CN106355614B - 机械系统的校正及监测装置 - Google Patents

机械系统的校正及监测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN106355614B
CN106355614B CN201510982647.3A CN201510982647A CN106355614B CN 106355614 B CN106355614 B CN 106355614B CN 201510982647 A CN201510982647 A CN 201510982647A CN 106355614 B CN106355614 B CN 106355614B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensing unit
light sensing
correcting
loading plate
image data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510982647.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106355614A (zh
Inventor
张永融
王俊吉
胡竹生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Industrial Technology Research Institute ITRI
Original Assignee
Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from TW104136800A external-priority patent/TWI609750B/zh
Application filed by Industrial Technology Research Institute ITRI filed Critical Industrial Technology Research Institute ITRI
Publication of CN106355614A publication Critical patent/CN106355614A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106355614B publication Critical patent/CN106355614B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/90—Arrangement of cameras or camera modules, e.g. multiple cameras in TV studios or sports stadiums
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692—Calibration of manipulator
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras
    • G06T7/73—Determining position or orientation of objects or cameras using feature-based methods
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
    • H04N7/181—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast for receiving images from a plurality of remote sources
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39033—Laser tracking of end effector, measure orientation of rotatable mirror

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)

Abstract

本发明提供了一种机械系统的校正装置，该校正装置包含：一光发射器，用以发射出一光束；一光感测模块；以及一运算模块。该光感测模块包含：一承载板；以及多个光感测单元位于该承载板上，其中该多个光感测单元用于接收该光束并产生多个影像数据。其中该运算模块用以接收该多个影像数据，并输出一校正运动参数。

Description

机械系统的校正及监测装置
技术领域
本发明关于一种机械系统的校正及监测装置。
背景技术
随着自动化技术的进步，产业界开始采用以机器人系统为核心的智能自动化制造单元进行制造与组装商品，以提高产值与产品质量。机械手臂要导入焊接、切割、点胶以及组装等产业应用中，需能长期地保持可靠度以及高重复/绝对精准度，以满足制造质量需求。然而任何在机器人系统中发生的错误，包含机械手臂本体以及周边配备，都可能导致产线停摆，损失宝贵的生产时间。其中因长时间使用或维修造成的机械性偏移必须仰赖校正弥补，除了脱机式的校正，直接在产在线(in-line)校正能大量节省拆卸、搬运以及组装的时间与人力。但是经过调查，大部分的机器人制造商不提供绝对精度校正服务，或是只提供空运回原产地的校正服务，这样的作法耗时且费用庞大。目前仅有少数厂商能够在提供现场绝对精度校正服务，大部分还是需要将机械手臂自产线拆卸后送到原厂或空运到制造国。绝对精度校正服务难以普及的其中一个原因在于所需仪器设备价格高昂。产业链中缺乏这项技术服务，绝对精度校正成为高精度需求的产线之一大限制。
一般而言，机械手臂在出厂前的制造过程中会经过层层的把关与调校，达到高水平的绝对精度，因此到使用端的初期能以高精度作业，但在经过长时间使用后，机械性偏移导致精度难以保持，或是因为维修机械手臂(如：置换马达或齿轮组)造成精度偏差。绝对精度校正能弥补这方面的问题，确保机械手臂在要求的精度范围中，因而能加强在产线中的可靠度。
