TWI776214B - 機器手臂控制系統及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種機器手臂控制系統，包括：一機器手臂，其包括：一手臂本體，包括：複數個關節和複數訊號接收器，該複數訊號接收器用以接收控制訊號以控制該複數關節；複數影像感測器，其擷取一待處理物之影像並輸出該影像資料；及一夾取機構，用以夾取該待處理物；以及一控制模組，其電接並控制該機器手臂，包括：一擬控手臂，其包括：一擬控手臂本體，其包括複數個關節及複數個電子感應元件，其中該些複數個電子感應元件用以感測該複數個關節；一控制把手，其位於該擬控手臂本體前端並具有複數個按鈕，用以控制該機器手臂；一資料處理模組，其接收姿態資訊，用以產生並傳送控制訊號來控制該機器手臂。

Description

機器手臂控制系統及其控制方法

本發明係為一種機器手臂控制系統及其控制方法，且特別是有關於一種防爆機器手臂控制系統及其控制方法。

目前常見的防爆處理機器人其結構大多為一履帶式移動平台，上面架設多軸機器手臂，其中多軸機器手臂控制方法為個別關節控制，也就是利用多個按鈕分別控制機器手臂各個關節的姿態，逐一調整後才能達到操控者理想的位置。此種操控方式雖然簡單，但對於操控者而言並不直觀，一但機器手臂某個關節的姿態改變，其餘關節都有可能需要重新再調整過，這將會耗費許多時間。

關於機器手臂控制的技術發展趨勢為自動化與精準化，但是這兩方面的技術尚無法完全適用於處理爆裂物，由於爆裂物可能被放置的環境太過多元，空間座標難以定位，目前還無法使用全自動化的機器人處理，皆需要利用人員操作；且此種情境下機器手臂不需要極高的精準度，而是更注重穩定以及速度，一般的各別關節控制方式雖能達到足夠的穩 定度，但在操作的直觀性以及所需時間則是還有許多精進的空間。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種機器手臂控制系統，此種機器手臂控制系統使操作的直觀性控制機器手臂，可藉由同時操作多個關節達到縮短操作時間的效果。

本發明之另一目的在於提供一種適用於防爆處理的多軸機器手臂的控制系統，控制系統之按鈕附有安全鎖的作用，增加機器手臂的穩定度，當按住該按鈕時，機器手臂才會跟著擬控手臂的姿態作動，此方式可避免在排爆作業時誤觸擬控手臂導致機器手臂發生預期外的動作而使現場發生意外。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一種機器手臂控制系統，包括：一機器手臂，其包括：一手臂本體，包括：複數個關節和複數訊號接收器，該複數訊號接收器用以接收控制訊號以控制該複數關節；一影像感測器，其擷取一待處理物之影像並輸出影像資料；及一夾取機構，用以夾取該待處理物；以及一控制模組，其電接並控制該機器手臂，包括：一擬控手臂，包括：一擬控手臂本體，其包括複數個關節及複數個電子感應元件，其中該些複數個電子感應元件用以感測該複數個關節；一控制把手，其位於該擬控手臂本體前端並具 有複數個按鈕，用以控制該機器手臂；一資料處理模組，其接收複數姿態資訊，用以產生並傳送控制訊號來控制該機器手臂。

上述中，其中該資料處理模組更包括一處理器，其接收姿態資訊，用以產生控制訊號來控制該機器手臂；一通訊裝置，其電性連接該處理器，用以傳送該控制訊號；一螢幕，其電性連接該處理器及該通訊裝置，用以接收及顯示該影像資料。

上述中，其中該夾取機構更包括複數個壓力感測元件，用以感測該夾取機構夾取該待處理物之壓力。

上述中，其中該複數按鈕之一係為控制該通訊裝置傳送該些控制訊號之開關按鈕；該複數按鈕之一係為控制該夾取機構之按鈕。

上述中，其中，該控制裝置和該機器手臂之最佳距離系為50公尺以上。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一種機器手臂控制系統之控制方法，其中該機器手臂系統包括一機器手臂及一控制模組，該控制模組包括一擬控手臂及一資訊處理裝置，該控制方法包括下列步驟：(A)操作人員根據操作該擬控手臂；(B)該擬控手臂之偵測目前的姿態並產生姿態資訊置；(C)該資訊處理裝置根據該姿態資料產生控制訊號；(D)傳送該控制訊號以控制該機器手臂；(E)操作員判斷該機器手臂 和一待處理物之相對位置是否正確，若是則進行步驟(F)，若否則進行步驟(G)；(F)停止控制或是進行其他動作；(G)重複步驟(A)至步驟(E)。

