TWI696536B - 機械手臂工具校正方法及其校正裝置 - Google Patents

Abstract

一種校正裝置，包括一框體、一第一光學感測裝置、一第二光學感測裝置以及一第三光學感測裝置。框體包括一底板、至少具有四側壁之組成，該側壁於一第一高度分別設有一第一光柵孔，一第二光柵孔、一第三光柵孔及一第四光柵孔，該底板設置有一影像辨識圖樣，以及至少具有一第一量測點、一第二量測點以及一第三量測點。

Description

機械手臂工具校正方法及其校正裝置

本發明之實施例係有關於一種機械手臂工具校正方法及其校正裝置，特別係有關於一種自動化校正之機械手臂工具校正方法。

近年來，機械手臂已經廣泛地應用在產業之中，機械手臂會在其端部裝配工具模組來進行所需的任務，例如，鑽孔工具模組或抓取工具模組或研磨工具等，同時亦會搭配視覺系統模組使用。當工具模組裝置於機械手臂的端部，機械手臂並不知道工具模組的真實位置，必須透過校正程序取得該工具模組中心點(Tool Center Point，TCP)與機械手臂的末端效應點(End-Effect Point)之間的偏移關係，以得知該工具模組在機械手臂座標系的真實座標位置，規劃出機械手臂的移動路徑。

習知之校正程序中，工具模組中心點(Tool Center Point，TCP)校正與視覺校正是分開進行，分別求出工具模組中心點(Tool Center Point，TCP)和視覺系統與機械手末端的偏移關係。特別是工具中心點校正的部分，目前大部分使用接觸式校正裝 置，其具有以下的風險；(1)校正器安裝精度低(2)量測板容易摩耗(3)復歸彈簧的老化，其均會降低工具模組中心點(Tool Center Point，TCP)校正的精度。

本發明之實施例係為了欲解決習知技術之問題而提供之一種校正裝置，包括一框體、一第一光學感測裝置、一第二光學感測裝置以及一第三光學感測裝置。框體包括一底板、至少具有四側壁之組成，該側壁於一第一高度分別設有一第一光柵孔，一第二光柵孔、一第三光柵孔及一第四光柵孔，該底板設置有一影像辨識圖樣，以及至少具有一第一量測點、一第二量測點以及一第三量測點。該第一光學感測裝置包括一第一發光單元及一第一接收單元，該第一發光單元提供一第一光線設於該框體之其中一側壁，而該第一接收單元接收該第一光線設置於相對於該第一發光單元之該框體的側壁。該第二光學感測裝置包括一第二發光單元及一第二接收單元，該第二發光單元提供一第二光線設置於該框體之其中一側壁，而該第二接收單元接收該第二光線設置於相對該第二發光單元之該框體的側壁。該第三光學感測裝置包括一第三發光單元及一第三接收單元，該第三發光單元提供一第三光線設於該框體的側壁，而該第三接收單元接收該第三光線設置在相對於該第三發光單元之該框體的側壁。

在一實施例中，該第一光柵孔、該第二光柵孔、該第三光柵孔及該第四光柵孔則呈兩兩平行相對。

在一實施例中，該校正裝置更包括一第五光柵孔及一第六光柵孔位於該側壁的一第二高度，且該第五光珊孔及該第六光柵孔呈平行相對。

在一實施例中，該第二高度係高於該第一高度。

在一實施例中，該第一發光單元之該第一光線係穿透該第一光柵孔經由該第二光柵孔，由該第一接收單元所接收。

在一實施例中，該第二發光單元之該第二光線係穿透該第三光柵孔經由該第四光柵孔，由該第二接收單元所接收。

在一實施例中，該第三發光單元之該第三光線係穿透該第五光柵孔經由該第六光柵孔，由該第三接收單元所接收。

在一實施例中，該第一光學感測裝置及該第二光學感測裝置設於該側壁的第一高度，該第三光學感測裝置設於該側壁的第二高度。

在一實施例中，該第一光線以及該第二光線位於該第一高度形成一第一平面，該第三光線位於該第二高度形成一第二平面，該第一平面平行於該第二平面，該第一平面與該影像辨識圖樣平行，該第一光線以及該第二光線形成一光線交叉點。

