电动关节校准方法及校准装置与流程

本发明涉及一种校准方法及校准装置，特别涉及一种电动关节校准方法及校准装置。

背景技术：

随着工业机械发展蓬勃，自动化设备、无线遥控等技术日益成熟，进而开始着重于机器人的研发，以执行工业上重复性高或是危险的工作。近年来，除了工业领域外，机器人的应用更拓展至国防、医疗、服务业以及居家伴随机器人。机器人往往被设计以执行精密的工作流程甚至更细腻，更拟人化的活动。

然而，当机器人的各身体组件在经组装时，往往会有些许角度上的偏差，导致各个机器人的关节的实际出厂默认值可能有所不同，进而使得这些机器人在接收同一中控系统的控制命令时，每个机器人执行命令的结果可能有所差异。举例来说，甲机器人在出厂时其手臂与地面垂直，而乙机器人在出厂时其手臂则与垂直于地面的轴夹有1度角（1°）。如此一来，当中控系统指示甲及乙机器人的手臂关节执行旋转任一角度时，甲及乙机器人的执行结果之间将会有1度角（1°）的差异。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电动关节校准方法及校准装置。

为达到上述目的，本发明于方法层面采用的技术方案是：

一种电动关节校准方法，用于校准一机器人的一关节，该关节具有一马达，该电动关节校准方法包含：

控制所述马达由一初始位置往第一方向转动同时取得该马达的一第一转动电流值；

当所述第一转动电流值等于一预先定义的最大电流值时，侦测一第一量测值，该第一量测值对应于所述关节的一第一转动角度；

控制所述马达往相反于所述第一方向的第二方向转动同时取得该马达的一第二转动电流值；

当所述第二转动电流值等于所述预先定义的最大电流值时，侦测一第二量测值，该第二量测值对应于所述关节的一第二转动角度；以及

依据所述第一量测值及所述第二量测值产生一校准值。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，依据所述第一量测值及所述第二量测值产生所述校准值包含依据所述第二量测值的二分之一减掉所述第一量测值的一计算结果产生所述校准值。

2．上述方案中，依据所述第一量测值及所述第二量测值产生所述校准值包含依据所述第二量测值的二分之一减掉所述第一量测值取得一计算结果，并将该计算结果乘以一调整系数以产生所述校准值。

3．上述方案中，依据所述第一量测值及所述第二量测值产生所述校准值包含依据所述第二量测值的二分之一减掉所述第一量测值取得一计算结果，并将该计算结果加上一调整值以产生所述校准值。

为达到上述目的，本发明于方法层面采用的另一技术方案是：

一种电动关节校准方法，适用于一电动关节校准装置，该电动关节校准装置具有一距离传感器，该电动关节校准方法用以校准一机器人的一关节，该关节具有一马达以带动该机器人的一身体组件转动，该电动关节校准方法包含：

控制所述马达由一初始位置往一方向转动并侦测一第一距离，该第一距离指示所述身体组件与所述距离传感器之间的距离；

当所述第一距离等于一预设距离时，侦测一量测值，该量测值对应于所述关节的一转动角度；以及

依据所述量测值及对应于所述预设距离的一预设量测值，产生一校准值。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，依据所述第一量测值及对应于所述预设距离的所述预设量测值产生所述校准值包含依据所述预设量测值减掉所述量测值的一计算结果产生所述校准值。

2．上述方案中，依据所述第一量测值及对应于所述预设距离的所述预设量测值产生所述校准值包含依据所述预设量测值减掉所述量测值取得一计算结果，将所述计算结果乘以一调整系数以产生所述校准值。

3．上述方案中，依据所述第一量测值及对应于所述预设距离的所述预设量测值产生所述校准值包含依据所述预设量测值减掉所述量测值取得一计算结果，将所述计算结果加上一调整值以产生所述校准值。

为达到上述目的，本发明于结构层面采用的技术方案是：

一种电动关节校准装置，用以校准一机器人的一关节，该关节具有一马达用以带动该机器人的一身体组件转动，该电动关节校准装置包含：

多个限位治具，用以阻挡所述身体组件转动使所述马达的一转动电流具有一预先定义的最大电流值；

一电流侦测电路，用以侦测所述马达的所述转动电流；

一角度传感器，用以侦测对应于所述关节的转动角度的量测值；以及

一控制器，连接于所述电流侦测电路及所述角度传感器，用以连接并控制所述马达往第一方向转动并自所述电流侦测电路取得一第一转动电流值，当判断该第一转动电流值等于所述预先定义的最大电流值时，自所述角度传感器取得一第一量测值，再控制所述马达往相反于所述第一方向的第二方向转动并自所述电流侦测电路取得一第二转动电流值，当判断该第二转动电流值等于所述预先定义的最大电流值时，自所述角度传感器取得一第二量测值，并依据所述第一量测值及所述第二量测值产生一校准值。

为达到上述目的，本发明于结构层面采用的另一技术方案是：

一种电动关节校准装置，用以校准一机器人的一关节，该关节具有一马达用以带动该机器人的一身体组件转动，该电动关节校准装置包含：

一距离传感器，用以侦测所述身体组件与所述距离传感器之间的一第一距离；

一角度传感器，用以侦测对应于所述关节的转动角度的量测值；以及

一控制器，连接于所述距离传感器及所述角度传感器，用以连接并控制所述马达往一方向转动并自所述距离传感器取得所述第一距离，在判断该第一距离等于一预设距离时，自所述角度传感器读取一量测值，并依据所述量测值及对应于所述预设距离的一预设量测值，产生一校准值。

本发明的工作原理及优点如下：

相比现有技术而言，本发明所揭示的电动关节校准方法及校准装置，可以取得机器人的关节的实际出厂默认位置与理想默认位置之间的角度差，并据以产生校准值，使得在后续机器人的控制中，可依据校准值以调整控制指令，提升机器人执行控制指令的精准度。

附图说明

附图1a为依据本发明一实施例所绘示的电动关节校准装置的侧视图；

附图1b为依据本发明一实施例所绘示的电动关节校准装置的局部前视图；

附图2为依据本发明一实施例所绘示的电动关节的校准方法的流程图；

附图3a～3c为依据本发明一实施例所绘示的电动关节校准装置的运作示意图；

附图4a为依据本发明另一实施例所绘示的电动关节校准装置的侧视图；

附图4b为依据本发明另一实施例所绘示的电动关节校准装置的局部前视图；

附图5为依据本发明另一实施例所绘示的电动关节校准方法的流程图；

附图6a及6b为依据本发明另一实施例所绘示的电动关节校准装置的运作示意图；

附图7a为依据本发明又一实施例所绘示的电动关节校准装置的前视图；

附图7b及7c为依据本发明又一实施例所绘示的电动关节校准装置的侧视图。

以上附图中：1．机器人；10．关节；12．身体组件；100．马达；102．齿轮组；2．电动关节校准装置；3．电动关节校准装置；4．电动关节校准装置；21a．限位治具；21b．限位治具；23．电流侦测电路；25．角度传感器；35．角度传感器；27．控制器；37．控制器；y．理想默认位置；p0．初始位置；θ0．偏差角度；d1．第一方向；p1．第一位置；θ1．第一转动角度；d2．第二方向；p2．第二位置；θ2．第二转动角度；31．距离传感器；41a～41n．距离传感器；w0．预设距离；w1．第一距离；d3．第三方向；p3．第三位置；θ3．第三转动角度。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：请参考图1a及1b，图1a及1b分别为依据本发明一实施例所绘示的适用于机器人1的关节10的电动关节校准装置2的侧视图及局部前视图。如图1a及1b所示，电动关节校准装置2用以校准机器人1的关节10，其中机器人1的关节10为电动关节，具有马达100以带动机器人的身体组件12转动。电动关节校准装置2包含有多个限位治具21a及21b、电流侦测电路23、角度传感器25以及控制器27，其中控制器27连接于电流侦测电路23及角度传感器25。

限位治具21a及21b用以阻挡机器人1的身体组件12转动而使得马达的转动电流具有预先定义的最大电流值。详细来说，以图1a及1b所呈现的实施例来作说明，在马达100带动身体组件12逆时针转动的过程中，身体组件12会被限位治具21a阻挡而无法转动，也就是说，马达100会呈堵转状态，此时马达100的转动电流将具有预先定义的最大电流值，其中预先定义的最大电流值为马达100的堵转电流值。另一方面，在马达100带动身体组件12顺时针转动的过程中，身体组件12会被限位治具21b阻挡而呈堵转状态，使马达100的转动电流将具有预先定义的最大电流值。于此实施例中，限位治具21a及21b的数量以两个为例，然而本发明并不限于此。于此实施例中，电动关节校准装置2用以校准机器人1的关节10，其中关节10在此例中为肩膀关节，但本发明并不限于此，亦可用于脖子关节或四肢关节。

电流侦测电路23受控于控制器27并用以连接于马达100以取得马达100的转动电流。详细来说，电流侦测电路23可以依据控制器27的控制指令定期地取得马达100的转动电流，再将其回传至控制器27。

角度传感器25则用以侦测对应于关节10的转动角度的量测值。如图1b所示，角度传感器25以对应于关节10的齿轮组102的方式设置。于此实施例中，角度传感器25例如为增量型的磁式角度传感器，其量测值为电压值，范围可为0～3.3伏特（v），且量测值与转动角度间具有比例关系，此比例关系视角度传感器25可量测的转动角度范围而定。

举例来说，在角度传感器25可量测的转动角度范围为0～180度（0°~180°）的情况下，角度传感器25侦测得1.1v的量测值即对应于60度（60°）的转动角度；也就是说，当角度传感器25所侦测到的量测值为1.1v时，即可判断关节10转动了60度（60°）。举另一个例子，在角度传感器25可量测的转动角度范围设计为0～360度（0°~360°）的情况下，当角度传感器25侦测到1.1v的量测值时，即可判断关节10转动了120度（120°）。本领域技术人员得以依据实际所需来设计角度传感器可量测的角度范围。以机器人的脖子关节为例，为了符合人类的肢体动作，可以设计转动角度范围为0～180度（0°~180°）的角度传感器。而以肩膀关节为例，则可设计转动角度范围为0～360度（0°~360°）的角度传感器。

控制器27用以连接至马达100，以控制马达100往一方向转动，并同时判断来自电流侦测电路23的转动电流值是否等于马达100的预先定义的最大电流值。当控制器27判断转动电流值等于预先定义的最大电流值时，控制器27控制角度传感器25侦测对应于转动角度的量测值，并接着控制马达100往另一方向转动，以同于上述的判断步骤取得另一量测值，再依据两个量测值产生校准值以完成机器人1的关节10的校准。

于另一实施例中，角度传感器25亦可为内建于机器人1的组件，而电动关节校准装置2可以包含有无线收发器以无线的方式执行驱动马达100、侦测马达100的电流以及读取角度传感器25的量测值的动作。

详细的校准方法请一并参考图1b、图2及图3a～3c。图2为依据本发明一实施例所绘示的机器人关节的电动关节校准方法的流程图，而图3a～3c则为依据本发明一实施例所绘示的机器人关节的电动关节校准装置的运作示意图。如图3a所示，电动关节校准装置2在对机器人1的关节10进行校准时，电动关节校准装置2的控制器27会先控制关节10的马达100转动，使身体组件12转动至初始位置p0，即实际出厂默认位置。由图3a可得知，初始位置p0与理想默认位置y之间夹有偏差角度θ0。由于多个机器人可能各自会有不同的偏差角度，故当这些机器人接收同一中控系统的控制命令（例如将手臂向前举30度（30°））时，每个机器人执行命令的结果可能会有所差异。因此通过图2所示的电动关节校准方法可以判断出如图3a中所示的偏差角度θ0，再依据此偏差角度θ0计算出校准值，以供后续对机器人的控制使用。

