TWI762371B - 機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法與系統 - Google Patents

機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法與系統 Download PDF

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TWI762371B
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Abstract

一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法與系統，系統包含圓球、距離感測模組、輪廓感測器與控制模組，圓球設置於機械手臂之法蘭面；距離感測模組包括至少三個距離感測器，距離感測器之軸線共感測平面且相交於一交點；輪廓感測器用於感測圓球之二維剖面輪廓；控制模組與距離感測模組、輪廓感測器及機械手臂連接；控制模組控制機械手臂，使圓球移動以取得校正點資訊。

Description

機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法與系統
本案係有關於一種機械手臂校正方法，特別是一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法。本案還涉及此機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統。
隨著自動化生產的發展，機械手臂在工業領域應用愈趨廣泛，大大提升了工業生產的效率與品質。在利用機械手臂執行自動化的技術領域中，一般是將工具直接安裝於機械手臂，並利用人工教導的方式產生機械手臂動作以達成自動化應用。但隨著機械手臂應用多元化、自主決策技術的發展，愈來愈多應用根據感測器擷取之資訊進行線上判別並產生動作，因此動作的準確性受到感測器座標系、工件位置座標系與機械手臂相對關係之準確度影響，因此座標系轉換關係之準確度成為機械手臂實現精確操作的重要指標。
以機械手臂執行自主決策之自動化應用，首先需要確認感測器位置、工件位置、刀具位置與機械手臂座標系之相對關係，但由於定位精度或製造公差等原因皆會使座標系位置產生誤差，因此機械手臂執行動作前，需先將各座標系的相對位置進行校正才可得到準確之座標值。
傳統的校正方法需利用人工或感測器辨識實體特徵點，再控制機械手臂使工具之工具中心點(Tool Center Point，TCP)與座標系的數個指定點重合，並記錄座標值以完成座標系位置之校正。
然而以機械手臂搭配感測器執行動作決策，需先將感測器固定後才可開始進行感測，但對於每一個感測器尺寸而言皆包含公差且難以準確定位，須派人對每一個感測器位置重新進行校正，但校正過程往往會造成時間與人力上的消耗。
對於座標系不存在實體特徵點時(如感測器座標系之校正)，雖然目前已有自動校正方法可供使用，但現有方法須利用治具作為媒介，並搭配CAD模型以完成座標系校正，因此治具外型尺寸的正確性將影響校正結果；除此之外，此方法須將感測器或治具安裝於機械手臂，利用機械手臂使治具與感測器產生相對運動進而取得完整點雲資訊，因此受到機械手臂移動精度影響，且此方法以數值逼近之方法計算出最接近解，亦可能造成數值發散而無法取得校正結果，因此校正精度難以提升。
據此，如何發展出一種「機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法與系統」，其座標系不須存在實體特徵點，不需要利用治具作為校正媒介，不須CAD模型輔助，不須事先校正裝置於空間中的座標，以一次的操作程序即可完成座標系位置之校正，解決現有方法需座標系須具備實體特徵點、或以治具作為媒介所造成之校正精度不佳問題，以提升校正精度，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本案提出一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，包含以下步驟： (a)將一已知半徑之圓球設置於機械手臂之法蘭面，備置一距離感測模組與一輪廓感測器，距離感測模組包括至少三個距離感測器，距離感測器之軸線共感測平面且相交於一交點；圓球、機械手臂、法蘭面、距離感測模組與輪廓感測器分別具有一圓球座標系、一機械手臂座標系、一法蘭面座標系、一距離感測模組座標系、一輪廓感測器座標系； (b) 控制機械手臂移動，使圓球分別沿著機械手臂座標系的三軸向移動，以建立機械手臂座標系與距離感測模組座標系之轉換關係； (c) 利用距離感測模組的距離感測資訊，控制機械手臂以不同姿態使圓球之球心移動到交點，使距離感測模組座標系原點與圓球之球心重合，並記錄機械手臂各軸關節角度為工具中心點校正點資訊； (d) 計算圓球之球心相對法蘭面座標系之位置以作為工具中心點之座標； (e) 控制機械手臂到達不同位置，使輪廓感測器可擷取圓球資訊，並由輪廓感測器取得圓球的剖面輪廓資訊，並利用圓擬合方法搭配畢氏定理計算出圓心位置，以作為輪廓感測器座標系相對關係校正點資訊資訊；以及 (f) 計算輪廓感測器座標系與機械手臂座標系之相對關係，將計算所得的座標值輸入至控制模組，完成校正。
