TWI811867B - 基於超音波識別的物體拾取系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種基於超音波識別的物體拾取系統及其方法。物體拾取系統透過壓力感測模組取得對物體的壓力。拾取裝置的物體接觸側緊貼物體。超音波感測模組感測物體的超音波資料。超音波資料用來決定識別結果，並用來調整拾取物體的拾取力道。

Description

基於超音波識別的物體拾取系統及其方法

本發明係與物體拾取有關，特別有關於基於超音波識別的物體拾取系統及其方法。

自動化產線中常見以機器手臂等物體拾取系統來進行物體拾取並將物體搬移至指定的位置。然於物體拾取過程中，當拾取物體的力道過小時，物體可能會於搬移過程中掉落；當拾取物體的力道過大時，可能造成物體外觀變形或損壞。因此，物體拾取系統必須以最適合當前物體的拾取力道來執行拾取動作。

然而，不同的物體的材料通常是配合不同等級的拾取力道，這使得沒有一種拾取力道可以適用所有物體。前述材料即為物體的材料或結構抵抗變形的能力。現有的物體拾取系統中，操作者必須人工判讀物體的材料，並依經驗手動設定合適的拾取力道。

然而，上述方法不僅無法實現無人化拾取，且僅能拾取相同材料的物體，無法實現混雜物體的自動拾取。此外，超音波裝置可透過物體的反射波來檢測物體特性。然而，當超音波裝置與物體之間存在間隙時，穿過不同 介質(空氣與物體)的上述反射波，會存在大量誤差，而造成檢測失敗或檢測結果錯誤。

本發明之主要目的，係在於提供一種物體拾取系統及其方法，可緊貼物體並動態調整拾取力道。

於一實施例中，一種基於超音波識別的物體拾取系統，包含一拾取裝置、一壓力感測模組、一超音波感測模組及電性連接拾取裝置、壓力感測模組及超音波感測模組的一控制裝置。拾取裝置被控制來以一接觸力道接觸一物體，並以一拾取力道拾取物體。壓力感測模組設置於拾取裝置的一物體接觸側，並用以感測一壓力感測值。超音波感測模組設置於物體接觸側，並用以感測物體的一超音波資料。控制裝置被設定來調整接觸力道，來使壓力感測值高於一接觸壓力下限或低於一接觸壓力上限，而使物體接觸側緊貼物體，基於超音波資料決定物體的一識別結果，並基於識別結果調整拾取力道。

於一實施例中，一種基於超音波識別的物體拾取方法，應用於一拾取裝置，拾取裝置的一物體接觸側設置有一壓力感測模組及一超音波感測模組，包含：a)調整拾取裝置對一物體的一接觸力道，來使壓力感測模組的一壓力感測值高於一接觸壓力下限或低於一接觸壓力上限，而使物體接觸側緊貼物體；b)透過超音波感測模組取得物體的一超音波資料；c)基於超音波資料決定物體的一識別結果；及d)基於識別結果調整拾取裝置的一拾取力道來拾取物體。

本發明可緊貼物體來進行超音波感測，進而提升超音波資料的可靠性。本發明還可基於識別結果動態調整拾取力道，進而避免力道過小造成物 體掉落或力道過大造成物體損壞。

10:控制裝置

100:物體識別模組

101:力道計算模組

11:拾取裝置

12:壓力感測模組

13:超音波感測模組

130:超音波發射器

131:超音波接收器

14:儲存裝置

140:查找表

141:機器學習模型

142:電腦程式

15:工具裝置

20:網路

21:遠端主機

300、400:物體

310、320、330、340:超音波發射器

311、321、331、341:超音波接收器

312、322、332、342:壓力感測模組

313、323、333:殼體

401:第一不導電層

402:超音波發射器

403:第一壓力感測層

404:第一吸音層

405:第二不導電層

406:超音波接收器

407:第二壓力感測層

408:第二吸音層

409、410、411:殼體

4090、4100、4110、412:衰減結構

500、504、508:拾取裝置

501:夾爪

509、510:指部

502、506、511、512:整合感測器

503、507、513:物體

505:吸嘴

600:拾取裝置

601、602:指部

603:整合感測器

604:物體

70、72:下限

71、73:上限

TX signal:發射波

RX signal:接收波

t1:波傳播時間

R1、R2:壓力範圍

W1-W12:超音波

d1-d2:距離

d3-d4:行程

S10-S14:第一拾取步驟

S20-S26:第二拾取步驟

S30-S38:超音波識別步驟

S40-S43:剛性檢測步驟

圖1為本發明一實施例的物體拾取系統的架構圖。

圖2為本發明一實施例的物體拾取系統的架構圖。

圖3為本發明一實施例的控制裝置的架構圖。

圖4為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖5為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖6為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖7為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖8為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖9為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖10為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖11為本發明一實施例的衰減結構的示意圖。

圖12為本發明一實施例的拾取物體的示意圖。

圖13為本發明一實施例的拾取物體的示意圖。

圖14為本發明一實施例的拾取物體的示意圖。

圖15為本發明一實施例的超音波資料的示意圖。

圖16為本發明一實施例的超音波資料的波形示意圖。

圖17為本發明一實施例的超音波資料的波形示意圖。

圖18為本發明一實施例的超音波資料的波形示意圖。

圖19為本發明一實施例的剛性檢測的示意圖。

圖20為本發明一實施例的拾取壓力範圍的示意圖。

圖21為本發明一實施例的物體拾取方法的流程圖。

圖22為本發明一實施例的物體拾取方法的流程圖。

圖23為本發明一實施例的超音波識別的流程圖。

圖24為本發明一實施例的剛性檢測的流程圖。

茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。

本發明提出一種基於超音波識別的物體拾取系統及基於超音波識別的物體拾取方法。本發明是於拾取裝置的物體接觸側設置壓力感測模組與超音波感測模組。

壓力感測模組的感測結果(壓力感測值)，是對應拾取裝置施加於物體的壓力值，而可作為接觸力道或拾取力道。

超音波感測模組的感測結果(超音波資料)，是對應物體的物理特徵(例如是材料、厚度、密度、結構等)。

本發明可透過壓力感測值來判斷物體接觸側是否緊貼物體(即判斷拾取裝置與物體之間是否有空隙)，進而取得精準的超音波資料。

本發明還可基於超音波資料的超音波識別結果決定適合此物體的拾取力道，並透過壓力感測值的回授來輸出適合此物體的拾取力道。

請參閱圖1，為本發明一實施例的物體拾取系統的架構圖。

本實施例的物體拾取系統主要包含拾取裝置11、壓力感測模組12、超音波感測模組13及電性連接上述裝置的控制裝置10。

拾取裝置11用來拾取目標物體。於一實施例中，拾取裝置11可包含移動機械與設置於移動機械末端的端效器(end effector)。

前述移動機械用來於空間中移動端效器至指定位置(例如是目標物體所在位置)。前述端效器用來從指定位置拾取物體。

於一實施例中，前述移動機械可為具有一或多個自由度的機械手臂，或可於一或多個維度中移動端效器的移動台。

於一實施例中，前述端效器可為具有多指的夾爪、吸嘴或吸盤等。

壓力感測模組12用來感測壓力並取得壓力感測值。壓力感測模組12可設置在拾取裝置11的物體接觸側。藉此，當拾取裝置11接觸或拾取物體時，物體的反作用力會對壓力感測模組12觸發對應的壓力感測值。

於一實施例中，壓力感測模組12可為壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器或薄膜壓力感測器，但不加以限定。

超音波感測模組13用以感測物體的超音波資料。超音波感測模組13可設置在拾取裝置11的物體接觸側。藉此，當拾取裝置11接觸或拾取物體時，超音波感測模組13可朝向物體發射超音波，並可接收穿過物體的超音波(反射波)來產生超音波資料。

值得一提的是，當超音波在具有不同物理特徵的物體中傳播時，會產生不同的聲速與衰減幅度。本發明可透過分析上述變化來識別物體的材料。

控制裝置10用來控制物體拾取系統。

具體而言，於超音波識別階段，控制裝置10可被設定來控制拾取裝置11以較小力道接觸物體來使超音波感測模組13所在的物體接觸側緊貼物體(例如是物體接觸側與物體沒有間隙)，透過超音波感測模組13取得物體的超音波資料，基於超音波資料獲得物體的識別結果，並基於識別結果設定拾取力道。

於拾取階段，控制裝置10可被設定來控制拾取裝置11持續調整拾取物體的壓力，來使壓力感測值符合拾取力道，並控制拾取裝置以拾取力道來拾取物體。

於一實施例中，控制裝置10可為工業電腦、個人電腦、筆記型電腦、平板電腦等電腦系統，或者為CPU、FPGA、微控制器、SoC、DSP、TPU、NPU等處理器。

本發明的物體拾取系統可依物體材料動態調整拾取力道，而不會因拾取力道過大或或小造成物體脫落或損壞(例如是造成凹痕)。

請參閱圖2，為本發明一實施例的物體拾取系統的架構圖。於一實施例中，超音波感測模組13可包含用來發射超音波的超音波發射器130及用來接收超音波的超音波接收器131。超音波發射器130與超音波接收器131電性連接控制裝置10。

於一實施例中，物體拾取系統可包含電性連接控制裝置10的儲存裝置14。儲存裝置14用來儲存資料，前述資料可包含後述之多個預設速度、多個預設波形、多個預測頻譜、查找表140、機器模型141與電腦程式142等。

於一實施例中，物體拾取系統可包含電性連接控制裝置10的工具裝置15。工具裝置15用來協同拾取裝置11進行工作。

舉例來說，工具裝置15可包含用來運輸物體的運輸裝置，例如是運輸台、運輸車或輸送帶等。拾取裝置11可拾取運輸裝置所載送的物體，或者將所拾取的物體放上運輸裝置。

於另一例子中，工具裝置15可包含加工裝置，例如是點膠機、雷射焊接機、烤漆機等。拾取裝置11可將物體拾取至指定的加工位置，再由加工裝置對物體進行加工，例如是黏膠、焊接或烤漆等。

於一實施例中，控制裝置10可包含網路介面(圖未標示，例如是網路介面卡、無線網路卡、乙太網路卡等)。控制裝置10可透過網路介面連接網路20(例如是區域網路或網際網路)，並透過網路20與遠端的遠端主機21進行通訊。

舉例來說，遠端主機21可包含網路資料庫。控制裝置10可從網路資料庫下載最新版本的查找表140。

於另一例子中，遠端主機21可包含雲端AI平台，控制裝置10可從雲端AI平台下載最新版本的機器學習模型141。

於另一例子中，遠端主機21可包含更新伺服器，控制裝置10可從更新伺服器下載最新版本的電腦程式142。

於另一例子中，遠端主機21可包含自動化產線的管理主機，控制裝置10可從管理主機接收針對物體拾取系統的控制命令並執行，還可回傳物體拾取系統的狀態至管理主機。

請參閱圖3，為本發明一實施例的控制裝置的架構圖。控制裝置10可包含物體識別模組100與力道計算模組101。

物體識別模組100用來基於物體的超音波資料識別物體來獲得識別結果。前述識別結果是包含物體的物理特徵，例如是材料、厚度、密度、結構等。

力道計算模組101用來基於識別結果，調整拾取力道。

於一實施例中，力道計算模組101還可對物體執行剛性檢測來獲得物體的剛性，並基於剛性調整拾取力道。

值得一提的是，物體識別模組100與力道計算模組101可相互連接(可為電性連接或資訊連接)，且可為硬體模組(例如是電子電路模組、積體電路模組、SoC等等)、軟體模組或軟硬體模組混搭，不加以限定。

當前述物體識別模組100或力道計算模組101為軟體模組(例如是韌體、作業系統或應用程式)時，儲存裝置14可包含非暫態電腦可讀取記錄媒體，前述非暫態電腦可讀取記錄媒體儲存有電腦程式142，電腦程式142記錄有電腦可執行之程式碼，當控制裝置10執行前述程式碼後，可實現前述物體識別模組100與力道計算模組101之功能。

請參閱圖4至圖10，圖4為本發明一實施例的整合感測器的示意圖，圖5為本發明一實施例的整合感測器的示意圖，圖6為本發明一實施例的整合感測器的示意圖，圖7為本發明一實施例的整合感測器的示意圖，圖8為本發明一實施例的整合感測器的示意圖，圖9為本發明一實施例的整合感測器的示意圖，圖10為本發明一實施例的整合感測器的示意圖。

圖4至圖10的實施例中，壓力感測模組與超音波感測模組被整合至單一的整合感測器，即設置於同一殼體中。並且，於整合感測器中，超音波發射器與超音波接收器之間的距離是保持固定的，而可以使用相同的超音波參數。

換句話說，當前述整合感測器設置於拾取裝置11的物體接觸側後，無論拾取裝置11如何改變姿態，整合感測器內的超音波發射器與超音波接收器都能維持固定距離。

此外，使用者僅需將整合感測器設置於拾取裝置，即可一次動作完成所有感測器的安裝。

於圖4至圖10的實施例中，整合感測器包含壓力感測模組、超音波發射器、超音波接收器及包覆上述元件的殼體。

於圖4的實施例中，超音波發射器310、壓力感測模組312、超音波接收器311是水平地依序設置在物體接觸側。

當整合感測器接觸物體300時，壓力感測模組312感測物體300擠壓造成的壓力感測值。

並且，超音波發射器310朝物體發射超音波W1，並由超音波接收器311接收穿過物體300的超音波W1。

於圖5的實施例中，超音波發射器320與超音波接收器321是設置在物體接觸側。

壓力感測模組322堆疊在超音波發射器320與超音波接收器321上。物體300擠壓造成的壓力是透過超音波發射器320與超音波接收器321傳遞至壓力感測模組322。上述排列方式可縮小整合感測器的體積。

然而，於圖4與圖5的殼體設計中，超音波發射器310、320的溢波(超音波W2、W4)可能透過殼體313、323傳播至超音波接收器311、321。

這些溢波由於沒有穿過物體300，無法反應物體300的物理特徵，會成為超音波資料的雜訊，而造成識別結果的誤差。

為解決上述問題，圖6至圖10的殼體上是形成衰減結構。衰減結構是用來衰減從超音波發射器沿殼體內部朝超音波接收器傳播的超音波，以減少或消除上述雜訊。

請參閱圖6，整合感測器的殼體333為M型(衰減結構)，殼體333的三個端點(物體接觸側)依序設置超音波發射器330、壓力感測模組332與超音波接收器331。

超音波發射器330所發射的超音波W5可穿過物體到達超音波接收器331。

並且，由於衰減結構大幅縮減了通道的體積，超音波發射器330所發射的超音波W6(溢波)大部分會被遮擋或衰減，僅有極少超音波W6會傳播至超音波接收器331，而使得溢波造成的雜訊大幅減少。

請參閱圖7，整合感測器的殼體343為倒U型(衰減結構)，殼體343的兩個端點(物體接觸側)依序設置超音波發射器340與超音波接收器341。壓力感測模組342堆疊於超音波發射器340與超音波接收器341上。

超音波發射器340所發射的超音波W7可穿過物體到達超音波接收器341。

並且，由於衰減結構大幅縮減了通道的體積，超音波發射器340所發射的超音波W8(溢波)大部分會被遮擋或衰減，僅有極少超音波W8會傳播至超音波接收器341，而使得溢波造成的雜訊大幅減少。

於一實施例中，前述整合感測器的殼體或衰減結構可包含吸音材料，例如是吸音棉或吸音板等。前述吸音材料可吸收於殼體內部傳播的超音波。

於圖8至圖10的實施例中，壓力感測模組、超音波發射器及超音波接收器是多層的薄膜感測器，並相互堆疊。壓力感測模組包含兩組壓力感測層。

並且，整合感測器更包含兩組不導電層與兩組吸音層。不導電層用來隔離整合感測器與物體，避免物體表面的電子干擾壓力感測或超音波感測。吸音層用來吸收超音波發射器的溢波，以減少超音波接收器所接收的溢波能量。

於圖8至圖10的實施例中，整合感測器的左端從接觸物體400的物體接觸側朝內部的方向(由外而內)依序設置第一不導電層401、超音波發射器402、第一壓力感測層403及第一吸音層404。

並且，整合感測器的右端從接觸物體400的物體接觸側朝內部的方向(由外而內)依序設置第二不導電層405、超音波接收器406、第二壓力感測層407及第二吸音層408。

於一實施例中，前述整合感測器的殼體或衰減結構可包含路程長度大於超音波發射器及超音波接收器之間的直線距離的增程結構。前述增程結構可增加溢波的傳播路程長度，而有效衰減溢波。

請參閱圖8，整合感測器的殼體409的衰減結構4090為方波形狀的增程結構，可以大幅增加溢波的傳播路程長度，進而大幅降低超音波接收器所接收的溢波能量。

請參閱圖9，整合感測器的殼體410的衰減結構4100為連續三角波形狀的增程結構，可以大幅增加溢波的傳播路程長度，進而大幅降低超音波接收器所接收的溢波能量。

於一實施例中，前述整合感測器的殼體或衰減結構可包含部分挖除的削減結構。前述削減結構是透過減少可傳播溢波的殼體體積，進而大幅降低到達超音波接收器的溢波能量。

請參閱圖10，整合感測器的殼體411的衰減結構4110包含削減結構。前述削減結構是透過挖除殼體中間的大部分區域，僅留下連接殼體411左右端的窄橋。藉此，削減結構可大幅降低到達超音波接收器的溢波能量。

請參閱圖11，為本發明一實施例的衰減結構的示意圖。圖11示出一種削減結構，前述削減結構是於殼體上形成多個洞，來進一步減少可傳播溢波的殼體體積。圖11所示的削減結構可用於圖8至圖10所示的任一整合感測器。

請參閱圖12至圖14，圖12為本發明一實施例的拾取物體的示意圖，圖13為本發明一實施例的拾取物體的示意圖，圖14為本發明一實施例的拾取物體的示意圖。

圖12的實施例中，拾取裝置500包含兩指的夾爪501。

整合感測器502是設置於夾爪501的其中一指的物體接觸側。藉此，當夾爪501夾取物體503時，整合感測器502可感測夾取力道(壓力感測值)，並於緊貼後透過發射與接收超音波W9來獲得物體503的超音波資料。

圖13的實施例中，拾取裝置504包含吸嘴505，吸嘴505可透過於吸嘴505與物體507之間製造真空來吸取物體507。

整合感測器506是設置於吸嘴505內的物體接觸側。藉此，當吸嘴505緊貼吸取物體507時，整合感測器506可感測吸取力道(壓力感測值)，並於接觸後透過發射與接收超音波W10來獲得物體507的超音波資料。

圖14的實施例中，拾取裝置508包含多指夾爪，多指夾爪至少具有第一指部509與第二指部510。

整合感測器511是設置於第一指部509的物體接觸側，整合感測器512是設置於第二指部510的物體接觸側。

藉此，當多指夾爪夾取物體513時，整合感測器511、512都可感測夾取力道(壓力感測值)。

並且，於第一指部509與第二指部510都緊貼物體513後，整合感測器511可發射超音波W12，而使得整合感測器512接收穿過物體513的超音波W12來獲得物體503的超音波資料。

此外，整合感測器512可發射另一超音波W11，而使得整合感測器511接收穿過物體513的超音波W11來獲得物體503的另一超音波資料。

本實施例透過分析多筆穿過物體513的超音波資料，可以進行更準確的超音波識別。

接著說明本發明的物體拾取方法。本發明各實施例的物體拾取方法可應用於前述任一實施例的物體拾取系統。後續將以圖2的物體拾取系統來示例性說明各實施例的物體拾取方法。

並且，本發明各實施例的物體拾取方法所採用的壓力感應模組與超音波感應模組可分離設置，亦可合併為前述整合感測器，不加以限定。

請參閱圖21，為本發明一實施例的物體拾取方法的流程圖。本實施例的物體拾取方法包含以下步驟。

步驟S10：控制裝置10控制拾取裝置11緊貼物體。

於一實施例中，控制裝置10可先從儲存裝置14讀取一組預設接觸壓力，並調整拾取裝置11接觸物體的接觸力道，使得所量得的壓力感測值符合預設接觸壓力。

於一實施例中，前述預設接觸壓力可為實驗獲得的數值。當拾取裝置11以符合此預設接觸壓力的接觸力道接觸物體時，可使拾取裝置11的物體接觸側緊貼物體表面，且不會因壓力過大而造成物體損壞。

於一實施例中，前述預設接觸壓力是小於能夠拾取物體的最小拾取力道，即以前述預設接觸壓力拾取物體可能會造成物體掉落。

於一實施例中，控制裝置10可透過調整拾取裝置11的夾爪的行程或吸嘴的吸力來調整接觸力道，來使壓力感測值維持在預設的接觸壓力範圍中。

前述接觸壓力範圍可包含接觸壓力下限與接觸壓力上限。控制裝置10是調整接觸力道來使壓力感測值高於接觸壓力下限及/或低於接觸壓力上限。

步驟S11：於物體接觸側緊貼物體後，控制裝置10透過超音波感測模組11對物體執行超音波感測，來取得所接觸物體的超音波資料。

於一實施例中，前述超音波資料可為所接收的超音波的電壓-時間關係圖。

步驟S12：控制裝置10透過物體識別模組100基於超音波資料決定物體的識別結果。

於一實施例中，識別結果可包含物體的材料、厚度、密度、結構及/或其他物理特徵。控制裝置10可分析超音波資料的特徵(例如是速度、波形、頻譜等)來決定各物理特徵。

步驟S13：控制裝置10透過力道計算模組101基於識別結果調整拾取裝置11的拾取力道來拾取物體。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存分別對應不同的預設識別結果的不同的預設拾取壓力。

控制裝置10可讀取對應目前的識別結果的預設拾取壓力，並調整拾取裝置11的拾取力道(例如是夾爪的行程距離或吸嘴的吸力強度)，來使壓力感測模組12的壓力感測值符合預設拾取壓力。

於一實施例中，前述預設拾取壓力為由拾取壓力下限及拾取壓力上限所構成的拾取壓力範圍。

控制裝置10可調整拾取裝置11的拾取力道，來使壓力感測模組12的壓力感測值維持於前述拾取壓力下限及前述拾取壓力上限之間。

於一實施例中，前述接觸壓力下限是小於前述拾取壓力下限。前述接觸壓力上限是小於前述拾取壓力上限。

本發明可緊貼物體來進行超音波感測，進而提升超音波資料的可靠性。本發明還可基於識別結果動態調整拾取力道，進而避免力道過小造成物體掉落或力道過大造成物體損壞。

請參閱圖22，為本發明一實施例的物體拾取方法的流程圖。

步驟S20：控制裝置10控制拾取裝置11緊貼物體。

步驟S21：控制裝置10控制超音波發射器130發出超音波。

步驟S22：控制裝置10控制超音波接收器131感測反射的超音波(例如是穿過物體傳播的超音波)來產生超音波資料。

步驟S23：控制裝置10透過物體識別模組100基於超音波資料決定物體的識別結果。

於一實施例中，識別結果包括物體的材料。控制裝置10可分析超音波資料的超音波特徵(例如是感測速度、感測波形、超音波頻譜等)，並基於超音波特徵決定物體的材料。

步驟S24：控制裝置10基於識別結果設定物體的材料。

舉例來說，於識別物體的材料為金屬時，可於物體所對應的數位資料中記錄其材料為金屬，藉以使此物體於後續處理中，可接受與金屬有關的處理，例如是搬移此物體至金屬用分類車、以較高的金屬熔點進行加熱等。

於另一例子中，於識別物體的材料為玻璃時，可於物體所對應的數位資料中記錄其材料為玻璃，藉以使此物體於後續處理中，可接受與玻璃有關的處理，例如是搬移此物體至玻璃用分類車、於輸送過程中增加保護。

步驟S25：控制裝置10透過力道計算模組101基於識別結果調整拾取裝置11的拾取力道來拾取物體。

步驟S26：控制裝置10控制拾取裝置11以調整後的拾取力道將物體搬移至指定位置。

於一實施例中，不同材料是對應至不同的指定位置(例如是不同材料的不同分類車的位置)。控制裝置10可基於物體的識別結果取得對應分類車的指定位置，並將物體搬移至此指定位置。

本發明可有效識別物體材料，並以最適合力道拾取物體。

續請參閱圖23，為本發明一實施例的超音波識別的流程圖。本實施中提供四種超音波識別方法，分別為基於聲速的超音波識別(步驟S30- S31)、基於波形的超音波識別(步驟S33-S34)、基於頻譜的超音波識別(步驟S35-S37)與基於機器學習的超音波識別(步驟S38)。

基於聲速的超音波識別包含以下步驟：

步驟S30：控制裝置10取得多個預設材料的多種預設速度。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存前述多種預設速度。前述多種預設速度可為事先透過實驗獲得，並分別對應至不同材料。

步驟S31：控制裝置10比對感測速度與多個預設速度來決定材料。

具體而言，控制裝置10可分析超音波資料來決定對應的感測速度，以感測速度比對前述多個預設速度，並選擇符合感測速度的預設速度所對應的預設材料，作為識別結果的材料。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存查找表140。查找表140記錄有多種預設速度與多個預設材料之間的速度-材料對應關係。控制裝置10可自儲存裝置14讀取查找表140來獲得多種預設速度，並取得速度符合的預設材料來做為物體的材料。

請參閱圖15，為本發明一實施例的超音波資料的示意圖。圖15所示的電壓-時間圖示出超音波發射器130發射的發射波TX signal與超音波接收器131收到的接收波RX signal兩種訊號。

圖15中，超音波發射器130與超音波接收器131之間的設置距離為固定。超音波於物體中的波傳播時間t1是可量測獲得的，例如是發射波TX signal的發射時間與接收波RX signal的接收時間的時間差。

因此，透過上述的設置距離與波傳播時間t1，可以算出超音波於物體中的速度(即前述感測速度)。

由於超音波於不同材料具有不同的傳播速度，透過將感測速度與不同材料的傳播速度進行比較，可以決定物體的材料。

舉例來說，金屬的傳播速度為3500-7000m/s，玻璃的傳播速度為1050-1300m/s，塑膠的傳播速度為600-950m/s，橡膠的傳播速度為0-100m/s。

當感測速度為4000m/s，可判斷物體為材料較強的金屬。當感測速度為650m/s，可判斷物體為材料較差的塑膠，以此類推。

本發明透過分析接收的超音波速度(感測速度)，可有效識別物體材料。

請再參閱圖23，基於波形的超音波識別包含以下步驟。

步驟S33：控制裝置10取得多個預設材料的多種預設波形。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存前述多種預設波形。前述多種預設波形可為事先透過實驗獲得，並分別對應至不同材料。

步驟S34：控制裝置10比對感測波形與多個預設波形來決定材料。

具體而言，控制裝置10可分析超音波資料來決定對應的感測波形，以感測波形比對前述多個預設波形，並選擇符合感測波形的預設波形所對應的預設材料，作為識別結果的材料。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存查找表140。查找表140記錄有多種預設波形與多個預設材料之間的波形-材料對應關係。控制裝置10可自儲存裝置14讀取查找表140來獲得多種預設波形，並取得波形符合的預設材料來做為物體的材料。

請參閱圖16至圖18，圖16為本發明一實施例的超音波資料的波形示意圖，圖17為本發明一實施例的超音波資料的波形示意圖，圖18為本發明一實施例的超音波資料的波形示意圖。

圖16為穿過塑膠的超音波的波形圖，圖17為穿過金屬的超音波的波形圖，圖18為穿過玻璃的超音波的波形圖。

由圖16至圖18可知，穿過不同預設材料的超音波，其波形會有不同的變化(例如是週期變化、頻率變化與振幅變化)，透過將感測波形與對應不同預設材料的預設波形進行比對，可以決定目前物體的材料最接近哪一種預設材料。

於一實施例中，本發明可事先對各預設波形執行特徵擷取來獲得預設波形的波形特徵資料，並以波形特徵資料來比對感測波形。藉此，可以減少比對時的運算量，並提升比對速度。

本發明透過分析接收的超音波波形，可有效識別物體材料。

請參閱圖23，基於頻譜的超音波識別包含以下步驟。

步驟S35：控制裝置10取得多個預設材料的多種預設頻譜。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存前述多種預設頻譜。前述多種預設頻譜可為事先透過實驗獲得，並分別對應至不同材料。

步驟S36：控制裝置10對物體的超音波資料執行頻域轉換，來將物體的超音波資料從空間域/時間域轉換至頻率域來獲得物體的超音波頻譜。

於一實施例中，前述頻域轉換可包含快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)、拉普拉斯轉換(Laplace transform)、小波轉換(wavelet transform)、Z轉換(Z-transform)等頻域轉換方法，不加以限定。

步驟S37：控制裝置10比對超音波頻譜與多個預設頻譜來決定材料。

具體而言，控制裝置10可分析超音波資料來決定對應的超音波頻譜，以超音波頻譜比對前述多個預設頻譜，並選擇符合超音波頻譜的預設頻譜所對應的預設材料，作為識別結果的材料。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存查找表140。查找表140記錄有多種預設頻譜與多個預設材料之間的頻譜-材料對應關係。控制裝置10可自儲存裝置14讀取查找表140來獲得多種預設頻譜波形，並取得頻譜符合的預設材料來做為物體的材料。

於一實施例中，控制裝置10可比對超音波頻譜與各預設頻譜於各頻率的能量值，來判斷超音波頻譜與各預設頻譜是否接近或相符。

於一實施例中，本發明可事先對各預設頻譜執行特徵擷取來獲得預設頻譜的頻譜特徵資料，並以頻譜特徵資料來比對物體的超音波頻譜。藉此，可以減少比對時的運算量，並提升比對速度。

本發明透過分析接收的超音波頻譜，可有效識別物體材料。

基於機器學習的超音波識別包含以下步驟。

步驟S38：控制裝置10從儲存裝置14讀取機器學習模型141，並將物體的超音波資料輸入至機器學習模型141來決定物體的材料，作為識別結果的材料。

於一實施例中，機器學習模型141是於事前透過分別對不同預設材料的訓練物的訓練超音波資料進行訓練所獲得。

於一實施例中，機器學習模型141包含用於超音波資料的多個分類規則。這些分類規則可依據超音波資料的特徵(例如是速度特徵、波形特徵、頻譜特徵等)對超音波資料進行分類，而可將超音波資料分類至多個預設材料的其中之一。

於一實施例中，本發明可加入壓力感測模組12的參數與超音波感測模組13的參數來對機器學習模型141進行訓練，例如是壓力感測靈敏度、壓力感測值、超音波發射頻率、超音波發射功率、超音波接收靈敏度等。

並且，控制裝置10是將超音波資料與目前參數輸入至機器學習模型141來識別此超音波資料所對應的材料。

本發明透過機器學習，可準確識別物體材料。

於一實施例中，本發明可透過任意混搭上述多種超音波識別方法中來綜合決定物體的材料。

具體而言，控制裝置10可執行步驟S32：基於多個超音波識別方法的識別結果來決定最終的材料。

舉例來說，若上述四種超音波識別方法的識別結果皆為金屬，或者半數以上的識別結果為金屬，可決定最終的材料為金屬材料。

本發明透過混搭不同的超音波識別方法，可以提升識別正確率。

請參閱圖24，為本發明一實施例的剛性檢測的流程圖。本發明進一步提出一種剛性檢測功能，可於拾取物體過程中檢測物體的剛性(例如是硬度)，並動態調整拾取力道來避免力道過小造成物體掉落或力道過大造成物體損壞。

相較於圖21或圖22的物體拾取方法，本實施例的物體拾取方法的拾取動作(例如是步驟S13或步驟S25)包括以下步驟S40-S43。

步驟S40：控制裝置10取得第一拾取力道。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存多個預設拾取力道，多個預設拾取力道分別對應不同的預設識別結果，例如是不同的預測材料、不同的預設厚度、不同的預設密度、不同的預設結構等。

控制裝置10可基於目前的識別結果選擇結果最為符合的預設拾取力道，來作為第一拾取力道。

於一實施例中，儲存裝置14可儲存一筆預設拾取力道，控制裝置10無論目前的識別結果為何，都選擇相同的預設拾取力道，來作為第一拾取力道。

步驟S41：控制裝置10基於第一拾取力道執行剛性檢測來獲得物體的剛性。

於一實施例中，拾取裝置11的端效器可包含夾爪。

前述剛性檢測可包含以下步驟：控制裝置10控制夾爪使用多個檢測力道夾取同一物體來獲得此物體的多個壓力感測值，前述多個檢測力道是對應夾爪的多個行程；控制裝置10基於多個行程的變化及多個壓力感測值的變化來決定物體的剛性。

步驟S42：控制裝置10基於剛性設定第二拾取力道。

於一實施例中，前述第二拾取力道可為包含拾取壓力上限及拾取壓力下限的拾取壓力範圍。

控制裝置10可針對較軟的剛性設定差距較小的拾取壓力下限及拾取壓力上限，針對較硬的剛性設定差距較大的拾取壓力下限及拾取壓力上限。

於一實施例中，接觸壓力下限可小於拾取壓力下限，接觸壓力上限可小於拾取壓力上限。

步驟S43：控制裝置10控制拾取裝置11以第二拾取力道拾取物體，來使壓力感測模組12的壓力感測值維持於前述拾取壓力範圍內。

本發明可識別物體的剛性，並基於剛性動態調整拾取力道，進而避免力道過小造成物體掉落或力道過大造成物體損壞。

請參閱圖19與圖20，圖19為本發明一實施例的剛性檢測的示意圖，圖20為本發明一實施例的拾取壓力範圍的示意圖。

於圖19(i)與圖19(ii)中，拾取裝置60具有指部601與指部602。指部602上設置有整合感測器603。

如圖19(i)所示，當拾取裝置60以較小的力道拾取物體604時(即擺出第一姿態)，指部601與指部602的距離為d1。並且，可透過整合感測器603取得第一壓力感測值。

如圖19(ii)所示，當拾取裝置60以較大的力道拾取物體604時(即擺出第二姿態)，由於物體604發生形變，指部601與指部602的距離縮短為d2。

並且，可透過整合感測器603取得第二壓力感測值。

換句話說，從第一姿態轉變為第二姿態，指部601的行程變化為d4，指部602的行程變化為d3，前述行程變化是對應物體604的形變量。壓力變化則為第一壓力感測值與第二壓力感測值的差。

更進一步地，剛性越弱(軟)的物體604越容易變形，剛性越強(硬)的物體604越不易變形。換句話說，於相同行程變化下，壓力變化越大的物體604是對應越強的剛性，壓力變化越小的物體604是對應越弱的剛性。

因此，本發明透過行程變化與壓力變化之間的連動關係，可以決定物體的剛性。

值得一提的是，雖於本實施例中僅以兩種姿態變化來檢測剛性，但不應以此限定。姿態變化的數量可依需求來任意變更。

請參閱圖20，於本實施例中，控制裝置10可基於剛性決定物體為軟物體(弱剛性)或硬物體(強剛性)。

當決定為硬物體(例如是金屬等較硬的材料)時，控制裝置10可設定較寬的拾取壓力範圍R1，即拾取壓力下限70與拾取壓力上限71之間的差距較大。

當決定為軟物體(例如是蘋果等較軟的材料)時，控制裝置10可設定較窄的拾取壓力範圍R2，即拾取壓力下限72與拾取壓力上限73之間的差距較小。

值得一提的是，相較於軟物體，硬物體能承受更高的外部壓力(拾取壓力上限)。對此，本實施例對於硬物體設定較高的拾取壓力上限，可讓拾取裝置10以更強的拾取力來拾取硬物體，而可以降低硬物體的脫落機率。

於一實施例中，硬物體的拾取壓力下限70與軟物體的拾取壓力下限72可相同或不同，但硬物體的拾取壓力上限71高於軟物體的拾取壓力下限73。

以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之申請專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。

10:控制裝置

11:拾取裝置

12:壓力感測模組

13:超音波感測模組

Claims (20)

1. 一種基於超音波識別的物體拾取系統，包括：一拾取裝置，被控制來以一接觸力道接觸一物體，並以一拾取力道拾取該物體；一壓力感測模組，設置於該拾取裝置的一物體接觸側，用以感測一壓力感測值；一超音波感測模組，設置於該物體接觸側，用以感測該物體的一超音波資料；及一控制裝置，電性連接該拾取裝置、該壓力感測模組及該超音波感測模組，該控制裝置被設定來調整該接觸力道，來使該壓力感測值高於一接觸壓力下限或低於一接觸壓力上限，而使該物體接觸側緊貼該物體，基於該超音波資料決定該物體的一識別結果，並基於該識別結果調整該拾取力道，其中該物體的該識別結果包括該物體的一物理特徵。
2. 如請求項1所述之基於超音波識別的物體拾取系統，該超音波感測模組包括一超音波發射器及一超音波接收器；其中該物體拾取系統更包括一衰減結構，設置於該超音波發射器及該超音波接收器之間，用以衰減從該超音波發射器朝該超音波接收器傳播的該超音波。
3. 如請求項2所述之基於超音波識別的物體拾取系統，其中該衰減結構包括一吸音材料、路程長度大於該超音波發射器及該超音波接收器之間的直線距離的一增程結構、或部分挖除的一削減結構。
4. 如請求項2所述之基於超音波識別的物體拾取系統，更包括一整合感測器，該整合感測器包括該壓力感測模組、該超音波發射器、該超音波接收器及一殼體；其中該殼體上形成該衰減結構，並用以裝設該壓力感測模組、該超音波發射器及該超音波接收器。
5. 如請求項4所述之基於超音波識別的物體拾取系統，其中該拾取裝置包括一夾爪、一吸嘴、或一吸盤；其中該整合感測器是設置於該夾爪、該吸嘴、或該吸盤拾取該物體的該物體接觸側。
6. 如請求項4所述之基於超音波識別的物體拾取系統，其中該整合感測器更包括一第一不導電層、一第二不導電層、一第一吸音層及一第二吸音層；其中該壓力感測模組包括一第一壓力感測層及一第二壓力感測層；其中該整合感測器的一端從該物體接觸側朝內部的方向依序設置該第一不導電層、該超音波發射器、該第一壓力感測層及該第一吸音層；其中該整合感測器的另一端從該物體接觸側朝內部的方向依序設置該第二不導電層、該超音波接收器、該第二壓力感測層及該第二吸音層。
7. 如請求項1所述之基於超音波識別的物體拾取系統，更包括一儲存裝置，用以儲存一機器學習模型或多個預設材料的多種預設速度、多種預設波形或多個預設頻譜； 其中該控制裝置被設定來執行以下至少其中之一：將該超音波資料輸入至一機器學習模型來選擇該多個預設材料的其中之一作為該識別結果的一材料，其中該機器學習模型是透過對該多個預設材料的多個訓練物的多個訓練超音波資料進行訓練所獲得，並包括用來將該超音波資料分類至該多個預設材料的其中之一的多個分類規則；選擇符合該超音波資料的一感測速度的該預設速度所對應的該預設材料，作為該識別結果的該材料；選擇符合該超音波資料的一感測波形的該預設波形所對應的該預設材料，作為該識別結果的該材料；及將該超音波資料轉換至頻率域來獲得一超音波頻譜，並選擇符合該超音波頻譜的該預設頻譜所對應的該預設材料，作為該識別結果的該材料。
8. 如請求項1所述之基於超音波識別的物體拾取系統，其中該控制裝置被設定來取得一第一拾取力道，基於該第一拾取力道執行一剛性檢測來獲得該物體的一剛性，基於該剛性設定一第二拾取力道，並控制該拾取裝置以該第二拾取力道拾取該物體。
9. 如請求項8所述之基於超音波識別的物體拾取系統，其中該拾取裝置包括一夾爪；其中該控制裝置被設定來控制該夾爪使用多個檢測力道夾取該物體來獲得該多個壓力感測值，其中該多個檢測力道對應多個行程，並基於該多個行程的變化及該多個壓力感測值的變化來決定該物體的該剛性； 其中該控制裝置被設定來對較軟的該剛性設定差距較小的一拾取壓力下限及一拾取壓力上限，對較硬的該剛性設定差距較大的該拾取壓力下限及該拾取壓力上限。
10. 一種基於超音波識別的物體拾取方法，應用於一拾取裝置，該拾取裝置的一物體接觸側設置有一壓力感測模組及一超音波感測模組，包括：a)調整該拾取裝置對一物體的一接觸力道，來使該壓力感測模組的一壓力感測值高於一接觸壓力下限或低於一接觸壓力上限，而使該物體接觸側緊貼該物體；b)透過該超音波感測模組取得該物體的一超音波資料；c)基於該超音波資料決定該物體的一識別結果，其中該物體的該識別結果包括該物體的一物理特徵；及d)基於該識別結果調整該拾取裝置的一拾取力道來拾取該物體。
11. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該步驟c)包括：c11)取得對應多個預設材料的多個預設速度；c12)取得該超音波資料的一感測速度；及c13)選擇符合該感測速度的該預設速度所對應的該預設材料，作為該識別結果的一材料。
12. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該步驟c1)包括：c21)取得對應多個預設材料的多種預設波形； c22)取得該超音波資料的一感測波形；及c23)選擇符合該感測波形的該預設波形所對應的該預設材料，作為該識別結果的一材料。
13. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該步驟c)包括：c31)取得對應多個預設材料的多個預設頻譜；c32)將該超音波資料轉換至頻率域來獲得一超音波頻譜；及c33)選擇符合該超音波頻譜的該預設頻譜所對應的該預設材料，作為該識別結果的一材料。
14. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該步驟c)包括：c41)將該超音波資料輸入至一機器學習模型來選擇多個預設材料的其中之一作為該識別結果的一材料，其中該機器學習模型是透過對該多個預設材料的多個訓練物的多個訓練超音波資料進行訓練所獲得，並包括用來將該超音波資料分類至該多個預設材料的其中之一的多個分類規則。
15. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該識別結果包括該物體的一材料、一厚度、一密度或一結構；該步驟d)是於該識別結果的該材料較硬、該厚度較厚或該密度較高時，調整該拾取裝置以較大的該拾取力道拾取該物體，並於該識別結果的該材料較軟、該厚度較厚或該密度較高時，調整該拾取裝置以較小的該拾取力道拾取該物體。
16. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該步驟d)包括：d1)取得一第一拾取力道；d2)基於該第一拾取力道執行一剛性檢測來獲得該物體的一剛性；d3)基於該剛性設定一第二拾取力道；及d4)控制該拾取裝置以該第二拾取力道拾取該物體。
17. 如請求項16所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該拾取裝置包括一夾爪；該剛性檢測包括：d21)控制該夾爪使用多個檢測力道夾取該物體來獲得該多個壓力感測值，其中該多個檢測力道對應多個行程；及d22)基於該多個行程的變化及該多個壓力感測值的變化來決定該物體的該剛性。
18. 如請求項16所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該第二拾取力道包括一拾取壓力上限及一拾取壓力下限；該步驟d4)是對較軟的該剛性設定差距較小的該拾取壓力下限及該拾取壓力上限，對較硬的該剛性設定差距較大的該拾取壓力下限及該拾取壓力上限。
19. 如請求項18所述之基於超音波識別的物體拾取方法，其中該接觸壓力下限小於該拾取壓力下限，該接觸壓力上限小於該拾取壓力上限。
20. 如請求項10所述之基於超音波識別的物體拾取方法，更包括：e)基於該識別結果設定該物體的一材料；及f)搬移該物體至該材料的一指定位置。

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