TWI894491B

TWI894491B - 機械手臂控制方法

Info

Publication number: TWI894491B
Application number: TW111141491A
Authority: TW
Inventors: 陳君羽; 王士維
Original assignee: 達明機器人股份有限公司
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2025-08-21
Also published as: US20240139938A1; CN117944088A; TW202417200A; US20250262763A1

Abstract

一種機械手臂的控制方法包含設置一偵測電路、設置一比較電路與設置一切換電路。設置偵測電路偵測機械手臂的運動而產生一偵測訊號。設置比較電路比較偵測訊號與一低閥值區，及比較偵測訊號與一高閥值區，而產生一比較訊號。設置切換電路依據比較訊號切換機械手臂為一第一運動模式或一第二運動模式。

Description

機械手臂控制方法

本發明有關一種機械手臂，尤其關於控制機械手臂的方法。

一般機器手臂的教導方法中，大部分是操作人員之手操作教導器後，教導器輸出訊號至機器手臂的控制器，控制器再控制機器手臂於一座標系的XYZ方向上進行平移、旋轉或關節的軸旋轉等等運動。

機器手臂教導器常見的操作介面可以是實體鍵或是軟體按鍵。為了操作機器手臂的六個軸向，最少需要X/Y/Z平移的操作鍵、X/Y/Z旋轉操作鍵、以及X/Y/Z吋動/連續移動的切換鍵等共12個按鍵。如此，操作人員必須看著教導器的各按鍵才能進行機器手臂的教導操作，且視線必須在機器手臂與教導器之間來回注視，此種教導方式會降低教導機器手臂的效率。

若改為直覺式的機器手臂教導方法，大部分是操作人員之手推拉六軸的力量感測器後，力量感測器輸出訊號至機器手臂的控制器，再使機器手臂進行該座標系的XYZ方向上的平移、旋轉或軸關節旋轉。

然而，教導器雖然可以有較多的操作設定，但操作複雜性較高且教導器設備較為笨重，且如上所述現場調整時，視線需在目標物與教導器上來回切換，使操作人員無法專心教導。另外，雖改為使用六軸的力量感測器可以有較為直覺的操作方式，但在調整精細位置時(如1mm級距)，手的推拉很容易過頭，而無法精準定位。因此，本發明提出一種機械手臂的控制方法，用於簡化操作人員的教導過程，與提升教導的精確度。

本發明之目的提供一種機械手臂的控制方法，簡化操作人員的教導過程。

本發明之目的提供一種機械手臂的控制方法，提升教導的精確度。

為了達到前述發明的目的，本發明機械手臂的控制方法包含設置一偵測電路、設置一比較電路與設置一切換電路。設置偵測電路偵測機械手臂的運動而產生一偵測訊號。設置比較電路比較偵測訊號與一低閥值區，及比較偵測訊號與一高閥值區，而產生一比較訊號。設置切換電路依據比較訊號切換機械手臂為一第一運動模式或一第二運動模式。

本發明機械手臂的控制方法包含設置一教導器、設置一偵測電路、設置一比較電路與設置一切換電路。設置教導器包含一正向按鍵、一反向按鍵與一循環切換鍵。設置偵測電路偵測教導器的一輸出而產生一偵測訊號。設置比較電路比較偵測訊號與一低閥值區，及比較偵測訊號與一高閥值區，而產生一比較訊號。設置切換電路依據比較訊號切換機械手臂為第一運動模式或第二運動模式。

其中，偵測電路為一編碼器，偵測訊號為一速度訊號，偵測電路偵測機械手臂運動的速度而產生偵測訊號。當比較電路比較偵測訊號位於低閥值區時，切換電路切換機械手臂為第一運動模式，當比較電路比較偵測訊號位於高閥值區時，切換電路切換機械手臂為第二運動模式。