於一實施例中，本案提出一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統，其包含： 一圓球，設置於機械手臂之法蘭面； 一距離感測模組，其包括至少三個距離感測器，距離感測器之軸線共感測平面且相交於一交點； 一輪廓感測器，用於感測圓球之二維剖面輪廓；以及 一控制模組，與距離感測模組、輪廓感測器及機械手臂電性連接；控制模組控制機械手臂使圓球移動以取得校正點資訊。
請參閱圖1及圖2所示，本案所提供之一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統100，其包含一圓球10、一距離感測模組20、一輪廓感測器30及一控制模組40。
圓球10設置於機械手臂200之法蘭面(Robot flange)202。圓球10的材質不限，例如，不鏽鋼等具有剛性之金屬材質，但不限於此。
距離感測模組20包括三個距離感測器21~23。
輪廓感測器30用於感測圓球10之二維剖面輪廓，輪廓感測器30可為二維輪廓感測器或三維輪廓感測器。
圖1顯示機械手臂200、距離感測模組20及輪廓感測器30與控制模組40連接，圖2省略顯示控制模組40。藉由控制模組40控制機械手臂20、距離感測模組20及輪廓感測器30作動，以及校正過程中的計算分析。通常，控制模組40為具有運算能力之電腦，但不限於此。
機械手臂200在實際應用時利用於法蘭面202安裝工具來完成各式操作。本案利用距離感測模組20及安裝於機械手臂200法蘭面202之已知半徑圓球10配合實現，進行機械手臂200與輪廓感測器30相對位置之校正。
請參閱圖1及圖2所示，本案利用距離感測器21~23之距離感測資訊搭配畢氏定理與圓方程式完成工具中心點校正，最後再利用工具中心點校正結果搭配圓擬合方程式計算出輪廓感測器30與機械手臂座標系之相對關係。
定義已知圓球10之半徑為
Figure 02_image001
、機械手臂200具有機械手臂座標系
Figure 02_image003
、法蘭面202具有法蘭面座標系
Figure 02_image005
、輪廓感測器30具有輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
、圓球10具有圓球座標系
Figure 02_image009
、距離感測模組20具有距離感測模組座標系
Figure 02_image011
。
其中，距離感測器21~23之軸線分別為
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
，三軸線
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
須共感測平面H 20並交於一交點O 20，且已知三軸線
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
之角度關係，三軸線
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
之夾角 θ 1 、 θ 2 、 θ 3可為120度等角分布，或夾角 θ 1 、 θ 2 、 θ 3為不等角分布。並以交點
Figure 02_image019
作為距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之原點，如圖2所示。
請參閱圖3至圖6所示，將機械手臂200上已知半徑
Figure 02_image001
之圓球10之球心
Figure 02_image021
，沿著機械手臂座標系
Figure 02_image003
的方向移動即可計算出機械手臂座標系
Figure 02_image003
與距離感測模組座標系
Figure 02_image011
轉換關係，如圖3所示。具體方法如下步驟(a1)~(f1)。
步驟(a1)：控制機械手臂200移動，使安裝於機械手臂200法蘭面202之圓球10分別沿著機械手臂座標系
Figure 02_image003
的三個軸向移動至距離感測模組20內，使三個距離感測器21~23可同時讀取距離感測器21~23與圓球10之距離資訊，且移動起始位置之距離感測模組20構成之感測平面H 20不與圓球10最大半徑
Figure 02_image001
之剖面位置H 10共平面，並記錄此座標相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之座標為起始點O，如圖4A、圖4B所示。於圖4A、圖4B中省略顯示控制模組40。
步驟(b1)：利用距離感測器21~23所感測之距離資訊計算出圓球10於感測平面H 20上三點相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image011
圓的座標A 0、B 0、C 0，並計算出剖面圓心Os的位置作為起始點，如圖5、圖6所示，具體方法如下步驟(a11)~(d11)。
步驟(a11)：利用距離感測器21~23計算出A 0
Figure 02_image023
、
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
，其中，
Figure 02_image029
為軸線
