TW200523703A - A method for controlling a system formed from interdependent units - Google Patents

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200523703 九、發明說明： 【考务明戶斤屬控^軒々員域^】 發明領域 本發明概有關於由多數相互關聯之單元所形成的系 統，尤係有關控制該等系統來達成一輸出之方法，及實施 孩控制方法的控制系統。本發明係被描述為，但並非專指， 一種機械裝置例如機器人的控制方法。 發明背景 機器人，尤其是一種在該領域中被稱為“操縱器，， (manipulator)的次級機器人，由於其任務的特定設計，以往 主要係被限制於艱辛的自動操作用途（譬如在一組裝線上 來將金屬板焊接在一起）。傳統的集中控制模式有賴於針對 周遭環境和特定任務要求的預先程式化設定。 由於需要有關周遭環境的預先程式化設定，故使用於 複雜動作的機器人當面對不一樣的狀況時，通常不能夠改 變現狀或成功地完成任務。 為此原因，以往機器人乃被限制於需要重複操作、精 確移動及高料作的料。但是，隨著自動操作的需求日 增，愈來愈有需要提供具有靈巧控制機構的機器人，俾使 其能在動態及不可預知的情況下來持續地操作。 ―又，具有峰多相關構件的機器人通常會使用複雜的運 算法來決定由一位置移至另一位置的妥當動作。複难\ 算自有其需要，ϋ為在_具有多數相關單元（夕、的運 °Τ夕以特定 20 200523703 方式互相牽制的單元，諸如以實體連結或控制者），以及多 個自由度的機器人中，會有許多種可能方式來由一點移至 另外一點。即是，若欲解出各單元應如何移動以使該機器 人移至所需位置的公式，則會產生多個冗餘的結果。 5 因此，複雜的運算必須被用來決定應使用那個可能的 方式。此通常會包括利用人為限制條件來限制該機器人的 自由度。 【發明内容】 發明概要 10 在一第一態樣中，本發明係提供一種方法可用來控制 由多數相關單元組成的系統以達成一輸出，其包含如下步 驟：建立該系統的所需輸出，及建立各單元的所需動作， 其係回應於該輸出但無干於其它單元的所需動作。 在一第二態樣中，本發明係提供一種用來控制由多個 15 相關單元所組成之系統以達成一輸出的方法，包含下列步 驟··建立該系統的所需輸出，及建立各單元回應於該輸出 所需的動作，其中一前述單元的所需動作係回應該系統之 至少一基準部份的當時位置相對於該基準部份的所需位置 而來建立。 20 一所述單元的所需動作可包括計算該基準部份的當時 位置與該基準部份的所需位置之間的差值，並使用該差值 來建立該所需動作。 換言之，在至少一實施例中，各單元會具有某些關於 所需輸出（一 “目標”）的資訊，並亦具有一參考位置。各單 200523703 元嗣會企求算出— 採取的動作。在二==若該單元達到其目標時必須 所需位置的差值。 此係可為—參考位置與一 6亥方法更可& 5 10 15 20 及指:各單元來啟動= /方去更可包括以下步驟 新該操作動作 稷4方法之各步驟來更 系統的各單元之間有其所速:同可遍及_統皆-致’或在該 情二該所大部份 輸出的最佳動作 ⑷綠來協助移向所需 障礙或其它連桿的失旦=。’個別的連桿係可克服限制，譬如 的二：:二更―下步〜― 制動作。該限2Γ等限制因素來建立至少-單元的限 和所需動作會被相較來作—折衷妥協動作μ限制動作 即是，就一 p j > 該限制動作。限制操作的單元之操作動作即為 可被作被建立後，僅有針對-單元的限制因辛 ;建立该單元的限制動作。 ” 仁疋’在另一方式中，有關至少 可被用來建立另—單元的關動作。W制因素亦 …"方切可仙來控制較複雜的運動，例如_ - 沿一限定路徑的i軍翻 ^ “扦 的運動，或- _縱器，，與-移動物體 200523703 的交會。於此情況下，該方法更可包括建立多數的中間輸 出來達到該所需輸出的步驟。 在有許多中間輸出的情況下，該等單元的所需動作乃 可回應於個別的中間輸出來建立。 5 該方法之各步驟係可重複進行，而使各單元歷經時間 來建立許多所需動作，且該等所需動作係可回應於許多中 間輸出來建立。 除了能被使用於複雜運動之外，該方法亦可被應用於 複雜的系統。即，在該系統包含有一系列的次系統之情況 10 下，其中各次系統係由至少一獨立的單元所構成，該方法 可更包括以下步驟··針對各次系統來建立一中間輸出，而 使各單元的所需動作能回應於其所附設之次系統的中間輸 出來建立。 即是，各次系統皆會作用如一自含的系統，而以該中 15 間輸出作為它們的中間目標，其中該中間目標係與整個系 統的所需輸出諧調相容的。 應可瞭解該輸出可取決於該系統的空間關係，而且， 該輸出亦可為該系統相對於一所需位置的預定空間關係。 該輸出亦可為與時間有關。該所需動作包括調整該單 20 元的空間位置。在沒有限制因素的情況下，該輸出可為該 所需位置的唯一決定要件。 該調整可能藉由該單元的移動及/或膨脹收縮。 