TWI815770B - 利用機械手臂的營建方法及營建系統 - Google Patents
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Abstract
一種營建系統適用於對一待建構物件之多個待建構部分進行一建造處理，並包含一機械手臂、一影像拍攝模組及一運算裝置。該運算裝置在一虛擬空間產生一相關於該待建構物件的三維模型，對於每一待建構部分，藉由該運算裝置控制該機械手臂移動該影像拍攝模組至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分的影像，並根據該待建構部分所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標，且根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂移動至該等待建構部分並進行該建造處理。
Description
本發明是有關於一種營建方法，特別是指一種整合電腦視覺與機械手臂之利用機械手臂的營建方法及營建系統。
目前國內的營建技術雖然穩定，但卻難有在技術層面突破，在營建現場大多仍然採用穩定但卻是高危險和勞力密集的工法，這也直接和間接影響了國家整體在實際場域實證上的機會。此外，受人口結構老化影響，勞動力減少是全球已開發國家所共同面對的人口問題，未來整體勞動力參與率勢必不增反減。
國內營建產業要能配合政府推動的數位轉型，需要從營建產業的智慧化作為轉型的契機，透過機械手臂的導入可協助建築產業跳脫出勞力密集與高度危險的窠臼，轉而帶入人機協同的概念，帶動未來的產業走向「設計為本、科技中介、構築為用」的新方向，引領人機協同型人才的培育與輸出，進而帶動智慧營建的產業典範轉移。
然而，現有的機械手臂大多用在工廠的自動化控制，其中兩個特點是離線編程(Off-line Programming)和點到點(PTP)的工作路徑控制。這兩點對於要將機械手臂運用到建築取向的數位製造來說將會面臨很大的挑戰。首先是建築設計師大多是用三維的模型來進行專案的設計，而非先從機械手臂工作路徑來思考，再者是工廠的製程方法大多是單向的工作流程(One-directional Workflow)，也就是說對於要產出的製品要很明確的被預先編寫程控制程序，這種預先建立好的製程(Established Workflow)對於大量生產來說或許是個利多，但是對於建築行業來說，恐不適合一成不變的運行模式，而需要適時地根據外在環境的改變，即時的調整工作路徑以符合當下的作動目標或使用者的意圖。
因此，本發明的目的，即在提供一種可適時地根據外在環境即時的調整工作路徑的利用機械手臂的營建方法。
於是，本發明利用機械手臂的營建方法，適用於對一待建構物件之多個待建構部分進行一建造處理，藉由一營建系統來實施，該營建系統包含一機械手臂、一安裝於該機械手臂之影像拍攝模組、一信號連接該機械手臂及該影像拍攝模組的運算裝置，該利用機械手臂的營建方法包含以下步驟：
(A)藉由該運算裝置在一虛擬空間產生一相關於該待建構物件的三維模型，其中該虛擬空間之座標系統與一世界座標系統相符；
(B)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置控制該機械手臂移動該影像拍攝模組至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分的影像；
(C)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置，根據該待建構部分所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標；及
(D)藉由該運算裝置，根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂移動至該等待建構部分於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分進行該建造處理。
本發明的另一目的，即在提供一種可適時地根據外在環境即時的調整工作路徑的營建系統。
於是，本發明營建系統，適用於對一待建構物件之多個待建構部分進行一建造處理，並包含一機械手臂、一安裝於該機械手臂的影像拍攝模組，及一信號連接該機械手臂及該影像拍攝模組的運算裝置。
其中，該運算裝置在一虛擬空間產生一相關於該待建構物件的三維模型，其中該虛擬空間之座標系統與一世界座標系統相符，對於每一待建構部分，藉由該運算裝置控制該機械手臂移動該影像拍攝模組至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分的影像，並根據該待建構部分所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標，且根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂移動至該等待建構部分於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分進行該建造處理。
本發明的功效在於：藉由該運算裝置控制該機械手臂移動該影像拍攝模組至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分的影像，並根據該待建構部分所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標，且根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂移動，結合電腦視覺以達成機械手臂可以根據環境的變化來進行即時調整之目的。