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
之與圓球10交點相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image031
之距離，
Figure 02_image033
為軸線
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
之與距離感測模組座標系
Figure 02_image035
之夾角。
步驟(b11)：將圓座標
Figure 02_image037
、圓座標
Figure 02_image039
兩點與圓座標
Figure 02_image039
、圓座標
Figure 02_image041
兩點分別構成直線L 1、L 2並計算出中垂線V 1、V 2，如圖5所示，再以此兩條中垂線V 1、V 2計算出剖面圓心Os相對於相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image011
的座標
Figure 02_image043
。
步驟(c11)：以座標
Figure 02_image043
計算剖面圓C S的半徑
Figure 02_image045
。
步驟(d11)：以畢氏定理計算出球心
Figure 02_image021
位置相對於剖面圓C S之高度
Figure 02_image047
。若球心
Figure 02_image021
位於剖面圓C S下方，則
Figure 02_image049
，反之
Figure 02_image051
。如圖6所示。
其中，球心
Figure 02_image021
位置可由初始狀態判別，如初始狀態球心
Figure 02_image021
位置位於剖面圓C S下方，且移動過程中，剖面圓C S半徑R 0維持遞增或遞減，則球心
Figure 02_image021
保持在剖面圓C S下方；若移動過程中，剖面圓C S半徑R 0遞增後再遞減，則表示球心
Figure 02_image021
位置移動至剖面圓C S上方。
執行步驟(b1)之後，接著執行步驟(c1)~(f1)。步驟(c1)：將機械手臂200由起始點O作為移動起始點，沿著機械手臂座標
Figure 02_image053
方向移動任意長度，並以上述步驟(a11)~(d11)之方法依序計算出
Figure 02_image055
，計算出機械手臂座標系
Figure 02_image057
相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之向量U 1=
Figure 02_image059
。
步驟(d1)：將機械手臂200由起始點O作為移動起始點，沿著機械手臂座標系
Figure 02_image061
方向移動任意長度，並以上述步驟(a)~(d)之方法依序計算出
Figure 02_image063
、半徑
Figure 02_image065
、高度
Figure 02_image067
，計算出機械手臂座標系
Figure 02_image061
相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之向量V 1=
Figure 02_image069
。
步驟(e1)：將機械手臂200由起始點O作為移動起始點，沿著機械手臂座標系
Figure 02_image071
方向移動任意長度，並以上述步驟(a1)~(d1)之方法依序計算出
Figure 02_image073
標
Figure 02_image075
、半徑
Figure 02_image077
、高度
Figure 02_image079
，計算出機械手臂座標系
Figure 02_image071
相對於距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之向量W1=
Figure 02_image081
。
步驟(f1)：得到機械手臂座標系
Figure 02_image003
與距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之轉換關係
Figure 02_image083
。其中，
Figure 02_image085
為沿著機械手臂座標系
Figure 02_image003
之移動量，
Figure 02_image087
為沿著距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之移動量。
請參閱圖1、圖2、圖6A所示，當完成機械手臂座標系
Figure 02_image003
與距離感測模組座標系
Figure 02_image011
之轉換關係後，即可控制圓球10之球心
Figure 02_image021
以不同姿態與距離感測模組座標系
Figure 02_image011
的原點O 20重合，作為計算出工具中心點之校正點(機械手臂200上已知半徑R S圓球10之球心
Figure 02_image021
相對於法蘭面座標系
Figure 02_image005
之位置)資訊。其流程如以下步驟(a2)~(d2)。
步驟(a2)：利用距離感測模組20之資訊取得剖面圓C S1上三點圓座標A 0、B 0、C 0並計算剖面圓C S1中心座標
