TWI860784B

TWI860784B - 機械手臂工具校正方法、系統以及機械手臂工具二階校正方法

Info

Publication number: TWI860784B
Application number: TW112126687A
Authority: TW
Inventors: 張啓舜; 陳奕錩
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2023-07-18
Filing date: 2023-07-18
Publication date: 2024-11-01
Also published as: TW202504736A

Abstract

一種機械手臂工具校正方法，包括：基於校正板上的多個校正點，藉由視覺辨識處理從校正板的影像辨識出校正板相對機械手臂座標系的位置，以及校正板上多個雷射感測器之校正中心座標；驅動機械手臂使機械手臂末端沿著校正板上的矩形路徑移動；當加工工具遮擋多個雷射感測器所產生的光束時，藉由多個雷射感測器產生多個第一遮斷訊號；基於在分別產生多個第一遮斷感測訊號時的機械手臂末端的多個第一遮斷座標計算出多個第一直線方程式，並根據多個第一直線方程式以及第一交點座標，計算出工具中心點相對於機械手臂末端的位移偏移量參數。

Description

機械手臂工具校正方法、系統以及機械手臂工具二階校正方法

本揭示有關於一種加工技術，特別是有關於一種機械手臂工具校正方法、系統以及機械手臂工具二階校正方法。

目前機械手臂已經廣泛地應用於自動化生產程序中。具體而言，產線人員通常會將各種類型的加工工具(例如夾具、連接工具、焊接工具等)安裝在機械手臂的機械手臂末端的法蘭面(flange)上，藉此機械手臂可藉由這些加工工具來實現產線自動化流程。由於一般只會知道機械手臂本身的法蘭面的位置，但是不知道加工工具上的工具中心點(tool central point, TCP)的實際位置，因此，在安裝或更換了加工工具後，往往必須要先進行校正，以令機械手臂的處理器獲得工具中心點的位置資訊。工具中心點的位置精度會影響自動化流程的精準度，例如，若工具中心點的位置有誤，則在機械手臂的作動過程中可能會造成產品的損傷，嚴重者甚至可能造成產線停滯。此外，在長時間使用加工工具之後，也常常導致工具中心點的偏移。因此，要如何對加工工具進行有效的校正，為相關領域中非常重要的課題。

本揭示提出一種機械手臂工具校正方法，用以量測安裝於一機械手臂末端的一加工工具，包括：基於校正板上的多個校正點，藉由視覺辨識處理從校正板的影像辨識出校正板相對機械手臂座標系的位置，以及校正板上多個雷射感測器之校正中心座標；驅動機械手臂使機械手臂末端沿著校正板上的矩形路徑移動；當加工工具遮擋多個雷射感測器所產生的光束時，藉由多個雷射感測器產生多個第一遮斷訊號，並記錄在分別產生多個第一遮斷感測訊號時的機械手臂末端的多個第一遮斷座標；基於該些第一遮斷座標計算出多個第一直線方程式，並根據多個第一直線方程式計算出第一交點座標；以及根據校正中心座標以及第一交點座標，計算出加工工具的工具中心點相對於機械手臂末端的位移偏移量參數。

本揭示亦提出一種機械手臂工具校正系統，包括校正板、攝影機以及機械手臂。校正板包括多個校正點以及多個雷射感測器。攝影機用以拍攝校正板的影像。機械手臂包括處理器以及記憶體，其中加工工具安裝於機械手臂末端，其中記憶體用以儲存多個指令，其中處理器處理多個指令以執行以下步驟：基於校正板上的多個校正點，藉由視覺辨識處理從校正板的影像辨識出校正板相對機械手臂座標系的位置，以及校正板上多個雷射感測器之校正中心座標；驅動機械手臂使機械手臂末端沿著校正板上的矩形路徑移動；當加工工具遮擋多個雷射感測器所產生的光束時，藉由多個雷射感測器產生多個第一遮斷訊號，並記錄在分別產生多個第一遮斷感測訊號時的機械手臂末端的多個第一遮斷座標；基於該些第一遮斷座標計算出多個第一直線方程式，並根據多個第一直線方程式計算出第一交點座標；以及根據校正中心座標以及第一交點座標，計算出加工工具的工具中心點相對於機械手臂末端的位移偏移量參數。

本揭示提出一種機械手臂工具二階校正方法，用以量測安裝於機械手臂末端的加工工具，包括：對加工工具在校正板進行位移偏移計算，得到加工工具的工具中心點相對於機械手臂末端的第一位移偏移量參數；改變加工工具與機械手臂之間的相對位置，並對加工工具在校正板進行旋轉偏移計算，得到加工工具的工具座標系相對於機械手臂的機械手臂座標系的旋轉偏移量參數；驅動機械手臂使機械手臂末端旋轉至少三旋轉角度；以及對加工工具在校正板再次進行位移偏移計算，得到加工工具的工具中心點相對於機械手臂末端的第二位移偏移量參數。

在以往技術中，往往需要花費大量時間以及人工進行加工工具的校正，且由於這樣的校正常常需要人工對機械手臂的教導(即，人工設定座標系)，這會導致精準度不佳的問題。有鑑於此，本揭示提出一種機械手臂工具校正方法、系統以及機械手臂工具二階校正方法，其先設定好校正板的座標系，並利用教正板上的感測器檢測加工工具在校正板上的移動以檢測出加工工具座標系相對於手臂末端座標系的位移偏移量以及旋轉偏移量，進而有效對機械手臂上配置的加工工具進行校正。

