CN105279775B - 机器手臂的校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机器手臂的校正装置及方法，将编码校正板固定在机器手臂的工作环境，编码校正板为棋盘格状，格子内标示坐标编码，表示相对编码校正板的方向及位置，利用机器手臂的视觉系统聚焦撷取编码校正板的影像，计算编码校正板坐标编码，定位视觉系统，以校正机器手臂与视觉系统的定位误差。

Description

机器手臂的校正装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机器手臂的校正装置及方法，尤其是涉及机器手臂利用视觉系统及编码校正板，校正机器手臂移动误差的装置及方法。

背景技术

随着工业生产技术的快速发展，为了追求大量生产的速度、产品品质的稳定及降低人工成本，工厂的生产线纷纷以机器手臂(Robot Arm)取代劳动人力，进行工件的抓取、排列或组装。自动化的机器手臂进一步利用视觉系统定位工件的位置和姿态，引导机器手臂自动精准地抓取工件，进行组装制造。而如何减少视觉系统定位的误差，校正机器手臂移动精确度，成为机器手臂的重要课题。

请参考图1，为现有技术机器手臂的标准校正板10，其中标准校正板10为矩形的格状棋盘，由黑色格子11与白色格子12相互间隔构成。标准校正板10校正机器手臂时，主要通过机器手臂的视觉系统(图未示)，视觉系统包含设在机器手臂上称为EIH(Eye in Hand，简称EIH)摄影机，用以引导机器手臂夹取工件，以及设在机器手臂外部称为ETH(Eye toHand，简称ETH)摄影机，用以监视机器手臂的工作环境。以装设在机器手臂上的EIH摄影机进行校正为例，利用移动机器手臂带动EIH摄影机接近标准校正板10，聚焦取得EIH摄影机中撷取的标准校正板10的影像，根据撷取的标准校正板10的影像，计算机器手臂与标准校正板10的相对位置关系，以完成对机器手臂的校正。

参考标准校正板有多种校正的方式，例如现有技术美国专利案US6985175，利用两摄影机撷取标准校正板格状棋盘的扭曲影像状况，进行影像比对以校正摄影机。另外中国专利案CN102927908，利用激光装置投射条状光线在标准校正板对角，通过设在机器手臂上的摄影机撷取条状光线的影像，再移动激光装置与机器手臂撷取条状光线投射标准校正板另一对角位置的影像，由两对角位置条状光线的交叉，校正机器手臂三维空间的定位。

然而，前述现有技术使用的标准校正板有一定的尺寸且为黑白相间的相同格状，如机器手臂设置的空间有限，机器手臂与标准校正板相对距离不够时，装设在机器手臂上的视觉系统，不能取得标准校正板的全部完整的影像，难于由撷取标准校正板的部分影像判断相对的方向及位置，以致无法判读机器手臂上的视觉系统与标准校正板正确相对坐标进行校正。因此，机器手臂在校正装置及方法上，仍有问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器手臂的校正装置，通过在编码校正板上设置多个坐标编码，坐标编码具有预设的坐标，使机器手臂的视觉系统可撷取局部编码校正板的坐标编码快速获得定位校正，以提高机器手臂设置空间的弹性。

本发明另一目的在于提供一种机器手臂的校正方法，利用机器手臂的视觉系统聚焦撷取编码校正板坐标编码的影像，计算坐标编码的预设坐标，进行视觉系统的定位，以校正机器手臂。

本发明再一目的在于提供一种机器手臂的校正方法，利用机器手臂移动视觉系统，多方位聚焦撷取编码校正板坐标编码的影像，平均视觉系统的定位误差，以提高机器手臂校正的精确度。

本发明又一目的在于提供一种机器手臂的校正方法，利用编码校正板先后定位机器手臂的ETH摄影机及EIH摄影机，以校正机器手臂。

为了达到前述发明的目的，本发明机器手臂的校正装置，将机器手臂的一端固定设在基座，另一端设活动端，其上固定视觉系统的EIH摄影机。编码校正板利用支撑架固定在机器手臂的工作环境，与机器手臂具有固定的相对坐标，编码校正板为棋盘格状，格子内标示坐标编码，表示相对编码校正板的方向及位置，控制装置利用接收视觉系统撷取的影像，控制机器手臂的活动端上的EIH摄影机移动撷取编码校正板的坐标编码，以校正机器手臂与EIH摄影机的定位误差。视觉系统还包含ETH摄影机，ETH摄影机固定在机器手臂的外部，与机器手臂具有固定的相对坐标，控制装置移动机器手臂的活动端至编码校正板上多个预定坐标编码的位置，以校正机器手臂与ETH摄影机的定位误差。

本发明的编码校正板的格子为黑色格子与白色格子相互间隔组成，在每一黑色格子内的上方左角，标示方向圆的方向坐标编码，以表示相对编码校正板校正坐标原点的方向。白色格子内设置空心圆及实心圆的编码圆排列组合而成位置坐标编码，以表示相对编码校正板校正坐标原点的位置。白色格子内的编码圆，排成两行，第一行代表X轴以及第二行代表Y轴，每行各具有第一列A、第二列B及第三列C的编码圆，位置由下至上表示为2的0至2次方，该白色格子的坐标式为:

X＝A*2⁰+B*2¹+C*2²

Y＝A*2⁰+B*2¹+C*2²

本发明机器手臂的校正方法，将编码校正板以预设坐标固定

在机器手臂的视觉系统的摄影范围内；利用机器手臂的视觉系统聚焦撷取的编码校正板影像；根据撷取的编码校正板影像及焦距，计算编码校正板坐标编码，定位视觉系统；比较视觉系统的定位与校正前坐标；校正机器手臂的移动误差。

本发明机器手臂校正方法的视觉系统包含ETH摄影机及

EIH摄影机，分别依序完成ETH摄影机及EIH摄影机的定位校正。EIH摄影机校正后检查预定校正的次数不足，移动机器手臂撷取编码校正板不同的坐标编码，继续校正。校正的次数足够时，平均移动误差，完成机器手臂的校正。

附图说明

图1为现有技术标准校正板的示意图；

图2为本发明编码校正板的示意图；

图3为本发明机器手臂的校正方法的示意图；

图4为本发明机器手臂的校正方法的流程图；

图5为本发明机器手臂对视觉系统的校正方法的示意图；

图6为本发明机器手臂对视觉系统的校正方法的流程图。

符号说明

20 编码校正板

21 黑色格子

22 白色格子

23 方向圆

24 空心圆

25 实心圆

26 局部影像

30 校正装置

31 机器手臂

32 控制装置

33 活动端

34 EIH摄影机

35 基座

36 支撑架

37 夹取机构

40 ETH摄影机

具体实施方式

有关本发明为达成上述目的，所采用的技术手段及其功效，现举优选实施例，并配合附图加以说明如下。

请参阅图2，图2为本发明机器手臂校正装置的编码校正板。编码校正板20为矩形的格状棋盘，由黑色格子21与白色格子22相互间隔组成。在每一黑色格子21内的上方左角，标示方向圆23的方向坐标编码，以标示编码校正板20的上下左右方向，也就是编码校正板20的校正坐标原点O的方向。另在编码校正板20内部的白色格子22内设置空心圆24及实心圆25排列组合的位置坐标编码，以标示各白色格子22与编码校正板20校正坐标原点O的相对位置。以本实施利为例，位置坐标编码在白色格子22内设置包含空心圆24及实心圆25的编码圆，编码圆排成两行，左边开始第一行代表X轴以及第二行代表Y轴，每行各具有第一列A、第二列B及第三列C等三列编码圆，位置由下至上表示为2的0至2次方，而空心圆代表数值为0以及实心圆代表数值为1，以构成白色格子22的坐标(X,Y)

X＝A*2⁰+B*2¹+C*2²

Y＝A*2⁰+B*2¹+C*2²

举例说明，如图2中标示的白色格子22，左起第一行X轴的第一列A为空心圆24，数值为0，即A＝0，第二列B及第三列C为实心圆25，数值为1，即B＝1及C＝1。左起第二行Y轴的第一列A为实心圆25，数值为1，即A＝1，第二位置及第三位置为空心圆24，数值为0，即B＝0及C＝0，将前述数值带入前式则白色格子22的坐标的计算方式如下：

X＝0*2⁰+1*2¹+1*2²＝6

Y＝1*2⁰+0*2¹+0*2²＝1

得到坐标(6,1)。因此，就可根据空心圆24及实心圆25的排列组合计算出坐标，获得白色格子22与编码校正板20校正坐标原点O预设的相对位置。

如图3所示，为本发明机器手臂的校正装置30的示意图。本发明机器手臂校正装置30包含视觉系统、机器手臂31、控制装置32及编码校正板20。其中，视觉系统包含设在机器手臂31上的EIH摄影机34。机器手臂31一端固定设在基座35上，具有特定的手臂参考坐标M，在机器手臂31另一端的活动端33固定EIH摄影机34，在手臂参考坐标M具有校正前的坐标。由于多关节的机器手臂31移动误差，使视觉系统存在定位误差，为了操控机器手臂31精确移位，机器手臂31需与视觉系统的EIH摄影机34进行定位校正。本发明校正装置30在准备校正时，将编码校正板20利用支撑架36固定在机器手臂31及EIH摄影机34的工作环境，并具有特定的校正参考坐标N，因此编码校正板20上的校正参考坐标原点相对校正参考坐标N的位置为已知。编码校正板20内各白色格子22，经由位置坐标编码，相对校正参考坐标N的位置也为已知。因机器手臂31的手臂参考坐标M及编码校正板20的校正参考坐标N，彼此距离固定，具有相对固定的坐标关系，所以能进行坐标转换。

本发明校正装置30进行校正时，利用控制装置32移动机器手臂31，带动EIH摄影机34接近编码校正板20，调整EIH摄影机34的焦距并撷取清晰的编码校正板20的局部影像26，并由焦距F获得与白色格子22的距离。再根据局部影像26中的白色格子22及方向圆23的方向坐标编码，通过白色格子22的位置坐标编码，取得白色格子22相对校正参考坐标N的预定坐标，因此由焦距F及白色格子22的预定坐标，即可获得EIH摄影机34相对校正参考坐标N的坐标。再利用校正参考坐标N对手臂参考坐标M坐标转换，就可判断出EIH摄影机34在手臂参考坐标M的正确坐标，与EIH摄影机34在手臂参考坐标M的校正前坐标比较，就可校正机器手臂31移动误差。

本发明机器手臂的校正装置30，虽可如前述，控制机器手臂移动EIH摄影机34至编码校正板20前的任一位置完成校正。但由于一般机器手臂受组装误差及本身重力的影响，移动误差并不均匀。因此，本发明机器手臂的校正装置30，基于利用编码校正板20不需太大空间移动机器手臂31的特性，可预设多个不同位置，撷取局部编码校正板的影像，多次进行校正，平均或适应不均匀移动误差，以达到提升机器手臂31的移动精确度的目的。

如图4所示，为本发明机器手臂的校正方法的流程图。本发明机器手臂的校正方法的详细步骤说明如下:首先在步骤R1，将编码校正板以预设坐标设在机器手臂的视觉系统的摄影范围内。进入步骤R2，调整视觉系统的焦距，撷取编码校正板影像。在步骤R3，根据撷取的编码校正板影像，计算编码校正板中坐标编码的定位，由坐标编码定位及焦距，进行视觉系统定位。在步骤R4，比较视觉系统的定位与在手臂参考坐标的校正前坐标，以校正机器手臂的移动误差。接着在步骤R5，检查是否进行预定校正次数，如否则进入步骤R7移动机器手臂至编码校正板另一预设坐标编码后，回到步骤R2继续校正不同位置，如已进行足够的校正次数，则进入步骤R6，适应不均匀移动误差，以完成机器手臂的校正。

因此，本发明机器手臂的校正装置，就可利用编码校正板由空心圆及实心圆排列组合的位置坐标编码，通过机器手臂的视觉系统，撷取编码校正板的任一位置坐标编码，使机器手臂不需撷取整个编码校正板的活动空间，以达到提高机器手臂设置空间的弹性的目的。并可进行多次校正，适应不均匀移动误差，达到提升机器手臂的移动精确度。

如图5所示，为本发明机器手臂的校正装置30定位视觉系统的示意图。本发明的机器手臂31视觉系统可包含固定在机器手臂31外部的ETH摄影机40，具有相对手臂参考坐标M固定的校正前坐标。ETH摄影机40用以撷取机器手臂31外部工作环境的影像，以监视机器手臂31的工作环境，以及引导机器手臂31的活动端33固定EIH摄影机34接近工件。接着利用EIH摄影机34撷取工件影像，经由控制装置32进行工件定位，使控制装置32根据手臂参考坐标M，控制机器手臂31，移动活动端33设置地夹取机构37夹取及组装工件。由于机器手臂31与视觉系统存在定位误差，为了精确夹取及组装工件，机器手臂31需分别与视觉系统的EIH摄影机34及ETH摄影机40进行定位校正，但无先后顺序。

本发明前已完成机器手臂31与EIH摄影机34的校正，接着进行机器手臂31与ETH摄影机40的校正。校正前先将机器手臂31的活动端33移离编码校正板20。将编码校正板20利用支撑架38固定在ETH摄影机40的摄影范围，并具有特定的校正参考坐标N，因此编码校正板20上校正参考坐标原点相对校正参考坐标N的位置为已知。编码校正板20内各白色格子22，经由位置坐标编码的定位，相对校正参考坐标N的位置也为已知。因机器手臂31的手臂参考坐标M及编码校正板20的校正参考坐标N，彼此距离固定，具有相对固定的坐标关系，所以能进行坐标转换。

本发明校正时，由ETH摄影机40聚焦撷取清晰的编码校正板20的影像，如果距离足够，ETH摄影机40可撷取编码校正板20的完整影像，比照现有技术进行ETH摄影机40的定位。假如距离不足够，ETH摄影机40仅能撷取编码校正板20的局部影像26，通过聚焦的焦距F及局部影像26中的位置坐标编码，获得校正参考坐标N的定位，再由固定距离的手臂参考坐标M转换，获得ETH摄影机40在手臂参考坐标M的坐标，以完成ETH摄影机40的定位，再与ETH摄影机40校正前坐标比较，校正ETH摄影机40与机器手臂31的误差。使机器手臂31与EIH摄影机34、ETH摄影机40无控制误差，以精确引导机器手臂31移动。

