CN113799115B - 机器手臂的坐标校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器手臂的坐标校正方法，包含步骤：(a)在机器手臂于工作空间中运作时，依据移动命令控制机器手臂进行移动，并利用三维测量装置取得机器手臂所到达的参考定位点；(b)依据参考定位点取得参考坐标系；(c)机器手臂离开工作空间，而在机器手臂回到工作空间中运作时，依据移动命令控制机器手臂进行移动，并利用三维测量装置取得机器手臂所到达的实际定位点；(d)依据实际定位点取得实际坐标系，并依据参考坐标系及实际坐标系计算取得坐标补正信息；以及(e)依据坐标补正信息调整机器手臂，使机器手臂维持运作于参考坐标系。

Description

机器手臂的坐标校正方法
技术领域
本发明涉及一种坐标校正方法，尤其涉及一种机器手臂的坐标校正方法。
背景技术
如今，机器人在各个产业上的应用愈加广泛。机器人在运作过程中可能受载台移动而往返于不同的场域或工作站，而非固定运作于特定的工作站。于此情况下，若机器人移动至任一工作站时，均需重新建立坐标系并进行教点，以确保工作精度。然而，重复建立坐标系及教点将耗费大量时间，导致工作效率降低，且难以确保每次确立的坐标系均完全相同，可能使得机器手臂的工作精度下降。
因此，如何发展一种可改善上述公知技术的机器手臂的坐标校正方法，实为目前迫切的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器手臂的坐标校正方法，其通过三维测量装置建立工作空间的参考坐标系，在机器手臂暂离后回到该工作空间时，通过三维测量装置获取实际坐标系，并依据参考坐标系与实际坐标系间的差异对机器手臂进行调整，使机器手臂仍维持运作于参考坐标系中。由此，无需重复建立坐标系及进行教点，可提升工作效率，且由于机器手臂始终运作于参考坐标系中，故可有效确保机器手臂的高精度。
为达上述目的，本发明提供一种机器手臂的坐标校正方法，其中机器手臂设置于可动载台上及运作于至少一工作空间中，工作空间中设置有三维测量装置，三维测量装置架构于测量机器手臂的位置。坐标校正方法包含步骤：(a)在机器手臂受可动载台移动而至工作空间中运作时，依据移动命令控制机器手臂进行移动，并利用三维测量装置取得机器手臂所到达的至少三个参考定位点；(b)依据至少三个参考定位点计算取得旋转矩阵及平移向量，并依据旋转矩阵及平移向量计算取得相应的参考坐标系；(c)机器手臂受可动载台移动而离开工作空间，而在机器手臂回到工作空间中运作时，依据移动命令控制机器手臂进行移动，并利用三维测量装置取得机器手臂所到达的至少三个实际定位点；(d)依据至少三个实际定位点计算取得旋转矩阵及平移向量，进而计算取得相应的实际坐标系，再通过比较参考坐标系及实际坐标系的旋转矩阵及平移向量，计算取得坐标补正信息；以及(e)依据坐标补正信息调整机器手臂，使机器手臂维持运作于参考坐标系。
本发明的有益效果在于，本发明提供一种机器手臂的坐标校正方法，其通过三维测量装置建立工作空间的参考坐标系，在机器手臂暂离后回到该工作空间时，通过三维测量装置获取实际坐标系，并依据参考坐标系与实际坐标系间的差异对机器手臂进行调整，使机器手臂仍维持运作于参考坐标系中。由此，无需重复建立坐标系及进行教点，可提升工作效率，且由于机器手臂始终运作于参考坐标系中，故可有效确保机器手臂的高精度。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的机器手臂、工作空间及三维测量装置的立体结构示意图。
图2为图1的三维测量装置的立体结构示意图。
图3为本发明较佳实施例的机器手臂的坐标校正方法的流程示意图。
附图标记如下：
1：机器手臂
2：工作平台
3：三维测量装置
31：球形体
32：基座
33：测量模块
34：测量结构
4：工具
5：可动载台
S1、S2、S3、S4、S5：坐标校正方法的步骤
具体实施方式
体现本发明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。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本发明。
为了更易于了解本发明技术，以下将以图1及图2示例说明机器手臂、可动载台及三维测量装置与其所在的工作空间的具体方式，然而须注意的是，工作空间及三维测量装置的可能实施方式并不以此为限，仅需确保三维测量装置的设置位置维持固定，且可在工作空间中测量机器手臂的位置/坐标即可。