第一運動模式為一非連續運動或一低速運動，第二運動模式為一連續運動式或一高速運動。

10:控制器

11:偵測電路

12:比較電路

13:切換電路

14:選擇電路

20:機械手臂

21:力量傳感器

22:教導按鍵

23:末端

30:教導器

40:注視

(Fn):循環切換按鍵

(+):正向按鍵

(-):反向按鍵

Sc:比較訊號

Sd:偵測訊號

Sin:輸入訊號

Sj:判斷訊號

Sm:運動訊號

Sout:輸出訊號

Sw:切換訊號

td:偵測時間

X:X軸運動

X1:位移量

X2:位移量

X3:位移量

Y:Y軸運動

Z:Z軸運動

圖1 為本發明機械手臂與控制器的示意圖；圖2 為本發明外力教導機械手臂的第一波形圖；圖3 為本發明控制機械手臂運動模式的第一流程圖；圖4 為本發明外力教導機械手臂的第二波形圖；圖5 為本發明控制機械手臂運動模式的第二流程圖；圖6 為本發明控制機械手臂之阻力的流程圖；及圖7 為本發明教導器控制機械手臂的流程圖。

圖8 為本發明提示機械手臂之運動模式的示意圖。

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

請參閱圖1，其為本發明機械手臂與控制器的示意圖。一控制器10與一機械手臂20相互連接，例如與機械手臂20的關節模組相互連接，控制器10控制機械手臂20運動。控制器10依據機械手臂20的輸出接收一輸入訊號Sin，且依據輸入訊號Sin產生一切換訊號Sw或一輸出訊號Sout，而控制機械手臂20進行不同模式的運動。所以，對於機械手臂20的運動模式，可以由操作人員操作一介面設定直接選擇後產生輸出訊號Sout，而控制機械手臂20運作於特定模式。圖1實施例中輸出訊號Sout是由控制器10的一選擇電路14產生，換言之，介面設定可以設定選擇電路14產生不同的輸出訊號Sout，以控制機械手臂20進行不同的運動模式。

或者，控制機械手臂20的方法可以是包含設置一偵測電路11、設置一比較電路12與設置一切換電路13。設置偵測電路11偵測機械手臂20的運動而產生一偵測訊號Sd。設置比較電路12比較偵測訊號Sd與一低閥值區，及比較偵測訊號Sd與一高閥值區，而產生一比較訊號Sc。設置切換電路13依據比較訊號Sc切換機械手臂20為一第一運動模式或一第二運動模式。

請參閱圖2，其為本發明外力教導機械手臂的第一波形圖。偵測電路11可以包含圖1的一力量傳感器21，所以偵測訊號Sd可以為一力量訊號，其中六軸機械手臂20可以有六組力量傳感器21。機械手臂20的運動在不同軸運動可以包含一X軸運動X、一Y軸運動Y與一Z軸運動Z，如此偵測電路11偵測機械手臂20的三種運動而分別產生一運動訊號Sm。當一外力控制機械手臂20為X軸運動時，偵測電路11會偵測到如圖2的X軸運動X的力量值較高，而Y軸運動Y與Z軸運動Z的力量值較低。所以，偵測電路11產生三種運動訊號Sm後，比較電路12比較X軸運動X的運動訊號Sm的準位高於Y軸運動Y與Z軸運動Z該些運動訊號Sm的準位，而產生如圖1的一判斷訊號Sj。

此時，切換電路13依據判斷訊號Sj，固定(或切換)機械手臂20進行X軸運動X。在外力持續對機械手臂20操控時，偵測電路11偵測機械手臂 20的X軸運動X而產生偵測訊號Sd。所以，如圖2所示，當比較電路12比較偵測訊號Sd位於低閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第一運動模式。當比較電路12比較偵測訊號Sd位於高閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第二運動模式。換言之，控制器10先獲得操作人員欲操作的軸向後，進一步判斷操作人員欲操作的精度，而自動切換機械手臂20的運動量。

