阅读说明：本技术 加工路径生成装置及其方法 (Machining route generating device and method ) 是由 纪佃昀 蔡承翰 洪国峰 于 2020-01-03 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种加工路径生成装置,包括一直觉式路径教导器以及一控制器。直觉式路径教导器用以供握持并相对于一加工物件移动,以产生一动作路径。直觉式路径教导器用以侦测该加工物件的一表面特征。控制器连接直觉式路径教导器,控制器根据直觉式路径教导器的动作路径及加工物件的表面特征,生成一加工路径。(The present disclosure provides a machining path generating apparatus including an intuitive path teach pendant and a controller. The intuitive path teaching device is used for holding and moving relative to a processing object to generate an action path. The intuitive path teaching device is used for detecting a surface feature of the processing object. The controller is connected with the intuitive path teaching device, and generates a processing path according to the action path of the intuitive path teaching device and the surface characteristics of the processed object.)

具体实施方式

以下系提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本公开欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的组件做说明。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考所附图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。

依照本公开的一实施例，提出一种加工路径生成装置，例如是可供使用者握持并移动的直觉式路径教导器，其包括一路径定位传感器，用以收集及记录一动作路径的工作坐标及相对于加工物件的距离，并侦测加工物件的表面特征，以加强姿态定位效果。

在一实施例中，路径定位传感器例如包含一空间坐标撷取模块，用以取得具有深度信息的二维影像或三维空间点云数据，以建立三维空间中的加工物件的坐标。此外，路径定位传感器例如包含一特征撷取模块，用以撷取加工物件的表面特征，以供后续进行特征比对来增加定位效果。

请参照图1，其绘示依照本公开一实施例的路径生成装置100的简易示意图。加工路径生成装置100包括一直觉式路径教导器110以及一控制器120。直觉式路径教导器110用以供握持并相对于一加工物件1移动，以产生一动作路径。直觉式路径教导器110用以侦测加工物件1的一表面特征。控制器120连接直觉式路径教导器110，控制器120可根据直觉式路径教导器110的动作路径及加工物件1的表面特征，生成一加工路径。

此外，加工路径生成装置100更可包括一机械手臂122，连接控制器120，控制器120根据加工路径移动机械手臂122，并对加工物件1进行加工。

在一实施例中，直觉式路径教导器110包括一路径定位传感器112、一路径教导移动平台114以及一末端介面回馈装置116。

路径定位传感器112用以收集及记录一动作路径的工作坐标及相对于加工物件1的距离(或姿态)。在一实施例中，路径定位传感器112用以提供相对于加工物件1的姿态感测，并可通过深度影像及二维影像来撷取加工物件1的特征，以加强定位效果。

路径教导移动平台114用以供承载并动作路径定位传感器112。在一实施例中，用户可握持路径教导移动平台114(例如图3中的把手108)，以手动方式移动。路径教导移动平台114具有可为任意形状的壳体(例如长方体、圆柱体)，并可依据机械手臂122的外型相对应地变更此壳体的外型，再者，移动平台114的壳体也可设计为可替换，以供使用者可采用相对应于实际进行加工的机械手臂的壳体形状，以便在进行路径教导时，能更接近真实的机械手臂122所需的避障空间，避免发生碰撞。

请参照图3，在一实施例中，路径教导移动平台114可包括一把手108及一按钮109，用户启动按钮109，路径定位传感器112被启动而开始收集及记录直觉式路径教导器110的一动作路径。此外，启动按钮109以按压维持一段时间，路径定位传感器112可撷取加工物件1的表面特征，以进行相对于加工物件1的姿态感测。放开按钮109之后，路径定位传感器112自动储存一组动作路径的位置信息于储存单元中，若要记录下一组动作路径的位置信息，只需重新启动按钮109。本实施例除了使用按钮109外，也可以通过网络、声控、或者是强制反馈信号，来控制路径的记录的开始与结束。例如：利用网络通信，操作人员操作计算机远程送出路径记录的控制命令。或者，操作人员以声控方式命令进行路径记录的控制。又或者，可以利用末端介面的接触式强制反馈信号来进行路径的记录的开始与结束。在一实施例中，上述的网络和声控方式可包含以下路径记录的控制命令：开启记录、结束记录、暂停记录、舍弃当前记录、重新开始记录、重复同样路径记录并进行路径优化等，但不限制。

