CN102485441A - 机械手臂的定位方法及校正方法 - Google Patents

Abstract

一种机械手臂的定位方法及校正方法，其先提供一机械手臂、一感光装置、一校正板及一控制单元，并且感光装置配置于机械手臂的前端。之后，通过感光装置撷取一校正板图像，并且依据光束交会法计算出感光装置相对于校正板的相对位置。此外，本发明更提出一种机械手臂的校正方法，其通过驱使感光装置绕校正板的一基准轴进行旋转，以计算校正板与机械手臂之间的平移矩阵，并且驱使感光装置沿校正板的三相互正交的基准轴平移，以计算校正板与机械手臂之间的旋转矩阵。

Description

机械手臂的定位方法及校正方法

技术领域

本发明涉及一种机械手臂，且特别涉及一种机械手臂的定位方法及校正方法。

背景技术

近十几年来，工业上常利用机械手臂来达成自动化的生产过程，然而，大部分机械手臂的应用仍局限于处理具有重复流程的案件，而处理这些案件必须由一位有经验的操作员事先操作机械手臂，以教导机械手臂沿着固定的轨迹移动。但在小型化、多样少量生产类型的电子产业中，这种利用操作员教导机械手臂的做法在自动化生产过程中将需要耗费很多的时间，进而增加生产制造上的成本。因此，已知技术发展出一种利用摄影装置来引导机械手臂的方法以取代需操作员教导机械手臂的旧有的方法。但这种利用摄影装置来引导机械手臂的方法还需另外结合立体视觉模组，以缩短校正机械手臂的时间。

在视觉导引的机械手臂(Vision Guided Robot，VGR)系统中，摄影装置的校正与手眼(Hand-Eye)校正将显得格外重要。因此如何建立一套机械手臂的定位方法和校正方法，藉此方法取得机械手臂与物件的转换矩阵及摄影装置的扭曲误差值将是未来所面临重要的问题之一。

以美国专利第7161321号专利案(以下简称’321案)为例，在机械手臂校正时，是将一针状物架设于机械手臂的前端。机械手臂另具有一驱动单元，并搭配一套位于机械手臂外部的一监控装置以进行机械手臂的校正。监控装置包括一摄影装置、一显示装置及一控制单元，其中，摄影装置设置于一固定处。’321案所公开的校正方法是导引位于机械手臂上的针状物移至摄影装置的画面中，并通过摄影装置撷取针状物的尖点的画面。之后，将尖点的画面回传至显示装置，并经由控制单元计算出机械手臂与显示装置间的转换矩阵，再经由控制单元驱使机械手臂移动至显示装置的位置。

然而，’321案的监控装置是配置于机械手臂外部的设备，在购买机械手臂时还需要额外添购监控装置。因此，’321案所公开的技术存在着高设备成本的问题。另外，’321案于每次校正机械手臂前，需将配置于机械手臂外部的监控装置电性连接于机械手臂上，故在校正前需额外花费前置时间去电性连接监控装置于机械手臂上，进而增加校正机械手臂的程序，并降低机械手臂的校正效率。此外，在校正机械手臂的过程中，摄影装置撷取尖状物的画面后，需回传至配置于机械手臂外部的监控装置，并利用此监控装置计算出机械手臂与物件间的转换矩阵，再依据其转换矩阵导引机械手臂移动至显示装置的位置，并无法及时将转换矩阵回传至机械手臂，故于’321案中的校正方法将面临校正时间过长的问题。因此于’321案中将面临校正前的前置时间过久、高设备成本及校正时间过长的问题。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明提供一种机械手臂的定位方法及校正方法，经由将感光装置配置于机械手臂前端，且依据感光装置与校正板之间的空间关系，找出校正板与机械手臂的空间关系，藉以改善已知技术所面临的高设备成本及校正时间过长的问题。

