本实用新型是有关于一种扩增实境仿真系统，特别是有关于一种用于操纵工业机器人的扩增实境仿真系统。
背景技术：
工业机器人在汽车、电子、食品加工等制造业领域的应用越来越普及。工业机器人在自动化集成应用以及教学应用过程中，经常要用到机器人的仿真示教系统。但是，工业机器人的体积大、输出功率大、编程复杂，且使用时对周边环境要求高等等，使工业机器人推广困难。另外，工业机器人使用上还存在下列问题，第一，工业机器人在集成应用时成本高且集成困难，存在调试应用的危险，虽然存在一些工业机器人仿真软件能够可视化的仿真环境及设备运行，例如中国专利CN101751004A号，其可以透过通用的工业计算机进行模拟的仿真运行，但由于通用的工业计算机无法将真实的工业机器人工作的所在环境以及工作时的干扰条件直观显示出来，导致虚拟的工业机器人与真实的工业机器人在工作环境运行情况出现较大差异，所以本专利提出的模拟运行方法仅适用于验证工业机器人本体的运动性能测试。
第二，随着人口红利的下降，工业机器人应用越来越广泛，特别在焊接，高精密装配，喷涂，搬运码垛，智能制造，工业自动化培训教学过程等等，工业机器人的应用占据重要地位。但由于工业机器人成本高，操作危险，占地空间大，维护困难，对于一般学校及小企业存在设备配套困难等问题，导致大多数的工业机器人教学还是停留在理论教学，很难让学生有实践机会。目前虽然有一些仿真系统能够进行一些基本的机器人模拟程序设计，但多使用通用的工业计算机，在模拟环境下进行示教，如中国专利CN104834230A号所描述的通过工业机器人示教器，其透过示教器与通用计算机作为显示的仿真系统，由于工业机器人零部件多，空间坐标又非常复杂，计算机平面化(2D)屏幕显示、仿真效果与实际操作体验较差，无法让使用者达到使用实际工业机器人程序设计及示教的体验。
另外，如使用手机屏幕自动化安装的工业机器人组装生产线的六轴工业机器人工作站的集成应用当中，于机器人的选型及机器人集成调试过程，需要直接采用真实的工业机器人并且需要直接上机调试，以确认该机器人的选型大小臂长是否合适，示教动作及机器人周边的工装夹具是否合适，且集成调试工程人员需要反复试验示教程序设计结果及安全性，都具有一定的不确定性，一旦发现选型及设计失误就会造成极大的成本损失。
技术实现要素：
综上叙述，为改进现有技术所提及的缺陷，本实用新型提供一种扩增实境仿真系统，具有机电系统、增强现实显示系统以及仿真平台，机电系统与增强现实显示系统电性连接，增强现实显示系统与仿真系统电性连接；机电系统包括手持示教器、运动控制器以及机器人仿真器，使用者将增强现实显示系统配戴于头部，透过增强现实显示系统，于图像识别定位器中看到3D虚拟工业机器人工作站；以及使用者透过手持示教器，使3D虚拟工业机器人工作站做动。
优选的，增强现实显示系统包括扩增实境智能眼镜、红外摄像头、HDU显示镜片以及高亮液晶投影屏，高量液晶投影屏发出的投影图像，经过HDU显示镜片的反射，形成投影图像反射光线，并反射至使用者的眼睛内；外来光线经过HDU显示镜片折射，并形成外来光线折射光线；外来光线折射光线与投影图像反射光线迭加合成后，形成3D虚拟工业机器人工作站。
优选的，红外摄像头通过捕获平面的图像识别定位器的红外标示图案获得外部的三维世界坐标，然后将3D虚拟工业机器人工作站覆盖显示在图像识别定位器之上，从而达到使用者看到3D虚拟工业机器人与实际环境融合增强的显示效果。
优选的，机器人仿真器中包括多个扩增实境模拟工艺包。
优选的，机器人仿真器采用无线通信方式与扩增实境智能眼镜通讯。
优选的，机器人仿真器中包括了多个仿真伺服关节以及IO仿真器，由多个FPGA所构成。