請參照第1A圖以及第1B圖，第1A圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正系統1的示意圖，且第1B圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正系統1的方塊圖。如第1A圖以及第1B圖所示，本揭示揭露了一種機械手臂工具校正系統1，用以對機械手臂11所使用的座標系進行校正。具體地，一台機械手臂11上的不同部件可能分別使用不同的座標系來進行定位，並且不同的機械手臂11也可能分別使用不同的座標系。本揭示的機械手臂工具校正系統1主要是對這些相異的座標系進行對位校正，以消除不同座標系間的位置偏差，令使用者可以放心藉由機械手臂11來執行具有高精密度需求的加工任務。

進一步而言，本揭示的機械手臂工具校正系統1是在機械手臂座標系(即，在第1A圖中以{B}表示)、手臂末端座標系{E}以及工具座標系{T}之間進行對位校正，其中機械手臂座標系{B}是機械手臂11的底座所使用的座標系(即，在此空間中的絕對座標)，機械手臂座標系{B}的三軸座標分別以X ^B、Y ^B、Z ^B來表示。此外，手臂末端座標系{E}是機械手臂11的法蘭面(flange)111的中心點(即，機械手臂末端的中心點)所使用的座標系，且工具座標系{T}是機械手臂11上所設置的加工工具12所使用的座標系。值得注意的是，法蘭面111、機械手臂座標系{B}、手臂末端座標系{E}以及工具座標系{T}為機器人領域的公知技術，於此不再贅述。

此外，本揭示的機械手臂工具校正系統1主要是計算出手臂末端座標系{E}以及工具座標系{T}之間的轉換矩陣(即，齊次轉換矩陣(homogeneous transformation matrix))，並藉由轉換矩陣在各座標系之間進行轉換，以消除不同座標系間的位置偏差。

如第1A圖以及第1B圖所示，本揭示的機械手臂工具校正系統1包括機械手臂11、加工工具12、攝影機13以及校正板14。加工工具12設置並連接於機械手臂11，攝影機13以及校正板14分別連接於機械手臂11。

在本實施例中，機械手臂11的底座可固定設置於機台平面上，加工工具12設置於機械手臂11的法蘭面111。在一些實施例中，機械手臂11可以是任意具有連桿以及骨節(joint)的加工處理的機械臂。在一些實施例中，加工工具12可以是焊接工具或夾具等。此外，基於加工工具12的使用方式，可於其上設定一個工具中心點(tool central point, TCP)121。具體而言，工具中心點121是加工工具12上主要用來執行作業的特定點(例如，焊接工具的焊接點或夾具的夾持點等)，且可由機械手臂11的使用者來自行設定。為便於理解，以下段落將以單一工具中心點121為例，進行說明，然而，一個加工工具12上並不以單一個工具中心點121為限。

在本實施例中，機械手臂11包括處理器10以及記憶體15。記憶體15儲存多個指令，處理器10執行這些指令，進而對加工工具12進行直接操控，或是通過機械手臂11來對加工工具12進行間接操控。在一些實施例中，記憶體15可儲存手臂末端座標系{E}與機械手臂座標系{B}之間的對應關係的轉換矩陣。在一些實施例中，處理器10可以由處理單元、中央處理單元或計算單元等實現。在一些實施例中，記憶體15可以由記憶單元、快閃記憶體、唯讀記憶體、硬碟或任何具相等性的儲存組件等實現。

在本實施例中，攝影機13拍攝校正板14的影像。在一些實施例中，攝影機13可設置於機械手臂11旁，且於機械手臂11的移動範圍內建立一個影像感測區。進一步而言，攝影機13主要取得三維空間中的影像，並基於影像進行判斷分析。換言之，攝影機13整體的視野範圍可為一個三維空間。此外，攝影機13使用一個影像座標系，影像座標系與機械手臂座標系{B}之間的對應關係的轉換矩陣已預先儲存於記憶體15。

舉例而言，攝影機13從拍攝的影像中建立三維空間以辨識出特定物件在影像座標系上的座標。藉此，處理器10根據影像座標系與機械手臂座標系{B}之間的轉換矩陣，將此座標轉換為機械手臂座標系{B}上的座標。

值得注意的是，機械手臂座標系{B}是於機械手臂11製造完成後即可確定的。影像座標系則是於機械手臂11及攝影機13皆設置完成後，再將機械手臂座標系{B}做為基礎座標系來進行轉換所建立的。可藉由已經確定的機械手臂座標系{B}以及影像座標系定義出一個記錄了機械手臂座標系{B}與影像座標系之間的對應關係的轉換矩陣以預先儲存於記憶體15。藉此，在加工工具12的校正程序中，處理器10可藉由此轉換矩陣來推算影像中的任意位置在機械手臂座標系{B}上的絕對位置。

在一些實施例中，攝影機13可以由各式的影像擷取器實現，例如照相機或感光裝置等，用以於預設的視野範圍(field of view, FoV)內擷取校正板14的影像。在此雖以攝影機13設置於機械手臂11之旁為例，然而，在其他實施例中，攝影機13也可設置於機械手臂11上。

在本實施例中，校正板14可包括多個雷射感測器141a~141b。在一些實施例中，校正板14可以是任意用於校正機械手臂11的校正板14。在一些實施例中，雷射感測器141a~141b可以是任意的光遮斷雷射感測器(photointerrupter sensor)，光遮斷雷射感測器可發射可見光或不可見光的光束，例如X光、雷射、紅外線、紫外光等，於此並不加以限定。

在一些實施例中，雷射感測器141a~141b可設置於校正板14的邊緣以及設置於相同平面上(即，相同高度)，雷射感測器141a~141b可分別發射光束Lx、Ly，光束Lx、Ly，雷射感測器141a~141b所產生的光束Lx、Ly可互相垂直且與機械手臂座標系{B}的座標軸Z ^B垂直，其中光束Lx、Ly位於同一個平面上，此平面的法向量與座標軸Z ^B平行，光束Lx、Ly之間的交點為校正板14的校正中心點XY_O。在此雖以2個雷射感測器141a~141b為例，然而，在實際應用中可以具有更多的雷射感測器141a~141b。此外，在其他實施例中，雷射感測器141a~141b所產生的光束Lx、Ly也可以互相不垂直，光束Lx、Ly之間的交點僅僅需要在校正板14的校正中心點XY_O的位置即可。

在一些實施例中，當機器手臂11驅動加工工具12移動以使加工工具12遮斷雷射感測器141a~141b中任意者所產生的光束時，雷射感測器141a~141b中任意者可向處理器10傳送遮斷訊號，且處理器10可在產生遮斷訊號的那一刻記錄下法蘭面111的中心點此時在機械手臂座標系{B}上的座標。

以下將進一步說明利用校正板14達成對加工工具12的六軸校正。一併參照第2圖，第2圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正方法的流程圖。第1A圖的機械手臂工具校正系統1中的元件用以執行機械手臂工具校正方法中的步驟S210~S250。如第2圖所示，首先，於步驟S210中，基於校正板14上的多個校正點，藉由視覺辨識處理從校正板14的影像辨識出校正板14相對機械手臂座標系的位置，以及校正板14上雷射感測器141a~141b之一校正中心座標(以第1A圖為例，此校正中心座標就是雷射感測器141a~141b之間的交點的位置)。

在一些實施例中，視覺辨識處理包括利用電腦視覺(computer vision)對校正板14的影像進行使用者座標系的辨識，以產生使用者座標系與機械手臂座標系{B}之間的對應關係的轉換矩陣，並儲存此轉換矩陣。藉此，可利用上述儲存的轉換矩陣在這些座標系之間進行轉換。在一些實施例中，可基於影像座標系，根據校正板14的影像辨識出多個校正點，並基於多個點計算出至少二向量，進而根據至少二向量計算出使用者座標系的原點以及三軸的方向。

以下以實際的例子說明使用者座標系的辨識。一併參照第3圖，第3圖繪示在一些實施例中的在校正板14上的多個校正點的示意圖。如第3圖所示，校正板14上具有校正點PO、PX、PY。因此，可基於影像座標系，根據校正板14的影像中的校正點PX至校正點PO的向量以及校正點PY至校正點PX的向量，計算出使用者座標系的原點以及三軸的方向。

再者，於步驟S220中，驅動機械手臂11使機械手臂末端(即，法蘭面111)沿著校正板14上的矩形路徑RR(如第4圖所示)移動。在一些實施例中，法蘭面111在空間中的座標以及矩形路徑RR(如第4圖所示)可以是由使用者預先設定在校正板14上。再者，於步驟S230中，當加工工具12遮擋雷射感測器141a~141b所產生的光束Lx、Ly時，藉由雷射感測器141a~141b產生多個第一遮斷訊號，並記錄在分別產生多個第一遮斷感測訊號時的機械手臂末端的多個第一遮斷座標。

以下以實際例子說明法蘭面111在校正板14上的矩形路徑RR的移動。一併參照第4圖以及第5圖，第4圖繪示在一些實施例中的在校正板14上的矩形路徑RR的示意圖，第5圖繪示在一些實施例中的校正板14的透視圖。如第4圖以及第5圖所示，可先設定校正板14的初始位置O，並儲存初始位置O在機械手臂座標系{B}上的座標。接著，可在攝影機13所拍攝的影像中設定好矩形路徑RR以及矩形路徑RR的起始點，並將矩形路徑RR以及矩形路徑RR的起始點在影像座標系的座標轉換至機械手臂座標系{B}上，並儲存矩形路徑RR在機械手臂座標系{B}上的水平面方向的座標以及矩形路徑RR的起始點S在機械手臂座標系{B}上的水平面方向的座標。

藉此，可驅動機械手臂11帶動法蘭面111移動，直到法蘭面111的座標等於初始位置O的座標為止。此時，加工工具12的工具座標系{T}的Z方向與校正板14的使用者座標系的Z方向平行。值得注意的是，在此雖將初始位置O設定於此，然而，在實際應用中，初始位置O可以是校正板14上的任意一個點。接著，可將矩形路徑RR的起始點S的水平面方向的座標以及矩形路徑RR的水平面方向的座標轉換為，法蘭面111在機械手臂座標系{B}上所要移動的水平面方向的座標。如此一來，可根據所轉換的座標，驅動機械手臂11帶動法蘭面111從矩形路徑RR的起始點S的座標開始沿著矩形路徑RR的座標移動。

進一步而言，在第4圖以及第5圖中是以2個雷射感測器141a~141b為例。2個雷射感測器141a~141b可產生光束Lx、Ly，其中光束Lx、Ly之間的交點為校正板14的校正中心點XY_O。

請一併參閱第1A圖，此外，當法蘭面111移動時，在遮斷點B1~B4上加工工具12會遮斷光束Lx、Ly以使雷射感測器141a~141b產生4個遮斷訊號。接著，可將法蘭面111在產生遮斷點B1~B4的4個遮斷訊號的時間點的座標做為4個第一遮斷座標(基於機械手臂座標系{B})。

請參閱第1A圖與第2圖，再者，於步驟S240中，基於多個第一遮斷座標計算出多個第一直線方程式，並根據多個第一直線方程式計算出第一交點座標。在一些實施例中，可從多個第一遮斷座標中的二者計算出多個第一直線方程式中的一者(即，2點形成1線)。舉例而言，如第4圖所示，可根據這4個第一遮斷座標計算出2個第一直線方程式。

在一些實施例中，可根據多個第一直線方程式中的一者與在機械手臂標系{B}上的垂直座標軸Z ^B計算出平面方程式，並根據平面方程式與多個第一直線方程式中的其餘者計算出在機械手臂標系{B}上的第一交點座標。

舉例而言，請參照第1A圖、第6圖與第12圖，第6圖繪示在一些實施例中的找出多個直線方程式L1~L2之間的交點CP的示意圖。如第6圖所示，假設計算出在機械手臂標系{B}上的2個第一直線方程式L1~L2，並將在使用者座標系{U}上的垂直座標軸轉換為在機械手臂座標系{B}上的垂直向量。接著，可從直線方程式L2以及垂直向量計算出平面方程式PL，並計算出平面方程式PL以及直線方程式L1之間的交點CP。最後，記錄下在機械手臂座標系{B}上的交點CP的第一交點座標。

再者，於步驟S250中，根據校正中心座標(即，校正板14的校正中心點XY_O的座標)以及第一交點座標，計算出加工工具12的工具中心點121相對於機械手臂末端的位移偏移量參數(即，進行位移偏移計算以完成粗校階段的第一位移偏移量參數)。在一些實施例中，可計算轉換的校正中心座標以及轉換的第一交點座標之間的三軸偏移量(即，在座標軸X ^B、Y ^B、Z ^B的方向的偏移量)，進而將三軸偏移量做為位移偏移量參數。此時，這個三軸偏移量就是法蘭面111以及工具中心點121之間的偏移向量，並可將這個偏移向量做為位移偏移量參數。

請參照第1A圖與第7圖，第7圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正方法的進一步步驟的流程圖。如第7圖所示，在一些實施例中，在執行完第2圖的步驟S250後，可進一步執行第7圖的步驟S710~S730。

首先，於步驟S710中，驅動機械手臂11使機械手臂末端移動至第一交點座標，並驅動機械手臂11使機械手臂末端沿著垂直方向(即，座標軸Z ^B的方向)移動。再者，於步驟S720中，當加工工具12不遮擋雷射感測器141a~141b中的一者所產生的光束時，藉由雷射感測器141a~141b中的一者產生恢復遮斷訊號，並將在產生恢復遮斷訊號時的機械手臂末端的座標(基於機械手臂標系{B})做為新的第一交點座標。再者，於步驟S730中，根據新的第一交點座標更新位移偏移量參數。在一些實施例中，可根據新的第一交點座標調整位移偏移量參數中的座標軸Z ^B的方向的偏移量。此時，可更精確地調整工具座標系{T}的原點。

以下以實際的例子說明新的第一交點座標的計算。請參照第1A圖、第8A圖以及第8B圖，第8A圖繪示在一些實施例中的遮斷光束Ly的示意圖，第8B圖繪示在一些實施例中的垂直距離差dz的示意圖。如第8A、8B圖所示，首先，上述法蘭面此時已被移動到機械手臂標系{B}上的第一交點座標，且加工工具12已遮斷光束Ly。然而，工具中心點121的高度可能與校正板14的校正中心座標不同。基於此，可沿著機械手臂標系{B}的垂直方向上移一個垂直距離差dz(即，光束Ly不被遮斷的拿一瞬間的距離)。藉此，可將法蘭面111此時在機械手臂標系{B}上的座標做為新的第一交點座標。如此一來，可將位移偏移量參數中的垂直方向的偏移量上移。此時，工具中心點121的高度可能與校正板14的校正中心座標在校正板座標系中的垂直座標軸的方向的高度差不多，且工具中心點121在法蘭面111被移動到機械手臂標系{B}上的新的第一交點座標時的位置接近於校正板14的校正中心座標。

請參照第1A圖與第9A圖，第9A圖繪示在另一些實施例中的機械手臂工具校正方法的進一步步驟的流程圖。如第9A圖所示，在執行完步驟S730(如第7圖所示)之後，可進一步執行第9A圖的步驟S910~S950。

首先，於步驟S910中，根據新的第一交點座標調整機械手臂末端的垂直高度(即，在機械手臂座標系｛B｝上的座標軸Z ^B的方向的高度)，並驅動機械手臂11使機械手臂末端沿著校正板14上的矩形路徑RR移動。在一些實施例中，可驅動機械手臂11使法蘭面111機械手臂座標系｛B｝上的座標軸Z ^B的方向的高度提高垂直距離差dz(如第8B圖所示)。

請參照第9A圖至9D圖，第9B圖繪示在另一些實施例中的機械手臂工具校正系統1的示意圖，第9C圖繪示在另一些實施例中的在校正板14上的矩形路徑RR的示意圖，第9D圖繪示在另一些實施例中的校正板14的透視圖。如第9B圖至9D圖所示，校正板14上更可被設置第3個雷射感測器141c，雷射感測器141c與雷射感測器141b之間具有一個高度差D，雷射感測器141c所產生的光束Lz與機械手臂座標系｛B｝上的座標軸Z ^B垂直。

再者，可利用上述相同於第4圖的方式沿著校正板14上的矩形路徑RR移動。此處於上述的差異僅在於，此時法蘭面111在機械手臂座標系｛B｝上的座標軸Z ^B的方向的高度會不同。因此，其餘相同部份不再加以贅述。

再者，於步驟S920中，當加工工具12遮擋雷射感測器141a~141c所產生的光束Lx、Ly、Lz時，藉由雷射感測器141a~141c產生多個第二遮斷訊號，並記錄在產生多個第二遮斷感測訊號時的機械手臂末端的多個第二遮斷座標。如第9B圖至9D圖所示，此處會在光束Lx、Ly、Lz產生6個遮斷點B1~B6的6個遮斷訊號，並記錄在產生6個遮斷訊號時的機械手臂末端的6個座標做為第二遮斷座標。由於此時法蘭面111在機械手臂座標系｛B｝上的垂直方向的高度不同，遮斷點B1~B4所產生的座標不同於上述第4圖中產生的第一遮斷座標。

再者，於步驟S930中，驅動機械手臂11使機械手臂末端移動至與位移偏移量參數對應的位置（即，目前工具座標系{T}上的原點在機械手臂座標系｛B｝上的位置），並驅動機械手臂11使機械手臂末端以垂直方向(即，Z ^B座標軸的方向)為基準旋轉第一旋轉角度，進而驅動機械手臂11使機械手臂末端沿著校正板14上的矩形路徑RR移動。在一些實施例中，第一旋轉角度可以是90度。

再者，於步驟S940中，當加工工具12遮擋雷射感測器141a~141c所產生的光束Lx、Ly、Lz時，藉由雷射感測器141a~141c產生多個第三遮斷訊號，並記錄在產生多個第三遮斷感測訊號時的機械手臂末端的多個第三遮斷座標。如第9B圖至9D圖所示，可利用上述相同的方式再一次沿著校正板14上的矩形路徑RR移動以遮擋光束Lx、Ly、Lz。此處於上述的差異僅在於，此時機械手臂11的姿態(posture)會不同，且僅僅會取得在光束Lz產生2個遮斷點B5~B6的2個遮斷訊號以產生2個新的遮斷座標(即，第三遮斷座標)。因此，其餘相同部份不再加以贅述。

再者，於步驟S950中，基於多個第二遮斷座標以及多個第三遮斷座標計算出工具向量，並根據工具向量計算出加工工具12的工具座標系{T}相對於機械手臂座標系{B}的旋轉偏移量參數(即，進行旋轉偏移計算以完成細校階段)。

在一些實施例中，可基於多個第二遮斷座標以及多個第三遮斷座標計算出多個第二直線方程式。接著，根據多個第二直線方程式計算出第二交點座標以及第三交點座標，並根據第二交點座標以及第三交點座標計算工具向量。

以下以實際例子說明第二直線方程式。如第9B圖至9D圖所示，由光束Lx、Ly所產生的4個第二遮斷座標可在機械手臂座標系{B}的同一個高度上，且由光束Lz產生的2個第二遮斷座標以及2個第三遮斷座標也在機械手臂座標系{B}的同一個第一高度上。藉此，可根據由光束Lx、Ly所產生的4個第二遮斷座標，計算出在機械手臂座標系{B}上的X ^B、Y ^B方向的2個第二直線方程式，並藉由上述相同於計算第一交點座標的方法計算出第一高度的這2個第二直線方程式之間的第二交點座標。

接著，可根據由光束Lz所產生的2個第二遮斷座標，計算出在機械手臂座標系{B}上的Y ^B方向的第二高度(大於第一高度)的1個第二直線方程式。此外，可根據由光束Lz所產生的2個第三遮斷座標，計算出在機械手臂座標系{B}上的Y ^B方向的第二高度的1個直線方程式，並將此直線方程式在機械手臂座標系{B}上的旋轉90度以產生在機械手臂座標系{B}上的X ^B方向的第二高度的1個第二直線方程式。如此一來，可藉由上述相同於計算第一交點座標的方法計算出第二高度的這2個第二直線方程式之間的第三交點座標。

以下以實際的例子說明工具向量的產生。一併參照第10圖，第10圖繪示在一些實施例中的工具向量的產生的示意圖。如第10圖所示，第一高度的直線方程式L3、L4之間可計算出交點P1,且第二高度的直線方程式L5、L6之間可計算出一個交點P2。接著，可將交點P1~P2分別轉換至在機械手臂座標系{B}上的第二交點座標以及第三交點座標。藉此，可計算出第二交點座標以及第三交點座標之間的工具向量，工具向量可做為工具中心點121的Z方向。接著，可將此加工向量與機械座標系｛B｝的X ^B座標軸做外積以產生工具中心點121的Y方向，並可將工具中心點121的Y方向與此加工向量做外積以產生工具中心點121的X方向。接著，可計算工具中心點121的三軸方向(上述X、Y、Z方向)與機械手臂座標系{B}的三軸之間的三軸旋轉偏移量(即，三軸旋轉量Rx、Ry、Rz的偏移量)，並將此三軸旋轉偏移量做為旋轉偏移量參數。此時，已可從機械手臂座標系{B}的座標軸X ^B、Y ^B、Z ^B以及旋轉偏移量參數確定工具座標系{T}的三軸(即，確定工具座標系{T}的三軸在機械手臂座標系{B}的方向)。

請參照第1A圖、第9C圖與第11圖，第11圖繪示在另一些實施例中的機械手臂工具校正方法的進一步步驟的流程圖。如第11圖所示，在執行完步驟S950(如第9A圖所示)之後，可進一步執行第11圖的步驟S1110~S1140。

首先，於步驟S1110中，驅動機械手臂11使機械手臂末端移動至與位移偏移量參數對應的位置，並驅動機械手臂11使機械手臂末端基於與旋轉偏移參數對應的三軸方向旋轉多個第二旋轉角度，進而驅動機械手臂11使機械手臂末端沿著矩形路徑RR移動。在一些實施例中，可將法蘭面111移動至上述第一交點座標。接著，可根據法蘭面111的位置以及位移偏移量參數計算出工具座標系{T}的原點，並根據機械手臂座標系{B}以及旋轉偏移量參數計算出工具座標系{T}的三軸的方向，進而將法蘭面111基於工具座標系{T}的三軸的方向旋轉3個第二旋轉角度(即，各軸都旋轉一個第二旋轉角度)。在另一些實施例中，也可以是旋轉3個以上的第二旋轉角度。在一些實施例中，第二旋轉角度可以由使用者預先設定(例如，90度)。此外，如第4圖所示，可利用上述相同的方式再一次沿著校正板14上的矩形路徑RR移動。此處於上述的差異僅在於，此時法蘭面111已進一步旋轉。因此，其餘相同部份不再加以贅述。

再者，於步驟S1120中，當加工工具12遮擋雷射感測器141a~141c所產生的光束Lx、Ly、Lz時，藉由雷射感測器141a~141c產生多個第四遮斷訊號，並記錄在產生多個第四遮斷訊號時的機械手臂末端的多個第四遮斷座標。如第9B圖至9D圖所示，此處也會在光束Lx、Ly、Lz產生6個遮斷點B1~B6的6個遮斷訊號。由於此時法蘭面111已被旋轉，可檢測出多個新的遮斷座標(即，第四遮斷座標)。進一步而言，在此可取遮斷點B1~B4的4個遮斷訊號的4個遮斷座標做為4個第四遮斷座標，並藉由上述相同的方式計算出2個第三直線方程式。

再者，於步驟S1130中，基於多個第四遮斷座標計算出多個第三直線方程式，並根據多個第三直線方程式計算出第四交點座標。如第6圖所示，可藉由相同的方式計算出2個第三直線方程式之間的交點的座標，並將此座標做為第四交點座標。

再者，於步驟S1140中，根據校正中心座標以及第四交點座標，計算出加工工具12的工具中心點121相對於機械手臂末端的新的位移偏移量參數(即，再次進行位移偏移計算，可視為細校階段的第二位移偏移量參數)，並根據新的位移偏移量參數更新位移偏移量參數。此處計算新的位移偏移量參數的方式與上述產生位移偏移量參數的方式相同，因此，不再加以贅述。在一些實施例中，可計算新的位移偏移量參數與位移偏移量參數之間的三軸平均值(即，計算新的位移偏移量參數與位移偏移量參數中的各軸偏移量的平均值)，並將三軸平均值做為位移偏移量參數(即，上述更新的步驟)。在一些實施例中，可不斷執行上述步驟S1110~S1140，直到到達預設的遞迴次數。藉此，可計算出更精確的位移偏移量參數。值得注意的是，當第二旋轉角度的數量大於3時，可大大提升加工工具12的適用範圍以及精準度(即，位移偏移量參數的精確度會大大提升)。

藉由上述的這些步驟，可計算出工具座標系{T}的原點相對於手臂末端座標系{E}的原點的移偏移量參數，以及工具座標系{T}的三軸相對於機械手臂座標系的三軸的旋轉移偏移量參數，並利用移偏移量參數以及旋轉移偏移量參數辨識出工具座標系{T}在機械手臂座標系上的原點以及三軸的方向(絕對位置以及絕對方向)。藉此，可根據工具座標系{T}的原點以及三軸的方向計算出工具座標系{T}相對於手臂末端座標系{E}之間的對應關係的轉換矩陣。

以下進一步說明各座標系之間的對應關係。一併參照第12圖，第12圖繪示在一些實施例中的多個座標系之間的對應關係的示意圖。如第12圖所示，機械手臂11使用機械手臂座標系{B}，法蘭面111使用手臂末端座標系{E}，加工工具12的工具中心點121使用工具座標系{T}，以及校正板14使用使用者座標系{U}。首先，可預先儲存機械手臂座標系{B}與手臂末端座標系{E}之間的轉換矩陣。接著，可由上述第2圖的步驟S210辨識出轉換矩陣，並利用轉換矩陣從機械手臂座標系{B}建立使用者座標系{U}。

接著，上述其餘步驟就是為了計算出手臂末端座標系{E}以及工具座標系{T}之間的移偏移量參數以及旋轉移偏移量參數，並可從移偏移量參數以及旋轉移偏移量參數計算出手臂末端座標系{E}以及工具座標系{T}之間的轉換矩陣。在本揭示中，就是利用移偏移量參數以及旋轉移偏移量參數計算轉換矩陣以對加工工具12的工具中心點121校正。因此，當實際進行生產線上的加工時，可利用轉換矩陣馬上得知工具座標系{T}的原點以及三軸方向，進而更準確地控制機械手臂11的加工。

綜上所述，藉由本揭示的機械手臂工具校正方法以及系統，係可利用校正板上的雷射感測器，有效取得當前配置的加工工具上的工具中心點在機器手臂座標系上的絕對位置以及絕對方向，藉此令機器手臂可對加工工具進行更準確地控制，以消除工具生產製造時的公差、組裝時的偏差、或是工具使用磨損後產生誤差。此外，也不需建立加工工具的樣本，並且消除有可能的偏差值，進而更進一步提高校正精度。另一方面而言，本本揭示的機器手臂二階校正方法，分為粗校及細校的兩個階段。詳細而言，在粗校階段中，可使用加工工具在校正版上進行相對位置的位移偏移量計算。而在細校階段中，則可改變加工工具的數種不同姿態，以在校正板上進行多姿態定位。藉此，解決過往機器手臂校正精準度不夠高的技術問題。

雖然本揭示的特定實施例已經揭露有關上述實施例，此些實施例不意欲限制本揭示。各種替代及改良可藉由相關領域中的一般技術人員在本揭示中執行而沒有從本揭示的原理及精神背離。因此，本揭示的保護範圍由所附申請專利範圍確定。

1:機械手臂工具校正系統

10:處理器

11:機械手臂

111:法蘭面

12:加工工具

121:工具中心點

13:攝影機

14:校正板

141a~141c:雷射感測器

{B}:機械手臂座標系

{E}:手臂末端座標系

{T}:工具座標系

{U}:使用者座標系

X ^B、Y ^B、Z ^B:機械手臂座標系的三軸座標

S210~S250、S710~S730、S910~S950、S1110~S1140:步驟

PO、PX、PY:校正點

B1~B6:遮斷點

Lx、Ly、Lz:光束

O:初始位置

S:起始點

RR:矩形路徑

XY_O:校正中心點

D:高度差

L1~L6:直線方程式

PL:平面方程式

CP、P1~P2:交點

:垂直向量

dz:垂直距離差

:工具向量

、、 :轉換矩陣

第1A圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正系統的示意圖。第1B圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正系統的方塊圖。第2圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正方法的流程圖。第3圖繪示在一些實施例中的在校正板上的多個校正點的示意圖。第4圖繪示在一些實施例中的在校正板上的矩形路徑的示意圖。第5圖繪示在一些實施例中的校正板的透視圖。第6圖繪示在一些實施例中的找出多個直線方程式之間的交點的示意圖。第7圖繪示在一些實施例中的機械手臂工具校正方法的進一步步驟的流程圖。第8A圖繪示在一些實施例中的遮斷光束Ly的示意圖第8B圖繪示在一些實施例中的垂直距離差的示意圖。第9A圖繪示在另一些實施例中的機械手臂工具校正方法的進一步步驟的流程圖。第9B圖繪示在另一些實施例中的機械手臂工具校正系統1的示意圖。第9C圖繪示在另一些實施例中的在校正板上的矩形路徑的示意圖。第9D圖繪示在另一些實施例中的校正板的透視圖。第10圖繪示在一些實施例中的工具向量的產生的示意圖。第11圖繪示在另一些實施例中的機械手臂工具校正方法的進一步步驟的流程圖。第12圖繪示在一些實施例中的多個座標系之間的對應關係的示意圖。

S210~S250:步驟

Claims

一種機械手臂工具校正方法，用以量測安裝於一機械手臂末端的一加工工具，包括：基於一校正板上的多個校正點，藉由視覺辨識處理從該校正板的一影像辨識出該校正板相對一機械手臂座標系的位置，以及該校正板上多個雷射感測器之一校正中心座標；驅動一機械手臂使一機械手臂末端沿著該校正板上的一矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第一遮斷訊號，並記錄在分別產生該些第一遮斷感測訊號時的該機械手臂末端的多個第一遮斷座標；基於該些第一遮斷座標計算出多個第一直線方程式，並根據該些第一直線方程式計算出一第一交點座標；以及根據該校正中心座標以及該第一交點座標，計算出該加工工具的一工具中心點相對於該機械手臂末端的位移偏移量參數，其中該些雷射感測器中的二者所產生的光束通過該校正中心座標，更包括：驅動該機械手臂使該機械手臂末端移動至該第一交點座標，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著一垂直方向移動；當該加工工具不遮擋該些雷射感測器中的一者所產生的光束時，藉由該些雷射感測器中的一者產生一恢復遮斷訊號，並記錄在產生該恢復遮斷訊號時的該機械手臂末端的新的第一交點座標；以及根據新的第一交點座標更新該位移偏移量參數。
如請求項1所述之機械手臂工具校正方法，更包括：根據該新的第一交點座標調整該機械手臂末端的一垂直高度，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著該校正板上的該矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第二遮斷訊號，並記錄在產生該些第二遮斷感測訊號時的該機械手臂末端的多個第二遮斷座標；驅動該機械手臂使該機械手臂末端移動至與該位移偏移量參數對應的位置，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端以該垂直方向為基準旋轉一第一旋轉角度，進而驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著該校正板上的該矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第三遮斷訊號，並記錄在產生該些第三遮斷感測訊號時的該機械手臂末端的多個第三遮斷座標；以及基於該些第二遮斷座標以及該些第三遮斷座標計算出一工具向量，並根據該工具向量計算出一加工工具的一工具座標系相對於該機械手臂座標系的旋轉偏移量參數。
如請求項2所述之機械手臂工具校正方法，更包括：基於該些第二遮斷座標以及該些第三遮斷座標計算出多個第二直線方程式；以及根據該些第二直線方程式計算出一第二交點座標以及一第三交點座標，並計算該第二交點座標以及該第三交點座標之間的該工具向量。
如請求項2所述之機械手臂工具校正方法，更包括：驅動該機械手臂使該機械手臂末端移動至與該位移偏移量參數對應的位置，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端基於與該旋轉偏移參數對應的三軸方向旋轉多個第二旋轉角度，進而驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著該矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第四遮斷訊號，並記錄在產生該些第四遮斷訊號時的該機械手臂末端的多個第四遮斷座標；基於該些第四遮斷座標計算出多個第三直線方程式，並根據該些第三直線方程式計算出一第四交點座標；以及根據該校正中心座標以及該第四交點座標，計算出該加工工具的該工具中心點相對於該機械手臂末端的新的位移偏移量參數，並根據該新的位移偏移量參數更新該位移偏移量參數。
一種機械手臂工具校正系統，包括：一校正板，包括多個校正點以及多個雷射感測器；一攝影機，用以拍攝該校正板的一影像；一機械手臂，包括一處理器以及一記憶體，其中一加工工具安裝於一機械手臂末端，其中該記憶體用以儲存多個指令，其中該處理器處理該些指令以執行以下步驟：基於該校正板上的多個校正點，藉由視覺辨識處理從該校正板的一影像辨識出該校正板相對一機械手臂座標系的位置，以及該校正板上多個雷射感測器之一校正中心座標；驅動該機械手臂使一機械手臂末端沿著該校正板上的一矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第一遮斷訊號，並記錄在分別產生該些第一遮斷感測訊號時的該機械手臂末端的多個第一遮斷座標；基於該些第一遮斷座標計算出多個第一直線方程式，並根據該些第一直線方程式計算出一第一交點座標；以及根據該校正中心座標以及該第一交點座標，計算出該加工工具的一工具中心點相對於該機械手臂末端的位移偏移量參數，其中該些雷射感測器中的二者所產生的光束通過該校正中心座標，其中該處理器更執行以下步驟：驅動該機械手臂使該機械手臂末端移動至該第一交點座標，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著一垂直方向移動；當該加工工具不遮擋該些雷射感測器中的一者所產生的光束時，藉由該些雷射感測器中的一者產生一恢復遮斷訊號，並記錄在產生該恢復遮斷訊號時的該機械手臂末端的新的第一交點座標；以及根據新的第一交點座標更新該位移偏移量參數。
如請求項5所述之機械手臂工具校正系統，其中該處理器更執行以下步驟：根據該新的第一交點座標調整該機械手臂末端的一垂直高度，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著該校正板上的該矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第二遮斷訊號，並記錄在產生該些第二遮斷感測訊號時的該機械手臂末端的多個第二遮斷座標；驅動該機械手臂使該機械手臂末端移動至與該位移偏移量參數對應的位置，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端以該垂直方向為基準旋轉一第一旋轉角度，進而驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著該校正板上的該矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第三遮斷訊號，並記錄在產生該些第三遮斷感測訊號時的該機械手臂末端的多個第三遮斷座標；以及基於該些第二遮斷座標以及該些第三遮斷座標計算出一工具向量，並根據該工具向量計算出一加工工具的一工具座標系相對於該機械手臂座標系的旋轉偏移量參數。
如請求項6所述之機械手臂工具校正系統，其中該處理器更執行以下步驟：基於該些第二遮斷座標以及該些第三遮斷座標計算出多個第二直線方程式；以及根據該些第二直線方程式計算出一第二交點座標以及一第三交點座標，並計算該第二交點座標以及該第三交點座標之間的該工具向量。
如請求項6所述之機械手臂工具校正系統，其中該處理器更執行以下步驟：驅動該機械手臂使該機械手臂末端移動至與該位移偏移量參數對應的位置，並驅動該機械手臂使該機械手臂末端基於與該旋轉偏移參數對應的三軸方向旋轉多個第二旋轉角度，進而驅動該機械手臂使該機械手臂末端沿著該矩形路徑移動；當該加工工具遮擋該些雷射感測器所產生的光束時，藉由該些雷射感測器產生多個第四遮斷訊號，並記錄在產生該些第四遮斷訊號時的該機械手臂末端的多個第四遮斷座標；基於該些第四遮斷座標計算出多個第三直線方程式，並根據該些第三直線方程式計算出一第四交點座標；以及根據該校正中心座標以及該第四交點座標，計算出該加工工具的該工具中心點相對於該機械手臂末端的新的位移偏移量參數，並根據該新的位移偏移量參數更新該位移偏移量參數。
一種機械手臂工具二階校正方法，用以量測安裝於一機械手臂末端的一加工工具，包括：對該加工工具在一校正板進行位移偏移計算，得到該加工工具的一工具中心點相對於該機械手臂末端的一第一位移偏移量參數；改變該加工工具與該機械手臂之間的相對位置，並對該加工工具在該校正板進行旋轉偏移計算，得到該加工工具的一工具座標系相對於該機械手臂的一機械手臂座標系的一旋轉偏移量參數；驅動該機械手臂使該機械手臂末端旋轉至少三旋轉角度；以及對該加工工具在該校正板再次進行該位移偏移計算，得到該加工工具的該工具中心點相對於該機械手臂末端的一第二位移偏移量參數。