依据本发明一实施例的机械手臂的定位方法，其包括提供一机械手臂以及一校正板。机械手臂具有一控制单元，且机械手臂的前端具有一感光装置，另外，感光装置具有固定于其上的一感光装置坐标系。校正板的一板面上具有多个定位标记，并且校正板具有固定于其上的一校正板坐标系。接下来执行一定位步骤，其定位步骤包括经由感光装置利用光束交会演算法撷取一校正板图像，再将校正板图像回传至控制单元，并且经由控制单元计算出感光装置坐标与校正板坐标系的一转换矩阵以及一感光装置校正板坐标值。

依据本发明一实施例的机械手臂的定位方法，感光装置具有一透镜及一电荷耦合装置(Charge Coupled Device，CCD)，其中透镜具有多个镜头扭曲值，求得感光装置坐标与校正板坐标系的一转换矩阵以及一感光装置校正板坐标值的方法包括经由控制单元撷取每一定位标记的校正板坐标系的一定位标记校正板坐标值，经由这些控制单元撷取这些校正板图像中每一定位标记的这些感光面坐标系的一定位标记感光面坐标值。另外，以这些定位标记感光面坐标值其中之一作为一基准点，经由这些控制单元计算其余的定位标记感光面坐标值与这些基准点之间的距离值。

并且，经由这些控制单元将这些定位标记校正板坐标值、这些定位标记感光面坐标值、这些距离值以及这些透镜的一焦距值代入一光束交会演算公式以计算这些转换矩阵的多个矩阵元素及这些感光装置校正板坐标值。

依据本发明一实施利的机械手臂的校正方法，其包括提供一机械手臂，具有一控制单元及一基座，基座具有固定于其上的一基座坐标系，其中，机械手臂的前端具有一感光装置，感光装置具有固定于其上的一感光装置坐标系。并提供一校正板，校正板的一板面上具有多个定位标记，并校正板具有固定于其上的一校正板坐标系。

接着经由控制单元驱使机械手臂以校正板坐标系的一坐标轴的一点为圆心旋转，并且记录感光装置的多个旋转位置。再依据这些旋转位置，进行前述机械手臂的定位方法中的定位步骤，并且经由控制单元计算这些旋转位置在校正板坐标系的多个旋转坐标值，将这些旋转坐标值回传至控制单元，并经由控制单元计算出圆心于校正板坐标系的一圆心校正板坐标值。另外，经由控制单元计算出圆心在基座坐标系的一圆心基座坐标值。之后，经由控制单元计算出校正板坐标与基座坐标系之间的一平移矩阵。

接下来计算校正板坐标与基座坐标系的旋转矩阵，其包括经由控制单元驱使机械手臂依序沿校正板坐标系的三正交轴各平移一次，并且记录感光装置于校正板坐标系的多个平移位置。之后，依据这些平移位置，进行机械手臂的定位方法中的定位步骤，以经由控制单元计算这些平移位置于校正板坐标系的一平移坐标值。依据这些平移坐标值，经由控制单元计算出与校正板坐标系三正交轴平行的三平移方向向量。之后，依据平移方向向量与基座坐标轴的方向向量，经由控制单元计算出校正板坐标与基座坐标系之间的一旋转矩阵。

依据本发明一实施利的机械手臂的定位方法及校正方法，其是将感光装置直接配置在机械手臂的前端，搭配校正板求得感光装置在校正板坐标系中的位置，即本发明是利用于机械手臂上的感光装置搭配校正板，藉以取代已知技术中将感光装置、控制单元和显示装置电性连接于机械手臂，搭配设置于机械手臂前端的一针状物的校正方式。

在校正的过程中，由于感光装置直接架设于机械手臂上，感光装置撷取图像后直接回传至机械手臂的显示装置，故不需要额外架设显示装置，是以相较于已知技术而言，这种将感光装置架设于机械手臂的方法能够节省设置设备的成本。

依据本发明的一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法，当机械手臂需校正时，可任意摆放校正板于一定位处，而不需如已知技术所公开的针状物需架设于机械手臂上，是以相较于已知技术而言，用校正板取代针状物的方法能够节省前置安装的时间。