优选的，机器人仿真器中更包括有串口调适接口。
本实用新型另外提供一种工业机器人扩增实境示教方法，是使用上述的扩增实境仿真系统，通过手持示教器的示教编程，将机器人的轴角信息以及世界坐标信息发送给3D虚拟工业机器人，从而达到控制3D虚拟工业机器人工作站的示教。
本实用新型结合工业机器人示教器进行工业机器人实际操作、程序设计。使用者透过扩增实境智能眼镜中的3D虚拟工业机器人工作站代替实际的工业机器人本体，采用示教器操作程序设计控制虚拟的3D工业机器人，且虚拟的3D工业机器人与实体的工业机器人运动，控制结果完全一致，从而达到增强现实工业机器人模拟操控体验接近于实际工业机器人应用。
附图说明
图1是根据本实用新型所揭露的技术，表示扩增实境仿真系统的系统架构图；
图2是根据本实用新型所揭露的技术，表示扩增实境仿真系统运作时，详细各部件的信号传递的流程图；
图3A是根据本实用新型所揭露的技术，表示扩增实境智能眼镜在运作时的示意图；
图3B是根据本实用新型所揭露的技术，表示为扩增实境智能眼镜于使用者眼睛内成像的示意图；
图4是根据本实用新型所揭露的技术，表示扩增实境仿真系统运作时，各部件的信号传递的流程图；
图5是根据本实用新型所揭露的技术，扩增实境仿真系统的机器人仿真器采用的实现架构图；以及
图6是根据本实用新型所揭露的技术，表示扩增实境仿真系统实现多屏互动的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本实用新型，在此配合所附的图式、具体阐明本实用新型的技术特征与实施方式，并列举较佳具体实施方式进一步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本实用新型特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。
首先，请参考图1，为扩增实境仿真系统A的系统架构图。如图1所示，扩增实境仿真系统A具有机电系统1、增强现实显示系统2以及仿真平台3等三大设备，其中，机电系统1包括:手持示教器11、运动控制器12以及机器人仿真器13；而增强现实显示系统2包括:扩增实境智能眼镜21、红外摄像头22、HDU显示镜片23以及高亮液晶投影屏24；以及仿真平台3包括:图像识别定位器31与复数个红外标记点32。机电系统1中的手持示教器11是用于编程工业机器人的示教；运动控制器12是用于控制工业机器人的伺服运动；机器人仿真器13是用于编程过的工业机器人姿态数据的解算。增强现实显示系统2中的扩增实境智能眼镜21是用于将工业机器人成像；配合增强现实显示系统2载有的红外摄像头22，红外摄像头22用来产生一个摄像光线，让配戴增强现实显示系统2的使用者6看见3D虚拟工业机器人工作站V形成在图像识别定位器31上；此外，配合高亮液晶投影屏24的双镜片影像迭加功能，可以让用户6能个清晰的看见3D虚拟工业机器人工作站V。仿真平台3中的图像识别定位器31是用于限制3D虚拟工业机器人工作站V的成像区域，利用图像识别定位器31所附有的红外标记点32来实现限制手段。
