TWI745205B - 機械手臂重複定位精度量測之裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種機械手臂重複定位精度量測之裝置，利用申請人開發的光斑三維位移感測器，配合已經建立光斑座標資料庫的低熱膨脹量之光斑影像三維定位基座，建立光斑三維絕對定位空間。將光斑三維位移感測器安裝於機械手臂末端執行器上，移動機械手臂使光斑三維位移感測器進入光斑三維絕對定位空間內，擷取定位點之光斑影像與光斑座標資料庫之座標光斑影像比對，就可獲得此時機械手臂末端執行器之三維絕對定位座標。

Description

機械手臂重複定位精度量測之裝置及方法

本發明係關於一種機械手臂重複定位精度量測之裝置及方法，特別是關於不但可以單點重複定位機械手臂，也可以重複定位機械手臂在光斑三維絕對定位空間內之運動軌跡之一種機械手臂重複定位精度量測之裝置及方法。

以機械人取代人工已成趨勢，Tractica預估，2020年全球機器人營收市值將首度突破1,000億美元，而2025年將達到5,000億美元。亦即未來六年間，全球機器人產業營收成長超過500%，機械人影響人類生活與日俱增。機械人的主要技術參數通常包括以下七個：自由度、解析度、精度、重複定位精度、工作範圍、承載能力及最大速度等。每當談論機械人的精度時，業者一般都會首先考慮它的重複定位精度是否滿足應用需求，位置重複性是工業機器人製造商指定的唯一的定位性能指標。

傳統機械手臂重複定位精度的量測方法包括：使用雷射追蹤儀、使用三軸雷射位移感測器及使用三維探針等。雷射追蹤儀的量測原理是利用一個反射鏡和雷射頭，當雷射頭射出雷射光，經過反射鏡平行反射雷射光，再返回雷 射頭，追蹤儀便從射出和接收的時間差計算距離(ADM模式)，或是用雷射光波的干涉計算距離(IFM模式)量測出雷射頭與反射鏡之距離。再由雷射頭之水平角及俯仰角參數配合距離參數算出反射鏡之三維位置座標。雷射追蹤儀應用於機械手臂定位時，就是將反射鏡貼附於機械手臂末端執行器上，進而時時量取末端執行器之三維位置。習知技術揭露架設空間上互相垂直的三個雷射位移感測器，類比於空間的三維坐標系，量測時通過控制機械手臂到達三個雷射位移感測器的測試中心範圍，確保三路光線投射到機械手臂的末端執行器，由雷射光漫反射的原理可以測得機械手臂末端執行器在空間三個座標軸的位置。

雷射追蹤儀使用於校驗機械手臂的定位精度時，有三個缺點：1.其定位精度較差，且隨追蹤距離加長而變大。其定位精度表現視廠牌不同而定，一般來說，在5公尺左右約為25um，在80公尺處約為80um。2.雷射追蹤儀的跟蹤定位速度較慢，因此機械手臂移動之速度會被限制。3.此量測校正系統較昂貴。

使用三維雷射位移計或是三維接觸式探針來量測機械手臂定位精度普遍都有三個方向的量測點不是同一點，必須經過計算才可以得出量測點的位置座標，此種間接量測方法會影響定位精度，另外，只有在預先設定之範圍內才可以量測，不同位置必須重新建構三個互相垂直的量測裝 置，非常麻煩。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對目前傳統機械手臂重複定位精度的量測方法之缺失予以研究改良，提供一種機械手臂重複定位精度量測之裝置及方法，以期達到更佳實用價值性之目的者。

鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種機械手臂重複定位精度量測之裝置及方法，量測架設簡單，可以無限多點、多方位校正，三維各軸絕對定位精度可以小於0.1um，定位速度快，而且整個校正模組很便宜。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種機械手臂重複定位精度量測之裝置，其包括：一光斑三維位移感測器，係具有二個互相垂直的不變形光斑取像裝置及一雷射位移感測器；一二維雷射干涉儀校正平台，係具有一光斑影像三維定位基座及該光斑三維位移感測器，該光斑三維位移感測器之三束雷射光打到該光斑影像三維定位基座同一位置，以擷取該位置之二光斑影像及一高度值，並將該光斑影像三維定位基座之複數個位置之複數個光斑影像及複數個高度值建立具有二座標光斑影像及一三維定位座標之一光斑座標資料庫；一機械手臂重複定位精度測試平台，係為三面互相垂直的該光斑影像三維定位基座組成， 其中每一該光斑影像三維定位基座已建立該光斑座標資料庫；以及一機械手臂，該機械手臂之末端執行器上安裝該光斑三維位移感測器；其中藉由移動該機械手臂使該光斑三維位移感測器進入該機械手臂重複定位精度測試平台之一光斑三維絕對定位空間內，以擷取一定位點之該光斑影像與該光斑座標資料庫之該座標光斑影像比對，以獲得該定位點相對於該座標影像之X軸及Y軸相對位移量，再配合該光斑三維位移感測器之Z軸高度參數及該座標光斑影像之該三維定位座標，就可獲得此時該機械手臂之末端執行器之三維絕對定位座標。

較佳地，不變形光斑取像裝置係用以量取物體表面任何一點在X軸方向及Y軸方向之位移量，分別是一X軸位移感測器及一Y軸位移感測器。

較佳地，雷射位移感測器可係雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測器、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器，其是一Z軸位移感測器。

較佳地，該X軸位移感測器、該Y軸位移感測器及該Z軸位移感測器的探測雷射光束都打到該光斑影像三維定位基座之表面同一點，每道雷射光束工作波長相差至少20nm，每個位移感測器之接收透鏡前安裝±5nm之干涉式濾波片，濾除另外二道雷射散射光，使三道雷射光束都互不干擾。

較佳地，該光斑三維絕對定位空間，係為在該光 斑影像三維定位基座上方，及該光斑三維位移感測器量測高度內之三維空間。

較佳地，該光斑三維位移感測器以超過10kHz連續取像。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，一種機械手臂重複定位精度量測之方法，其步驟為：(A)建立一二維雷射干涉儀校正平台，以一光斑三維位移感測器之三束雷射光打到一光斑影像三維定位基座同一位置，以擷取該位置之二光斑影像及一高度值，並將該光斑影像三維定位基座之複數個位置之複數個光斑影像及複數個高度值建立具有二座標光斑影像及一三維定位座標之一光斑座標資料庫；(B)建立一機械手臂重複定位精度測試平台，以三面互相垂直的該光斑影像三維定位基座組成，其中每一該光斑影像三維定位基座已建立該光斑座標資料庫；(C)將該光斑三維位移感測器安裝於該機械手臂之末端執行器上；以及(D)藉由移動該機械手臂使該光斑三維位移感測器進入該機械手臂重複定位精度測試平台之一光斑三維絕對定位空間內，以擷取一定位點之該光斑影像與該光斑座標資料庫之該座標光斑影像比對，以獲得該定位點相對於該座標影像之X軸及Y軸相對位移量，再配合該光斑三維位移感測器之Z軸高度參數及該座標光斑影像之該三維定位座標，就可獲得此時該機械手臂之末端執行器之三維絕對定位座標。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1:光斑影像三維定位基座

