TWI710441B

TWI710441B - 機器手臂的座標校正方法

Info

Publication number: TWI710441B
Application number: TW109119659A
Authority: TW
Inventors: 邵啓煥; 張啓舜
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2020-11-21
Also published as: TW202146187A

Abstract

本案提供一種機器手臂的座標校正方法，包含步驟：(a) 在機器手臂於工作空間中運作時，依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的參考定位點；(b) 依據參考定位點取得參考座標系；(c) 機器手臂離開工作空間，而在機器手臂回到工作空間中運作時，依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的實際定位點；(d) 依據實際定位點取得實際座標系，並依據參考座標系及實際座標系計算取得座標補正資訊；以及 (e) 依據座標補正資訊調整機器手臂，使機器手臂維持運作於參考座標系。

Description

機器手臂的座標校正方法

本案係關於一種座標校正方法，尤指一種機器手臂的座標校正方法。

如今，機器人在各個產業上的應用愈加廣泛。機器人在運作過程中可能受載台移動而往返於不同的場域或工作站，而非固定運作於特定之工作站。於此情況下，若機器人移動至任一工作站時，均需重新建立座標系並進行教點，以確保工作精度。然而，重複建立座標系及教點將耗費大量時間，導致工作效率降低，且難以確保每次確立之座標系均完全相同，可能使得機器手臂之工作精度下降。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之機器手臂的座標校正方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種機器手臂的座標校正方法，其係通過三維測量裝置建立工作空間之參考座標系，在機器手臂暫離後回到該工作空間時，通過三維測量裝置獲取實際座標系，並依據參考座標系與實際座標系間之差異對機器手臂進行調整，使機器手臂仍維持運作於參考座標系中。藉此，無需重複建立座標系及進行教點，可提升工作效率，且由於機器手臂始終運作於參考座標系中，故可有效確保機器手臂的高精度。

為達上述目的，本案提供一種機器手臂的座標校正方法，其中機器手臂設置於可動載台上及運作於至少一工作空間中，工作空間中設置有三維測量裝置，三維測量裝置係架構於測量機器手臂的位置。座標校正方法包含步驟：(a) 在機器手臂受可動載台移動而至工作空間中運作時，依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的至少三個參考定位點；(b) 依據至少三個參考定位點計算取得旋轉矩陣及平移向量，並依據旋轉矩陣及平移向量計算取得相應之參考座標系；(c) 機器手臂受可動載台移動而離開工作空間，而在機器手臂回到工作空間中運作時，依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的至少三個實際定位點；(d) 依據至少三個實際定位點計算取得旋轉矩陣及平移向量，進而計算取得相應之實際座標系，再通過比較參考座標系及實際座標系的旋轉矩陣及平移向量，計算取得座標補正資訊；以及 (e) 依據座標補正資訊調整機器手臂，使機器手臂維持運作於參考座標系。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

為了更易於了解本案技術，以下將以第1圖及第2圖示例說明機器手臂、可動載台及三維測量裝置與其所在的工作空間的具體態樣，然而須注意的是，工作空間及三維測量裝置的可能實施態樣並不以此為限，僅需確保三維測量裝置之設置位置維持固定，且可在工作空間中量測機器手臂之位置/座標即可

第1圖為本案較佳實施例之機器手臂、工作空間及三維測量裝置的立體結構示意圖，第2圖為第1圖之三維測量裝置的立體結構示意圖。如第1圖及第2圖所示，其中係以工作平台2代表三維測量裝置3所在的工作空間，三維測量裝置3固設於工作平台2上，機器手臂1設置於可動載台5上，且機器手臂1受可動載台5帶動而與之同步移動。當然，於實際應用中，工作平台2上亦將設置機器手臂1在運作過程中相互動的元件或裝置，此處為便於說明建立座標過程而僅於圖中示出工作平台2上之三維測量裝置3。機器手臂1可為例如但不限於六軸型機器手臂或SCARA機器手臂。三維測量裝置3係架構於測量機器手臂1的位置/座標，且包含球形體31、基座32及三個測量模組33。球形體31可拆卸地組接於機器手臂1，且受機器手臂1帶動而同步移動或轉動。三個測量模組33均設置於基座32上，其中每一測量模組33包含測量結構34及位置感測器。三個測量模組33的三個測量結構34分別於X軸、Y軸及Z軸方向上移動，且均與球形體31接觸。位置感測器係架構於在對應之測量結構34被球形體31推動時感測測量結構34的移動距離，其中位置感測器可為例如但不限於由光學尺所構成。

