TWI701123B - 機器人工件座標系自動校正系統與方法 - Google Patents

Abstract

一種機器人工件座標系自動校正系統，包含實體影像感測器及控制器。實體影像感測器具有第一影像中心軸；控制器控制實體影像感測器與機器人旋轉以建構虛擬影像感測器，虛擬影像感測器具有第二影像中心軸，其與第一影像中心軸具有一交點；控制器控制機器人使一工件特徵點在第一影像中心軸及第二影像中心軸之間重覆移動直到與交點重合，記錄包含機器人各關節座標之校正點，重覆上述移動重合步驟以產生複數個校正點，再根據該些校正點計算虛擬工具中心點及工件分別相對於機器人之座標。

Description

機器人工件座標系自動校正系統與方法

本發明是有關於一種座標系自動校正系統，特別是一種自動化的機器人工件座標系之校正系統。本發明還涉及一在此機器人工件座標系自動校正系統上實施之機器人工件座標系自動校正方法。

隨著科技的進步，機器人在各個產業上的應用也愈來愈廣泛地；一般而言，機器人具有多個關節的關節型機械手臂，而其末端設置有一工具或刀具，如銲接工具或鑽孔刀具等，並透過人工教導的方式產生機器人動作以達成自動化作業應用。

而在機器人進行作業前，其工具之中心點(Tool Center Point，TCP)的位置需要事先進行精確的校正，如此機器人之控制器才可根據工具中心點使工具運行於正確的路徑上。

但隨著機器人的工作路徑愈趨複雜，工作路徑的準確性受到機器人的精度影響，且工件座標系與機器人相對關係之準確度，直接影響機器人的動作精度，因此工件座標系之準確度成為機器人實現精確操作的重要指標。

目前在機器人執行自動化應用時，首先需要確認工件位置與機器人之相對位置關係，但由於定位裝置之精度，或工件製造公差等原因皆會使位置關係產生誤差，因此機器人執行動作前，需先經過工件位置之校正才可得到準確之座標值。

傳統的工件位置校正方法需透過人工教導之方式，移動工具中心使其與工件上數個指定點重合，並記錄座標以完成工件位置之校正。

若以手動方式校正，則需教導機器人使工具中心點分別與工件座標系上多個指定點重合才能完成校正，但此方法除了受到操作者的經驗影響外，操作過程也容易因機器人絕對精度不佳或操作不慎，造成工具中心點與工件發生碰撞而損壞。

若以自動方法進行校正，則現有方法具有以下缺點： (1)於機器人外部裝設影像感測器，透過與指定點重合或量測目標點實際距離後修正工件座標；此方法可能因工具不同，受機器人本體結構或物件遮蔽而無法取得指定點影像； (2)安裝影像感測器並先以量測設備確認影像感測器與機器人之相對位置，或控制工具中心去觸碰工件，但可能造成工件損傷且存在人員操作誤差； (3)使用CAD檔獲得機器人與校正儀器或工件之相對距離，但此方法操作過程耗時並且工件需有特徵點供實際量測方可降低誤差。

申請人曾於中華民國106年09月29日提出中華民國發明專利申請，申請案號為106133775，發明名稱為「機器人工具中心點校正系統及其方法」，後於中華民國108年08月11日獲准公告，公告號碼為I668541，以下將前述該核准案稱為「前案」。

惟，申請人基於精益求精的研發精神，再從以下方向進行創新改善： (1)  避免影像感測器受機器人本體結構或工具遮蔽而無法取得指定點位的影像； (2)  降低系統架構之成本。

因而顯然需要有一種校正過程中不需與工件實際接觸、無碰撞問題、不受本體結構或工具遮蔽、操作前不須校正影像感測器位置與機器人之關係，且不需於工件上安裝額外影像感測器，及可透過一次的校正流程而完成工件位置校正，能夠有效改善習知技藝的各種缺點之『機器人工件座標系自動校正系統與方法』。

