CN113059559B - 机器人工具的校正方法与校正系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器人工具的校正方法与校正系统，校正系统包括使用第一坐标系的机器手臂、设置于机器手臂法兰面的工具、以及使用第二坐标系的影像装置，其中影像装置建立一个影像感测区。校正方法包括下列步骤：控制机器手臂移动，使得工具的工作点进入影像感测区内；记录机器手臂的当前姿态以及工作点在第二坐标系上的特定坐标；取得记录了第一坐标系与第二坐标系间的对应关系的转换矩阵；及，将特定坐标及当前姿态套入转换矩阵，以获得工作点在第一坐标系上的绝对位置。

Description

机器人工具的校正方法与校正系统
技术领域
本发明涉及机器人的校正方法与校正系统，尤其涉及对机器人上配置的工具进行校正的校正方法与校正系统。
背景技术
目前机器手臂已经广泛地应用于自动化生产程序中。具体而言，产线人员通常会将各种类型的工具(例如夹具、连接工具、焊接工具等)安装在机器手臂的法兰面(Flange)上，借此机器手臂可通过这些工具来实现产线自动化流程。
由于机器手臂本身只知道法兰面的位置，但是不知道工具上的工具工作点(ToolWorking Point,TWP)的实际位置，因此在安装或更换了工具后，必须要先进行校正，以令机器手臂的控制器获得所述工具工作点的位置信息。
工具工作点的位置精度会影响自动化流程的精准度，例如，若工具工作点的位置有误，则在机器手臂的作动过程中可能会造成产品的损伤，严重者甚至可能造成产线停滞。因此，要如何对工具进行有效的校正，即为相关领域中非常重要的课题。
由于工具在生产制造时可能会有加工公差，而将工具安装至机器手臂上时也可能出现几何偏差。再者，若长时间使用所述工具，亦可能会导致工具磨损而产生间隙或变形。上述原因都可能影响工具工作点的位置精度。
为了解决上述问题，目前市面上主要可见下列几种校正方式：
(1)人工教导方式：以人工方式操作机器手臂，令机器手臂以数种不同姿态到达空间中的同一位置，借此进行工具工作点的位置记录；
(2)接触式校正方式：令机器手臂带动工具移动，并使工具工作点依序碰触校正装置中各个轴向的方块并取得方向偏移量，借此依据方向偏移量对工具进行校正；以及
(3)非接触式校正方式：令机器手臂带动工具于光遮断校正装置构成的空间内移动，使得工具工作点以数种不同姿态到达光线交叉点，借此建立工具的样本并产生对应的偏差量，再依据样本及偏差量来对工具进行校正。
然而，上述人工教导方式是完全依靠人眼以不可量化的方式进行教导(即，基于人眼以及人为经验判断机器手臂是否到达所需位置)，其精准度完全受操作者的经验和技术影响，因而相当不准确。上述接触式校正方式需要让工具工作点碰触各个方块，因此可能会在校正过程中导致工具磨损，且越是高精度的工具影响越大。
上述非接触式校正方式虽然不会有工具磨损的问题，但这种方式只能获得工具工作点和机器手臂法兰面间的偏差量，而无法得到工具工作点在机器手臂坐标系上的绝对位置。并且，当工具更换时就需要重新建立样本并重新取得偏差量，对产线人员来说相当麻烦。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种机器人工具的校正方法与校正系统，可以有效对机器手臂上配置的工具进行校正，以消除工具生产制造时存在的公差、组装时产生的偏差、或是工具因使用磨损而产生误差。
为了实现上述目的，本发明的校正系统主要包括使用第一坐标系的一机器手臂、设置于该机器手臂的一法兰面的一工具、以及使用第二坐标系的一影像装置，其中该影像装置建立一个影像感测区。本发明的校正方法包括下列步骤：控制该机器手臂移动，使得该工具的一工作点进入该影像感测区内；记录机器手臂的当前姿态以及该工作点在该第二坐标系上的一特定坐标；取得记录了该第一坐标系与该第二坐标系间的对应关系的一转换矩阵；及，将该特定坐标及该当前姿态套入该转换矩阵，以获得该工作点在该第一坐标系上的一绝对位置。
对照先前相关技术，本发明的校正系统与校正方法不需以人力进行机器手臂的教导，并且使用的是非接触式的光感测手段，可以提供更高精度的校正结果，同时不会因为校正程序而导致工具本身的磨损。
另，通过本发明的校正系统与校正方法，可直接获得工具上的一或多个工作点于机器手臂坐标系上的绝对位置。相较于先前相关技术中的非接触式校正方法，可不需建立工具的样本，并且比起先前相关技术使用的偏差值，可更进一步提高校正精度。
附图说明
图1为本发明的校正系统的示意图的第一具体实施例。
图2为本发明的校正方法的流程图的第一具体实施例。
图3为本发明的校正方法的流程图的第二具体实施例。
图4为本发明的校正示意图的第一具体实施例。
图5为本发明的建立流程图的第一具体实施例。
图6为本发明的影像装置坐标系建立示意图的第一具体实施例。
图7为本发明的建立流程图的第二具体实施例。
图8为本发明的转换矩阵示意图的第一具体实施例。
图9为本发明的影像信息示意图的第一具体实施例。
图10为本发明的影像信息示意图的第二具体实施例。
图11为本发明的三维影像建立流程图的第一具体实施例。
附图标记说明：
1…校正系统
2…机器手臂
20…控制器
21…法兰面
22…工具
221…工具工作点
3…影像装置
30…影像处理单元
31…光源装置
32…感光装置
33…影像感测区
4…工具工作点二维影像
41、42、4n…工具二维影像
5…法兰面二维影像
S10～S16…校正步骤
S20～S32…绝对位置取得步骤
S40～S50…转换矩阵建立步骤
S60～S82…影像装置坐标系构成步骤
S90～S98…三维影像建立步骤
A…第一位置
B…第二位置
C…第三位置
Figure BDA0002354109830000041
…转换矩阵
{B}…机器手臂坐标系
{I}…影像装置坐标系
具体实施方式
兹就本发明的一优选实施例，配合附图，详细说明如后。