另外，当考虑镜面修正变形误差值时，本发明是将扭曲误差值一并带入光束交会演算法，藉以利用感光装置撷取图像，并经由控制单元同时计算出转换矩阵和扭曲误差值，是以相较于已知技术而言，考量镜面修正变形误差值能够增加其校正的精确度。

以上关于本发明内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的定位步骤流程图。

图2为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的定位方法流程图。

图3为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的具镜头扭曲修正的定位方法流程图。

图4、图5及图6为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的感光装置旋转及平移的操作流程图。

图7为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的检验方法流程图。

图8为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的机械手臂校正装置的平面示意图。

图9A为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的感光装置200的分解示意图。

图9B为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的感光面221的示意图。

图10A为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的校正板坐标系320的示意图。

图10B为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的感光面坐标系222的示意图。

图11A为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的感光装置200的旋转示意图。

图11B为本发明一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法的感光装置200的平移示意图。

【主要元件符号说明】

100  机械手臂

110  基座

111  基座坐标系

120  控制单元

200  感光装置

210  透镜

220  电荷耦合装置

221  感光面

222  感光面坐标系

222a 定位标记感光面坐标值

222c 投影中心

230  感光装置坐标系

300  校正板

310  定位标记

320  校正板坐标系

330  校正板图像

330a 感光装置校正板坐标值

330b 定位标记校正板坐标值

340  定位标记A

410  圆心

420  第一旋转位置

430  第二旋转位置

440 第三旋转位置

450 第一平移位置

460 第二平移位置

470 第三平移位置

480 第四平移位置

具体实施方式

依据本发明一实施例所公开的机械手臂校正系统，其先提供一机械手臂校正系统。请参阅「图8」至「图9B」，机械手臂校正系统包括有一机械手臂100、一感光装置200、一校正板300。其中，机械手臂100具有一基座110及一控制单元120。感光装置200例如具有一透镜210及一电荷耦合装置220(Charge Coupled Device，CCD)且电荷耦合装置220具有一感光面221，校正板300的板面上具有多个定位标记310。此外，基座110具有一基座坐标系111，感光装置200具有一感光装置坐标系230，感光面221具有一感光面坐标系222，校正板300具有一校正板坐标系320。

基于上述的机械手臂100、感光装置200、校正板300，本发明便能够进行一定位步骤，以求得感光装置200与校正板300之间的相对位置。以下将对此定位步骤进行描述，请参阅「图1」及「图8」至「图10A」。首先，在步骤S101中，本发明经由控制单元120移动机械手臂100，使得校正板300位于感光装置200的光感应范围内。之后，由于校正板300的图像会经由透镜210而映射于电荷耦合装置220，是以感光装置200能够撷取一校正板图像330。之后，在步骤S102中，本发明依据校正板图像330，经由控制单元120计算感光装置坐标系230与校正板坐标系320的一转换矩阵以及一感光装置校正板坐标值330a。

以下将针对定位步骤S102进行举例说明，请参阅「图2」及「图8」至「图9B」。首先，在步骤S201中，本发明经由控制单元120撷取校正板300上的每一定位标记310的校正板坐标系320的一定位标记校正板坐标值330b。之后，在步骤S202中，本发明经由控制单元120撷取校正板图像330中每一定位标记310的感光面坐标系222的一定位标记感光面坐标值222a。然后，在步骤S203中，本发明经由控制单元120将这些定位标记校正板坐标值330b、这些定位标记感光面坐标值222a以及透镜210的一焦距值代入一光束交会演算公式以计算感光装置坐标系230与校正板坐标系320的转换矩阵的多个矩阵元素及感光装置校正板坐标值330a。

其中，在步骤S203所提及的光束交会演算公式为

$x_a-x_0=-f\left[\frac{m_{11}(X_A-X_L)+m_{12}(Y_A-Y_L)+m_{13}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

$y_a-y_0=-f\left[\frac{m_{21}(X_A-X_L)+m_{22}(Y_A-Y_L)+m_{23}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