於一實施例中，本發明提出一種機器人工件座標系自動校正系統，包含：實體影像感測器，具有第一影像中心軸，實體影像感測器設置於機器人法蘭面上；以及控制器，控制實體影像感測器與機器人旋轉以建構虛擬影像感測器，其具有第二影像中心軸，第二影像中心軸與第一影像中心軸具有一交點；其中，控制器控制機器人使其一工件特徵點在第一影像中心軸及第二影像中心軸之間重覆移動直到與交點重合，記錄含有機器人之複數個關節座標的一校正點，重覆上述步驟產生複數個校正點，根據該些校正點計算虛擬工具中心點座標以及工件之座標。

於另一實施例中，本發明提出一種機器人工件座標系之自動校正方法，包含：提供實體影像感測器，其具有第一影像中心軸，實體影像感測器設置於機器人之法蘭面上；提供控制器，控制實體影像感測器與機器人旋轉以建構虛擬影像感測器，其具有第二影像中心軸，第二影像中心軸與第一影像中心軸具有一交點；控制機器人使其工件特徵點在第一影像中心軸及第二影像中心軸之間重覆移動直到與交點重合，記錄含有機器人之複數個關節之座標之校正點；移動至下一工件特徵點，再重覆上述步驟以產生複數個校正點；根據該些校正點計算虛擬工具中心點之座標以及工件之相對座標。

以下將詳述本發明內容的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際的尺寸或數量，除非有特別說明。

如圖1之系統架構所示，機器人工件座標系自動校正系統1連接機器人R實施，校正系統1可包含實體影像感測器11、虛擬影像感測器12及控制器13，控制器13可以是機器人R的控制器或另外一獨立的電腦裝置，本發明不予限制，實體影像感測器11可為一實質存在的攝影機或其它類似的影像擷取裝置。機器人R又稱為機器手臂，包含本體M，本體M包含複數個關節J1~J6；虛擬影像感測器12則是由實體影像感測器11所模擬而成，實體上是不存在的；機器人工件座標系自動校正系統1舉例可用於計算一虛擬工具中心點TCP之座標以及工件W之座標，而此虛擬工具中心點則是稍後在裝設實體工具在機器人末端上時之參考用。

必須強調說明的是，本發明所提供的系統與方法，於校正過程中不需要裝設實體工具，而是利用工件W上的若干特徵點或指定點以進行校正，工件W上可選定許多工件特徵點WPi，其位置不限，例如圓心或線面的交點等，凡位於實體影像感測器11與虛擬影像感測器12的視野交集範圍內即可，例如圖1所示之工件特徵點WPi是位於三個表面之交點上，當然也可為其他位置之點。

實體影像感測器11具有一第一影像中心軸A，實體影像感測器11設置於機器人R末端之法蘭面F上，法蘭面F具有座標系(x _f-y _f-z _f)，實體影像感測器11之視野範圍涵蓋法蘭面F之中心之Z軸zf，且Z軸zf垂直於由X軸xf及Y軸yf所構成之水平面。

圖2A表示實體影像感測器11所擷取之向量方位，圖2B表示該方位與實體影像感測器11之座標系(x _1C-y _1C-z _1C)之關係；如圖2A及圖2B所示，在進行工件座標校正之前，需先計算機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)與實體影像感測器11之座標系(x _1C-y _1C-z _1C)之轉換關係。

首先，移動機器人R使工件W上任一指定點進入到實體影像感測器11視野範圍內之任意位置後，將此指定點作為一影像座標系的原點O(未圖示)，此影像座標系即是指由實體影像感測器11擷取的影像所形成之座標系(x _1C-y _1C-z _1C)。

將原點O再與另一指定點重合後，移動機器人R沿著機器人R之座標系

方向任意長度得到實體影像感測器11的投影座標點

，並假設該點空間向量為

。

同理，在原點O與該指定點重合後，沿著機器人R之座標系

方向移動任意長度得到實體影像感測器11的投影座標點

，並假設該點空間向量為

。

同理，在原點O與該指定點重合後，沿著機器人R之座標系

方向移動任意長度得到實體影像感測器11的投影座標點

，並假設該點空間向量為

。

利用座標系垂直特性得到以下聯立方程式：

_•

=0………………………………………………………… (1)

_•

=0………………………………………………………… (2)