发明内容
本发明的一实施例提供一种机械系统的校正装置，该校正装置包含：一光发射器，用以发射出一光束；一光感测模块；以及一运算模块。该光感测模块包含：一承载板；以及多个光感测单元位于该承载板上，其中该多个光感测单元用于接收该光束并产生多个影像数据。其中该运算模块用以接收该多个影像数据，并输出一校正运动参数。
本发明的一实施例提供一种机械系统的校正方法，该校正方法包括：发射一光束；接收该光束并且转换为多个影像数据；以及分析该多个影像数据与相对应运动命令之间的多个偏移量，使得产生一校正运动参数。
附图说明
图1是根据一些实施例说明机械系统与光感测模块的装置示意图。
图2是根据一些实施例说明校正装置的操作方法流程图。
图3是根据一些实施例说明光感测模块的放大示意图。
图4是根据一些实施例说明光感测模块的放大示意图。
图5是根据一些实施例说明光感测模块的放大示意图。
图6是根据一些实施例说明光感测模块的放大示意图。
图7是根据一些实施例说明光感测模块的放大示意图。
图8是根据一些实施例说明光感测模块的放大示意图。
图9是根据一些实施例说明配置光学屏蔽后的投影图样示意图。
图10是根据一些实施例说明配置光学屏蔽后的投影图样示意图。
图11是根据一些实施例说明配置光学屏蔽后的投影图样示意图。
附图标记说明
10机械系统 11机械手臂
12基座 13运算模块
15控制器
17第一端 18第二端
20关节 21关节
30校正装置 31发射器
35光感测模块 36壳体
37、38、39、40光感测单元 41承载板
45光束 47光学屏蔽
50光感测模块 51壳体
53、54、55、56光感测单元 58承载板
60光感测模块 61壳体
63、64、65、66光感测单元 68承载板
70光感测模块 71壳体
73、74、75、76光感测单元 78承载板
79、80凸块 90光感测模块
91壳体 92、93、94、95光感测单元
96承载板 97、98、99、100凸块
110光感测模块 111壳体
112、113、114、115光感测单元
116、117、118、119倾斜承载板
131十字投影 132、133条带
135交叉点 142椭圆投影
143焦点 151相对三角形
153、155三角形 154、156角
157空隙
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施例提供一机械手臂精度校正与监测的装置与方法，提供机械手臂制造商于机械手臂出厂前以及产线中校正之用，补偿因制造或组装误差造成的精度偏差，并且解决校正装置成本过高的问题；此外，本装置也可作为生产在线机械手臂精度监测的用途，达成确保机器手臂位置绝对精度的功效。
图1为根据一些实施例说明机械系统10与光感测模块35的装置示意图，一机械系统10包含机械手臂11、基座12、控制器15、马达等部分。机械手臂11具有第一端17、第二端18、关节20、关节21。第一端17连接基座12；第二端18能随用户的需求，装配功能性组件例如激光、点胶头、焊接、切割、夹取等组件。关节20、21能提供机械手臂11旋转动作，并且作为机械手臂11的力臂之间的连接；随着各种机械手臂的设计，可能有不同数量的关节与力臂，并不在本实施例的限制。基座12为一可旋转的底座或一固定的底座。控制器15连接机械手臂11，并且控制器15包含处理器、内存及内建运算软件等组件，用来控制机械手臂11的动作。
同一实施例中，如第1图所示，校正装置30包含光发射器31、运算模块13以及光感测模块35。运算模块13可位于壳体36的内部或是配置于壳体36的外部，运算模块13包含处理器(CPU)、内存及内建运算软件等。光感测模块35包含壳体36以及光感测单元37、38、39、40。光感测单元37、38、39、40位于壳体36的承载板41上，使得光感测单元37、38、39、40的感测表面朝向外部，光感测单元37、38、39、40与运算模块13电性连接。光发射器31为一发光组件例如：激光、发光二极管(light emitting diode,LED)等组件。特别地，光感测单元37、38、39、40为二维图像传感器，例如电荷耦合组件(charge-coupled device,CCD)、互补式金属-氧化层-半导体的影像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor imagesensor,CMOS image sensor)等。光感测单元37、38、39、40能接收光发射器31所投射的光束45，并且将光束45的投影图像或投影点转化为电子信号。此外，光感测模块35能连接控制器15，运算模块13处理影像的电子信号后，透过联机将电子信号传输给控制器15，联机的方式例如：以外接传输线方式连接光感测模块35和控制器15；或是将电子信号暂时储存于光感测模块35内的内存，利用USB随身碟连接光感测模块35上的USB(Universal Serial Bus)端子并将电子信号存取，在将USB随身碟内的电子信号转移到控制器15；或是利用无线通信方式，将暂时储存于光感测模块35内的电子信号传送到控制器15。
在另一实施例中，光感测单元的数量为至少两个以上。在另一实施例中，光感测单元的数量为2N个，N为一正整数。在另一实施例中，光感测单元的数量为3N个，N为一正整数。在实际操作中，可以发现多个光感测单元可以获得较佳的校正结果，以确保机械手臂11的精度落在合理范围。
特别地，在一实施例中，校正装置30另包含光学屏蔽47，光束45穿透光学屏蔽47造成干涉、绕射或遮蔽等物理特性，而产生二维特征图案(后续详述)，光感测单元37、38、39、40接收光学屏蔽47所造成的二维特征图案或是几何图形的投影，二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据。
在一实施例中，操作者可选择不挂上光学屏蔽47，此时凭借着光束45原本的点状特性，投射于光感测单元37、38、39、40，以此取得一影像数据。
