控制器120中，本揭露對此不加以限定。例如，在一實施例中，路徑優化模組118為一模擬分析軟體、虛擬實境軟體或其他應用程式，其內建於直覺式路徑教導器110或控制器120的儲存單元內，用以產生一虛擬工作環境及碰撞條件參數等，透過模擬分析之後，再將優化後的移動路徑儲存在控制器120中。

請參照第2圖，其繪示依照本揭露一實施例之路徑定位感測112及用以模擬分析的路徑優化模組118的內部示意圖。路徑定位感測器112包括一慣性感測模組113、一空間座標擷取模組115以及一特徵擷取模組117中至少之一者。路徑優化模組118可包括一計算單元131、一操作視窗介面133以及一精度偏差校正單元135。在第2圖中，“訊號收集及記錄單元132”用以儲存直覺式路徑教導器110的移動路徑的位置資訊，“模擬分析單元134”用以接收直覺式路徑教導器110進行路徑教導時的位置資訊及末端感測訊號，以模擬機械手臂122實際對加工物件1進行的加工。“移動路徑優化單元136”用以對移動路徑進行平滑化的處理，以減少路徑教導的誤差。上述的訊號收集及記錄單元132、模擬分析單元134及移動路徑優化單元136可經由計算單元131（例如處理器）分工處理、或分別由對應的功能模組單獨執行之，本揭露對此不加以限制。

在一實施例中，慣性感測模組113例如由多軸的加速規或重力感測器（G-sensor）組成，加速度向量可經由個別的加速規量測而得知，並經過訊號處理單元進行前處理及濾波處理後，再送至計算單元131，以得到各軸的加速度向量的強度。

空間座標擷取模組115例如為光學雷達（LIDAR）模組或三維光學掃描模組，可利用時差測距（time-of-flight）或三角測距（triangulation）技術擷取三維空間點雲資料，以取得加工物件1的空間座標。在另一實施例中，空間座標擷取模組115或特徵擷取模組117亦可透過二維影像及深度影像來擷取加工物件1的特徵，並藉由特徵比對來強化姿態定位的效果。特徵比對例如是進行特徵向量資料之計算。特徵向量資料可經由計算單元131（例如處理器）計算分段資料的平均值（Mean）、標準差(Standard deviation)以及絕對總和(Absolute summation)等特徵值，以建立完整的姿態模型，並將建立之姿態模型儲存在資料庫中，以作為後續姿態辨識及定位之參考。

在第2圖中，當計算單元131取得移動路徑的資訊之後，可對移動路徑進行模擬分析（或虛實整合分析），“模擬分析”例如包括碰撞分析、路徑平滑度分析、極限分析、奇異點分析以及精度分析等，但不以此為限。上述“模擬分析”可透過電腦或模擬器進行，再透過無線或有線方式傳輸至控制器120。此外，路徑優化模組118例如具有一操作視窗介面133，用以設定模擬分析參數，例如設定路徑平滑度、路徑極限值、速度極限值、精度值、精度偏差值等參數，並可將模擬結果顯示在操作視窗介面133上，以供使用者觀看。另外，路徑優化模組118例如包括一精度偏差校正單元135，當模擬結果表示當前的移動路徑不符合設定的精度參數時，修正移動路徑的軌跡，以減少加工路徑的精度偏差值，如第4A及4B圖所示的原始的移動路徑T及優化後的移動路徑S。

上述模擬分析可重複進行多次，以優化移動路徑的軌跡(如第2圖中“移動路徑優化單元136”)，並將優化後的移動路徑儲存於控制器120中。之後，控制器120將優化後的移動路徑輸入至機械手臂122，並轉換三維空間座標系至機器手臂的座標系統中，以生成機械手臂122的加工路徑，或可進行實機操作測試，以驗證模擬結果。