上述中，其中，步驟(F)進行其他動作係為以該機器手臂夾取該待處理物。

上述中，其中，步驟(A)操作人員係根據影像資料判斷並操作該擬控手臂。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1:機器手臂

11:手臂本體

111:影像感測器

13:夾取機構

2:控制模組

21:擬控手臂

211:擬控手臂本體

213:控制把手

2131:按鈕

2132:按鈕

215:底座

23:資料處理模組

231:處理器

233:通訊裝置

3:待處理物

J1~J8:關節

A1~A4:訊號接收器

S1~S4:電子感應元件

M:姿態資訊

C:控制訊號

I:影像資料

(A)~(G):步驟

第一圖係為本發明機器手臂控制系統示意圖；第二圖係為本發明擬控手臂示意圖；第三圖係為本發明擬控手臂各關節旋轉方向示意圖；第四圖係為本發明機器手臂控制系統控制方法方塊示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。

本發明提供一種機器手臂控制系統，請參閱第一圖及第二圖，第一圖為本發明機器手臂控制系統示意圖、第二圖本發明擬控手臂示意圖。

如第一圖及第二圖所示，一種具有機器手臂控制系統100包括一機器手臂1及一控制模組2。

機器手臂1具有一手臂本體11及一夾取機構13，該夾取機構13可以位於該手臂本體11前端並連接該手臂本體11，但不以此為限。

手臂本體11具有複數個關節J1~J4及複數訊號接收器A1~A4，複數訊號接收器A1~A4用以接收控制訊號C以控制該複數關節J1~J4之作動，複數訊號接收器A1~A4可位於複數個關節J1~J4中，但不以此為限。

手臂本體11更包括影像感測器111，其擷取待處理物3之影像並輸出該影像資料I至控制模組2，其中影像感測器111可以為1個或1個以上，處理物3可以為爆裂物或其它具有危險性之物質，但不以此為限。

夾取機構13，用以夾取該待處理物3，夾取機構13例如為夾爪，但不以此為限。

機器手臂1可以置於一可移動裝置上(圖未示)，並由控制模組2控制可移動裝置，譬如以控制把手213控制該移動裝置之前進和後退，以控制按鈕控制移動裝置之轉彎。

控制模組2電接並控制該機器手臂1，控制模組2 更包括擬控手臂21及資料處理模組23，其中擬控手臂21電性連接該資料處理模組23。

擬控手臂21包括擬控手臂本體211及控制把手213，控制把手213連接該擬控手臂本體211，擬控手臂21係為依機器手臂1等比例縮小之多軸擬控手臂，為考量到人員操作時的方便性，擬控手臂21為依照機器手臂1等比例縮小至全長60公分以下之多軸擬控手臂，其手臂與握把等在操作時會用手握住之部位的最大邊長需小於5公分，但不以此為限，此外，擬控手臂21包括複數個關節J5~J8及複數個電子感應元件S1~S4，複數個關節J5~J8係對應機器手臂複數各關節J1~J4設置，其中複數個電子感應元件S1~S4用以感測該複數個關節J4~J6之旋轉角度以形成姿態資訊M，之後此姿態資訊M會經由資料處理模組23轉換成控制訊號C傳送至機器手臂1之訊號接收器A1~A3，用以控制機器手臂1，使機器手臂1中對應的關節J1~J4旋轉至同樣角度，進而擺出相同的姿態，可感測目前位置或角度變換的電子元件，如編碼器、可變電阻、IMU等。

控制把手213具有按鈕2131及按鈕2132，其用以控制該機器手臂1之夾取機構13，控制把手213可位於該擬控手臂本體211前端，且按壓按鈕2131可以控制夾取機構13，如夾爪旋轉、夾取等動作；操作人員可根據影像感測器111傳回之影像資料I確認並以按鈕2132控制前端夾爪的旋轉角度。

夾取機構13之夾爪上，可以設有一壓力感測器 (圖未示)，當在排爆作業夾取IED時，壓力感測器感測並傳回壓力數值，操作人員可根據壓力數值長壓或是放鬆控制鈕2131來控制夾爪閉合的力度，另外夾爪上亦設有關節，其是靠控制把手213及按鈕2131、按鈕2132二者或其中之一來控制。