2:光斑三維位移感測器

3:X軸干涉儀

4:Y軸干涉儀

5:三維位移感測器基座

6:Y軸位移感測器

7:Z軸位移感測器

8:X軸位移感測器

9:定位點

10:定位點

11:定位點

12:定位軌跡

A、B、C:測試面

(x_i,y_j,z_k):定位座標

(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸:座標光斑影像

S1-S5:步驟

第一圖係為本發明之光斑三維位移感測器架構示意圖。

第二圖係為本發明之二維雷射干涉儀校正平台架構示意圖。

第三圖係為本發明在光斑影像三維定位基座上建立具有X軸座標光斑影像、Y軸座標影像及三維定位座標之光斑座標資料庫圖。

第四圖係為本發明之機械手臂重複定位精度測試平台示意圖。

第五圖係為本發明之機械手臂相對於測試面姿態的機械手臂重複定位精度測試平台示意圖。

第六圖係為本發明之機械手臂相對於測試面姿態的機械手臂重複定位精度測試平台示意圖。

第七圖係為本發明之機械手臂相對於測試面姿態的機械手臂重複定位精度測試平台示意圖。

第八圖係為本發明之機械手臂在測試面之光斑三維絕對定位空間內定位軌跡的機械手臂重複定位精度測試 平台示意圖。

第九圖係為本發明之一種機械手臂重複定位精度量測之方法流程圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

請參閱第一圖至第九圖。本發明在於提供一種機械手臂重複定位精度量測之裝置，利用申請人開發的光斑三維位移感測器2，配合已經建立光斑座標資料庫的低熱膨脹量之光斑影像三維定位基座1，及建立光斑三維絕對定位空間。將光斑三維位移感測器2安裝於機械手臂末端執行器上，移動機械手臂使光斑三維位移感測器2進入光斑影像三維定位基座1之光斑三維絕對定位空間內，擷取定位點9、10、11之光斑影像與高度值，再將即時取得之光斑影像與光斑座標資料庫之座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸比對，就可獲得此時機械手臂末端執行器之三維絕對定位座標。

詳言之，本發明之一種機械手臂重複定位精度量測之裝置其包括：光斑三維位移感測器2、二維雷射干涉儀校正平台及機械手臂重複定位精度測試平台。

光斑三維位移感測器2具有二個互相垂直的不 變形光斑取像裝置及雷射位移感測器。請參閱本案申請人之中華民國發明第I 340910號專利及美國US7,715,016 B2專利所揭露的不變形光斑取像裝置。利用二個不變形光斑取像裝置及一個雷射位移感測器來架構光斑三維位移感測器2，參考第一圖，在三維位移感測器基座5上安裝兩個互相垂直的不變形光斑取像裝置，用來量取物體表面任何一點在X軸方向及Y軸方向之位移量，分別是X軸位移感測器8及Y軸位移感測器6。在三維位移感測器基座5正上方安裝一個可以精確量測Z軸方向的位移感測器，它可以是雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測器、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器等，其是Z軸位移感測器7。X軸位移感測器8、Y軸位移感測器6及Z軸位移感測器7的探測雷射光束都打到物面同一點，每道雷射光束工作波長相差至少20nm，每個位移感測器之接收透鏡前安裝±5nm之干涉式濾波片，濾除另外2道雷射散射光，使三道雷射光束都互不干擾。

二維雷射干涉儀校正平台係在光學桌上架設高剛性低熱膨脹量之光斑影像三維定位基座1、X軸雷射干涉儀、Y軸雷射干涉儀、X軸平移台、Y軸平移台及光斑三維位移感測器2等，為了獲得精確不隨環境溫度變化之光斑影像位移量測值，我們需要使用低熱膨脹係數(不易改變長度)，高硬度係數(不易變形)之光斑影像三維定位基座1來建立光斑座標資料庫，這種不易變形、不易改變長度之定位基座如花 崗岩定位基座、零膨脹玻璃定位基座、零膨脹陶瓷板定位基座等。請參閱第二圖，X軸平移台架設在Y軸平移台上，二者互相垂直；X軸干涉儀3的雷射發射接收頭、干涉鏡安裝於X軸平移台側邊，而其反射鏡安裝於X軸平移台的滑塊上，調整雷射光束方向，當移動滑塊時由反射鏡反射而回的雷射光束，穩定投射於雷射接收孔洞內；將Y軸干涉儀4的雷射發射接收頭、干涉鏡安裝於光學桌一邊，其反射鏡安裝於X軸平移台上，調整Y軸干涉儀4的雷射光束使其垂直於X軸干涉儀3的雷射光束，並且在移動X軸平移台時，由其反射鏡反射而回的雷射光束，穩定投射於雷射接收孔洞內；在X軸平移台滑塊上安裝光斑三維位移感測器2，其三束雷射光打到光斑影像三維定位基座1同一位置，調整光斑三維位移感測器2高度，使其X、Y二軸位移感測器8、6可以擷取良好即時光斑影像，而其Z軸位移感測器7可以量得光斑影像三維定位基座1之即時高度值。