图2是根据一些实施例说明校正装置30的操作方法流程图。首先，将光感测模块35电性连接至控制器15，并且将光感测模块35放置在机械手臂11的旁邊。在步骤120中，将光发射器31安装于第二端18，并且通过螺丝或夹具将光发射器31固定。在一实施例中，进一步放置一光学屏蔽47于该光发射器31的发射端，使得光束45穿透光学屏蔽47造成干涉、绕射或遮蔽等物理特性，而产生二维特征图案或是几何图形的投影。在步骤121中，由外部输入一指令到控制器15中，该指令为用户手动输入指令让机械手臂11移动到某一角度或位置，使得光发射器31的光束45投射至光感测单元37上。在另一实施例中，运算模块13内建移动指令并输出给控制器15，让机械手臂11自行移动到某一角度或位置，使得光发射器31的光束45投射至光感测单元37上。在步骤122中，光感测单元37感测光束45的投影，光感测单元37上被照射的像素(pixel)转换为一第一影像数据Xmeasure1，第一影像数据Xmeasure1为单个位置点或是多个位置点集合。在一实施例中，光感测单元37接收光学屏蔽47所造成的二维特征图案或是几何图形的投影，二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置例如选择直角、交叉点、空隙、长短轴、端点等，以此取得更精确的影像数据，故第一影像数据Xmeasure1为二维特征图案的多个位置点集合。在步骤123中，运算模块13记录机械手臂11的第一运动命令Xpoint1，第一运动命令Xpoint1也代表投影点或投影图案在量测设备(为光感测模块35)坐标系中的三维位置。第一运动命令Xpoint1的推导说明如下，多转轴机械手臂运动学模型为一矩阵函式：
X为机械手臂11的第二端18位置，X并且为一三维度坐标；Ψ为机械手臂11末端的旋转角度，也为三维度的表示；θ为机械手臂11上的所有关节角度；ηrobot为机械手臂11本身的六维空间转换参数，简言之为一机械手臂11的运动学参数。本实施例中，以光感测模块35量测，机械手臂11的光束45投射在光感测单元37上的投影点或投影图案位置几何函式可以表示为：
Xpoint1＝G(ηemitter,ηsenser-robot,F(ηrobot,θ)) (2)
第一运动命令Xpoint1为光束45投射在光感测单元37上的投影点或投影图案位置，换言之，Xpoint1为该投影点或投影图案在量测设备坐标系(在此为光感测模块35的坐标系)中的三维位置；ηemitter为光发射器31固定于机械手臂11第二端18的三维位置与方向；ηsensor-robot为机械手臂11与光感测模块35之间的六维空间转换参数；F(ηrobot,θ)为机械手臂11运动学模型，ηrobot为机械手臂11本身的六维空间转换参数，θ为机械手臂11上的所有关节角度。在步骤124中，由外部输入一指令到控制器15中让该机械手臂11移动到某一角度或位置，使得光发射器31的该光束45投射至光感测单元38上。在步骤125中，光感测单元38感测光束45的投影，光感测单元38上被照射的像素(pixel)转换为一第二影像数据Xmeasure2，第二影像数据Xmeasure2为单个位置点或是多个位置点集合。在一实施例中，光感测单元38接收光学屏蔽47所造成的二维特征图案或是几何图形的投影，二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据，故第二影像数据Xmeasure2为二维特征图案的多个位置点集合。在步骤126中，运算模块13记录机械手臂11的第二运动命令Xpoint2，第二运动命令Xpoint2也代表投影点或投影图案在光感测模块35的坐标系中的三维位置，第二运动命令Xpoint2的数学表示方法等同上述函数(2)所示。在步骤127中，运算模块13将第一运动命令Xpoint1和第一影像数据Xmeasure1的误差求出，该误差ΔX1(也可称为偏移量)可由以下数学式表示：ΔX1＝Xmeasure1-Xpoint1。该误差ΔX1代表实际量测到的投影点或投影图案位置和机械手臂11本身预测的位置点不相符合，而产生一个二维的误差值。同样地，运算模块13将第二运动命令Xpoint2和第二影像数据Xmeasure2的误差求出，该误差ΔX2(也可称为偏移量)可由以下数学式表示：ΔX2＝Xmeasure2-Xpoint2。如此分析该第一、二影像数据Xmeasure1、Xmeasure2与该第一、二运动命令Xpoint1、Xpoint2的差异ΔX1、ΔX2。运算模块13通过数值方法调整ηemitter、ηrobot、ηsensor-robot等运动参数，使得误差ΔX1、ΔX2能最小化并且趋近于零，经过运算后取得一最佳的校正后运动参数η’emitter、η’robot、η’sensor-robot，该校正运动参数能同时地降低该第一影像数据Xmeasure1与该第一运动命令Xpoint1之间的偏移量ΔX1、该第二影像数据Xmeasure2与该第二运动命令Xpoint2之间的偏移量ΔX2。在步骤128中，透过外接连线将校正后运动参数传输给控制器15；或是利用USB随身碟将校正后运动参数存取，并且将校正后运动参数转移到控制器15；或是利用无线通信方式，将校正后运动参数传送到控制器15。如此控制器15接收校正后运动参数η’emitter、η’robot、η’sensor-robot，进一步代入并修改机械手臂11的运动命令Xpoint，如此能完成校正程序。后续机械手臂11的实际投影点或投影图案位置和机械手臂11本身预测的位置点相符合，使得机械手臂11的第二端18预测的三维位置趋近于第二端18实际的三维位置。故校正装置30能提供机械手臂制造商于手臂出厂前校正之用，补偿因制造或组装误差造成的精度偏差，并能让机械手臂使用者于工厂中定期校正机械手臂。
在一实施例中，机械手臂11校正前的精度数据如下：
结果(单位：mm) X Y Z 长度
取样点数 100 100 100 100
最大误差 3.1 2.65 3.48 3.59
RMS误差 1.2 0.76 1.29 1.88
表A
上述精度数据是由激光追踪仪来测量，对机械手臂11工作区域中在100个不同位置下进行取样，可以得知X轴向具有最大误差值为3.1mm，方均根误差值为1.2mm；Y轴向具有最大误差值为2.65mm，方均根误差值为0.76mm；Z轴向具有最大误差值为3.48mm，方均根误差值为1.29mm；对长度(距离)的量测具有最大误差值为3.59mm，方均根误差值为1.88mm。经过本发明校正装置30的校正操作,此次实验所采用的光感测模块为3个光传感器所组成,移动机械手臂对每个传感器分别在45个不同的姿态下投射光束于传感器，共135个运动命令，校正后再次用激光追踪仪测量精度数据，可以得到以下结果：