其中，如果选取校正板300上的任一定位标记310作为一定位标记A时，则上述演算公式中的x_a与y_a为定位标记A的感光面坐标系222的定位标记感光面坐标值222a，x₀与y₀为感光面坐标系222的一投影中心222c，m_ij为感光装置坐标系230与校正板坐标系320间的转换矩阵的矩阵元素，其中，i：1～3、j：1～3、X_A、Y_A与Z_A为定位标记A的校正板坐标系320的三个彼此正交的坐标轴的定位标记校正板坐标值330b，X_L、Y_L与Z_L为坐标中心于校正板坐标系320的彼此正交的坐标轴的感光装置校正板坐标值330a。

以下将对求得转换矩阵及感光装置校正板坐标值330a的详细步骤进行举例说明。首先，经由感光装置200撷取一校正板图像330，再将感光装置200撷取的校正板图像330回传至控制单元120，并且以感光面坐标系222描述校正板图像330上的每个定位标记310的位置。之后，在校正板300上选定一定位标记340，并且经由控制单元120撷取此定位标记340在校正板坐标系320中的定位标记校正板坐标值，即(X_A，Y_A，Z_A)。之后，在校正板图像330上选取定位标记340的图像于感光面坐标系222中的感光面坐标值，即(x_a，y_a)。

接下来，经由控制单元120将(X_A，Y_A，Z_A)、(x_a，y_a)以及透镜210的一焦距值f代入光束交会演算公式，以获得一方程式。

接下来，逐一选取其余的定位标记310，并将其余定位标校正板坐标值330b、其余定位标记感光面坐标值222a及透镜210的焦距值代入光束交会公式，以获得多个方程式。接着，经由控制单元120利用最小平方法迭代出感光装置坐标系230与校正板坐标系320间的转换矩阵的所有矩阵元素及感光装置200的感光装置校正板坐标值。

以本实施例来说，校正板300上的定位标记310的数量为49个，是以经由这些定位标记310则会产生98个方程式。因此，本实施例便可以将此98个方程式利用控制单元120以最小平方法迭代出感光装置坐标系230与校正板坐标系320间的转换矩阵的多个矩阵元素及感光装置200的感光装置校正板坐标值330a。

此外，在依据本发明的其他实施例中，本发明还可以依据透镜210的多个镜头扭曲值来修正上述的光束交会演算公式，以更准确地求得感光装置200与校正板300之间的相对位置。

以下将对此镜头扭曲值修正步骤进行描述。请参阅「图3」与「图8」至「图9B」。首先，在S301步骤中，本发明经由控制单元120撷取每一定位标记310的校正板坐标系320的一定位标记校正板坐标值330b。之后，在S302步骤中，本发明经由控制单元120撷取校正板图像330中每一定位标记310的感光面坐标系222的一定位标记感光面坐标值222a。然后，在S303步骤中，本发明以定位标记感光面坐标值222a其中之一作为一基准点，经由控制单元120计算其余的每一定位标记感光面坐标值222a与基准点之间的距离值。之后，在S304步骤中，本发明经由控制单元120将这些定位标记校正板坐标值330b、这些定位标记感光面坐标值222a、这些距离值以及透镜210的一焦距值代入一光束交会演算公式以计算转换矩阵的多个矩阵元素及感光装置校正板坐标值330a。

以下针对镜头扭曲值修正步骤进行详细步骤的举例说明。首先，经由感光装置200撷取一校正板图像330，再将感光装置200撷取的校正板图像330回传至控制单元120，并以感光面坐标系222描述校正板图像330上的每个定位标记310的位置。之后，在校正板300上选定一定位标记340，并且经由控制单元120撷取此定位标记340在校正板坐标系320中的定位标记校正板坐标值，即(X_A，Y_A，Z_A)。之后，在校正板图像330上选取定位标记340的图像于感光面坐标系222中的感光面坐标值，即(x_a，y_a)。