在另一實施例中，本發明提供一種機械手臂工具校正方法，包括下述步驟。首先，提供一機械手臂，該機械手臂包括一末端基準點、一連結座以及一影像擷取裝置。接著，提供一加工工具，該加工工具以及該影像擷取裝置被安裝於該連結座。再，提供一校正裝置，該校正裝置包括一影像辨識圖樣，其中，該校正裝置更包括一第一量測點，一第二量測點以及一第三量測點。接著，以 該影像擷取裝置擷取該影像辨識圖樣以及該第一量測點、該第二量測點以及該第三量測點之影像，並依據該影像辨識圖樣計算取得該影像擷取裝置相對該末端基準點之一第一轉移矩陣，計算出該影像擷取裝置相對該末端基準點之實際座標。再，由該影像擷取裝置擷取取得之該第一量測點，該第二量測點以及該第三量測點之影像的尺寸量測值，以及該第一量測點，該第二量測點及該第三量測點實際的尺寸量測值計算取得該第一量測點，該第二量測點以及該第三量測點相對該末端基準點之一第二轉移矩陣。

在一實施例中，該校正裝置更包括一第一光學感測裝置、一第二光學感測裝置、一第三光學感測裝置，該第一光學感測裝置包括一第一發光單元及一第一接收單元，而該第一接收單元接收該第一光線，該第二光學感測裝置包括一第二發光單元及一第二接收單元，該第二發光單元提供一第二光線，而該第二接收單元接收該第二光線，該第三光學感測裝置包括一第三發光單元及一第三接收單元，該第三發光單元提供一第三光線，而該第三接收單元接收該第三光線。

在一實施例中，該第一光線以及該第二光線位於一第一高度形成一第一平面，該第三光線位於一第二高度形成一第二平面，該第一平面分別平行於該第二平面及該影像辨識圖樣，該第一光線以及該第二光線形成一光線交叉點。

在一實施例中，該方法更包括由該第二轉移矩陣可推算出該光線交叉點相對該末端基準點之座標。

在一實施例中，該方法更包括以該機械手臂將該加工 工具置入該校正裝置內，並依據該第一光線、第二光線以及該第三光線被該加工工具遮擋的資訊，使該加工工具的一端部移動至該光線交叉點的位置，由該光線交叉點相對於該末端基準點之座標為一基準座標，計算出該加工工具的一端部相對於該末端基準點之實際座標，完成工具自動校正。

應用本發明實施例之機械手臂工具校正方法，由於測試步驟可以透過自動化的步驟完成，速度快而且可靠度高，因此可提高生產效率並降低製造成本。

在本發明之實施例中，由於框體一體成型製作，機械加工孔的基準與框體相同，透過本發明提出的三個機械加工孔產生之座標系(第二轉移矩陣)，使視覺座標系與光軸交點之物理座標系產生連結，修正視覺產生的座標系，使光軸交點的座標亦可以轉換為機械手座標系。工具模組校正時，可以透過光軸交點的位置，系統可以自動建立機械手座標系、視覺座標系和工具座標的關聯，取代習知需要操作人員將工具尖端與尖點裝置對準的步驟。