復參閱圖2，第一運動模式為非連續運動，第二運動模式為連續運動。非連續運動是指吋動，即機械手臂20移動一個最小運動單位，例如機械手臂20設計的最小運動單位是1mm，則機械手臂20的一次吋動是移動1mm一次後停止移動，若偵測電路11(即力量傳感器21)持續偵測到受外力推移時，機械手臂20再進行第二次移動1mm。再者，連續運動與非連續運動的差異在於，連續運動是機械手臂20持續在特定方向上維持運動狀態，不會中斷移動。因此，透過偵測電路11的設置，讓操作人員直接教導機械手臂20移動，而無需在手臂與操作介面之間視線變換的情況下，進行機械手臂20的吋動或連續運動的操作。

請參閱圖3，其為本發明控制機械手臂運動模式的第一流程圖。在讀取力量傳感器21偵測到的力量值之後，利用比較電路12判斷力量值位於低閥值區或高閥值區，以使切換電路13依據力量值切換機械手臂20的運動模式。其中，機械手臂20可以被切換為非連續運動的平移運動或旋轉運動，或被切換為連續運動的平移運動或旋轉運動。例如，參照圖2的X軸運動X，切換電路13依據不同力量值切換機械手臂20進行X軸運動X的非連續運動與連續運動。另外，操作人員欲控制機械手臂20進行平移運動或旋轉運動，同樣可以經由偵測電路11偵測，以供切換電路13依據偵測結果進行切換。所以，若偵測結果是力量值較低且操作人員是平移操作，則切換電路13切換機械手臂20進行非連續且平移的X軸運動X。爾後，控制器10可以重覆偵測外力對機械手臂20的控制是否改變為Y軸運動Y或Z軸運動Z。

此外，當力量值非位於低閥值區與高閥值區時，操作人員可以藉由介面設定，設定選擇電路14產生的輸出訊號Sout，而控制機械手臂20進行特定模式的運動。例如力量值位於低閥值區與高閥值區之間時，可以設定為連續且旋轉的X軸運動X；或力量值低於低閥值區時，可以設定為非連續且平移的X軸運動X；或者，力量值僅劃分為低閥值區與高閥值區，即高閥值區以上(包含高閥值區)皆為連續運動，低於高閥值區(不包含高閥值區)皆為非連續運動，如此可以無需額外設計介面設定供操作人員手動設定。其中，當操作人員的力量值較高(如高閥值區)時，表示其欲進行較大範圍的運動，而當操作人員的力量值較低(如低閥值區)時，表示其欲進行較小範圍的運動，惟閥值(或閥值區)的設定可以依需求而改變，非實施例所限。

請參閱圖4，為本發明外力教導機械手臂的第二波形圖。在機械手臂20無設置力量傳感器21時，偵測電路11可以包含一編碼器與一運算電路，如此偵測訊號Sd可以是一位移訊號，即位移訊號相關於編碼器的轉動量，而編碼器的轉動量相關於機械手臂20的位移量。所以，偵測電路11以一偵測時間td持續偵測機械手臂20的X軸運動X的位移量X1後，微分與絕對值運算位移量X1為位移量X2，並積分運算位移量X2為位移量X3，最後偵測電路11依據位移量X3產生偵測訊號Sd。再者，當比較電路12比較偵測訊號Sd位於低閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第一運動模式；當比較電路12比較偵測訊號Sd位於高閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第二運動模式。

請參閱圖5，為本發明控制機械手臂運動模式的第二流程圖。如圖所示，圖4-5實施例與圖2-3實施例差異在於，圖2-3實施例有安裝力量傳感器21而圖4-5實施例沒有力量傳感器21，且圖4-5實施例是利用偵測電路11內的運算電路計算出X軸運動X的位移量，而產生偵測訊號Sd。比較電路12同樣依據偵測訊號Sd比較低閥值區與高閥值區後，產生比較訊號Sc，以供切換電路13設定機械手臂20的運動模式。所以，在無設置力量傳感器21下，操作人員一樣能達到視線不改變，操作機械手臂20吋動或連續運動。其餘技術內容相似圖2-3實施例，不再覆述。