再来，经由一镜头扭曲值修正方法，以将原本的定位标记感光面坐标值222a加上桶状失真误差修正值及切线失真误差修正值，得到镜头扭曲值修正公式，镜头扭曲值修正公式为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_a\→{x_a}^{\′}+\mathrm{\δx}+\mathrm{\Δx}\\ y_a\→{y_a}^{\′}+\mathrm{\δy}+\mathrm{\Δy}\end{array}\right.$

其中，δx与δy为感光装置200的一桶状失真误差修正值，Δx与Δy为感光装置200的一切线失真误差修正值。

接着将加入镜头扭曲值修正方法后的定位标记感光面坐标值222a代入光束交会演算公式，产生一具有镜头扭曲值修正方法的光束交会演算公式，具有镜头扭曲值修正方法的光束交会演算公式为

$(x_a+\mathrm{\δx}+\mathrm{\Δx})-x_0=-f\left[\frac{m_{11}(X_A-X_L)+m_{12}(Y_A-Y_L)+m_{13}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

$(y_a+\mathrm{\δy}+\mathrm{\Δy})-y_0=-f\left[\frac{m_{21}(X_A-X_L)+m_{22}(Y_A-Y_L)+m_{23}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δx}=\stackrel{\‾}{x}(k_1{r}^2+k_2{r}^4)\\ \mathrm{\δy}=\stackrel{\‾}{y}(k_1{r}^2+k_2{r}^4)\\ \mathrm{\Δx}=(1+p_3{r}^2)[p_1(r^2+2{\stackrel{\‾}{x}}^2)+2p_2\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{y}]\\ \mathrm{\Δy}=(1+p_3{r}^2)[2p_1\stackrel{\‾}{\mathrm{xy}}+p_2(r^2+2{\stackrel{\‾}{y}}^2)]\end{array}\right.$

其中，如果选取校正板300上的任一定位标记310作为一定位标记A时，则上述演算公式中的x_a与y_a为定位标记A的感光面坐标系222的定位标记感光面坐标值222a，x₀与y₀为感光面坐标系222的一投影中心222c，r为定位标记A感光面坐标值与基准点之间的距离值，m_ij为感光装置坐标系230与校正板坐标系320间的转换矩阵的矩阵元素，其中，i：1～3、j：1～3、X_A、Y_A与Z_A为定位标记A的校正板坐标系320的三个彼此正交的坐标轴的定位标记校正板坐标值330b，X_L、Y_L与Z_L为坐标中心于校正板坐标系320的彼此正交的坐标轴的感光装置校正板坐标值330a，K₁、K₂、K₃、P₁、P₂与P₃为镜头扭曲参数值，δx与δy为感光装置200的一桶状失真误差修正值，Δx与Δy为感光装置200的一切线失真误差修正值。

再者，依据本发明的一实施例，本发明还可以利用上述的机械手臂的定位步骤，以进行一机械手臂的校正步骤。请参阅「图4」至「图6」，在本实施例中，机械手臂的校正步骤区分为两部分，其分别为一求取平移矩阵的校正步骤以及一求取旋转矩阵的校正步骤，其中平移矩阵的校正步骤包括S401～S405，旋转矩阵的校正步骤包括S406～S409。

以下先针对平移矩阵的校正步骤进行详细说明，请继续参阅「图8」至「图11B」，首先，在步骤S401中，本发明经由控制单元120驱使机械手臂100以校正板坐标系320的一坐标轴的一点为圆心410旋转，并且记录感光装置200的多个旋转位置。之后，在步骤S402中，本发明依据这些旋转位置，进行上述的机械手臂的定位步骤，以经由控制单元120计算每一旋转位置在校正板坐标系320的旋转坐标值。然后，在步骤S403中，本发明依据这些旋转坐标值，经由控制单元120计算出圆心410于校正板坐标系320的一圆心校正板坐标值。接着，在步骤S404中，本发明经控制单元120计算出圆心410在基座坐标系111的一圆心基座坐标值。之后，在步骤S405中，本发明依据圆心基座坐标值及圆心校正板坐标值，经由控制单元120计算出校正板坐标系320与基座坐标系111之间的一平移矩阵。

