TWI668541B - 機器人工具中心點校正系統及其方法 - Google Patents

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TWI668541B
TWI668541B TW106133775A TW106133775A TWI668541B TW I668541 B TWI668541 B TW I668541B TW 106133775 A TW106133775 A TW 106133775A TW 106133775 A TW106133775 A TW 106133775A TW I668541 B TWI668541 B TW I668541B
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Abstract

一種機器人工具中心點校正系統，其可包含第一影像感測器、第二影像感測器及控制器。第一影像感測器可具有第一影像中心軸。第二影像感測器可具有第二影像中心軸，第二影像中心軸與第一影像中心軸可具有交點且不相互平行。控制器可控制機器人使其工具中心點在第一影像中心軸及第二影像中心軸之間重覆移動。其中，控制器可在工具中心點與第一影像中心軸及第二影像中心軸之交點重合時記錄包含機器人之關節座標之校正點，且可移動工具中心點，並可重覆上述步驟以產生複數個校正點，再根據該些校正點計算工具中心點之座標。

Description

機器人工具中心點校正系統及其方法
本案係有關於一種機器人工具中心點校正系統，特別是一種自動化的機器人工具中心點校正系統。本案還涉及此機器人工具中心點校正系統之機器人工具中心點校正方法。
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，機器人為具有多個關節的關節型機械手臂，而其一端則設置有一工具，如銲接工具或鑽孔工具等等，以執行各種不同的作業；而在機器人進行作業前，其工具之工具中心點(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可運行於正確的路徑。然而，習知技藝之機器人工具中心點校正技術確有著許多缺點有待改進。
例如，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要手動操作機械人以校正機械人之工具中心點，因此容易產生人為誤差，無法精確地校正工具中心點，因此校正精確度低且需要較高人力成本及時間成本。
另外，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要在機器人上安裝額外的感測器，並透過感測器與工具中心的相對關係間接校正工具中心點；然而，上述的方式並無法精確地校正工具中心點，且也 會使校正儀器成本大幅提升。
此外，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要額外的量測設備校正機器人之工具中心點；然而，這些量測設備也需要事先進行校正，需要較高人力及時間成本，且也會使校正儀器成本大幅提升。
再者，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要進行重覆多次校正機器人之工具中心點才能達到較高的校正精確度，因此使用上極度缺乏效率。
因此，如何提出一種機器人工具中心點校正技術，能夠有效改善習知技藝之機器人工具中心點校正技術的各種缺點已成為一個刻不容緩的問題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本案之其中一目的就是在提供一種機器人工具中心點校正系統及方法，以解決習知技藝之機器人工具中心點校正技術的各種問題。
根據本案之其中一目的，提出一種機器人工具中心點校正系統，其可包含第一影像感測器、第二影像感測器及控制器。第一影像感測器可具有第一影像中心軸。第二影像感測器可具有第二影像中心軸，第二影像中心軸與第一影像中心軸可具有交點且不相互平行。控制器可控制機器人使其工具中心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。其中，控制器可在工具中心點與交點重合時記錄包含機器人之關節座標之校正點。並可移動工具中心點，再重覆上述步驟以產生複數個該校正點，以根據該些校正點計算工具中心點之座標。
根據本案之其中一目的，再提出一種機器人工具中心點校正方法，其可包含下列步驟：提供第一影像感測器，其具有第一影像中心軸；提供第 二影像感測器，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交點且不相互平行；控制機器人使其工具之工具中心點重覆地在第一影像中心軸及第二影像中心軸之間移動直到與交點重合，並記錄包含機器人之複數個關節之座標之校正點；移動工具中心點，並重覆上述步驟以產生複數個校正點；以及根據該些校正點計算工具中心點之座標。
承上所述，依本案之機器人工具中心點校正系統及方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)本案之一實施例中，機器人工具中心點校正系統可包含控制器及影像感測器，並可透過視覺伺服(Visual Servo Control)的方式自動校正機器人之工具中心點，故可達極高的校正精確度且可降低人力成本及時間成本。
(2)本案之一實施例中，機器人工具中心點校正系統可透過控制器及影像感測器自動校正機器人之工具中心點，且不需要事先校正影像感測器的位置，故可進一步降低人力成本及時間成本。
(3)本案之一實施例中，機器人工具中心點校正系統可透過一次的校正流程即可達到極高的校正精確度，因此機器人工具中心點校正系統可以更有效率的對機器人工具中心點進行校正。
(4)本案之一實施例中，機器人工具中心點校正系統可應用於各種不同的機器人，因此使用上更具彈性。
1‧‧‧機器人工具中心點校正系統
11‧‧‧第一影像感測器
12‧‧‧第二影像感測器
13‧‧‧控制器
R‧‧‧機器人
M‧‧‧本體
T‧‧‧工具
TCP‧‧‧工具中心點
J1~J6‧‧‧關節
F‧‧‧法蘭面
A‧‧‧第一影像中心軸
B‧‧‧第二影像中心軸
IA‧‧‧交疊區域
I‧‧‧軸線交點
CP1‧‧‧校正點
O‧‧‧起始點
T1~T4‧‧‧移動點
x1~x3、y1~y3、z1~z3、xC1、yC1、xC2、yC2‧‧‧座標
P’x1、P’y1、P’z1、P’x2、P’y2、P’z2‧‧‧投影座標
、、、、、‧‧‧空間向量
SC1、SC2、PH1~PH4‧‧‧距離
xC、yC、zC、xR、yR、zR、xb、yb、zb、xf、yf、zf‧‧‧座標軸
S51~S56、S61~S66、S71~S76、S81~S84‧‧‧步驟流程
第1圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第一示意圖。
第2A圖~第2C圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第二示意圖~第四示意圖。
第3A圖~第3C圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施 例之第五示意圖~第七示意圖。
第4圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第八示意圖。
第5圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第一流程圖。
第6圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第二流程圖。
第7圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第三流程圖。
第8圖 係為本案之機器人工具中心點校正系統之第二實施例之流程圖。
以下將參照相關圖式，說明依本案之機器人工具中心點校正系統及其方法之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第1圖、第2A圖~第2C圖、第3A圖~第3C圖及第4圖，其係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第一示意圖~第八示意圖。如第1圖所示，機器人工具中心點校正系統1可包含第一影像感測器11、第二影像感測器12及控制器13；在較佳的實施例中，第一影像感測器11及第二影像感測器12可為攝影機或其它類似的裝置。機器人R包含本體M及設置於本體M之一端之工具T，而本體M包含複數個關節J1~J6；機器人工具中心點校正系統1可用於校正設置於工具T之工具中心點TCP。
第2A圖表示第一影像感測器11之影像，第2B圖表示空間向量與第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)之關係，而第2C圖表示工具中心點TCP沿著第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)的移動路徑；如第2A圖及第2B圖所示，在進行工具中心點TCP的校正之前，需先計算機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)之轉換關係。
首先，建立機械人R之參考座標系與第一影像感應器11之參考座標系之轉換關係，控制器13可控制機器人R將工具中心點TCP由第一影像感 測器11及第二影像感測器12之影像交疊區域IA之任一位置沿著機器人R之座標系之橫軸(xR軸)移動距離LR得到第一影像感測器11的投影座標點，並可由第一影像感測器11獲得第一投影座標P' x1=(x11 ,y11)，並可假設第 一投影座標之第一空間向量為；其中z11為未知數。
接著，控制器13可控制機器人R將工具中心點TCP由第一影像感測器11及第二影像感測器12之影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系之縱軸(yR軸)移動距離LR得到第一影像感測器11的投影座標點，並可由第一影像感測器11獲得第二投影座標P' y1=(x21 ,y21)，並可假設第 二投影座標之第二空間向量為；其中z21為未知數。
同樣的，控制器13可控制機器人R將工具中心點TCP由第一影像感測器11及第二影像感測器12之影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系之垂直軸(zR軸)移動距離LR得到第一影像感測器11的投影座標點，並可由第一影像感測器11獲得第三投影座標P' z1=(x31 ,y31)，並可假 設第三投影座標之第三空間向量為；其中z31為未知數。
由於空間向量、及相互垂直，故控制器13可透過下式(1)、式(2)及式(3)計算空間向量、及：
最後，控制器13可得到機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)之轉換關係，如下式(4)所示：
其中，SC1為工具中心點TCP沿著第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)之移動量，如第2C圖所示；而SR為工具中心點TCP沿著機器 人R之座標系(xR-yR-zR)之移動量。
因此，當控制器13控制機器人R之工具中心點TCP移動時，可由第一影像感測器11之影像獲得移動量SC1，而空間向量、及及其長度∥∥、∥∥及∥∥可由式(1)~式(3)計算而得；分別將空間向量、及除以其長度∥∥、∥∥及∥∥可獲得一矩陣，再將此矩陣之反矩陣(Inverse matrix)乘以移動量SC1即可獲得工具中心點TCP沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之移動量SR。
第3A圖表示第二影像感測器12之影像，第3B圖表示空間向量與第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之關係，而第3C圖表示工具中心點TCP沿著第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)的移動路徑；如第3A圖及第3B圖所示，在進行工具中心點TCP的校正之前，也需同時計算機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之轉換關係。
控制器13可控制機器人R將工具中心點TCP由第二影像感測器12及第二影像感測器12之影像交疊區域IA之任一位置沿著機器人R之座標系之橫軸(xR軸)移動距離LR得到第二影像感測器12的投影座標點，並可由第二影像感測器12獲得第一投影座標P' x2=(x12 ,y12)，並可假設第一投影座 標之第一空間向量為；其中z12為未知數。
接著，控制器13可控制機器人R將工具中心點TCP由第一影像感測器11及第二影像感測器12之影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系之縱軸(yR軸)移動距離LR得到第二影像感測器12的投影座標點，並可由第二影像感測器12獲得第二投影座標P' y2=(x22 ,y22)，並可假設第 二投影座標之第二空間向量為；其中z22為未知數。
同樣的，控制器13可控制機器人R將工具中心點TCP由第一影像感測器11及第二影像感測器12之影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人 R之座標系之垂直軸(zR軸)移動距離LR得到第二影像感測器12的投影座標點，並可由第二影像感測器12獲得第三投影座標P' z2=(x32 ,y32)，並可假 設第三投影座標之第三空間向量為；其中z32為未知數。
由於空間向量、及相互垂直，故控制器13可透過下式(5)、式(6)及式(7)計算空間向量、及：
最後，控制器13可得到機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之轉換關係，如下式(8)所示：
其中，SC2可為工具中心點TCP沿著第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之移動量，如第3C圖所示；而SR可為工具中心點TCP沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之移動量。
因此，當控制器13控制機器人R之工具中心點TCP移動時，可由第二影像感測器12之影像獲得移動量SC2，而空間向量、及及其長度∥∥、∥∥及∥∥可由式(5)~式(7)計算而得；分別將空間向量、及除以其長度∥∥、∥∥及∥∥可獲得一矩陣，再將此矩陣之反矩陣(Inverse matrix)乘以移動量SC2即可獲得工具中心點TCP沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之移動量SR。
如此，控制器13則可透過視覺伺服(Visual Servo Control)的方式根據機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)及第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之轉換關係來控制機器人R移動其工具中心點TCP。
如第4圖所示，第一影像感測器11可具有第一影像中心軸A；在較佳的實施例中，第一影像感測器11可為攝影機或其它類似的裝置。
第二影像感測器12可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可具有交點I且不相互平行，且第一影像感測器11與第二影像感測器12可具有影像交疊區域IA，使第一影像感測器11及第二影像感測器12可形成2.5D的機器視覺；而另一實施例中，第一影像中心軸A與第二影像中心軸B實質上可互相垂直；在較佳實施例中，第二影像感測器12可為攝影機或其它類似的裝置。
控制器13可控制機器人R使工具T之工具中心點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；在較佳實施例中，控制器13可為各種電腦裝置。控制器13可在工具中心點TCP與第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之交點I重合時記錄校正點，再改變機器人R之姿態以記錄下一個校正點，藉此記錄機器人R之不同姿態下的複數個校正點；最後，控制器13則根據該些校正點計算工具中心點TCP之座標；其中，各個校正點可包含關節J1~J6的座標，而各個關節之座標可為各個關節相對於其預設起始點的轉動角度；例如：若關節角度θ(Joint angle)表示關節的座標，故關節J1~J6的座標可表示為θJ1、θJ2、θJ3、θJ4、θJ5及θJ6；故一個校正點可表示為(θJ1,θJ2,θJ3,θJ4,θ J5,θJ6)。
由第4圖可知，控制器13可控制機器人R將其工具中心點TCP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中的起始點O；此起始點O可為影像交疊區域IA中的任一點；接著，控制器13可控制機器人R使工具中心點TCP由起始點O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可控制機器人R使工具中心點TCP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可控制機器人R使工具中心點TCP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使工具中心點TCP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可控制機器人R使工具中心點TCP由點T4開始向第一影像中心軸A移動至交點I，並可在工具中心點TCP與交點I重合時記錄第一校正點CP1；在本實施例中，工具中心點TCP與第一影像中心軸A之距離及工具中心點TCP與第二影像中心軸B之距離小於一門檻值時即可視為工具中心點TCP與交點I重合；一般而言，此門檻值可設定為工具中心點TCP的像素之50%；即工具中心點TCP的像素之50%與第一影像中心軸A與第二影像中心軸B重合時即可視為工具中心點TCP與交點I重合；當然，上述之門檻值可根據工具T的尺寸及種類進行調整；由上述可知，控制器13可控制機器人R使工具中心點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，以取得第一校正點CP1。
接著，控制器13可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△Rx ,△Ry ,△Rz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(Rx+△Rx ,Ry+△Ry ,Rz+△Rz)，其中(Rx ,Ry ,Rz)為機器人R原來的方位角；其中Rx表示偏航角(Yaw angle)；Ry表示螺傾角(Pitch angle)；Rz表示滾轉角(Roll angle)。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產生方位角增量。
然後，控制器13可控制機器人R使工具中心點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，且可在工具中心點TCP與第一影像中心軸A與第二影像中心軸B之交點I重合時記錄第二校正點CP2。
然後，控制器13可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可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。
如第1圖所示，控制器13可根據該些校正點CP1~CP3計算工具中心點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之座標及工具中心點TCP相對於法蘭面F之座標系(xf-yf-zf)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)。
工具中心點TCP之座標可由下式(9)計算：T1iT2=P.............................................................................(9)
其中，矩陣T1i係將第i個校正點之座標，由基座之座標系(xb-yb-zb)轉換至法蘭面之座標系(xf-yf-zf)的4×4齊次轉換矩陣，矩陣T2為工具中心點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(xb-yb-zb)的座標；各個校正點可透過式(9)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)求得工具中心點TCP之座標；由式(9)可推得式(10)：
其中，(e11i,e21i,e31i)表示第i個校正點在xf軸的向量相對於基座之座標系(xb-yb-zb)的方向；(e12i,e22i,e32i)表示第i個校正點在yf軸的向量相對於基 座之座標系(xb-yb-zb)的方向；(e13i,e23i,e33i)表示第i個校正點在zf軸的向量相對於基座之座標系(xb-yb-zb)的方向；由式(10)可推得式(11)及式(12)：
其中，為T 3之轉置矩陣(Transpose matrix)，(T 3 )-1為(T 3 )之反矩陣(Inverse matrix)。
若校正點的數量足夠，將已知的第i個校正點所對應的矩陣T1i，則可將矩陣內各元素代入式(11)並將矩陣T 3移項後得式(12)，取得工具中心點TCP相對於法蘭面F之座標系之座標(Tx,Ty,Tz)及工具中心點TCP相對於機 器人R座標系(xR-yR-zR)之座標(Px,Py,Pz)，並完成工具中心點TCP之座標(Tx,Ty,Tz)之校正。
當然，上述僅為舉例，機器人工具中心點校正系統1之各元件及校正方法均可依實際需求改變，本案並不以此為限。
由上述可知，在本實施例中，機器人工具中心點校正系統1可透過視覺伺服的方式自動校正機器人R之工具中心點TCP，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，機器人工具中心點校正系統1可以透過一次校正程序即可精確地校正機器人R之工具中心點TCP，因此可以更有效率的對機器人R之工具中心點TCP進行校正。因此，機器人工具中心點校正系統1確實可以有效地改善習知技藝之缺點。
請參閱第5圖、第6圖及第7圖，其係為本案之機器人工具中心點校正系統之第一實施例之第一流程圖、第二流程圖及第三流程圖。如第5圖所示，獲得機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)之轉換關係的方法可包含下列步驟：
步驟S51：控制機器人R將工具中心點TCP由影像交疊區域IA之任一位置沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之橫軸xR移動一距離LR，並由第一影像感測器11獲得第一投影座標P’x1。
步驟S52：控制機器人R將工具中心點TCP由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之縱軸yR移動一距離LR，並由第一影像感測器11獲得第二投影座標P’y1。
步驟S53：控制機器人R將工具中心點TCP由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之垂直軸zR移動一距離LR，並由第一影像感測器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(xR-yR-zR)與第一影像感測器11之座標系(x1C-y1C-z1C)之轉換關係，如上述式(4)。
如第6圖所示，獲得機器人R之座標系(xR-yR-zR)與第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之轉換關係的方法可包含下列步驟：
步驟S61：控制機器人R將工具中心點TCP由影像交疊區域IA之任一位置沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之橫軸xR移動一距離LR，並由第二影像感測器12獲得第一投影座標P’x2。
步驟S62：控制機器人R將工具中心點TCP由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之縱軸yR移動一距離LR，並由第二影像感測器12獲得第二投影座標P’y2。
步驟S63：控制機器人R將工具中心點TCP由影像交疊區域IA之上述該位置沿著機器人R之座標系(xR-yR-zR)之垂直軸zR移動一距離LR，並由第二影像感測器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(xR-yR-zR)與第二影像感測器12之座標系(x2C-y2C-z2C)之轉換關係，如上述式(8)。
如第7圖所示，機器人工具中心點校正系統1所採用的方法可包含下列步驟：
步驟S71：提供第一影像感測器11，其具有第一影像中心軸A。
步驟S72：提供第二影像感測器12，其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具有交點I且不相互平行。
步驟S73：控制機器人R使其工具T之工具中心點TCP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：當工具中心點TCP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：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工具中心點TCP之座標。
值得一提的是，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要手動操作機械人以校正機械人之工具中心點，因此容易產生人為誤差，無法精確地校正工具中心點，因此校正精確度低且需要較高人力成本及時間成本。相反的，根據本案之實施例，機器人工具中心點校正系統1可包含控制器13及影像感測器11、12，並可透過視覺伺服的方式自動校正機器人R之工具中心點TCP，故可達極高的校正精確度且可降低人力成本及時間成本。
此外，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要額外的量測設備校正機器人之工具中心點；然而，這些量測設備也需要事先進行校正，需要較高人力及時間成本，且也會使校正儀器成本大幅提升。相反的，根據本案之實施例，機器人工具中心點校正系統1可透過控制器13及影像感測器11、12自動校正機器人R之工具中心點TCP，且不需要事先校正影像感測器11、12的位置，故可進一步降低人力成本及時間成本。
另外，根據習知技藝之機器人工具中心點校正技術，使用者可能需要進行重覆多次校正機器人之工具中心點才能達到較高的校正精確度，因此使用上極度缺乏效率。相反的，根據本案之實施例，機器人工具中心點校正系統1可透過一次的校正流程即可達到極高的校正精確度，因此機器人工具中心點校正系統1可以更有效率的對機器人工具中心點TCP進行校正。
再者，本案之一實施例中，機器人工具中心點校正系統1可應用於各種不同的機器人，因此使用上更具彈性。由上述可知，本案實具進步性之專利要件。
請參閱第8圖，其係為本案之機器人工具中心點校正系統1之第二實施例之流程圖。本實施例舉例說明了機器人工具中心點校正系統1校正一機器人R之工具中心點TCP之詳細步驟。
步驟S81：控制器13控制機器人R使其工具中心點TCP移動至第一影像感測器11之與第二影像感測器12之影像交疊區域IA中之任一位置，並進入步驟S82。
步驟S82：控制器13控制機器人R使其工具中心點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，並在工具中心點TCP與第一影像中心軸A及第二影像中心軸B之交點I重合時記錄校正點，並進入步驟S83。
步驟S83：控制器13判斷校正點的數量是否大於或等於一預設值？若是，則進入步驟S84；若否，則進入步驟S831。
步驟S831：控制器13透過亂數產生器產生方位角增量(△Rx ,△Ry ,△Rz)以修正機器人R的方位角，並回到步驟S82。
步驟S84，控制器13根據該些校正點計算工具中心點TCP之座標。
綜上所述，根據本案之實施例，本案之機器人工具中心點校正系統1可包含控制器及影像感測器，並可透過視覺伺服(Visual Servo Control)的方式自動校正機器人之工具中心點，故可達極高的校正精確度且可降低人力成本及時間成本。
此外，根據本案之實施例，機器人工具中心點校正系統可透過控制器及影像感測器自動校正機器人之工具中心點，且不需要事先校正影像感測器的位置，故可進一步降低人力成本及時間成本。
另外，根據本案之實施例，機器人工具中心點校正系統可透過一次的校正流程即可達到極高的校正精確度，因此機器人工具中心點校正系統可以更有效率的對機器人工具中心點進行校正。
再者，本案之一實施例中，機器人工具中心點校正系統可應用於各種不同的機器人，因此使用上更具彈性。
可見本案在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本案之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (24)

  1. 一種機器人工具中心點校正系統，係包含：一第一影像感測器，係具有一第一影像中心軸；一第二影像感測器，係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；以及一控制器，係控制一機器人使其一工具之一工具中心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；其中，該控制器在該工具中心點與該交點重合時，記錄含有該機器人之複數個關節之座標之一校正點，並移動該工具中心點，再重覆上述步驟以產生複數個該校正點，再根據該些校正點計算該工具中心點之座標。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該控制器係根據該機器人之座標系與該第一影像感測器及該第二影像感測器之座標系之一轉換關係及該第一影像感測器及該第二影像感測器之一影像交疊區域來控制該機器人。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工具中心點校正系統，其中各個該關節之座標係為各個該關節相對於其預設起始點的轉動角度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之機器人工具中心點校正系統，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項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該些校正點之數量係大於或等於一預設值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之機器人工具中心點校正系統，其中當該些校正點之數量小於3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，藉此改變該機器人的姿態。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該控制器在修正該機器人之該方位角後，控制該機器人使該工具中心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，以產生下一個該校正點，直到該些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項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該工具中心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，該工具中心點與該第一影像中心軸之距離及該工具中心點與該第二影像中心軸之距離小於一門檻值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該控制器讓該機器人係以不同姿態產生該些校正點。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該工具中心點之座標係包含該工具中心點相對於該機器人之一基座之座標或該工具中心點相對於該機器人之一法蘭面之座標。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之機器人工具中心點校正系統，其中該第一影像中心軸與該第二影像中心軸係互相垂直。
  12. 一種機器人工具中心點校正方法，係包含：提供一第一影像感測器，其具有一第一影像中心軸；提供一第二影像感測器，其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且不相互平行；控制一機器人使其一工具之一工具中心點重覆地在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間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； 移動該工具中心點，並重覆上述步驟以產生複數個該校正點；以及根據該些校正點計算該工具中心點之座標。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中控制該機器人使該工具之該工具中心點重覆地在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間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該校正點之步驟更包含下列步驟：提供該機器人之座標系與該第一影像感測器及該第二影像感測器之座標系之一轉換關係；以及根據該轉換關係、該第一影像感測器及該第二影像感測器之一影像交疊區域控制該機器人移動該工具中心點。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之機器人工具中心點校正方法，其中提供該機器人之座標系與該第一影像感測器及該第二影像感測器之座標系之該轉換關係之步驟更包含：控制該機器人將該工具中心點由該第一影像感測器及該第二影像感測器之該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，並由該第一影像感測器及該第二影像感測器獲得一第一投影座標；控制該機器人將該工具中心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，並由該第一影像感測器及該第二影像感測器獲得一第二投影座標；以及控制該機器人將該工具中心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，並由該第一影像感測器及該第二影像感測器獲得一第三投影座標。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之機器人工具中心點校正方法，其中提供該機器人之座標系與該第一影像感測器及該第二影像感測器之座標系之該轉換關係之步驟更包含：提供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與該第一影像感測器及該第二影像感測器之座標系之該轉換關係。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中各個該關節之座標係為各個該關節相對於其預設起始點的轉動角度。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之機器人工具中心點校正方法，其中根據該些校正點計算該工具中心點之座標之步驟更包含下列步驟：根據該些校正點及該機器人之一連桿參數計算該工具中心點之座標。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中該些校正點之數量係大於或等於一預設值。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中控制該機器人使該工具之該工具中心點重覆地在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間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該校正點之步驟更包含下列步驟：該機器人使該工具中心點與該第一影像中心軸之距離及該工具中心 點與該第二影像中心軸之距離小於一門檻值。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之機器人工具中心點校正方法，其中控制該機器人使該工具之該工具中心點重覆地在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間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該校正點之步驟更包含下列步驟：當該些校正點之數量小於3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，藉此改變該機器人的姿態。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之機器人工具中心點校正方法，更包含下列步驟：在修正該機器人之該方位角後，控制該機器人使該工具中心點重覆地在該第一影像中心軸及該第二影像中心軸之間移動，以產生下一個該校正點，直到該些校正點大於或等於該預設值。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中移動該工具中心點，並重覆上述步驟以產生複數個校正點更包含下列步驟：控制該機器人以不同姿態產生該些校正點。
  23. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中該工具中心點之座標係包含該工具中心點相對於該機器人之一基座之座標或該工具中心點相對於該機器人之一法蘭面之座標。
  24. 如申請專利範圍第12項所述之機器人工具中心點校正方法，其中該第一影像中心軸與該第二影像中心軸係互相垂直。
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