专利名称：机器人与工作站之间的定位装置与定位方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人与工作站之间的定位装置与定位方法，且特别涉 及一种可使机器人与工作站之间达到精准定位的定位装置与定位方法。
背景技术：
近年来，机器人的开发逐渐受到重视，其中机器人常因工作任务需要， 例如电池自动更换、物品传送、造型更换、定点充电或机器人功能变更或扩 充等等，而需与特定工作站结合。举例而言，机器人的电力供应是维持机器人长时间运转的重要因素。目 前机器人多使用电池提供电源，若要使机器人具有长时间的续航力，则需要 搭载较大型的电池，如此将使得机器人的体积变大且需要较大的马力输出。 相对地，若是使用较小型且电量较低的电池，虽然可以改善上述缺点，但无 法提供机器人长久的电力供应，而必须增加对机器人的充电次数，以维持机 器人最佳的运转状态。就上述的例子而言，若可通过工作站自动对机器人充电，便可使机器人 达到长时间的连续运作，提升工作效率。另一方面，也可解决现有采用人力 更换电池造成的工时增加与成本问题。由于目前机器人的自动导引精确度尚 无法达成自动对准工作站，以更换电池的要求，因此如何使机器人与工作站 之间进行精准定位是首要解决的技术瓶颈。如图1所示，日本专利JP2003170747便提出一种电池交换装置。该专 利所揭露的定位方法主要是利用一对左右对称的拉引臂4，将其伸出后钩住 机器人X两侧的系止部A,再利用拉引部3将机器人X拉向装置本体2。同 时，由于定位部J与基座部7相互配合，所以在机器人X被拉引接近装置本 体2时，会使装置本体2沿着定位用滑轨9向左或向右滑动，直到定位部J 与基座部7完全配合，以达到定位的目的。上述前案的机器人的定位方式是以拉动机器人的方式来达到定位的目 的。然而，此种定位装置的设计复杂，且如果机器人重量过重或是或具有煞 车系统，便无法达成机器人定位的目的。此外，若是机器人到达预定位置时， 角度上有较大的偏差，则伸出的拉引臂便有可能无法同时钩住机器人，而导 致定位失败。除了上述提到的问题之外，如果机器人只搭载一颗电池，则当在进行电 池更换时，便会造成机器人断电。如此，在电池更换完毕之后，必须重新启 动机器人程式，使得整体的操作流程更形复杂。发明内容本发明涉及一种机器人与工作站之间的定位装置，可使机器人与工作站 之间达到精准且快速的定位。本发明还涉及一种机器人与工作站之间的定位装置，其可帮助机器人进 行准确且快速的电池更换作业。本发明另外涉及一种机器人与工作站之间的定位装置，其可在机器人更 换电池的同时，持续提供机器人电源。本发明又涉及一种机器人与工作站之间的定位方法，采用上述的定位装 置使机器人与工作站之间达到精准的定位。为具体描述本发明的内容，在此提出 一种机器人与工作站之间的定位装 置，其主要包括水平全向移动载具、至少一定位机构以及至少一配合结构。 水平全向移动载具用于承载工作站，而定位机构配置于水平全向移动载具与 机器人其中之一上。此外，配合结构配置于水平全向移动载具与机器人的另 一个上，并适于与定位机构相互配合，以使工作站与机器人达成定位。本发明更依据上述的定位装置提出一种机器人与工作站之间的定位方法。此定位方法首先驱动机器人到达预定位置；接着，驱动水平全向移动载 具与机器人上的定位机构与配合结构进行配合，其中迫使水平全向移动载具 相对于机器人移动，以使工作站与机器人达成定位。由于本发明使用水平全向移动载具来承载工作站，以与机器人进行定 位。因此，当机器人到达预定位置之后，虽然机器人与工作站之间具有位置 与角度上的偏差，但机器人不需再移动，而是由工作站相对于机器人移动， 以达到最终的精准定位。因此，本发明的定位装置可以避免前述所提到的现 有相关问题，进一步达成精准且快速的定位。值得一提的是，本发明的水平全向移动载具与机器人上更可分别配置有 一电源输出模组与 一 电源接收模组，使得电源输出模组与电源接收模组可在 工作站与机器人达成定位后相互连接，以通过水平全向移动载具对机器人提 供电源或进行充电。如此，便可在工作站对机器人进行更换电池或其他作业 时，确保机器人不断电，使机器人维持正常的运作状态。