接著將所量得的光斑影像三維定位基座1之複數個位置之複數個光斑影像及複數個高度值建立具有座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸及三維定位座標(x_i,y_j,z_k)之光斑座標資料庫，詳言之，移動二維雷射干涉儀校正平台之X、Y軸平移台，使X軸平移台滑塊上的光斑三維位移感測器2，其三道雷射光束打到光斑影像三維定位基座1的原點，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,1-X軸,p=1-n,q=1-m}、 Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,1-Y軸,p=1-n,q=1-m}及此時Z軸位移感測器7之高度值(h_1,1)，其中座標光斑影像(I_p,I_q)_p=1-n,q=1-m表示此光斑影像為n×m陣列的影像矩陣；座標光斑影像(I_p,I_q)_1,1-X軸表示此為X軸位移感測器8於(1,1)位置量得的光斑影像。將X、Y軸二個雷射干涉儀位移輸出都歸零，則此點空間座標為(x₁,y₁,h_1,1)=(0,0,h_1,1)，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1原點記錄了此點三維定位座標(0,0,h_1,1)及X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,1-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,1-Y軸,p=1-n,q=1-m}。

Y軸位移平移台不動，移動X軸位移平台一個固定距離△，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,1-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,1-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_2,1)、X軸干涉儀3之位移量x₂及Y軸干涉儀4之位移量y₁(此時y₁=0)，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1之(2,1)位置，記錄了此點三維定位座標(x₂,0,h_2,1)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,1-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,1-Y軸,p=1-n,q=1-m}。同法類推，Y軸位移平移台不動，X軸位移平台移動第(u-1)次，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,1-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,1-Y軸,p= 1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_u,1)、X軸干涉儀3之位移量x_u及Y軸干涉儀4之位移量y₁(此時y₁=0)，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座(u,1)位置，記錄了此點三維定位座標(x_u,0,h_u,1)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,1-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,1-Y軸,p=1-n,q=1-m}，完成第一列座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸及三維定位座標(x_i,y_j,z_k)之光斑座標資料庫建立。

利用X軸干涉儀3讀值來定位，將X軸平移台滑塊位置回歸原點(X軸干涉儀3位置讀值歸0)，移動Y軸平移台一個固定距離△，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,2-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,2-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_1,2)、X軸干涉儀3之位移量x₁(此時x₁=0)及Y軸干涉儀4之位移量y₂，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1之(1,2)位置，記錄了此點三維定位座標(0,y₂,h_1,2)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,2-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,2-Y軸,p=1-n,q=1-m}。Y軸位移平移台不動，移動X軸位移平台一個固定距離△，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,2-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,2-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值 (h_2,2)、X軸干涉儀3之位移量x₂及Y軸雷射干涉儀4之位移量y₂，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1之(2,2)位置，記錄了此點三維定位座標(x₂,y₂,h_2,2)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,2-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{2,2-Y軸,p=1-n,q=1-m}。同法類推，Y軸位移平移台不動，X軸位移平台移動第(u-1)次，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,2-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,2-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_u,2)、X軸干涉儀3之位移量x_u及Y軸干涉儀4之位移量y₂，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1之(u,2)位置，記錄了此點三維定位座標(x_u,y₂,h_u,2)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,2-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,2-Y軸,p=1-n,q=1-m}，完成第二列座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸及三維定位座標(x_i,y_j,z_k)之光斑座標資料庫建立。