_•

=0………………………………………………………… (3) 並求解得到常數向量

。

此方程式共可得兩組解，其中第一組解

與第二組解

相差一負號，

，因此可利用影像中工件上任意二指定點的距離長短變化，判別沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)移動時，此指定點為朝向或遠離實體影像感測器11之方向移動，進而判別正確的分支解(Branch Solution)。

因此，實體影像感測器11相對於法蘭面F座標系之座標：

……………… (4) 其中，

為實體影像感測器11相對於法蘭面F座標系之座標，

為法蘭面F相對於機器人R的基座座標系(xb-yb-zb)之座標。

同時，可得到機器人R座標系與實體影像感測器11座標系之轉換關係：

……………………………………(5) 其中，

為沿著實體影像感測器11之座標系(x _1C-y _1C-z _1C)之移動量，

為沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之移動量。

當上述實體影像感測器11與機器人R座標系之轉換關係完成建立後，即可將實體影像感測器11依視野範圍內任一點相對於法蘭面F任一座標軸，旋轉一角度

產生第二視角，以作為虛擬影像感測器12，如圖1所示，而虛擬影像感測器12實質上是由實體影像感測器11所模擬而成的。

請參閱圖3A及圖3B所示，求得虛擬工具中心點TCP之座標與建構虛擬影像感測器12之方法說明如下：

步驟(a)：將機器人R移至實體影像感測器11之視野範圍內具有任一特徵點WPi之位置，並假設視野範圍內其它任一點D相對於法蘭面F之座標為D=[0, 0, D _Z]，如圖3A所示；

步驟(b)：以實體影像感測器11取得特徵點WPi相對於影像座標系之座標為C ₁，而後實體影像感測器11再以其Z軸（

軸）為軸心分別旋轉兩個角度以產生兩點座標C ₂, C ₃，並以C ₁、C ₂、C ₃三點座標所產生之圓弧計算出一圓心位置D ₁，如圖3B所示；

步驟(c)：計算圓心位置

至一工具影像中心點I ₁向量

，並將相對於該向量

轉換為相對於法蘭面F之向量

；此工具影像中心點I ₁即是工具之座標軸Z軸z _tool與第一影像中心軸A之交點。

步驟(d)：修正點D座標為

，其中L()為距離函數，並回到步驟(a)。直到圓心位置D ₁與該影像中心點I ₁之座標重合後，即可取得虛擬工具中心點座標I。可根據每次向量

的變化，調整函數L()之常數；以及

步驟(e)：將實體影像感測器11依法蘭面F任一座標軸旋轉一角度

產生第二視角，以作為虛擬影像感測器12。

請參閱圖4所示，以視覺伺服的方式，移動實體影像感測器11使工件上一指定點或特徵點落到視角軸線上，從所截取的影像資訊中，可得到該指定點相對於影像感應器座標系之座標，再據以計算伺服運動方向以完成機器人移動控制，其步驟如下：

步驟(a1)：透過實體影像感測器11截取到的影像資訊中，得到指定點相對於實體影像感測器11之座標(x_c1,y_c1 )；

步驟(b1)：將運動方向

轉換為機械人R座標系之方向

，如圖4所示；

步驟(c1)：使機器人R沿著上述方向運動直到指定點到達實體影像感測器11之座標軸後停止；

步驟(d1)：若指定點不位於實體影像感測器11中心點I ₁時，則回到步驟(a1)，若指定點位於軸線交點則完成視覺伺服控制程序。

請參閱圖5所示，實體影像感測器11具有第一影像中心軸A；虛擬影像感測器12具有第二影像中心軸B，第一影像中心軸A與第二影像中心軸B不相互平行故具有交點I，且實體影像感測器11與虛擬影像感測器12具有影像交疊區域IA，使實體影像感測器11及虛擬影像感測器12可形成2.5D的機器視覺；其中虛擬影像感測器12為一實質不存在的攝影機或其它類似的裝置，而是由實體影像感測器11模擬而成。