上述中，操作人員亦可根據影像感測器111傳回之影像資料I確認並以按鈕2131控制前端夾爪的旋轉角度

控制把手213中還可以有預留按鈕，可供機器手臂外掛模組控制使用，如加裝水砲武器之射擊按鈕。

按鈕2132附有安全鎖的作用，當按住該按鈕時2132時，手臂本體11才會跟著擬控手臂本體211的姿態作動，此方式可避免在排爆作業時誤觸擬控手臂本體211導致手臂本體11發生預期外的動作而使現場發生意外。操作者可用單手握住控制手把213同時用手指按壓按鈕2132的安全鎖按鈕，或是將擬控手臂本體211擺置定位後再按壓安全鎖按鈕2132等方式來控制手臂本體11的作動。

擬控手臂21各處的資訊也透過接合底座215傳送至資料處理模組23，在內部彙整並轉換成控制訊號C後再傳輸至機器手臂1上，以此方式達到兩者的同動。

資料處理模組23，其接收複數姿態資訊M，用以產生並傳送複數控制訊號C來控制該機器手臂1，資料處理模組23更包括處理器231，其接收複數姿態資訊M，用以產生複數控制訊號C來控制該機器手臂1；該資料處理模組23更包括 通訊裝置233，其電性連接該處理器231，用以傳送該些控制訊號C，該通訊裝置233如WIFI、RF、藍芽……等等，其最短傳遞距離達50公尺以上，或為有線傳遞，如信號線、光纖……等等，其傳遞距離依線的長度而定。

資料處理模組23也可以包括顯示螢幕(圖未示)，該螢幕係為顯示該影像資料I，使操作人員用以判斷機器手臂1和待處理物3之相對位置，譬如：機器手臂1上安裝有2台以上影像感測器111，可將影像資料I傳至控制模組2，並顯示在操作用螢幕上，2台以上影像感測器111可產生立體視覺，使用者可依照傳回的影像判斷目前夾爪與目標物在立體空間上的相對位置，藉此調整夾爪到達正確的位置，如手臂上安裝水砲，可利用多鏡頭確認目標點位置，精確瞄準後射擊。

機器手臂控制系統之操作

實施例1

操作人員以手握住控制把手213並用手指按壓按鈕2132，之後根據影像資料I或目視機器手臂1和待處理物3之相對位置來操控擬控手臂21，將擬控手臂本體211上各關節J5~J8擺放至所需要的位置後，再以按鈕2131及控制把手213調整夾取機構13之位置並夾取待處理物3。

實施例2

操作人員以手握住控制把手213之後根據影像資料I或目視機器手臂1和待處理物3之相對位置來操控擬控手臂21，將擬控 手臂本體211上各關節J5~J8擺放至所需要的位置後再用手指按壓按鈕2132以啟動傳送姿態資訊M之開關按鈕，之後再以按鈕2131及控制把手213調整夾取機構13之位置並夾取待處理物3。

請參閱第三圖，第三圖係為本發明擬控手臂各關節旋轉方向示意圖，圖中的J5關節旋轉方向y軸方向，J6關節，旋轉方向x軸方向，J7關節旋轉方向為x軸方向，J8關節旋轉方向為x軸方向。

本發明提供一種機器手臂控制系統之控制方法，請參閱第四圖，第四圖係為本發明機器手臂控制系統控制方法方塊示意圖。如第四圖所示，一種機器手臂控制系統之控制方法，其中該機器手臂系統包括一機器手臂及一控制模組，該控制模組包括一擬控手臂及一資訊處理裝置，該控制方法包括下列步驟：(A)操作人員操作該擬控手臂；(B)該擬控手臂之偵測目前的姿態並產生姿態資訊；(C)該資訊處理裝置根據該些姿態資訊產生控制訊號；(D)傳送該控制訊號以控制該機器手臂；(E)操作員判斷該機器手臂和一待處理物之相對位置是否正確，若是則進行步驟(F)，若否則進行步驟(G)；(F)停止控制或是進行其他動作；(G)重複步驟(A)至步驟(E)。