在一第三態樣中，本發明係提供一種用來控制多數獨 立單元的方法，其包含以下步驟：針對各單元來獨立地獲 200523703 得-操作動作’該操作動作係回應於啟動資訊。 訊係選自下列組群:所需輪出，所需動作， 限制動作，及芩考位置。 在-弟四態樣中’本發明係提供—系統可供控制多數 獨立:元:們可移動來達成一輸出，該系統包含-控制器 係被设成此執仃本發明之第一態樣的控制方法。 在-第五態樣中，本發明係提供一種電腦 被載入-電腦系統時’係可執行第_態樣的控財法:、 在一第六態樣中，本發明係提供—種電」 10 15 設有一如第四態樣的電腦㈣。 媒體 圖式簡單說明 本發明之-實施例的其他特徵現將參照所 例說明，其中： 飞入舉 第la與lb圖為本發明一實施例的操縱器之_個 的示意圖； 實施例的 第2a圖為本發明之一實施例的操縱器之示意圖 第2 b圖為本發明另一實施例的操縱器之示意圖 第3a至3c圖為一系列的圖表示出本發明之一 操縱器之摹擬運動； 第4a至4f圖為一系列的圖表示出本發明者 貝知例的 才呆縱器之各連桿的作動角度形成時間的函數； 第5a至5h圖為一系列的圖表示出本發明 — 焉施例的 才呆縱器之障礙排除順序形成時間的函數。 第6a圖為示出本發明一實施例之操縱器的底部相對於 200523703 基準連桿位置的圖表； 第6b圖為示出本發明一實施例之操縱器的最終位置相 對於誤差值的圖表； 第7a圖為一圖表示出一操縱器沿一路徑的移動；而第 5 7b、7c、7d圖為一操縱器交會一移動目標的影像； 第8a圖係為本發明之一實施例的方法在構件並非實體 相聯時的使用示意圖； 第8b〜8g圖為第8a圖之例的MATLAB摹擬示圖； 第8h圖為第8a圖的方法之另一使用示意圖； 10 第9a〜9f圖為一MATLAB摹擬圖示出一 “狗”行走動 作的多操縱器系統，其係利用本發明實施例的分散控制方 法； 第10a〜10d圖為MATLAB摹擬圖，其中本發明之一實 施例的分散控制法會被用來控制一操縱連桿的走向； 15 第11a〜Ilf圖為MATLAB摹擬圖，其中本發明之一實施 例的分散控制法會被用來控制一包含二臂與一基部的雙分 叉操縱模組；及 第12圖為一MATLAB摹擬圖示出一集中式與一分散式 控制法之間的切換。 20 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 〜概論〜 一種控制方法於此揭露，其可容多數的相關單元各自 獨立地操縱而一起協同來達成一所需輸出。此係利用一 10 200523703 分散控制系統和方法來達成，其中之夂… 訊和限制因素等來建 σ早兀會利用啟動資 由任-或多個所諸^啟作動作，該啟動資訊可 達成所需輸出的所獲得:該操作動作通常係為一可 5 10 15 -限制動作。當該:作=有限制因素存在則亦可為 動作。此程岸n、 定時，該單元即會啟動該 不心…輪為该控制方法可應用於許多 不同的領域。但e，一 某此特定機係在機器人的控制及 ‘特疋機杰人知縱器的應用中。 於本說明書的内容中，該所需輸出_般係依據一基準 :份在空f种之一所需固定點來制定。但，應請瞭解該所 而位置亦可藉建立多數的中間輸出*在歷經—段時間（即 切程序的重_⑷後改變。在齡法巾，該·輸出乃 可為沿一直線或曲線的運動。 ^在本說明書的内容中，所謂“相關，，（interdependent) 係指該等組成構件並不一定要實體連接，而使以某些方式 誉如空間關係來互相牽制。該相關系統之一例係為一機械 臂’一般在該領域中稱為“操縱器，，（manipulat叫。 在使用一操縱器之例中，在該操縱器内的各單元通常 係稱為一操縱模組，操縱連桿，或一操縱部份。 〜操縱模組之例〜 一適當的操縱模組之例現將被說明，但僅為舉例。請 參閱第la及lb圖，其係示出本發明之一實施例的操縱模組 100。該操縱模組100包含一本體部102能夠容納一接頭結構 20 200523703 刚，而使該模組具有二旋轉自由度。 5 10 =操縱模組刚更包含有固接裝置廳等係 1構。該等平板能供該與另—酬未示肖= =解在料實施财，各麻絲與其它倾組接^ 裊成而不必使用固接裝置。 該本體102亦可容裝作動裝置卿。該等作動哭108 係連結於料結獅4吨供婦柳*的㈣運動。。。 該作動裝置⑽包括—馬達110可驅動_齒輪頭（未干 出）。《輪頭會驅動—皮帶112(未示出），其 =珠，出)的直線作動器。該直線作: 拉㈣動器_，其在本實施十包括一欖線。該纜線的-端係 連I。於雜碩1〇2,而另—端連結於 '、 的雙向控制。 反作乂進仃该接頭 換言之，當該馬達啟動時，將會驅動該齒輪頭， 15會驅動該直線作動器，俾使該纜線移動，而令該接頭移經 一角度Θ。應請瞭解—相同的作動裝置亦可被使用於二狐 型部，而來提供該接頭結構之二自由度的驅動控制。 應可瞭解，該操縱模組的尺寸較小，且可完全自體容 納（即所有的驅動構件皆容納於該操縱模組内），而該等固： 20板可使該操縱模組能容易地連接於另一模組。在另一實施 例中’該操縱器亦可被整合地製造，而使該接頭能與其一 或兩側的元件一體製成。 該操縱模組亦可包含傳贿置，其可採用電子介面（即 一電子匯流排）的形式，而使各馬達交接於—控制裝置。