Figure 02_image089
，利用
Figure 02_image091
控制剖面圓C S的剖面圓心O S與距離感測模組座標系
Figure 02_image031
重合。
步驟(b2)：控制機械手臂200沿
Figure 02_image093
方向運動，並利用距離感測模組20即時截取剖面圓C S1上三點圓座標A 01、B 01、C 01並計算剖面圓C S1之半徑R 01，若R 01=圓球10之半徑
Figure 02_image001
時，代表感測平面H 20與球心M 0重合，則紀錄該點為工具中心點(TCP)校正點資訊。若已記錄之校正點數大於4，則完成校正點取得；若校正點資訊不足4個，則進行步驟(c2)。
步驟(c2)：利用亂數產生器產生方位角增量
Figure 02_image095
。
步驟(d2)：令機械手臂方位角(Euler angle)為
Figure 02_image097
，將機械手臂200移動至新的方位座標，若該組方位角超出運動範圍限制則返回步驟(c2)、(d2)重新產生方位角。否則，回到步驟(a2)重新產生校正點資訊。
請參閱圖1、圖2、圖7所示，當取得足夠的工具中心校正點資訊後，即可進入工具中心校正計算流程，計算出機械手臂200上已知半徑R S圓球10之球心
Figure 02_image021
相對於法蘭面座標系
Figure 02_image005
之位置，亦即工具中心點之座標。校正點P(相當於圓球10之球心
Figure 02_image021
)的空間座標可利用機械手臂200之連桿參數、關節座標與工具中心點相對於法蘭面座標系
Figure 02_image005
之資訊取得：
Figure 02_image099
其中，
Figure 02_image101
，為第 i個校正點中，將座標由法蘭面座標系
Figure 02_image005
轉換為機械手臂座標系
Figure 02_image003
表示之
Figure 02_image103
齊次轉換矩陣；
Figure 02_image105
為齊次轉換矩陣之左上角
Figure 02_image107
方位轉換矩陣；
Figure 02_image109
為齊次轉換矩陣第四行前三列元素構成之向量，此
Figure 02_image103
齊次轉換矩陣可利用代入連桿參數與關節座標後，使其成為一常數矩陣。
Figure 02_image111
為工具中心點相對於法蘭面202之座標，
Figure 02_image113
為校正點在空間中相對於機械手臂座標系
Figure 02_image003
的座標。當取得四個校正點後，即可利用：
Figure 02_image115
計算出工具中心點之座標以完成工具中心校正。
請參閱圖1、圖2、圖4A、圖4B、圖6、圖8所示，當取得工具中心點座標後，即可將機械手臂200上已知半徑
Figure 02_image001
之圓球10移動至輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
可擷取輪廓之位置，並同時取得已知半徑
Figure 02_image001
圓球10之球心
Figure 02_image021
相對於機械手臂座標系
Figure 02_image003
之座標
Figure 02_image117
與輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
之座標
Figure 02_image119
，其流程如以下步驟(a3)~(e3)。
步驟(a3)：令
Figure 02_image121
，並移動機械手臂200使安裝於機械手臂200法蘭面202之圓球10移動至距離感測模組20內，使三個距離感測器21~23與輪廓感測器30皆可同時讀取相對於圓球10之資訊，且距離感測模組20構成之感測平面H 20與圓球10最大半徑
Figure 02_image001
之剖面位置H 10可共平面或不共平面。
步驟(b3)：記錄圓球10之球心
Figure 02_image021
之座標相對於機械手臂座標系
Figure 02_image003
之座標為
Figure 02_image117
點，其中
Figure 02_image123
，
Figure 02_image125
，為將座標由法蘭面座標系
Figure 02_image005
轉換為機械手臂座標系
Figure 02_image003
表示之
Figure 02_image103
齊次轉換矩陣。
步驟(c3)：利用輪廓感測器30擷取圓球10的剖面輪廓資訊，並取得相對於輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
之輪廓點數據組資訊
Figure 02_image127
、
Figure 02_image129
，並以圓方程式
Figure 02_image131
搭配最小誤差平方法將半徑誤差最小化進行擬合，計算出剖面圓心座標
Figure 02_image133
及剖面圓半徑
Figure 02_image135
，如圖8所示。
Figure 02_image137
其中，
Figure 02_image139
，為擬逆矩陣(pseudo-inversematrix)。
