TWI767265B

TWI767265B - 在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法

Info

Publication number: TWI767265B
Application number: TW109121626A
Authority: TW
Inventors: 曾宗圓
Original assignee: 直得科技股份有限公司
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2022-06-11
Also published as: TW202201212A

Abstract

本發明涉及對多軸物件工座端點直觀控制之方法，具體而言，係有關於一種在二維顯示介面中控制虛擬多軸物件之工作端點的旋轉角度以改變三維姿態的方法：建構一虛擬多軸物件，該虛擬多軸物件有一工作端點，在該工作端點設定一第一座標系統，並以該工作端點為一原點而定義一三維曲面；在一二維顯示介面設定一第二座標系統，在該第二座標系統定義一操作區投影對應該三維曲面。點擊該二維顯示介面之操作區並改變位置，使該虛擬多軸物件以該工作端點為固定點而旋轉角度以改變該工作端點的三維姿態；或者，在該圓形操作區外的任一軸向上點擊後拖曳，使該工作端點在旋轉角度不變下產生路徑位移。

Description

在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法

本發明涉及對多軸物件工座端點直觀控制之方法，具體而言，係有關於一種在二維顯示介面中以六自由度控制元件控制虛擬多軸物件之工作端點的旋轉角度以改變三維姿態的方法，特別是指點擊六自由度控制元件的操作區並改變位置，即可使虛擬多軸物件以工作端點為固定點而旋轉角度以改變工作端點的三維姿態，不需分別調整工作端點三個互相獨立旋轉軸的旋轉角度的發明。

六自由度的控制元件被廣泛應用在機器人自動化中，其中，六自由度的控制元件可被分類成虛擬元件(如本發明介面)，或是實體元件例如操縱桿(joystick)。六自由度的控制元件可應用於舉凡機械手臂末端點(工作端點)姿態及位置的即時控制，或是用於事先指定末端點之目標姿態及位置，都可見此控制元件。取放和抓取尤其為機器人主要的工作項目之一，操作機器人的人員必須有個有效率的控制元件和內建演算法，使其能快速指定機器人之工作端點的位置和姿態，最後驅動機器人完成任務，因此，六自由度控制元件的優劣可從其操作直覺性、操作效率和操作人員是否需要相關機器人學基礎等特性來評斷。

目前的3D軟體中，一般的六自由度控制元件通常包含多個箭頭和多個圓環，或是包含兩類圖形，第一類圖形是箭頭，第二類圖形是圓環。參閱第十一圖至第十三圖所示，以直角座標系統為例，包括有3個箭頭及3個圓環，分別是一X方向箭頭及一YZ平面圓環，一Y方向箭頭及一XZ平面圓環，一Z方向箭頭及一XY平面圓環，其中，該X方向箭頭、該Y方向箭頭及該Z方向箭頭係分別用於控制空間中的三個互相獨立的位移，而該YZ平面圓環、該XZ平面圓環及該XY平面圓環係分別用於控制空間中的三個互相獨立的旋轉，使一虛擬機械手臂A的末端點A1可以到達預設的位置。使用者可以使用2D顯示器配合例如滑鼠或是觸控螢幕等操作裝置去操控該機械手臂A的末端點A1的位置和姿態。

但是，以習知六自由度的控制元件控制三維姿態會有三個主要缺點：其一，每次只能針對控制元件給定之其中一軸做旋轉；其二，在點擊拖拉不同維度的圓環會造成操作時間的浪費；其三，旋轉過程中，當下轉軸會參考已經被旋轉的座標系統，對於具備機器人學相關背景知識的操作人員，通常需用手或道具比劃，在心中建立出三個維度的角度旋轉順序，方能轉到指定姿態，對於不具備機器人學相關背景知識的操作人員，更需經歷多次反覆試驗操作才能轉到指定姿態，不論何者，這複雜程序都將會造成使用者轉到目標姿態效率不佳。