详细来说，如图2、3a及3b所示，于步骤s101中，控制器27控制马达100由初始位置p0往第一方向d1转动，同时控制电流侦测电路23取得马达100的第一转动电流（即马达100沿第一方向d1转动时的电流值）。当马达100带动身体组件12转动至第一位置p1时，身体组件12被限位治具21a阻挡而无法继续转动，此时马达100呈堵转状态，且其转动电流值将为预先定义的最大电流值。因此，于步骤s103中，当控制器27判断电流侦测电路23所取得的第一转动电流等于预先定义的最大电流值时，即表示马达100因身体组件12受阻而堵转，此时控制器27控制角度传感器25侦测第一量测值，此第一量测值对应于关节10的第一转动角度θ1，即初始位置p0及第一位置p1之间的夹角。

接着，如图2、3b及3c所示，于步骤s105中，控制器27控制马达100自第一位置p1往第二方向d2转动，同时控制电流侦测电路23取得马达100的第二转动电流（即马达100沿第二方向d2转动时的电流值）。同于前述判断马达堵转的原理，于步骤s107中，当控制器27判断电流侦测电路23所取得的第二转动电流等于预先定义的最大电流值时，即表示马达100因身体组件12在第二位置p2被限位治具21b阻挡而堵转，此时角度传感器25侦测第二量测值，此第二量测值对应于关节10的第二转动角度θ2，即第一位置p1与第二位置p2之间的夹角。

再来于步骤s109中，控制器27依据第一量测值及第二量测值来产生校准值。更详细来说，如图3a～3c所示，偏差角度θ0可由第一转动角度θ1及第二转动角度θ2计算推得，即方程式θ0=1/2*θ2-θ1。再者，如前所述，角度传感器25所量测出的量测值（例如为电压值）与关节10的转动角度间具有比例关系。于一实施例中，校准值可为第二量测值的二分之一减掉第一量测值的计算结果，也就是说校准值为对应于偏差角度θ0的电压值。而于另一实施例中，校准值为第二量测值的二分之一减掉第一量测值的计算结果再乘以调整系数而得。于又一实施例中，校准值则为第二量测值的二分之一减掉第一量测值的计算结果再加上调整值而得。如此一来，当理想默认位置并非位于第二转动角度θ2的一半时，可将理想默认位置与第二转动角度θ2的一半的差值设定为所述调整值，以取得对应于所述理想默认位置的校准值。

此外，上述实施例是以逆时针作为第一方向d1再以顺时针作为第二方向d2为例，然而本发明亦可以先顺时针再逆时针的顺序进行校准。

接下来请参考图4a及4b，图4a及4b分别为依据本发明另一实施例所绘示的电动关节校准装置的侧视图及局部前视图。如图4a及4b所示，电动关节校准装置3同于图1a及1b所示的电动关节校准装置2，用于校准机器人1的关节10，其中关节10具有马达100以带动机器人1的身体组件12转动。电动关节校准装置3包含距离传感器31、角度传感器35以及控制器37，其中控制器37连接于距离传感器31及角度传感器35。

距离传感器31例如是红外线传感器，用于侦测身体组件12与距离传感器31之间的距离。角度传感器35用以侦测对应于关节10的转动角度的量测值。类似于图1b的实施例中所述的角度传感器25，如图4b所示，角度传感器35对应于关节10的齿轮组102以设置，其量测值例如为电压值且与关节10的转动角度间具有比例关系，详细的比例关系如前所述，于此不再赘述。

控制器37用于连接至马达100以控制其往一方向转动，并判断距离传感器31所侦测的距离是否等于预设距离。当控制器37判断距离传感器31所侦测的距离等于预设距离时，控制器37控制角度传感器35侦测对应于转动角度的量测值，再依据此量测值以及对应于预设距离的预设量测值产生校准值。

于另一实施例中，角度传感器35亦可为内建于机器人1的组件，而电动关节校准装置3可以包含有无线收发器以无线的方式执行驱动马达100以及读取角度传感器25的量测值的动作。

详细的校准方法请一并参考图4b、5、6a及6b。图5为依据本发明另一实施例所绘示的机器人关节的电动关节校准方法的流程图，图6a及6b则为依据本发明另一实施例所绘示的电动关节校准装置的运作示意图。如图6a所示，电动关节校准装置3在对机器人1的关节10进行校准时，电动关节校准装置3的控制器37会先控制关节10的马达100转动，使身体组件12转动至初始位置p0（实际出厂默认位置），其中初始位置p0与理想默认位置y之间夹有偏差角度θ0。

为了取得偏差角度θ0以计算出校准值，如图5、6a及6b所示，于步骤s201中，控制器37控制马达100由初始位置p0往第三方向d3转动，并控制距离传感器31侦测身体组件12与距离传感器31之间的距离作为第一距离w1。当控制器37自距离传感器31取得第一距离w1时，会判断第一距离w1是否等于预设距离w0，其中预设距离w0对应于一预设转动角度。于步骤s203中，如图6b所示，当关节10的马达100带动身体组件12转动至第三位置p3且此时身体组件12与距离传感器31之间的第一距离w1等于预设距离w0时，控制器37会控制角度传感器35侦测关节10的第三转动角度θ3以取得量测值，其中第三转动角度θ3即为初始位置p0及第三位置p3之间的夹角。

理想上，若机器人的身体组件的初始位置与理想默认位置y之间无偏差角度，则当身体组件与距离传感器31之间的距离等于预设距离w0时，关节从初始位置转动了默认转动角度，因此角度传感器35所测得的量测值所对应的转动角度应等于预设转动角度。然而，于图6a～6b的实施例中，机器人1的身体组件12的初始位置p0与理想默认位置y之间具有偏差角度θ0，因此当身体组件12与距离传感器31之间的距离等于预设距离w0时，角度传感器35所测得的量测值所对应的转动角度（第三转动角度θ3）将不等于预设转动角度，两者之间的差即为偏差角度θ0。

因此于步骤s205中，控制器37依据对应于第三转动角度θ3的量测值以及对应于预设距离w0的预设量测值以产生校准值。如前所述，预设距离w0对应于预设转动角度，即第三位置p3与理想默认位置y之间的夹角。又控制器37可将预设转动角度依照角度传感器35的转动角度-量测值比例关系取得对应的预设量测值，再减去对应于第三转动角度θ3的量测值以取得对应于偏差角度θ0的计算结果。于一实施例中，校准值即为所述对应于偏差角度θ0的计算结果，而于另一实施例中，校准值为以此计算结果再乘上调整系数而得，于又一实施例中，校准值则为以此计算结果在加上调整值而得。

上述实施例中的电动关节校准装置2或3更可以包含内存电性连接于控制器27或37以储存通过电动关节校准方法所产生的校准值，因此在后续机器人1的控制中，可以依据所述校准值调整控制指令。举例来说，当机器人1的关节10的初始位置p0（实际出厂默认位置）与理想默认位置y之间的偏差角度θ0为1度角时，经上述实施例的电动关节校准装置2或3的校准，会产生并储存对应于1度角的校准值。而在后续机器人1的控制中，当控制者欲使机器人1将身体组件12抬举20度角（20°），中控系统可依据校准值调整控制指令为抬举19度角（19°），如此一来机器人1即可精准地将身体组件12抬举20度角（20°）。

上述实施例仅以对机器人的其中一身体组件的校准来作说明。请参考图7a～7c，图7a～7c为依据本发明又一实施例所绘示的电动关节校准装置的前视图及侧视图。如图7a～7c所示，电动关节校准装置4具有多个距离传感器41a～41n，可以依序或同时对多个关节进行校准以取得各关节的校准值。举例来说，通过距离传感器41a及41f可以针对机器人1的抬头角度产生校准值；通过距离传感器41b及41c可以针对机器人1的转头角度产生校准值；通过距离传感器41d可以针对右大臂的张开角度产生角准值；通过距离传感器41g及41h可以针对右大臂的前后摆动角度产生校准值；通过距离传感器41i及41j可以针对右小臂的前后角度或手肘方向产生校准值，而详细的校准方法如前所述于此便不再赘述。

通过上述本发明所揭示的电动关节校准方法及校准装置，可以取得机器人的关节的实际出厂默认位置与理想默认位置之间的角度差，并据以产生校准值，使得在后续机器人的控制中，可依据校准值以调整控制指令，提升机器人执行控制指令的精准度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。