TW201805129A

TW201805129A - 機械手臂校正系統的校正方法

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Publication number: TW201805129A
Application number: TW105125104A
Authority: TW
Inventors: 馮兆平
Original assignee: 達觀科技有限公司
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2018-02-16
Also published as: TWI617405B

Abstract

一種機械手臂校正系統的校正方法，該機械手臂校正系統包括有機械手臂、攝影機與校正件，該攝影機具有一視野範圍，該校正件具有一校正標記；該校正方法包含：控制機械手臂抓取校正件並移動，帶動校正件之校正標記與視野範圍中的參考標記重合，並記錄機械手臂的座標為第一座標；控制機械手臂旋轉，帶動校正件於一校正平面上旋轉一預定角度，控制該機械手臂移動，帶動校正件之校正標記與視野範圍中的參考標記重合，並記錄機械手臂的座標為第二座標，依據第一座標與第二座標計算出機械手臂於該校正平面上的旋轉軸心，據以完成機械手臂的校正。

Description

機械手臂校正系統的校正方法

本發明係與校正方法有關；特別是指一種機械手臂校正系統的校正方法。

隨著科技的進步，利用機械手臂實現自動化生產、組裝等流程，已普遍見於現今的生產線當中。其中，由於操控機械手臂所使用的機械座標系與攝影機所攝取之影像的影像座標系並不相同，因此，若欲應用機械手臂進行自動化生產、組裝之前，需先對機械手臂之機械座標系與攝影機的影像座標系進行適當轉換，即，機械手臂的校正。

其中，請配合圖１所示，茲介紹目前業界常見的校正方式之一，其校正方式在於：於機械手臂1的夾爪中心處標記有一校正點1a，接著，於攝影機的視野範圍2移動該機械手臂1，並於該攝影機所攝取的影像中對應該機械手臂1之校正點1a的移動軌跡分別標記出三個標記點3a、3b、3c；於後，再以該等標記點3a~3c計算出該機械手臂1的旋轉軸心，藉以實現對該機械手臂的校正。

然而，當所需校正的機械手臂較為大型時，請參圖２所示，受限於攝影機的視野範圍4有限，且於校正時，機械手臂5的擺動範圍不可超出視野範圍4，因此，於進行機械手臂5的校正時，該機械手臂5能擺動的幅度較小，以至於其所取得之標記點6a~6c所算出之機械手臂5的旋轉軸心便會較為不準確，亦即，與該機械手臂5實際上之旋轉軸心會產生相當的誤差。再者，當機械手臂較為大型時，欲以習用機械手臂校正方式進行校正時，由於其機械手臂所需的活動空間較大，對於某些空間較為狹窄的場合中，是不利於此校正方式之進行的。

換言之，習知的機械手臂校正方式仍有許多不便利性以及需要改善的地方。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種機械手臂校正系統的校正方法，可準確且快速地對機械手臂進行校正。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種機械手臂校正系統的校正方法，該機械手臂校正系統包括有一機械手臂、一攝影機以及一校正件，其中，該攝影機具有一視野範圍，該校正件具有一校正標記；該校正方法包含有以下步驟：A、控制該機械手臂抓取該校正件；B、控制該機械手臂移動，帶動該校正件移動至該攝影機的視野範圍內，並使得該校正件的校正標記與該視野範圍中的一參考標記重合；C、記錄步驟B中該機械手臂於其機械手臂座標系上的座標為一第一座標；D、控制該機械手臂旋轉，帶動該校正件於一校正平面上旋轉一預定角度；E、控制該機械手臂移動，帶動該校正件移動至該攝影機的視野範圍內，並使得該校正件的校正標記與該視野範圍中的該參考標記重合；F、記錄步驟E中該機械手臂於機械手臂座標系上的座標為一第二座標；G、依據該第一座標以及該第二座標，計算出該機械手臂於該校正平面上的旋轉軸心。

本發明之效果在於，藉由控制機械手臂抓取校正件，對齊校正標記與視野範圍中的參考標記，以及控制機械手臂旋轉，以帶動校正件於一校正平面旋轉，並再度帶動校正件之校正標記與參考標記重合，便可快速且有效地取得該機械手臂於該校正平面上的旋轉軸心。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖３所示，為應用有本發明一較佳實施例之機械手臂校正系統100的基本架構圖，該機械手臂校正系統100包括有一基座10、一機械手臂20、一攝影機30、一校正平台40、一中控電腦50以及一校正件60（參圖４所示）。