举例来说，经控制单元120驱使机械手臂100以校正板坐标系320的一坐标轴的一点为圆心410旋转，得到感光装置200三个旋转位置，分别为第一旋转位置420、第二旋转位置430与第三旋转位置440。再通过上述的机械手臂的定位方法求得这三个旋转位置420～430于校正板坐标系320的旋转坐标值(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)以及(x₃，y₃，z₃)。接着利用三个旋转坐标值(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)以及(x₃，y₃，z₃)求得圆心410于校正板坐标系320的圆心校正板坐标值(x_p，y_p，z_p)。再来通过控制单元120计算出圆心410位置于基座坐标系111的圆心基座坐标值(x_q，y_q，z_q)，则[(x_p-x_q)(y_p-y_q)(z_p-z_q)]为基座坐标系111与校正板坐标系320的平移矩阵。

接下来将对旋转矩阵的校正步骤进行详细说明，首先，在步骤S406中，本发明经由控制单元120驱使机械手臂100依序沿校正板坐标系320的三正交轴各平移一次，并且记录感光装置200于校正板坐标系320的多个平移位置。之后，在步骤S407中，本发明依据这些平移位置，进行上述机械手臂100的定位步骤，以经由控制单元120计算每一平移位置于校正板坐标系320的一平移坐标值。再来，在步骤S408中，本发明依据这些平移坐标值，经由控制单元计算出与校正板坐标系三正交轴平行的三平移方向向量。然后，在步骤S409中，本发明依据三平移方向向量与基座坐标轴之方向向量，经由控制单元120计算出校正板坐标系320与该基座坐标系111之间的一旋转矩阵。

举例来说，首先，经由控制单元120驱使机械手臂100依序沿校正板坐标系320的三正交轴，u轴、v轴与w轴各平移一次，得到四个平移位置，分别为第一平移位置450，第二平移位置460，第三平移位置470，第四平移位置480，并且记录感光装置200于校正板坐标系320的4个平移位置，再依据上述的机械手臂的定位步骤，通过控制单元120计算出这些平移位置450～470于校正板坐标系320的平移坐标值(u₁，v₁，w₁)、(u₂，v₁，w₁)、(u₁，v₃，w₁)以及(u₁，v₁，w₄)。之后，再经由控制单元120依据这些平移坐标值计算出与校正板坐标系320三正交轴平行的三个平移方向向量，其中，平移方向向量1为[(u₂-u₁)，0，0]，平移方向向量2为[0，(v₃-v₁)，0]，平移方向向量3为[0，0，w₄-w₁]，并且，3个平移方向向量分别代表校正板坐标系320的三正交轴的方向向量。最后，通过控制单元120依据三个平移方向向量与基座三坐标轴的方向向量间的关系计算出校正板坐标系320与基座坐标系111之间的一旋转矩阵。

请参阅「图7」，依据本发明一实施例所公开的机械手臂的校正方法，还包括一检验步骤。在步骤S501中，本发明依据校正板坐标系320与基座坐标系111的一关系式、平移矩阵与旋转矩阵，经由控制单元120计算校正板坐标系320与基座坐标系111的一相对位置。

其中，在步骤S501中所提及的关系式为

P_G＝P_R×R+T

其中，P_G为一校正座原点坐标值，P_R为基座原点坐标值，R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

依据本发明一实施利的机械手臂的定位方法及校正方法，其是将感光装置200直接配置在机械手臂100的前端，搭配校正板300求得感光装置200在校正板坐标系320中的位置，即本发明系利用于机械手臂100上的感光装置200搭配校正板300，藉以取代已知技术中将感光装置、控制单元120和显示装置电性连接于机械手臂，搭配设置于机械手臂前端的一针状物的校正方式。

在校正的过程中，由于感光装置200直接架设于机械手臂100上，感光装置200撷取图像后直接回传至机械手臂100的控制单元120，故不需要额外架设监控装置，是以相较于已知技术而言，这种将感光装置200架设于机械手臂的方法能够节省设置设备的成本。