结果(单位：mm) X Y Z 长度
取样点数 100 100 100 100
最大误差 0.54 0.38 0.6 0.65
RMS误差 0.2 0.13 0.24 0.34
表B
对机械手臂11工作区域中在100个不同位置下进行取样，可以得知X轴向具有最大误差值为0.54mm，方均根误差值为0.2mm；Y轴向具有最大误差值为0.38mm，方均根误差值为0.13mm；Z轴向具有最大误差值为0.6mm，方均根误差值为0.24mm；对长度(距离)的量测具有最大误差值为0.65mm，方均根误差值为0.34mm。由表A、B来看，可以得知机械手臂11经过校正装置30的校正操作后，各轴向X、Y、Z以及长度(距离)的误差程度大幅下降，使得机械手臂11的精度能提升，足以显示校正装置30的功效。
在一实施例中，如第1图所示，由外部输入一指令到控制器15中，移动机械手臂11使得光发射器31的光束45投射至光感测单元37、38、39、40上，特别地，对每一个光感测单元作单一次光束投射动作，换言之，每个光感测单元仅有一个影像数据对应一个运动命令，详细操作过程如下。光感测单元37、38、39、40感测光束45的投影，光感测单元37、38、39、40上被照射的像素(pixel)分别转换为影像数据Xmeasure11、Xmeasure12、Xmeasure13、Xmeasure14，各影像数据为单个位置点或是多个位置点集合。在一实施例中，光感测单元37、38、39、40接收光学屏蔽47所造成的二维特征图案或是几何图形的投影，二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据，故各影像数据Xmeasure11、Xmeasure12、Xmeasure13、Xmeasure14系为二维特征图案的多个位置点集合。运算模块13分别记录机械手臂11的运动命令Xpoint11、Xpoint12、Xpoint13、Xpoint14，各运动命令代表投影点或投影图案在光感测模块35的坐标系中的三维位置，各运动命令的数学表示方法等同上述函数(2)所示。运算模块13将影像数据Xmeasure11、Xmeasure12、Xmeasure13、Xmeasure14和运动命令Xpoint11、Xpoint12、Xpoint13、Xpoint14的误差求出，该误差ΔX11、ΔX12、ΔX13、ΔX14(也可称为偏移量)可由以下数学式表示：ΔX1n＝Xmeasure1n-Xpoint1n。该误差ΔX1n代表实际量测到的投影点或投影图案和机械手臂11本身预测的位置点不相符合，而产生一个二维的误差值。运算模块13通过数值方法调整ηemitter、ηrobot、ηsensor-robot等运动参数，使得误差ΔX11、ΔX12、ΔX13、ΔX14能最小化并且趋近于零，经过运算后取得一最佳的校正后运动参数η’emitter、η’robot、η’sensor-robot。透过外接连线或其他方式将校正后运动参数传输给控制器15。如此控制器15接收校正后运动参数η’emitter、η’robot、η’sensor-robot，进一步代入并修改机械手臂11的运动命令Xpointn，如此能完成校正程序。
在一实施例中，如图1所示，由外部输入一指令到控制器15中，移动机械手臂11使得光发射器31的光束45投射至光感测单元37、38上，特别地，对各光感测单元37、38作多次光束投射动作，换言之，每个光感测单元有多个影像数据对应多个运动命令，在一实施例中，多个运动命令为运算模块13内建移动指令，多个运动命令由运算模块13输出给控制器15中，让机械手臂11自行移动到多个角度或位置，使得光发射器31的光束45投射至光感测单元37、38上；在一实施例中，多个运动命令为用户手动输入指令给控制器15，让机械手臂11移动到多个角度或位置，使得光发射器31的光束45投射至光感测单元37、38上，详细操作过程如下。光感测单元37感测光束45的投影，光感测单元37上被照射的像素(pixel)转换为影像数据Xmeasure21，影像数据为单个位置点或是多个位置点集合。运算模块13记录机械手臂11的运动命令Xpoint21，运动命令代表投影点或投影图案在光感测模块35的坐标系中的位置，运动命令的数学表示方法等同上述函数(2)所示。在同一光感测单元37下，进行机械手臂11的另一姿态投射但是仍然投影在光感测单元37上，例如改变机器手臂11的关节20、21角度；改变光束45与光感测单元37表面之间的夹角；改变光感测模块35与第二端18的相对位置等方式，再次记录影像数据Xmeasure22与运动命令Xpoint22。此外，对光感测单元37进行多个不同姿态的投射，并且记录下影像数据Xmeasure2n与运动命令Xpoint2n。运算模块13将各影像数据Xmeasure2n和相对应的运动命令Xpoint2n的误差求出，误差ΔX2n(也可称为偏移量)可由以下数学式表示：ΔX2n＝Xmeasure2n-Xpoint2n(n为一正整数)。进一步对光感测单元38进行多个不同姿态的投射，并且记录下影像数据Xmeasure3n与运动命令Xpoint3n。在一实施例中，光感测单元37、38接收光学屏蔽47所造成的二维特征图案或是几何图形的投影，二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据，故各影像数据Xmeasure2n、Xmeasure3n为二维特征图案的多个位置点集合。运算模块13将各影像数据Xmeasure3n和相对应的运动命令Xpoint3n的误差求出，误差ΔX3n(也可称为偏移量)可由以下数学式表示：ΔX3n＝Xmeasure3n-Xpoint3n。运算模块13通过数值方法调整ηemitter、ηrobot、ηsensor-robot等运动参数，使得误差ΔX2n与ΔX3n能最小化并且趋近于零，经过运算后取得一最佳的校正后运动参数η’emitter、η’robot、η’sensor-robot。透过外接连线或其他方式将校正后运动参数传输给控制器15。如此控制器15接收校正后运动参数η’emitter、η’robot、η’sensor-robot，进一步代入并修改机械手臂11的运动命令Xpointn，如此能完成校正程序。
