TW201900358A - 機器手臂校正座標的方法 - Google Patents

Abstract

一種機器手臂校正座標的方法，擷取標定方塊的影像，藉顏色差異快速識別標定方塊的四角，由對角線的交點計算中心點座標，讓相機的中心軸線對正中心點。再利用深色標定方塊過濾雷射光，獲得標定方塊兩邊緣的亮端點，形成雷射線條，引導雷射線條重合標定方塊的中心點，取得TCP座標，以自動校正座標。

Description

機器手臂校正座標的方法

本發明有關一種機器手臂，尤其關於工業機器手臂及其工具中心的座標校正方法。

機器手臂具有靈活移動、精確定位及連續性作業的特性，雖然已成為產品生產線上製造組裝的最佳利器。但是機器手臂經由多軸的致動器的驅動、磨耗及構件製造組裝誤差，形成控制及實際移動座標的差異，導致無法精確定位，因此校正座標為機器手臂的重要課題。

先前技術校正機器手臂的座標時，通常驅動機器手臂的工具中心點(Tool Center Point，簡稱TCP)，直接接觸已知座標的參考點，校正機器手臂的工具中心點的座標。但未經校正的機器手臂，移動誤差過大時，常碰撞參考點，造成機器手臂的工具及參考點儀器的毀損。因此另有先前技術，利用雷射測距儀等精密量側儀器，量測工具中心點的座標，雖可非接觸式校正座標，但雷射測距儀費用高，且需要較大的裝設空間，形成使用上的限制。因此另有先前技術美國公開專利案US20110320039，在機器手臂相對的已知座標的方位，設置特定關係黑白相間的校正板，利用機器手臂上的相機擷取黑白相間的校正板的影像，計算相機與已知座標的校正板的相對關係，以校正機器手臂。

然而，前述先前技術機器手臂雖然可無接觸式自動進行校正，但是各廠商的校正板種類繁多，每一型式的校正板均有自己獨特安裝架構及計算相對關係的方式，無法交互或相容使用，對使用多種型式或廠牌機器手臂的一般作業員，在使用維護管理上並不容易。因此，機器手臂在校正座標上，仍有亟待解決的問題。

本發明的目的提供一種機器手臂校正座標的方法，利用機器手臂上的相機擷取標定方塊的影像，藉由標定方塊與環境的差異識別標定方塊的四角，取得中心點座標，以快速對正相機的中心軸線。

本發明的目的提供一種機器手臂校正座標的方法，利用深色標定方塊過濾雷射光，獲得標定方塊邊緣的亮端點，形成雷射線條，再引導雷射線條沿著相機中心軸線重合標定方塊的中心點，以自動校正TCP的座標。

本發明的另一目的提供一種機器手臂校正座標的方法，在校正目標設置多種方位的標定方塊，利用不同機器手臂的姿勢，對校正目標的標定方塊，進行校正TCP的座標，以自動校正機器手臂的座標。

為了達到前述發明的目的，本發明機器手臂校正座標的方法，機器手臂的相機與雷射裝置具有固定相對關係，調整設定相機的中心軸線與雷射裝置的雷射光的交點為工具中心點，接著放置標定方塊，利用相機擷取標定方塊的影像，經由影像處理區別出標定方塊的四角，利用對角線相交獲得標定方塊的中心點座標，移動相機的中心軸線對正標定方塊的中心點，過濾投射至標定方塊的雷射光，取得標定方塊兩邊緣的亮端點， 建立雷射線條，在維持相機的中心軸線對正標定方塊的中心點下，移動相機帶動雷射線條重合標定方塊的中心點，將重合時標定方塊的中心點的座標設為控制工具中心點座標。

本發明機器手臂校正座標的方法的標定方塊為可識別的顏色或深色或黑色正方塊，用以吸收投射的雷射光，在標定方塊兩邊緣產生明顯亮度差異的亮端點，以取得兩亮端點。而重合時為標定方塊的中心點的座標落在雷射線條，並記錄重合時紀錄相機、雷射裝置及標定方塊的中心點的相對固定關係。此外，放置標定方塊的中心點時，實際測量座標，作為實際工具中心點座標，比對控制工具中心點座標與實際工具中心點座標獲得誤差，以校正機器手臂工具中心點的座標。