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实 施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1示出现有的一种电池交换装置。图2示出本发明一个实施例的一种定位装置与机器人结合的架构。图3A与3B依序示出通过本发明的定位装置对机器人进行定位的过程。图4为图3A与3B的定位过程的流程图。图5A与5B以及图6A与6B分别示出本发明其他具有不同配置的定位 机构与配合结构的实施例。图7A与7B示出将本发明的定位装置整合于机器人与工作站之间的一个实施例。图8-11分别示出将本发明的定位装置整合于机器人与工作站之间的其 他实施例。附图标记说明2:装置本体3:拉引部4:拉引臂7:基座部9:滑轨A:系止部J:定位部X:机器人200:定位装置210:水平全向移动载具212:活动轮214:停泊区216:空气管路216a:喷孔220:定位才几构222:定位件222a:接合端224:制动器230:配合结构230a:接合面240:感测器300:机器人302:驱动4仑304:活动轮 310电池320备用电池400工作站402电池更换才几构410电源接收模组420电源输出模组422电源输出端于510吊架520钢索D:距离G:地面具体实施方式
图2示出本发明一个实施例的一种定位装置与机器人结合的架构。如图 2所示，定位装置200主要包括水平全向移动载具210、定位机构220以及 配合结构230。水平全向移动载具210例如可搭载各类型的工作站，而为了 使水平全向移动载具210具有水平全向移动的效果，本实施例例如在水平全 向移动载具210的底部配置多个活动轮212,其中活动轮212足以支撑水平 全向移动载具210及其上方所承载的重量。此外，水平全向移动载具210呈 n形，而围出停泊区214，供停靠机器人300。在本实施例中，两个定位机 构220分别配置在停泊区214两侧的水平全向移动载具210上，而配合结构 230对应配置于机器人300的相对两侧，用以与定位才/L构220相互配合，以 对机器人300进行定位。请再参考图2,本实施例的定位机构220例如是由定位件222与制动器 224所构成，其中定位件222具有接合端222a，用以与配合结构230的接合 面230a相互配合。此外，制动器224连接于定位件222与水平全向移动载 具210之间，用以驱动定位件222移动。本实施例的制动器224例如具有直 线作动机构，以驱动定位件222沿直线方向移动。举例而言，制动器224可 以是气压缸、油压缸或其他可达到相同的直线作动效果的驱动装置。此外，本实施例的定位件222的接合端222a与配合结构230的接合面 230a的形状互补，以在定位时相互紧密契合。更详细而言，接合端222a与 配合结构230的接合面230a例如分别是由多个斜面所构成的锥状外型与凹 陷。当然，在其他实施例中，接合端222a与配合结构230的接合面230a也 可以是不同的外型，例如曲面或是其他各种型态的互补结构，以达到类似的 定位效果。另外，机器人300底部例如配置有多个驱动轮302与活动轮304,驱动
轮302提供机器人300移动的动力，而活动轮304可使机器人300转向，以 达成水平移动。为了确认机器人300与水平全向移动载具210的相对位置， 本实施例例如在水平全向移动载具210上配置至少一个感测器240。当机器 人300进入停泊区214而到达预定位置时，感测器240可送出感测信号，通 知系统进行下一步的定位动作。本发明可以采用的感测器240包括光学式感 测器，如光电开关、机械式感测器，如极限开关、或是超音波感测器等，可 -f见实际需求变更，在此并不加以限定。请一并参照图3A与3B,其依序示出通过定位装置200对机器人300进 行定位的过程。另外，图4为此定位过程的流程图。首先，如图3A所示，机器人300进入停泊区214而到达预定位置(步骤 Sl)。更详细而言，机器人300具有驱动轮302与活动轮304,并且可以依据 程式控制，自主行走于固定区域内。当机器人300感测本身电力不足时，则 由驱动轮302驱动并自主移动进入停泊区214。当感测器240感测到机器人 300到达预定位置后便送出感测信号，通知系统进行下一步的定位动作。