首请参阅图1，为本发明的校正系统的示意图的第一具体实施例。图1公开了本发明的机器人工具的校正系统(下面将于说明书中简称为校正系统1)，如图1所示，本发明的校正系统1主要包括了控制器20、机器手臂2、工具22及影像装置3。
机器手臂2的一端固定设置于机台平面上，另一端朝外延伸并且具有法兰面(Flange)21。所述法兰面21为机器人领域的公知技术，于此不再赘述。本发明中，所述机器手臂2使用独立的机器手臂坐标系。于图1的实施例中，所述机器手臂坐标系以{B}表示，并且机器手臂坐标系{B}的三轴坐标分别以XB、YB、ZB来表示。
所述工具22设置于机器手臂2的法兰面21，并且基于工具22的使用方式，可于其上设定一个工具工作点(Tool Working Point,TWP)221。具体而言，所述工具工作点221指的是工具22上主要用来执行作业的特定点(例如焊接工具的焊接点、夹具的夹持点等)，并且可由机器手臂2的使用者来自行设定。为便于理解，下面将于说明书中以单一个工具工作点221为例，进行说明，但一个工具22上并不以单一个工具工作点221为限。
本发明的其中一个主要目的，在于当机器手臂2更换了新的工具22，或是工具22使用了一段时间而有精准度下降的现象时，通过校正程序来重新寻找工具22上的工具工作点221在所述机器手臂坐标系{B}上的绝对位置。当机器手臂2的控制器20得到工具22的工具工作点221的正确位置后，即可有效消除工具22生产制造时存在的公差、将工具22组装至法兰面21上时产生的偏差、或是工具22因使用磨损而产生误差。
所述控制器20电性连接机器手臂2，用以控制机器手臂2的各项运动，例如位移、旋转等。并且，当机器手臂2上设置有工具22时，控制器20可同时对工具22进行控制，以实现如焊接、夹持等作业。
所述影像装置3设置于机器手臂2旁，并且于机器手臂2的移动范围内建立一个影像感测区33。本发明中，影像装置3使用一个影像装置坐标系。于图1的实施例中，所述影像装置坐标系以{I}表示，并且影像装置坐标系{I}的三轴坐标分别以XI、YI、ZI来表示。
值得一提的是，所述机器手臂坐标系{B}是于机器手臂2制造完成后即可确定的，而影像装置坐标系{I}则是于机器手臂2及影像装置3皆设置完成后，再将机器手臂坐标系{B}做为基础坐标系来进行转换所建立的(将于后面段落进行详述)。本发明的其中一个技术特征在于，可以通过已经确定的机器手臂坐标系{B}以及影像装置坐标系{I}定义出一个记录了机器手臂坐标系{B}与影像装置坐标系{I}之间的对应关系的转换矩阵。借此，在工具22的校正程序中，控制器20可通过转换矩阵来推算所述工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置。于一实施例中，工具工作点221在机器手臂坐标系上的绝对位置可以坐标
Figure BDA0002354109830000051
来表示。
如图1所示，所述影像装置3主要包括平行设置的光源装置31与感光装置32，以及电性连接感光装置32的影像处理单元30。所述光源装置31朝向感光装置32发射光源，所述感光装置32获取光源装置31所发射的光源，借此，影像装置3可以通过光源来建立所述影像感测区33。于一实施例中，所述感光装置32可例如为相机，于此并不加以限定。
本发明中，当机器手臂2上的工具22的工具工作点221进入影像感测区33时，感光装置32感测到的部分光源会被工具工作点221截断，借此，影像处理单元30可以通过截断信息判断工具工作点221目前的位置，并且取得这个位置在影像装置坐标系{I}中的坐标信息。例如，工具工作点221在影像装置坐标系上的当前位置可以坐标
Figure BDA0002354109830000061
来表示。
于一实施例中，所述光源装置31可以对外发射可见光或不可见光，例如X光、激光、红外线、紫外光等，于此并不加以限定。值得一提的是，只要令校正系统1中的各个装置分别具备足够的安全等级(例如足够的防水等级)，并且对所述光源在不同介质下的折射现象进行排除，则本发明的校正系统1及校正方法亦可以被运用在除了空气以外的其他介质(例如水、油或其他溶液)中。
本发明的校正系统1是在安装不同类型的工具22、更换同一类型的工具22、或是当既有工具22因长时间使用而有变形磨损情形时，由控制器20控制机器手臂2来执行相关的校正程序。
具体而言，当工具22被安装至机器手臂2的法兰面21上时，控制器20是控制机器手臂2移动，以令工具22的工具工作点221进入影像装置3建立的影像感测区33中。当工具工作点221位于影像感测区33内时，控制器20记录机器手臂2的当前姿态，并且记录工具工作点221的当前位置对应至影像装置坐标系{I}上的一个特定坐标。本实施例中，所述当前姿态可例如包括法兰面21当前相对于机器手臂坐标系的原点(图未标示)的位移信息(例如X轴位移量、Y轴位移量及Z轴位移量)与旋转信息(例如X轴旋转量、Y轴旋转量及Z轴旋转量)，于此并不加以限定。
接着，控制器20可将所述当前姿态与特定坐标汇入预先建立完成的转换矩阵，以经由转换而获得工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置。如前文所述，所述转换矩阵是记录了所述机器手臂坐标系{B}与所述影像装置坐标系{I}间的对应关系。于一实施例中，所述转换矩阵为齐次转换矩阵(Homogeneous transformation matrix)，于此并不加以限定。
总言之，通过本发明的校正系统1，可以在确定了机器手臂坐标系{B}和影像装置坐标系{I}后，预先推得所述转换矩阵。如此一来，当要对机器手臂2上的工具22进行校正时，即可通过工具工作点221在影像装置坐标系{I}中的坐标、机器手臂2的姿态以及转换矩阵来求得工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置。借此，可有效提高机器手臂2在操作上的精准度。
