CN111716346A

CN111716346A - 机械手臂工具校正方法及其校正装置

Info

Publication number: CN111716346A
Application number: CN201910212670.2A
Authority: CN
Inventors: 萧原坤; 赖建璋; 陈克岳
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: EP3711908A1; US11260532B2; CN111716346B; EP3711908B1; US20200298409A1

Abstract

本发明提供一种机械手臂工具校正方法及其校正装置，其中该校正装置，包括一框体、一第一光学感测装置、一第二光学感测装置以及一第三光学感测装置。框体包括一底板、至少具有四侧壁的组成，该侧壁于一第一高度分别设有一第一光栅孔，一第二光栅孔、一第三光栅孔及一第四光栅孔，该底板设置有一影像辨识图样，以及至少具有一第一量测点、一第二量测点以及一第三量测点。

Description

机械手臂工具校正方法及其校正装置

技术领域

本发明的实施例有关于一种机械手臂工具校正方法及其校正装置，特别有关于一种自动化校正的机械手臂工具校正方法。

背景技术

近年来，机械手臂已经广泛地应用在产业之中，机械手臂会在其端部装配工具模块来进行所需的任务，例如，钻孔工具模块或抓取工具模块或研磨工具等，同时亦会搭配视觉系统模块使用。当工具模块装置于机械手臂的端部，机械手臂并不知道工具模块的真实位置，必须通过校正程序取得该工具模块中心点(Tool Center Point，TCP)与机械手臂的末端效应点(End-Effect Point)之间的偏移关系，以得知该工具模块在机械手臂坐标系的真实坐标位置，规划出机械手臂的动作路径。

现有的校正程序中，工具模块中心点(Tool Center Point，TCP)校正与视觉校正是分开进行，分别求出工具模块中心点(Tool Center Point，TCP)和视觉系统与机械手末端的偏移关系。特别是工具中心点校正的部分，目前大部分使用接触式校正装置，其具有以下的风险；(1)校正器安装精度低(2)量测板容易摩耗(3)复归弹簧的老化，其均会降低工具模块中心点(Tool Center Point，TCP)校正的精度。

发明内容

本发明的实施例为了欲解决现有技术的问题而提供的一种校正装置，包括一框体、一第一光学感测装置、一第二光学感测装置以及一第三光学感测装置。框体包括一底板、至少具有四侧壁的组成，该侧壁于一第一高度分别设有一第一光栅孔，一第二光栅孔、一第三光栅孔及一第四光栅孔，该底板设置有一影像辨识图样，以及至少具有一第一量测点、一第二量测点以及一第三量测点。该第一光学感测装置包括一第一发光单元及一第一接收单元，该第一发光单元提供一第一光线设于该框体的其中一侧壁，而该接收单元接收该第一光线设置于相对于该第一发光单元的该框体的侧壁。该第二光学感测装置包括一第二发光单元及一第二接收单元，该第二发光单元提供一第二光线设置于该框体的其中一侧壁，而该第二接收单元接收该第二光线设置于相对该第二发光单元的该框体的侧壁。该第三光学感测装置包括一第三发光单元及一第三接收单元，该第三发光单元提供一第三光线设于该框体的侧壁，而该第三接收单元接收该第三光线设置在相对于该第三发光单元的该框体的侧壁。

在一实施例中，该第一光栅孔、该第二光栅孔、该第三光栅孔及该第四光栅孔则呈两两平行相对。

在一实施例中，该校正装置更包括一第五光栅孔及一第六光栅孔位于该侧壁的一第二高度，且该第五光珊孔及该第六光栅孔呈平行相对。

在一实施例中，该第二高度高于该第一高度。

在一实施例中，该第一发光单元的该第一光线穿透该第一光栅孔经由该第二光栅孔，由该第一接收单元所接收。

在一实施例中，该第二发光单元的该第二光线穿透该第三光栅孔经由该第四光栅孔，由该第二接收单元所接收。

在一实施例中，该第三发光单元的该第三光线穿透该第五光栅孔经由该第六光栅孔，由该第三接收单元所接收。

在一实施例中，该第一光学感测装置及该第二光学感测装置设于该侧壁的第一高度，该第三光学感测装置设于该侧壁的第二高度。

在一实施例中，该第一光线以及该第二光线位于该第一高度形成一第一平面，该第三光线位于该第二高度形成一第二面，该第一平面平行于该第二平面，该第一平面与该影像辨识图样平行，该第一光线以及该第二光线形成一光线交叉点。

