TWI745155B

TWI745155B - 圖形化機械手臂學習系統及其學習方法

Info

Publication number: TWI745155B
Application number: TW109139203A
Authority: TW
Inventors: 楊文棋
Original assignee: 德制國際有限公司
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-11-01
Also published as: TW202218834A

Abstract

一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法，其系統包含有一手臂設備、一伺服設備及至少一人機介面設備，其中伺服設備至少包含有一處理單元、一儲存單元及一通訊介面，而與處理單元連接之儲存單元內至少儲存有一圖形化流程編輯介面模組，用以將編譯手臂設備動作腳本之編輯指令與動作指令的程式碼設定成一相對應的圖標，藉此，利用伺服設備之圖形化流程編輯介面模組的圖標〔icon〕來生成手臂設備之專用指令，並經轉譯成手臂設備之原生指令，並透過簡易圖形化介面，能人性化簡單快速的操作，且不需專業技術，降低人力成本及學習設定時間。

Description

圖形化機械手臂學習系統及其學習方法

本發明隸屬一種機械手臂之學習技術領域，特別是指一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法。

按，在全球化的趨勢下，工業技術及資訊科技的高度進展，已為人類生活及工作型態帶來許多的可能性，以加工製造業而言，傳統以人工搬運方式或單純上下料的傳送夾具，已不符合快速及準確的傳送需求，而六軸機械手臂的開發滿足了此一要求，其夾爪的移動路線及夾取方式可以讓操作人員以程式編譯方式來自行規劃與設計，使其具有更多樣的移動路線及夾取方式，以滿足不同的使用需求，對中小企業而言是一最佳的選擇，也符合工業4.0的發展趨勢與需求。

而該六軸機械手臂在規劃其搬運物品由A點至B點的移動路線及夾取方式時，如圖1所示，該六軸機械手臂（10）通常可選擇性連接一具程式編譯功能的學習器（20）來進行規劃，該學習器（20）具有一選擇單元（21）及一顯示畫面（25），其中該選擇單元（21）可以是複數選擇按鈕、搖桿或軌跡球等，而該顯示畫面（25）可顯示一編譯程式（26）之畫面，讓操作人員可以利用已搭建好的仿真工作站和六軸機械手臂（10）系統，在建立好例行程序後，透過程式編譯編寫該六軸機械手臂（10）之程序，而完成該六軸機械手臂（10）從A到B點的移動路線及夾取方式的規劃與設計；

但，現有利用學習器（20）之編譯程式（26）來進行編撰，若為一般動作簡易之程式其設計編撰約需要1～2工作天，而如遇到需進行複雜動作、且準確度高的程式則約需要3～5工作天，並需具備專業使用技術，然操作人員進行程式撰寫設計至少需要2～3週訓練時間，則此，對於多樣少量生產為主的中小企業無法滿足其快速換線及競爭力之需求，同時整體規劃及建制成本極高，相對於傳統產業引進AI自動化進入門檻產生困難；且當人才異動時，中小企業可能會面臨重新訓練的成本花費，但若委外處理，則又會存在編譯時間不穩定，而導致降低生產效能，為此，如何解決上述現有技術之問題與缺失，即為相關業者所亟欲研發之課題所在。

緣是，本發明人秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失予以研究改良，經不斷努力的研究與試作，終於成功的開發出一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法，藉以克服現有需以程式撰寫方式來進行所衍生的困擾與不便。

本發明之主要目的，係在提供一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法，藉以能利用圖形化介面進行移動路線及夾取方式的規劃與設計，而簡單快速完成。

本發明之次一主要目的，係在提供一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法，其不需具專業素養的人員也可輕易撰寫/編譯機械手臂，使其能更人性化的操作。

本發明之另一主要目的，係在提供一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法，其能讓機械手臂其控制腳本的操作與編輯能簡單快速，進而提高設備稼動率，以滿足中小企業少量多樣化之需求。

基於此，本發明主要係透過下列的技術手段，來實現前述之目的及其功效，其包含有：

一手臂設備，其具有一控制單元，該控制單元連接有一移動模組及一I/O模組，其中，該移動模組可用於控制該手臂設備於各軸向的移動與旋轉，而該I/O模組用於檢知該手臂設備之各軸向位置與夾爪啟閉，再者，該控制單元連接有一用於儲存、轉譯及執行該手臂設備原生指令之指令處理單元，另該指令處理單元連接有一通訊介面；