本發明另一實施例機器手臂校正座標的方法，使機器手臂的相機與雷射裝置具有固定相對關係，接著設置具有已知座標且包含標定方塊的校正目標在相對機器手臂的固定位置，校正目標為立方體且在各方位面上分別設置複數標定方塊，利用機器手臂的姿勢帶動相機擷取校正目標的影像，自動選擇校正目標上的一標定方塊，經由影像處理區別出標定方塊的四角，利用對角線相交獲得該標定方塊的中心點座標，移動相機的中心軸線對正該標定方塊的中心點，過濾投射至標定方塊的雷射光，取得標定方塊兩邊緣的亮端點，建立雷射線條，在維持相機的中心軸線對正該標定方塊的中心點下，移動相機帶動雷射線條重合標定方塊的中心點，重合時紀錄該標定方塊的中心點的控制座標，檢查機器手臂的姿勢數量未達到預設閥值時，改變機器手臂的姿勢帶動相機重複校正步驟，檢查機器手臂的姿勢數量達到預設閥值時，將取得的標定方塊的中心點的控制座標，進 行矩陣數列計算，取得校正參數，以校正機器手臂座標。

1‧‧‧機器手臂

2‧‧‧軸臂

3‧‧‧致動器

4‧‧‧底座

5‧‧‧端末器

6‧‧‧相機

7‧‧‧雷射裝置

8‧‧‧工作架

9‧‧‧標定方塊

10‧‧‧雷射光

11‧‧‧中心軸線

12‧‧‧影像

13‧‧‧四角

14‧‧‧中心點

15‧‧‧雷射線條

16‧‧‧亮端點

17‧‧‧校正目標

TCP‧‧‧工具中心點

圖1 為本發明機器手臂校正座標的示意圖。

圖2 為本發明相機擷取的標定方塊影像圖。

圖3 為本發明移動雷射線條的示意圖。

圖4 為本發明雷射線條重合標定方塊的中心點的影像圖。

圖5 為本發明機器手臂校正座標的方法的流程圖。

圖6 為本發明另一實施例機器手臂校正座標的示意圖。

圖7 為本發明另一實施例機器手臂校正座標的方法的流程圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。

請同時參考圖1及圖2所示，圖1為本發明機器手臂校正TCP座標的示意圖，圖2為本發明相機擷取的標定方塊影像圖。圖1中本發明的機器手臂1由複數軸臂2間隔串聯致動器3而成，一端固定在底座4，形成機器手臂座標M，另一端在軸臂2的最後連結端末器5，端末器5可藉由致動器3的轉動紀錄，計算出在機器手臂座標M的座標。端末器5上設置相機6及雷射裝置7，相機5與端末器5具有固定相對關係，因此也可計算出在機器手臂座標M的座標。由機器手臂1帶動擷取工作架8上標定方塊9的影像(參圖2)，而雷射裝置7用以發射面狀的掃描雷射光10。本發明的相機6與雷射裝置7具有固定相對關係，調整設定相機6的中心軸線11與雷射裝置7掃描雷射光10的 交點為工具中心點(TCP)。

由於相機6虛擬的中心軸線11與雷射裝置7掃描雷射光10的交點TCP無法目視，因此機器手臂的TCP也無法直接目視決定。本發明為了取得機器手臂TCP的座標，在工作架8上放置標定方塊9，標定方塊9可為黑色正方塊，本實施例的標定方塊9雖以黑色正方塊舉例說明，但包含且不限於黑色正方塊，凡可易於識別的顏色或深色，且易於決定中心點的方塊，都屬於本發明的發明範疇。

本發明的機器手臂1帶動相機6擷取工作架8上標定方塊9的影像12，如圖2中標定方塊9的影像12，利用相機6擷取影像12的焦距、影像12的中心及像素，由已知座標的相機6可計算出影像12各點的座標。由於影像12中黑色的標定方塊9與周圍淺色環境明顯差異，經由影像處理可快速區別出標定方塊9，並決定標定方塊9四角13的座標，利用標定方塊9正方塊的對角線相交形成中心點14，獲得標定方塊9的中心點14的座標。接著利用機器手臂1帶動相機6，使相機6的中心軸線11對正標定方塊9的中心點14。

圖2中，雷射裝置7發射面狀的掃描雷射光10，在影像12形成橫越標定方塊9的雷射線條15，雷射光的雷射線條15相對較亮，但投射在黑色的標定方塊9的雷射線條15，受黑色的標定方塊9吸收光線，亮度相對黯淡許多，因而在標定方塊9兩邊緣產生明顯亮度差異的亮端點16，以利取得兩亮端點16的座標，利用兩亮端點16構成的直線就可定位雷射線條15。