续请参阅图2，为本发明的校正方法的流程图的第一具体实施例。首先，由使用者确定校正系统1中机器手臂2/影像装置3是否重新安装或更换(步骤S10)。若校正系统1为第一次安装，或是机器手臂2及影像装置3的其中之一被更换时，即需先建立机器手臂坐标系{B}与影像装置坐标系{I}之间的转换关系(步骤S12)，即，建立所述转换矩阵。
接着，使用者或校正系统1的控制器20需确定机器手臂2的法兰面21上设置的工具22是否需要校正(步骤S14)，即，判断机器手臂2上的工具22是否更换(相同类型或不同类型)，或是工具22是否因长时间使用而有精准度下降的现象。
若经判断后认为工具22需要校正，则校正系统1经由控制器20控制机器手臂2进行移动/转动，以经由上述校正程序来取得工具22上的一个工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置(步骤S16)。在取得了工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置后，控制器20即可精准地掌握工具22的所在位置，进而提高机器手臂2的精准度。
续请同时参阅图3及图4，图3为本发明的校正方法的流程图的第二具体实施例，图4为本发明的校正示意图的第一具体实施例。图3公开了本发明的机器人工具的校正方法(下面将于说明书中简称为校正方法)，并且所述校正方法是应用于如图1所示的校正系统1。
如图3所示，首先，由机器手臂2的使用者以人工方式或由机器手臂2的控制器20以自动方式判断机器手臂2上的工具22是否需要进行校正(步骤S20)。于一实施例中，使用者/控制器20主要是于工具22被更换、工具22的使用时间超过第一门限值、或是工具22的精准度小于第二门限值时，判断工具22需要进行校正。
接着，于工具22(新工具或是需要校正的旧工具)被设置在机器手臂2的法兰面21上时，由控制器20控制机器手臂2移动，以令工具22的工具工作点221进入影像装置3所建立的影像感测区33中(步骤S22)。如前文所述，影像装置3主要是通过光源装置31发射光源，通过感光装置32获取光源装置31所发射的光源，借此由所述光源在机器手臂2的移动范围内建立影像感测区33。
如图4所示，当工具工作点221位于影像感测区33中时，影像装置3可通过感光装置32获取到的截断信息判断工具工作点221的当前位置，进而取得工具工作点221目前在影像装置坐标系{I}上的特定坐标。于图4的实施例中，所述特定坐标以
Figure BDA0002354109830000081
来表示，其中I代表影像装置坐标系{I}，t代表工具工作点221。并且，本发明中的影像装置坐标系{I}是以机器手臂坐标系{B}做为参考坐标系统所描绘出来的坐标系(容后详述)。当工具工作点221位于影像感测区33中时，机器手臂2的控制器20亦可得知工具工作点221的上述特定坐标。
值得一提的是，随着机器手臂2移动时的方向、角度的不同，机器手臂2还会具有不同的姿态。于一实施例中，所述姿态可例如为法兰面21相对于机器手臂坐标系的原点的位移信息与旋转信息，于此并不加以限定。
回到图3。当工具工作点221位于影像感测区33中时，控制器20记录机器手臂2的当前姿态(步骤S24)，并且同时记录工具工作点221当前于影像装置坐标系{I}上的特定坐标(步骤S26)。接着，控制器20进一步取得预先建立的转换矩阵(步骤S28)，并将所述当前姿态与特定坐标汇入转换矩阵，以经由转换而获得工具工作点221于机器手臂坐标系{B}上的绝对位置(步骤S30)。于实施例中，工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置可以下列公式表示：
Figure BDA0002354109830000082
其中，
Figure BDA0002354109830000083
为工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的一个点，
Figure BDA0002354109830000084
为记录了机器手臂坐标系{B}与影像装置坐标系{I}的对应关系的转换矩阵，
Figure BDA0002354109830000085
为工具工作点221在影像装置坐标系{I}中的一个点。
值得一提的是，在获得了工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置后，控制器20还可进一步控制影像装置3获取工具工作点221的二维影像(步骤S32)。通过二维影像的获取，影像处理单元30可以建立法兰面21的中心点至工具工作点221的向量关系，或是直接建立工具22的完整三维影像(容后详述)。如此一来，机器手臂2的使用者可以更清楚地了解目前设置的工具22的实施方式，进而决定如何设定工具工作点221，或是如何操作机器手臂2。
续请参阅图5，为本发明的建立流程图的第一具体实施例。如前文所述，要准确获得工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置，必须先建立所述影像装置坐标系{I}及所述转换矩阵。因此，机器手臂2的使用者首先是安装或更换校正系统1中的机器手臂2及/或影像装置3(步骤S40)，于机器手臂2及/或影像装置3首次安装或被更换时，才需要执行图5所示的各步骤，以重新建立所述影像装置坐标系{I}及所述转换矩阵。此时，所述工具22尚未被设置到机器手臂2上。
于步骤S40后，控制器20在机器手臂2上没有设置工具22的情况下控制机器手臂2移动，以令机器手臂2上的法兰面21进入影像装置3所建立的影像感测区33中(步骤S42)。接着，机器手臂2基于控制器20的控制进行移动，以令法兰面21于影像感测区33中移动，并且由控制器20在法兰面21的移动过程中记录机器手臂2的多笔姿态信息(步骤S44)。
于一实施例中，所述姿态信息包括法兰面21位于影像感测区33中的多个位置上时，在机器手臂坐标系{B}上的坐标信息。于另一实施例中，所述姿态信息还包括法兰面21位于所述多个位置上时，机器手臂2本身的X轴旋转量、Y轴旋转量以及Z轴旋转量。而，上述仅为本发明的主要实施例，但并不以此为限。