若 12 200523703 二制的操縱模組時，該控制裝置可為一控制墊(例如 卞縱梓）或若在一可程式化的操縱模組時則可為一運算 裝置傻如-微控制器或電腦）。於其它實施例中，該傳訊裝 置和u控制為（或等效物)係可整體容納於各模組内，因此每 5 一模組皆能互相獨立地操作。 操縱模組亦可配設適#的感測器，其可用來感測周 以％^兄’以避開障礙或提供一些外部狀況的資訊，例如溫 度濕度等。在一特定實施例中，該感測器係為一光學編 碼為，其可用來感測障礙的接近。另一種可能的感測器係 1〇為[力感測裔，其可用來判斷該操縱模組是否已血 接觸。 〃 〜簡單的多單元操縱器〜 見：參閱第2a和2b圖，其為一組合的操縱器之示音 圖。該操縱器係由-系列相關的單元所構成，即連桿或模 、、且200a 2GGe等，各連桿係被連結成—接續的連桿組，並 可繞二自由度旋轉，即—任意的“χ，，和“y”平面。該操縱器 係以一分散式控制機構來控制，其能個別獨立地控制該等 相關單元之各連桿。 縱器具有一控制系統，其係被設計成使該操縱器 2〇之各連桿皆具有一個別的内建處理器，而可回應於特定的 輸入資Λ ’即所需輸出（指該操縱器所要移往的位置）與一參 考位置（即該基準連桿的位置，將於後詳細說明），來獨立地 控制該特定連桿的動作。該輸入資訊亦可包括有關障礙存 在的資訊(此係由該近接感測器來提供）。 13 200523703

處理器，但在一多標的模式中亦可使用一 對各連桿的運作進行所需的計算。即是， 一個別的 中央處理器來針 雖然一處理器會

進行所有的計算，但該等計算對各連桿而言皆是獨立且久 5異的。 Q 有關該參考位置資訊提供給各連桿的方法係可有多 在所述之例中，各連桿皆具有一相鄰連桿之位置相對 於一苓考位置（即該基準連桿之位置）的資訊。但是，此並非 該資訊可由一連桿傳達至另一連桿的唯一方法。在另一實 10知例中’各連桿皆可具有一感測器能對其提供有關一參考 位置的資訊。以此方式，每一連桿皆可個別獨立地操作。 但疋’為了方便起見，所述實施例係能使資訊由一連桿傳 送至另一連桿，因為在構建該實施例時此係為一較經濟的 選擇。 15 即是’雖在第2a與2b圖中所示實施例的實體布局係呈 串接方式’而令資訊能以串接方式來傳佈，但各連桿所接 叉的控制方法係互相獨立不相干。此控制能以樹狀、網狀 或平行結構來達成（即資訊可由一連桿流傳至另一連桿）。 在第2a圖中，輸入各連桿的資訊並未被操控，而由各 20連桿輸出的資訊在傳達至一後續連桿之前則可被操控。但 疋’應清瞭解’在其它實施例中，例如第2b圖所示者，輸 入於各連桿的資訊及由各連桿輸出的資訊皆得以任何適當 的方式來被操控。若有部份資訊的傳輸係希望儘量不要使 資訊逐一傳經每一連桿為較佳時，則此等資訊的操控作法 14 200523703 會較為有利。而且，4 如此一來，儘量減少傳經各連桿的資 訊量’則每—連桿所接收的資料量亦會相對地減少。此將 會減少各連桿之間對寬大資料匯流線的需求，並可得到更 快的反應時間。 5 ^貫施例中，各連桿係、被製成-串接結構，因所述 操縱器係特別適用於 於收木任思排列的物體（例如樹上或藤 勺果K ) 1·^瞭解所述方法並不限於串接結構，而可用 來控制相關單元的任何結構。 ία 該實施觸會以如下方式來操作。 所而輸出（即一所需位置)會被該操縱器的基準連桿 所.心知。该所需位置可藉任何適當的手段來決定，譬如一 立體觀視模組_似裝置，或其亦可被操作人 員或預先程 式化地提供至該操縱器内。當該所需位置n^d被決定後，各 連才干將會具有该所需位置，並被程式化成使各連桿的主要 15目&係、將-基準部份(在—實施例中是㈣操縱器的端部 連桿）定位於該所需位置。 每一模組“丨”皆具有二局部輸入（資訊)值，i+1又jai+1Xd 分別代表相鄰連桿(i+1)的實際位置及該相鄰連桿(i+ 1)的所 而位置。它們事實上即為初始參考位置與該所需位置的轉 2〇換值。但’應請瞭解各連桿亦可利用該初始值再加以適當 的轉換而來獲得在其本身參考座標内之各連桿的所需動 作0 利用所提供的輸入資訊和公式1及2(如下所示），即可決 定各連桿的所需動作，因此在該連桿内的旋轉誤差亦可在 15 200523703 "亥特疋連椁的參考座標内來被決定。

Xa =ί*2(ΆΗι，6> xd = ΐ3(ιχά,θ 叫山） (1) xi+l? θ 當各連桿的所需位置Jl) 標内，各連桿的旋轉誤差即可灸’在”本身的參考座 出。 用A式3和4(如下所示）來算 χ^ΐΑ(ιχ,/χά) ⑺ 复 ^x^yl]L-f；(>xerr) (4) 旨-剌於該連桿結構和互連性的特定函數。 立一操作動作。^ 後’將會針對各連桿來建 適當的方式移動二該I::， 此操作動作下來操作移動該連Π 作動器嗣會在 15 輸入資訊與操作動作更新。^序:程序會被重複而將該 缘…1為止，此即表示該所需輸出已經達成。 、、豪疋，该操縱器可藉以下方 之各連桿進行-所需的局部動作^連=操縱器内 需輪出與參考位置的資訊 W各連从供有關所 20 轉換f師，其會調連r該資訊 能有利地使各連桿獨立於其它連桿來完二此將 可組構成該所需輸出。此。★，而仍 不可預知的障礙存在時，或若 作時，將會特別有用。—障礙的存在及=停止操 可被設定為-限制因素(即會限制至少—二= 16 200523703 及整體地來建立:破納入考量限制動作將可被局部 單元將可不受㈣或假使一早元停止操作時 ，則其它 5 -限制因素。：：二！該系統不會針對該單元的故障建立 作來獨立地操作了匕早疋會純依它們各自建立的操作動 即是，♦ 會調整其路徑和知-障礙時，該連桿將 動作（即避開該障礙），而^要目=同時地平衡該限制 3位置。或者，相社 /、 軚係將該操縱器移向終端 行來取代該動=制的一型而疋，該限制動作亦可被進 其中具有限制會自動地轉換成- 亦可為該所带 乍°亥刼作可為該限制動作或 而動作和限制動作的組合或平均。 它連桿=2=，桿_出—廣播訊息給其 作來避開障礙。換2〜知障，’俾有助於採取修正動 來建立J:它| -、°之針對—單711的限湘素亦能被用 碰撞的能力的限制動作。此將可以增進該操縱器避免 20 又作又使-連桿故障或不能操 ;變二整它們的限制動作《補償該故障:：:： 桿中的故障並不_定合^則乍控制’⑨或多個連 桿亦可被添加於該;;=«失效°因此，額外的連 即，至少有-:發;: 器。此對因該操縱器的長戶嫌:例能供動態地重組操縱 X綠太紐而必須改變的情況下甚 17 25 200523703 為有用（例如在摘採果實時，乃可添加額外的連桿於該操縱 器來補償環境因素，譬如樹木成長或更濃密的枝葉等）。 有利的是，該操縱器能動態地規劃一路徑，此對非重 複性的工作用途甚為重要。 5 本發明之一貫施例的系統現將被說明，請參閱第;3及4 圖驗證所述之柄縱器控制機構的實用性。在此摹擬中，各 連杯皆能知其本身的角度偏差、構態及由該參考位置至所 需輸出位置的距離。 β專連才干會貫體地串接連結，但它們的功能係各自獨 1〇立且會平行地操作來達到所需輸出。該摹擬布局係被設成 可使資汛沿一方向流傳，而由一指定的基準連桿傳至該操 縱器中的底部連桿。 該連桿特性包括每一連桿皆具有二個自由度，而使各 連桿能在一球體表面上移動。在各接續的連桿之間，及各 15連桿内設的處理器之間的傳訊，係以如同第2a和2b圖中之 操縱器的方式來進行。 使用於该摹擬中的操縱器係由六個1〇〇單位長的連桿 所組成（讜單位可為任何設定的長度）。在此幕擬中，一所 需輸出（即該基準連桿的所需最終位置）會被相對於底部連 20 桿保持固定。 · 該操縱器的結構改變嗣被控制來達到一所需輸出位置 的兩個例子現將被·。要提_是，在連桿的重組之後， 該系統並不需被重新程式化。 第3a圖示出-正常的操縱器被指示來由初始狀態 18 200523703 (6〇〇 ο 〇)私至最終位置（3〇〇，s〇〇,35〇)的正常連續動作。 該第一模擬係驗證一連桿被修正時該操縱器的動態能 力。由底部算起的第三連桿原為1〇〇單位長，但會被更換一 不同長度的連桿，故現有遍單位長。吾人令所有其它的參 5數保持固定，且不將該變化通知其它的連桿，桃示該操 縱器達到該目標終點位置(，3G0，35G)。第3b圖係示^ _縱器的動作結果廓線圖。在該圖中可以看出，該操縱 器確能成功地達到同樣的最終位置。 第-极擬操作係摹擬一連桿在動作時故障。該操縱器 〇原止圖達到-指定的最終位置，但在模擬過程的某一點 ^有-連桿會喪失其能力。第&圖係驗證該操縱器移向 :最終位置時’該操縱器克服該故障的能力。於本例中， =接近雜準連桿的連桿會在尋找目標棘的某—時點故 1V13C圖示出該操縱器的動作結果，其仍可成功地達到 15所設定的目標位置。 在第3a至3c圖所示的各插點圖中，並未利用改變各連 桿的時間常數來使該操縱器的動作廓線最佳化。 20 上使用-冗餘操縱器來達到—最終位置的另—優點係能 使幻呆縱器具有避開障礙的能力。請參閱第_，其示出— -有八個連;^和12個自由度的操縱器接近—最終位置 ⑽〇’ 5GG)亚避開二個障礙。該操縱器的初始狀態係將 該基準連桿置於(·45()，Q，386)之點處，如第&圖所示。所 用的-個障礙係為二桿條’其座標分料(·雇，·廳^侧 300)及（〇，_30〇；^y$3〇〇，15〇)。 19 200523703 為避開障礙’各連桿的近接感測器在一障礙進入其轴 〜的50單位半徑範圍之一假想圓筒殼内時即會啟動運作。 忒連^干會&供一啟動運動（限制動作），而來以最短的可能距 離避開该障礙（即移離該障礙）。在此摹擬中用來避開障礙的 5 函數係： 當该近接感測器待機時，q=1 ;而 當該近接感測器啟動時，q=〇。 [0-^yi]Lew=2 · (q.〇.5) · [θ y{]]n (5) 在該幕擬中，該操縱器的自發式最佳化係可藉修正各 10連才干之第-級反應白勺時間常數(即反應速度）而來達成。最短 的時間常數(或“最快的，，反應速度）會賦予最靠近該基準 連桿的連桿，並針對各後續連桿來遞增-2的係數。 第3圖示出該分散控制法的重組能力，其中操縱器的設 -十可依用途所需而加人具有不同性質的連桿來改變。該等 連才干含有自行決定的數據，而能在該操縱器内自控組件地 知作。该操縱器的冗餘特性更可容忍部份故障，如第3c圖 所I右有連桿發生故障，則其餘的連桿將能個別地包容 \又化’而動怨地提供一種機制來達到原目標。該操縱器 勺行仏可依各種狀況，自行動態地調整以包容系統變化， 20 而趨近於最佳化。 ^第4圖係示出該操縱器成功地避開該二障礙來達到設 疋目標的運動廊線。由第4a圖中可看出，該操縱器首先發 障礙的存在’而由第4b_圖中可看出，在該操縱器 之各連桿會調整其相對於二障礙的位置，而成功地避開 20 200523703 該等障礙，直到最終賴需位置達到為A(w4bB)。 第4圖中的障礙規避行徑示出該操縱器如何應對障礙 而成功地達到最終位置。請注意該分散控制法可容許該基 準連桿於規避障礙時暫時地遠離該最終位置。 5 義縱器的串接設計更具有—可決定在障礙物周圍之 運動的裝置。若該障礙物靠近該操縱器的底部，則該等連 桿會在該障礙物周圍重定方向來企求達到該最終位^。作 若該障礙物係相當遠離操縱器，則該等連桿將會驅動操縱 器通過該障礙，縮回該基準連桿而不迴繞該障礙物。 10 該操縱為時間常數的實驗顯示，較好是最靠近該基準 連才干的連桿能比遠離該基準連桿者反應更快者反應更快。 此可使該基準連桿能在遠離基準連桿的連桿有機會造成影 響之前被送至該最終位置，而能得到一相對於最終位置的 最佳移動路線。 15 各連桿的獨立運作可見於第5圖中，其中該所需動作被 妨礙係表示連桿在規避一障礙。連桿4、5、6連續地 (-200，-300句300，300)處的障礙係可由各動作廓線中的 不規則作動速度來示出。這些程序將會連接，例如，連桿4 和連桿5會同時地規避該障礙。 20 同樣地，連桿2和3規避在(〇，-3〇(KyS3〇〇，處的障 礙亦含有不規則作動速度。 第6圖示出基準連桿相對於底部和最終位置的位置。雖 有些個別作動器的運作特性已經得知，但所需的個別連桿 運動的特性尚未得知。第6b圖中之用來驅動該等連桿時的 25基準連桿誤差呈現明顯的不規則運動，其通常只會發生在 21 200523703 複雜的集中控制系統中。但此可藉分散該動作控制而來簡 單地達成。 於第5圖中可見之各馬達方向的變化可能會在第一個 不當時出現，例如連桿6的角度回復至接近於其初始之值。 5當觀察第4圖的全部動作，該等運作在障礙物周圍找出一達 到最終位置的順暢路徑乃是必需的。 因此，本發明的至少一實施例會提供一種用來控制可 重組之冗餘操縱器的系統和方法。 該系統和方法係可容易地用來系統重整，動態地調整 1〇動作，及利用該整個操縱器的可調變性。該分散控制法的 功能包括冗餘控制，可重組模組設計，故障容忍動作控制， 動態行徑規劃，及瞬時障礙規避能力等。 應請瞭解雖所述實施例係說明一操縱器，及將該操縱 器移動至空間中之一指定點，但該分散控制法亦可應用於 15 任何設有多數個相關單元的系統中。 〜沿一限定路徑的運動，及/或與一移動物體交會〜 例如，該所需輸出並不一定要限制為朝向空間之一固 定點的移動。在空間中之點亦可隨時間來改變，而使其能 沿一限定路徑來移動，或令該操縱器能交會一移動目標的 20路徑。換言之，該輸出亦可具有時間關係成分。 若該各模組内的計算能被重複，則該控制法會保持不 變，故在每次重複時，該所需輸出即能被修正，而使該操 縱态固定地移向該所需輸出。此將能有效地造成一運動， 而使该臂沿一預定路徑移動或追踪一移動物體。如上述運 22 200523703 動的一例係被示於第7a〜7d圖中。如圖所示，尤其在第7a 圖中’該操縱器能被程式化而在該臂接近所需輪出時只藉 改變該所需輸出來沿一限定路徑移動。在第7a圖中，該操 5 10 15 縱器會況循公式(X，y) = (_300+mt，400)所界定的路徑來移 動，該mt係設為（〇，6〇〇)。 個別第i模組所看到的所需輸出係為 評言之，一 xg。此點並不限於空間中之一固定點。該點可隨時間改變， 而令關鍵點、沿循—與時間有關之所需輸出的軌跡。此乃 可藉在將心轉至後續模組之前，重定端部模組^所看 到的所需輸_出來達成。此係示於如下的公式⑹： X8(t)==fgoa'(n^g(t-l),t) ⑹ 制法==中的計算係重複性的，則該控 能力係該操縱器通過 附加的參數，其可點的接近動作。此會造成一 公式7)。 1 (端所看騎需輸出（見

〇aV *例如該輪出離該關_ 圍内時，該附加參數r w π么式8所界定的特定| 20 力 力。 〇 Λ才木縱态具有改變該輸出的負 於以下之例中bg ( 1)g ⑻ Λ丨闹鍵點b〜 -300 ; nyg(〇) = 4〇〇時，追左 ％ ^ 在1^0，100 ; n;g(〇): 軌跡： 士 A式9所界定之依時目標έ 23 200523703 nxg(t) = nxg(t-l)+6t nyg(t) = nyg(M) (9) 另一種可併入該操縱器之運動的能力係交會一移動物 體的路徑。此需重設該參數η，而以該參數來界定該端部模 5 組nig所看到的所需輸出（見公式10): nL«=fg()al(nig(t_l)，t，q).r2(t-l) (10) 該參數r2當例如該輸出係在離該關鍵點一如公式Π所 界定之指定範圍q内時，將可令該操縱器達成該輸出： Γ2(ΐ-1) = ^nx(t-l)^ + ny(t-l)2g+-z(t-l)2g <q^l ▽、(丈 - l)g+ny(t _ l)g+nz(t _ l)g > q = 0 (11) 10 15 在下例中該操縱器係被用來捕捉一球，該球即為所需 輸出，而範圍q=200。 〜依據質量中心來構建一平台（管理平台）〜 又，該各單元之間的關係並不限制於一操縱器内之各 模組之間的實體連結。第8a圖中係示出二操縱器交互運作 將一非剛性物體的質量中心置於空間中之一指定點處的狀 況。該二操縱器皆可被視為該系統（即管理平台）的一個次系 統。雖該所需輸出現已變成該物體的質量中心，但該控制 方法仍保持不變，其攝影機現會觀察該物體的質量中心位 置和目標位置，並如前所述逐一模組地來傳送該資訊。該 裝置之變化的摹擬係示於第8a〜g圖中。 在上述之例中用來交互運作二連桿操縱器的關鍵點即 為樑桿中心，其係為：

24 20 200523703 此點是由該各操縱器來定位，並將該關鍵點移向所需 點’其係被設定為： bd5Xd] (13) 如第8h圖所示。每一：：欠系統（即各操縱臂）會持續具有一 5所需輸出（即質量中心），但各操縱臂現會有一中間輸出，就 此各操縱臂則會各自獨立地操作。 〜複雜的多肢系統〜 當然，該方法亦可擴展成更複雜的動作，例如模仿狗 的行走。其對角輪替的腳對會被用來保持本體的定向，而 10以一類似於前述各例之方法來驅使它前行。 同時，另-組對角輪替的腳對會使用它們各自的本體 接點作為基礎來提起足部(最短的連桿)並使它們前移。這些 動作將會重複地切換而造成行走動作，如第9a〜f圖所示。 在該仿狗行走之例中，該控制方法會被用來控制各腳 15相對於其它腳的動作，及一腳中之各節段相對於其它節段 的動作。即是，該所謂“單元，、可定義為一腳(相關於另 一腳）’而在—腳中之各連桿則會相關於其它連桿。因此， 該控制方法會被以二不同的方式來使用，而執行兩種不同 的操作。該二種操作會同時地進行且不會互相干涉。換+ 20之，該所需輸出仍為仿狗行走。此會分解成許多的中_ 出，即各腳相對於其它腳的動作。藉著利用一連串的‘‘暫 駐輸出’將可使各結構達成非常複雜的所需輸出（即在一 腳中之各連桿的運動，及—腳整體相對於各其它腳的移 動）。 25 200523703 〜雙叉式(及其它多臂）系統〜 可應用該方法之另_ 、卜 一设雜結構例係為一具有共同基部 的雙叉（或η轉軸)操縱器。 在第11a〜f圖所示夕 各包含三個連彳m、中’係設有三錢結的操縱器 ，，干、、且一¥型結構物。該雙叉操縱器可被視 :，、-系統，而該三個操縱器各會形成—個次系統。 該所需輸出可將該二操縱臂各定於一所需位置。此乃 可分解成各具有不同中間輪出之二端部作動件。在本例 10 中左端作動件欲移至點(_4〇〇，)，而右端作動件欲移 至點（100，300)。 該各上段會使用未改變的控制法來達到其各目標，即 、!和％2。 其底段包含三個連桿，亦具有一中間輸出會順應於欲 將二端作動件移至其各位置的所需輸出。該底段會利用得 15自該二上段的組合資訊來決定第三連桿的中間輸出。換言 之’藉由採取二操縱臂之各中間輸出的“平均值”，該底 段將可獲得其本身的中間輸出，此能使二操縱臂達到它們 的中間輸出’並進而使該系統整體達成其所需輸出（假設其 有足夠的長度，如下公式14及ι5所示）·· , i+l — i+1 — ΟΛ 1 ~ _ Xgl+ Xg2

Xg 2~~ (14) i+l— i+l —

Xel+ Xe2 2~~ (15) 在底段的第一和第二連桿會由其對應模組接收使用前 26 200523703 s木“例的控制方法 … 圖所示，該Y狀結構 ^〜和〜。如第lla〜f 而達成所f輪出。相各触臂的中間輪出，進 的過程中來増進運動二會疋向其本身而在達到所需輪出 〜其它類型的動作〜、又。 又請瞭解今方、土 10 15 轉動作。在第I」：:應用於其它類型的動作，譬如旋 向控制的4擬係驗證末端作動件的定 器的公心6 n _轉)。此可使料對平面操縱 桿而來達成.、㈣任務衫於該操㈣的末端連 η (16) 其中： 07) 散控制、去，、Um ;^例係使用分散控制法，但請瞭解該分 下只使用t可配合傳統的集中控制法來使用。在某些情況 使用於—77指制法並不十分妥當。例如，在-操縱器被 時，二:裱境之整體系統搜索的情況下，當尋找一目標 〜渑合的方法會較有用。 印是 ^ 一呈 ，§該操縱器搜索時（即以一系統性方法掃描遍及 曰 限疋邊界的區域）使用集中控制法會較為適當。但 一目t4钿縱器收到有關所需輪出的資訊後（即當其檢測出 並朝4目標移動時），則分散式控制會較適當。 27 20 200523703 該分散與集中控制的混合係示於第12圖中，其示出一 摹擬操作，其中該操縱器之各連桿初始會被鎖住而僅具有 二個自由度（故令該系統形成無冗餘的），且亦能使該系統在 一限定區域中容易地進行簡單的運動。當需要一更特定的 5 所需輸出時，則該操縱器會切換成分散式控制，其不再鎖 住各連桿而具有冗餘度（六個自由度），故能增加可調變性。

在一實施例中，有關各連桿角度的資訊會傳至一 CPU。為集中地控制該二自由度的系統，該二固定連桿係 以公式18和19來設定： 10 h — -\/1χ4+1Υ4 (18) 其中係以該第一連桿的參考座標為基礎之第四連 桿的底部；而 (19) 其中係以第四連桿的參考座標為基礎之端部作動作 15 的位置。

該各變數02、03、05、0 6在集中控制模式中會被固 定。有二變數0 1、0 4會以公式20來控制·· "xe" θ4 1 二 J_1 · ye 1 (20) 在所述之例中，其初始動作係集中控制而僅有二個自 20 由度，故會令該操縱器形成一無冗餘系統。當在運動時其 可能需要解放各作動器，俾將冗餘度（六個自由度)和調變性 引入該操縱器的動作中。 當引入冗餘度後，一依據該實施例的分散控制法會較 妥當，因為其能改善冗餘系統中的問題。 28 200523703 應月瞭解所述之操縱器和機器 規格。該方_ U秘於任何特定 人，如同特大型的1㈣縱器和機器 摘採果實的機器人：t:器人。例如’該方法可被使用於 除去殘留物的機¥ 3 4田野或卫廒地板上來檢知並 手術儀器，4由同樣地，該方法亦可應用於智慧型 /、肐由—病人的身體自行推進 該方法特別適用於糊細的工=置。 特性令錢適料該H α衫具有許多 10 此乃包括以不同路徑移行的能力 在該操縱器的一邻柃早礙的此力， 縱器能針對不_ΓΓΓ 續操作的能力，及後操 的能力。⑽途來重組而不需要對該方法作任何修正 專業人士所顯 範圍内。 而易知的修正和變化應含括於本發明的 15 【圖式簡單說明】 之—個別連桿 第1 a契lb圖為本發明一實施例的操縱器 的示意圖； 20 圖； 圖； 貫施例的 第2a圖為本發明之一實施例的操縱器之示意 第2 b圖為本發明另一實施例的操縱器之示青 第3a至3C圖為一系列的圖表示出本發明之一 操縱器之摹擬運動； 第4a至4fi|為一系列的圖表示出本發明之一 知縱器之各連桿的作動角度形成時間的函數； 、 心至5h圖為-系列的圖表示出本發明之—實施例的 29 200523703 操縱器之障礙排除順序形成時間的函數。 第6a圖為示出本發明一實施例之操縱器的底部相對於 基準連桿位置的圖表； ' 第6b圖為示出本發明一實施例之操縱器的最終 5 對於誤差值的圖表； 目 第7a圖為一圖表示出一操縱器沿一路徑的移動；而第 7b、7c、7d圖為一操縱器交會一移動目標的影像； 第8a圖係為本發明之一實施例的方法在構件並非實體 相聯時的使用示意圖； 0 第讣〜8g圖為第8a圖之例的MATLAB摹擬示圖； 第8h圖為第8a圖的方法之另一使用示意圖； 第9a〜外圖為一 MATLAB摹擬圖示出一“狗，，行走動 作的多操縱器系統，其係利用本發明實施例的分散控制方 法； 第l〇a〜l〇d圖為MATLAB摹擬圖，其中本發明之一實 施例的分散控制法會被用來控制一操縱連桿的走向； 第11a〜Ilf圖為MATLAB摹擬圖，其中本發明之一實施 例的分散控制法會被用來控制一包含二臂與一基部的雙分 叉操縱模組；及 第12圖為一MATLAB摹擬圖示出一集中式與一分散式 控制法之間的切換。 【主要元件符號說明】 1〇〇···操縱模組 11〇…馬達 102···本體部 112…皮帶 1〇4···接頭結構 200a〜e···各連桿 106…固接裝置 108···作動裝置 30

Claims (1)

1. 200523703 十、申請專利範圍： 1. 一種用來控制一由多數相關單元組成以達成一輸出之 系統的方法，包含以下步驟：建立該系統的所需輸出， 及建立各單元的所需動作，其係回應於該輸出但獨立於 5 其它單元的所需動作。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中一前述單元的所需 動作係回應於該系統之至少一基準部份的當時位置相 對於該基準部份之一所需位置來建立。 3. —種用來控制一由多數相關單元組成以達成一輸出之 10 系統的方法，包含以下步驟：建立該系統的所需輸出， 及回應該輸出來建立各單元的所需動作，其中一前述單 元的所需動作係回應該系統之至少一基準部份的當時 位置相對於該基準部份之一所需位置來建立。 4. 如申請專利範圍第2或3項之方法，其中一前述單元的所 15 需動作包括計算該基準部份的當時位置和所需位置之 間的差值，並利用該差值來建立該所需動作。 5·如以上申請專利範圍任一項之方法，更包含以下步驟： 建立各單元的操作動作，及令各單元啟動其操作動作。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，更包含以下步驟：重複 20 該方法之各步驟來更新該操作動作。 7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該重複速率在整個 系統中皆為固定的。 8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該重複速率在該系 統的各單元之間係不相同。 31 200523703 9. 如申請專利範圍第5至8項中任一項之方法，其中至少有 些該等單元的操作動作即該所需動作。 10. 