在另一实施例中，本发明提供一种机械手臂工具校正方法，包括下述步骤。首先，提供一机械手臂，该机械手臂包括一末端基准点、一连接座以及一影像捕获设备。接着，提供一加工工具，该加工工具以及该影像捕获设备被安装于该连结座。再，提供一校正装置，该校正装置包括一影像辨识图样，其中，该校正装置更包括一第一量测点，一第二量测点以及一第三量测点。接着，以该影像捕获设备撷取该影像辨识图样以及该第一量测点、该第二量测点以及该第三量测点的影像，并依据该影像辨识图样计算取得该影像捕获设备相对该末端基准点的一第一转移矩阵，计算出该影像捕获设备相对该末端基准点的实际坐标。再，由该影像捕获设备撷取取得的该第一量测点，该第二量测点以及该第三量测点的影像的尺寸量测值，以及该第一量测点，该第二量测点及该第三量测点实际的尺寸量测值计算取得该第一量测点，该第二量测点以及该第三量测点相对该末端基准点的一第二转移矩阵。

在一实施例中，该校正装置更包括一第一光学感测装置、一第二光学感测装置、一第三光学感测装置，该第一光学感测装置包括一第一发光单元及一第一接收单元，而该接收单元接收该第一光线，该第二光学感测装置包括一第二发光单元及一第二接收单元，该第二发光单元提供一第二光线，而该第二接收单元接收该第二光线，该第三光学感测装置包括一第三发光单元及一第三接收单元，该第三发光单元提供一第三光线，而该第三接收单元接收该第三光线。

在一实施例中，该第一光线以及该第二光线位于一第一高度形成一第一平面，该第三光线位于一第二高度形成一第二面，该第一平面分别平行于该第二平面及该影像辨识图样，该第一光线以及该第二光线形成一光线交叉点。

在一实施例中，该方法更包括由该第二转移矩阵可推算出该光线交叉点相对该末端基准点的坐标。

在一实施例中，该方法更包括以该机械手臂将该加工工具置入该校正装置内，并依据该第一光线、第二光线以及该第三光线被该加工工具遮挡的信息，使该加工工具的一端部移动至该光线交叉点的位置，由该光线交叉点相对于该末端基准点的坐标为一基准坐标，计算出该加工工具的一端部相对于该末端基准点的实际坐标，完成工具自动更正。

应用本发明实施例的机械手臂工具校正方法，由于测试步骤可以通过自动化的步骤完成，速度快而且可靠度高，因此可提高生产效率并降低制造成本。

在本发明的实施例中，由于框体一体成型制作，机械加工孔的基准与框体相同，通过本发明提出的三个机械加工孔产生的坐标系(第二转移矩阵)，使视觉坐标与光轴交点的物理坐标系产生连接，修正视觉产生的坐标系，使光轴交点的坐标亦可以转换为机械手坐标系。工具模块校正时，可以通过光轴交点的位置，系统可以自动建立机械手坐标系、视觉坐标系和工具坐标的关联，取代现有需要操作人员将工具尖端与尖点装置对准的步骤。