依据本发明的一实施例的机械手臂的定位方法及校正方法，当机械手臂100需校正时，可任意摆放校正板300于一定位处，而不需如已知技术所公开的针状物需架设于机械手臂上，是以相较于已知技术而言，用校正板300取代针状物的方法能够节省前置安装的时间。

另外，当考虑镜面修正变形误差值时，本发明是将扭曲误差值一并带入光束交会演算法，藉以利用感光装置200撷取图像，并经由控制单元120同时计算出转换矩阵和扭曲误差值，是以相较于已知技术而言，考虑镜面修正变形误差值能够增加其校正的精确度。

Claims (5)

1.一种机械手臂的定位方法，其包括：

提供一机械手臂，具有一控制单元，该机械手臂的前端具有一感光装置，该感光装置具有固定于其上的一感光装置坐标系；

提供一校正板，其一板面上具有多个定位标记，并该校正板具有固定于其上的一校正板坐标系；及

执行一定位步骤，其包括：

经由该感光装置撷取一校正板图像；及

依据该校正板图像，经由该控制单元计算该感光装置坐标与该校正板坐标系的一转换矩阵以及一感光装置校正板坐标值。

2.如权利要求1所述的机械手臂的定位方法，该感光装置包括一透镜以及一电荷耦合装置CCD，该电荷耦合装置具有一感光面，并具有固定于该感光面的一感光面坐标系，计算该转换矩阵的步骤包括：

经由该控制单元撷取每一该定位标记的该校正板坐标系的一定位标记校正板坐标值；

经由该控制单元撷取该校正板图像中每一该定位标记的该感光面坐标系的一定位标记感光面坐标值；及

经由该控制单元将这些定位标记校正板坐标值、这些定位标记感光面坐标值以及该透镜的一焦距值代入一光束交会演算公式以计算该转换矩阵的多个矩阵元素及该感光装置校正板坐标值，该光束交会演算公式为

$x_a-x_0=-f\left[\frac{m_{11}(X_A-X_L)+m_{12}(Y_A-Y_L)+m_{13}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

$y_a-y_0=-f\left[\frac{m_{21}(X_A-X_L)+m_{22}(Y_A-Y_L)+m_{23}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

其中，x_a与y_a为该定位标记的该感光面坐标系的该定位标记感光面坐标值，x₀与y₀为该感光面坐标系的一投影中心，m_ij为该感光装置坐标与该校正板坐标系间的该转换矩阵的矩阵元素，其中，i：1～3、j：1～3、X_A、Y_A与Z_A为该定位标记的该校正板坐标系的该定位标记校正板坐标值，X_L、Y_L与Z_L为该感光装置于该校正板坐标系的该感光装置校正板坐标值。

3.如权利要求1所述的机械手臂的定位方法，该感光装置包括一透镜以及一电荷耦合装置CCD，该透镜具有多个镜头扭曲值，该电荷耦合装置具有一感光面，并具有固定于该感光面的一感光面坐标系，计算该转换矩阵以及该感光装置校正板坐标值的步骤包括：

经由该控制单元撷取每一该定位标记的该校正板坐标系的一定位标记校正板坐标值；

经由该控制单元撷取该校正板图像中每一该定位标记的该感光面坐标系的一定位标记感光面坐标值；

以这些定位标记感光面坐标值其中之一作为一基准点，经由该控制单元计算其余的该定位标记感光面坐标值与该基准点之间的一距离值；及

经由该控制单元将这些定位标记校正板坐标值、这些定位标记感光面坐标值、这些距离值以及该透镜的一焦距值代入一光束交会演算公式以计算该转换矩阵的多个矩阵元素及该感光装置校正板坐标值，该光束交会演算公式则变为

$(x_a+\mathrm{\δx}+\mathrm{\Δx})-x_0=-f\left[\frac{m_{11}(X_A-X_L)+m_{12}(Y_A-Y_L)+m_{13}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