如图6所示，为本发明机器手臂对视觉系统校正方法的流程图。本发明机器手臂的校正方法的详细步骤说明如下:首先在步骤S1，将编码校正板上预设坐标固定在机器手臂、EIH摄影机及ETH摄影机的工作环境内。进入步骤S2，移动机器手臂至编码校正板。在步骤S3，根据EIH摄影机撷取的编码校正板影像，计算坐标编码，完成EIH摄影机的定位，以校正机器手臂。在步骤S4，移动机器手臂离开ETH摄影机的摄影范围。接着在步骤S5，根据ETH摄影机撷取的编码校正板影像，计算坐标编码定位ETH摄影机，以校正机器手臂。最后在步骤S6，完成校正机器手臂与ETH摄影机、EIH摄影机的定位误差。

因此，本发明的机器手臂的校正方法，就可利用编码校正板，分别定位机器手臂的ETH摄影机及EIH摄影机，校正机器手臂的移动误差，达到精确控制机器手臂移动的目的。以上所述者，仅为用以方便说明本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该多个优选实施例，凡依本发明所做的任何变更，在不脱离本发明的精神下，都属本发明申请专利的范围。

Claims (11)

1.一种机器手臂的校正装置，包含：

机器手臂，其一端固定设在基座，另一端设活动端；

视觉系统，与机器手臂具有相对的坐标，撷取机器手臂的工作环境影像；

控制装置，利用视觉系统撷取的影像，控制机器手臂的活动端移动；

编码校正板，固定在该视觉系统的摄影范围内，与机器手臂具有固定的相对坐标，编码校正板为棋盘格状，格子内标示坐标编码，表示相对编码校正板的方向及位置；

其中，视觉系统聚焦撷取局部编码校正板的坐标编码影像，定位视觉系统，以校正机器手臂的移动误差，其中该编码校正板棋盘的格子为黑色格子与白色格子相互间隔组成，在每一黑色格子内标示方向坐标编码，以表示相对编码校正板的方向，白色格子内标示位置坐标编码，以表示相对编码校正板的位置。

2.如权利要求1所述的机器手臂的校正装置，其中该视觉系统包含ETH摄影机与EIH摄影机，ETH摄影机固定在机器手臂的外部且不随该机器手臂运动，EIH摄影机固定在机器手臂的活动端。

3.如权利要求1所述的机器手臂的校正装置，其中该方向坐标编码在黑色格子内的上方左角，标示方向圆，以表示编码校正板校正坐标原点的方向。

4.如权利要求1所述的机器手臂的校正装置，其中该位置坐标编码在白色格子内设置空心圆及实心圆的编码圆排列组合而成，以表示白色格子相对编码校正板校正坐标原点的位置。

5.如权利要求4所述的机器手臂的校正装置，其中该白色格子内的编码圆，排成两行，第一行代表X轴以及第二行代表Y轴，每行各具有第一列A、第二列B及第三列C的编码圆，位置由下至上表示为2的0至2次方，该白色格子的坐标式为:

X＝A*2⁰+B*2¹+C*2²

Y＝A*2⁰+B*2¹+C*2²。

6.一种机器手臂的校正方法，其步骤包含：

将编码校正板以预设坐标固定在机器手臂的视觉系统的摄影范围内；

利用机器手臂的视觉系统聚焦撷取的局部编码校正板影像；

根据撷取的局部编码校正板影像及焦距，计算编码校正板坐标编码，定位视觉系统；

比较视觉系统的定位与校正前坐标；

校正机器手臂的移动误差，

其中该编码校正板棋盘的格子为黑色格子与白色格子相互间隔组成，在每一黑色格子内标示方向坐标编码，以表示相对编码校正板的方向，白色格子内标示位置坐标编码，以表示相对编码校正板的位置。

7.如权利要求6所述的机器手臂的校正方法，其中视觉系统为固定在机器手臂外部且不随该机器手臂运动的ETH摄影机。

8.如权利要求6所述的机器手臂的校正方法，其中视觉系统为固定在机器手臂上的EIH摄影机。

9.如权利要求6所述的机器手臂的校正方法，其中视觉系统包含ETH摄影机及EIH摄影机，分别依序完成ETH摄影机及EIH摄影机的定位校正。

10.如权利要求7所述的机器手臂的校正方法，其中校正后检查预定校正的次数不足，移动机器手臂撷取编码校正板不同的坐标编码，继续校正。

11.如权利要求10所述的机器手臂的校正方法，其中检查进行预定校正的次数足够时，平均移动误差，完成机器手臂的校正。