在一實施例中，訊號擷取及路徑優化的工作模式，可分為下列兩種：慣性感測模組113、空間座標擷取模組115、及特徵擷取模組117與路徑優化模組118同步擷取訊號，並同步分析訊號（即邊同步邊即時優化），或者，整段移動路徑完成後，擷取訊號再進行分析及路徑優化（即精度分析），但不限制。其中，上述邊同步邊即時優化可包括碰撞分析、平滑度分析、極限分析、奇異點分析等至少其中之一，而整段路徑完成後再進行分析可包括上列各分析並進行精度分析。

請參照第4A及4B圖，透過模擬分析單元134，以模擬機械手臂122的各動作連桿與加工物件1的包覆體，進行碰撞分析，並以機機械手臂122的數學模型與動作軌跡分析其奇異點、極限與路徑平滑度，以優化移動路徑。經比對原始的移動路徑T及優化後的移動路徑S，可知優化後的移動路徑S可去除雜訊、路線重疊，同時解決平滑度、極限與奇異點等問題。

請參照第1及5圖，其中第5圖繪示依照本揭露一實施例之加工路徑生成方法的流程圖。加工路徑生成方法包括下列步驟S11~S16，但不限制，亦可省略部分步驟。在步驟S11中，收集及記錄一直覺式路徑教導器110的一移動路徑。在步驟S12中，偵測一加工物件1之一表面特徵，例如透過光學雷達、三維光學掃描、二維影像或深度影像，來擷取加工物件的表面特徵。在步驟S13中，接觸或非接觸式感測一加工物件1，以產生一末端感測訊號。在步驟S14中，對移動路徑進行一模擬分析，以優化移動路徑。在步驟S15中，儲存優化後的移動路徑於控制器120。在步驟S16中，控制器120可根據優化後的移動路徑及加工物件1之表面特徵，生成一加工路徑。後續，控制器120可輸入加工路徑至一機械手臂122，以移動機械手臂122，並對加工物件1進行加工。

根據本揭露上述實施例所述的加工路徑生成裝置及其方法，本揭露可透過直覺式路徑教導器收集及記錄一移動路徑的工作座標，並將路徑教導器的移動路徑回傳至機械手臂的控制器中，以做為機械手臂的一加工路徑，並可透過路徑模擬分析優化機械手臂的移動路徑，以提高加工路徑的加工精度。

綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:加工物件 100:加工路徑生成裝置 108:把手 109:按鈕 110:直覺式路徑教導器 112:路徑定位感測器 113:慣性感測模組 114:路徑教導移動平台 115:空間座標擷取模組 116:末端介面回饋裝置 117:特徵擷取模組 118:路徑優化模組 120:控制器 122:機械手臂 131:計算單元 132:訊號收集及記錄單元 133:操作視窗介面 134:模擬分析單元 135:精度偏差校正單元 136:移動路徑優化單元 T:原始的移動路徑 S:優化後的移動路徑

第1圖繪示依照本揭露一實施例之路徑生成裝置的簡易示意圖。第2圖繪示依照本揭露一實施例之路徑定位感測及用以模擬分析的路徑優化模組的內部示意圖。第3圖繪示依照本揭露一實施例之路徑生成裝置的示意圖。第4A及4B圖分別繪示原始的移動路徑及優化後的移動路徑的示意圖。第5圖繪示依照本揭露一實施例之加工路徑生成方法的流程圖。