在一实施例中，校正装置30可适用于产在线监测机械手臂11精度飘移的情况，在长时间的生产下，机械手臂11可能因为金属疲劳、作动马达、转轴的劣化而有第二端18位置的误差。在生产中，导入校正装置30的在线监控，光感测单元37、38、39、40撷取光发射器31的投影，记录下投影位置与图形的影像数据与机械手臂11的运动命令。运算模块13将各影像数据和相对应的运动命令之间的误差求出，其误差例如位置偏移或角度偏移，特别地，当误差超出一预定精度范围或是一上限值或临界值时(可以预先设定一预定精度临界值)，光感测模块35将输出一警戒信号，并将该警戒信号传输给控制器15，让控制器15与使用者得以监测机械手臂11的精准度，其中警戒信号可转换为屏幕上的警戒显示；或转换为一发光二极管灯号。在一实施例中，光感测模块35另包含一蜂鸣器电性连接运算模块13，当误差(或偏移量)超出一预定精度范围或是一上限值时，蜂鸣器将启动，告知使用者机械手臂11的精准度已超出可生产范围。特别地，在一实施例中，在线监测的应用之下，校正装置30可搭配光学屏蔽47，将光学屏蔽47配置于光发射器31，光束45穿透光学屏蔽47造成干涉、绕射或遮蔽等物理特性，而产生二维特征图案或是几何图形的投影，光感测单元37、38、39、40接收光学屏蔽47所造成的二维特征图案或是几何图形的投影，二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据，如此将有助于误差的监控，确保精度在合理的范围内。
在一实施例中，校正装置30可包含多个光发射器(未示出)，例如配置两个光发射器于图1的第二端18，其中两个光发射器之发射光束夹一已知角度。操作时，将两个光发射器的光束对准光感测模块35其中两个光感测单元37、38，纪录此时光感测单元37、38的影像数据和机械手臂11的运动命令；再将两个光发射器的光束对准光感测模块35其中两个光感测单元39、40，纪录此时光感测单元39、40的影像数据和机械手臂11的运动命令。运算模块13将各影像数据和相对应的运动命令的误差求出，运算模块13通过数值方法调整运动参数，使得误差能最小化并且趋近于零，经过运算后取得一最佳的校正后运动参数。
图3是根据一些实施例说明光感测模块35的放大示意图。特别地，光感测单元37、38、39、40呈数组排列，彼此不相连，并且互相分离为一特定距离，已知的特定距离纪录在运算模块13中，便于运算模块13对影像数据和相对应的运动命令的误差运算。此外，光感测单元37、38、39、40镶嵌于壳体36，详言之，各光感测单元37、38、39、40的感测表面与承载板41为一相同或近似的水平面。另外，光感测单元的数量并不在本实施例的限制。壳体36的材料是由一低膨胀系数的材料或金属所制造，以此防止壳体36因为温度变化而膨胀或收缩。
图4是根据一些实施例说明光感测模块50的放大示意图。光感测模块50包含壳体51以及光感测单元53、54、55、56。光感测单元53、54、55、56位于壳体51的承载板58上，使得光感测单元53、54、55、56的感测表面朝向外部，光感测单元53、54、55、56与运算模块13电性连接。光感测单元53、54、55、56的尺寸为11.3mm*11.3mm的正方形，分辨率(resolution)为2048*2048。壳体51的承载板58为27公分乘以27公分的正方形平面，特别地，光感测单元53、54、55、56配置于承载板58的各个角落。光感测单元53、54、55、56镶嵌于壳体51，详言之，各光感测单元53、54、55、56的感测表面与承载板58为一相同或近似的水平面。另外，光感测单元的数量并不在本实施例的限制。
图5是根据一些实施例说明光感测模块60的放大示意图。光感测模块60包含壳体61以及光感测单元63、64、65、66。光感测单元63、64、65、66位于壳体61的承载板68上，使得光感测单元63、64、65、66的感测表面朝向外部，光感测单元63、64、65、66与运算模块13电性连接。特别地，光感测单元63、64、65、66配置于靠近或是相连承载板68的各个周边。光感测单元63、64、65、66镶嵌于壳体61，详言之，各光感测单元63、64、65、66的感测表面与承载板68为一相同或近似的水平面。另外，光感测单元的数量并不在本实施例的限制。
图6是根据一些实施例说明光感测模块70的放大示意图。光感测模块70包含壳体71以及光感测单元73、74、75、76。光感测单元73、74、75、76的感测表面朝向外部，光感测单元73、74、75、76与运算模块13电性连接。特别地，光感测单元73、74的感测表面高度高于壳体71的承载板78的高度，此外，光感测单元73、74的感测表面平行于承载板78，光感测单元73、74的下方为壳体71延伸出来的凸块79、80，凸块79、80位于承载板78的上方，用以垫高光感测单元73、74，凸块79、80的高度互不相同；光感测单元75、76的感测表面高度低于承载板78的高度，此外，光感测单元75、76的感测表面平行于承载板78，光感测单元75、76配置在壳体71凹入的底部，凹入的深度不相同。另外，光感测单元的数量、高度与深度并不在本实施例的限制。
图7是根据一些实施例说明光感测模块90的放大示意图。光感测模块90包含壳体91以及光感测单元92、93、94、95。光感测单元92、93、94、95的感测表面朝向外部，光感测单元92、93、94、95系与运算模块13电性连接。特别地，光感测单元92、93、94、95的感测表面配置为一倾斜面相异于壳体91的承载板96，光感测单元92、93、94、95的下方为壳体91延伸出来的凸块97、98、99、100，凸块97、98、99、100位于承载板96之上，用以垫高光感测单元92、93、94、95，凸块97、98、99、100上表面的倾斜程度不相同，使得光感测单元92、93、94、95的彼此感测表面的各法向量互异，并且各法向量相异于承载板96的法向量。换言之，光感测单元92、93、94、95的感测表面朝向不同的方向。另外，光感测单元的数量并不在本实施例的限制。
