TWI774666B - 協作型機器手臂的防夾方法 - Google Patents

Abstract

一種協作型機器手臂的防夾方法，利用阻抗偵測到碰觸協作人員時，緊急停止機器手臂，並由運作模式切換至力矩模式，計算阻抗的大小，檢查阻抗大於預設閥值時，機器手臂自動退至回復點位，將機器手臂由力矩模式切換至重力模式，隨協作人員推開機器手臂，以利防夾。

Description

協作型機器手臂的防夾方法

本發明有關一種機器手臂，尤其關於人機協作型的工業機器手臂，在偵測人機碰撞或緊急停止時，自動採取防護人員安全的方法。

機器手臂具有靈活移動、精確定位及連續性作業的特性，雖然成為產品生產線上製造組裝的最佳利器。但仍有機器手臂無法取代人的工作，需要人機協同作業。而在人機協作中，確保人員在機器手臂高速運作的環境中工作安全，成為人機協作的主要課題。

為了確保人員在機器手臂環境的工作安全，例如先前技術的美國專利案US8788093，在機器手臂的端末器(End Effector)設置力偵測裝置，當力偵測裝置偵測機器手臂受到的外力超過預設的閥值時，即刻停止機器手臂，雖然可減輕對協作人員的傷害。但是協作人員如果被機器手臂夾住，停止的機器手臂，仍然保持夾住協作人員的姿勢，受夾的協作人員可能無法自力脫困，前述先前技術並無法確保協作人員的工作安全。

因此，另有先前技術美國專利案US20160207197，偵測機器手臂碰觸到協作人員時，即刻停止機器手臂，以減輕對協作人員的傷害，並繼續偵測碰觸協作人員的時間，假如持續碰觸協作人員的時間不超出預 設時間，則表示協作人員已自行遠離，機器手臂不再動作，否則只要機器手臂持續碰觸協作人員的時間超出預設時間，為了進一步確保協作人員的安全，將再命令機器手臂往遠離協作人員的方向撤離一段預設距離，以避免碰觸協作人員。

然而，前述先前技術機器手臂雖然在停止後，再往遠離協作人員的方向撤離一段預設距離，以確保協作人員的安全。但是先前技術機器手臂撤離的距離如果預設距離不足，仍然無法讓受夾的協作人員完全脫困，而撤離的方向已脫離原作業路徑，可能需要校正調整，才能回復至原作業狀態。此外，協作人員在歷經受夾後，極可能驚慌失措隨意亂闖，先前技術機器手臂撤離的方向，也可能再次夾住協作人員，造成協作人員更嚴重的傷害，而無法達到確保協作人員安全的目的。因此，如何在人機協作中確保協作人員的安全，是亟待解決的問題。

本發明的目的提供一種協作型機器手臂的防夾方法，在停止機器手臂且退至回復點位後，將機器手臂由力矩模式切換為重力模式，讓協作人員隨意推離機器手臂脫困，以確保協作人員的安全。

本發明的另一目的提供一種協作型機器手臂的防夾方法，在退至回復點位後，藉由偵測機器手臂的阻抗，檢查碰觸協作人員時，切換為重力模式，檢查未碰觸協作人員時，切回運作模式，由回復點位繼續未完行程，以快速回復至機器手臂的運作狀態。

為了達到前述發明的目的，本發明協作型機器手臂的防夾方法，在運作模式時，利用阻抗偵測到碰觸協作人員時，緊急停止機器手臂， 判斷造成協作人員受夾，並由運作模式切換至力矩模式，計算阻抗的大小，檢查阻抗大於預設閥值時，機器手臂自動退至回復點位，接著將機器手臂由力矩模式切換至重力模式，隨協作人員推開機器手臂。在檢查阻抗不大於預設閥值，判斷未造成協作人員受夾，將機器手臂切回運作模式，繼續未完的作業。

本發明協作型機器手臂的防夾方法，將回復點位預設在機器手臂遠離受夾的位置，或預設在特定座標的位置，或預設在反阻抗的方向遠離受夾的位置，或預設在運作模式的作業路徑中受夾位置的前一作業點位。

本發明另一實施例協作型機器手臂的防夾方法，在機器手臂由力矩模式切換至重力模式前，檢查阻抗等於零時，機器手臂切回運作模式，沿作業路徑繼續未完的作業。檢查阻抗不等於零時，判斷協作人員仍與機器手臂維持在碰觸狀態中，再將機器手臂由力矩模式切換至重力模式，以利協作人員推開機器手臂防夾。

1‧‧‧機器手臂

2‧‧‧底座

3‧‧‧軸臂

4‧‧‧夾取裝置

5‧‧‧動力肘節

6‧‧‧力矩感測器

7‧‧‧工作台

8‧‧‧協作人員

9‧‧‧回復點位

圖1 為本發明機器手臂在運作模式碰觸協作人員的示意圖。

圖2 為本發明機器手臂退至回復點的示意圖。

圖3 為本發明機器手臂切換至重力模式的示意圖。

圖4 為本發明協作型機器手臂的防夾方法的流程圖。

圖5 為本發明另一實施例協作型機器手臂的防夾方法的流程圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。

請參考圖1所示，為本發明機器手臂在運作模式碰觸協作人員的示意圖。本發明的機器手臂1包含底座2、複數軸臂3及夾取裝置4。其中機器手臂1的固定端為底座2，底座2利用動力肘節5連結軸臂3，複數軸臂3間同樣利用動力肘節5連結，夾取裝置4連結在最後的軸臂3，形成機器手臂1的活動端。每一動力肘節5中設有力矩感測器6，用以偵測動力肘節5輸出的力矩。機器手臂1利用控制動力肘節5，驅動軸臂3轉動，以移動夾取裝置4至工作台7進行作業。

當機器手臂1在設定的運作模式進行作業時，機器手臂1控制動力肘節5輸出預設的力矩，驅動軸臂3轉動，使夾取裝置4沿著教導的作業路徑移動。如果在作業路徑中，機器手臂1碰觸到額外的物體，例如協作人員8，碰觸到的軸臂3將使驅動該軸臂3的動力肘節5產生阻抗，而阻抗的變化可由該動力肘節5中力矩感測器6偵測的力矩，與預設輸出的力矩產生的差異獲得阻抗。

如圖2所示，為本發明機器手臂退至回復點的示意圖。在運作模式的作業過程中，一旦機器手臂1的力矩感測器6偵測到阻抗，機器手臂1判斷遭遇到碰觸，將緊急停止，並由運作模式切換至力矩模式，立即計算阻抗的大小，如果阻抗不大於預設閥值，判斷未造成協作人員8受夾，可能僅是協作人員8作業過程中不慎碰觸機器手臂1，機器手臂1將切回運作模式，繼續未完的作業。

如果阻抗大於預設閥值，判斷造成協作人員8受夾，為了讓 協作人員8從受夾中脫困，機器手臂1將自動退至回復點位9，使機器手臂1遠離夾住的位置，使協作人員8有脫困的空間。回復點位9可預先設定特定座標的位置，或依反阻抗的方向，驅動機器手臂1遠離夾住的位置。本發明將回復點位9設在作業路徑中受夾位置的前一作業點位，因機器手臂1在前作業點位並未產生碰觸，應為對協作人員8安全的作業點位。況且退回至前作業點位，在排除協作人員8受夾狀態後，機器手臂1可由前作業點位切回運作模式，立即沿作業路徑繼續未完的作業。

如圖3所示，為本發明機器手臂切換至重力模式的示意圖。本發明機器手臂1在退至回復點位9後，雖然已離開協作人員8受夾的位置一段距離，協作人員8應可自行脫困。但因離開的距離設定不足，或因協作人員8受夾時，驚慌失措隨意行動，而造成另一次受夾狀態，因此退至回復點位9並無法確保協作人員8的安全。本發明機器手臂1為了確保協作人員8的安全，在退至回復點位9後，將機器手臂1由力矩模式切換至重力模式。在重力模式時，機器手臂1控制動力肘節5輸出力矩，使機器手臂1與受到例如重力等負載維持平衡的狀態，並讓機器手臂1控制動力肘節5隨外在推力的方向移動。因此本發明機器手臂1一旦切換至重力模式，就可隨受夾的協作人員8脫困的潛意識，任意推開機器手臂1，重力模式的機器手臂1就會隨推開的力量移動，進而確保受夾的協作人員8脫困。

如圖4所示，為本發明協作型機器手臂的防夾方法的流程。本發明協作型機器手臂的防夾方法的詳細步驟說明如下：在步驟S1，本發明機器手臂當在運作模式時，利用阻抗偵測到碰觸協作人員；步驟S2，機器手臂將緊急停止，並由運作模式切換至力矩模式；接著至步驟S3，計算阻 抗的大小；步驟S4，檢查阻抗是否大於預設閥值？如果檢查阻抗不大於預設閥值，判斷未造成協作人員受夾，則至步驟S5，將機器手臂切回運作模式，繼續未完的作業。如果檢查阻抗大於預設閥值，判斷造成協作人員受夾，則至步驟S6，機器手臂自動退至回復點位；接著至步驟S7，本發明機器手臂由力矩模式切換至重力模式，隨協作人員推開機器手臂。

因此，本發明的協作型機器手臂的防夾方法，就可在停止機器手臂且退至回復點位後，藉由將機器手臂由力矩模式切換為重力模式，讓協作人員隨意推離機器手臂進行脫困，達到本發明確保協作人員安全的目的。

如圖5所示，為本發明另一實施例協作型機器手臂的防夾方法的流程。本實施例基本架構與前實施例相同，但基於前實施例，因將機器手臂切換至重力模式後，雖可隨受夾的協作人員任意推開，然而推開後機器手臂就不會維持在作業路徑上，因而推開後的位置及狀態尚須再行確認，因此無法由重力模式立即切回運作模式，繼續未完的作業。機器手臂必須經校正調整才能切回運作模式，甚至需要重新開機啟動機器手臂，才能繼續未完的作業，因而延緩機器手臂的作業效率。為了避免降低作業效率，本發明在切換至重力模式前，先行檢查阻抗的狀態，在確認阻抗不為零時，才切換至重力模式，否則不切換至重力模式，以避免不必要切入重力模式，防止延緩機器手臂的作業。

本發明另一實施例協作型機器手臂的防夾方法的詳細步驟說明如下：在步驟T1，本發明機器手臂當在運作模式時，利用阻抗偵測到碰觸協作人員；步驟T2，機器手臂將緊急停止，並由運作模式切換至力矩模 式；接著至步驟T3，計算阻抗的大小；步驟T4，檢查阻抗是否大於預設閥值？如果檢查阻抗不大於預設閥值，判斷未造成協作人員受夾，則至步驟T8，將機器手臂切回運作模式，繼續未完的作業。

如果檢查阻抗大於預設閥值，判斷造成協作人員受夾，則至步驟T5，機器手臂自動退至回復點位；接著至步驟T6，再次檢查阻抗是否等於零？假如阻抗不等於零時，協作人員仍與機器手臂維持在碰觸狀態中，則至步驟T7，本發明機器手臂由力矩模式切換至重力模式，隨協作人員推開機器手臂，假如檢查阻抗等於零時，則至步驟T8，機器手臂切回運作模式，沿作業路徑繼續未完的作業。

因此，本發明協作型機器手臂的防夾方法，在停止機器手臂且退至回復點位後，就可藉由再次偵測機器手臂的阻抗，檢查阻抗不為零，機器手臂仍碰觸協作人員時，才將機器手臂由力矩模式切換為重力模式，讓協作人員能隨意推離機器手臂進行脫困，而在檢查阻抗為零，機器手臂未碰觸協作人員時，避免不必要切換至重力模式，則將機器手臂由力矩模式切回運作模式，並可由回復點位立即繼續未完行程，達到快速回復機器手臂的運作狀態的目的。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

1‧‧‧機器手臂

8‧‧‧協作人員

9‧‧‧回復點位

Claims (10)

1. 一種協作型機器手臂的防夾方法，其步驟包含：在運作模式時，利用阻抗偵測到碰觸協作人員；緊急停止機器手臂，並由運作模式切換至力矩模式；計算阻抗的大小；檢查阻抗大於預設閥值時，機器手臂自動退至一回復點位；機器手臂由力矩模式切換至重力模式，協作人員推開機器手臂；檢查阻抗不大於預設閥值時，判斷未造成協作人員受夾，將機器手臂切回運作模式，繼續未完的作業。
2. 如申請專利範圍第1項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中檢查阻抗大於預設閥值時，判斷造成協作人員受夾。
3. 如申請專利範圍第1項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中該回復點位預設在機器手臂遠離受夾的位置。
4. 如申請專利範圍第3項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中該回復點位預設在特定座標的位置。
5. 如申請專利範圍第4項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中該回復點預設在運作模式的作業路徑中受夾位置的前一作業點位。
6. 如申請專利範圍第4項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中該回復點預設在反阻抗的方向遠離受夾的位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中在機器手臂由力矩模式切換至重力模式前，檢查阻抗等於零時，機器手臂切回運作模式，沿作業路徑繼續未完的作業。
8. 如申請專利範圍第7項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中檢查阻抗不等於零時，將機器手臂由力矩模式切換至重力模式。
9. 如申請專利範圍第8項所述之協作型機器手臂的防夾方法，其中檢查阻抗不等於零時，判斷協作人員仍與機器手臂維持在碰觸狀態中。
10. 一種協作型機器手臂的防夾方法，其步驟包含：機器手臂在運作模式時，利用阻抗偵測；由運作模式切換至力矩模式，計算阻抗；檢查阻抗大於預設閥值，機器手臂自動退至回復點位；由力矩模式切換至重力模式，協作人員推開機器手臂。

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