步驟(d3)：利用畢氏定理計算出球心
Figure 02_image021
與剖面圓C S2之距離
Figure 02_image141
。若距離感測器21~23擷取之剖面圓C S2之半徑R 02大於輪廓感測器30之剖面圓C S3之半徑R 03，亦即，距離感測器21~23的感測平面H 20位於輪廓感測器30之感測平面H 30的上方(如圖6B所示)，代表球心
Figure 02_image021
位於輪廓感測器30之剖面圓C S3的上方，則
Figure 02_image143
；反之，若距離感測器21~23擷取之剖面圓C S2之半徑R 02小於輪廓感測器30之剖面圓C S3之半徑R 03，亦即，距離感測器21~23的感測平面H 20位於輪廓感測器30之感測平面H 30的下方，代表球心
Figure 02_image021
位於輪廓感測器30之剖面圓C S3的下方，則
Figure 02_image145
。
步驟(e3)：記錄圓球10之球心
Figure 02_image021
之座標相對於輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
之座標為
Figure 02_image147
，並令
Figure 02_image149
。若
Figure 02_image151
，則完成校正點資訊之取得；反之，則利用亂數產生器產生動作增量
Figure 02_image153
，改變機械手臂動作為
Figure 02_image155
，若該組動作超出運動範圍限制或超出感測範圍，則重新產生運動增量。否則，至步驟(b3)產生下一校正點資訊。
當取得輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
上隨機的四個輪廓感測器位置校正資訊點之校正點資訊後，即可進入計算流程，以下將說明取得四個以上已知相對於輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
與機械手臂座標系
Figure 02_image003
之校正點座標後，利用座標關係計算出機械手臂座標系
Figure 02_image003
與輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
轉換關係之方法。
輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
相對於機械手臂座標系
Figure 02_image003
之轉換矩陣為：
Figure 02_image157
， 其中，
Figure 02_image159
及
Figure 02_image119
分別為第 j個校正點相對於機械手臂座標系
Figure 02_image003
與輪廓感測器座標系
Figure 02_image007
之座標值。
將所計算出的座標值輸入至控制模組40，即完成校正流程。
請參閱圖9所示，根據以上所述，歸納出本案提供之一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之校正方法之流程900，包含以下步驟：
步驟902：將一已知半徑之圓球設置於機械手臂之法蘭面，備置一距離感測模組與一輪廓感測器，距離感測模組包括至少三個距離感測器，距離感測器之軸線共感測平面且相交於一交點；圓球、機械手臂、法蘭面、距離感測模組與輪廓感測器分別具有一圓球座標系、一機械手臂座標系、一法蘭面座標系、一距離感測模組座標系、一輪廓感測器座標系；
步驟904：控制機械手臂移動，圓球分別沿著機械手臂座標系的三軸向移動，以建立機械手臂座標系與距離感測模組座標系之轉換關係；
步驟906：利用距離感測模組的距離感測資訊，控制機械手臂以不同姿態使圓球之球心移動到交點，使距離感測模組座標系原點與圓球之球心重合，並記錄機械手臂各軸關節角度為工具中心點校正點資訊；
步驟908：計算圓球之球心相對法蘭面座標系之位置以作為工具中心點之座標；
步驟910：控制機械手臂到達不同位置，使輪廓感測器可擷取圓球資訊，並由輪廓感測器取得圓球的剖面輪廓資訊，並利用圓擬合方法搭配畢氏定理計算出圓心位置，以作為輪廓感測器座標系相對關係校正點資訊；以及
步驟912：計算輪廓感測器座標系與機械手臂座標系之相對關係，將計算所得的座標值輸入至控制模組，完成校正。
綜上所述，本案所提供之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法與系統，將已知半徑之圓球安裝於機械手臂後，再以複數個共感測平面之距離感測器搭配圓擬合方程式與畢氏定理取得圓球與機械手臂法蘭面之關係後，再利用輪廓感測器取得複數個位置之圓球輪廓，即可取得輪廓感測器與機械手臂之座標系相對關係並作為校正依據。
本案的座標系不須存在實體特徵點、不需要利用治具作為校正媒介、不須CAD模型輔助、不須使用額外的三次元量測設備校正裝置於空間中的位置，以一次的操作程序完成座標系位置之校正，提升校正精度，解決現有方法需座標系須具備實體特徵點、或以治具作為媒介所造成之校正精度不佳問題。
雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本案的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統 10:圓球 20:距離感測模組 30:輪廓感測器 40:控制模組 200:機械手臂 202:法蘭面 21~23:距離感測器 900:機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法之流程 902~912:步驟 A 0,B 0,C 0,A 01,B 01,C 01:圓座標 C S1,C S2,C S3:剖面圓 d 0:高度 H 10:剖面位置 H 20:距離感測模組之感測平面 H 30:輪廓感測器之感測平面 I 1,I 2,I 3:軸線 L 1,L 2:直線 M 0:球心 O 20:交點 O:起始點 P:工具中心校正點 Rs:圓球半徑 R 0,R 01,R 02,R 03:剖面圓半徑 T 1,T 2,T 3:轉換矩陣 U 1,V 1,W 1:向量 V 1,V 2:中垂線 X 1,Y 1,Z 1,X 2,Y 2,Z 2,X 3,Y 3,Z 3,X C,Y C:座標 X R,Y R,Z R,X f,Y f,Z f,X t,Y t,Z t,X M,Y M,Z M,X L,Y L,Z L:座標軸 θ 1,θ 2,θ 3:夾角
圖1為本案之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統之實施例之前視架構示意圖。 圖2為圖 1實施例之距離感測模組與輪廓感測器之俯視架構示意圖。 圖3為圖 1實施例之機械手臂座標系與距離感測模組座標轉換關係之示意圖。 圖4A及圖4B為圖 1實施例操作之前視及俯視示意圖。 圖5及圖6、圖6A、圖6B為圖 1實施例使用距離感測模組之感測資訊計算出圓心座標之示意圖。 圖7為圖1實施例計算工具中心點實際座標之示意圖。 圖8為圖1實施例以圓方程式搭配最小誤差平方法將半徑誤差最小化進行擬合以計算出圓心座標及圓半徑之示意圖。 圖9為本案之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法之實施例之流程圖。
100:機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統
10:圓球
20:距離感測模組
30:輪廓感測器
40:控制模組
200:機械手臂
202:法蘭面
H20:平面
M0:球心
Rs:圓球半徑
XR,ZR,Xf,Zf,Xt,Zt,XM,ZM,YL,ZL:座標軸

Claims (12)

  1. 一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，包含以下步驟： (a)  將一已知半徑之圓球設置於一機械手臂之法蘭面上，備置一距離感測模組與一輪廓感測器，該距離感測模組包括至少三個距離感測器，該三個距離感測器之軸線共感測平面且相交於一交點；該圓球、該機械手臂、該法蘭面、該距離感測模組與該輪廓感測器分別具有一圓球座標系、一機械手臂座標系、一法蘭面座標系、一距離感測模組座標系、一輪廓感測器座標系； (b) 控制該機械手臂移動，使該圓球分別沿著該機械手臂座標系的三軸向移動，以建立該機械手臂座標系與該距離感測模組座標系之轉換關係； (c)  利用該距離感測模組的距離感測資訊，控制該機械手臂以不同姿態使該圓球之球心移動到該交點，使該距離感測模組座標系原點與該圓球之球心重合，並記錄該機械手臂各軸關節角度為工具中心點校正點資訊； (d) 計算該圓球之球心相對該法蘭面座標系之位置以作為該工具中心點之座標； (e)  控制該機械手臂到達不同位置，使該輪廓感測器可擷取圓球資訊，並由該輪廓感測器取得該圓球的剖面輪廓資訊，並利用圓擬合方法搭配畢氏定理計算出圓心位置，以作為輪廓感測器座標系相對關係校正點資訊；以及 (f)   計算該輪廓感測器座標系與該機械手臂座標系之相對關係，將計算所得的座標值輸入至一控制模組，完成校正。
  2. 如請求項1之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(b)更包括以下步驟： (a1)控制該機械手臂移動，使該圓球分別沿著該機械手臂座標系的三軸向移動，使該三個距離感測器同時讀取各自與該圓球之距離資訊，且移動起始位置之該距離感測模組所構成之該感測平面不與該圓球之最大半徑之剖面位置共平面，並記錄此座標相對於該距離感測模組座標系之座標； (b1)利用該三個距離感測器所感測之距離資訊，計算出該圓球於該感測平面上至少三點相對於距離感測模組座標系的座標，並計算出剖面圓心的位置作為起始點； (c1)將該機械手臂由該起始點，分別沿著該機械手臂座標系的X、Y、Z三軸方向移動任意長度，分別計算出該機械手臂座標系X、Y、Z三軸方向相對於該距離感測模組座標系之向量；以及 (d1)利用步驟(c1)計算出的該機械手臂座標系X、Y、Z三軸方向相對於該距離感測模組座標系之向量，計算得到該機械手臂座標系與該距離感測模組座標系之轉換關係。
  3. 如請求項2之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(b1)更包括以下步驟： (a11)利用該三個距離感測器計算出三點圓座標
    Figure 03_image037
    、
    Figure 03_image039
    、
    Figure 03_image041