当法兰面21在影像感测区33中移动时，影像装置3可通过光源装置31与感光装置32来判断法兰面21在影像感测区33中的位置，而控制器20可直接读取法兰面21移动时在机器手臂坐标系{B}上的多笔坐标信息，借此，控制器20可以基于多笔坐标信息来为影像装置3建立所述影像装置坐标系{I}(步骤S46)。
并且，除了上述多笔坐标信息之外，控制器20所记录的姿态信息还包含了机器手臂2在移动时的多笔旋转量，借此，控制器20可以依据已知的机器手臂坐标系{B}、重新建立的影像装置坐标系{I}、以及所记录的姿态信息来建立所述转换矩阵(步骤S48)。于步骤S48后，校正系统1已经具备了对机器手臂2上设置的各种工具22进行绝对位置的校正的所需参数。
值得一提的是，在建立了影像装置坐标系{I}以及转换矩阵后，控制器20还可进一步控制影像装置3获取法兰面21的二维影像(步骤S50)。当校正系统1于前述图3的步骤S32中取得工具工作点221的二维影像后，影像处理单元30就可以通过法兰面21的二维影像以及工具工作点221的二维影像来建立法兰面21的中心点至工具工作点221的向量关系，或是直接建立工具22的完整三维影像(容后详述)。
续请同时参阅图6及图7，其中图6为本发明的影像装置坐标系建立示意图的第一具体实施例，图7为本发明的建立流程图的第二具体实施例。图7用以结合图6详细地说明在图5的流程图中，如何依据各项信息建立影像装置坐标系{I}与转换矩阵。
首先，控制器20在需要建立影像装置坐标系{I}及/或转换矩阵时，先控制机器手臂2移动以令法兰面21进入影像装置3的影像感测区33内(步骤S60)。
值得一提的是，在步骤S60中，控制器20主要是令法兰面21的Z轴方向垂直于影像感测区33的平面，即，令法兰面21平行于要建立的影像装置坐标系{I}的坐标平面。借此，后续于影像装置坐标系{I}的建立程序中，控制器20可以将影像装置3第一次检测到法兰面21时的机器手臂2的Z轴高度设定为影像装置坐标系{I}上Z轴为0的高度。
于法兰面21进入影像装置3的影像感测区33后，控制器20接着控制法兰面21移动至影像感测区33中的第一位置，同时记录机器手臂2的姿态信息(步骤S62)。所述姿态信息至少包括法兰面21在机器手臂坐标系{B}上的坐标信息。基于所述姿态信息，控制器20将法兰面21位于第一位置时在机器手臂坐标系{B}上的坐标信息定义为影像装置坐标系{I}的基本定位点(步骤S64)。
于图6的实施例中，所述第一位置是以坐标
Figure BDA0002354109830000101
来表示，其中，
Figure BDA0002354109830000102
代表法兰面21位于第一位置时，在机器手臂坐标系{B}上的X轴坐标，
Figure BDA0002354109830000103
代表法兰面21位于第一位置时，在机器手臂坐标系{B}上的Y轴坐标，而
Figure BDA0002354109830000104
代表法兰面21位于第一位置时，在机器手臂坐标系{B}上的Z轴坐标。于步骤S64中，控制器20主要是将上述坐标信息定义为影像装置坐标系的基本定位点，即，以坐标
Figure BDA0002354109830000105
做为影像装置坐标系{I}的原点坐标。
接着，控制器20进一步控制法兰面21在不改变Z轴高度的情况下移动至影像感测区33中的第二位置，同时记录机器手臂2的姿态信息(步骤S66)。所述姿态信息至少包括法兰面21在机器手臂坐标系{B}上的坐标信息。基于所述姿态信息，控制器20可依据第一位置及第二位置的相对关系来定义影像装置坐标系{I}的X轴或Y轴(步骤S68)。
于图6的实施例中，所述第二位置是以坐标
Figure BDA0002354109830000106
来表示，其中，
Figure BDA0002354109830000107
代表法兰面21位于第二位置时，在机器手臂坐标系{B}上的X轴坐标，
Figure BDA0002354109830000111
代表法兰面21位于第二位置时，在机器手臂坐标系{B}上的Y轴坐标，而
Figure BDA0002354109830000112
代表法兰面21位于第二位置时，在机器手臂坐标系{B}上的Z轴坐标。于此实施例中，控制器20基于第一位置与第二位置来建立一条虚拟直线，并将虚拟直线的方向定义为影像装置坐标系{I}的Y轴方向YI。
接着，控制器20进一步控制法兰面21在不改变Z轴高度的情况下移动至影像感测区33中的第三位置，同时记录机器手臂2的姿态信息(步骤S70)。所述姿态信息至少包括法兰面21在机器手臂坐标系{B}上的坐标信息。基于所述姿态信息，控制器20可依据第一位置、第二位置及第三位置的相对关系来定义影像装置坐标系{I}的坐标平面(步骤S72)。所述坐标平面指的是由X轴-Y轴所构成的一个平面。
于图6的实施例中，所述第三位置是以坐标
Figure BDA0002354109830000113
来表示，其中，
Figure BDA0002354109830000114
代表法兰面21位于第三位置时，在机器手臂坐标系{B}上的X轴坐标，
Figure BDA0002354109830000115
代表法兰面21位于第三位置时，在机器手臂坐标系{B}上的Y轴坐标，而
Figure BDA0002354109830000116
代表法兰面21位于第三位置时，在机器手臂坐标系{B}上的Z轴坐标。于此实施例中，控制器20基于第一位置与第三位置来建立一条虚拟直线，并且将虚拟直线的方向定义为影像装置坐标系{I}的X轴方向XI。借此，控制器20即可进一步依据所述X轴方向XI与Y轴方向YI来构成一个坐标平面。
如前文所述，控制器20可以在影像装置3第一次检测到法兰面21时即对影像装置坐标系{I}的Z轴进行定义，因此在步骤S72后，控制器20即可基于所述坐标平面以及与坐标平面垂直的Z轴方向ZI建立所述影像装置坐标系{I}(步骤S74)。