图8是根据一些实施例说明光感测模块110的放大示意图。光感测模块110包含壳体111以及光感测单元112、113、114、115。光感测单元112、113、114、115的感测表面朝向外部，光感测单元112、113、114、115与运算模块13电性连接。特别地，壳体111具有四个倾斜承载板116、117、118、119，光感测单元112、113、114、115分别配置在各个倾斜承载板116、117、118、119的上方，各个倾斜承载板的倾斜程度不相同并且具有不同的法向量，使得光感测单元112、113、114、115的感测表面的各法向量互异，换言之，光感测单元112、113、114、115的感测表面朝向不同的方向。另外，光感测单元的数量、高度与深度并不在本实施例的限制。
上述不同位置、数量、角度、平面高度的光感测单元造成机械手臂11投影时的作动差异，能增加机械手臂11的作动样态，以此撷取更多组运动命令与投影位置，经过数值方法缩小误差值后，能有效提升校正后机械手臂11的精准度。
图9是根据一些实施例说明配置光学屏蔽后的投影图样示意图。在一实施例中，在校正之前，将一光学屏蔽配置于光发射器31之发射端，此时光发射器31为一激光单元或发光二极管，光发射器31发出的光束经过光学屏蔽后，因为光学的干涉、绕射或遮蔽等物理特性而产生特征图案或是几何图形的投影，特别地，此光学屏蔽能产生十字投影131的光学组件，十字投影131的图样如图9所示，条带132和条带133呈现正交，交叉点135并非在于条带132的中央点或条带133的中央点，使得十字投影131为一非对称的十字，如此能增加投影图案的特征性。十字投影131能提供一具有特色的图样，用来提升本发明光感测模块的精确度，例如撷取十字中心点(在此为交叉点135)、角落点或条带132、133的端点做为影像数据与运动命令的校正参考点。如本实施例的二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此以取得更精确的影像数据。
图10是根据一些实施例说明配置光学屏蔽后的投影图样示意图。在一实施例中，在校正之前，将一光学屏蔽配置于光发射器31之发射端，此时光发射器31为一激光单元或发光二极管，光发射器31发出的光束经过光学屏蔽后，因为光学的干涉、绕射或遮蔽等物理特性而产生特征图案或是几何图形的投影，特别地，光学屏蔽能产生椭圆投影142的光学组件，椭圆投影142的图样如第10图所示。椭圆投影142能提供一具有特色的图样，用来提升本发明光感测模块的精确度，例如撷取椭圆投影142的焦点143做为影像数据与运动命令的校正参考点。如本实施例的二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据。
图11根据一些实施例说明配置光学屏蔽后的投影图样示意图。在一实施例中，在校正之前，将一光学屏蔽配置于光发射器31的发射端，此时光发射器31为一激光单元或发光二极管，光发射器31发出的光束经过光学屏蔽后，因为光学的干涉、绕射或遮蔽等物理特性而产生特征图案或是几何图形的投影，特别地，光学屏蔽具能产生相对三角形151图样的光学组件，相对三角形151图样如图10所示，三角形153的其中一角154对准三角形155的一角156，角154与角156相距一空隙157。相对三角形151图样能提供一具有特色的图样，用来提升本发明光感测模块的精确度，例如撷取相对三角形151的角154、角156或两角之间的空隙157做为影像数据与运动命令的校正参考图样。如本实施例的二维特征图案或是几何图形的投影将提供更佳的辨识图样，使得运算模块13可清楚地定位参考位置，以此取得更精确的影像数据。
总结，本发明提供一机械手臂精度校正与监测的装置与方法，提供机械手臂制造商于手臂出厂前校正之用，补偿因制造或组装误差造成的精度偏差，并能让机械手臂使用者于工厂中定期校正机械手臂，解决机械手臂长时间使用后，机械性偏移导致精度难以保持，或是因为维修机械手臂(如：置换马达)造成精度偏差的问题。本发明校正装置能弥补这方面的问题，确保机械手臂在要求的精度范围中，因而能加强在产线中的可靠度。此外，本发明校正装置也适用于产在线监测机械手臂精度飘移的情况。本发明校正装置以低成本的校正装置达成高精度的校正；满足于客户端甚至是直接在产在线校正机械手臂绝对精度的需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种机械系统的校正装置，其特征在于，该校正装置包含：
一光发射器，用以发射出一光束；
一光感测模块，该光感测模块包含：
一承载板；以及
多个光感测单元位于该承载板上，其中该多个光感测单元用于接收该光束并产生多个影像数据；
一运算模块，其中该运算模块用以接收该多个影像数据，并输出一校正运动参数；以及
一控制器，依据该校正运动参数修改一运动命令，以同时地降低该多个影像数据与相对应运动命令之间的偏移量。
2.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元配置为数组排列。
3.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元中的各个光感测单元配置于该承载板的各个周边。
4.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元中的各个光感测单元配置于该承载板的各个角落。
5.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元的至少一光感测单元的感测表面高度低于该承载板的高度。
6.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元的至少一光感测单元的感测表面高度高于该承载板的高度。
7.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元的至少一光感测单元的感测表面配置为一倾斜面并且相异于该承载板。