爰此，本發明提出一種涉及對多軸物件工作端點直觀控制之方法，具體而言，係在二維顯示介面中控制虛擬多軸物件之工作端點的旋轉角度以改變三維姿態的方法，包括有：在一虛擬空間中建構一虛擬多軸物件，該虛擬多軸物件有一工作端點，在該工作端點設定一第一座標系統，並以該工作端點為一原點而定義一三維曲面。該虛擬空間顯示於一二維顯示介面，在該二維顯示介面設定一第二座標系統，在該第二座標系統定義一操作區投影對應該三維曲面。點擊該二維顯示介面之操作區並改變位置，使該虛擬多軸物件以該工作端點為固定點而旋轉角度以改變該工作端點的三維姿態。

進一步，該第一座標系統及該第二座標系統為直角座標系統，在該三維曲面上定義三個座標軸，並在該操作區上定義三個操作軸，該三個操作軸分別對應該三個座標軸；透過點擊該三個操作軸之一並拖曳，使該工作端點沿著對應的座標軸產生位移。

進一步，點擊該二維顯示介面的方式係由一觸控螢幕點擊或以一滑鼠游標點擊。

進一步，透過縮放該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該虛擬空間的位置。

進一步，透過旋轉該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該虛擬空間的視角。

進一步，該虛擬多軸物件為一六軸機械手臂。

進一步，根據歐拉旋轉定理，在三維空間中，假設一個剛體在做一個位移時，剛體內部至少有一點固定不動，則此等價於一個繞著包含那固定點的固定軸旋轉。因此，本發明透過座標變換及相關映射函數運算取得該工作端點的旋轉軸及旋轉角，再搭配使用DH參數(Denavit-Hartenberg)取得目標齊次座標矩陣，藉以根據該目標齊次座標矩陣運算該虛擬多軸物件的動作，使該工作端點改變三維姿態。

進一步，該三維曲面構成一球體，該操作區係對應為一圓形操作區。

進一步，將該虛擬多軸物件的動作輸出至相對應的一實體多軸物件，以實現遠端操作。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.本發明透過座標變換及相關映射函數運算獲得該工作端點的旋轉軸及旋轉角，進一步利用機器人運動學的DH參數以獲得目標齊次座標矩陣，並配合逆向運動學，可藉由點擊該二維顯示介面並改變位置，即可使該虛擬多軸物件以該工作端點為固定點而旋轉角度以改變該工作端點的三維姿態，不需分別調整虛擬多軸物件的工作端點三個互相獨立旋轉軸的旋轉角度；並可藉由拖曳方式使該工作端點沿著對應的座標軸產生位移。

2.本發明可藉由縮放該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該虛擬空間的位置，或透過旋轉改變該虛擬多軸物件的視角，皆不會影響該工作端點改變姿態的操作或檢視。

3.可將該虛擬多軸物件的動作輸出至相對應的實體多軸物件，以實現遠端操作。

1:虛擬空間

2:虛擬多軸物件

21:樞軸

22:工作端點

3:二維顯示介面

31:滑鼠游標

4:球體

41:相對應曲面區域

41’:應曲相對應曲面區域

5:圓形操作區

X1:X1座標軸

Y1:Y1座標軸

Z1:Z1座標軸

X2:X2操作軸

Y2:Y2操作軸

Z2:Z2操作軸

X:X方向箭頭

YZ:YZ平面圓環

Y:Y方向箭頭

XZ:XZ平面圓環

Z:Z方向箭頭

XY:XY平面圓環

A:虛擬機械手臂

A1:末端點

[第一圖]係為本發明方法的流程圖。

[第二圖]係為本發明方法中，由該二維顯示介面顯示該虛擬多軸物件的示意圖。

[第三圖]係為本發明方法中，點擊該二維顯示介面之圓形操作區並改變位置，使該虛擬多軸物件以該工作端點為固定點而旋轉角度以改變該工作端點的三維姿態的示意圖。

[第四圖]係為本發明方法中，點擊該二維顯示介面之操作軸並拖曳，使該工作端點沿著對應的座標軸產生位移的示意圖。

[第五圖]係為本發明方法中，該二維顯示介面的該第二座標系統對應該虛擬多軸物件的該第一座標系統的示意圖，此時該二維顯示介面的圓形操作區對應該虛擬多軸物件之工作端點的球體的相對應曲面區域。