附图说明

图1为显示本发明实施例的机械手臂工具校正方法的流程图。

图2A为显示本发明实施例的机械手臂的示意图。

图2B、图2C为显示本发明实施例的机械手臂的细部结构。

图3A为显示本发明实施例的校正装置的立体图。

图3B为显示本发明实施例的校正装置的俯视图。

图3C为显示本发明实施例的校正装置的爆炸图。

图4为显示本发明一实施例的影像辨识图样。

图5为显示本发明一实施例的相对尺寸量测值。

图6为显示本发明另一实施例的相对尺寸量测值。

其中附图标记为：

S11、S12、S13、S14、S15、S16～步骤

R～机械手臂

T～加工工具

C～校正装置

1～框体

11～侧壁

111～第一光栅孔

113～第三光栅孔

12～侧壁

122～第二光栅孔

13～侧壁

14～侧壁

15～底板

2～影像辨识图案

31～第一量测点

32～第二量测点

33～第三量测点

341～第一轴线

342～第二轴线

411～第一发光单元

412～第一接收单元

421～第二发光单元

422～第二接收单元

431～第三发光单元

432～第三接收单元

51～第一光线

52～第二光线

53～第三光线

81～连结座

811～末端基准点

82～影像捕获设备

83～末端连杆

d1、d2、d3、d4、d5、d6～相对距离

d12、d13、d22、d23、d32、d33、dc2、dc3～距离

P1～光线交叉点

A1、A2～基准轴

具体实施方式

参照图1，其为显示本发明实施例的机械手臂工具校正方法的流程图。本发明的实施例的机械手臂工具校正方法，包括下述步骤。首先，提供一机械手臂，该机械手臂包括一末端基准点、一连接座以及一影像捕获设备(S11)。接着，提供一加工工具，该加工工具以及该影像捕获设备被安装于该连结座(S12)。再，提供一校正装置，该校正装置包括一影像辨识图样，其中，该校正装置更包括一第一量测点，一第二量测点以及一第三量测点(S13)。接着，以该影像捕获设备撷取该影像辨识图样以及该第一量测点、该第二量测点以及该第三量测点的影像，并依据该影像辨识图样计算取得该影像捕获设备相对该末端基准点的一第一转移矩阵，计算出该影像捕获设备相对该末端基准点的实际坐标(d1,d4,d6)(S14)。再，由该影像捕获设备撷取取得的该第一量测点，该第二量测点以及该第三量测点的影像的尺寸量测值，以及该第一量测点，该第二量测点及该第三量测点实际的尺寸量测值计算取得该第一量测点，该第二量测点以及该第三量测点相对该末端基准点的一第二转移矩阵(S15)。接着，该校正装置的一第一光线以及一第二光线形成一光线交叉点，由该第二转移矩阵可推算出该光线交叉点相对该末端基准点的坐标(S16)。最后，以该机械手臂将该加工工具置入该校正装置内，并依据该第一光线、第二光线以及该第三光线被该加工工具遮挡的信息，使该加工工具的一端部移动至该光线交叉点的位置，由该光线交叉点相对于该末端基准点的坐标为一基准坐标，计算出该加工工具的一端部相对于该末端基准点的实际坐标(d2,d3,d5)，完成工具自动更正(S17)。

图2A、图2B以及图2C为显示本发明实施例的机械手臂的示意图。图3A系显示本发明实施例的校正装置C的立体图。搭配参照第1、2A、2B以及2C、3A图，该机械手臂R包括一连接座81以及一影像捕获设备82，该连接座81包括一末端基准点811。该末端基准点811可以为该机械手臂R的手臂腕部上的适当位置，上述揭露并未限制本发明。

依据该第一转移矩阵，可以计算取得该影像捕获设备82的镜头与末端基准点811之间的相对距离d1、该影像捕获设备82的基准轴A1与该末端基准点811之间的相对距离d4以及该影像捕获设备82的基准轴A1与该末端基准点811之间的相对距离d6。

由该光线交叉点相对于该末端基准点的坐标为一基准坐标，可计算出该加工工具的一端部相对于该末端基准点的实际坐标，包括该加工工具T的工具基准轴A2与该末端基准点811之间的相对距离d2、该加工工具的该端部与该末端基准点811之间的相对距离d3以及该影像捕获设备82的基准轴A1与该加工工具T的工具基准轴A2之间的相对距离d5。