8.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该承载板包含至少一倾斜面并且相异于水平面。
9.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该多个光感测单元中的各个光感测单元为二维图像传感器。
10.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该光发射器为一激光单元或发光二极管(LED)。
11.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，进一步包含：
一光学屏蔽位于该光发射器的一发射端。
12.如权利要求11所述的校正装置，其特征在于，该光学屏蔽为能产生几何图形投影的光学组件。
13.如权利要求11所述的校正装置，其特征在于，该光学屏蔽为能产生十字投影的光学组件。
14.如权利要求11所述的校正装置，其特征在于，该光学屏蔽为能产生椭圆投影的光学组件。
15.如权利要求11所述的校正装置，其特征在于，该光学屏蔽为能产生相对三角形图样的光学组件。
16.一种机械系统的校正方法，其特征在于，该校正方法包括：
发射一光束；
接收该光束并且转换为多个影像数据；以及
分析该多个影像数据与相对应运动命令之间的多个偏移量，产生一校正运动参数；以及
经由一控制器依据该校正运动参数修改一运动命令，以同时地降低该多个影像数据与该相对应运动命令之间的该多个偏移量。
17.如权利要求16所述的校正方法，进一步包含：
设定一预定精度临界值；以及
监测该多个偏移量是否超越该预定精度临界值。
CN201510982647.3A 2015-07-14 2015-12-24 机械系统的校正及监测装置 Active CN106355614B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562192069P 2015-07-14 2015-07-14
US62/192,069 2015-07-14
TW104136800 2015-11-09
TW104136800A TWI609750B (zh) 2015-07-14 2015-11-09 用於機械系統校正及監測的裝置與方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106355614A CN106355614A (zh) 2017-01-25
CN106355614B true CN106355614B (zh) 2019-05-31

Family

ID=57776465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510982647.3A Active CN106355614B (zh) 2015-07-14 2015-12-24 机械系统的校正及监测装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10547796B2 (zh)
CN (1) CN106355614B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170095929A1 (en) * 2015-10-06 2017-04-06 General Electric Company System for checking calibration of a robotic multi-axis machine
CN109381189B (zh) * 2017-08-04 2021-07-30 适着三维科技股份有限公司 校准设备
TWI653130B (zh) * 2017-12-05 2019-03-11 財團法人工業技術研究院 機械手臂的校正裝置及其校正方法
JP7161857B2 (ja) 2018-03-14 2022-10-27 オムロン株式会社 情報処理装置、情報処理方法、及びプログラム
CN110682285A (zh) * 2018-07-06 2020-01-14 康硕电子(苏州)有限公司 机械手臂校正系统以及校正方法
KR20200032442A (ko) * 2018-09-18 2020-03-26 한국전자통신연구원 자기보정이 가능한 3차원 정보 생성 장치 및 방법
TWI748626B (zh) * 2020-08-31 2021-12-01 財團法人工業技術研究院 工具中心點的校正方法、機械手臂的教導方法及應用其之機械手臂系統

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI306281B (en) * 2005-12-21 2009-02-11 Taiwan Semiconductor Mfg On-line wafer and robot position correcting system
TW201144003A (en) * 2010-02-17 2011-12-16 Applied Materials Inc A method for imaging workpiece surfaces at high robot transfer speeds with correction of motion-induced distortion
CN102485441A (zh) * 2010-12-03 2012-06-06 财团法人工业技术研究院 机械手臂的定位方法及校正方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4788440A (en) 1981-05-11 1988-11-29 Diffracto Ltd. Electro-optical systems for control of robots, manipulator arms and coordinate measuring machines
FR2696969B1 (fr) 1992-10-21 1995-01-06 Univ Joseph Fourier Procédé d'étalonnage d'un robot.