請同時參考圖3及圖4所示，圖3為本發明移動雷射線條的示意圖，圖4為本發明雷射線條重合標定方塊的中心點的影像圖。圖3中在維持相機6的中心軸線11對正標定方塊9的中心點14下，機器手臂帶動相機6沿 著中心軸線11移動雷射裝置7，使雷射裝置7發射的雷射線條15移向標定方塊9的中心點14。圖4中當中心點14的座標落在雷射線條15時，就可確認雷射線條15重合中心點14。再紀錄相機6、雷射裝置7及中心點14的相對固定關係，並利用相機6擷取影像12的焦距、影像12的中心及像素，計算中心點14的座標，將中心點14的座標設為TCP的座標。

前述TCP的座標為根據機器手臂控制獲得的控制TCP座標，如果機器手臂已經校正，控制TCP座標就是實際的TCP座標。否則在工作架8上放置標定方塊9時，就可藉由實際測量標定方塊9的中心點14座標，以中心點14座標作為實際TCP座標，利用比對控制TCP座標與實際量測的中心點14的座標，獲得控制TCP座標與實際TCP座標的誤差，進一步校正機器手臂TCP的座標。

如圖5所示，為本發明機器手臂校正座標的方法的流程圖。本發明機器手臂校正座標的方法的詳細步驟說明如下：在步驟S1，開始校正TCP時，使本發明的相機與雷射裝置具有固定相對關係，調整設定相機的中心軸線與雷射裝置掃描雷射光的交點為TCP；步驟S2，放置標定方塊；步驟S3，利用相機擷取標定方塊的影像；步驟S4，經由影像處理區別出標定方塊，取得標定方塊四角，利用對角線相交獲得標定方塊的中心點座標；接著步驟S5，移動相機的中心軸線對正標定方塊的中心點；步驟S6，過濾雷射裝置發射在標定方塊的雷射光，取得標定方塊兩邊緣明亮的亮端點，建立雷射線條；步驟S7，在維持相機的中心軸線對正標定方塊的中心點下，移動相機帶動雷射線條，使雷射線條重合標定方塊的中心點；步驟S8，紀錄重合時相機、雷射裝置及中心點的相對固定關係，將中心點的座標設為 控制TCP座標；步驟S9，將控制TCP座標比對標定方塊的中心點的已知實際座標，進行校正補償；然後在步驟S10，結束TCP座標校正。

因此，本發明機器手臂校正座標的方法，就可利用機器手臂上的相機擷取標定方塊的影像，並藉由標定方塊與環境的顏色明顯差異，快速識別標定方塊的四角的座標，由對角線的交點計算出中心點座標，讓機器手臂自動移動相機的中心軸線，快速對正中心點。再利用深色標定方塊過濾雷射光，獲得標定方塊兩邊緣的亮端點，形成雷射線條，再讓相機沿著中心軸線引導雷射線條重合標定方塊的中心點，在非實體接觸避免毀損下，取得控制的TCP座標，再與實際測量的中心點座標比較，進一步達到自動校正TCP座標的目的。

如圖6所示，為本發明另一實施例機器手臂校正座標的方法的示意圖。本實施例基本上利用前述實施例校正TCP座標的技術，進行校正機器手臂的座標。為簡化說明，與前實施例相同構件沿用相同件號，合先敘明。本實施例在校正目標17的各方位面上，分別設置複數標定方塊9，再將校正目標17設置在相對機器手臂1的底座4的固定位置，並具有已知的機器手臂座標。本實施例校正目標17雖以立方體舉例說明，但包含且不限於立方體，例如多面體亦可。

接著進行校正機器手臂1，由機器手臂1帶動相機6擷取校正目標17的影像，自動選擇校正目標17上的一標定方塊9，進行前實施例TCP校正步驟，即擷取選定的標定方塊9的影像，識別標定方塊9的四角，由對角線決定標定方塊9的中心點，自動移動相機6的中心軸線11對正標定方塊9的中心點，接著過濾雷射裝置7投射雷射光形成雷射線條，使相機6沿著中 心軸線11移動下，帶動雷射線條與標定方塊9的中心點重合，視為TCP與中心點重合，以取得控制的TCP座標，作為選定的標定方塊9的中心點的控制座標。接著改變機器手臂1的姿勢，選定另一標定方塊9，重複前述TCP校正步驟，直到改變機器手臂1的姿勢數量達到預設閥值，再將前述取得的標定方塊9的中心點的控制座標，進行例如Jacobian Matrix等先前技術的矩陣數列計算，取得座標校正的參數，以完成機器手臂座標的校正。