S11、S12、S13、S14、S15、S16:步驟

R:機械手臂

T:加工工具

C:校正裝置

1:框體

11:側壁

12:側壁

13:側壁

14:側壁

15:底板

2:影像辨識圖案

31:第一量測點

32:第二量測點

33:第三量測點

341:第一軸線

342:第二軸線

411:第一發光單元

412:第一接收單元

421:第二發光單元

422:第二接收單元

431:第三發光單元

432:第三接收單元

51:第一光線

52:第二光線

53:第三光線

62:第一光柵孔

62:第二光柵孔

63:第三光柵孔

64:第四光柵孔

65:第五光柵孔

66:第六光柵孔

81:連結座

811:末端基準點

82:影像擷取裝置

83:末端連桿

d1、d2、d3、d4、d5、d6:相對距離

d12、d13、d22、d23、d32、d33、dc2、dc3:距離

P1:光線交叉點

A1、A2:基準軸

第1圖係顯示本發明實施例之機械手臂工具校正方法的流程圖。

第2A圖係顯示本發明實施例之機械手臂的示意圖。

第2B、2C圖係顯示本發明實施例之機械手臂的細部結構。

第3A圖係顯示本發明實施例之校正裝置的立體圖。

第3B圖係顯示本發明實施例之校正裝置的俯視圖。

第3C圖係顯示本發明實施例之校正裝置的***圖。

第4圖係顯示本發明一實施例之影像辨識圖樣。

第5圖係顯示本發明一實施例之相對尺寸量測值。

第6圖係顯示本發明另一實施例之相對尺寸量測值。

參照第1圖，其係顯示本發明實施例之機械手臂工具校正方法的流程圖。本發明之實施例之機械手臂工具校正方法，包括下述步驟。首先，提供一機械手臂，該機械手臂包括一末端基準點、一連結座以及一影像擷取裝置(S11)。接著，提供一加工工具，該加工工具以及該影像擷取裝置被安裝於該連結座(S12)。再，提供一校正裝置，該校正裝置包括一影像辨識圖樣，其中，該校正裝置更包括一第一量測點，一第二量測點以及一第三量測點(S13)。接著，以該影像擷取裝置擷取該影像辨識圖樣以及該第一量測點、該第二量測點以及該第三量測點之影像，並依據該影像辨識圖樣計算取得該影像擷取裝置相對該末端基準點之一第一轉移矩陣，計算出該影像擷取裝置相對該末端基準點之實際座標(d1,d4,d6)(S14)。再，由該影像擷取裝置擷取取得之該第一量測點，該第二量測點以及該第三量測點之影像的尺寸量測值，以及該第一量測點，該第二量測點及該第三量測點實際的尺寸量測值計算取得該第一量測點，該第二量測點以及該第三量測點相對該末端基準點之一第二轉移矩陣(S15)。接著，該校正裝置的一第一光線以及一第二光線形成一光線 交叉點，由該第二轉移矩陣可推算出該光線交叉點相對該末端基準點之座標(S16)。最後，以該機械手臂將該加工工具置入該校正裝置內，並依據該第一光線、第二光線以及該第三光線被該加工工具遮擋的資訊，使該加工工具的一端部移動至該光線交叉點的位置，由該光線交叉點相對於該末端基準點之座標為一基準座標，計算出該加工工具的一端部相對於該末端基準點之實際座標(d2,d3,d5)，完成工具自動校正(S17)。

第2A、2B以及2C圖係顯示本發明實施例之機械手臂的示意圖。第3A圖係顯示本發明實施例之校正裝置C的立體圖。搭配參照第1、2A、2B以及2C、3A圖，該機械手臂R包括一連結座81以及一影像擷取裝置82，該連結座81包括一末端基準點811。該末端基準點811可以為該機械手臂R之手臂腕部上的適當位置，上述揭露並未限制本發明。

依據該第一轉移矩陣，可以計算取得該影像擷取裝置82之鏡頭與末端基準點811之間的相對距離d1、該影像擷取裝置82之基準軸A1與該末端基準點811之間的相對距離d4以及該影像擷取裝置82之基準軸A1與該末端基準點811之間的相對距離d6。

由該光線交叉點相對於該末端基準點之座標為一基準座標，可計算出該加工工具的一端部相對於該末端基準點之實際座標，包括該加工工具T之工具基準軸A2與該末端基準點811之間的相對距離d2、該加工工具的該端部與該末端基準點811之間的相對距離d3以及該影像擷取裝置82之基準軸A1與該加工工具T之工具基準軸A2之間的相對距離d5。

搭配參照第2A、2B以及2C、3A圖，該加工工具T以及該影像擷取裝置82被安裝於該連結座81，該加工工具T可以為刀具、烙鐵頭或其他加工工具。

參照第4圖，其係顯示本發明一實施例之影像辨識圖樣2，該影像辨識圖樣2包括點、線以及方向指標等等特徵。該影像辨識圖樣2可以適度變化，上述揭露並未限制本發明。

第3B圖係顯示本發明實施例之校正裝置C的俯視圖。參照圖第3B、4圖，該校正裝置C包括該第一量測點31、該第二量測點32以及該第三量測點33，該第一量測點31以及該第二量測點32沿該第一軸線341設置，該第二量測點32以及該第三量測點33沿該第二軸線342設置，該第二軸線342垂直於該第一軸線341。