請參閱第3圖，第3圖係為本案較佳實施例之機器手臂的座標校正方法的流程示意圖。首先，在機器手臂1受可動載台5移動至工作空間(例如：工作平台2)中運作時，依據移動命令控制機器手臂1進行移動，並利用三維測量裝置3取得機器手臂1所到達的至少三個參考定位點 (步驟S1)。移動命令可例如但不限於包含控制機器手臂1以不同的操作動作進行至少三次移動。接著，依據該至少三個參考定位點建立參考座標系(步驟S2)。接著，機器手臂1受可動載台5移動而離開工作空間，而在機器手臂1回到工作空間中運作時，依據移動命令控制機器手臂1進行移動，並利用三維測量裝置3取得機器手臂1所到達的至少三個實際定位點 (步驟S3)，其中實際定位點的數量與參考定位點的數量相同。而後，依據至少三個實際定位點取得實際座標系，並依據參考座標系及實際座標系計算取得座標補正資訊 (步驟S4)。最後，依據座標補正資訊調整機器手臂1，使機器手臂1維持運作於參考座標系 (步驟S5)。

由此可知，在機器手臂1初次移動至工作空間時，係建立參考座標系。在建立參考座標系後，即便機器手臂1移動至其他工作空間或場域，在機器手臂1回到已建立參考座標系之工作空間時，可通過比較參考座標系及實際座標系迅速調整機器手臂1，而使機器手臂1仍可運作於原先建立之參考座標系中，無需重新建立座標系及進行教點，藉此，可大幅機器手臂1之工作效率及精度。

請再參閱第1至3圖所示，上述三個測量結構34係分別沿對應各個軸向(X軸、Y軸及Z軸)的可移動距離共同定義測量空間，於座標校正方法之步驟S1及步驟S3中，球形體31受機器手臂1帶動而於測量空間中移動，三個位置感測器的感測結果反映球形體31的三維座標。於一些實施例中，座標校正方法之步驟S1至步驟S3中的參考定位點及實際定位點為三維測量裝置3所測量的球形體31之球心的三維座標。

上述球形體31可拆卸地組接於機器手臂1，因此機器手臂1可僅在有建立或校正座標系之需求時組接於球形體31，以便於執行第3圖所示之座標校正方法。更甚者，機器手臂1可僅在需量測定位點時組接於球形體31，具體而言，機器手臂1可僅於座標校正方法之步驟S1至步驟S3中組接於球形體31。

於一些實施例中，機器手臂1組接於工具4，工具4係受機器手臂1帶動而運作於工作平台2上，其中，當機器手臂1組接於工具4的情況下，機器手臂1亦可同時組接於三維測量裝置3的球形體31。藉此，當機器手臂1進行座標系校正時，無需在校正前拆除工具4，故在校正完成後，無需重新安裝工具4並進行相應調校，從而可節省校正工序及耗費時間，間接提升機器手臂1的工作效率

以下將示例說明如何取得座標系及座標補正資訊。

當機器手臂1依據移動命令進行移動時，可利用三維測量裝置3測量取得三個參考定位點的三維座標，通過等式 (1)、(2) 及 (3)，可依據三個參考定位點P ₀、P _x及P _y取得X軸、Y軸及Z軸之單位向量

、

及

，據此，機器手臂1之旋轉矩陣R如等式 (4) 所示。

(1)

(2)

(3)

(4) 而後可根據旋轉矩陣R計算取得平移向量

，如等式 (5) 所示，

(5) 其中P _x0、P _y0及P _z0為機器手臂1之檔點位置。藉此，可依據旋轉矩陣及平移向量建立參考座標系。於一些實施例中，機器手臂1自參考定位點P ₀沿X軸移動以獲取參考定位點P _x，機器手臂1自參考定位點P ₀沿Y軸移動以獲取參考定位點P _y。

而若機器手臂1移動至其他工作空間或場域，在機器手臂1回到已建立參考座標系之工作空間時，係控制機器手臂1依據移動命令移動，並利用三維測量裝置3測量取得三個實際定位點的三維座標。參照前述之等式(1)至(5)，可計算取得當下機器手臂1之旋轉矩陣

及平移向量

。通過等式 (6) 及 (7)，可計算取得旋轉矩陣變化量

及平移向量變化量

。

(6)

(7)

將旋轉矩陣變化量及平移向量變化量作為座標補正資訊，並據此對機器手臂1進行調整，即可使機器手臂1運作於原先建立之參考座標系中，而無需令機器手臂1運作於實際座標系中並重新進行教點。

綜上所述，本案提供一種機器手臂的座標校正方法，其係通過三維測量裝置建立工作空間之參考座標系，在機器手臂暫離後回到該工作空間時，通過三維測量裝置獲取實際座標系，並依據參考座標系與實際座標系間之差異對機器手臂進行調整，使機器手臂仍維持運作於參考座標系中。藉此，無需重複建立座標系及進行教點，可提升工作效率，且由於機器手臂始終運作於參考座標系中，故可有效確保機器手臂的高精度。另外，在機器手臂組接於工具的情況下，機器手臂亦可同時組接於三維測量裝置的球形體。藉此，當機器手臂進行校正時，無需在校正前拆除工具，故在校正完成後，無需重新安裝工具對進行相應調校，從而可節省校正工序及耗費時間，間接提升機器手臂的工作效率。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1:機器手臂 2:工作平台 3:三維測量裝置 31:球形體 32:基座 33:測量模組 34:測量結構 4:工具 5:可動載台 S1、S2、S3、S4、S5:座標校正方法的步驟