請參閱圖6，為本發明控制機械手臂之阻力的流程圖。偵測電路11包含一速度感測器，偵測訊號Sd為一速度訊號，偵測電路11偵測機械手臂20運動的速度而產生偵測訊號Sd。當比較電路12比較偵測訊號Sd位於低閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第一運動模式；當比較電路12比較偵測訊號Sd位於高閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第二運動模式。其中，第一運動模式為一低速運動，該第二運動模式為一高速運動。

再者，圖6實施例相較於圖3、5實施例可以增加一中閥值區，進行更多不同速度的判斷，所以當偵測訊號Sd位於中閥值區時，表示機械手臂20正以一中速度進行運動。閥值區由高至低為高閥值區、中閥值區、低閥值區。爾後，切換電路13再依據比較訊號Sc，控制機械手臂20內馬達產生的阻力。換言之，若偵測訊號Sd位於低閥值區時，表示機械手臂20處於一低速度的運動，切換電路13切換機械手臂20為一高阻力模式，即切換馬達維持於低轉動速度，限制機械手臂20於低速度的運動，而使機械手臂20進行精度較高的運動。若偵測訊號Sd位於高閥值區時，表示機械手臂20處於一高速度的運動，切換電路13 切換機械手臂20為一低阻力模式，即切換馬達維持於高轉動速度，限制機械手臂20於高速度的運動，而使機械手臂20進行精度較低的運動。因此，在控制器10與馬達自動依不同精度的情境來動態調整馬達阻力值，讓操作人員可快速地在不同情境間手動拖拉機械手臂20，而不需操作額外的控制裝置，可以增加教導效率。

請參閱圖7，其為本發明教導器控制機械手臂的流程圖。機械手臂的控制方法除了前面實施例，操作人員直接手托拉機械手臂20外，亦可以使用一教導器控制機械手臂20移動，完成教導。請參閱圖8，其為本發明提示機械手臂之運動模式的示意圖。如圖所示，設置一教導器30控制機械手臂20，而控制器10耦接教導器30與機械手臂20，以依據教導器30的輸出控制機械手臂20。控制器10內如前述說明設置偵測電路11、設置比較電路12與設置切換電路13。設置的教導器30包含一正向按鍵(+)、一反向按鍵(-)與一循環切換鍵(Fn)。如此，設置偵測電路11偵測教導器30的輸出而產生偵測訊號Sd。設置比較電路12比較偵測訊號Sd與低閥值區，及比較偵測訊號與高閥值區，而產生比較訊號Sc。設置切換電路13依據比較訊號Sc切換機械手臂20為第一運動模式或第二運動模式。

復參閱圖7，偵測電路11為一計時電路，偵測訊號Sd為一計時訊號；當教導器30輸出一正向訊號時，即操作人員按壓正向按鍵(+)，偵測電路11於一持續時間內偵測正向訊號的變化，而產生偵測訊號Sd。比較電路12比較偵測訊號Sd位於低閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第一運動模式。比較電路12比較偵測訊號Sd位於高閥值區時，切換電路13切換機械手臂20為第二運動模式，所以，第一運動模式為非連續運動的一正向運動，第二運動模式為連續運動的正向運動。其中，操作人員在持續時間內短按壓正向按鍵(+)時，偵測電路11會偵測到正向訊號維持於高準位的時間較短；反之，操作人員在持續時間內長按壓正向按鍵(+)時，偵測電路11會偵測到正向訊號維持於高準位的時間較長。所以，此實施例的低閥值區與高閥值區可以是關於時間的閥值區，用於判斷操作人員短按或長按教導器30。

因此，在偵測到持續時間內短或長按按正向按鍵(+)後，切換電路13可以切換機械手臂20進行非連續運動或連續運動，之後亦可以切換機械手臂20於X軸運動X、Y軸運動Y或Z軸運動Z。