控制器13控制機器人R連同實體影像感測器11或虛擬影像感測器12一同轉動，使工件W上的任一特徵點WPi在第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之間重覆移動，如圖1所示；在較佳實施例中，控制器13可為各種的電腦裝置。控制器13在工件特徵點WPi與第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之交點I重合時記錄當時的一校正點，再據以改變機器人R之姿態以再記錄下一個校正點，藉此記錄機器人R在不同姿態下的複數個校正點；最後，控制器13則根據該些校正點分別計算虛擬工具中心點TCP及工件W相對於機器人R之座標；其中，各個校正點可包含所有關節J1~J6的座標，而各個關節之座標可為各個關節相對於其一預設起始點的轉動角度，即一個校正點可代表一組關節值；例如：若關節角度θ(Joint angle)表示關節的座標，故多數關節J1~J6的座標可表示為θ _{Ｊ １}、θ _{Ｊ 2}、θ _{Ｊ 3}、θ _{Ｊ 4}、 θ _{Ｊ 5}及θ _{Ｊ 6}；故一個校正點可表示為（θ _{Ｊ １}, θ _{Ｊ 2}, θ _{Ｊ 3}, θ _{Ｊ 4}, θ _{Ｊ 5}, θ _{Ｊ 6}）。

由圖5可知，控制器13首先控制機器人R將工件特徵點WPi移動至第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之影像交疊區域IA中任一位置；接著依序地，控制器13控制機器人R使工件特徵點WPi開始向第一影像中心軸A移動至點T1，如路徑PH1所示；然後，控制器13控制機器人R使工件特徵點WPi由點T1開始向第二影像中心軸B移動至點T2，如路徑PH2所示；同樣的，控制器13控制機器人R使工件特徵點WPi由點T2開始向第一影像中心軸A移動至點T3，如路徑PH3所示，再控制機器人R使工件特徵點WPi由點T3開始向第二影像中心軸B移動至點T4，如路徑PH4所示；最後，控制器13控制機器人R使工件特徵點WPi由點T4開始向第一影像中心軸A逐漸地移動至交點I，並在工件特徵點WPi與交點I重合時記錄第一校正點CP1；在本實施例中，工件特徵點WPi與第一影像中心軸A之距離，及工件特徵點WPi與第二影像中心軸B之距離，若分別小於一門檻值時即可視為工件特徵點WPi與交點I重合；一般而言，此門檻值可設定為工件特徵點WPi的像素之50%；即工件特徵點WPi在其像素之50%內與第一影像中心軸A與第二影像中心軸B重合時，即可視為工件特徵點WPi與交點I重合；由上述可知，控制器13控制機器人R使工件特徵點WPi在第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之間重覆移動，以取得第一校正點CP1。

接著，控制器13判斷校正點的數量是否大於或等於一預設值；在本實施例中，校正點的數量需大於或等於3；若校正點的數量小於3，則控制器13可透過亂數產生器產生一方位角(Euler Angle)增量

以修正機器人R的方位角，藉此改變機器人R的姿態；此時，機器人R之方位角可表示為

)，其中

為機器人R原來的方位角；其中R _x表示偏航角(Yaw angel)；R _y表示螺距角或俯仰角(Pitch angel)；R _z表示滾轉角(Roll angel)。若修正的方位角超過機器人R的運動範圍或超出交疊區域IA時，控制器13可透過亂數產生器重新再產生方位角增量。

然後，在取得新方位角及下一個特徵點WPi後，控制器13控制機器人R使虛擬工具中心點TCP在第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之間重覆移動，且在虛擬工具中心點TCP與第二影像中心軸B重合時記錄第二校正點CP2。

然後，控制器13判斷校正點的數量是否大於或等於3；若控制器13判斷校正點的數量小於3，控制器13重覆上述步驟以取得記錄第三校正點CP3，直到控制器13判斷校正點的數量大於或等於3。

根據上述說明，本發明於進行校正過程中所採用的指定點或特徵點，可包含至少3個已知相對於工件座標系之指定點，例如，工件座標系原點、工件座標系X軸上任一點、工件座標系X-Y平面上任一點等。移動機械人R使工件座標系之第i個指定點(即工件W的第i個特徵點WPi)於實體影像感測器11與虛擬影像感測器12重疊視範圍之內，重複上述移動重合步驟，使i大於一預定數量，以完成指定點校正資訊蒐集流程，根據該些校正點計算虛擬工具中心之座標以及工件之座標。