如圖7所示，為本發明另一實施例機器手臂校正座標的方法的流程圖。本實施例機器手臂校正座標的方法的詳細步驟說明如下：在步驟T1，開始校正機器手臂的座標；步驟T2，將已知座標且包含標定方塊的校正目標設置在相對機器手臂的固定位置；步驟T3，自動選擇校正目標上的一標定方塊，進行TCP校正；步驟T4，紀錄選擇標定方塊中心點控制座標；接著步T5，檢查改變機器手臂的姿勢數量是否達到預設閥值？假如姿勢數量未達到預設閥值，則進入步驟T6，改變機器手臂的姿勢，再回到步驟T3重複步驟，假如姿勢數量達到預設閥值，則進入步驟T7，取得的標定方塊的中心點的控制座標，進行矩陣數列計算，取得校正參數，以進行校正機器手臂座標；然後在步驟T8，結束座標校正。

因此，本發明機器手臂校正座標的方法，就可在校正目標設置多種方位的標定方塊，利用不同機器手臂的姿勢，對校正目標的標定方塊，進行校正TCP的座標，再將取得的標定方塊的中心點座標，利用矩陣數列計算校正參數，達到未接觸的自動校正機器手臂座標的目的。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離 本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

Claims (10)

1. 一種機器手臂校正座標的方法，使機器手臂的相機與雷射裝置具有固定相對關係，調整設定相機的中心軸線與雷射裝置的雷射光的交點為工具中心點，其步驟包含：放置標定方塊；利用相機擷取標定方塊的影像；經由影像處理區別出標定方塊的四角，利用對角線相交獲得標定方塊的中心點座標；移動相機的中心軸線對正標定方塊的中心點；過濾投射至標定方塊的雷射光，取得標定方塊兩邊緣的亮端點，建立雷射線條；在維持相機的中心軸線對正標定方塊的中心點下，移動相機帶動雷射線條重合標定方塊的中心點；將重合時標定方塊的中心點的座標設為控制工具中心點座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該標定方塊為黑色正方塊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該標定方塊吸收投射的雷射光，在標定方塊兩邊緣產生明顯亮度差異的亮端點，以取得兩亮端點。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該重合為標定方塊的中心點的座標落在雷射線條。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該重合時紀 錄相機、雷射裝置及標定方塊的中心點的相對固定關係。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該標定方塊的中心點放置時實際測量座標，作為實際工具中心點座標，比對該控制工具中心點座標與實際工具中心點座標獲得誤差，以校正機器手臂工具中心點的座標。
7. 一種機器手臂校正座標的方法，使機器手臂的相機與雷射裝置具有固定相對關係，其步驟包含：設置具有已知座標且包含標定方塊的校正目標在相對機器手臂的固定位置；利用機器手臂的姿勢帶動相機擷取校正目標的影像，自動選擇校正目標上的一標定方塊；經由影像處理區別出該標定方塊的四角，利用對角線相交獲得該標定方塊的中心點座標；移動相機的中心軸線對正該標定方塊的中心點；過濾投射至標定方塊的雷射光，取得標定方塊兩邊緣的亮端點，建立雷射線條；在維持相機的中心軸線對正該標定方塊的中心點下，移動相機帶動雷射線條重合該標定方塊的中心點；重合時紀錄該標定方塊的中心點的控制座標；檢查機器手臂的姿勢數量達到預設閥值時，將取得的標定方塊的中心點的控制座標，進行矩陣數列計算，取得校正參數，以進行校正機器手臂座標。
8. 如申請專利範圍第7項所述之機器手臂校正座標的方法，其中檢查機器手臂的姿勢數量未達到預設閥值時，改變機器手臂的姿勢帶動相機重複校正步驟。
9. 如申請專利範圍第7項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該校正目標為立方體。
10. 如申請專利範圍第9項所述之機器手臂校正座標的方法，其中該校正目標在各方位面上，分別設置複數標定方塊。