请接着参考图2，图2所示为表示扩增实境仿真系统A运作时，详细各部件的信号传递的流程图。此系统的手持示教器11类似于传统的实体工业机器人示教盒，运动控制器12类似于传统的实体工业机器人的控制器，机器人仿真器13类似于传统上的工业机器人伺服驱动器与伺服电机，扩增实境智能眼镜21是传统上所没有的。在本系统中，手持示教器11是供使用者6指导3D虚拟工业机器人工作站V的姿态及调整位置用，机器人仿真器13是用于将手持示教器11所传来的讯号转变成机器人仿真器13可读的讯号，以方便讯号处理。机器人仿真器13是用于将来自运动控制器12的讯号运算及解算，生成扩增实境至智能眼镜可读的数据并传送给扩增实境智能眼镜21，扩增实境智能眼镜21生成包括虚拟机人的关节姿态与工作站的DI/DO外设数据的虚拟工业机器人工作站影像。同时，图像识别定位器31会侦测使用者6在使用时的位置并传给机器人仿真器13，增强现实显示系统2中的陀螺仪26在第一时间会侦测使用者6姿态等讯息，并在第二时间的回馈给机器人仿真器13，第一时间与第二时间仅间隔6微秒的时间，机器人仿真器13于第四时间再次进行解算。陀螺仪26(gyroscope)是一种用来感测与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪26是由一个位于轴心且可旋转的转子所构成。陀螺仪26开始旋转时，由于转子会连带转动，转子形成的角动量使陀螺仪26有抗拒方向改变的趋向。
请继续参考图2，于手持示教器11中，包含多个部分，例如文件管理111、示教拖动112、参数设置113、坐标系设置114与程序仿真115等多个模块。多个模块在手持示教器11上具有相对应的按键或是游戏杆，以方便使用者6操作。使用者6一边操作，透过手持示教器11所包含的工业机器人示教通讯协议116将处理过的讯号传递给运动控制器12。工业机器人示教通讯协议116通常是一个无线网络卡，建立在例如是WiFi、3G或是WiMax等等的的网络通讯协议之下，也可以是一个路由器、集线器、交换器或是IP分享器，任何具有路由功能的仪器设备皆可。运动控制器12接收到手持示教器11的讯号后，将其转变成机器人仿真器13可读的控制讯号。运动控制器12类似于传统工业机器人的控制器，可包括位置控制器、力矩控制器或是混合式控制器，以控制机器人的质心位置、机身挪动时的力矩等等，将手持示教器11输出的位置信号集合，转变成电压讯号集合，并传递给机器人仿真器13。为了实现位置讯号转变成电压讯号的功能，运动控制器12中包括了多个数字信号处理器(DSP)，以将模拟的位置讯号转变成数字的电压信号，并输出给机器人仿真器13以供处理。机器人仿真器13仅能处理数字讯号，故需要DSP的协助也能将讯号转成机器人仿真器13的可读讯号。机器人仿真器13透过总线(bus)的方式与运动控制器12连接。此总线是建立在串行式通讯协议，特别是Modbus上。
请回到图1，本实用新型的扩增实境仿真系统A的运作方式为：使用者6将增强现实显示系统2配戴于头部，透过增强现实显示系统2，于图像识别定位器31中看到3D虚拟工业机器人工作站V；以及使用者6透过手持示教器11编程，编程经过机电系统1运算，并传递给增强现实显示系统2后，以控制3D虚拟工业机器人工作站V在仿真平台内作动。3D虚拟工业机器人工作站V能够等比例的将实体工业机器人虚拟出来，例如实体工业机器人是一个高100公分的机器人，则3D虚拟工业机器人工作站V也是高100公分。并且，交互的体验方式，可让使用者6进行接近于实体工业机器人操作控制体验，即可以不须碰触即看到实体工业机器人的状况下，操纵3D与示教虚拟工业机器人，有「模拟」操作的效果。
扩增实境仿真系统A中，机器人仿真器13采用无线通信方式与扩增实境智能眼镜21通信，以传输3D虚拟工业机器人工作站V的机器人运动信息，包括机器人关节D-H数据表、机器人世界坐标系、机器人DI、机器人DO，以及机器人实时的故障及报警信息。其中，机器人关节D-H数据表是3D虚拟工业机器人工作站V中机器人手臂、手指、背部或是脚部等各个关节的运动速度或是坐标等数据组合所构成的数据表，而机器人DI、机器人DO是关于机器人的位置数据。使用者6通过扩增实境智能眼镜21，既能看到3D虚拟工业机器人工作站V的实时运动效果及姿态，也能够看到3D虚拟工业机器人工作站V的相关数据参数，例如机器人世界坐标状态，机器人运动控制器12的DI及DO状态等。