如圖1所示，控制器13可根據該些校正點CP1~CP3計算虛擬工具中心點TCP之座標；其中各個校正點CP1~CP3的座標可透過機器人R之連桿參數(Denavit-Hartenberg Parameters)、關節J1~J6之座標及虛擬工具中心點TCP相對於法蘭面F之座標系(x _f-y _f-z _f)之資訊獲得；其中，連桿參數可包含連桿偏移d(Link offset)、關節角度θ(Joint angle)、連桿長度a(Link length)及連桿扭轉α(Link twist)等。

虛擬工具中心點TCP之座標可由下式(6)計算： T _1iT ₂=P…………………………………………………………(6)

其中，矩陣T _1i是將第i個校正點之座標，由基座之座標系(x _b-y _b-z _b)轉換至法蘭面F之座標系(x _f-y _f-z _f)的一4×4齊次轉換矩陣，矩陣T ₂為虛擬工具中心點TCP相對於法蘭面F之座標系之座標，矩陣P為校正點在空間中相對於基座之座標系(x _b-y _b-z _b)的座標；各個校正點可透過式(6)得到三條線性方程式，因此可利用n個校正點得到3n條方程式後以虛擬反矩陣(Pseudo-inverse matrix)求得虛擬工具中心點TCP之座標；由式(6)可推得式(7)：

……………….…………(7)

其中，(e _11i, e _21i, e _31i)表示第i個校正點在x _f軸的向量相對於基座之座標系(x _b-y _b-z _b)的方向；(e _12i, e _22i, e _32i)表示第i個校正點在y _f軸的向量相對於基座之座標系(x _b-y _b-z _b)的方向；(e _13i, e _23i, e _33i)表示第i個校正點在z _f軸的向量相對於基座之座標系(x _b-y _b-z _b)的方向；由式(7)可推得式(8)及式(9)：

…………………….…..(8)

………………..…………………………(9)

其中，

，

為

之轉置矩陣(Transpose matrix)，

為

之反矩陣(Inverse matrix)。

若校正點的數量足夠，以已知的第i個校正點所對應的矩陣T _1i，將矩陣內各元素代入式(8)並將矩陣

移項後得出式(9)，取得虛擬工具中心點TCP相對於法蘭面F之座標系之座標(T _x, T _y, T _z)及虛擬工具中心點TCP相對於機器人R座標系(x _R-y _R-z _R)之座標(P _x, P _y, P _z)，並完成虛擬工具中心點TCP之座標(T _x, T _y, T _z)之校正以及計算出工件W之座標。

由上述可知，在本實施例中，機器人工件座標系自動校正系統1可透過視覺伺服的方式，自動校正機器人相對於加工工件之座標，且可達極高的校正精確度，因此可以有效地降低人力成本及時間成本；另外，機器人工件座標系自動校正系統1可透過一次校正程序即可精確地校正機器人相對於工件之座標。因此，機器人工件座標系自動校正系統1確實可有效地改善習知技藝之缺點。

請參閱圖6所示，獲得機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)與實體影像感測器11之座標系(x _1C-y _1C-z _1C)之轉換關係的方法可包含下列步驟：

步驟S51：控制機器人R將實體影像感測器11視野範圍內之任一指定點，由影像交疊區域IA之任一位置沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之橫軸x _R移動一距離L _R，並由實體影像感測器11獲得第一投影座標P’ _x1。

步驟S52：控制機器人R將上述指定點由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之縱軸y _R移動一距離L _R，並由實體影像感測器11獲得第二投影座標P’ _y1。

步驟S53：控制機器人R將上述指定點由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之垂直軸z _R移動一距離L _R，並由實體影像感測器11獲得第三投影座標P’ _z1。

步驟S54：提供對應於第一投影座標P’ _x1、第二投影座標P’ _y1及第三投影座標P’ _z1的第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

。

步驟S55：根據第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

之間的垂直關係計算第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

。

步驟S56：根據第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

計算機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)與實體影像感測器11之座標系(x _1C-y _1C-z _1C)之轉換關係，如上述式(4)。

請參閱圖7所示，獲得機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)與虛擬影像感測器12之座標系(x _2C-y _2C-z _2C)之轉換關係的方法可包含下列步驟：