第1圖為本案較佳實施例之機器手臂、工作空間及三維測量裝置的立體結構示意圖。

第2圖為第1圖之三維測量裝置的立體結構示意圖。

第3圖係為本案較佳實施例之機器手臂的座標校正方法的流程示意圖。

S1、S2、S3、S4、S5:座標校正方法的步驟

Claims

一種機器手臂的座標校正方法，其中該機器手臂設置於一可動載台上及運作於至少一工作空間中，該工作空間中設置有一三維測量裝置，該三維測量裝置係架構於測量該機器手臂的位置，該座標校正方法包含步驟： (a) 在該機器手臂受該可動載台移動而至該工作空間中運作時，依據一移動命令控制該機器手臂進行移動，並利用該三維測量裝置取得該機器手臂所到達的至少三個參考定位點； (b) 依據該至少三個參考定位點計算取得一旋轉矩陣及一平移向量，並依據該旋轉矩陣及該平移向量計算取得相應之一參考座標系； (c) 該機器手臂受該可動載台移動而離開該工作空間，而在該機器手臂回到該工作空間中運作時，依據該移動命令控制該機器手臂進行移動，並利用該三維測量裝置取得該機器手臂所到達的至少三個實際定位點； (d) 依據該至少三個實際定位點計算取得一旋轉矩陣及一平移向量，進而計算取得相應之一實際座標系，再通過比較該參考座標系及該實際座標系的該旋轉矩陣及該平移向量，計算取得一座標補正資訊；以及 (e) 依據該座標補正資訊調整該機器手臂，使該機器手臂維持運作於該參考座標系。
如請求項1所述之座標校正方法，其中該移動命令包含控制該機器手臂以不同的操作動作進行至少三次移動。
如請求項1所述之座標校正方法，其中該機器手臂之該旋轉矩陣的等式如下：
；
；
；
；其中，P ₀、P _x及P _y代表三個該定位點，
、
及
分別代表X軸、Y軸及Z軸之單位向量， R代表該機器手臂之該旋轉矩陣。
如請求項3所述之座標校正方法，其中該機器手臂之該平移向量的等式如下：
；其中P _x0、P _y0及P _z0代表該機器手臂之檔點位置，
代表該機器手臂之該平移向量。
如請求項4所述之座標校正方法，其中係通過比較該參考座標系及該實際座標系的該旋轉矩陣及該平移向量而計算取得一旋轉矩陣變化量及一平移向量變化量，該座標補正資訊包含該旋轉矩陣變化量及該平移向量變化量，該旋轉矩陣變化量及該平移向量變化量的等式分別如下：
；
；其中 R及
分別代表該參考座標系的該旋轉矩陣及該平移向量，
及
分別代表該實際座標系的該旋轉矩陣及該平移向量，
代表該旋轉矩陣變化量，
代表該平移向量變化量。
如請求項1所述之座標校正方法，其中該三維測量裝置包含：一球形體，可拆卸地組接於該機器手臂，且受該機器手臂帶動而同步移動或轉動；一基座；以及三個測量模組，設置於該基座上，其中每一該測量裝置包含一測量結構及一位置感測器，該三個測量模組的三個該測量結構分別於X軸、Y軸及Z軸方向上移動，且均與該球形體接觸，該位置感測器係架構於在對應之該測量結構被該球形體推動時，測量該測量結構的移動距離，其中三個該測量結構分別沿對應各個軸向的可移動距離共同定義一測量空間，於該步驟 (a) 及該步驟 (c) 中，該球形體受該機器手臂帶動而於該測量空間中移動，三個該位置感測器的感測結果反映該球形體的三維座標。
如請求項6所述之座標校正方法，其中該機器手臂組接於一工具，該工具受該機器手臂帶動而進行運作，且該機器手臂在組接於該工具時可拆卸地組接於該三維測量裝置的該球形體。
如請求項6所述之座標校正方法，其中該機器手臂僅於該步驟 (a) 至該步驟 (c) 中組接於該三維測量裝置的該球形體。
如請求項6所述之座標校正方法，其中於該步驟 (a) 至該步驟 (c) 中，該至少三個參考定位點及該至少三個實際定位點為該三維測量裝置所測量的該球形體之球心的三維座標。
如請求項1所述之座標校正方法，其中該機器手臂為六軸型機器手臂或SCARA型機器手臂。