一伺服設備，其至少包含有一處理單元、一儲存單元及一通訊介面，其中該處理單元可用於運算、執行各項指令及數據資料，且與該處理單元連接之儲存單元內至少儲存有一圖形化流程編輯介面模組，用以將編譯該手臂設備動作腳本之編輯指令與動作指令的程式碼設定成一相對應的圖標，再者與該處理單元連接之通訊介面，係供該伺服設備與外部連結，且該處理單元進一步可以連接有一顯示單元，以供顯示該圖形化流程編輯介面模組之畫面；

一人機介面設備，其具有一供與外部連結之通訊介面，又該人機介面設備內具有一連接該通訊介面之指令處理單元。

為使　貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之若干較佳實施例，並配合圖式詳細說明如後，同時讓熟悉該項技術領域者能夠具體實施。

本發明係一種圖形化機械手臂學習系統及其學習方法，隨附圖例示之本發明的具體實施例及其構件中，所有關於前與後、左與右、頂部與底部、上部與下部、以及水平與垂直的參考，僅用於方便進行描述，並非限制本發明，亦非將其構件限制於任何位置或空間方向。圖式與說明書中所指定的尺寸，當可在不離開本發明之申請專利範圍內，根據本發明之設計與需求而進行變化。

本發明之圖形化機械手臂學習系統及其學習方法的構成，係如圖2、3所示，其包含有一手臂設備（50）、一伺服設備（60）及至少一人機介面設備（80），於本實施例中，該人機介面設備（80）可以是一搖桿；

而所述之手臂設備（50）可以是具有一夾爪（51）之六軸機械手臂，且該手臂設備（50）具有一控制單元（52），該控制單元（52）連接有一移動模組（53）及一I/O模組（54），其中，該移動模組（53）可用於控制該手臂設備（50）於各軸向的移動與旋轉，而該I/O模組（54）用於檢知該手臂設備（50）之各軸向位置與夾爪之啟閉，再者，該手臂設備（50）之控制單元（52）連接有一指令處理單元（55），且該指令處理單元（55）可用於儲存及執行該手臂設備（50）之原生指令，另該手臂設備（50）具有一連接該指令處理單元（55）之通訊介面（56），供該手臂設備（50）與外部連結，以接收及發送相關指令與數據資料，其中該通訊介面（56）可以包含但不限定是USB、RJ45、ComPort等連接埠；

又所述之伺服設備（60）至少包含有一處理單元（61）、一儲存單元（62）及一通訊介面（65），其中該處理單元（61）可用於運算、執行各項指令及數據資料，而連接該處理單元（61）之儲存單元（62）內至少儲存有一圖形化流程編輯介面模組（63），如圖4所示，用以將編譯該手臂設備（50）動作腳本之編輯指令〔包含但不限定啟動編輯腳本、停止編輯腳本、儲存腳本、刪除腳本、複製腳本等〕與動作指令〔包含但不限定世界座標移動、六軸角度移動、開爪、閉爪、I/O控制、速度修改等〕的程式碼設定成一相對應的圖標〔icon〕，俾供操作人員可以透過選擇圖標即可令該處理單元（61）完成相對應之程式碼編譯，再者，該處理單元（61）連接有一通用設備指令叢集單元（64），以供儲存及記錄各通用設備之指令，又連接該處理單元（61）之通用設備指令叢集單元（64）進一步連接該通訊介面（65），以供該伺服設備（60）與外部之手臂設備（50）或人機介面設備（80）等連結，以接收及發送相關指令與數據資料，其中該通訊介面（65）可以包含但不限定是USB、RJ45、ComPort等連接埠，且該處理單元（61）進一步可以連接有一顯示單元（66），該顯示單元（66）可以是與伺服設備（60）為外部連接或與該伺服設備（60）結合成一體；