因此，直觉式路径教导器110可重复进行多次路径教导，以产生多个动作路径；使用者并可通过反复操作多次，再进行动作路径平滑化的处理，以减少路径教导的误差。

此外，末端介面回馈装置116设置于路径教导移动平台114上，用以输出一末端感测信号至路径定位传感器112；末端介面回馈装置116例如具有探针、夹具、刀具、喷枪、力传感器、钻头、锁螺丝枪、焊枪、雷射光源…等中的至少一个。控制器120可根据记录的动作路径、加工物件1的表面特征及末端感测信号，生成一加工路径。作为一实例但不限制，探针用以进行三维物件的表面轮廓的量测。夹具用以进行工件取放料工艺。刀具用以进行切削工艺。喷枪用以进行喷涂工艺。力传感器及钻头用以进行钻孔工艺。力传感器及锁螺丝枪用以进行锁螺丝工艺。力传感器及夹具用以进行工件取放料工艺，由于有力传感器可使操作人员进行更细致取放动作(例如工件很小)。力传感器及刀具用以进行切削工艺，由于有力感测可使操作人员进行更细致加工动作(例如精密加工)。力传感器及焊枪用以进行焊接工艺。雷射光源用以进行雷射切割加工或进行涂胶、焊接工艺。

在一实施例中，末端介面回馈装置116例如为接触式感测装置或非接触式感测装置，用以提供用户进行路径教导时的末端回馈。接触式感测包括压力感测、夹具抓取感测或触觉感测，以模拟机械手臂122的加工；而非接触式感测包括光学感测、超音波感测或影像感测，并可结合虚拟现实软件(选配)仿真机械手臂122的周边是否有障碍物，以设定机械手臂122的安全操作范围。此外，非接触式感测可设置一水雾生成装置(选配)于路径教导移动平台114上，可对加工物件1喷洒暂时性表面显影材料或改质材料，以仿真实际加工物件1的工作状态。

在一实施例中，控制器120可将加工路径的坐标位置输入至机械手臂122，使机械手臂122根据接收的坐标位置来移动机械手臂122，以对加工物件1实际进行加工，例如喷涂、研磨、雷射切割、抓取、组装等加工。

本实施例采用直觉式路径教导器110，通过握持并移动直觉式路径教导器110，以提供控制器120生成加工路径所需的移动信息，不需移动机械手臂122，故不需事先依照控制器120提供的坐标位置指令移动机械手臂122到定点，因此操作方便。

请再参照图1，加工路径生成装置100可包括一路径优化模块118(选配)，用以接收路径定位传感器112回传的动作路径。路径优化模块118对回传的动作路径进行模拟分析，并储存优化后的动作路径于控制器120中。

在本实施例中，路径优化模块118(选配)例如为一仿真分析模块，其或独立设置于直觉式路径教导器110与控制器120之间，或者内建于直觉式路径教导器110中，又或者设置在控制器120中，本公开对此不加以限定。例如，在一实施例中，路径优化模块118为一仿真分析软件、虚拟现实软件或其他应用程序，其内建于直觉式路径教导器110或控制器120的储存单元内，用以产生一虚拟工作环境及碰撞条件参数等，通过模拟分析之后，再将优化后的动作路径储存在控制器120中。

请参照图2，其绘示依照本公开一实施例的路径定位感测112及用以仿真分析的路径优化模块118的内部示意图。路径定位传感器112包括一惯性感测模块113、一空间坐标撷取模块115以及一特征撷取模块117中的至少一个。路径优化模块118可包括一计算单元131、一操作窗口介面133以及一精度偏差校正单元135。在第2图中，“信号收集及记录单元132”用以储存直觉式路径教导器110的动作路径的位置信息，“仿真分析单元134”用以接收直觉式路径教导器110进行路径教导时的位置信息及末端感测信号，以仿真机械手臂122实际对加工物件1进行的加工。“动作路径优化单元136”用以对动作路径进行平滑化的处理，以减少路径教导的误差。上述的信号收集及记录单元132、仿真分析单元134及动作路径优化单元136可经由计算单元131(例如处理器)分工处理、或分别由对应的功能模块单独执行之，本公开对此不加以限制。

在一实施例中，惯性感测模块113例如由多轴的加速规或重力传感器(G-sensor)组成，加速度向量可经由个别的加速规量测而得知，并经过信号处理单元进行前处理及滤波处理后，再送至计算单元131，以得到各轴的加速度向量的强度。

空间坐标撷取模块115例如为光学雷达(LIDAR)模块或三维光学扫描模块，可利用时差测距(time-of-flight)或三角测距(triangulation)技术撷取三维空间点云数据，以取得加工物件1的空间坐标。在另一实施例中，空间坐标撷取模块115或特征撷取模块117亦可通过二维影像及深度影像来撷取加工物件1的特征，并通过特征比对来强化姿态定位的效果。特征比对例如是进行特征向量数据的计算。特征向量数据可经由计算单元131(例如处理器)计算分段数据的平均值(Mean)、标准偏差(Standard deviation)以及绝对总和(Absolute summation)等特征值，以建立完整的姿态模型，并将建立的姿态模型储存在数据库中，以作为后续姿态辨识及定位的参考。

在图2中，当计算单元131取得动作路径的信息之后，可对动作路径进行模拟分析(或虚实整合分析)，“模拟分析”例如包括碰撞分析、路径平滑度分析、极限分析、奇异点分析以及精度分析等，但不以此为限。上述“仿真分析”可通过计算机或仿真器进行，再通过无线或有线方式传输至控制器120。此外，路径优化模块118例如具有一操作窗口介面133，用以设定仿真分析参数，例如设定路径平滑度、路径极限值、速度极限值、精度值、精度偏差值等参数，并可将仿真结果显示在操作窗口介面133上，以供使用者观看。另外，路径优化模块118例如包括一精度偏差校正单元135，当仿真结果表示当前的动作路径不符合设定的精度参数时，修正动作路径的轨迹，以减少加工路径的精度偏差值，如图4A及图4B所示的原始的动作路径T及优化后的动作路径S。

上述模拟分析可重复进行多次，以优化动作路径的轨迹(如图2中“动作路径优化单元136”)，并将优化后的动作路径储存于控制器120中。之后，控制器120将优化后的动作路径输入至机械手臂122，并转换三维空间坐标系至机器手臂的坐标系统中，以生成机械手臂122的加工路径，或可进行实机操作测试，以验证模拟结果。

在一实施例中，信号撷取及路径优化的工作模式，可分为下列两种：惯性感测模块113、空间坐标撷取模块115、及特征撷取模块117与路径优化模块118同步撷取信号，并同步分析信号(即边同步边实时优化)，或者，整段动作路径完成后，撷取信号再进行分析及路径优化(即精度分析)，但不限制。其中，上述边同步边实时优化可包括碰撞分析、平滑度分析、极限分析、奇异点分析等中的至少一种，而整段路径完成后再进行分析可包括上列各分析并进行精度分析。

请参照图4A及图4B，通过仿真分析单元134，以仿真机械手臂122的各动作连杆与加工物件1的包覆体，进行碰撞分析，并以机机械手臂122的数学模型与动作轨迹分析其奇异点、极限与路径平滑度，以优化动作路径。经比对原始的动作路径T及优化后的动作路径S，可知优化后的动作路径S可去除噪声、路线重迭，同时解决平滑度、极限与奇异点等问题。

请参照图1及图5，其中图5绘示依照本公开一实施例的加工路径生成方法的流程图。加工路径生成方法包括下列步骤S11～S16，但不限制，也可省略部分步骤。在步骤S11中，收集及记录一直觉式路径教导器110的一动作路径。在步骤S12中，侦测一加工物件1的一表面特征，例如通过光学雷达、三维光学扫描、二维影像或深度影像，来撷取加工物件的表面特征。在步骤S13中，接触或非接触式感测一加工物件1，以产生一末端感测信号。在步骤S14中，对动作路径进行一模拟分析，以优化动作路径。在步骤S15中，储存优化后的动作路径于控制器120。在步骤S16中，控制器120可根据优化后的动作路径及加工物件1的表面特征，生成一加工路径。后续，控制器120可输入加工路径至一机械手臂122，以移动机械手臂122，并对加工物件1进行加工。

根据本公开上述实施例所述的加工路径生成装置及其方法，本公开可通过直觉式路径教导器收集及记录一动作路径的工作坐标，并将路径教导器的动作路径回传至机械手臂的控制器中，以作为机械手臂的一加工路径，并可通过路径仿真分析优化机械手臂的动作路径，以提高加工路径的加工精度。

综上所述，虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开。本公开所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本公开之精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本公开之保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。