TW201927494A - 機械手臂校正方法與裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提出利用被動式參考座標系統和機械手臂的座標系統比對以校正機械手臂動態軌跡精度的方法與裝置。被動式參考座標系統為一被動式三維球座標機構，包括兩個相互正交的轉台與一個通過兩旋轉中心的徑向伸縮桿，其中 旋轉台的搖擺與俯仰兩角度，各由旋轉編碼器提供角度訊息；徑向伸縮桿的徑向長度可由雷射干涉儀等提供。集合搖擺角、俯仰角與徑向長度的訊息可形成一個三維球座標系統。機械手臂經由磁性套筒吸附的鋼球帶動三維球座標機構做同步運動，可經由電腦將此球座標轉換為卡氏座標，進而可和機械手臂端點的座標值進行比對工作。

Description

機械手臂校正方法與裝置

本發明係關於校正機械手臂的方法與裝置，特別有關於利用一個被動式參考座標系統和機械手臂的座標系統比對以校正機械手臂動態軌跡精度的方法與裝置。

在具有運動座標系統之機台中，機械手臂是為一能夠快速進行三維運動的自動化機構。國際標準ISO230-1中指出, 由於製造及組裝的誤差使得任何移動軸或旋轉軸都會有6個自由度的幾何誤差。機械手臂的結構由於關節太多, 通過多項誤差的累積與傳遞致使機械手臂精度普遍不高。目前關於機械手臂的空間定位精度校正，是以國際標準ISO9283 “操作型工業機器人性能標準和測試方法” 所規範的斜面上五點位置法為準則。但如何檢驗機械手臂的空間位置精度，適當且低成本的方法與儀器並不多見。

回顧有關習知的機械手臂的精度檢測方法，美國專利第4435905 號之磁性伸縮球桿(TMBB)，該球桿以線圈感應式位移計(LVDT) 為基礎，可量得工具機與機器人手臂之精度。但因受到LVDT 本身精度與球桿伸縮長度之限制，無法量測手臂在空間任意位置的誤差值。美國專利第5428446 號之雷射球桿(Laser Bal1 Bar, LBB)以雷射干涉儀為基礎，可以在甚短的時間內求取多項誤差的分量。但由於受到其自身構造之限制其方法與限制依舊存在，無法精確量得角度變化值，因此其誤差較大、量測範圍較小。美國專利第6070109號提出在空間固定位置和手臂間拉緊一條細線(Taut string)，移動手臂到幾個指定位置，分別感測細線長度，利用空間向量交集數學法據以求得手臂在各指定位置的誤差，此方法精度不高。美國專利第20130079928 A1號提出以雙機械手臂互握產生封閉機構鏈(closed chain)的形式可相互校正，但此方法數學繁雜且精度不高。美國專利第21000320039 A1號提出利用手臂上夾持的數位相機(CCD)量測放置於參考位置的平面校正板(planar calibration board)以求得機械手臂的位置誤差，此方法精度也不高。歐洲專利第EP0114505 A1號提出利用裝在手臂上的二或三隻相機偵測空間參考點的方位，利用空間向量交集的數學法據以求得手臂在各指定位置的誤差，此方法精度也不高。以上各種方法不是感測器的精度不夠就是感測範圍侷限，市場上的接受度並不高。

另有一種方法就是採用雷射跟踪儀的原理與裝置，這是將雷射干涉儀架設在可做經度與緯度角度旋轉的跟蹤站上，雷射光經由裝置於跟蹤站雙軸旋轉中心的掃描鏡(scanning mirror)射向手臂上的一個目標反射鏡並沿原光路反射回來，當手臂移動時反射回來的光點也做相對移動，利用一顆光位置感測器(position sensitive photodetector)感測出光點移動方向，隨而立即驅動雙軸旋轉機構的伺服馬達以旋轉掃描鏡使得雷射光束一直保持跟蹤目標反射鏡的空間位置，再由雷射的徑向位置與雙軸的角度量得目標反射鏡的空間位置。這是所謂的主動式雷射跟踪儀，這種儀器原先在美國專利第4714339A號所聲明的是要用來量測遠距且大型物體的形貌尺寸，如飛機，雖然也可以實施於機械手臂的空間精度校正，但因構造複雜價格極高(約台幣800萬元)，不是一般機械手臂製造廠商所能買得起。類似的專利有: US 20120050712 A1、US837376B2。

參考以上各項專利的缺點，本發明第一發明人曾申請並獲得「三維雷射追蹤球桿」的台灣專利(180394號)，這是與本發明原理類似但結構不同的被動式跟踪法，因為提出的多節伸縮桿是圓筒形結構，筒內要裝置線性軸承以防止伸縮時球桿的晃動是一項非常難的組裝，長直圓筒的加工需要用昂貴的精密搪床(boring machine)，不論是組裝精度或重複性都有其缺點，故不易實施。根據過去的缺點，本發明所提出的「被動式三維球座標機構」在結構設計上有明顯的改進，組裝方便、成本較低，不論是新穎性、進步性或可實施性都有明顯的特點。

本發明「被動式三維球座標機構」係利用固定於徑向伸縮桿機構端點的一顆精密標準鋼球吸附於固定在機械手臂端點的磁性套筒上，手臂端點在空間位置的座標(X, Y, Z)可由三維球座標機構上鋼珠的座標(R, θ, φ)經由座標轉換求得，兩座標值相比即為機械手臂的端點位置誤差。三維球座標機構包含兩個相互正交的轉台與一個通過兩旋轉中心且正交於兩旋轉軸的徑向伸縮桿所組成。 旋轉台包含搖擺(θ)與俯仰(φ)兩角度，各由一精密的旋轉編碼器提供角度訊息;徑向伸縮桿由多節滑軌機構所構成，徑向長度可利用架設其上的雷射干涉儀提供訊息。集合搖擺角、俯仰角與徑向長度的訊息可形成一個三維球座標系統。此球座標機構的精度高於機械手臂，可以用來校正機械手臂的空間動態軌跡精度。

請參閱圖1， 本發明的機械手臂校正裝置100為一種被動式三維球座標機構，具有兩個主要構造：〔1〕相互正交的兩轉台，包括搖擺角轉台101和俯仰角轉台102，每個轉台各附有角度編碼器104、105以讀取實際角度〔2〕徑向伸縮滑桿2，由通過兩轉台轉動中心點的兩支滑軌202a、202b與一支滑桿203所組成，徑向伸縮滑桿2的實際長度由固定在轉台中心另一側的長度量測裝置205(本實施例中為一雷射干涉儀)讀取。

以下詳述各構造的作動方式。搖擺角轉台101坐落於地面上，提供機械手臂校正裝置100的座標系(X,Y,Z)，原點設定於通過搖擺角轉台101中心線與地面的交點，搖擺角轉台101的轉盤106可繞著Z軸做360度搖擺旋轉，搖擺角度θ訊息由搖擺角轉台101內的搖擺角編碼器104感測提供。俯仰角轉台102固定在轉盤106上面，可繞著俯仰角轉軸103做俯仰旋轉，其中俯仰角轉軸103和搖擺角轉台101的轉軸(Z軸)呈垂直正交，俯仰角度φ訊息由俯仰角轉台102內的俯仰角編碼器105感測提供。固定架201固定在俯仰角轉軸103上，且和俯仰角轉軸103垂直，固定架201上方固定兩支堆疊的滑軌202a、202b，上滑軌202a的滑座上固定一支長條滑桿203。其中，二滑軌202a、202b及滑桿203間可進行相對的滑行移動，因而可改變徑向伸縮滑桿2的長度。例如，二滑軌中堆疊在上的滑軌202a具有滑塊2021，以在疊於其下的滑軌202b上滑動。同樣的，滑桿203亦具有滑塊2031，以在位於其下的滑軌202a上滑動。其中，滑軌的數量在此僅為例示，可依實際需求只使用一支滑軌，或是增加滑軌的數量。長度量測裝置205更包括在滑桿203前端所安裝的一個角藕反射鏡206(Corner cube reflector)，角藕反射鏡206面向兩轉台101、102的轉軸交點O方向，兩轉台101、102的轉軸交點O和角藕反射鏡206中心點的連線形成球坐標系的徑向R(Radial direction)。在俯仰角轉軸103上且於固定架201的反方向上固定一個雷射干涉儀的固定架204，其上安裝一台雷射干涉儀作為長度量測裝置205。長度量測裝置205的光軸通過俯仰角轉軸103的中心孔射向滑桿203前端的角藕反射鏡206，角藕反射鏡206隨著滑桿203在兩支滑軌202a、202b上伸縮移動的距離可由長度量測裝置205量得。在滑桿203的尾端有一固定塊207，一顆有把柄的且精密的標準鋼球208在徑向方向R被固定在固定塊207上，用手在任意方向拉動標準鋼球208可帶動徑向伸縮滑桿2沿著搖擺角度θ方向、俯仰角度φ方向、以及徑向R方向作被動的同步運動，此即機械手臂校正裝置100的三維作動原理。在使用機械手臂校正裝置100時，需要一個套接器3來吸著標準鋼球208。如圖1A所示，內裝有磁鐵片302的磁性套筒301可強力的吸住標準鋼球208，當磁性套筒301被任何運動機構夾住並作空間任意位置移動時，標準鋼球208將一直被吸住且在磁性套筒301內轉動，但標準鋼球208的中心在磁性套筒301的位置永遠被固定不動，故只要知道標準鋼球208在機械手臂校正裝置100的(R, θ, φ)座標位置，即可輕易轉換為空間卡氏座標的(X, Y, Z)位置。

如圖2所示，三維球座標系(R, θ, φ)的原點是落在兩轉台轉軸(Z軸與俯仰角轉軸103)的交點O上，此O點和參考坐標系(X,Y,Z)原點相對距離為Z向的h高度，標準鋼球在空間的位置(X_b , Y_b , Z_b )相對於參考坐標系可由球座標系轉換得知, 公式如下:

如圖3所示，利用以上機械手臂校正裝置100對機械手臂4進行校正的方法，可以包括下列步驟：將連接於標準鋼球208的套接器3固定於機械手臂4之握爪41；使機械手臂4在空間運動，因而使標準鋼球208被動的被套接器3所拖引，從而牽動徑向伸縮滑桿2、搖擺角轉台101和俯仰角轉台102跟隨作動；讀取徑向伸縮滑桿2的長度、搖擺角度θ及俯仰角度φ，以獲得標準鋼球208的球座標；以及把球座標轉換為卡式座標後，比較標準鋼球208的座標與握爪位置的座標，以求取機械手臂4的空間位置誤差值，並據以校正機械手臂4的空間軌跡精度。詳言之，當實施本發明的機械手臂校正裝置100於機械手臂4的精度校正時，可將套接器3的磁性套筒301固定於機械手臂4的握爪41上，套接器3緊固吸住標準鋼球208，標準鋼球208又緊固於徑向伸縮滑桿2上，故只要下達機械手臂4運動軌跡的指令，機械手臂校正裝置100將被動的跟隨運動。標準鋼球208在球座標的R, θ, φ動態位置可即時由長度量測裝置205、搖擺角編碼器104、及俯仰角編碼器105等的輸出訊息得知，再由前述公式計算以卡氏座標表示的位置(X_b , Y_b , Z_b )。此座標位置可用來和機械手臂4的運動指令位置比較，由於本發明的機械手臂校正裝置100並沒有機械手臂那麼多的關節，精度必定較高，故可以用來校正機械手臂4的空間軌跡精度。

前述的徑向訊息是由高精度的雷射干涉儀(長度量測裝置205)量得。在另一實施例中，長度量測裝置205亦可採用光學尺貼附於滑軌202a、202b上，滑軌202a、202b各由一對應的光學尺讀取於其上滑動的滑塊2021、2031的移動位置，結合兩個光學尺的讀值亦可算得標準鋼球的徑向位置。如圖4所示，圖1中的長度量測裝置205與角藕反射鏡206已被取下，在滑軌202a下方加裝一支固定架211，長條狀的兩組光學尺主尺2011、2111分別貼附於固定架201和固定架211上, 光學尺讀取頭2022與2032分別固定於兩滑軌202a、202b的滑塊2021與2031上。另外，在原先長度量測裝置205的固定架204上加了一個配重塊209以平衡前端伸縮桿機構的重量。由於光學尺的線性精度遠高於機械手臂4，故取代雷射干涉儀(長度量測裝置205)於三維球座標機構的徑向感測時足可勝任，製造成本更低。

本發明所提供的被動式三維球座標機構及利用其所執行之校正方法尚未有相同之構造及方法揭露在先，具有新穎性。除了相對於傳統之量測方式，具有較高之精度之外，還可快速架設、快速量測，可充分滿足使用者的需求。相較於同級的其他產品，如激光跟踪儀(Laser Tracker)，本發明之整體結構構造簡單、零件數目少、組配容易，具有進步性及產業利用性。

100‧‧‧機械手臂校正裝置

101‧‧‧搖擺角轉台

102‧‧‧俯仰角轉台

103‧‧‧俯仰角轉軸

104‧‧‧搖擺角編碼器

105‧‧‧俯仰角編碼器

106‧‧‧轉盤

2‧‧‧徑向伸縮滑桿

201‧‧‧固定架

2011‧‧‧光學尺主尺

202a、202b‧‧‧滑軌

2021‧‧‧滑塊

2022‧‧‧光學尺讀取頭

203‧‧‧滑桿

2031‧‧‧滑塊

2032‧‧‧光學尺讀取頭

204‧‧‧固定架

205‧‧‧長度量測裝置

206‧‧‧角藕反射鏡

207‧‧‧固定塊

208‧‧‧標準鋼球

209‧‧‧配重塊

211‧‧‧固定架

2111‧‧‧光學尺主尺

3‧‧‧套接器

301‧‧‧磁性套筒

302‧‧‧磁鐵片

4‧‧‧機械手臂

41‧‧‧握爪

θ‧‧‧搖擺角度

φ‧‧‧俯仰角度

h‧‧‧高度

O‧‧‧轉軸交點

R‧‧‧徑向

圖1係本發明之雷射干涉儀式三維球座標機構一實施例的立體示意圖。 圖1A係圖1所示精密標準鋼球結合磁性套筒的轉動運作示意圖。 圖2為本發明一實施例中鋼球在三維球座標系統上的座標點(Xb, Yb, Zb)之示意圖。 圖3為本發明一實施例中機械手臂帶動三維球座標機構的操作示意圖。 圖4係本發明之雷射干涉儀式三維球座標機構之另一實施例的立體示意圖。

Claims (7)

1. 一種機械手臂校正裝置，用來校正一機械手臂，包括: 一搖擺角轉台，具一轉盤，可繞一轉軸做搖擺旋轉；以及一搖擺角編碼器，用以感測該搖擺角轉台的一搖擺角度； 一俯仰角轉台，固定在該轉盤上，可繞著一俯仰角轉軸做俯仰旋轉，該俯仰角轉台並具有一俯仰角編碼器，以感測該俯仰角轉台的一俯仰角度；其中該俯仰角轉軸與該搖擺角轉台的該轉軸垂直正交於一轉軸交點； 一徑向伸縮滑桿，包括至少一滑軌與一支滑桿所組成，其中該至少一滑軌與該滑桿間可進行相對的的滑行移動； 一標準鋼球，固定於該滑桿的尾端； 一套接器，以可轉動的方式與該標準鋼球連接，並可固定於該機械手臂； 以及 一長度量測裝置，裝設於可量測該徑向伸縮滑桿長度的位置，用來量測該徑向伸縮滑桿的長度。
2. 如請求項1所述的機械手臂校正裝置，其中該長度量測裝置為架設於該徑向伸縮滑桿前端且在該轉軸交點另一側的一雷射干涉儀；以及固定在滑桿前端的角藕反射鏡。
3. 如請求項1所述的機械手臂校正裝置，其中該長度量測裝置為分別貼附於每一該至少一滑軌處的至少一光學尺。
4. 如請求項1所述的機械手臂校正裝置，其中該套接器包括一磁性套筒及裝設於該磁性套筒的一磁鐵片，以使該標準鋼球為該磁性套筒吸附，並容許該標準鋼球於該磁性套筒內轉動。
5. 如請求項4所述的機械手臂校正裝置，其中當該機械手臂在空間任意運動時，該標準鋼球可被動的被該磁性套筒所拖引，從而牽動該徑向伸縮滑桿、該搖擺角轉台和該俯仰角轉台跟隨作動。
6. 一種機械手臂校正方法，係利用如請求項1至5之任一項所述的機械手臂校正裝置對該機械手臂進行校正，包括下列步驟： 將連接於該標準鋼球的該套接器固定於該機械手臂之一握爪； 使該機械手臂在空間運動，因而使該標準鋼球被動的被該套接器所拖引，從而牽動該徑向伸縮滑桿、該搖擺角轉台和該俯仰角轉台跟隨作動； 讀取該徑向伸縮滑桿的長度、該搖擺角度及該俯仰角度，以獲取該標準鋼球位置的座標；以及 比較該標準鋼球位置的座標與該握爪位置的座標，以求取該機械手臂的一空間位置誤差值，並據以校正該機械手臂的空間軌跡精度。
7. 如請求項6所述的機械手臂校正方法，其中該握爪位置的座標為一第一卡式座標，且求取該空間位置誤差值的步驟更包括： 將該徑向伸縮滑桿的長度、該搖擺角度及該俯仰角度組成一球座標； 轉換該球座標為一第二卡式座標；以及 計算該第一卡式座標與該第二卡式座標的差值，作為該空間位置誤差值。