該機械手臂20為多軸、多關節機械手臂，於本實施例中，係以六軸機械手臂為例，該機械手臂20具有一第一端22以及一第二端24，其第一端22係固定於該基座10上，其第二端24係為一自由端，且具有一夾爪26（圖４參照）可供抓取工件。其中，該機械手臂20係與該中控電腦50訊號連接及/或電性連接，並受該中控電腦50的控制而可依據一機械手臂座標系作動。其中，所述的機械手臂座標系可以是直角座標型、圓柱座標型、極座標型等座標系，而為便於說明，於本實施例當中，茲以直角型機械手臂座標系為例。另外，於其他實際實施上，該機械手臂20並不以六軸機械手臂為限，亦可以是三軸、四軸或是四軸以外的機械手臂。

該攝影機30係可設置於一承載架（圖未示）上，並可受控制而調整其攝影角度與攝影範圍（或稱視野範圍）。例如，於本實施例當中，該攝影機30係與該中控電腦50訊號連接及/或電性連接，並可受該中控電腦50的控制而可調整其攝影角度，或者稱之可被調整其光軸方向，例如，於本實施例當中，所述的攝影機30的光軸係正對於該校正平台40的一平面，並與該平面垂直，且該攝影機30係對於該平面進行攝影而於該平面上界定有一視野範圍32（如圖４所示）。其中，於本實施例當中，所述校正平台40的平面係平行於世界座標系統當中的XY平面，而所述之攝影機30的光軸係平行於世界座標系統當中的Z軸，而垂直於該XY平面，藉以進行該機械手臂20繞著平行於Z軸之旋轉軸旋轉之旋轉軸心的校正，但於其他實施例當中，並不以此為限。

該校正平台40主要用以提供一低雜訊的背景，以供攝影機30進行拍攝，於其他實際實施上，並非以該校正平台40為實施的必要構成要件。

該中控電腦50主要係用以控制該機械手臂20以及該攝影機30的作動，亦即，依據機械手臂座標系控制機械手臂20於世界座標系中移動，並可接收該機械手臂20的回饋訊號（例如：觸碰回饋、壓力回饋訊號等）；以及可接收該攝影機30所拍攝之視野範圍32內的影像進行處理，例如，依據該視野範圍32建立出對應的攝影機影像座標系。

於後茲說明本發明之機械手臂系統之校正方法的一實施例，請參圖４所示，首先，步驟A：透過該中控電腦50控制該機械手臂20的夾爪26抓取該校正件60。其中，該校正件60係具有一校正標記62，以供校準之用，例如於本實施例當中，所述的校正件60茲以概呈平板狀的物件為例，且該校正標記62係設置於該校正件60的一平面上，而所述的校正標記62為一圓圈，但於其他實施例當中，並不以此為限。另外，於本實施例當中，該機械手臂20的夾爪26係抓取校正件60的一邊緣位置，且相對遠離該校正標記62的位置，如此一來，於校正進行時，所述的機械手臂20較不致擋住所述攝影機30的取像路徑，以避免攝影機30無法有效拍攝出校正標記62，致使校正標記62的位置無法有效地被辨識的情況發生。

接著，步驟B：控制該機械手臂20移動，並帶動該校正件60移動至該攝影機30的視野範圍32內，並使得該校正件60的校正標記62與該視野範圍32中的一參考標記34重合。其中，所述的該參考標記34係指供校正件60之校正標記62進行對位、校準的標記，其係可由使用者透過該中控電腦50於攝影機30的影像座標系上自由選擇，換言之，該參考標記34可以是該視野範圍32上的特定的點或區塊，或是基於其影像座標系上的特定座標。