第3C圖係顯示本發明實施例之校正裝置C的***圖。搭配參照第3C圖，在一實施例中，該校正裝置更包括一第一光學感測裝置、一第二光學感測裝置以及一第三光學感測裝置。第一光學感測裝置包括一第一發光單元411以及一第一接收單元412。第二光學感測裝置包括一第二發光單元421以及一第二接收單元422。第三光學感測裝置包括一第三發光單元431以及一第三接收單元432。該第一發光單元411提供一第一光線51，該第二發光單元421提供一第二光線52，該第三發光單元431提供一第三光線53，該第一光線51適於被該第一接收單元412所接收，該第二光線52適於被該第二接收單元422所接收，該第三光線53適於被該第三接收單元432所接收。

在本發明之實施例中，由於框體一體成型製作，機械 加工孔的基準與框體相同，透過本發明提出的三個機械加工孔產生之座標系(第二轉移矩陣)，使視覺座標系與光軸交點之物理座標系產生連結，修正視覺產生的座標系，使光軸交點的座標亦可以轉換為機械手座標系。工具模組校正時，可以透過光軸交點的位置，系統可以自動建立機械手座標系、視覺座標系和工具座標的關聯，取代習知需要操作人員將工具尖端與尖點裝置對準的步驟。

在本發明之實施例中，可以準確的定義該校正裝置之該第一光線51、該第二光線52以及該第三光線53與該末端基準點間的位置關係。在一實施例中，由於影像辨識圖樣2係以二次加工，例如印刷的方式形成於該框體1，因此因為加工誤差的原因，第一座標與該第二座標系之間存在偏差，需要該第二轉移矩陣進行補償。

該相對尺寸量測值係透過預先量測該第一量測點31、該第二量測點32以及該第三量測點33相對該第一光線51、該第二光線52以及該第三光線53之間的位置關係而獲得。在一實施例中，該相對尺寸量測值可以透過三次元量測設備獲得。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，該校正裝置C包括一框體1以及一影像辨識圖樣2。該框體1包括一底板15、一側壁11、一側壁12、一側壁13以及一側壁14。該側壁11垂直於該側壁12，該側壁11面向並平行於該側壁13，該側壁12面向並平行於該側壁14。該側壁11、該側壁12、該側壁13以及該側壁14環設於該底板15之邊緣。該影像辨識圖樣2設於該底板15。該底板15具有該第一量測點31、該第二量測點32以及該第三量測點33，該第一量測點31以及該第二量測點32沿該第一軸線341設置，該第二量測 點32以及該第三量測點33沿該第二軸線342設置，該第二軸線342垂直於該第一軸線341。

在一實施例中，該第一量測點31、該第二量測點32以及該第三量測點33可以為盲孔，其以預加工的方式形成於該底板15。該第一量測點31、該第二量測點32以及該第三量測點33亦可以為貫孔、凸點或其他特徵。

參照第5圖，在一實施例中，該相對尺寸量測值包括該第一量測點31與該側壁12之間的距離d12以及第一量測點31與該側壁13之間的距離d13、第二量測點32與該側壁12之間的距離d22以及第二量測點32與該側壁13之間的距離d23、第三量測點33與該側壁12之間的距離d32以及第三量測點33與該側壁13之間的距離d33、底板15中心與該側壁12之間的距離dc2以及底板15中心與該側壁13之間的距離dc3等等數值。在上述實施例中，以側壁當量測基準僅是實施例，任意基準皆可做為量測基準，只要能求出第一量測點31、第二量測點32與第三量測點33之間的相互尺寸即可以求出轉移矩陣。