再者，當教導器30輸出一循環切換訊號時，偵測電路11於持續時間內偵測循環切換訊號，而產生該偵測訊號Sd。比較電路12比較偵測訊號Sd位於低閥值區時，切換電路13控制機械手臂20從X軸運動X切換至Y軸運動Y。比較電路12比較偵測訊號Sd位於高閥值區時，切換電路13控制機械手臂20從X軸運動X切換至Y軸運動Y，且機械手臂20進行一次Y軸運動Y的一往復運動。所以，偵測電路11若偵測持續時間內短按壓循環切換鍵(Fn)，則切換電路13會切換機械手臂20為不同軸運動。參照圖8，機械手臂20初始設定為X軸運動X，因操作人員短按循環切換鍵(Fn)一次，則切換電路13切換機械手臂20為下一軸運動，即機械手臂20從X軸運動X改為Y軸運動Y。若偵測持續時間內長按壓循環切換鍵(Fn)，則切換電路13除了會切換機械手臂20為不同軸運動外，機械手臂20的一末端23更會提示操作人員機械手臂20切換至哪一個軸方向。如圖8所示，若從X軸運動X改為Y軸運動Y，機械手臂20的末端23會在Y軸方向進行一次且一段距離的往復運動，以便操作人員注視40末端23時，獲得對教導器30控制結果的提示。此外，機械手臂20的初始軸方向不影響循環切換鍵(Fn)，於 X軸運動X改為Y軸運動Y、Y軸運動Y改為Z軸運動Z、Z軸運動Z改為X軸運動X的循環控制，操作人員可自行設定機械手臂20的初始狀態。

復參閱圖7-8，機械手臂30更包含設置一教導按鍵22。當偵測電路11接收教導訊號與正向按鍵(+)的正向訊號時，切換電路13切換機械手臂20為一平移運動；當偵測電路11接收教導訊號與反向按鍵(-)的一反向訊號時，切換電路13切換機械手臂20為一旋轉運動。所以，若同時按壓教導按鍵22與正向按鍵(+)，則切換電路13會依據教導器30的輸出，而切換機械手臂20為平移運動。若同時按壓教導按鍵22與反向按鍵(-)，則切換電路13會依據教導器30的輸出，而切換機械手臂20為旋轉移運動。平移運動與旋轉運動是指於X軸運動X、Y軸運動Y或Z軸運動Z上為平移方式或旋轉方式進行運動。故，除了圖3、5-6實施例的對機械手臂20內運作狀態的偵測後執行切換運動模式，更可以偵測機械手臂20外的教導器30所輸出的資訊，而利用教導器30切換機械手臂20的運動模式，以簡化操作人員的教導過程，與提升教導的精確度。

綜上所述，本發明機械手臂的控制方法包含設置一偵測電路、設置一比較電路與設置一切換電路。設置偵測電路偵測機械手臂的運動而產生一偵測訊號。設置比較電路比較偵測訊號與一低閥值區，及比較偵測訊號與一高閥值區，而產生一比較訊號。設置切換電路依據比較訊號切換機械手臂為一第一運動模式或一第二運動模式。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之實施例，本發明之範圍不限於該等實施例，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。

10:控制器11:偵測電路12:比較電路13:切換電路14:選擇電路20:機械手臂21:力量傳感器Sc:比較訊號Sd:偵測訊號Sin:輸入訊號Sj:判斷訊號Sm:運動訊號Sout:輸出訊號Sw:切換訊號