搭配参照图2A、图2B以及图2C、图3A，该加工工具T以及该影像捕获设备82被安装于该连结座81，该加工工具T可以为刀具、烙铁头或其他加工工具。

参照图4，其为显示本发明一实施例的影像辨识图样2，该影像辨识图样2包括点、线以及方向指针等等特征。该影像辨识图样2可以适度变化，上述揭露并未限制本发明。

图3B为显示本发明实施例的校正装置C的俯视图。参照图第3B、4图，该校正装置C包括该第一量测点31、该第二量测点32以及该第三量测点33，该第一量测点31以及该第二量测点32沿该第一轴线341设置，该第二量测点32以及该第三量测点33沿该第二轴线342设置，该第二轴线342垂直于该第一轴线341。

图3C为显示本发明实施例的校正装置C的爆炸图。搭配参照图3C，在一实施例中，该校正装置更包括一第一光学感测装置、一第二光学感测装置以及一第三光学感测装。第一光学感测装置包括一第一发光单元411以及一第一接收单元412。第二光学感测装置包括一第二发光单元421以及一第二接收单元422。第三光学感测装置包括一第三发光单元431以及一第三接收单元432。该第一发光单元411提供一第一光线51，该第二发光单元421提供一第二光线52，该第三发光单元431提供一第三光线53，该第一光线51适于被该第一接收单元412所接收，该第二光线52适于被该第二接收单元422所接收，该第三光线53适于被该第三接收单元432所接收。

在本发明的实施例中，由于框体一体成型制作，机械加工孔的基准与框体相同，通过本发明提出的三个机械加工孔产生的坐标系(第二转移矩阵)，使视觉坐标系与光轴交点的物理坐标系产生连接，修正视觉产生的坐标系，使光轴交点的坐标亦可以转换为机械手坐标系。工具模块校正时，可以通过光轴交点的位置，系统可以自动建立机械手坐标系、视觉坐标系和工具坐标的关联，取代现有需要操作人员将工具尖端与尖点装置对准的步骤。

在本发明的实施例中，可以准确的定义该校正装置的该第一光线51、该第二光线52以及该第三光线53与该末端基准点间的位置关系。在一实施例中，由于影像辨识图样2以二次加工，例如印刷的方式形成于该框体1，因此因为加工误差的原因，第一坐标与该第二坐标系之间存在偏差，需要该第二转移矩阵进行补偿。

该相对尺寸量测值通过预先量测该第一量测点31、该第二量测点32以及该第三量测点33相对该第一光线51、该第二光线52以及该第三光线53之间的位置关系而获得。在一实施例中，该相对尺寸量测值可以通过三次元量测设备获得。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，该校正装置C包括一框体1以及一影像辨识图样2。该框体1包括一底板15、一侧壁11、一侧壁12、一侧壁13以及一侧壁14。该侧壁11垂直于该侧壁12，该侧壁11面向并平行于该侧壁13，该侧壁12面向并平行于该侧壁14。该侧壁11、该侧壁12、该侧壁13以及该侧壁14环设于该底板15的边缘。该影像辨识图样2设于该底板15。该底板15具有该第一量测点31、该第二量测点32以及该第三量测点33，该第一量测点31以及该第二量测点32沿该第一轴线341设置，该第二量测点32以及该第三量测点33沿该第二轴线342设置，该第二轴线342垂直于该第一轴线341。

在一实施例中，该第一量测点31、该第二量测点32以及该第三量测点33可以为盲孔，其以预加工的方式形成于该底板15。该第一量测点31、该第二量测点32以及该第三量测点33亦可以为贯孔、凸点或其他特征。

参照图5，在一实施例中，该相对尺寸量测值包括该第一量测点31与该侧壁12之间的距离d12以及第一量测点31与该侧壁13之间的距离d13、第二量测点32与该侧壁12之间的距离d22以及第二量测点32与该侧壁13之间的距离d23、第三量测点33与该侧壁12之间的距离d32以及第三量测点33与该侧壁13之间的距离d33、底板15中心与该侧壁12之间的距离dc2以及底板15中心与该侧壁13之间的距离dc3等等数值。在上述实施例中，以侧壁当量测基准仅是实施例，任意基准皆可做为量测基准，只要能求出第一量测点31、第二量测点32与第三量测点33之间的相互尺寸即可以求出转移矩阵。