接着，如图3B所示，系统接收到感测信号之后，驱动水平全向移动载 具210的定位机构220与机器人300上的配合结构230进行配合，其中迫使 水平全向移动载具210相对于机器人300移动，以使水平全向移动载具210 与机器人300达成定位(步骤S2)。更详细而言，位于停泊区214两侧的定位 机构220中的制动器224会驱动定位件222朝向机器人300直线移动。由于处于静止状态，因此当定位件222的定位端222a与配合结构230的接合面 230a进行配合时，水平全向移动载具210可随之调整位置与角度，以使机器 人300与水平全向移动载具210之间到达正确的相对位置，完成定位。本实施例的定位件222的接合端222a与配合结构230的接合面230a具 有互补的锥状外型与凹陷，因此可在定位时紧密契合，达到精准的定位。在 本发明的其他实施例中，通过曲面或是其他各种型态的互补结构也可以达到 相同的定位效果。值得一提的是，本发明并不限制定位机构与配合结构的数量与位置，例 如也可改为将定位机构配置于机器人上，而将配合结构配置于水平全向移动 载具上，以得到类似的效果。此外，定位机构与配合结构的数量也可随实际 状况有所不同，图5A与5B以及图6A与6B即示出本发明其他具有不同配
置的定位机构与配合结构的实施例。由于图中大部分构件与上述实施例类 似，因此采用相同的标号表示类似的构件，相关说明也请参照上述实施例， 此处不再赘述。如图5A与5B所示，本实施例在水平全向移动载具210所围出的停泊 区214的一侧配置完整的定位机构220,而停泊区214的另一侧则仅配置定 位件222或其他具定位效果的物件。机器人300的相对两侧同样配置有可与 定位件222相互配合的配合结构230。当水平全向移动载具210的定位才几构 220与机器人300上的配合结构230进行配合时，停泊区214的一侧的定位 机构220会朝向机器人300伸出定位件222,以使定位件222的定位端222a 与配合结构230的接合面230a进行配合。另一方面，停泊区214的另一个 侧的定位件222也会与机器人300的另 一个侧的配合结构230达成配合，以 使水平全向移动载具210随着调整位置与角度，而最终机器人300与水平全 向移动载具210之间可到达正确的相对位置，完成定位。另外，如图6A与6B所示，本实施例仅在水平全向移动载具210所围 出的停泊区214的一侧配置完整的一定位机构220，而机器人300也仅单侧 配置有配合结构230。当水平全向移动载具210的定位机构220与机器人300 上的配合结构230进行配合时，停泊区214的一侧的定位机构220会朝向机 器人300伸出定位件222,以使定位件222的定位端222a与配合结构230 的接合面230a进行配合。同时，停泊区214另一侧的机器人300与水平全 向移动载具210会相互承靠滑移。同样地，水平全向移动载具210也会随着 调整位置与角度，使得机器人300与水平全向移动载具210之间达成定位。下文将搭配机器人的电池更换作业来对本发明的机器人与工作站之间 的定位装置与定位方法作进一步的说明。值得一提的是，虽然此处是以机器 人的电池更换作业作为实施例，但本发明的定位装置与定位方法的应用并不 局限于此，其他诸如物品传送、造型更换、定点充电或机器人功能变更或扩 充等等需要对机器人与工作站进行精准定位的作业内容皆是本发明的定位 装置与定位方法可以应用的范围。此外，下述实施例中大部分构件与上述实 施例类似，因此采用相同的标号表示类似的构件，相关说明也请参照上述实 施例，以下不再赘述。图7A示出将上述的定位装置210整合于机器人300与工作站之间的实 施例，而图7B示出图7A的系统架构的侧;现图。如图7A与7B所示，工作
站400适于对机器人300进行电池自动更换的作业，用以将机器人300上的 电池310更换为另一个电力充足的电池。水平全向移动载具210承载工作站 400,且工作站400上配置了电池更换机构402以及备用电池320。当机器人 300与工作站400之间达成上述的定位动作之后，工作站400便可进行电池电池320。此外，本发明的工作站除了如上述可以更换单一电池的形式之外，亦可 同时更换机器人上的多个电池。如图8所示，工作站400的其他两侧也配置 有电池更换机构402与备用电池320,如此便可同时更换位于机器人300上 不同位置的电池310。