Claims

一種機械手臂的控制方法，其包含：設置一偵測電路，偵測該機械手臂的運動，產生一偵測訊號；設置一比較電路，比較該偵測訊號與一低閥值區，及比較該偵測訊號與一高閥值區，產生一比較訊號；及設置一切換電路，依據該比較訊號切換該機械手臂為一第一運動模式或一第二運動模式。
如申請專利範圍第1項所述之機械手臂的控制方法，其中，該偵測電路包含一力量傳感器，該偵測訊號為一力量訊號，該機械手臂的運動包含一X軸運動、一Y軸運動與一Z軸運動；該偵測電路偵測該機械手臂的三種運動而分別產生一運動訊號；當一外力控制該機械手臂為該X軸運動時，該比較電路比較該X軸運動的該運動訊號的準位高於該Y軸運動與該Z軸運動該些運動訊號的準位，而產生一判斷訊號；該切換電路依據該判斷訊號，固定該機械手臂進行該X軸運動；該偵測電路偵測該X軸運動而產生該偵測訊號，當該比較電路比較該偵測訊號位於該低閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第一運動模式，當該比較電路比較該偵測訊號位於該高閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第二運動模式。
如申請專利範圍第2項所述之機械手臂的控制方法，其中，該第一運動模式為一非連續運動，該第二運動模式為一連續運動。
如申請專利範圍第1項所述之機械手臂的控制方法，其中，該偵測電路包含一編碼器，該偵測訊號為一位移訊號，該偵測電路偵測該機械手臂運動的位移量，經過一偵測時間後產生該偵測訊號；當該比較電路比較該偵測訊號位於該低閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第一運動模式，當該比較電路比較該偵測訊號位於該高閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第二運動模式。
如申請專利範圍第4項所述之機械手臂的控制方法，其中，該第一運動模式為一非連續運動，該第二運動模式為一連續運動。
如申請專利範圍第1項所述之機械手臂的控制方法，其中，該偵測電路包含一速度感測器，該偵測訊號為一速度訊號，該偵測電路偵測該機械手臂運動的速度而產生該偵測訊號；當該比較電路比較該偵測訊號位於該低閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第一運動模式，當該比較電路比較該偵測訊號位於該高閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第二運動模式。
如申請專利範圍第6項所述之機械手臂的控制方法，其中，該第一運動模式為一低速運動，該第二運動模式為一高速運動。
一種機械手臂的控制方法，其包含：設置一教導器，其包含一正向按鍵、一反向按鍵與一循環切換鍵；設置一偵測電路，偵測該教導器的一輸出，而產生一偵測訊號；設置一比較電路，比較該偵測訊號與一低閥值區，及比較該偵測訊號與一高閥值區，產生一比較訊號；及設置一切換電路，依據該比較訊號切換該機械手臂為一第一運動模式或一第二運動模式。
如申請專利範圍第8項所述之機械手臂的控制方法，其中，該偵測電路包含一計時電路，該偵測訊號為一計時訊號；當該教導器輸出一正向訊號時，該偵測電路於一持續時間內偵測該正向訊號的準位變化，而產生該偵測訊號；該比較電路比較該偵測訊號位於該低閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第一運動模式；該比較電路比較該偵測訊號位於該高閥值區時，該切換電路切換該機械手臂為該第二運動模式。
如申請專利範圍第9項所述之機械手臂的控制方法，其中，該第一運動模式為一非連續運動的一正向運動，該第二運動模式為一連續運動的該正向運動。
如申請專利範圍第9項所述之機械手臂的控制方法，其中，當該教導器輸出一循環切換訊號時，該偵測電路偵測該循環切換訊號的一持續時間，而產生該偵測訊號；該比較電路比較該偵測訊號位於該低閥值區時，該切換電路控制該機械手臂從一X軸運動切換至一Y軸運動；該比較電路比較該偵測訊號位於該高閥值區時，該切換電路控制該機械手臂從該X軸運動切換至該Y軸運動，且該機械手臂進行一次該Y軸運動的一往復運動。
如申請專利範圍第8項所述之機械手臂的控制方法，其包含：設置一教導按鍵，當該偵測電路接收一教導訊號與該正向按鍵的一正向訊號時，該切換電路切換該機械手臂為一平移運動；當該偵測電路接收該教導訊號與該反向按鍵的一反向訊號時，該切換電路切換該機械手臂為一旋轉運動。