值得一提的是，本发明的控制器20在设定了所述基本定位点后，可以先定义所述X轴方向XI，也可先定义所述Y轴方向YI，意即，所述步骤S66与步骤S70并没有执行上的顺序关系，而不应以图7所示者为限。
于一实施例中，控制器20采用的转换矩阵为齐次转换矩阵(Homogeneoustransformation matrix)。所述转换矩阵例如以下所示：
Figure BDA0002354109830000117
其中，
Figure BDA0002354109830000118
为记录了机器手臂坐标系{B}与影像装置坐标系{I}的对应关系的转换矩阵，转换矩阵中的元素R3*3、O3*1、O1*3及11*1分别指出机器手臂坐标系{B}与影像装置坐标系{I}之间的旋转、平移、透视和放大关系。在不存在透视和放大关系的情况下，控制器20只要计算出旋转矩阵和平移矩阵，就可以成功建立所述转换矩阵。
具体而言，控制器20在前述步骤S62、步骤S66与步骤S70所记录的姿态信息中，除了记录法兰面21在机器手臂坐标系{B}上的坐标信息以外，还会同时记录机器手臂2在移动时产生的各项旋转信息，例如X轴旋转量、Y轴旋转量及Z旋转量等。因此，控制器20还可依据所记录的姿态信息来建立所述转换矩阵。如图7所示，控制器20由所记录的姿态信息中取出X轴旋转量、Y轴旋转量及Z轴旋转量，并且基于X轴旋转量、Y轴旋转量及Z轴旋转量计算所述旋转矩阵(步骤S76)。
于一实施例中，所述旋转矩阵(R3*3)是三次连续基本旋转矩阵的合成，并且可以欧拉角(Euler Angle)、RPY角(Roll Pitch Yaw)或标准旋转角来实现。
具体而言，所述欧拉角所描述的旋转方式是先绕Z轴旋转，再绕Y轴旋转，最后再一次绕Z轴旋转，借此，可得出所述旋转矩阵(R3*3)＝Rzyz＝Rz,θzRy,θyRz,θz。所述RPY角所描述的旋转方式是先绕Z轴旋转，再绕Y轴旋转，最后再绕X轴旋转，借此，可得出所述旋转矩阵(R3*3)＝Rzyx＝Rz,θzRy,θyRx,θx。所述标准旋转角所描述的旋转方式是先绕X轴旋转，再绕Y轴旋转，最后再绕Z轴旋转，借此，可得出所述旋转矩阵(R3*3)＝Rxyz＝Rx,θxRy,θyRz,θz。
并且，控制器20进一步取得机器手臂坐标系{B}的原点(例如(0,0,0))与影像装置坐标系{I}的所述基本定位点(例如坐标
Figure BDA0002354109830000121
)间的平移量(步骤S78)，并且基于所述平移量来计算所述平移矩阵(O3*1)(步骤S80)。其中，所述平移量至少包括机器手臂坐标系{B}的原点与影像装置坐标系{I}的基本定位点间的X轴平移量、Y轴平移量及Z轴平移量。
步骤S80后，控制器20即可依据计算所得的旋转矩阵与平移矩阵来计算所述转换矩阵(步骤S82)。于步骤S82后，控制器20即完成了要对机器手臂2的法兰面21上所设置的任意工具22进行校正(即，寻找工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的绝对位置)的准备程序。据此，控制器20可以随时执行如图3所示的各步骤，以对机器手臂2上设置/更换的工具进行校正程序。
请同时参阅图8，为本发明的转换矩阵示意图的第一具体实施例。如图8所示，在校正系统1安装完成前，控制器20即已知机器手臂坐标系{B}。于图8的实施例中，机器手臂坐标系{B}是由X轴方向XB、Y轴方向YB及Z轴方向ZB构成。
接着，经由令机器手臂2的法兰面21移动至影像感测区33中的第一位置(具有坐标
Figure BDA0002354109830000131
)、第二位置(具有坐标
Figure BDA0002354109830000132
)及第三位置(具有坐标
Figure BDA0002354109830000133
)，控制器20可以基于所述机器手臂坐标系{B}来建立影像装置3所使用的影像装置坐标系{I}。于图8的实施例中，影像装置坐标系{I}是由X轴方向XI、Y轴方向YI及Z轴方向ZI构成。
最后，基于已知的机器手臂坐标系{B}、所建立的影像装置坐标系{I}、以及在机器手臂2的移动过程所记录的姿态信息，控制器20可以建立一个能够将坐标在机器手臂坐标系{B}与影像装置坐标系{I}之间进行转换的转换矩阵
Figure BDA0002354109830000134
当机器手臂2在X轴上的平移量为x时，转换矩阵表示为：
Figure BDA0002354109830000135
当机器手臂2在Y轴上的平移量为y时，转换矩阵表示为：
Figure BDA0002354109830000136
当机器手臂2在Z轴上的平移量为z时，转换矩阵表示为：
Figure BDA0002354109830000137
当机器手臂2在X轴上的旋转量为θx时，转换矩阵表示为：
Figure BDA0002354109830000138
当机器手臂2在Y轴上的旋转量为θy时，转换矩阵表示为：
Figure BDA0002354109830000141
当机器手臂2在Z轴上的旋转量为θz时，转换矩阵表示为：
Figure BDA0002354109830000142
通过上述转换矩阵的换算，当工具22已校正完成且跟着机器手臂2移动时，控制器20可以直接得知工具22上的工具工作点221在机器手臂坐标系{B}上的位置信息，借此更精确地对机器手臂2(及其上的工具22)进行控制。
续请参阅图9，为本发明的二维影像示意图的第一具体实施例。于前述图5的步骤S50中，影像装置3通过感光装置32获取了机器手臂2的法兰面21的法兰面二维影像5。而于图3的步骤S32中，影像装置3通过感光装置32获取了工具22的工具工作点221的二维影像4。通过所述二维影像4、5，控制器20可以进一步建立机器手臂2的法兰面21的中心点(图未标示)至工具22的工具工作点221的向量关系。如此一来，可更有利于机器手臂2的使用者了解当前使用的工具22的形态。
具体而言，于图5的步骤S50中，机器手臂2是受控制器2的控制而进行旋转，并且由感光装置32获取对应至不同旋转角度的法兰面21的多张一维影像。于一实施例中，所述旋转角度可例如为一固定角度(例如1度、5度等)、半圈或一圈等，于此并不加以限定。接着，影像装置3通过影像处理单元30接收感光装置32获取的多张一维影像，并且通过演算法对多张一维影像进行处理，以产生一张法兰面21的二维影像。
相似地，于图3的步骤S32中，机器手臂2是受控制器2的控制而进行旋转，并且由感光装置32获取对应至不同旋转角度的工具工作点221的多张一维影像。接着，影像装置3的影像处理单元30通过演算法对多张一维影像进行处理，借此产生一张工具工作点221的二维影像。
于图9的实施例中，影像装置3仅产生工具工作点221的一张二维影像，因此校正系统1仅能通过控制器20来计算法兰面21的中心点至工具22的工具工作点221的向量关系。于其他实施例中，影像装置3可受控制而产生工具22的多张二维影像，借此，校正系统1可通过影像处理单元30直接建立工具22的完整三维影像(如下所述)。
请同时参阅图10，为本发明的二维影像示意图的第二具体实施例。
如图10所示，在影像获取程序中，机器手臂2可受控制器20的控制而持续旋转，并且改变其Z轴高度。同时，影像装置3亦受控制器2的控制而在机器手臂2位于第一高度Z1时获取一张二维影像(例如为法兰面二维影像5)、在机器手臂2位于第二高度Z2时获取一张二维影像(例如工具二维影像41)、在机器手臂2位于第三高度Z3时获取一张二维影像(例如工具二维影像42)、……、并且在机器手臂2位于第n高度Zn时获取一张二维影像(例如工具二维影像4n)。其中，工具二维影像4n为影像装置3所获取的最后一张二维影像，并且为用以描述工具工作点221的二维影像。
本实施例中，影像装置3是通过影像处理单元30接收所述法兰面二维影像5以及多张的工具二维影像41-4n，并且经由演算法对这些二维影像41-4n、5进行处理，以建立机器手臂2上目前设置的工具22的三维影像。借此，使用者可以通过三维影像获得工具22的具体外观形状、尺寸特征等信息。
请同时参阅图11，为本发明的三维影像建立流程图的第一具体实施例。于图11的实施例中，控制器20是控制机器手臂2移动以令其上的工具22进入影像感测区33中。接着，控制器20控制机器手臂2进行旋转，并控制影像装置3取得对应不同旋转角度的多张一维影像(步骤S90)。接着，影像处理单元30经由演算法对多张一维影像进行处理，以建立对应至一个具体高度的一张二维影像(步骤S92)。
接着，控制器20判断影像获取程序是否完成(步骤S94)，即，判断是否已经获得法兰面21的二维影像以及工具工作点221的二维影像。若控制器20判断影像获取程序尚未完成，则控制机器手臂2移动以改变Z轴高度(步骤S96)，并且基于改变后的Z轴高度再次执行步骤S90与步骤S92，以获得下一张二维影像。
于一实施例中，控制器20可调整感光装置33的扫描高度以令影像装置3先获取法兰面21的二维影像，并且于所述步骤S96中，控制机器手臂2上升以增加Z轴高度。于另一实施例中，控制器20可调整感光装置33的扫描高度以令影像装置3先获取工具工作点221的二维影像，并且于所述步骤S96中，控制机器手臂2下降以减少Z轴高度。
若控制器20于步骤S94中判断影像获取程序完成，表示影像处理单元30已经获得了包含法兰面二维影像5以及工具工作点的二维影像4在内的多张二维影像，因此影像处理单元30可经由演算法对多张二维影像进行处理，以建立用来描绘工具22的整体外观、形状的三维影像(步骤S98)。通过影像处理单元30所建立的三维影像，机器手臂2的使用者可以更清楚地得知当前使用的工具22的相关信息，进而对机器手臂2进行更准确的设定或控制。
对照先前相关技术，本发明的校正系统与校正方法不需以人力进行机器手臂的教导，并且使用的是非接触式的光感测手段，可以提供更高精度的校正结果，同时不会因为校正程序而导致工具本身的磨损。
通过本发明的校正系统与校正方法，是可有效取得当前配置的工具上的一或多个的工具工作点在机器手臂坐标系上的绝对位置，借此令机器手臂可对工具进行更准确地控制，以消除工具生产制造时的公差、组装时的偏差、或是工具使用磨损后产生误差。相较于先前相关技术中的非接触式校正方法，可不需建立工具的样本，并且比起先前相关技术使用的偏差值，可更进一步提高校正精度。
以上所述仅为本发明的优选具体实例，非因此即局限本发明的权利要求，故举凡运用本发明内容所为的等效变化，均同理皆包含于本发明的范围内，合予陈明。

Claims (10)

1.一种机器人工具的校正方法，应用于具有一机器手臂、一影像装置及一工具的一校正系统，其中影像装置于该机器手臂的一移动范围内建立一影像感测区，该工具设置于该机器手臂的一法兰面上并且具有一工具工作点，其中该校正方法包括下列步骤：
a)控制该机器手臂移动以令该工具工作点进入该影像感测区中，其中该机器手臂使用一机器手臂坐标系，该影像装置使用一影像装置坐标系；
b)记录该机器手臂的一当前姿态，以及该工具工作点于该影像装置坐标系上的一特定坐标；
c)取得预先建立的一转换矩阵，其中该转换矩阵记录该机器手臂坐标系与该影像装置坐标系之间的对应关系；及
d)将该当前姿态及该特定坐标汇入该转换矩阵，以经由转换而获得该工具工作点于该机器手臂坐标系上的一绝对位置，其中该影像装置包括彼此平行设置的一光源装置及一感光装置，该光源装置朝向该感光装置发射光源，该感光装置获取该光源装置发射的光源，该影像装置通过该光源建立该影像感测区，其中步骤a之前还包括下列步骤：
a01)在该机器手臂上未设置该工具时，控制该机器手臂移动以令该法兰面进入该影像感测区中；
a02)控制该法兰面于该影像感测区中移动，同时记录该机器手臂的姿态信息，其中该姿态信息至少包括该法兰面位于该影像感测区中的多个位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息，以及该法兰面位于各该位置上时该机器手臂的一X轴旋转量、一Y轴旋转量及一Z轴旋转量；
a03)基于所述坐标信息建立该影像装置坐标系；及
a04)依据该机器手臂坐标系、该影像装置坐标系及该姿态信息建立该转换矩阵，其中步骤a02包括下列步骤：
a021)控制该法兰面移动至该影像感测区中的一第一位置，并将该法兰面位于该第一位置时在该机器手臂坐标系上的坐标信息定义为该影像装置坐标系的一基本定位点；
a022)控制该法兰面在不改变Z轴高度的情况下移动至该影像感测区中的一第二位置，并依据该第一位置及该第二位置的相对关系定义该影像装置坐标系的一X轴方向或一Y轴方向；
a023)控制该法兰面在不改变Z轴高度的情况下移动至该影像感测区中的一第三位置，并依据该第一位置、该第二位置及该第三位置的相对关系定义该影像装置坐标系的一坐标平面；
其中，步骤a03是依据该坐标平面及与该坐标平面垂直的一Z轴方向建立该影像装置坐标系，其中在步骤a01中，该法兰面是平行于该影像装置坐标系的该坐标平面，并且该机器手臂将该影像装置第一次检测到该法兰面时的Z轴高度设定为该影像装置坐标系上Z轴为0的高度。
2.如权利要求1所述的机器人工具的校正方法，其中该转换矩阵为齐次转换矩阵。
3.如权利要求1所述的机器人工具的校正方法，其中步骤a04包括下列步骤：
a041)依据该姿态信息中的该X轴旋转量、该Y轴旋转量及该Z轴旋转量计算一旋转矩阵；
a042)取得该机器手臂坐标系的一原点与该影像装置坐标系的该基本定位点间的一x轴平移量、一y轴平移量及一z轴平移量；
a043)依据该x轴平移量、该y轴平移量及该z轴平移量计算一平移矩阵；及
a044)依据该旋转矩阵及该平移矩阵计算该转换矩阵。
4.一种机器人工具的校正方法，应用于具有一机器手臂、一影像装置及一工具的一校正系统，其中影像装置于该机器手臂的一移动范围内建立一影像感测区，该工具设置于该机器手臂的一法兰面上并且具有一工具工作点，其中该校正方法包括下列步骤：
a)控制该机器手臂移动以令该工具工作点进入该影像感测区中，其中该机器手臂使用一机器手臂坐标系，该影像装置使用一影像装置坐标系；
b)记录该机器手臂的一当前姿态，以及该工具工作点于该影像装置坐标系上的一特定坐标；
c)取得预先建立的一转换矩阵，其中该转换矩阵记录该机器手臂坐标系与该影像装置坐标系之间的对应关系；及
d)将该当前姿态及该特定坐标汇入该转换矩阵，以经由转换而获得该工具工作点于该机器手臂坐标系上的一绝对位置，其中该影像装置包括彼此平行设置的一光源装置及一感光装置，该光源装置朝向该感光装置发射光源，该感光装置获取该光源装置发射的光源，该影像装置通过该光源建立该影像感测区，其中步骤a之前还包括下列步骤：
a01)在该机器手臂上未设置该工具时，控制该机器手臂移动以令该法兰面进入该影像感测区中；
a02)控制该法兰面于该影像感测区中移动，同时记录该机器手臂的姿态信息，其中该姿态信息至少包括该法兰面位于该影像感测区中的多个位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息，以及该法兰面位于各该位置上时该机器手臂的一X轴旋转量、一Y轴旋转量及一Z轴旋转量；
a03)基于所述坐标信息建立该影像装置坐标系；及
a04)依据该机器手臂坐标系、该影像装置坐标系及该姿态信息建立该转换矩阵，其中步骤a04后还包括一步骤a05)：由该影像装置取得该法兰面的一二维影像，其中还包括下列步骤：
e)通过该影像装置取得该工具工作点的一二维影像；及
f)依据该法兰面的该二维影像及该工具工作点的该二维影像建立该法兰面的一中心点至该工具工作点的向量关系。
5.一种机器人工具的校正方法，应用于具有一机器手臂、一影像装置及一工具的一校正系统，其中影像装置于该机器手臂的一移动范围内建立一影像感测区，该工具设置于该机器手臂的一法兰面上并且具有一工具工作点，其中该校正方法包括下列步骤：
a)控制该机器手臂移动以令该工具工作点进入该影像感测区中，其中该机器手臂使用一机器手臂坐标系，该影像装置使用一影像装置坐标系；
b)记录该机器手臂的一当前姿态，以及该工具工作点于该影像装置坐标系上的一特定坐标；
c)取得预先建立的一转换矩阵，其中该转换矩阵记录该机器手臂坐标系与该影像装置坐标系之间的对应关系；及
d)将该当前姿态及该特定坐标汇入该转换矩阵，以经由转换而获得该工具工作点于该机器手臂坐标系上的一绝对位置，其中该影像装置包括彼此平行设置的一光源装置及一感光装置，该光源装置朝向该感光装置发射光源，该感光装置获取该光源装置发射的光源，该影像装置通过该光源建立该影像感测区，其中步骤a之前还包括下列步骤：
a01)在该机器手臂上未设置该工具时，控制该机器手臂移动以令该法兰面进入该影像感测区中；
a02)控制该法兰面于该影像感测区中移动，同时记录该机器手臂的姿态信息，其中该姿态信息至少包括该法兰面位于该影像感测区中的多个位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息，以及该法兰面位于各该位置上时该机器手臂的一X轴旋转量、一Y轴旋转量及一Z轴旋转量；
a03)基于所述坐标信息建立该影像装置坐标系；及
a04)依据该机器手臂坐标系、该影像装置坐标系及该姿态信息建立该转换矩阵，其中步骤a04后还包括一步骤a05)：由该影像装置取得该法兰面的一二维影像，其中还包括下列步骤：
g)通过该影像装置取得该工具的一二维影像；
h)判断一影像获取程序是否完成；
i)于该影像获取程序完成前改变该机器手臂的Z轴高度，并再次执行步骤g；及
j)于该影像获取程序完成后，依据该法兰面的该二维影像及该工具的多个所述二维影像建立该工具的一三维影像。
6.一种机器人工具的校正系统，包括：
一机器手臂，具有一法兰面，并且使用一机器手臂坐标系；
一工具，设置于该法兰面上，并且具有一工具工作点；
一影像装置，于该机器手臂的一移动范围内建立一影像感测区，并且使用一影像装置坐标系；及
一控制器，电性连接该机器手臂，控制该机器手臂移动以令该工具工作点进入该影像感测区中，并且记录该机器手臂的一当前姿态以及该工具工作点于该影像装置坐标系上的一特定坐标；
其中，该控制器将该当前姿态及该特定坐标汇入预先建立的一转换矩阵，以经由转换获得该工具工作点于该机器手臂坐标系上的一绝对位置，其中该转换矩阵记录该机器手臂坐标系与该影像装置坐标系之间的对应关系，其中该影像装置包括：
一光源装置，朝外发射光源；及
一感光装置，与该光源装置平行设置，获取该光源装置发射的光源，以通过该光源建立该影像感测区，其中在该机器手臂上未设置该工具时，该控制器控制该机器手臂移动以令该法兰面于该影像感测区中移动同时记录该机器手臂的姿态信息，其中该姿态信息至少包括该法兰面位于该影像感测区中的多个位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息，以及该法兰面位于各该位置上时该机器手臂的一X轴旋转量、一Y轴旋转量及一Z轴旋转量，并且该控制器基于所述坐标信息建立该影像装置坐标系，并依据该机器手臂坐标系、该影像装置坐标系及该姿态信息建立该转换矩阵，其中于建立该影像装置坐标系时，该控制器先控制该法兰面移动至该影像感测区中的一第一位置，并将该法兰面位于该第一位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息定义为该影像装置坐标系的一基本定位点；接着，该控制器控制该法兰面在不改变Z轴高度的情况下移动至该影像感测区中的一第二位置，并依据该第一位置及该第二位置的相对关系定义该影像装置坐标系的一X轴方向或一Y轴方向；接着，该控制器控制该法兰面在不改变Z轴高度的情况下移动至该影像感测区中的一第三位置，并依据该第一位置、该第二位置及该第三位置的相对关系定义该影像装置坐标系的一坐标平面；接着，该控制器基于该坐标平面及与该坐标平面垂直的一Z轴方向建立该影像装置坐标系，其中于建立该影像装置坐标系时，该控制器是令该法兰面平行于该影像装置坐标系的该坐标平面，并且将该影像装置第一次检测到该法兰面时该机器手臂坐标系的Z轴高度设定为该影像装置坐标系上Z轴为0的高度。
7.如权利要求6所述的机器人工具的校正系统，其中该转换矩阵为齐式转换矩阵。
8.如权利要求6所述的机器人工具的校正系统，其中于建立该转换矩阵时，该控制器是依据该姿态信息中的该X轴旋转量、该Y轴旋转量及该Z轴旋转量计算一旋转矩阵，接着取得该机器手臂坐标系的一原点与该影像装置坐标系的该基本定位点间的一x轴平移量、一y轴平移量及一z轴平移量，依据该x轴平移量、该y轴平移量及该z轴平移量计算一平移矩阵，再依据该旋转矩阵及该平移矩阵计算该转换矩阵。
9.一种机器人工具的校正系统，包括：
一机器手臂，具有一法兰面，并且使用一机器手臂坐标系；
一工具，设置于该法兰面上，并且具有一工具工作点；
一影像装置，于该机器手臂的一移动范围内建立一影像感测区，并且使用一影像装置坐标系；及
一控制器，电性连接该机器手臂，控制该机器手臂移动以令该工具工作点进入该影像感测区中，并且记录该机器手臂的一当前姿态以及该工具工作点于该影像装置坐标系上的一特定坐标；
其中，该控制器将该当前姿态及该特定坐标汇入预先建立的一转换矩阵，以经由转换获得该工具工作点于该机器手臂坐标系上的一绝对位置，其中该转换矩阵记录该机器手臂坐标系与该影像装置坐标系之间的对应关系，其中该影像装置包括：
一光源装置，朝外发射光源；及
一感光装置，与该光源装置平行设置，获取该光源装置发射的光源，以通过该光源建立该影像感测区，其中在该机器手臂上未设置该工具时，该控制器控制该机器手臂移动以令该法兰面于该影像感测区中移动同时记录该机器手臂的姿态信息，其中该姿态信息至少包括该法兰面位于该影像感测区中的多个位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息，以及该法兰面位于各该位置上时该机器手臂的一X轴旋转量、一Y轴旋转量及一Z轴旋转量，并且该控制器基于所述坐标信息建立该影像装置坐标系，并依据该机器手臂坐标系、该影像装置坐标系及该姿态信息建立该转换矩阵，其中该影像装置于建立影像装置坐标系时取得该法兰面的一二维影像，其中该影像装置取得该工具工作点的一二维影像，并且该影像装置还包括电性连接该感光装置的一影像处理单元，该影像处理单元依据该法兰面的该二维影像及该工具工作点的该二维影像建立该法兰面的一中心点至该工具工作点的向量关系。
10.一种机器人工具的校正系统，包括：
一机器手臂，具有一法兰面，并且使用一机器手臂坐标系；
一工具，设置于该法兰面上，并且具有一工具工作点；
一影像装置，于该机器手臂的一移动范围内建立一影像感测区，并且使用一影像装置坐标系；及
一控制器，电性连接该机器手臂，控制该机器手臂移动以令该工具工作点进入该影像感测区中，并且记录该机器手臂的一当前姿态以及该工具工作点于该影像装置坐标系上的一特定坐标；
其中，该控制器将该当前姿态及该特定坐标汇入预先建立的一转换矩阵，以经由转换获得该工具工作点于该机器手臂坐标系上的一绝对位置，其中该转换矩阵记录该机器手臂坐标系与该影像装置坐标系之间的对应关系，其中该影像装置包括：
一光源装置，朝外发射光源；及
一感光装置，与该光源装置平行设置，获取该光源装置发射的光源，以通过该光源建立该影像感测区，其中在该机器手臂上未设置该工具时，该控制器控制该机器手臂移动以令该法兰面于该影像感测区中移动同时记录该机器手臂的姿态信息，其中该姿态信息至少包括该法兰面位于该影像感测区中的多个位置上时在该机器手臂坐标系上的坐标信息，以及该法兰面位于各该位置上时该机器手臂的一X轴旋转量、一Y轴旋转量及一Z轴旋转量，并且该控制器基于所述坐标信息建立该影像装置坐标系，并依据该机器手臂坐标系、该影像装置坐标系及该姿态信息建立该转换矩阵，其中该影像装置于建立影像装置坐标系时取得该法兰面的一二维影像，其中该影像装置取得对应该工具工作点的不同Z轴高度的多个二维影像，并且该影像装置还包括电性连接该感光装置的一影像处理单元，该影像处理单元依据该法兰面的该二维影像及该工具的多个所述二维影像建立该工具的一三维影像。
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