    ； (b11)將該圓座標
    Figure 03_image037
    、該圓座標
    Figure 03_image039
    兩點，與該圓座標
    Figure 03_image039
    、該圓座標
    Figure 03_image041
    兩點分別構成二直線並計算出各自的中垂線，再以該兩條中垂線計算出該剖面圓心相對於距離感測模組座標系的座標； (c11)以步驟(b11)計算出之該圓心的該座標計算該剖面圓的半徑；以及 (d11)以畢氏定理計算出該圓球的球心位置相對於該剖面圓之高度。
  4. 如請求項3之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(d11)中，若該球心位於該剖面圓下方，則該剖面圓之該高度＜0；若該球心位於該剖面圓上方，則該剖面圓之該高度＞0。
  5. 如請求項1之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(c)更包括以下步驟： (a2)利用該距離感測模組之距離感測資訊，取得該剖面圓上至少三點圓座標並計算剖面圓中心座標，以控制該剖面圓之中心與該距離感測模組座標系的Z軸方向重合； (b2)根據該機械手臂座標系與該距離感測模組座標系之轉換關係控制該機械手臂運動，並利用該距離感測模組截取該剖面圓上至少三點圓座標並計算該剖面圓之半徑，若該剖面圓之半徑等於該圓球之該半徑時，代表該感測平面與該圓球之球心重合，則記錄該點為該工具中心點校正點資訊；若已記錄之校正點數至少大於4，則完成校正點取得；若校正點資訊低於至少4個，則進行步驟(c2)； (c2)利用亂數產生器產生一方位角增量；以及 (d2)利用步驟(c2)產生的該方位角增量，計算出該機械手臂的方位角，將該機械手臂移動至新的方位座標，若該組方位角超出運動範圍限制則返回步驟(c2)、(d2)重新產生方位角；否則，回到步驟(a2)重新產生校正點資訊。
  6. 如請求項1之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(d)係利用該機械手臂之連桿參數、關節座標與工具中心點相對於該法蘭面座標系之資訊，取得至少四個校正點的空間座標，並據以計算該圓球之球心相對該法蘭面座標系之位置以作為該工具中心點之座標。
  7. 如請求項1之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(e)更包括以下步驟： (a3)控制該機械手臂移動使該圓球移動至該距離感測模組內，使該三個距離感測器與該輪廓感測器可同時讀取相對於該圓球之資訊，且該距離感測模組所構成之該感測平面與該圓球之最大半徑之剖面位置可共平面或不共平面； (b3)記錄該圓球之球心座標相對於該機械手臂座標系之座標； (c3)利用該輪廓感測器擷取該圓球的剖面輪廓資訊，並取得相對於該輪廓感測器座標系之輪廓點數據組資訊，並以圓方程式搭配最小誤差平方法將半徑誤差最小化進行擬合，計算出剖面圓心座標及剖面圓半徑； (d3)利用畢氏定理計算出該球心與該剖面圓之距離；以及 (e3)記錄該圓球之球心之座標相對於該輪廓感測器座標系之座標，作為校正點資訊。
  8. 如請求項7之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(d3)，若該三個距離感測器擷取之該剖面圓之半徑大於該輪廓感測器之該剖面圓之半徑時，代表該球心位於該輪廓感測器之該剖面圓的上方；若該三個距離感測器擷取之該剖面圓之半徑小於輪廓感測器之該剖面圓之半徑時，則代表該球心位於該輪廓感測器之該剖面圓的下方。
  9. 如請求項7之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(e3)，當取得至少四個校正點資訊時，則完成校正點資訊之取得；反之，則利用亂數產生器產生動作增量以改變該機械手臂之動作，若該組動作超出運動範圍限制或超出感測範圍時，則重新產生運動增量；否則，至步驟(b3)產生下一校正點資訊。
  10. 如請求項1之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該步驟(f)係取得至少四個已知相對於該輪廓感測器座標系與該機械手臂座標之校正點座標後，利用座標關係以轉換矩陣計算出該機械手臂座標系與該輪廓感測器座標系轉換關係。
  11. 如請求項1之機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正方法，其中該機械手臂、該距離感測模組與該輪廓感測器電性連接於該控制模組，以控制該機械手臂、該距離感測模組及該輪廓感測器作動，以及步驟(b)至步驟(f)的計算分析。
  12. 一種機械手臂與輪廓感測器座標系相對關係之自動校正系統，其包含： 一圓球，設置於機械手臂之法蘭面上； 一距離感測模組，其包括至少三個距離感測器，該三個距離感測器之軸線共感測平面且相交於一交點； 一輪廓感測器，用於感測該圓球之二維剖面輪廓；以及 一控制模組，與該距離感測模組、該輪廓感測器及該機械手臂電性連接；該控制模組控制該機械手臂使該圓球移動以取得校正點資訊。
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