再者，所述之人機介面設備（80）可以是搖桿、鍵盤或滑鼠，且該人機介面設備（80）可以是外部與該伺服設備（60）連接之獨立設備或與該伺服設備（60）結合之一體設備，且該外部連接之人機介面設備（80）具有一供該伺服設備（60）連結之通訊介面（81），以接收及發送相關指令與數據資料，其中該通訊介面（81）可以包含但不限定是USB、RJ45、ComPort等連接埠，又該人機介面設備（80）內具有一連接該通訊介面（81）之指令處理單元（82），且該指令處理單元（82）可用於儲存及執行該人機介面設備（80）之原生指令，使該人機介面設備（80）可用於對該伺服設備（60）顯示於該顯示單元（66）之圖形化流程編輯介面模組（63）畫面之選項或功能等圖標〔icon〕進行游標移動、選取、確認等動作；

藉此，讓操作人員可以透過該伺服設備（60）將儲存單元（62）內之圖形化流程編輯介面模組（63）顯示於該人機介面設備（80）之顯示器上，並透過選擇其圖標完成該手臂設備（50）之動作腳本編譯，而組構成一易於動作規劃及設計之圖形化機械手臂學習系統者。

至於本發明圖形化機械手臂學習系統之學習方法，則係如圖２、５所示，（a）啟動流程腳本、（b）讀取流程所需手臂設備及參數、（c）確認手臂設備是否存在及參數是否正常、（d）生成手臂設備專用指令、（e）透過通訊介面傳遞指令、（f）手臂設備轉譯為原生指令、（g）手臂設備執行原生指令、（h）確認是否正確執行、（i）停止腳本產生錯誤報告及（j）執行完整腳本等步驟。其中:

（a）啟動流程腳本：使用者設定完成相關參數後，將該圖形化流程編輯介面模組（63）的畫面顯示於連接該伺服設備（60）之顯示單元（66），可以使用如搖桿之人機介面設備（80）於該圖形化流程編輯介面模組（63）的畫面中選取啟動腳本之圖標〔icon〕，之後執行（b）步驟；

（b）讀取流程所需手臂設備及參數：當執行到此一圖標〔icon〕，系統會先讀取流程中所需之手臂設備（50）及其相對參數，之後執行（c）步驟；

（c）確認手臂設備是否存在及參數是否正常：系統會確認選擇之手臂設備（50）處於可控制狀態，以判斷該手臂設備（50）連線是否異常與要求目前座標可確認該手臂設備（50）狀態，且控制相對應之參數亦同時執行確認，如以上兩個狀態中有其中一個出現異常，系統會執行（i）之步驟。如該手臂設備（50）通訊與參數都正確後，則系統會執行（d）；

（d）生成手臂設備專用指令：確認該手臂設備（50）通訊與參數都正確後，利用該伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）及人機介面設備（80）之選取而生成對應該手臂設備（50）的專用指令，如選取「

」代表世界座標移動、「

」代表六軸角度移動、「

」代表I/O控制或「

」代表速度修改等，之後執行（e）步驟；

（e）透過通訊介面傳遞指令：該伺服設備（60）在生成該手臂設備（50）之專用指令後，透過兩者之通訊介面（65、56）傳送至對應該手臂設備（50），之後執行（f）步驟；

（f）手臂設備轉譯為原生指令：而當該手臂設備（50）透過通訊介面（56）接收到指令後，則轉譯為該手臂設備（50）之原生專用的指令，之後執行（g）步驟；

（g）手臂設備執行原生指令：而該手臂設備（50）在轉換完成原生專用指令後，則進行各手臂設備（50）動作腳本的原生專用指令之執行，之後執行（h）步驟；

（h）確認是否正確執行：該手臂設備（50）在動作腳本執行中，進一步判斷確認是否正確執行，如判斷為正確，則回傳正確指令進行（j）步驟，如執行異常，則系統會執行（i）步驟；