所以，当机器人具有多个不同类型(如不同电压)的电 池，电池装置于不同位置，须于不同时间更换不同电池时，皆可通过本实施 例的工作站与定位装置达成更换电池的目的。另外，机器人如果只由单一电池供应电源，则在更换电池时会造成机器 人断电，必须于电池更换完成后重新启动机器人系统，使得整体的操作流程 更形复杂。因此，本发明更可以如图9所示，在机器人300上配置电源接收 模组410，并且在水平全向移动载具210上配置电源输出模组420。当机器 人300被定位完成后，电源输出模组420上的电源输出端子422便会与电源 接收模组410电极连接，以将电源输入至机器人300内部，所以机器人300 在更换电池310的同时，并不会有电源中断的情形发生。值得一提的是，电 源接收模组410与电源输出模组420除了具有上述应用之外，亦可以直接经 由电源输出模组420输出充电电源，以对机器人300内部的电池310进行充 电，而不需置换电池310，便可使机器人300储存足够的电源。上述实施例所提及的水平全向移动载具皆是通过活动轮来达到水平全 向移动的效果，然而本发明并不限于使用此种运动机制，以下将再列举几种 可使水平全向移动载具达到水平全向移动效果的方式。图10即示出通过气压的作用来使水平全向移动载具达到水平全向移动 的效果。如图IO所示，水平全向移动载具210内具有多个空气管路216,而 高压空气经由空气管路216进入水平全向移动载具210,并由水平全向移动 载具210底面的喷孔216a吹向地面G。如此，通过空气压力便可以使得水 平全向移动载具210脱离地面，成为浮动的状态。换言之，当高压空气作动 时，水平全向移动载具210便具有水平全向移动的效果。此外，类似的作用
机制更包括通过磁力，例如永久磁铁或电磁铁的同性相斥的原理，使得水平 全向移动载具210脱离地面而产生浮动的状态。相关的实施方式因为与本实 施例类似，故不再赘述。值得注意的是，通过上述气压或磁力等方式来达到水平全向移动效果的水平全向移动载具210，在一般状态下是与地面接触的，因此当要对机器人 300与水平全向移动载具210之间进行定位时，必需先使水平全向移动载具 210脱离地面，才可顺利进行定位的动作。更详细而言，在机器人300进入 预定位置之后，可通过气压或磁力驱动水平全向移动载具210上升，并且在 工作站400与机器人300达成定位之后，移除气压或是磁力，使水平全向移 动载具210下降。除了上述方式之外，其他亦有例如通过液体浮力的作用，以使水平全向 移动载具达到水平全向移动效果的机制。或者是，可通过悬吊的方式来使水 平全向移动载具达到水平全向移动的效果。图1便示出通过悬吊的方式来 使水平全向移动载具达到水平全向移动的效果。如图11所示，本实施例即 是利用悬吊的方式，提供吊架510,并通过钢索520连接水平全向移动载具 210，使得水平全向移动载具210与地面G产生距离D,所以水平全向移动 载具210可利用钢索520的摆动，而在水平方向上移动及转动。虽然上述实施例以机器人的电池更换作业来进行说明，然其并非用以限 定本发明的定位装置与定位方法的用途，其他诸如物品传送、造型更换、定 点充电或机器人功能变更或扩充等等需要对机器人与工作站进行精准定位 的作业内容皆是本发明的定位装置与定位方法可以应用的范围。举例而言， 通过本发明的定位装置与定位方法完成定位之后，亦可进行机器人与工作站 之间的物品及设备的传递或更换，例如进行机器人的造型更换，使机器人在 不同时间具有不同的造型变化，而发挥更多的功能。或者，机器人于一般工 作时仅背负简便的侦测设备，当发生如火灾等特殊状况时，再至工作站加装 消防等设备，进行特殊任务，达到机器人一般状况轻量化及节省机器人电量 消耗的目的。综上所述，由于本发明使用水平全向移动载具来承载工作站，以与机器 人进行定位。因此，当机器人到达预定位置之后，虽然机器人与工作站之间 具有位置与角度上的偏差，但机器人不需再移动，而是由工作站相对'于机器 人移动，因此可达到最终的精准定位，且对于具有煞车功能或无法轻易以手 动方式移动的才几器人而言，亦可顺利进行定位。另外，本发明的水平全向移 动载具与机器人上更可分别配置有电源输出模组与电源接收模组，以通过水平全向移动载具对机器人提供电源或进行充电，因此在工作站对机器人进行 更换电池或其他作业时，可确保机器人不断电，使机器人维持正常的运作状太心D虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润 饰，因此本发明的保护范围当由权利要求所界定的为准。
权利要求
1. 一种机器人与工作站之间的定位装置，包括水平全向移动载具，承载该工作站；至少一定位机构，配置于该水平全向移动载具与该机器人其中之一上；以及至少一配合结构，配置于该水平全向移动载具与该机器人的另一个上，适于与该定位机构相互配合，以使该工作站与该机器人达成定位。
2. 如权利要求1所述的机器人与工作站之间的定位装置，其中该水平 全向移动载具呈n形，且该定位装置具有两个定位机构与对应的两个配合结 构，其分别配置于该n形水平全向移动载具与该机器人其中之一的相对两 侧，以及该n形水平全向移动载具与该机器人的另一个的相对两侧。
3. 如权利要求1所述的机器人与工作站之间的定位装置，其中该定位 才几构包4舌定位件，具有4妻合端，用以与该配合结构相互配合；以及 制动器，连接于该定位件与该水平全向移动载具或该机器人之间，用以 驱动该定位件移动。
4. 如权利要求3所述的机器人与工作站之间的定位装置，其中该接合 端与该配合结构的接合面的形状为互补。
5. 如权利要求3所述的机器人与工作站之间的定位装置，其中该制动 器包括直线作动机构。
6. 如权利要求1所述的机器人与工作站之间的定位装置，其中该水平 全向移动载具是通过配置多个活动轮，或是通过气压、磁力或液体浮力的作 用，或是通过悬吊的方式，以达到水平全向移动的效果。
7. 如权利要求1所述的机器人与工作站之间的定位装置，更包括感测 器，配置于该水平全向移动载具或该机器人上，用以感测该水平全向移动载 具与该机器人之间的相对位置。
8. 如权利要求1所述的机器人与工作站之间的定位装置，更包括 电源输出模组，配置于该水平全向移动载具上；以及电源接收模组，配置于该机器人上，用以在该工作站与该机器人达成定 位后，连4妄该电源输出才莫组。
9. 一种机器人与工作站之间的定位方法，适用于定位装置，该定位装 置包括水平全向移动载具、至少一定位机构与至少一配合结构，其中该水平 全向移动载具承载该工作站，该定位机构配置于该水平全向移动载具与该机 器人其中之一上，而该配合结构配置于该水平全向移动栽具与该机器人的另一个上，并适于与该定位机构相互配合，该定位方法包括 驱动该机器人到达预定位置；以及驱动该定位机构与该配合结构进行配合，其中迫使该水平全向移动载具 相对于该机器人移动，以使该工作站与该机器人达成定位。
10. 如权利要求9所述的机器人与工作站之间的定位方法，其中该定位 机构包括定位件与制动器，该定位件具有接合端，而该制动器连接于该定位 件与该水平全向移动载具或该机器人之间，则驱动该定位机构与该配合结构进行配合的步骤包括通过该制动器驱动该定位件，以使该定位件的接合端与该配合结构进行 配合；以及在该定位件的接合端与该配合结构进行配合的过程中，迫使该水平全向 移动载具相对于该机器人移动，以使该工作站与该机器人达成定位。
11. 如权利要求9所述的机器人与工作站之间的定位方法，更包括在该 机器人进入该预定位置之后，驱动该水平全向移动载具上升，并且在该工作 站与该机器人达成定位之后，使该水平全向移动载具下降。
12. 如权利要求9所述的机器人与工作站之间的定位方法，更包括通过 感测器来感测该机器人是否到达该预定位置。
13. 如权利要求9所述的机器人与工作站之间的定位方法，更包括在该 工作站与该机器人达成定位后，通过该工作站来对该机器人提供电源或进行充电。
全文摘要
一种机器人与工作站之间的定位装置与定位方法，此定位装置主要包括水平全向移动载具、至少一定位机构以及至少一配合结构。水平全向移动载具用于承载工作站，而定位机构配置于水平全向移动载具与机器人其中之一上。此外，配合结构配置于水平全向移动载具与机器人的另一个上，并适于与定位机构相互配合，以使工作站与机器人达成定位。
文档编号B25J13/00GK101209552SQ200610172319
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月30日 优先权日2006年12月30日
发明者何侑伦, 巫震华, 王维汉, 邓明昌 申请人:财团法人工业技术研究院