參照第6圖，在另一實施例中，第一量測點31、第二量測點32與第三量測點33的位置亦可以適度變化，只要能求出第一量測點31、第二量測點32與第三量測點33之間的相互尺寸即可以求出轉移矩陣。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，該校正裝置更包括該第一發光單元411、該第二發光單元421、該第三發光單元431、該第一接收單元412、該第二接收單元422以及該第三 接收單元432，該第一發光單元411提供該第一光線51，該第二發光單元421提供該第二光線52，該第三發光單元431提供該第三光線53，該第一光線51適於被該第一接收單元412所接收，該第二光線52適於被該第二接收單元422所接收，該第三光線53適於被該第三接收單元432所接收，該第一光線51以及該第二光線52位於一第一平面之上，該第三光線53位於一第二平面之上，該第一平面平行於該第二平面，該第一平面不同於該第二平面，該第一平面與該影像辨識圖樣平行該第一光線51以及該第二光線52於一光線交叉點P1(第3A圖)交叉。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，該光線交叉點P1與該第一量測點31之該第一圓心位於一直線之上，該直線垂直於該底板15。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，該第一光線經過該第二量測點之一第二圓心的上方。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，該第一發光單元411設於該側壁11，該第二發光單元421設於該側壁12，該第一接收單元412設於該側壁13，該第二接收單元422設於該側壁14。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，該第三發光單元431設於該側壁11，該第一發光單元411在一Z方向上位於該第三發光單元431與該底板15之間。

搭配參照第3A、3B以及3C圖，在一實施例中，在一實施例中，該等側壁於一第一高度分別設有一第一光柵孔61，一第 二光柵孔62、一第三光柵孔63及一第四光柵孔64。該第一光柵孔61、該第二光柵孔62、該第三光柵孔63及該第四光柵孔64則呈兩兩平行相對。在一實施例中，一第五光柵孔65及一第六光柵孔66位於該側壁的一第二高度，且該第五光珊孔65及該第六光柵孔66呈平行相對。該第二高度係高於該第一高度。該第一發光單元411之該第一光線51係穿透該第一光柵孔61經由該第二光柵孔62，由該第一接收單元412所接收。該第二發光單元421之該第二光線52係穿透該第三光柵孔63經由該第四光柵孔64，由該第二接收單元422所接收。該第三發光單元431之該第三光線53係穿透該第五光柵孔65經由該第六光柵孔66，由該第三接收單元432所接收。

在上述實施例中，該第一光線51以及該第二光線52位於該第一高度形成一第一平面，該第三光線53位於該第二高度形成一第二平面，該第一平面平行於該第二平面，該第一平面與該影像辨識圖樣平行，該第一光線51以及該第二光線52形成一光線交叉點P1。

在上述實施例中，各光柵孔為微小而準直的開孔，可準直該第一光線51、該第二光線52以及該第三光線53。

在一實施例中，該等側壁可以彼此垂直。然而，上述揭露並未限制本發明。在另一實施例中，該等側壁亦可以為連續側壁，例如圓形側壁。

雖然本發明已以具體之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，仍可作些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視 後附之申請專利範圍所界定者為準。

S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17:步驟

Claims (14)

1. 一種校正裝置，包括：一框體，包括一底板、至少具有四側壁之組成，該側壁於一第一高度分別設有一第一光柵孔，一第二光柵孔、一第三光柵孔及一第四光柵孔，該底板設置有一影像辨識圖樣，以及至少具有一第一量測點、一第二量測點以及一第三量測點；一第一光學感測裝置，該第一光學感測裝置包括一第一發光單元及一第一接收單元，該第一發光單元提供一第一光線設於該框體之其中一側壁，而該第一接收單元接收該第一光線設置於相對於該第一發光單元之該框體的側壁；一第二光學感測裝置，該第二光學感測裝置包括一第二發光單元及一第二接收單元，該第二發光單元提供一第二光線設置於該框體之其中一側壁，而該第二接收單元接收該第二光線設置於相對該第二發光單元之該框體的側壁；一第三光學感測裝置，該第三光學感測裝置包括一第三發光單元及一第三接收單元，該第三發光單元提供一第三光線設於該框體的側壁，而該第三接收單元接收該第三光線設置在相對於該第三發光單元之該框體的側壁。
2. 如申請專利範圍第1項所述之校正裝置，其中該第一光柵孔、該第二光柵孔、該第三光柵孔及該第四光柵孔則呈兩兩平行相對。
3. 如申請專利範圍第1項所述之校正裝置，更包括一第五光柵孔及一第六光柵孔位於該側壁的一第二高度，且該第五光珊孔及該第六光柵孔呈平行相對。
4. 如申請專利範圍第3項所述之校正裝置，其中該第二高度係高於該第一高度。
5. 如申請專利範圍第2項所述之校正裝置，其中該第一發光單元之該第一光線係穿透該第一光柵孔經由該第二光柵孔，由該第一接收單元所接收。
6. 如申請專利範圍第2項所述之校正裝置，其中該第二發光單元之該第二光線係穿透該第三光柵孔經由該第四光柵孔，由該第二接收單元所接收。
7. 如申請專利範圍第3項所述之校正裝置，其中該第三發光單元之該第三光線係穿透該第五光柵孔經由該第六光柵孔，由該第三接收單元所接收。
8. 如申請專利範圍第4項所述之校正裝置，其中該第一光學感測裝置及該第二光學感測裝置設於該側壁的第一高度，該第三光學感測裝置設於該側壁的第二高度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之校正裝置，其中，該第一光線以及該第二光線位於該第一高度形成一第一平面，該第三光線位於該第二高度形成一第二平面，該第一平面平行於該第二平面，該第一平面與該影像辨識圖樣平行，該第一光線以及該第二光線形成一光線交叉點。
10. 一種機械手臂工具校正方法，包括： 提供一機械手臂，該機械手臂包括一末端基準點、一連結座以及一影像擷取裝置；提供一加工工具，該加工工具以及該影像擷取裝置被安裝於該連結座；提供一校正裝置，該校正裝置包括一影像辨識圖樣，其中，該校正裝置更包括一第一量測點，一第二量測點以及一第三量測點；以該影像擷取裝置擷取該影像辨識圖樣以及該第一量測點、該第二量測點以及該第三量測點之影像，並依據該影像辨識圖樣計算取得該影像擷取裝置相對該末端基準點之一第一轉移矩陣，計算出該影像擷取裝置相對該末端基準點之實際座標；以及由該影像擷取裝置擷取取得之該第一量測點，該第二量測點以及該第三量測點之影像的尺寸量測值，以及該第一量測點，該第二量測點及該第三量測點實際的尺寸量測值計算取得該第一量測點，該第二量測點以及該第三量測點相對該末端基準點之一第二轉移矩陣。
11. 如申請專利範圍第10項所述之機械手臂工具校正方法，其中，該校正裝置更包括一第一光學感測裝置、一第二光學感測裝置、一第三光學感測裝置，該第一光學感測裝置包括一第一發光單元及一第一接收單元，而該第一接收單元接收該第一光線，該第二光學感測裝置包括一第二發光單元及一第二接收單元，該第二發光單元提供一第二光線，而該第二接收單元接收該第二光線，該第三光學感測裝置包括一第三發光單元及一第三接收單元，該第三發光單元提供一第三光線，而該第三接收單元接收該第三光線。
12. 如申請專利範圍第11項所述之機械手臂工具校正方法，其中，該第一光線以及該第二光線位於一第一高度形成一第一平面，該第三光線位於一第二高度形成一第二平面，該第一平面分別平行於該第二平面及該影像辨識圖樣，該第一光線以及該第二光線形成一光線交叉點。
13. 如申請專利範圍第12項所述之機械手臂工具校正方法，其更包括由該第二轉移矩陣可推算出該光線交叉點相對該末端基準點之座標。
14. 如申請專利範圍第13項所述之機械手臂工具校正方法，其更包括以該機械手臂將該加工工具置入該校正裝置內，並依據該第一光線、第二光線以及該第三光線被該加工工具遮擋的資訊，使該加工工具的一端部移動至該光線交叉點的位置，由該光線交叉點相對於該末端基準點之座標為一基準座標，計算出該加工工具的一端部相對於該末端基準點之實際座標，完成工具自動校正。

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