步驟S61：控制機器人R將虛擬影像感測器12視野內之任一指定點由影像交疊區域IA之任一位置沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之橫軸x _R移動一距離L _R，並由虛擬影像感測器12獲得第一投影座標P’ _x2。

步驟S62：控制機器人R將上述指定點由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之縱軸y _R移動一距離L _R，並由虛擬影像感測器12獲得第二投影座標P’ _y2。

步驟S63：控制機器人R將上述指定點由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)之垂直軸z _R移動一距離L _R，並由虛擬影像感測器12獲得第三投影座標P’ _z2。

步驟S64：提供對應於第一投影座標P’ _x2、第二投影座標P’ _y2及第三投影座標P’ _z2的第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

。

步驟S65：根據第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

之間的垂直關係計算第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

。

步驟S66：根據第一空間向量

、第二空間向量

及第三空間向量

計算機器人R之座標系(x _R-y _R-z _R)與虛擬影像感測器12之座標系(x _2C-y _2C-z _2C)之轉換關係，如上述式(8)。

請參閱圖8所示，機器人工件座標系自動校正系統1所採用的方法包含下列步驟：

步驟S71：提供實體影像感測器11，其具有第一影像中心軸A。

步驟S72：提供虛擬影像感測器12，其具有第二影像中心軸B，第二影像中心軸B與第一影像中心軸A具有交點I。

步驟S73：控制機器人R使其工件特徵點WPi重覆地在第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之間移動。

步驟S74：當工件特徵點WPi與交點I重合時，記錄包含機器人R之複數個關節J1~J6之座標之校正點。

步驟S75：選擇下一工件特徵點WPi，重覆上述步驟以產生複數個校正點。

步驟S76：根據該些校正點計算虛擬工具中心點TCP之座標以及工件座標。

請參閱圖9所示，圖9流程圖更詳細說明本發明之機器人工件座標系自動校正方法之流程圖：

步驟S81：假設i=1，設定工件W的第i個特徵點WPi。

步驟S82：控制器13移動機器人R，使工件特徵點WPi位於實體影像感測器11及虛擬影像感測器12的共同視野範圍之中。

步驟S83：控制器13先將工件特徵點WPi移動至第一影像中心軸A上，再移動至第二影像中心軸B上，反覆移動直到工件特徵點WPi分別與第一影像中心軸A及第二影像中心軸B重合，即與其交點I重合。

步驟S84：控制器13判斷第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之交點I與該工件特徵點WPi的距離誤差是否小於一門檻值；若是，則進行步驟S85；若否，則進行步驟S841。

步驟S841：控制器13透過亂數產生器產生方位角增量(

)以修正機器人R的方位角，並回到步驟S83。

步驟S85：控制器13記錄工件特徵點WPi之第一組關節值，即第一校正點。

步驟S86：控制器13判斷第一組關節值的數量是否大於或等於4個。若是，則進行步驟S87；若否，則進行步驟S841；其中數量可為其它數目，本發明不予限制。

步驟S87：控制器13判斷工件特徵點WPi的數量是否大於或等於指定的數量；若是，則進行步驟S88；若否，則進行步驟S871。

步驟S871：令i=i+1。

步驟S88：以工具中心校正方式分別求得虛擬工具中心點TCP及工件W相對於機器人R的座標；其中工具中心校正方式已揭露於上述前案中，本發明不再敘述。

綜上所述，本發明所提供之機器人工件座標系自動校正系統與方法，校正流程主要可分為四個部分：(1)將一實體影像感測器安裝於機器人末端的法蘭面上；(2)建立機械人法蘭面座標系與實體影像感測器座標系之轉換關係，使影像得到之運動資訊轉換為機器人之運動資訊；(3)透過多視角方式建構虛擬影像感測器與虛擬工具中心點位置，產生2.5D機器視覺；(4)透過影像伺服方式，控制機器人使工件上指定點與二影像中心軸交點重合，可透過以下其中一方法完成：(41)控制機器人舉例以四個以上之不同姿態使虛擬工具中心點與工件座標原點重合，而後再以任意姿態使虛擬工具中心點與工件座標系X軸上任一點、X-Y平面上任一點分別重合，並記錄其座標，或(42)控制機器人舉例以四個以上之不同姿態，使虛擬工具中心點分別與工件上四個以上相對於工件座標系之已知座標點重合，並記錄其座標。