利用X軸干涉儀3讀值來定位，將X軸平移台滑塊位置回歸原點(X軸干涉儀3之位置讀值歸0)，移動Y軸平移台一個固定距離△，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,3-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,3-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_1,3)、X軸干涉儀3之位移量x₁(此時x₁=0)及Y軸干涉儀4之位移量y₃，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定 位基座1之(1,3)位置，記錄了此點三維定位座標(0,y₃,h_1,3)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,3-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{1,3-Y軸,p=1-n,q=1-m}。同法類推，Y軸位移平移台不動，X軸位移平台移動第(u-1)次，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,3-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,3-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_u,3)、X軸干涉儀3之位移量x_u及Y軸干涉儀4之位移量y₃，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1之(u,3)位置，記錄了此點三維定位座標(x_u,y₃,h_u,3)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,3-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,3-Y軸,p=1-n,q=1-m}，完成第三列座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸及三維定位座標(x_i,y_j,z_k)之光斑座標資料庫建立。

同法類推，Y軸位移平台移動第(v-1)次，X軸位移平台移動第(u-1)次，記錄此時X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-X軸,p=1-n,q=1-m}、Y軸位移感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-Y軸,p=1-n,q=1-m}、Z軸位移感測器7之高度值(h_u,v)、X軸干涉儀3之位移量x_u及Y軸干涉儀4之位移量y_v，綜合量測紀錄：於光斑影像三維定位基座1之(u,v)位置，記錄了此點三維定位座標(x_u,y_v,h_u,v)、X軸位移感測器8之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸位移 感測器6之座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-Y軸,p=1-n,q=1-m}，完成光斑影像三維定位基座1之u×v陣列，X軸座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、Y軸座標影像(I_p,I_q)_Y軸及三維定位座標(x_i,y_j,z_k)資料庫的建立。如第三圖所示，在花崗岩三維定位基座上建立X軸座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、Y軸座標影像(I_p,I_q)_Y軸及三維定位座標(x_i,y_j,z_k)資料庫，在花崗岩三維定位基座上每一個光斑定位點(u,v)，都包含定位座標(x_i,y_j,z_k)_u,v、X軸座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-Y軸,p=1-n,q=1-m}。

在本實施方式中，光斑三維位移感測器2上的X、Y、Z三軸位移感測器6、7、8在Z軸上都有一定的量測範圍，如距離測量面太近或是太遠，就會使三軸位移感測器6、7、8無法量得正確位移量。所以在光斑影像三維定位基座1上方，光斑三維位移感測器2在一定量測高度內可以正確、快速取得光斑三維位移感測器2相對於光斑影像三維定位基座1之三維絕對定位座標，因此，在光斑影像三維定位基座1上方，光斑三維位移感測器2量測高度內之三維空間，定義為光斑三維絕對定位空間，只要將光斑三維位移感測器2移動到光斑三維絕對定位空間內，就可以正確、快速量取光斑三維位移感測器2之三維絕對定位座標。

機械手臂重複定位精度測試平台係為三面互相垂直的光斑影像三維定位基座1組成，其中每一光斑影像三 維定位基座1已建立光斑座標資料庫，在本實施方式中，依照機械手臂性能測試需要，可以任意組合光斑影像三維定位基座1，如第四圖所示，將三面已經建立定位座標(x_i,y_j,z_k)_u,v、X軸座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-Y軸,p=1-n,q=1-m}之光斑座標資料庫的光斑影像三維定位基座1，組合成互相垂直之機械手臂重複定位精度測試平台，將安裝有光斑三維位移感測器2的機械手臂移動到測試平台的任一三維定位基座1表面之光斑三維絕對定位空間內，擷取X軸光斑影像、Y軸光斑影像及Z軸即時高度，將X、Y軸光斑影像與其座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸資料庫比對，可即時獲得機械手臂末端執行器相對於光斑影像三維定位基座1之三維絕對定位座標。