上述中，步驟(F)進行其他動作係為以該機器手臂夾取該待處理物。

上述中，步驟(A)操作人員係根據影像資料判斷並操作該擬控手臂。

上述中，步驟(D)操作人員確認該擬控手臂之姿態無誤後才傳送該控制訊號以控制該機器手臂。

本發明係一種適用於防爆處理的多軸機器手臂的控制系統，系統中有一依照實際機器手臂等比例縮小的多軸擬控手臂，此擬控手臂與實際的機器手臂為同動關係，因此操作員可藉由改變此擬控手臂的姿態來控制機器手臂達到相同的姿態。擬控手臂前端安裝了帶有按鈕的控制器，操作員在操作手臂時的同時可利用控制器上的按鈕控制手臂關節以外的動作，如夾爪旋轉、夾取或是機器手臂外掛設備，如水砲武器的控制、偵測模組：毒氣、核汙染環境偵測或探勘。此種操控方式增加了操縱者的直觀性，也能減少操控時所需的時間。

本發明係一種適用於防爆處理的多軸機器手臂的控制系統，在排爆作業時非常要求機器手臂的穩定度，因此擬控手臂控制鈕附有安全鎖的作用，當按住該按鈕時，機器手臂才會跟著擬控手臂的姿態作動，此方式可避免在排爆作業時誤觸擬控手臂導致機器手臂發生預期外的動作而使現場發生意外。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及 功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1:機器手臂

11:手臂本體

111:影像感測器

13:夾取機構

2:控制模組

21:擬控手臂

211:擬控手臂本體

213:控制把手

2131:按鈕

2132:按鈕

23:資料處理模組

3:待處理物

J1~J8:關節

A1~A4:訊號接收器

S1~S4:電子感應元件

S1~S4:電子感應元件

M:姿態資訊

C:控制訊號

I:影像資料

Claims (9)

1. 一種機器手臂控制系統，包括：一機器手臂，其置於一可移動裝置上，包括：一手臂本體，包括：複數個關節和複數訊號接收器，該複數訊號接收器用以接收複數控制訊號以控制該複數關節；一影像感測器，其擷取一待處理物之影像並輸出影像資料，其中，該待處理物係為爆裂物；及一夾取機構，其中，該夾取機構旋轉至特定位置後用以夾取該待處理物；以及一控制模組，其電接並控制該機器手臂及該可移動裝置，包括：一擬控手臂，其中，該擬控手臂係為依照該機器手臂等比例縮小至全長60公分以下之多軸手臂，包括：一擬控手臂本體，其包括複數個關節及複數個電子感應元件，其中該些複數個電子感應元件用以感測該複數個關節以形成並輸出複數姿態資訊；一控制把手，其位於該擬控手臂本體前端並具有複數個按鈕，用以控制該機器手臂，其中，該複數按鈕之一位於該控制把手之前端係為控制該通訊裝置傳送該些控制訊號之開關按鈕，其中，該些按鈕之一係為控制該夾取機構之旋轉角度，該些按鈕之一係為控制該夾取機構之夾取動作； 一接合底座，位於該擬控手臂本體後端；一資料處理模組，通過該接合底座與該擬控手臂本體連接，其中，該資料處理模組接收該複數姿態資訊，用以產生並傳送複數控制訊號來控制該機器手臂。
2. 如請求項1所述之機器手臂控制系統，其中該資料處理模組更包括一處理器，其接收姿態資訊，用以產生控制訊號來控制該機器手臂。
3. 如請求項2所述之機器手臂控制系統，其中該資料處理模組更包括一通訊裝置，其電性連接該處理器，用以傳送該些控制訊號。
4. 如請求項3所述之機器手臂控制系統，其中該資料處理模組更包括一螢幕，其電性連接該處理器及該通訊裝置，用以接收及顯示該影像資料。
5. 如請求項1所述之機器手臂控制系統，其中，該夾取機構更包括複數個壓力感測元件，用以感測該夾取機構夾取該待處理物之壓力。
6. 如請求項1所述之機器手臂控制系統，其中，該複數按鈕之一係為控制該夾取機構之按鈕。
7. 一種如請求項1所述之機器手臂控制系統之控制方法，該控制方法包括下列步驟：(A)操作人員操作該擬控手臂；(B)該擬控手臂之偵測目前的姿態並產生姿態資訊； (C)該資訊處理裝置根據該姿態資料產生控制訊號；(D)傳送該控制訊號以控制該機器手臂；(E)操作員判斷該機器手臂和一待處理物之相對位置是否正確，若是則進行步驟(F)，若否則進行步驟(G)；(F)停止控制或是進行其他動作；(G)重複步驟(A)至步驟(E)。
8. 如請求項7所述之控制方法，其中，步驟(F)進行其他動作係為以該機器手臂夾取該待處理物。
9. 如請求項7所述之控制方法，其中，步驟(A)操作人員係根據影像資料判斷並操作該擬控手臂。

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