參閱圖1與圖5，本發明利用機械手臂的營建方法之實施例，適用於對一待建構物件100之多個待建構部分101進行一建造處理，並藉由一營建系統1來實施，在本實施方式中，該等待建構部分101分別為多個待焊接點，然並不以此為限。該營建系統1包含一機械手臂11、一安裝於該機械手臂11之影像拍攝模組12及一信號連接該機械手臂11及該影像拍攝模組12的運算裝置13。該機械手臂11包含一用於輸出焊料的焊料輸出模組111、一用於融化焊料的焊接模組112及一機械臂本體，該機械手臂11之實施態樣例如為一經焊接功能之改裝後的上銀RA620機械手臂11。該影像拍攝模組12之實施態樣例如為一深度相機。該運算裝置13之實施態樣例如為一伺服器、一個人電腦、一筆記型電腦、一平板電腦或一智慧型手機等。
參閱圖1、圖2與圖5，以下將藉由本發明利用機械手臂的營建方法的實施例來說明該營建系統1的運作細節，該實施例包含下列步驟。
在步驟21中，該運算裝置13在一虛擬空間產生一相關於該待建構物件100與該機械手臂11的三維模型，其中該虛擬空間之座標系統與一世界座標系統相符。值得特別說明的是，該三維模型係透過該運算裝置13經由一使用者之輸入操作而產生，其中該三維模型中對應該待建構物件100的物件模型之大小比例與該待建構物件100之大小比例相符，該三維模型中對應該機械手臂11的手臂模型之大小比例與該機械手臂11之大小比例相符。
在步驟22中，對於每一待建構部分101，該運算裝置13控制該機械手臂11移動該影像拍攝模組12至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分101的影像。
在步驟23中，對於每一待建構部分101，該運算裝置13根據該待建構部分101所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分101於該虛擬空間之位置座標。
值得一提的是，步驟23包含以下子步驟(見圖3)。
在子步驟231中，對於每一待建構部分101，該運算裝置13根據該待建構部分101所對應之該等影像分別獲得該等拍攝位置與該待建構部分101之四個距離。
在子步驟232中，對於每一待建構部分101，該運算裝置13根據該待建構部分101所對應之該等拍攝位置於該世界座標系統之位置座標與該等距離，利用一四點定位法，獲得該待建構部分101於該世界座標系統之位置座標。
在子步驟233中，對於每一待建構部分101，該運算裝置13根據該待建構部分101於該世界座標系統之位置座標校正該待建構部分101於該虛擬空間之位置座標。如此一來，即可根據真實環境的變化來即時地調整該等待建構部分101於該虛擬空間之位置座標，以使得該等待建構部分101於該虛擬空間之位置與該等待建構部分101於真實世界之位置相符。
在步驟24中，該運算裝置13根據該等待建構部分101於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂11移動至該等待建構部分101於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分101進行該建造處理。
值得一提的是，步驟24包含以下子步驟(見圖4)。
在子步驟241中，該運算裝置13根據該等待建構部分101於該虛擬空間之校正後的位置座標，獲得一通過該等待建構部分101的工作路徑。值得一提的是，在本實施方式中，所進行之建造處理為焊接，而在焊接過程中會牽涉到在現實世界中因重力而產生的組裝方向與順序考量，較佳的方式是透過由下而上，由內而外的方式來進行焊接，因此該運算裝置13係將該等待建構部分101以由下而上，由內而外的邏輯來對於每一待建構部分101編排出焊接次序，接著利用如，由KUKA公司官方所開發之外掛於Grasshopper的KUKA|PRC機器手臂路徑編成軟體的功能指令來對該機械手臂11進行路徑的設計及規劃，以獲得該工作路徑。該運算裝置13根據該等待建構部分101於該虛擬空間之校正後的位置座標，即時且適應性的演算出機械手臂11的路徑，可更精準地控制該機械手臂11抵達正確的位置進行該建造處理。
在子步驟242中，該運算裝置13根據該工作路徑，控制該機械手臂11移動至該等待建構部分101於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分101進行如，焊接之建造處理。
綜上所述，本發明利用機械手臂的營建方法，藉由該運算裝置13控制該機械手臂11移動該影像拍攝模組12至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分101的影像，並根據該待建構部分101所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分101於該虛擬空間之位置座標，且根據該等待建構部分101於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂11移動，結合電腦視覺以達成機械手臂11可以根據環境的變化來進行即時調整之目的，從而完成一套能夠自主適應鋼筋造型進行點焊，最終完成自立組構的機械手臂11曲線鋼筋網格構築工法，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:營建系統
11:機械手臂
111:焊料輸出模組
112:焊接模組
12:影像拍攝模組
13:運算裝置
100:待建構物件
101:待建構部分
21~24:步驟
231~233:步驟
241~242:步驟
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一方塊圖，說明實施本發明利用機械手臂的營建方法之實施例的一營建系統；
圖2是一流程圖，說明本發明利用機械手臂的營建方法之實施例；
圖3是一流程圖，說明一運算裝置如何校正每一待建構部分於一虛擬空間之位置座標；
圖4是一流程圖，說明該運算裝置如何控制一機械手臂移動至每一待建構部分進行一建造處理；及
圖5是一示意圖，繪示本發明利用機械手臂的營建方法之實施例所適用的一營建環境。
1:營建系統
11:機械手臂
111:焊料輸出模組
112:焊接模組
12:影像拍攝模組
13:運算裝置
Claims (10)
- 一種利用機械手臂的營建方法，適用於對一待建構物件之多個待建構部分進行一建造處理，並藉由一營建系統來實施，該營建系統包含一機械手臂、一安裝於該機械手臂之影像拍攝模組、一信號連接該機械手臂及該影像拍攝模組的運算裝置，該利用機械手臂的營建方法包含以下步驟： (A)藉由該運算裝置在一虛擬空間產生一相關於該待建構物件與該機械手臂的三維模型，其中該虛擬空間之座標系統與一世界座標系統相符； (B)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置控制該機械手臂移動該影像拍攝模組至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分的影像； (C)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置，根據該待建構部分所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標；及 (D)藉由該運算裝置，根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂移動至該等待建構部分於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分進行該建造處理。
- 如請求項1所述的利用機械手臂的營建方法，其中，步驟(C)包含以下子步驟： (C-1)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置，根據該待建構部分所對應之該等影像分別獲得該等拍攝位置與該待建構部分之四個距離； (C-2)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置，根據該待建構部分所對應之該等拍攝位置於該世界座標系統之位置座標與該等距離，獲得該待建構部分於該世界座標系統之位置座標；及 (C-3)對於每一待建構部分，藉由該運算裝置，根據該待建構部分於該世界座標系統之位置座標校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標。
- 如請求項2所述的利用機械手臂的營建方法，其中，在步驟(C-2)中，對於每一待建構部分，該運算裝置係根據該待建構部分所對應之該等拍攝位置於該世界座標系統之位置座標與該等距離，利用一四點定位法，獲得該待建構部分於該世界座標系統之位置座標。
- 如請求項1所述的利用機械手臂的營建方法，其中，步驟(D)包含以下子步驟： (D-1) 藉由該運算裝置，根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，獲得一通過該等待建構部分的工作路徑；及 (D-2) 藉由該運算裝置，根據該工作路徑，控制該機械手臂移動至該等待建構部分於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分進行該建造處理。
- 如請求項1所述的利用機械手臂的營建方法，該等待建構部分分別為多個待焊接點，該機械手臂包含一用於輸出焊料的焊料輸出模組及一用於融化焊料的焊接模組，其中，在步驟(D)中，該運算裝置係對該等待建構部分進行焊接之建造處理。
- 一種營建系統，適用於對一待建構物件之多個待建構部分進行一建造處理，並包含： 一機械手臂； 一影像拍攝模組，安裝於該機械手臂；及 一運算裝置，信號連接該機械手臂及該影像拍攝模組； 其中，該運算裝置在一虛擬空間產生一相關於該待建構物件與該機械手臂的三維模型，其中該虛擬空間之座標系統與一世界座標系統相符，對於每一待建構部分，藉由該運算裝置控制該機械手臂移動該影像拍攝模組至四個不同拍攝位置分別拍攝四張相關於該待建構部分的影像，並根據該待建構部分所對應之該等影像及該等拍攝位置，校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標，且根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，控制該機械手臂移動至該等待建構部分於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分進行該建造處理。
- 如請求項6所述的營建系統，其中，對於每一待建構部分，該運算裝置根據該待建構部分所對應之該等影像分別獲得該等拍攝位置與該待建構部分之四個距離，並根據該待建構部分所對應之該等拍攝位置於該世界座標系統之位置座標與該等距離，獲得該待建構部分於該世界座標系統之位置座標，且根據該待建構部分於該世界座標系統之位置座標校正該待建構部分於該虛擬空間之位置座標。
- 如請求項7所述的營建系統，其中，對於每一待建構部分，該運算裝置係根據該待建構部分所對應之該等拍攝位置於該世界座標系統之位置座標與該等距離，利用一四點定位法，獲得該待建構部分於該世界座標系統之位置座標。
- 如請求項6所述的營建系統，其中，該運算裝置係根據該等待建構部分於該虛擬空間之校正後的位置座標，獲得一通過該等待建構部分的工作路徑，並根據該工作路徑，控制該機械手臂移動至該等待建構部分於該世界座標系統之位置座標，並對該等待建構部分進行該建造處理。
- 如請求項6所述的營建系統，該等待建構部分分別為多個待焊接點，其中，該機械手臂包含一用於輸出焊料的焊料輸出模組及一用於融化焊料的焊接模組，該運算裝置係對該等待建構部分進行焊接之建造處理。
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