而於本實施例中，所述的參考標記34係位於該攝影機30之視野範圍32的攝影中心位置處，亦即，位於接近該攝影機30之光軸通過處，其中，選擇在攝影中心標記有該參考標記34的優點在於，該攝影機30所攝取的影像在接近光軸處所產生的像差等誤差是最低的，如此一來，便可獲得較為精準的校正結果。另外，於一實施例中，為更進一步提升校正的準確性，於步驟B當中，更可進一步控制該機械手臂20旋轉，以使得該校正件60具有該校正標記62的平面與該攝影機30的光軸垂直，或使得該校正件60具有該校正標記62的平面與該視野範圍32所處之平面平行，藉以使得攝影機30可較為準確、正確地擷取該校正標記62，並利於校正標記62與參考標記34之間的對齊與重合作業。

接著，於該校正件60的校正標記62與參考標記34重合後，執行步驟C：記錄前述步驟B中，該機械手臂20於其機械手臂座標系上的座標為一第一座標。例如，於本實施例當中，係以中控電腦50擷取該機械手臂20的座標並記錄為第一座標（X₁ ,Y₁ ,Z₁ ,Rx₁ ,Ry₁ ,Rz₁ ）（或稱第一座標值）。

接著，執行步驟D：控制該機械手臂20旋轉，帶動該校正件60於一校正平面上旋轉一預定角度。舉例而言，於本實施例當中，所述的校正平面係依據該機械手臂20所需校正之旋轉軸心來決定，例如，於本實施例當中，係進行機械手臂的Z軸旋轉軸心的校正，因此，所述的校正平面係以世界座標系統中的XY平面為例。另外，於本實施例當中，較佳者，所述的預定角度係選用180度，如圖６所示，為機械手臂20受控制而旋轉，並帶動該校正件60於校正平面上旋轉180度的示意圖，此時，該校正件60之校正標記62係偏離了該參考標記34。

接著，請參圖７所示，執行步驟E：控制機械手臂20移動，以帶動該校正件60移動至該攝影機30的視野範圍32內，並使得該校正件60的校正標記62與視野範圍32中的該參考標記34重合。

接著，於該校正件60的校正標記62與參考標記34重合後，執行步驟F：記錄前述步驟E中，該機械手臂20於其機械手臂座標系上的座標為一第二座標。例如，於本實施例當中，係以中控電腦50擷取該機械手臂20的座標並記錄為第二座標（X₂ ,Y₂ ,Z₂ ,Rx₂ ,Ry₂ ,Rz₂ ）（或稱第二座標值）。

最後，執行步驟G：依據該第一座標以及該第二座標，計算出該機械手臂20於該校正平面上的旋轉軸心。例如，於本實施例當中，由於機械手臂20所進行校正的校正平面係為XY平面，並且該機械手臂20於步驟D中旋轉時的旋轉軸係平行於Z軸，是以，其機械手臂20於XY平面上旋轉的旋轉軸心的座標係與第一座標（X₁ ,Y₁ ,Z₁ ,Rx₁ ,Ry₁ ,Rz₁ ）以及第二座標（X₂ ,Y₂ ,Z₂ ,Rx₂ ,Ry₂ ,Rz₂ ）共線，且該旋轉軸心的座標係為第一座標與第二座標的中點，亦即，可求得該旋轉軸心於XY平面或者沿平行於Z軸之旋轉軸旋轉的旋轉軸心為（

,

,

,

,

,

）。藉此，透過本發明之機械手臂係統的校正方法，便可快速且有效地找出機械手臂20於特定平面（如本實施例當中的XY平面）上進行旋轉的旋轉軸心，藉以完成機械手臂的校正。

值得一提的是，於其他實際實施上，若欲進行機械手臂20在其他平面上旋轉的旋轉軸心時，例如：進行機械手臂20以平行於X（Y）軸的旋轉軸進行旋轉之旋轉軸心的校正，則可調整攝影機30的光軸平行於世界座標系統當中的X（Y）軸，調整校正平台40的平面平行於世界座標系統中的YZ（XZ）平面，並以YZ（XZ）平面作為本發明之校正方法中的校正平面進行校正，同樣可快速且準確地獲得機械手臂20在YZ（XZ）平面上旋轉的旋轉軸心座標。另外，前述使得校正件於一校正平面上旋轉一預定角度的步驟中，所述的預定角度並不以180度為限，於一實施例當中，亦可以30度、60度或90度等其他角度當作該預定角度，據以對機械手臂進行校正。另外，當選擇旋轉180度以外的預定角度時，便可將第一座標與第二座標視為一等腰三角形兩底角的端點座標，而該預定角度則為該等腰三角形的頂角（頂點內角），藉此，在得知等腰三角形兩底角的端點座標以及頂角之後，便可求得該等腰三角形的頂點座標，而該頂點座標便是機械手臂在平行於該等腰三角形之平面的旋轉軸心座標了。