詳言之，將機械手臂重複定位精度測試平台的三個光斑影像三維定位基座1之表面標定為測試面A、B、C等三個測試面，其中每一測試面A、B、C都互相垂直，如第五圖所示。在機械手臂末端執行器上安裝光斑三維位移感測器2，移動機械手臂使末端執行器上之光斑三維位移感測器2進入測試面A面之光斑三維絕對定位空間內，擷取定位點9之X軸光斑影像、Y軸光斑影像及Z軸即時高度，將此二即時光斑影像與其光斑座標資料庫比對，可即時獲得機械手臂末端執行器相對於測試面A面定位基座之三維絕對定位座標，記錄此時機械手臂各轉軸之轉動角度及相對於測試面A面定位 基座之三維絕對定位座標，完成第一次機械手臂末端執行器定位測試。將機械手臂移開或歸原位，再下指令到機械手臂各轉軸，依序轉到測試記錄角度，機械手臂末端執行器到定位後，再擷取定位點9之X軸光斑影像、Y軸光斑影像及Z軸即時高度，將此二即時光斑影像與其光斑座標資料庫比對，可獲得第二次機械手臂末端執行器相對於測試面A面定位基座之三維絕對定位座標，同法，執行n次機械手臂末端執行器相對於測試面A面定位基座之三維絕對定位座標，統計n次定位三維絕對定位座標資料，可以獲得機械手臂相對於測試面A面姿態的重複定位精度相關參數。

同法，如第六圖所示，移動機械手臂執行器進入測試面B面之光斑三維絕對定位空間內，擷取定位點10之X軸光斑影像、Y軸光斑影像及Z軸即時高度，將此二即時光斑影像與其光斑座標資料庫比對，可即時獲得機械手臂末端執行器相對於B面定位基座之三維絕對定位座標，記錄此時機械手臂各轉軸之轉動角度及相對於B面定位基座之三維絕對定位座標，重複執行n次機械手臂末端執行器相對於B面定位基座之三維絕對定位座標，統計n次定位三維絕對定位座標資料，可以獲得機械手臂相對於B面姿態的重複定位精度相關參數。

同法，如第七圖所示，移動機械手臂執行器進入C面之光斑三維絕對定位空間內，擷取定位點11之X軸光斑影 像、Y軸光斑影像及Z軸即時高度，將此二即時光斑影像與其光斑座標資料庫比對，可即時獲得機械手臂末端執行器相對於C面定位基座之三維絕對定位座標，記錄此時機械手臂各轉軸之轉動角度及相對於C面定位基座之三維絕對定位座標，重複執行n次機械手臂末端執行器相對於C面定位基座之三維絕對定位座標，統計n次定位三維絕對定位座標資料，可以獲得機械手臂相對於C面姿態的重複定位精度相關參數。

以上，藉由移動機械手臂使光斑三維位移感測器2進入機械手臂重複定位精度測試平台之光斑三維絕對定位空間內，以擷取定位點9、10、11之光斑影像與光斑座標資料庫之座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸比對，以獲得定位點9、10、11相對於座標影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸之X軸及Y軸相對位移量，再配該光斑三維位移感測器2之Z軸高度參數及座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸之三維定位座標(x_i,y_j,z_k)，就可獲得此時機械手臂之末端執行器之三維絕對定位座標。