JPH10503279A (ja) 1994-07-08 1998-03-24 フォースクニングスセンター・リセー 光学的測定方法および装置
SE508161C2 (sv) 1995-03-30 1998-09-07 Asea Brown Boveri Förfarande och anordning för kalibrering av rörelseaxlar hos en industrirobot
JPH10242617A (ja) * 1997-02-28 1998-09-11 Murata Mfg Co Ltd セラミックグリーンシートの加工方法及びレーザ加工装置
US6044308A (en) 1997-06-13 2000-03-28 Huissoon; Jan Paul Method and device for robot tool frame calibration
US7127420B1 (en) * 1997-08-01 2006-10-24 Financial Systems Technology (Intellectual Property) Pty. Ltd. Data processing system for complex pricing and transactional analysis
AU9223298A (en) 1997-09-04 1999-03-22 Dynalog, Inc. Method for calibration of a robot inspection system
US7800758B1 (en) 1999-07-23 2010-09-21 Faro Laser Trackers, Llc Laser-based coordinate measuring device and laser-based method for measuring coordinates
WO2006055770A2 (en) 2004-11-19 2006-05-26 Dynalog, Inc. Robot cell calibration
JP4267005B2 (ja) 2006-07-03 2009-05-27 ファナック株式会社 計測装置及びキャリブレーション方法
WO2008107715A2 (en) 2007-03-05 2008-09-12 Absolute Robotics Limited Determining positions
WO2009059323A1 (en) * 2007-11-01 2009-05-07 Rimrock Automation, Inc. Dba Wolf Robotics A method and system for finding a tool center point for a robot using an external camera
JP4763074B2 (ja) 2009-08-03 2011-08-31 ファナック株式会社 ロボットのツール先端点の位置の計測装置および計測方法
US9151607B2 (en) 2010-05-31 2015-10-06 University Of North Carolina At Charlotte Dimensional measurement through a combination of photogrammetry and optical scattering
TWI404609B (zh) 2010-10-21 2013-08-11 Ind Tech Res Inst 機械手臂系統參數的校正方法與校正裝置
JP6021533B2 (ja) 2012-09-03 2016-11-09 キヤノン株式会社 情報処理システム、装置、方法及びプログラム
EP2722136A1 (en) 2012-10-19 2014-04-23 inos Automationssoftware GmbH Method for in-line calibration of an industrial robot, calibration system for performing such a method and industrial robot comprising such a calibration system
US9456134B2 (en) * 2013-11-26 2016-09-27 Pelican Imaging Corporation Array camera configurations incorporating constituent array cameras and constituent cameras

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI306281B (en) * 2005-12-21 2009-02-11 Taiwan Semiconductor Mfg On-line wafer and robot position correcting system
TW201144003A (en) * 2010-02-17 2011-12-16 Applied Materials Inc A method for imaging workpiece surfaces at high robot transfer speeds with correction of motion-induced distortion
CN102485441A (zh) * 2010-12-03 2012-06-06 财团法人工业技术研究院 机械手臂的定位方法及校正方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106355614A (zh) 2017-01-25
US10547796B2 (en) 2020-01-28
US20170019611A1 (en) 2017-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106355614B (zh) 机械系统的校正及监测装置
CN108818536B (zh) 一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法及装置
CN107073719B (zh) 机器人和机器人系统
US10737387B2 (en) Robot arm calibration device and method thereof
TWI609750B (zh) 用於機械系統校正及監測的裝置與方法
CN107972071B (zh) 一种基于末端点平面约束的工业机器人连杆参数标定方法
CN111781894B (zh) 利用机器视觉进行装配工具空间定位及姿态导航的方法
US20080252248A1 (en) Device and Method for Calibrating the Center Point of a Tool Mounted on a Robot by Means of a Camera
US10611032B2 (en) Measurement system
JP5618770B2 (ja) ロボットの校正装置および校正方法
CN112917513A (zh) 一种基于机器视觉的三维点胶针头的tcp标定方法
CN104819707A (zh) 一种多面体主动光标靶
TWM530737U (zh) 機器人校正系統
CN109631764B (zh) 基于RealSense相机的尺寸测量系统及方法
CN105865341A (zh) 工业机器人空间位姿重复定位精度测量装置和方法
KR101972432B1 (ko) 레이저비전 센서 및 그 보정방법
CN114670199B (zh) 识别定位装置、系统、实时跟踪系统
CN111028298B (zh) 一种用于刚体坐标系空间变换标定的汇聚式双目系统
CN112894879A (zh) 机械手臂的定位精度量测系统与方法
CN111006706A (zh) 一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法
CN115205390A (zh) 工业机器人面结构光立体相机位姿在线标定方法及系统
CN114571199A (zh) 一种锁螺丝机及螺丝定位方法
CN112604901B (zh) 一种地铁屏蔽门涂胶机器人及其涂胶方法
Song et al. Error analysis and compensation for Mini LED mass transfer visual positioning system
US20240051130A1 (en) Robot tool deformation amount calculator, robot tool deformation amount calculation system, and robot tool deformation amount calculation method

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant