CN112902898A - 三维测量装置及所适用的机械手臂的校正方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及三维测量装置及所适用的机械手臂的校正方法，该三维测量装置包含：球形体，被移动元件带动而同步移动及转动；X轴测量装置，包含第一测量结构及第一位置感测器，第一测量结构可于X轴方向移动，且与球形体接触，第一位置感测器用以测量第一测量结构的移动距离；Y轴测量装置，包含第二测量结构及第二位置感测器，第二测量结构可于Y轴方向移动，且与球形体接触，第二位置感测器用以测量第二测量结构的移动距离；Z轴测量装置，包含第三测量结构及第三位置感测器，第三测量结构可于Z轴方向移动，且与球形体接触，第三位置感测器用以测量第三测量结构的移动距离。

Description

三维测量装置及所适用的机械手臂的校正方法
技术领域
本公开涉及一种测量装置，特别涉及一种三维测量装置及所适用的机械手臂的校正方法。
背景技术
随着工业科技的进步，各式各样的自动化装置已广泛地被研发，以应用于生活及产业中。一般而言，机械手臂是自动化装置的重要元件。虽然通过机械手臂进行加工的稳定性远远大于人工，但由于机械手臂的关节太多，导致通过多项误差的累积与传递而致使机械手臂精度普遍不高。为提升机械手臂加工的精度，在以机械手臂进行加工前需利用测量装置来对机械手臂进行校正，以提升加工的精度。目前常用的测量装置有激光干涉仪及激光追踪仪，其中激光干涉仪由于在进行测量时一次只能测量一轴的误差，因此在进行测量的过程中，为了测量不同项目的误差，就必须更换镜组再进行不同项目的测量，使得操作过程相当耗费时间。至于激光追踪仪虽可快速检测，且精度高，然价钱却极为昂贵。
因此，实有必要发展一种可同时测量物件三维的移动距离，借此提供对机械手臂进行校正所需的参数的三维测量装置及所适用的机械手臂的校正方法，以解决现有技术所面临的问题。
发明内容
本公开的目的在于提供一种三维测量装置，其中该三维测量装置不但具有X轴测量装置、Y轴测量装置、Z轴测量装置，更具有与X轴测量装置、Y轴测量装置、Z轴测量装置相接触并与可移动元件组接的球形体，使得三维测量装置可同时进行球形体的三维坐标测量，以获得可移动元件的工作点，故不但可大幅节省测量的时间，且生产成本亦较低。
本公开的另一目的在于提供一种机械手臂的校正方法，该校正方法是搭配本公开所公开的三维测量装置来进行，故该校正方法不但可节省测量的时间，且无须使用昂贵的测量装置来进行。
为达上述的目的，本公开提供一种三维测量装置，是与自动化装置的可移动元件组接，包含：球形体，与可移动元件组接，且球形体被可移动元件带动而同步移动及转动；基座；X轴测量装置，位于基座上，且包含第一测量结构及第一位置感测器，其中第一测量结构于X轴方向移动，且与球形体接触，第一位置感测器是用以在球形体推动第一测量结构时，测量第一测量结构的移动距离；Y轴测量装置，位于基座上，且包含第二测量结构及第二位置感测器，其中第二测量结构于Y轴方向移动，且与球形体接触，第二位置感测器是用以在球形体推动第二测量结构时，测量第二测量结构的移动距离；Z轴测量装置，位于基座上，且包含第三测量结构及第三位置感测器，其中第三测量结构可于Z轴方向移动，且与球形体接触，第三位置感测器是用以在球形体推动第三测量结构时，测量第三测量结构的移动距离；其中第一测量结构沿X轴方向的可移动距离、第二测量结构沿Y轴方向的可移动距离及第三测量结构沿Z轴方向的可移动距离共同定义一测量空间，而球形体在测量空间移动时，第一位置感测器、第二位置感测器以及第三位置感测器的感测结果反应球形体的三维坐标。
为达上述的目的，本公开另提供一种机械手臂的校正方法，包含步骤：(S1)提供一机械手臂以及如权利要求1所述的三维测量装置，其中三维测量装置的球形体与机械手臂组接，且球形体可被机械手臂带动而同步移动及转动；(S2)计算出位于测量空间内的至少一预设定位点；(S3)控制机械手臂以不同的操作动作由初始点朝向每一预设定位点移动两次以上，并通过三维测量装置所测量到的球形体的三维坐标而得到机械手臂每一次移动完成后所到达的每一实际定位点的三维坐标；(S4)利用顺向运动学计算步骤(S3)所得到的机械手臂在每一操作动作下所到达的每一实际定位点的函数方程式，以推得机械手臂在每一操作动作下的预测定位点；(S5)在移动至相同预设定位点的条件下，判断机械手臂任意两个操作动作下的两个预测定位点的差值减去两个实际定位点的差值是否在可容许门限值的范围内；(S6)当步骤(S5)的判断结果为否时，依据机械手臂在每一操作动作所到达的实际定位点而分别产生雅可比矩阵，以得到在每一操作动作下，机械手臂的预测定位点与实际定位点之间的位置运算式，其中每一雅可比矩阵为机械手臂在对应的操作动作下的每一轴的杆件尺寸的偏差量及每一轴的转动角度的偏差量在对应的函数方程式下的偏导数；(S7)在移动至相同预设定位点的条件下，将步骤(S6)所求得的机械手臂任意两个操作动作下的两个位置运算式进行减法运算，以计算机械手臂在任意两个操作动作下，机械手臂的每一轴的杆件尺寸的偏差量间的相减值及机械手臂每一轴的转动角度的偏差量间的相减值；(S8)依据步骤(S7)所计算得到的结果而对对应的函数方程式的机械手臂每一轴的杆件尺寸及机械手臂每一轴的转动角度进行更新；以及(S9)当步骤(S8)执行完或是当步骤(S5)的判断结果为是时，结束校正方法。
附图说明
图1为本公开优选实施例的三维测量装置的结构示意图；
图2为图1所示的三维测量装置的另一视角的部分结构示意图；
图3为图1所示的三维测量装置的又一视角的部分结构示意图；
图4为图1所示的三维测量装置应用于机械手臂时的结构示意图；
图5为图1所示的第一测量结构沿X轴方向的可移动距离、第二测量结构沿Y轴方向的可移动距离及第三测量面沿Y轴方向的可移动距离共所定义的测量空间的示意图；
图6为本公开优选实施例的机械手臂的校正方法的步骤流程示意图。
附图标记说明：
1：三维测量装置
2：基座
20：第一固定柱
200：第一连接部
201：第二连接部
202：第一容置孔洞
203：第二容置孔洞
21：第二固定柱
22：顶面
210：第三容置孔洞
3：球形体
30：锁固孔
4：X轴测量装置
40：第一测量结构
400：第一抵顶面
41：第一位置感测器
42：第一线性轨道
43：第一弹性元件
44：第一近接开关
5：Y轴测量装置
50：第二测量结构
500：第二抵顶面
51：第二位置感测器
52：第二线性轨道
53：第二弹性元件
54：第二近接开关
6：Z轴测量装置
60：第三测量结构
600：第三抵顶面
61：第三位置感测器
62：第三线性轨道
63：第三弹性元件
64：第三近接开关
7：测量空间
8：连杆
9：机械手臂
90：末端轴
10：控制器
X1：第一测量结构沿X轴方向的可移动距离
Y1：第二测量结构沿Y轴方向的可移动距离
Z1：第三测量结构沿Z轴方向的可移动距离
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本公开。
请参阅图1、图2、图3及图4，其中图1为本公开优选实施例的三维测量装置的结构示意图，图2为图1所示的三维测量装置的另一视角的部分结构示意图，图3为图1所示的三维测量装置的又一视角的部分结构示意图，图4为图1所示的三维测量装置应用于机械手臂时的结构示意图。如图所示，本公开的三维测量装置1可用来测量与取得自动化装置的可移动元件的三维移动距离或移动轨迹，而以下将以三维测量装置1是用于测量自动化装置的机械手臂9来进行示范性说明。其中机械手臂9可为三轴以上机械手臂，优选为平面关节型机械手臂(Selective Compliance Assembly Robot Arm,SCARA)或六轴型机械手臂。此外，机械手臂9可由控制器10所控制而进行相关动作，例如被控制器10所驱动而可选择性地沿X轴、Y轴及/或Z轴移动，而具4轴以上的机械手臂9还可被控制器控制而进行角度的转变。又控制器10可记录机械手臂9移动的点位，且控制器10可以有线或无线方式与三维测量装置1相通信，以从三维测量装置1测量结果而得知机械手臂9的三维移动距离及/或移动轨迹等。
三维测量装置1包含基座2、球形体3、X轴测量装置4、Y轴测量装置5及Z轴测量装置6。基座2上具有第一固定柱20以及第二固定柱21，第一固定柱20以及第二固定柱21相邻地垂直设置于基座2的顶面22上，其中第一固定柱20的较远离基座2顶面22的端部具有第一连接部200及第二连接部201，第二连接部201与第一连接部200相连接，且第二连接部201与第一连接部200约呈L形。于一些实施例中，第一连接部200包含第一容置孔洞202，第二连接部201包含第二容置孔洞203，而第二固定柱21包含第三容置孔洞210。
X轴测量装置4固设于第一固定柱20的第一连接部200上，且包含第一测量结构40、第一位置感测器41、第一线性轨道42及第一弹性元件43。第一线性轨道42是沿X轴方向设置于第一连接部200上。第一测量结构40可于X轴方向移动，且具有第一抵顶面400及滑动部(未图示)，第一测量结构40的滑动部可与第一线性轨道42相配合而于第一线性轨道42上滑动，借此使第一测量结构40滑动于第一线性轨道42上而沿X轴方向移动。第一位置感测器41与第一测量结构40对应设置，且可以有线或无线方式与控制器10相通信，此外，第一位置感测器41还可测量及取得第一测量结构40的移动量，并将感测结果传送至控制器10。于一些实施例中，第一位置感测器41可由但不限于光学尺所构成。第一弹性元件43的一端与第一测量结构40的第一抵顶面400相抵顶，第一弹性元件43的另一端是容收于第一连接部200的第一容置孔洞202内并与第一容置孔洞202内的壁面相抵顶，借此当第一测量结构40因移动而施力于第一弹性元件43时，第一弹性元件43是被压缩且产生弹性恢复力，而当第一测量结构40停止施力于第一弹性元件43时，第一测量结构40可因第一弹性元件43的弹性恢复力而移动回复至初始位置。
Y轴测量装置5固设于第一固定柱20的第二连接部201上，且包含第二测量结构50、第二位置感测器51、第二线性轨道52及第二弹性元件53。第二线性轨道52是沿Y轴方向设置于第二连接部201上。第二测量结构50可于Y轴方向移动，且具有第二抵顶面500及滑动部(未图示)，第二测量结构50的滑动部可与第二线性轨道52相配合而于第二线性轨道52上滑动，借此使第二测量结构50滑动于第二线性轨道52上而沿Y轴方向移动。第二位置感测器51与第二测量结构50对应设置，且可以有线或无线方式与控制器10相通信，此外，第二位置感测器51还可测量及取得第二测量结构50的移动量，并将感测结果传送至控制器10。于一些实施例中，第二位置感测器51可由但不限于光学尺所构成。第二弹性元件53的一端与第二测量结构50的第二抵顶面500相抵顶，第二弹性元件53的另一端是容收于第二连接部201的第二容置孔洞203内并与第二容置孔洞203内的壁面相抵顶，借此当第二测量结构50因移动而施力于第二弹性元件53时，第二弹性元件53是被压缩且产生弹性恢复力，而当第二测量结构50停止施力于第二弹性元件53时，第二测量结构50可因第二弹性元件53的弹性恢复力而移动回复至初始位置。
Z轴测量装置6固设于第二固定柱21上，且包含第三测量结构60、第三位置感测器61、第三线性轨道62及第三弹性元件63。第三线性轨道62是沿Z轴方向设置于第二固定柱21上。第三测量结构60可于Z轴方向移动，且具有第三抵顶面600及滑动部(未图示)，第三测量结构60的滑动部可与第三线性轨道62相配合而于第三线性轨道62上滑动，借此使第三测量结构60滑动于第三线性轨道62上而沿Z轴方向移动。第三位置感测器61与第三测量结构60对应设置，且可以有线或无线方式与控制器10相通信，此外，第三位置感测器61还可测量及取得第三测量结构60的移动量，并将感测结果传送至控制器10。于一些实施例中，第三位置感测器61可由但不限于光学尺所构成。第三弹性元件63的一端与第三测量结构60的第三抵顶面600相抵顶，第三弹性元件63的另一端是容收于第二固定柱21的第三容置孔洞210内并与第三容置孔洞210内的壁面相抵顶，借此当第三测量结构60因移动而施力于第三弹性元件63时，第三弹性元件63是被压缩且产生弹性恢复力，而当第三测量结构60停止施力于第三弹性元件63时，第三测量结构60可因第三弹性元件63的弹性恢复力而移动回复至初始位置。
球形体3是与机械手臂9的末端轴90的端部直接或间接组接，例如图4所示，球形体3可通过连杆8而与机械手臂9的末端轴90的端部间接组接，球形体3可被机械手臂9带动而进行三维方向的同步移动及角度的同步转动，其中球形体3的移动距离及球心的三维坐标点位可反映机械手臂9的工作点的移动距离及三维坐标点位。此外，球形体3位于X轴测量装置4、Y轴测量装置5及Z轴测量装置6之间，并分别与第一测量结构40的第一测量面400、第二测量结构50的第二测量面500及第三测量结构60的第三测量面600相接触，因此当球形体3沿X轴方向、Y轴方向及Z轴方向中至少一轴方向移动时，可推动对应的测量结构移动，例如球形体3沿X轴方向移动则推动第一测量面400移动，进而推动第一测量结构40移动，沿Y轴方向移动时则推动第二测量面500移动，进而推动第二测量结构50移动，沿Z轴方向移动时则推动第三测量面600移动，进而推动第三测量结构60移动，如此一来，第一位置感测器41、第二位置感测器51及第三位置感测器61便分别测量第一测量结构40、第二测量结构50及第三测量结构60的移动距离，并将感测结果传送至控制器10，使控制器10得知球形体3的三维坐标及移动距离，进而得知机械手臂9的末端轴90的工作点的三维坐标及移动距离，进而推算机械手臂9的运行状况，以进行对应的控制及/或校正。
请参阅图5，其是为图1所示的第一测量结构沿X轴方向的可移动距离、第二测量结构沿Y轴方向的可移动距离及第三测量面沿Y轴方向的可移动距离共所定义的测量空间的示意图。于本实施例中，由于机械手臂9所带动的球形体3是分别与第一测量结构40的第一测量面400、第二测量结构50的第二测量面500及第三测量结构60的第三测量面600相接触，因此第一测量结构40沿X轴方向的可移动距离X1、第二测量结构50沿Y轴方向的可移动距离Y1及第三测量结构60沿Z轴方向的可移动距离Z1共同定义出为矩形的测量空间7，故球形体3在测量空间7移动时，第一位置感测器41、第二位置感测器51以及第三位置感测器61的感测结果可反应出球形体3的三维移动距离及球形体3的三维坐标，进而得到机械手臂9的工作点位置。其中若在测量空间7中定义出原点位置，则第一位置感测器41、第二位置感测器51以及第三位置感测器61所感测到的球形体3的三维坐标为绝对坐标。
于一些实施例中，第一测量结构40沿X轴方向的可移动距离X1、第二测量结构50沿Y轴方向的可移动距离Y1及第三测量结构60沿Z轴方向的可移动距离优选为皆等于球型体3的半径，借此当球形体3在测量空间7内移动时，可同时与第一测量结构40的第一测量面400、第二测量结构50的第二测量面500及第三测量结构60的第三测量面600接触。
于其它实施例中，X轴测量装置4还包含第一近接开关44，与第一测量结构40对应设置，当第一测量结构40靠近第一近接开关44的感应范围时，第一近接开关44可以发出提醒信号至控制器10，而通过第一近接开关44的设置，控制器10可在第一测量结构40移动至极限位置时进行对应的措施。Y轴测量装置5还包含第二近接开关54，当第二测量结构50靠近第二近接开关54的感应范围时，第二近接开关54可以发出提醒信号至控制器10，而通过第二近接开关54的设置，控制器10可在第二测量结构50移动至极限位置时进行对应的措施。Z轴测量装置6还包含第三近接开关64，当第三测量结构60靠近第三近接开关64的感应范围时，第三近接开关64可以发出提醒信号至控制器10，而通过第三近接开关64的设置，控制器10可在第三测量结构60移动至极限位置时进行对应的措施。
又于一些实施例中，球形体3具有内凹的锁固孔30，锁固孔30的内壁面可具有螺纹(未图示)，故球形体3可通过锁固孔30而与连杆8组接，或是通过锁固孔30而与机械手臂9的末端轴90的端部组接。
以下将以图6来说明利用图1所示的三维测量装置1而对机械手臂9进行校正的校正方法，其中由于三维测量装置1的球形体3的球心的三维坐标对应于机械手臂9的工作点的实际定位点，故以下提及的实际定位点实际上皆由三维测量装置1测量球形体3的球心的三维坐标来得到。其中该校正方法可应用于控制机械手臂9的控制器10中，而校正方法的原理为﹕因在机器人的运动学分析中，可以利用既有技术的顺向运动学而根据机械手臂9各轴的臂长及所机械手臂9各轴的转动的角度建立数学模型，以推算机械手臂9的工作点的位置，即预测定位点的三维坐标。其中若设定机械手臂9以不同操作动作而移动至相同的预测定位点，则可直接根据这些机械手臂9各轴所转动的角度，利用数学模型而推算机械手臂9在空间中的预测定位点。故机械手臂9的理想数学模型为机械手臂9在每一操作动作每一轴的转动角度θ在顺向运动学下的函数方程式FK(θi)，用以计算机械手臂9的工作点在空间中的预测定位点
Figure BDA0002299843960000091
表示式如下：
Figure BDA0002299843960000092
其中
Figure BDA0002299843960000093
为在顺向运动学下的机械手臂9的工作点的预测定位点，i为机械手臂9所执行的操作动作为第几个的指称，
Figure BDA0002299843960000094
代表定机械手臂9每一轴的转动角度θ在顺向运动学下的函数方程式。
在理想状态下，当控制器10依据设定了预设定位点的指令而控制机械手臂9以两次以上且皆不同的操作动作分别朝向同一预设定位点移动时，则机械手臂9每两次不同操作动作下的预测定位点
Figure BDA0002299843960000095
的差值减去机械手臂9每两次不同操作动作下的实际定位点P的差值将等于0，即
Figure BDA0002299843960000096
Figure BDA0002299843960000097
将等于0。然由于制造及组装的误差，故当控制器10依据设定了预设定位点的指令而控制机械手臂9以两次以上不同的操作动作(或称姿态)分别朝向相同的预设定位点移动时，机械手臂9以不同的操作动作所移动到的实际定位点之间将存在位置的偏差，而非移至同一实际位置。在上述情况发生时，则
Figure BDA0002299843960000098
的值将非0，故本公开的校正方法可设定控制器10在
Figure BDA0002299843960000101
的值不在可容许门限值的范围内时进行机械手臂9的校正相关操作。
该校正相关操作为先依据机械手臂9在每一操作动作所移动到的实际定位点来使用既有技术而分别产生雅可比(Jacobian)矩阵，以得到在机械手臂9在每一操作动作下，机械手臂9的预测定位点
Figure BDA0002299843960000102
与实际定位点P的位置之间的位置运算式，即如下列式(2)﹕
Figure BDA0002299843960000103
其中J代表雅可比(Jacobian)矩阵，Ji[Δα,Δθ]代表在机械手臂9的第i个操作动作下，机械手臂9的每一轴的杆件尺寸α的偏差量Δα及机械手臂9每一轴的转动角度θ的偏差量Δθ在顺向运动学下的函数方程式
Figure BDA0002299843960000104
的一阶偏导数。而后利用上述式(2)将机械手臂9依据设定了预设定位点的指令所执行的第i+1次操作动作所能得到的位置运算式与机械手臂9依据设定了预设定位点的指令所执行的第i次操作动作所能得到的位置运算式进行减法运算，以得到下列式(3)：
Figure BDA0002299843960000105
其中通过三维测量装置1可分别测量到实际定位点Pi+1及实际定位点Pi的三维坐标点，故控制器10可通过三维测量装置1的感测结果推得(Pi+1-Pi)的数值(即机械手臂9依据设定了预设定位点的指令而在两次不同操作动作下所到达的两个实际定位点间的偏移量)，又
Figure BDA0002299843960000106
及
Figure BDA0002299843960000107
为由机械手臂9的理想数学模型得到而为已知值，故可知道(Pi+1-Pi)与(Ji+1-Ji)[Δα,Δθ]之间存在对应关系。由上可知，若对机械手臂9进行校正而使(Pi+1-Pi)的结果趋近于0，则代表机械手臂9在依据设定了预设定位点的指令而控制机械手臂9以两次以上不同的操作动作分别朝向相同的预设定位点移动时，机械手臂9以不同的操作动作所移动到的实际定位点将趋近于相同位置，因此基于上述原理，控制器10便由式(3)计算得到机械手臂9在依据设定了预设定位点的指令而控制机械手臂9以两次以上不同的操作动作分别朝向相同的预设定位点移动时，机械手臂9每一轴的杆件尺寸α的偏移量Δα的相减值及机械手臂9每一轴的转动角度θ的校正量Δθ的相减值，进而依据偏移量Δα的相减值及偏移量Δθ的相减值而对利用顺向运动学所得到的机械手臂9的理想数学模型中的机械手臂9每一轴的杆件尺寸α及机械手臂9每一轴的转动角度θ进行更新(即对对应的函数方程式中的机械手臂9每一轴的杆件尺寸α及机械手臂9每一轴的转动角度θ进行更新)，借此让(Pi+1-Pi)可逐渐收敛于0，如以一来，即可完成机械手臂9的校正。
请参阅图6，其是为本公开优选实施例的机械手臂的校正方法的步骤流程示意图。基于前述的校正原理，本实施例的校正方法首先执行步骤S1，提供机械手臂(如图4所示的机械手臂9)以及如图1所示的三维测量装置1，其中球形体3是与机械手臂9的末端轴90组接，且位于初始点。接着，执行步骤S2，计算出位于由第一测量结构40于X轴方向的可移动距离、第二测量结构50于Y轴方向的可移动距离及第三测量结构60于Z轴方向的可移动距离所共同定义的测量空间7内的至少一预设定位点。然后，执行步骤S3，控制机械手臂9以不同的操作动作由初始点朝向每一预设定位点移动两次以上，并通过三维测量装置1所测量到的球形体3的三维坐标而得到机械手臂9每一次移动完成后所到达的每一实际定位点的三维坐标。接着，执行步骤S4，利用顺向运动学而计算步骤S3所得到的机械手臂9在每一操作动作下所到达的每一实际定位点的函数方程式(即式(1))，以推得机械手臂9在每一操作动作下的预测定位点。然后执行步骤S5，在移动至相同预设定位点的条件下，判断机械手臂9任意两个操作动作下的两个预测定位点的差值减去两个实际定位点的差值是否在可容许门限值的范围内(即前述的
Figure BDA0002299843960000111
Figure BDA0002299843960000112
是否为可容许门限值的范围内)。当步骤S5的判断结果为否时，则执行步骤S6，依据机械手臂9在每一操作动作所到达的实际定位点而分别产生雅可比矩阵，以得到在机械手臂9在每一操作动作下，机械手臂9的预测定位点与实际定位点之间的位置运算式(如式(2))，其中每一雅可比矩阵为机械手臂9在对应的操作动作下，机械手臂9每一轴的杆件尺寸α的一偏差量Δα及机械手臂9每一轴的转动角度θ的一偏差量Δθ在对应的顺向运动学函数方程式下的偏导数。然后，执行步骤S7，在移动至相同预设定位点的条件下，将步骤S6所求得的机械手臂9任意两个操作动作下的两个位置运算式进行减法运算，以计算机械手臂9在任意两个操作动作下，机械手臂9的每一轴的杆件尺寸的偏差量间的相减值及机械手臂9每一轴的转动角度的偏差量间的相减值。最后，执行步骤S8，依据步骤S7所计算得到的结果对利用顺向运动学所得到的机械手臂9的理想数学模型中的机械手臂9每一轴的杆件尺寸α及机械手臂9每一轴的转动角度θ进行更新，然后重新执行步骤S4。另外，当步骤S5的判断结果为机械手臂9任意两个操作动作下的两个预测定位点的差值减去两个实际定位点的差值在可容许门限值的范围内时，则执行步骤S9，结束校正方法。
综上所述，本公开提供一种三维测量装置及机械手臂的校正方法，其中三维测量装置不但具有X轴测量装置、Y轴测量装置、Z轴测量装置，更具有与X轴测量装置、Y轴测量装置、Z轴测量装置相接触并与可移动元件组接的球形体，使得三维测量装置可同时进行球形体的三维坐标测量，以获得可移动元件的工作点，故不但可大幅节省测量的时间，且生产成本亦较低。而使用本公开的三维测量装置所执行的机械手臂的校正方法同样达到节省测量的时间及无须使用昂贵的测量装置来进行的技术效果。

Claims (13)

1.一种三维测量装置，是与一自动化装置的一可移动元件组接，包含：
一球形体，与该可移动元件组接，且该球形体被该可移动元件带动而同步移动及转动；
一基座；
一X轴测量装置，位于该基座上，且包含一第一测量结构及一第一位置感测器，其中该第一测量结构于X轴方向移动，且与该球形体接触，该第一位置感测器是用以在该球形体推动该第一测量结构时，测量该第一测量结构的移动距离；
一Y轴测量装置，位于该基座上，且包含一第二测量结构及一第二位置感测器，其中该第二测量结构于Y轴方向移动，且与该球形体接触，该第二位置感测器是用以在该球形体推动该第二测量结构时，测量该第二测量结构的移动距离；以及
一Z轴测量装置，位于该基座上，且包含一第三测量结构及一第三位置感测器，其中该第三测量结构于Z轴方向移动，且与该球形体接触，该第三位置感测器是用以在该球形体推动该第三测量结构时，测量该第三测量结构的移动距离；
其中该第一测量结构沿X轴方向的可移动距离、该第二测量结构沿Y轴方向的可移动距离及该第三测量结构沿Z轴方向的可移动距离共同定义一测量空间，而该球形体在该测量空间移动时，该第一位置感测器、该第二位置感测器以及该第三位置感测器的感测结果反应该球形体的三维坐标。
2.如权利要求1所述的三维测量装置，其中该可移动元件为一机械手臂，该机械手臂为六轴型机械手臂或SCARA型机械手臂。
3.如权利要求2所述的三维测量装置，其中该球形体通过一连杆与该与机械手臂的一末端轴组接。
4.如权利要求1所述的三维测量装置，其中该第一测量结构沿X轴方向的该可移动距离、该第二测量结构沿Y轴方向的该可移动距离及该第三测量结构沿Z轴方向的该可移动距离皆等于该球形体的半径。
5.如权利要求1所述的三维测量装置，其中该第一位置感测器、该第二位置感测器及该第三位置感测器分别由光学尺所构成。
6.如权利要求1所述的三维测量装置，其中该基座具有一第一固定柱以及一第二固定柱，该第一固定柱以及该第二固定柱相邻地垂直设置于该基座上，且该第一固定柱具有相连的一第一连接部及一第二连接部，该第一连接部与该第二连接部约呈L形。
7.如权利要求6所述的三维测量装置，其中该X轴测量装置固设于该第一固定柱的该第一连接部上，该Y轴测量装置固设于该第一固定柱的该第二连接部上，该Z轴测量装置固设于该第二固定柱上。
8.如权利要求7所述的三维测量装置，其中该X轴测量装置还包含一第一线性轨道及一第一弹性元件，该第一线性轨道沿X轴方向设置于该第一连接部上，且供该第一测量结构滑动，该第一弹性元件是于该球形体推动该第一测量结构时产生弹性恢复力，该Y轴测量装置还包含一第二线性轨道及一第二弹性元件，该第二线性轨道沿Y轴方向设置于该第二连接部上，且供该第二测量结构滑动，该第二弹性元件是于该球形体推动该第二测量结构时产生弹性恢复力，该Z轴测量装置还包含一第三线性轨道及一第三弹性元件，该第三线性轨道沿Z轴方向设置于该第二固定柱上，且供该第三测量结构滑动，该第三弹性元件是于该球形体推动该第三测量结构时产生弹性恢复力。
9.如权利要求8所述的三维测量装置，其中该第一连接部包含一第一容置孔洞，该第二连接部包含一第二容置孔洞，该第二固定柱包含一第三容置孔洞，该第一弹性元件的一端与该第一测量结构的一第一抵顶面相抵顶，该第一弹性元件的另一端是容收于该第一容置孔洞内并与该第一容置孔洞内的壁面相抵顶，该第二弹性元件的一端与该第二测量结构的一第二抵顶面相抵顶，该第二弹性元件的另一端是容收于该第二容置孔洞内并与该第二容置孔洞内的壁面相抵顶，该第三弹性元件的一端与该第三测量结构的一第三抵顶面相抵顶，该第三弹性元件的另一端是容收于该第三容置孔洞内并与该第三容置孔洞内的壁面相抵顶。
10.一种机械手臂的校正方法，包含步骤：
(S1)提供一机械手臂以及如权利要求1所述的该三维测量装置，其中该三维测量装置的该球形体与该机械手臂组接，且该球形体可被该机械手臂带动而同步移动及转动；
(S2)计算出位于一测量空间内的至少一预设定位点；
(S3)控制该机械手臂以不同的操作动作由一初始点朝向每一该预设定位点移动两次以上，并通过该三维测量装置所测量到的该球形体的三维坐标而得到该机械手臂每一次移动完成后所到达的每一实际定位点的三维坐标；
(S4)利用顺向运动学计算该步骤(S3)所得到的该机械手臂在每一操作动作下所到达的每一该实际定位点的一函数方程式，以推得该机械手臂在每一操作动作下的一预测定位点；
(S5)在移动至相同该预设定位点的条件下，判断该机械手臂任意两个操作动作下的两个该预测定位点的差值减去两个该实际定位点的差值是否在一可容许门限值的范围内；
(S6)当该步骤(S5)的判断结果为否时，依据该机械手臂在每一操作动作所到达的该实际定位点而分别产生一雅可比矩阵，以得到在每一操作动作下，该机械手臂的该预测定位点与该实际定位点之间的一位置运算式，其中每一该雅可比矩阵为该机械手臂在对应的操作动作下的每一轴的杆件尺寸的一偏差量及每一轴的转动角度的一偏差量在对应的该函数方程式下的偏导数；
(S7)在移动至相同该预设定位点的条件下，将该步骤(S6)所求得的该机械手臂任意两个操作动作下的两个该位置运算式进行减法运算，以计算该机械手臂在任意两个操作动作下，该机械手臂的每一轴的杆件尺寸的该偏差量间的相减值及该机械手臂每一轴的转动角度的该偏差量间的相减值；
(S8)依据该步骤(S7)所计算得到的结果而对对应的该函数方程式的该机械手臂每一轴的杆件尺寸及该机械手臂每一轴的转动角度进行更新，并重新执行该步骤(S4)；以及
(S9)当该步骤(S8)执行完或是当该步骤(S5)的判断结果为是时，结束该校正方法。
11.如权利要求10所述的机械手臂的校正方法，其中该实际定位点为该三维测量装置测量该球形体的球心的三维坐标。
12.如权利要求10所述的机械手臂的校正方法，其中该球形体与该机械手臂的一末端轴组接，且位于该初始点。
13.如权利要求10所述的机械手臂的校正方法，其中该至少一预设定位点是通过一第一测量结构测量该球形体于X轴方向的一可移动距离、通过一第二测量结构测量该球形体于Y轴方向的一可移动距离及通过一第三测量结构测量该球形体于Z轴方向的一可移动距离所共同定义的该测量空间内的三维坐标。
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