参照图6，在另一实施例中，第一量测点31、第二量测点32与第三量测点33的位置亦可以适度变化，只要能求出第一量测点31、第二量测点32与第三量测点33之间的相互尺寸即可以求出转移矩阵。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，该校正装置更包括该第一发光单元411、该第二发光单元421、该第三发光单元431、该第一接收单元412、该第二接收单元422以及该第三接收单元432，该第一发光单元411提供该第一光线51，该第二发光单元421提供该第二光线52，该第三发光单元431提供该第三光线53，该第一光线51适于被该第一接收单元412所接收，该第二光线52适于被该第二接收单元422所接收，该第三光线53适于被该第三接收单元432所接收，该第一光线51以及该第二光线52位于一第一平面之上，该第三光线53位于一第二平面之上，该第一平面平行于该第二平面，该第一平面不同于该第二平面，该第一平面与该影像辨识图样平行该第一光线51以及该第二光线52于一光线交叉点P1(图3A)交叉。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，该光线交叉点P1与该第一量测点31的该第一圆心位于一直线之上，该直线垂直于该底板15。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，该第一光线经过该第二量测点的一第二圆心的上方。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，该第一发光单元411设于该侧壁11，该第二发光单元421设于该侧壁12，该第一接收单元412设于该侧壁13，该第二接收单元422设于该侧壁14。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，该第三发光单元431设于该侧壁11，该第一发光单元411在一Z方向上位于该第三发光单元431与该底板15之间。

搭配参照图3A、图3B以及图3C，在一实施例中，在一实施例中，该等侧壁于一第一高度分别设有一第一光栅孔61，一第二光栅孔62、一第三光栅孔63及一第四光栅孔64。该第一光栅孔61、该第二光栅孔62、该第三光栅孔63及该第四光栅孔64则呈两两平行相对。在一实施例中，一第五光栅孔65及一第六光栅孔66位于该侧壁的一第二高度，且该第五光珊孔65及该第六光栅孔66呈平行相对。该第二高度高于该第一高度。该第一发光单元411的该第一光线51穿透该第一光栅孔61经由该第二光栅孔62，由该第一接收单元412所接收。该第二发光单元421的该第二光线52穿透该第三光栅孔63经由该第四光栅孔64，由该第二接收单元422所接收。该第三发光单元431的该第三光线53穿透该第五光栅孔65经由该第六光栅孔66，由该第三接收单元432所接收。

在上述实施例中，该第一光线51以及该第二光线52位于该第一高度形成一第一平面，该第三光线53位于该第二高度形成一第二面，该第一平面平行于该第二平面，该第一平面与该影像辨识图样平行，该第一光线51以及该第二光线52形成一光线交叉点P1。

在上述实施例中，各光栅孔为微小而准直的开孔，可准直该第一光线51、该第二光线52以及该第三光线53。

在一实施例中，该等侧壁可以彼此垂直。然而，上述揭露并未限制本发明。在另一实施例中，该等侧壁亦可以为连续侧壁，例如圆形侧壁。

虽然本发明已以具体的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，仍可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种校正装置，其特征在于，包括：

一框体，包括一底板、至少具有四侧壁的组成，该侧壁于一第一高度分别设有一第一光栅孔，一第二光栅孔、一第三光栅孔及一第四光栅孔，该底板设置有一影像辨识图样，以及至少具有一第一量测点、一第二量测点以及一第三量测点；

一第一光学感测装置，该第一光学感测装置包括一第一发光单元及一第一接收单元，该第一发光单元提供一第一光线设于该框体的其中一侧壁，而该接收单元接收该第一光线设置于相对于该第一发光单元的该框体的侧壁；

一第二光学感测装置，该第二光学感测装置包括一第二发光单元及一第二接收单元，该第二发光单元提供一第二光线设置于该框体的其中一侧壁，而该第二接收单元接收该第二光线设置于相对该第二发光单元的该框体的侧壁；