再一提的是，習用機械手臂的校正方法，多半是以機械手臂本身的末端點（類似於本實施例中的第二端）作為機械手臂移動、旋轉時供攝影機拍攝的校正標記，然而，上述方式在機械手臂旋轉時，機械手臂本身容易擋住設置於自身的校正標記，而使得攝影機無法有效辨識與追蹤校正標記的所在之處。反觀本發明之校正方法，是以機械手臂另外抓取一設有校正標記的校正件，因此，且該校正件在多個方向與視角上都是突出於機械手臂的，而不容易被機械手臂所遮蔽，因此，在進行校正時，較不易導致攝影機無法追蹤、辨識校正標記的情況發生，而具有較少校正條件之限制的優點。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，本發明之機械手臂系統之校正方法並不僅局限於僅針對機械手臂在XY、YZ、XZ平面上旋轉之旋轉軸心的校正，於其他實際實施上，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧機械手臂
1a‧‧‧校正點
2‧‧‧視野範圍
3a、3b、3c‧‧‧標記點
4‧‧‧視野範圍
5機械手臂
6a、6b、6c‧‧‧標記點
［本發明］
100‧‧‧機械手臂校正系統
10‧‧‧基座
20‧‧‧機械手臂
22‧‧‧第一端
24‧‧‧第二端
26‧‧‧夾爪
30‧‧‧攝影機
32‧‧‧視野範圍
34‧‧‧參考標記
40‧‧‧校正平台
50‧‧‧中控電腦
60‧‧‧校正件
62‧‧‧校正標記

圖１為習知校正機械手臂的示意圖。圖２為習知校正機械手臂的示意圖。圖３為本發明一較佳實施例之機械手臂校正系統的架構圖。圖４至圖７為進行本發明上述較佳實施例之校正方法的示意圖。

34‧‧‧參考標記

60‧‧‧校正件

62‧‧‧校正標記

Claims

一種機械手臂校正系統的校正方法，該機械手臂校正系統包括有一機械手臂、一攝影機以及一校正件，其中，該攝影機具有一視野範圍，該校正件具有一校正標記；該校正方法包含有以下步驟： A、控制該機械手臂抓取該校正件； B、控制該機械手臂移動，帶動該校正件移動至該攝影機的視野範圍內，並使得該校正件的校正標記與該視野範圍中的一參考標記重合； C、記錄步驟B中該機械手臂於其機械手臂座標系上的座標為一第一座標； D、控制該機械手臂旋轉，帶動該校正件於一校正平面上旋轉一預定角度； E、控制該機械手臂移動，帶動該校正件移動至該攝影機的視野範圍內，並使得該校正件的校正標記與該視野範圍中的該參考標記重合； F、記錄步驟E中該機械手臂於機械手臂座標系上的座標為一第二座標； G、依據該第一座標以及該第二座標，計算出該機械手臂於該校正平面上的旋轉軸心。
如請求項1所述之機械手臂校正系統的校正方法，其中該參考標記係位於該攝影機之視野範圍的攝影中心。
如請求項1所述之機械手臂校正系統的校正方法，其中該校正平面係與該攝影機的光軸垂直。
如請求項1所述之機械手臂校正系統的校正方法，其中該機械手臂係抓取該校正件的邊緣位置，且遠離該校正標記的所在位置。
如請求項1所述之機械手臂校正系統的校正方法，其中，該校正件具有一平面，該校正標記設置於該平面上；於步驟B當中，更包含控制該機械手臂旋轉，使得該校正件的該平面垂直於該攝影機的光軸。
如請求項1所述之機械手臂校正系統的校正方法，其中該預定角度為180度。
如請求項1所述之機械手臂校正系統的校正方法，其中於步驟G中，該機械手臂於該校正平面上之旋轉軸心的座標為該第一座標與該第二座標的中點。