[第六圖]係為本發明方法中，縮放該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該二維顯示介面的位置的示意圖之一。

[第七圖]係為本發明方法中，縮放該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該二維顯示介面的位置的示意圖之二。

[第八圖]係為本發明方法中，旋轉該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該二維顯示介面的視角的示意圖之一。

[第九圖]係為本發明方法中，旋轉該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該二維顯示介面的視角的示意圖之二。

[第十圖]係為本發明方法中，該虛擬多軸物件改變視角後，該工作端點的第一座標系統旋轉，使該二維顯示介面的圓形操作區對應該虛擬多軸物件之工作端點的球體的相對應曲面區域示意圖。

[第十一圖]係為習知操作虛擬機械手臂的末端點到達預設位置而改變姿態的示意圖其一。

[第十二圖]係為習知操作虛擬機械手臂的末端點到達預設位置而改變姿態的示意圖其二。

[第十三圖]係為習知操作虛擬機械手臂的末端點到達預設位置而改變姿態的示意圖其三。

綜合上述技術特徵，本發明在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖及第二圖所示，本發明實施例包括：在一虛擬空間1中建構一虛擬多軸物件2，該虛擬多軸物件2以一六軸機械手臂為例，但不限於該六軸機械手臂，該虛擬多軸物件2有複數樞軸21及一工作端點22。該虛擬空間1顯示於一二維顯示介面3，該虛擬空間1中以該工作端點22為原點而設置一三維曲面，本實施例以該三維曲面為球面而構成一球體4為例，在該球體4上定義三個座標軸X1、Y1、Z1，該球體4投影在該二維顯示介面3為一圓形操作區5，該工作端點22位在該圓形操作區5的圓心，並在該圓形操作區5上定義三個操作軸X2、Y2、Z2，該三個操作軸X2、Y2、Z2分別對應該三個座標軸X1、Y1、Z1。

參閱第二圖及第三圖所示，點擊該二維顯示介面3之圓形操作區5並改變位置，使該虛擬多軸物件2以該工作端點22為固定點而旋轉角度以改變該工作端點22的三維姿態。參閱第二圖及第四圖所示，或者，透過點擊該三個操作軸X2、Y2、Z2之一並拖曳，使該工作端點22沿著對應的座標軸X1、Y1、Z1產生位移，以改變該工作端點22的三維位置。而點擊該二維顯示介面3的方式可由一觸控螢幕點擊或以一滑鼠游標31點擊，本實施例以該滑鼠游標31為例。

參閱第五圖所示，具體而言，在該工作端點22設定一第一座標系統，在該二維顯示介面3設定一第二座標系統對應該第一座標系統，該第一座標系統及該第二座標系統可為直角坐標、圓柱座標或球座標之任一，本實施例以直角座標系統為例，該第一座標系統為x_by_bz_b座標系統，該第二座標系統為xyz座標系統，該虛擬空間1則有一世界座標系統，該世界座標系統為x_Wy_Wz_W座標系統。點擊該二維顯示介面3的該第二座標系統的一第一座標位置，而構成一第一座標向量，之後點擊該二維顯示介面3的該第二座標系統的一第二座標位置或點擊該第一座標位置後拖曳至該第二座標位置，而構成一第二座標向量，例如圖式中該滑鼠游標31由白色位置位移至黑色位置。

根據歐拉旋轉定理，在三維空間中，假設一個剛體在做一個位移，且剛體內部至少有一點固定不動，則此等價於一個繞著包含那固定點的固定軸旋轉。因此，本實施例中該工作端點22在三維位置不變的條件下，可透過座標轉換及相關設計之映射函數求得該虛擬多軸物件2之工作端點22在對應滑鼠操作下之旋轉軸和旋轉角。具體而言，將該第二座標系統之座標向量轉換至該世界座標系統(x_Wy_Wz_W座標系統)上，之後將轉換後的座標向量進一步投影至該球體4上，再一次將該球體4上的座標向量轉換至該工作端點22的第一座標系統(x_by_bz_b座標系統)上，藉此即可進一步求得該工作端點22的旋轉軸和旋轉角；要說明的是，上述座標轉換及相關映射函數皆採用習知的演算法達成，在此不詳述上述演算法的計算過程。