由第五圖到第七圖可以清楚看到機械手臂在空間不同定位點9、10、11的姿態是非常不一樣的，光斑三維絕對定位空間可以滿足機械手臂各種姿態的重複定位精度測試。不只空間單點重複定位精度測試，機械手臂連續移動的定位軌跡也可以執行重複定位精度測試。如第八圖所示，機械手臂末端執行器夾持光斑三維位移感測器2在A面定位基 座之光斑三維絕對定位空間內畫方形軌跡，在B面定位基座之光斑三維絕對定位空間內畫三角型形軌跡，在C面定位基座之光斑三維絕對定位空間內畫圓形軌跡。由於光斑三維位移感測器2的X、Y軸位移感測器8、6可以超過10kHz連續取像比對定位，而Z軸位移感測器7更可以49kHz連續定位，對於1m/sec運動速度的機械手臂，在光斑絕對定位空間內都可以被正確定位，因此不管任何運動軌跡，只要在光斑絕對定位空間內，機械手臂的重複定位精度都可以被正確測量。

請參閱第九圖，一種機械手臂重複定位精度量測之方法流程圖，其步驟為：步驟S1、S2：建立二維雷射干涉儀校正平台，以光斑三維位移感測器2之三束雷射光打到光斑影像三維定位基座1同一位置，以擷取該位置之光斑影像及高度值，並將光斑影像三維定位基座1之複數個位置之複數個光斑影像及複數個高度值建立具有定位座標(x_i,y_j,z_k)_u,v、X軸座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-X軸,p=1-n,q=1-m}及Y軸座標光斑影像(I_p,I_q)_{u,v-Y軸,p=1-n,q=1-m}之光斑座標資料庫；步驟S3：建立機械手臂重複定位精度測試平台，以三面互相垂直的光斑影像三維定位基座1組成，其中每一該光斑影像三維定位基座1已建立光斑座標資料庫；步驟S4、S5：將光斑三維位移感測器2安裝於機械手臂之末端執行器上，藉由移動機械手臂使光斑三維位移感測器2進入機械手臂重複定位精度測試平台之光斑三維絕對定位空間內，以擷取定 位點9、10、11之光斑影像與光斑座標資料庫之座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸比對，以獲得定位點9、10、11相對於座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸之X軸及Y軸相對位移量(△x、△y)，再配合光斑三維位移感測器2之Z軸高度參數(△z)及座標光斑影像(I_p,I_q)_X軸、(I_p,I_q)_Y軸之三維定位座標(x_i,y_j,z_k)，就可獲得此時機械手臂之末端執行器之三維絕對定位座標(x_i+△x、y_j+△y、z_k+△z)。

綜上所述，要提升機械人的價值，最直接的方法就是提升機械手臂的定位精度。本發明揭露一種機械人重複定位精度量測之裝置及方法，配合本發明人已研發的多軸機械手臂的精密量測定位技術(參閱：中華民國的專利發明第I 646305號、美國專利US 10,632,622 B2、日本專利特許第6668321號)，從精確量測機械手臂各轉動軸之角度誤差、變形誤差等數據，配合機械手臂末端執行器之定位誤差量測數據，我們有機會可以開發一套可以精確補償機械手臂定位誤差技術，有效提升國內機械人品質，達到國際一流水準，因此估計此專利技術，預估可以使相關業界增加數十億元之收入。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如 後述之申請專利範圍所列。

S1-S5:步驟

Claims (10)

1. 一種機械手臂重複定位精度量測之裝置，其包括：一光斑三維位移感測器，係具有二個互相垂直的不變形光斑取像裝置及一雷射位移感測器；一二維雷射干涉儀校正平台，係具有一光斑影像三維定位基座及該光斑三維位移感測器，該光斑三維位移感測器之三束雷射光打到該光斑影像三維定位基座同一位置，以擷取該位置之二光斑影像及一高度值，並將該光斑影像三維定位基座之複數個位置之複數個光斑影像及複數個高度值建立具有二座標光斑影像及一三維定位座標之一光斑座標資料庫；一機械手臂重複定位精度測試平台，係為三面互相垂直的該光斑影像三維定位基座組成，其中每一該光斑影像三維定位基座已建立該光斑座標資料庫；以及一機械手臂，該機械手臂之末端執行器上安裝該光斑三維位移感測器；其中藉由移動該機械手臂使該光斑三維位移感測器進入該機械手臂重複定位精度測試平台之一光斑三維絕對定位空間內，以擷取一定位點之該光斑影像與該光斑座標資料庫之該座標光斑影像比對，以獲得該定位點相對於該座標光斑影像之X軸及Y軸相對位移量，再配合該光斑三維位移感測器之Z軸高度參數及該座標 光斑影像之該三維定位座標，就可獲得此時該機械手臂之末端執行器之三維絕對定位座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂重複定位精度量測之裝置，其中該不變形光斑取像裝置，係用以量取物體表面任何一點在X軸方向及Y軸方向之位移量，分別是一X軸位移感測器及一Y軸位移感測器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之機械手臂重複定位精度量測之裝置，其中該雷射位移感測器，係雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測器、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器，其是一Z軸位移感測器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之機械手臂重複定位精度量測之裝置，其中該X軸位移感測器、該Y軸位移感測器及該Z軸位移感測器的探測雷射光束都打到該光斑影像三維定位基座之表面同一點，每道雷射光束工作波長相差至少20nm，每個位移感測器之接收透鏡前安裝±5nm之干涉式濾波片，濾除另外二道雷射散射光，使三道雷射光束都互不干擾。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂重複定位精度量測之裝置，其中該光斑三維絕對定位空間，係為在該光斑影像三維定位基座上方，及該光斑三維位移感測器量測高度內之三維空間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂重複定位精度量測之裝置，其中該光斑三維位移感測器以超過10kHz連續取像。
7. 一種機械手臂重複定位精度量測之方法，其步驟為：(A)建立一二維雷射干涉儀校正平台，以一光斑三維位移感測器之三束雷射光打到一光斑影像三維定位基座同一位置，以擷取該位置之二光斑影像及一高度值，並將該光斑影像三維定位基座之複數個位置之複數個光斑影像及複數個高度值建立具有二座標光斑影像及一三維定位座標之一光斑座標資料庫；(B)建立一機械手臂重複定位精度測試平台，以三面互相垂直的該光斑影像三維定位基座組成，其中每一該光斑影像三維定位基座已建立該光斑座標資料庫；(C)將該光斑三維位移感測器安裝於該機械手臂之末端執行器上；以及(D)藉由移動該機械手臂使該光斑三維位移感測器進入該機械手臂重複定位精度測試平台之一光斑三維絕對定位空間內，以擷取一定位點之該光斑影像與該光斑座標資料庫之該座標光斑影像比對，以獲得該定位點相對於該座標光斑影像之X軸及Y軸相對位移量，再配合該光斑三維位移感測器之Z軸高度參數及該座標光 斑影像之該三維定位座標，就可獲得此時該機械手臂之末端執行器之三維絕對定位座標。
8. 如申請專利範圍第7項所述之機械手臂重複定位精度量測之方法，其中該光斑三維位移感測器，係具有二個互相垂直的不變形光斑取像裝置及一雷射位移感測器，而該不變形光斑取像裝置，係用以量取物體表面任何一點在X軸方向及Y軸方向之位移量，分別是一X軸位移感測器及一Y軸位移感測器。
9. 如申請專利範圍第8項所述之機械手臂重複定位精度量測之方法，其中該雷射位移感測器，係雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測器、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器，其是一Z軸位移感測器。
10. 如申請專利範圍第9項所述之機械手臂重複定位精度量測之方法，其中該X軸位移感測器、該Y軸位移感測器及該Z軸位移感測器的探測雷射光束都打到該光斑影像三維定位基座之表面同一點，每道雷射光束工作波長相差至少20nm，每個位移感測器之接收透鏡前安裝±5nm之干涉式濾波片，濾除另外二道雷射散射光，使三道雷射光束都互不干擾。

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