本發明僅需要於機器人末端的法蘭面上設置一實體的影像感測器，透過工件特徵點進行校正，校正過程不需與工件實際接觸，無碰撞問題，透過一次的校正流程即可完成工件位置之校正，有效提升校正的精度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:機器人工件座標系自動校正系統 11:實體影像感測器 12:虛擬影像感測器 13:控制器 A:第一影像中心軸 B:第二影像中心軸 CP1~CP3:校正點 R:機器人 F:法蘭面 I:交點 IA:交疊區域 J1~J6:關節 M:本體 P’_x1、P’_y1、P’_z1、P’_x2、P’_y2、P’_z2:投影座標 S51~S56、S61~S66、S71~S76、S81~S87:步驟流程 S_C1、S_C2、PH1~PH4:距離

、

、

、

、

、

:空間向量 T1~T4:移動點 TCP:虛擬工具中心點 W:工件 WPi:工件特徵點 x₁~x₃、y₁~y₃、z₁~z₃、x_C1、y_C1、x_C2、y_C2、C₁、C₂、C₃:座標 x_C、y_C、z_C、x_R、y_R、z_R、x_b、y_b、z_b、x_f、y_f、z_{f 、}x_tool、z_tool:座標軸θv:角度

圖1為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之系統架構示意圖。 圖2A~2B為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之轉換關係示意圖。 圖3A~3B為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之建構步驟示意圖。 圖4為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之視覺伺服示意圖。 圖5為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之移動重合步驟示意圖。 圖6為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之第一流程圖。 圖7為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之第二流程圖。 圖8為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之第三流程圖。 圖9為本發明之機器人工件座標系自動校正系統之第一實施例之第四流程圖。

無

1:機器人工具中心點校正系統

11:實體影像感測器

12:虛擬影像感測器

13:控制器

F:法蘭面

J1~J6:關節

M:本體

R:機器人

TCP:虛擬工具中心點

W:工件

WPi:工件特徵點

x_b、y_b、z_b、x_f、y_f、z_f、x_tool、z_tool:座標軸

θv:角度

Claims (20)