如申請專利範圍第5至9項中任一項之方法，更包含以下 步驟：建立該系統的限制因素，並回應該等限制因素來 5 建立至少一單元的限制動作。 11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中一有被建立限制動 作之單元的操作動作係為該限制動作。 12. 如申請專利範圍第10或11項之方法，其中僅有針對一單 元的限制因素會被用來建立該單元的限制動作。 10 13.如申請專利範圍第10或11項之方法，其中有關至少一單 元的限制因素會被用來建立另一單元的限制動作。 14. 如以上申請專利範圍任一項之方法，更包含以下步驟： 建立多數的中間輸出來達成該所需輸出。 15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該各單元的所需動 15 作係回應個別的中間輸出來建立。 16. 如申請專利範圍第14或15項之方法，其中該系統包含一 系列的次系統，各次系統係由該等相關單元的至少一者 所構成，且該方法更包含以下步驟：建立各次系統的中 間輸出，而各單元的所需動作係回應其所附設之次系統 20 的中間輸出來建立。 17. 如申請專利範圍第14或15項之方法，其中該方法之各步 驟會重複進行而使各單元的所需動作能在時久之後被 建立，且該等所需動作係回應該等中間輸出來建立。 18. 如以上申請專利範圍任一項之方法，其中該輸出係取決 32 200523703 於該系統的空間關係。 19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該輸出係該系統相 對於一所需位置的預定空間關係。 20. 如申請專利範圍第18或19項之方法，其中該輸出亦會隨 5 時間而改變。 21. 如申請專利範圍第18至20項中任一項之方法，其中該所 需動作包括調整該單元的空間位置。 22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該調整係利用該單 元的移動及/或該單元的膨脹收縮。 10 23.如申請專利範圍第18至22項中任一項之方法當依附於 第2或3項時，其中該輸出會決定所需位置。 24.—種用來控制多數相關單元的方法，包含如下步驟：針 對各單元來獨立地獲得一操作動作，該操作動作係回應 於啟動資訊。 15 25.如申請專利範圍第24項之方法，其中該啟動資訊係選自 下列組群：一所需輸出，一所需動作，一限制動作，及 一參考位置。 26. —種用來控制可移動以達成一輸出之多個相關單元的 系統，該系統包含一控制器可執行如申請專利範圍第1 20 至23項中任一項的控制方法。 27. 如申請專利範圍第24項之系統，其中該資訊係有關被一 感測器所收集到之存在的限制因素。 28. 如申請專利範圍第25項之系統，其中該移動係以一作動 裝置來進行。 33 200523703 29. 如:請專利範圍第綠％項中任—項之系統，其中各相 關單元係為一機器人之一構成部份。 30. 如申請專利範圍第27項之线，其中該各縣部份係在 一機器人操縱器中之一模組。 5 31·:申：專利範圍第24至28項中任一項之系統更包含有 控制裳置能將該系統的控制方法切換成_集中控制方 法。 f A 一種電腦程式，當被載入一電腦系統内時係f執行申請 專利範圍第1項的方法。 種電知可5買的媒體，設有如申請專利範圍第扣項的電 腦程式。 34. -«腦程式’當被載入一電腦系統内時係可執行申請 專利範圍第3項的方法。 15 20 认腦^腦可讀的媒體，設有如申請專利範圍第32項的電 36. :=’i含多數的單元’該各單元係互有關聯並能 對於另-者移動，至少-作動器可操作來移動該等單 凡，與—控制系統係可操作而將指令施於該至少一作動 器以移動該等單元，其中該控制器會使用如申二 圍第1至23項中任一項的控制方法。 ,1乾 37. 如申凊專利範圍第36項之系統，其中該各 ^ τ 1糸以一予頁 疋的空間關係來互相關聯。 、 38·如申請專利範圍第37項之系統，其中該等單 接。 、平凡係互相連 34 200523703 39. 如申請專利範圍第36至38項中任一項之系統，其中該控 制系統包含多數的控制器設在各單元内，而各控制器係 可操作而將指令施於該至少一作動器以移動其所附設 之單元，其中該等控制器會使用如申請專利範圍第1至 5 23項中任一項的控制方法。 40. 如申請專利範圍第36至39項之系統，其中該各單元係為 一機器人之一構成部份。 41. 如申請專利範圍第40項之系統，其中該各構成部份係在 一機器人操縱器中之一模組。 10 42. —種系統，包含多數的次系統，而各次系統包含多數的 單元，該各單元係互有關聯並能相對於另一者移動，至 少一作動器可操作來移動各次系統中之該等單元，及一 控制系統可操作而使用如申請專利範圍第1至23項中任 一項之控制方法來將指令施於該至少一作動器。 15 43.如申請專利範圍第42項之系統，其中為達到一所需輸 出，將會針對該各次系統來建立中間輸出，且該控制系 統會協調各次系統的中間輸出來調和該等次系統的移 動。 35