進一步，搭配機器人學中的DH參數(Denavit-Hartenberg)可建立4*4的目標齊次座標矩陣HTM_goal，並配合逆向運動學換算出該虛擬多軸物件2的動作，藉此即可使該虛擬多軸物件2以該工作端點22為固定點而以特定的旋轉軸來旋轉角度以改變該工作端點22的三維姿態，不需分別調整該虛擬多軸物件2的工作端點22三個互相獨立旋轉軸的旋轉。進一步可將該虛擬多軸物件2的動作輸出至相對應的一實體多軸物件，藉以控制該實體多軸物件的姿態。

參閱第六圖及第七圖所示，進一步，可透過該二維顯示介面縮放該虛擬多軸物件2以改變該虛擬多軸物件2在該虛擬空間1的位置，且該虛擬多軸物件2在該二維顯示介面3的位置改變後不影響該虛擬多軸物件2的位置及姿態的調整。

參閱第八圖及第九圖所示，進一步，可透過該二維顯示介面3旋轉該虛擬多軸物件2以改變該虛擬多軸物件2在該虛擬空間1的視角。參閱第五圖，該虛擬多軸物件2在初始狀態下，該二維顯示介面3的圓形操作區5對應該虛擬多軸物件2之工作端點22的球體4的相對應曲面區域41，其它區域則不被對應，該相對應對應曲面區域41為該球體4之半球；參閱第十圖所示，該虛擬多軸物件2改變視角後，該工作端點22的第一座標系統隨之旋轉，使該二維顯示介面3的圓形操作區5對應該虛擬多軸物件2之工作端點22的球體4的相對應曲面區域41’，該相對應對應曲面區域41’為該球體4之另半球；因此可在該虛擬多軸物件2的視角旋轉後不影響該虛擬多軸物件2的位置及姿態的調整。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims

一種在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，包括有：在一虛擬空間中建構一虛擬多軸物件，該虛擬多軸物件有一工作端點，在該工作端點設定一第一座標系統，並以該工作端點為一原點而定義一三維曲面；該虛擬空間顯示於一二維顯示介面，在該二維顯示介面設定一第二座標系統，在該第二座標系統定義一操作區對應該三維曲面；點擊該二維顯示介面之操作區並改變位置，使該虛擬多軸物件以該工作端點為固定點而旋轉角度以改變該工作端點的三維姿態。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，進一步，該第一座標系統及該第二座標系統為直角座標系統，在該三維曲面上定義三個座標軸，並在該操作區上定義三個操作軸，該三個操作軸分別對應該三個座標軸；透過點擊該三個操作軸之一並拖曳，使該工作端點沿著對應的座標軸產生位移。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，其中，點擊該二維顯示介面的方式係由一觸控螢幕點擊或以一滑鼠游標點擊。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，進一步，透過縮放該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該虛擬空間的位置。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，進一步，透過旋轉該虛擬多軸物件以改變該虛擬多軸物件在該虛擬空間的視角。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，其中，該虛擬多軸物件為一六軸機械手臂。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，進一步，透過座標變換和相關映射函數計算取得該工作端點的旋轉軸及旋轉角，再搭配使用DH參數(Denavit-Hartenberg)取得目標齊次座標矩陣，藉以根據該目標齊次座標矩陣運算該虛擬多軸物件的動作，使該工作端點改變三維姿態。
如請求項1所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，進一步，該三維曲面構成一球體，該操作區係對應為一圓形操作區。
如請求項1至請求項8任一項所述之在二維顯示介面中控制多軸物件工作端點之方法，進一步，將該虛擬多軸物件的動作輸出至相對應的一實體多軸物件，以實現遠端操作。