1. 一種機器人工件座標系自動校正系統，適用於連接一機器人，該系統包含： 一實體影像感測器，具有一第一影像中心軸，該實體影像感測器設置於該機器人末端之一法蘭面上；以及 一控制器，連接該機器人與該實體影像感測器，控制該實體影像感測器與該機器人旋轉以建構一虛擬影像感測器，該虛擬影像感測器具有一第二影像中心軸，該第二影像中心軸與該第一影像中心軸具有一交點； 其中，該控制器控制該機器人使一工件上的一特徵點在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間重覆移動直到與該交點重合，記錄包含該機器人之複數個關節之座標之一校正點，再藉由移動至下一個特徵點，重覆上述移動重合該交點以產生複數個其它校正點，根據該些校正點分別計算一虛擬工具中心點以及該工件相對於該機器人之座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該控制器是根據該機器人之座標系相對於該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之座標系之一轉換關係，及該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之複數個影像以控制該機器人移動。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該些校正點各包含該些關節相對於一預設起始點的轉動角度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該控制器根據該些校正點及該機器人之一連桿參數計算該虛擬工具中心點之座標。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該些校正點之數量大於或等於一預設值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中當該些校正點之數量小於該預設值時，該控制器透過一亂數產生器產生一方位角增量以修正該機器人之一方位角。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該控制器在修正該機器人之該方位角後，控制該機器人使另一特徵點在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間重覆移動，藉以取得另一校正點，直到該校正點的數量大於或等於該預設值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該特徵點與該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之該交點重合時，該特徵點與該第一影像中心軸之距離及與該工件特徵點與該第二影像中心軸之距離分別小於一門檻值。
9. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工件座標系自動校正系統，其中該虛擬工具中心點之座標是相對於該機器人之一基座之座標，或相對於該法蘭面之座標。
10. 一種機器人工件座標系之自動校正方法，適用於連接一控制器的一機器人，該方法包含以下步驟： (i)提供一實體影像感測器，形成一影像座標系且具有一第一影像中心軸，該實體影像感測器設置於該機器人末端之一法蘭面上； (ii)藉由該控制器控制該實體影像感測器與該機器人旋轉，以建構一虛擬影像感測器，該虛擬影像感測器具有一第二影像中心軸，該第二影像中心軸與該第一影像中心軸具有一交點； (iii)該控制器控制該機器人使一工件上的一特徵點在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間重覆移動直到與該交點重合，並記錄包含該機器人之複數個關節之座標之一校正點； (iv)該控制器控制該機器人移動至下一個特徵點，重覆上述移動重合該交點以產生複數個其它校正點；以及 (v)根據該些校正點分別計算一虛擬工具中心點以及該工件相對於該機器人之座標。
11. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，更包括建構該虛擬影像感測器之方法，其步驟為： (a)移動該機器人使該特徵點落於該實體影像感測器之視野範圍內，並取得該視野範圍內一任意點相對於該法蘭面之座標； (b)取得該任意點相對於該實體影像感測器的座標系之一第一點，再以該第一影像中心軸為中心，分別旋轉兩個角度以產生第二點與第三點，並以該第一點、該第二點及該第三點計算出一圓心位置； (c)計算該圓心位置至一工具影像中心點之向量，並將相對於該影像座標系之向量，轉換為相對於該法蘭面之向量，該工具影像中心點為一工具之一座標軸與該第一影像中心軸之交點； (d)修正該任意點之座標，並回到步驟(a)，直到該圓心位置與該工具影像中心點之座標重合後，取得一工具中心點座標；以及 (e)將該實體影像感測器依該法蘭面任一座標軸旋轉一角度，以作為該虛擬影像感測器。
12. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中該步驟(iii)更包含下列步驟： 提供該機器人之座標系相對於該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之座標系之一轉換關係；以及 根據該轉換關係、該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之複數個影像，以控制該機器人移動。
13. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中提供該機器人之座標系相對於該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之座標系之該轉換關係之步驟更包含： 控制該機器人將該特徵點由該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之一影像交疊區域之任一位置，沿著該機器人之座標系之橫軸移動一距離，並由該實體影像感測器及該虛擬影像感測器獲得一第一投影座標； 控制該機器人將該特徵點由該影像交疊區域之該位置，沿著該機器人之座標系之縱軸移動該距離，並由該實體影像感測器及該虛擬影像感測器獲得一第二投影座標；以及 控制該機器人將該特徵點由該影像交疊區域之該位置，沿著該機器人之座標系之垂直軸移動該距離，並由該實體影像感測器及該虛擬影像感測器獲得一第三投影座標。
14. 如申請專利範圍第13項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中提供該機器人之座標系相對於該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之座標系之該轉換關係之步驟更包含： 提供分別對應於該第一投影座標、該第二投影座標及該第三投影座標的一第一空間向量、一第二空間向量及一第三空間向量； 根據該第一空間向量、該第二空間向量及該第三空間向量之間的垂直關係，計算該第一空間向量、該第二空間向量及該第三空間向量；以及 根據該第一空間向量、該第二空間向量及該第三空間向量，計算該機器人之座標系相對於該實體影像感測器及該虛擬影像感測器之座標系之該轉換關係。
15. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中各該些關節之座標為各該些關節相對於一預設起始點的轉動角度。
16. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中該步驟(v)更包含下列步驟： 根據該些校正點及該機器人之一連桿參數，計算該虛擬工具中心點之座標以及該工件之座標。
17. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中該些校正點之數量大於或等於一預設值。
18. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中該步驟(iii)更包含下列步驟： 使該特徵點與該第一影像中心軸之距離及與該特徵點與該第二影像中心軸之距離分別小於一門檻值。
19. 如申請專利範圍第10項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中該步驟(iv)更包含下列步驟： 當該些校正點之數量小於一預設值時，透過亂數產生器產生一方位角增量以修正該機器人之一方位角。
20. 如申請專利範圍第19項所述之機器人工件座標系之自動校正方法，其中在修正該機器人之該方位角之後更包含下列步驟： 控制該機器人使另一特徵點在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間重覆移動，藉以取得另一校正點，直到該校正點的數量大於或等於該預設值。

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