（i）停止腳本產生錯誤報告：在經過（c）、（h）步驟判斷為異常時，即停止該手臂設備（50）之動作腳本，並產生錯誤報告，且重新回到（a）步驟執行；以及

（j）執行完整腳本，在經過（h）步驟判斷為正確時，則持續執行腳本至最後動作。

實施例1、當設定一組路徑，如將A點物品夾取放置於B點。

設定A點位置(Xa, Ya, Za)，B點位置(Xb, Yb, Zb)，將路徑設定好後，執行腳本。

首先，會確保該手臂設備（50）之夾爪（51）是呈打開的狀態，並由該手臂設備（50）之I/O模組（54）確保I/O可以控制且設定的I/O腳位存在，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則利用該伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）畫面，透過該人機介面設備（80）選取對應之圖標〔icon〕而生成該手臂設備（50）之I/O的專用指令，內容包含I/O之腳位與開啟指令，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為I/O開啟指令，將指令轉換成手臂設備（50）的原生指令後開啟指定I/O。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行移動至A點。

接著，當確認該手臂設備（50）可以控制且設定的座標正常，如有異常系統，則自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則生成該手臂設備（50）移動的專用指令，內容包含移動方式與目標座標，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為移動指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後移動手臂設備（50）。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗，系統會自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行夾取物件。

接著，確認該手臂設備（50）I/O可以控制且設定的I/O腳位存在，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常生成手臂設備（50）I/O的專用指令，內容包含I/O腳位與關閉指令，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為I/O關閉指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後關閉指定I/O。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行移動至B點。

緊接著，確認該手臂設備（50）可以控制且設定的座標正常，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常生成手臂設備（50）移動的專用指令，內容包含移動方式與目標座標，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為移動指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後移動該手臂設備（50）。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行該手臂設備（50）之夾爪（51）放開物件。

最後，確認手臂設備（50）I/O可以控制且設定的I/O腳位存在，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常生成手臂設備（50）I/O的專用指令，內容包含I/O腳位與開啟指令，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為I/O開啟指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後開啟指定I/O。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常系統發現無下一步指令，故結束此腳本。

實施例2、當設定一組路徑，如於A點夾取物品並於B點做角度翻轉。

設定A點位置(Xa, Ya, Za)，B點位置(Xb, Yb, Zb)，並於B點修改姿態為(Ɵc, Ɵc, Ɵc)，將路徑設定好後，執行腳本。

首先，會確保手臂設備（50）之夾爪（51）是打開的狀態，確認手臂設備（50）之I/O可以控制、且設定的I/O腳位存在，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常利用該伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）生成手臂設備（50）之I/O的專用指令，內容包含I/O腳位與開啟指令，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為I/O開啟指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後開啟指定I/O。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行移動至A點。

其次，確認手臂設備（50）可以控制且設定得座標正常，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則利用伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）生成手臂設備（50）移動的專用指令，內容包含移動方式與目標座標，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為移動指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後移動該手臂設備（50）。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行手臂設備（50）之夾爪（51）夾取物件。

接著，確認手臂設備（50）I/O可以控制且設定的I/O腳位存在，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則利用伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）生成手臂設備（50）I/O的專用指令，內容包含I/O腳位與關閉指令，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為I/O關閉指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後關閉指定I/O。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行移動至B點。

之後，確認手臂設備（50）可以控制且設定的座標正常，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則利用伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）生成手臂設備（50）移動的專用指令，內容包含移動方式與目標座標，透過通訊傳送至手臂設備（50）腳本後，腳本判斷此指令為移動指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後移動該手臂設備（50）。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則切換至下一步指令，進行翻轉物件。

最後，確認該手臂設備（50）可以控制且設定的姿態正常，如有異常系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常則利用伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）生成手臂設備（50）移動的專用指令，內容包含移動方式與目標座標，透過通訊傳送至手臂腳本後，腳本判斷此指令為旋轉指令，將指令轉換成手臂設備（50）原生指令後修改該手臂設備（50）姿態。之後進行確認執行正常，若系統回報執行失敗系統自動中斷操作發出錯誤報告，若一切正常系統發現無下一步指令，故結束此腳本。

透過前述之設計與說明，本發明之圖形化機械手臂學習系統及其學習方法係利用該伺服設備（60）之圖形化流程編輯介面模組（63）的圖標〔icon〕來生成該手臂設備（50）之專用指令，並經轉譯成該手臂設備（50）之原生指令，其操作方式係以如搖桿之人機介面設備（80），且透過簡易圖形化介面，能人性化簡單快速的操作，且不需專業技術，降低人力成本及學習設定時間，同時讓輔助該手臂設備（50）的控制腳本的操作與編輯能簡單快速，進而能滿足中小企業少量多樣化的需求，以提高設備稼動及產線生產率。