$(y_a+\mathrm{\δy}+\mathrm{\Δy})-y_0=-f\left[\frac{m_{21}(X_A-X_L)+m_{22}(Y_A-Y_L)+m_{23}(Z_A-Z_L)}{m_{31}(X_A-X_L)+m_{32}(Y_A-Y_L)+m_{33}(Z_A-Z_L)}\right]$

其中， $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δx}=\stackrel{\‾}{x}(k_1{r}^2+k_2{r}^4)\\ \mathrm{\δy}=\stackrel{\‾}{y}(k_1{r}^2+k_2{r}^4)\\ \mathrm{\Δx}=(1+p_3{r}^2)[p_1(r^2+2{\stackrel{\‾}{x}}^2)+2p_2\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{y}]\\ \mathrm{\Δy}=(1+p_3{r}^2)[2p_1\stackrel{\‾}{\mathrm{xy}}+p_2(r^2+2{\stackrel{\‾}{y}}^2)]\end{array}\right.$

其中，x_a、y_a为该定位标记的该感光面坐标系的该定位标记感光面坐标值，x₀、y₀为该感光面坐标系的一投影中心，r为每一该定位标记感光面坐标值与该基准点之间的该距离值，m_ij为该感光装置坐标与该校正板坐标系间的该转换矩阵的矩阵元素，其中，i：1～3、j：1～3、X_A、Y_A与Z_A为该定位标记的该校正板坐标系的三个彼此正交的坐标轴的该定位标记校正板坐标值，X_L、Y_L与Z_L为一坐标中心于该校正板坐标系的彼此正交的坐标轴的该感光装置校正板坐标值，K₁、K₂、K₃、P₁、P₂与P₃为镜头扭曲参数值，δx与δy为该感光装置的一桶状失真误差修正值，Δx与Δy为该感光装置的一切线失真误差修正值。

4.一种机械手臂的校正方法，其包括：

提供一机械手臂，具有一控制单元及一基座，该基座具有固定于其上的一基座坐标系，该机械手臂的前端具有一感光装置，该感光装置具有固定于其上的一感光装置坐标系；

提供一校正板，其一板面上具有多个定位标记，并该校正板具有固定于其上的一校正板坐标系；

经由该控制单元驱使该机械手臂以该校正板坐标系的一坐标轴上的一点为一圆心旋转，并且记录该感光装置的多个旋转位置；

依据这些旋转位置，进行如权利要求1所述的该定位步骤，以经由该控制单元计算这些旋转位置在该校正板坐标系的多个旋转坐标值；

依据这些旋转坐标值，经由该控制单元计算出该圆心于该校正板坐标系的一圆心校正板坐标值；

经该控制单元计算出该圆心在该基座坐标系的一圆心基座坐标值；

依据该圆心基座坐标值及该圆心校正板坐标值，经由控制单元计算出该校正板坐标与该基座坐标系之间的一平移矩阵；

经由该控制单元驱使该机械手臂依序沿该校正板坐标系的三正交轴各平移一次，并且记录该感光装置于该校正板坐标系的多个平移位置；

依据这些平移位置，进行.如权利要求1所述的该定位步骤，以经由该控制单元计算这些平移位置于该校正板坐标系的一平移坐标值；

依据这些平移坐标值，经由该控制单元计算出与该校正板坐标系三正交轴平行的三平移方向向量；及

依据该三平移方向向量与该基座坐标轴的方向向量，经由该控制单元计算出该校正板坐标与该基座坐标系之间的一旋转矩阵。

5.如权利要求4所述的机械手臂的校正方法，其还包括一检验步骤，该检验步骤包括：

依据该校正板坐标与该基座坐标系的一关系式、该平移矩阵、该旋转矩阵，经由该控制单元计算该校正板坐标与该基座坐标系的一相对位置，该关系式为

P_G＝P_R×R+T

其中，P_G为一校正座原点坐标值，P_R为一基座原点坐标值，R为该旋转矩阵，T为该平移矩阵。

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