一第三光学感测装置，该第三光学感测装置包括一第三发光单元及一第三接收单元，该第三发光单元提供一第三光线设于该框体的侧壁，而该第三接收单元接收该第三光线设置在相对于该第三发光单元的该框体的侧壁。

2.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该第一光栅孔、该第二光栅孔、该第三光栅孔及该第四光栅孔则呈两两平行相对。

3.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，更包括一第五光栅孔及一第六光栅孔位于该侧壁的一第二高度，且该第五光珊孔及该第六光栅孔呈平行相对。

4.如权利要求3所述的校正装置，其特征在于，该第二高度高于该第一高度。

5.如权利要求2所述的校正装置，其特征在于，该第一发光单元的该第一光线穿透该第一光栅孔经由该第二光栅孔，由该第一接收单元所接收。

6.如权利要求2所述的校正装置，其特征在于，该第二发光单元的该第二光线穿透该第三光栅孔经由该第四光栅孔，由该第二接收单元所接收。

7.如权利要求3所述的校正装置，其特征在于，该第三发光单元的该第三光线穿透该第五光栅孔经由该第六光栅孔，由该第三接收单元所接收。

8.如权利要求4所述的校正装置，其特征在于，该第一光学感测装置及该第二光学感测装置设于该侧壁的第一高度，该第三光学感测装置设于该侧壁的第二高度。

9.如权利要求1所述的校正装置，其特征在于，该第一光线以及该第二光线位于该第一高度形成一第一平面，该第三光线位于该第二高度形成一第二面，该第一平面平行于该第二平面，该第一平面与该影像辨识图样平行，该第一光线以及该第二光线形成一光线交叉点。

10.一种机械手臂工具校正方法，其特征在于，包括：

提供一机械手臂，该机械手臂包括一末端基准点、一连接座以及一影像捕获设备；

提供一加工工具，该加工工具以及该影像捕获设备被安装于该连结座；

提供一校正装置，该校正装置包括一影像辨识图样，其中，该校正装置更包括一第一量测点，一第二量测点以及一第三量测点；

以该影像捕获设备撷取该影像辨识图样以及该第一量测点、该第二量测点以及该第三量测点的影像，并依据该影像辨识图样计算取得该影像捕获设备相对该末端基准点的一第一转移矩阵，计算出该影像捕获设备相对该末端基准点的实际坐标；以及

由该影像捕获设备撷取取得的该第一量测点，该第二量测点以及该第三量测点的影像的尺寸量测值，以及该第一量测点，该第二量测点及该第三量测点实际的尺寸量测值计算取得该第一量测点，该第二量测点以及该第三量测点相对该末端基准点的一第二转移矩阵。

11.如权利要求10所述的机械手臂工具校正方法，其特征在于，该校正装置更包括一第一光学感测装置、一第二光学感测装置、一第三光学感测装置，该第一光学感测装置包括一第一发光单元及一第一接收单元，而该接收单元接收该第一光线，该第二光学感测装置包括一第二发光单元及一第二接收单元，该第二发光单元提供一第二光线，而该第二接收单元接收该第二光线，该第三光学感测装置包括一第三发光单元及一第三接收单元，该第三发光单元提供一第三光线，而该第三接收单元接收该第三光线。

12.如权利要求11所述的机械手臂工具校正方法，其特征在于，该第一光线以及该第二光线位于一第一高度形成一第一平面，该第三光线位于一第二高度形成一第二面，该第一平面分别平行于该第二平面及该影像辨识图样，该第一光线以及该第二光线形成一光线交叉点。

13.如权利要求12所述的机械手臂工具校正方法，其特征在于，其更包括由该第二转移矩阵可推算出该光线交叉点相对该末端基准点的坐标。

14.如权利要求13所述的机械手臂工具校正方法，其特征在于，其更包括以该机械手臂将该加工工具置入该校正装置内，并依据该第一光线、第二光线以及该第三光线被该加工工具遮挡的信息，使该加工工具的一端部移动至该光线交叉点的位置，由该光线交叉点相对于该末端基准点的坐标为一基准坐标，计算出该加工工具的一端部相对于该末端基准点的实际坐标，完成工具自动更正。