此外，在本实用新型另一实施例中，扩增实境仿真系统A更可以对于多个不同用途的工业机器人进行模拟，例如焊接机器人、分拣机器人或是码垛机器人等等。透过在手持示教器11增添多个扩增实境模拟工艺包，来实现对于不同用途的的工业机器人进行模拟。实境模拟工艺包即：工业机器人在实际工业应用中的工作站，是指除工业机器人本体之外还配套的自动化设备应用，使其能够满足自动化需求的整套设备应用，如工业机器人弧焊应用，工业机器人冲压机床上下料应用等，在此，该系统通过软件建立出多种工业机器人的工艺工作站3D虚拟模型，使其与真实工业机器人应用完全一致。工业在增添扩增实境模拟工艺包后，除了能够模拟不同用途的工业机器人外，还能够增强现实仿真机器人的结构认知，例如维护方法，电气接线等教学应用，使得一个工业机器人能够进行多个不同种类的工作。
接着请参考图3A，为扩增实境智能眼镜21在运作时的示意图。如图3A所示，HDU显示镜片23为一离轴式的自由曲面(freeform)的透镜，配合涂布在透镜上的涂料，让HDU显示镜片23不仅可以透光，还可以反射光线，故HDU显示镜片23又称为半反半透镜片。请继续参考图3A所示，高亮液晶投影屏24发出的投影图像24L，经过HDU显示镜片23的反射，形成投影图像反射光线24R，并反射至使用者6的眼睛内，同时，外来光线25L经过HDU显示镜片23折射，形成外来光线折射光线25T。外来光线折射光线25T与上述投影图像反射光线24R迭加合成后，在使用者6眼睛内的视网膜上成像。接着，请继续参考图3B，为扩增实境智能眼镜21于使用者6眼睛内成像的示意图。如图3B所示，高亮液晶投影屏24中具有两个虚拟工业机器人工作站影像。此两个虚拟工业机器人工作站影像透过图3A中所述方法，藉由HDU显示镜片23，在使用者6眼内的视网膜上形成的3D虚拟工业机器人工作站V为一个。同时，此两个虚拟工业机器人工作站影像会分别投射到使用者6的左右两眼，可能是一个虚拟工业机器人工作站投射到使用者6的左眼，也可能是画面左方的一个虚拟工业机器人工作站投射到使用者6右眼。不论如何，透过使用者6两眼所看到的虚拟工业机器人工作站影像，透过用户6大脑将影像迭加，加上外来光线折射光线25T辅助，让使用者6会看到一个3D虚拟工业机器人工作站V。此外，加上使用者6往模拟平台3的方向观察，配合红外摄像头22发射出定位光线22L做定位，让使用者6会感觉到其所看到的3D虚拟工业机器人工作站V是出现在模拟平台3上。其中，红外摄像头22、定位光线22L与多个红外标记点32构成一个角锥体，例如红外标记点32有5个，则此角锥体为五角锥，角锥体的顶点由红外摄像头22与多个红外标记点32组成；很明显的，使用者6的眼睛会看到3D虚拟工业机器人工作站V是出现在角锥体所包围的空间中。再者，使用者6并可利用手持示教器11对3D虚拟工业机器人工作站V进行示教。通过扩增实境智能眼镜21能够「仿真」出工业机器人的型态，且相较于传统只能显示在一般显示屏上的2D影像，使得用户6透过扩增实境智能眼镜21能够看到清晰且精确的3D虚拟工业机器人工作站V。后续再透过定位光线22L的定位，配戴增强现实显示系统2的使用者6即会往定位光线22L所照的方向观察，所以使用者6会「看到」3D虚拟工业机器人工作站V是形成在模拟平台3上，红外标记点32所包围的区域中。
请接续参考图4，图4是表示扩增实境仿真系统A运作时，各部件的信号传递的流程图。图4揭示，使用者6会先从增强现实显示系统2中看到一个预设的3D虚拟工业机器人工作站V，并且通过手持示教器11进行实体工业机器人示教编程，通过运动控制器12进行机器人的运动伺服控制，并生成运动控制后，将数据传递给机器人仿真器13进行机器人的状态及参数解算，获得机器人实时的D-H关节参数数据、机器人DI及机器人DO等数据后，将数据通过无线发送给扩增实境智能眼镜21，以更新及取代原有的3D虚拟工业机器人工作站V。由扩增实境智能眼镜21在HDU显示镜片23上形成新的3D虚拟工业机器人工作站V后，透过图像识别定位器31，让新的3D虚拟工业机器人工作站V在使用者6的视网膜成像，并且让使用者6感觉新的3D虚拟工业机器人工作站V是放置在图像识别定位器31中，两者构成模拟平台3平台的一部分。再者，由图像识别定位器31侦测使用者6位置，增强现实系统获得使用者6资态等信息后，并实时回馈给机器人仿真器13于下个时间再次进行解算，从而不断调整3D虚拟工业机器人工作站V的姿态与位置。
再来请一并参考图2与图5，其中图5为扩增实境仿真系统A的机器人仿真器13采用的实现架构图。机器人仿真器13中包括了多个仿真伺服关节131以及IO仿真器132，机器人仿真器13主要的功能是仿真出虚拟工业机器人工作站的动作或是移动坐标数据。仿真伺服关节131以及IO仿真器132是虚拟机人的关节与手指，其可由多个FPGA133所构成。FPGA133是由多个透过预先建立的逻辑区块与可程序化路由资源所构成的芯片，故此芯片硬件建置不需要进行对PCB版焊接，且使用者6可于软件中开发数字运算系统，并将之编译为组态档案或比特流，以控制FPGA133的输出讯号。此外，FPGA133完全为可重设性质，当使用者6有新的需求，需要重新编译不同的电路设定时，可以快速且立刻拥有不同的特性，并且一再地重新编译。所以使用FPGA133模拟具有复杂动作且需要一再修改编成内容的3D虚拟工业机器人工作站V是再适合不过了。
机器人仿真器13类似于传统的伺服电机与伺服驱动器，在本实用新型中，机器人仿真器13中具有多个驱动器，多个驱动器将运动控制器12所传来的电压讯号转变成电流讯号，并放大电流讯号。之后传递给多个FPGA133。多个FPGA133是虚拟的「伺服电机」、「关节」与「机器人手指」，通过由多个驱动器所传来的虚拟「伺服脉冲」电流后，虚拟的「伺服电机」或是「机器人手指」会产生虚拟的「作动」。在本实用新型中，「伺服电机」与「机器人手指」在虚拟的作动后，多个FPGA133中的每一个都会产生编码讯号与编码反馈，其中编码讯号会藉由总线传给机器人仿真器13中的主控CPU134以做汇整运算，编码反馈会藉由上述的Modbus总线反馈给运动控制器12。主控CPU134进行汇整运算后，生成机器人D-H关节坐标并藉由无线数据模块135将传递给扩增实境智能眼镜21。在本实用新型的另一具体实施方式中，为了将机器人D-H关节坐标传递给非扩增实境智能眼镜21的电子装置，以实现多屏显示的功能，本实施方式中，特别设置串口调适接口136，以为了不同的种类电子装置进行电性连接。于其他的电子装置上，更包括有控制串口调适接口136的软件，以调整串口调适接口136输出讯号及输出信号的稳定性。本实用新型采用的运动控制器12和机器人仿真器13是一种闭回路的运动控制的设计，符合传统的机器人运动控制的设计，故具有相同于控制传统机器人的稳定性。
请继续参考回到图2与图5，机器人D-H坐标传递给扩增实境智能眼镜21后，扩增实境智能眼镜21会将讯号传给将高亮液晶投影屏24，高亮液晶投影屏24根据虚拟机人的坐标姿态信息以及工作站的DI/DO外设数据，生成虚拟工业机器人工作站影像，并传到用户6的眼睛中，再根据如图2所揭露的成像方式形成3D虚拟机人工作站。使用者6所看到的3D虚拟机人工作站是形成在模拟平台3上、图像识别定位器31的区域内。虽然虚拟工业机器人工作站影像是生成在HDU显示镜片23上，但是透过增强显示系统的红外线摄像头22，让使用者6觉得其所看到的3D虚拟工业机器人工作站V是形成在模拟平台3上的图像识别定位器31的区域内。使用者6在第一时间看到了3D虚拟工业机器人工作站V，同时，图像识别定位器31是一块二维平面的物体，红外线摄像头22会随着使用者头部一同转动，当图像识别定位器31在红外线摄像头22的监测范围内，便能够计算出3D虚拟工业机器人工作站V的视角角度信息。
红外摄像头22通过捕获平面的图像识别定位器的红外标示图案获得外部的三维世界坐标，然后将3D虚拟工业机器人工作站覆盖显示在图像识别定位器之上，从而达到使用者看到3D虚拟工业机器人与实际环境融合增强的显示效果。
最后请参考图6，图6表示扩增实境仿真系统A实现多屏互动的示意图。如图6所示，在扩增实境仿真系统A中，使用者6除了能够由扩增实境智能眼镜21看到3D虚拟工业机器人工作站V外，还能藉由与机电系统1连接的PC计算机7的显示屏或是智能手机8看到。若是要将3D虚拟工业机器人工作站V传递至额外的、并非扩增实境智能眼镜21的装置时，PC计算机7以及智能手机8需要先连接到机电系统1中的机器人仿真器13与扩增实境智能眼镜21。此额外的装置与扩增实境智能眼镜21可经由有线或是无线的连接方式与机器人仿真器13电连接，例如是藉由有线的以太网(Ethernet)，或是无线的WiFi网络。机器人仿真器13将资料发送至PC计算机7的显示屏以及智能手机8当中，PC计算机7以及智能手机8通过本身附有的仿真软件，显示出对应的3D虚拟工业机器人的运动模型，从而实现多屏模拟互动。在本具体实施方式中，机器人仿真器13是分别的且同步的发送讯号至扩增实境智能眼镜21、PC计算机7以及智能手机8。在本实用新型中，使用者6通过手持示教器11进行工业机器人的示教程序设计，运动控制器12结合机器人仿真器13能够将机器人运动信息发送给扩增实境智能眼镜21、个人电算机以及智能手机8，从而达到使用者6透过操作实体工业机器人示教器(即预先透过掌上型示教器)进行编程，但通过虚拟的工业机器人(即3D虚拟工业机器人工作站V)替代实体工业机器人进行实作。而且可以通过个人电算机以及智能手机8，达到一人示教多人观看的模拟结果。
使用本实用新型所提供的扩增实境仿真系统A，透过机电系统1、增强现实显示系统2以及模拟平台3三者的结合，使传统上的2D虚拟工业机器人工作站转变成为3D，并且透过模拟平台3与增强显示系统互相沟通，让使用者6到哪边，3D虚拟机人就到哪边，不用受限于传统技术的成像位置是要在特定场所。再者，本实用新型在工业机器人装配以及实际产线应用过程中具有减少示教程序设计的危险，加速工程进度，较少工业机器人应用集成研发的失败率具有很高的实用性意义，且经有本实用新型所提供的回馈手段，实时的获得仿真度高的影像。所以，本扩增实境仿真系统A深具产业利用价值。
以上此仅为本实用新型之各种具体实施方式，并非用以限定本实用新型之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本实用新型所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。