1:加工物件

100:加工路徑生成裝置

110:直覺式路徑教導器

112:路徑定位感測器

114:路徑教導移動平台

116:末端介面回饋裝置

118:路徑優化模組

120:控制器

122:機械手臂

Claims

一種加工路徑生成裝置，包括：一直覺式路徑教導器，用以供握持並相對於一加工物件移動，以產生一移動路徑，且該直覺式路徑教導器用以偵測該加工物件之一表面特徵；以及一控制器，連接該直覺式路徑教導器，該控制器根據該直覺式路徑教導器的該移動路徑及該加工物件之該表面特徵，生成一加工路徑。
如申請專利範圍第1項所述之生成裝置，其中該直覺式路徑教導器包括：一路徑定位感測器，用以收集及記錄該移動路徑的工作座標及相對於該加工物件的距離；一路徑教導移動平台，用以承載並移動該路徑定位感測器；以及一末端介面回饋裝置，設置於該路徑教導移動平台上，用以輸出一末端感測訊號至該路徑定位感測器。
如申請專利範圍第2項所述之生成裝置，其中該路徑定位感測器包括一慣性感測模組、一空間座標擷取模組以及一特徵擷取模組中至少之一者。
如申請專利範圍第1項所述之生成裝置，更包括一路徑優化模組，用以接收該移動路徑，該路徑優化模組對該移動路徑進行模擬分析，以優化該移動路徑的軌跡，並儲存優化後的該移動路徑於該控制器中。
如申請專利範圍第4項所述之生成裝置，其中該路徑優化模組對該移動路徑進行模擬分析包括碰撞分析、路徑平滑度分析、極限分析、奇異點分析以及精度分析中之至少一者。
如申請專利範圍第4項所述之生成裝置，其中該路徑優化模組包括一精度偏差校正單元，用以修正該移動路徑，以減少該加工路徑的精度偏差值。
如申請專利範圍第2項所述之生成裝置，更包括一路徑優化模組，用以接收該移動路徑，該路徑優化模組對該移動路徑進行模擬分析，以優化該移動路徑的軌跡，並儲存優化後的該移動路徑於該控制器中；其中該路徑優化模組包括：一計算單元，用以取得該移動路徑的資訊，及對該移動路徑進行分析；一訊號收集及記錄單元，用以儲存該移動路徑的位置資訊；以及一模擬分析單元，用以接收該移動路徑的位置資訊及該末端感測訊號。
如申請專利範圍第1項所述之生成裝置，其中該直覺式路徑教導器重複進行多次路徑教導，以產生複數個該移動路徑。
如申請專利範圍第2項所述之生成裝置，其中該末端介面回饋裝置接觸式感測該加工物件，以產生該末端感測訊號。
如申請專利範圍第2項所述之生成裝置，其中該末端介面回饋裝置非接觸式感測該加工物件，以產生該末端感測訊號。
如申請專利範圍第1項所述之生成裝置，更包括一機械手臂，連接該控制器，該控制器根據該加工路徑移動該機械手臂，並對該加工物件進行加工。
一種加工路徑生成方法，包括：收集及記錄一直覺式路徑教導器的一移動路徑；偵測一加工物件之一表面特徵；以及根據該直覺式路徑教導器的該移動路徑及該加工物件之該表面特徵，生成一加工路徑。
如申請專利範圍第12項所述之生成方法，更包括接觸或非接觸式感測該加工物件，以產生一末端感測訊號。
如申請專利範圍第12項所述之生成方法，其中偵測該加工物件之該表面特徵包括透過光學雷達、三維光學掃描、二維影像或深度影像，來擷取該加工物件的表面特徵。
如申請專利範圍第12項所述之生成方法，更包括對該移動路徑進行一模擬分析，以優化該移動路徑。
如申請專利範圍第15項所述之生成方法，更包括根據該優化後的移動路徑及該加工物件之該表面特徵，生成該加工路徑。
如申請專利範圍第15項所述之生成方法，其中對該移動路徑進行模擬分析包括碰撞分析、路徑平滑度分析、極限分析、奇異點分析以及精度分析中至少之一者。
如申請專利範圍第12項所述之生成方法，更包括一精度偏差校正步驟，用以修正該移動路徑，以減少該加工路徑的精度偏差值。
如申請專利範圍第12項所述之生成方法，其中收集及記錄該移動路徑包括重複進行多次路徑教導，以產生複數個該移動路徑。
如申請專利範圍第13項所述之生成方法，其中該接觸式感測包括壓力感測、夾具抓取感測或觸覺感測。
如申請專利範圍第13項所述之生成方法，其中該非接觸式感測包括光學感測、超音波感測或影像感測。
如申請專利範圍第12項或第16項所述之生成方法，更包括輸入該加工路徑至一機械手臂，以移動該機械手臂，並對該加工物件進行加工。