藉此，可以理解到本發明為一創意極佳之創作，除了有效解決習式者所面臨的問題，更大幅增進功效，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，同時具有功效的增進，故本發明已符合發明專利有關「新穎性」與「進步性」的要件，乃依法提出申請發明專利。

10:六軸機械手臂 20:學習器 21:選擇單元 25:顯示畫面 26:編譯程式 50:手臂設備 51:夾爪 52:控制單元 53:移動模組 54:I/O模組 55:指令處理單元 56:通訊介面 60:伺服設備 61:處理單元 62:儲存單元 63:圖形化流程編輯介面模組 64:通用設備指令叢集單元 65:通訊介面 66:顯示單元 80:人機介面設備 81:通訊介面 82:指令處理單元

圖1 ：係現有機械手臂學習系統之架構示意圖。

圖2：係本發明圖形化機械手臂學習系統之系統外觀示意圖。

圖3：係本發明圖形化機械手臂學習系統之系統架構示意圖，供說明其各元件之態樣及其相對關係。

圖4：係本發明圖形化機械手臂學習系統之圖控區示意圖。

圖5：係本發明圖形化機械手臂學習方法之流程架構示意圖。

50:手臂設備

51:夾爪

60:伺服設備

66:顯示單元

80:人機介面設備

Claims

一種圖形化機械手臂學習系統，其包含有：一手臂設備，其具有一控制單元，該控制單元連接有一移動模組及一I/O模組，其中，該移動模組可用於控制該手臂設備於各軸向的移動與旋轉，而該I/O模組用於檢知該手臂設備之各軸向位置與夾爪啟閉，再者，該控制單元連接有一用於儲存、轉譯及執行該手臂設備原生指令之指令處理單元，另該指令處理單元連接有一通訊介面；一伺服設備，其至少包含有一處理單元、一儲存單元及一通訊介面，其中該處理單元可用於運算、執行各項指令及數據資料，且與該處理單元連接之儲存單元內至少儲存有一圖形化流程編輯介面模組，用以將編譯該手臂設備動作腳本之編輯指令與動作指令的程式碼設定成一相對應的圖標，再者與該處理單元連接之通訊介面，係供該伺服設備與外部連結，且該處理單元進一步可以連接有一顯示單元，以供顯示該圖形化流程編輯介面模組之畫面；一人機介面設備，其具有一供與外部連結之通訊介面，又該人機介面設備內具有一連接該通訊介面之指令處理單元。
如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統，其中，該手臂設備可以是具有一夾爪之六軸機械手臂。
如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統，其中，該手臂設備、伺服設備及人機介面設備之通訊介面可以包含但不限定是USB、RJ45、ComPort連接埠。
如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統，其中，該處理單元與該通訊介面間連接有一通用設備指令叢集單元，以供儲存及記錄各通用設備之指令。
如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統，其中，該顯示單元可以是與該伺服設備為外部連接。
如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統，其中，該人機介面設備可以是搖桿。
如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統，其中，該人機介面設備可以與該伺服設備結合之一體設備。
一種如請求項1所述之圖形化機械手臂學習系統之學習方法，其包含有：（a）啟動流程腳本，之後執行（b）步驟；（b）讀取流程所需手臂設備及參數，之後執行（c）步驟；（c）確認手臂設備是否存在及參數是否正常，如以上兩個狀態有其中一個出現異常，系統會執行（i）之步驟，如該手臂設備通訊與參數都正確後，則系統會執行（d）；（d）生成手臂設備專用指令，之後執行（e）步驟；（e）透過通訊介面傳遞指令，之後執行（f）步驟；（f）手臂設備轉譯為原生指令，之後執行（g）步驟；（g）手臂設備執行原生指令，之後執行（h）步驟；（h）確認是否正確執行，如判斷為正確，則進行（j）步驟，如執行異常，則執行（i）步驟；（i）停止腳本產生錯誤報告：在經過（c）、（h）步驟判斷為異常時，即停止動作腳本，並產生錯誤報告，且重新回到（a）步驟執行；以及（j）執行完整腳本，在經過（h）步驟判斷為正確時，則持續執行腳本至最後動作。