图1为本发明较佳实施例的机器手臂、工作空间及三维测量装置的立体结构示意图，图2为图1的三维测量装置的立体结构示意图。如图1及图2所示，其中以工作平台2代表三维测量装置3所在的工作空间，三维测量装置3固设于工作平台2上，机器手臂1设置于可动载台5上，且机器手臂1受可动载台5带动而与之同步移动。当然，于实际应用中，工作平台2上亦将设置机器手臂1在运作过程中相互动的元件或装置，此处为便于说明建立坐标过程而仅于图中示出工作平台2上的三维测量装置3。机器手臂1可为例如但不限于六轴型机器手臂或选择顺应性装配机器手臂(SCARA机器手臂)。三维测量装置3架构于测量机器手臂1的位置/坐标，且包含球形体31、基座32及三个测量模块33。球形体31可拆卸地组接于机器手臂1，且受机器手臂1带动而同步移动或转动。三个测量模块33均设置于基座32上，其中每一测量模块33包含测量结构34及位置感测器。三个测量模块33的三个测量结构34分别于X轴、Y轴及Z轴方向上移动，且均与球形体31接触。位置感测器架构于在对应的测量结构34被球形体31推动时感测测量结构34的移动距离，其中位置感测器可为例如但不限于由光学尺所构成。
请参阅图3，图3为本发明较佳实施例的机器手臂的坐标校正方法的流程示意图。首先，在机器手臂1受可动载台5移动至工作空间(例如：工作平台2)中运作时，依据移动命令控制机器手臂1进行移动，并利用三维测量装置3取得机器手臂1所到达的至少三个参考定位点(步骤S1)。移动命令可例如但不限于包含控制机器手臂1以不同的操作动作进行至少三次移动。接着，依据该至少三个参考定位点建立参考坐标系(步骤S2)。接着，机器手臂1受可动载台5移动而离开工作空间，而在机器手臂1回到工作空间中运作时，依据移动命令控制机器手臂1进行移动，并利用三维测量装置3取得机器手臂1所到达的至少三个实际定位点(步骤S3)，其中实际定位点的数量与参考定位点的数量相同。而后，依据至少三个实际定位点取得实际坐标系，并依据参考坐标系及实际坐标系计算取得坐标补正信息(步骤S4)。最后，依据坐标补正信息调整机器手臂1，使机器手臂1维持运作于参考坐标系(步骤S5)。
由此可知，在机器手臂1初次移动至工作空间时，建立参考坐标系。在建立参考坐标系后，即便机器手臂1移动至其他工作空间或场域，在机器手臂1回到已建立参考坐标系的工作空间时，可通过比较参考坐标系及实际坐标系迅速调整机器手臂1，而使机器手臂1仍可运作于原先建立的参考坐标系中，无需重新建立坐标系及进行教点，由此，可大幅机器手臂1的工作效率及精度。
请再参阅图1至图3所示，上述三个测量结构34分别沿对应各个轴向(X轴、Y轴及Z轴)的可移动距离共同定义测量空间，于坐标校正方法的步骤S1及步骤S3中，球形体31受机器手臂1带动而于测量空间中移动，三个位置感测器的感测结果反映球形体31的三维坐标。于一些实施例中，坐标校正方法的步骤S1至步骤S3中的参考定位点及实际定位点为三维测量装置3所测量的球形体31的球心的三维坐标。
上述球形体31可拆卸地组接于机器手臂1，因此机器手臂1可仅在有建立或校正坐标系的需求时组接于球形体31，以便于执行图3所示的坐标校正方法。再者，机器手臂1可仅在需测量定位点时组接于球形体31，具体而言，机器手臂1可仅于坐标校正方法的步骤S1至步骤S3中组接于球形体31。
于一些实施例中，机器手臂1组接于工具4，工具4受机器手臂1带动而运作于工作平台2上，其中，当机器手臂1组接于工具4的情况下，机器手臂1亦可同时组接于三维测量装置3的球形体31。由此，当机器手臂1进行坐标系校正时，无需在校正前拆除工具4，故在校正完成后，无需重新安装工具4并进行相应调校，从而可节省校正工序及耗费时间，间接提升机器手臂1的工作效率。
以下将示例说明如何取得坐标系及坐标补正信息。
当机器手臂1依据移动命令进行移动时，可利用三维测量装置3测量取得三个参考定位点的三维坐标，通过等式(1)、(2)及(3)，可依据三个参考定位点P0、Px及Py取得X轴、Y轴及Z轴的单位向量
Figure BDA0002534454690000051
及/>
Figure BDA0002534454690000052
据此，机器手臂1的旋转矩阵R如等式(4)所示。
Figure BDA0002534454690000053
Figure BDA0002534454690000054
Figure BDA0002534454690000055
Figure BDA0002534454690000056
/>
而后可根据旋转矩阵R计算取得平移向量
Figure BDA0002534454690000057
如等式(5)所示，
Figure BDA0002534454690000058
其中Px0、Py0及Pz0为机器手臂1的档点位置。由此，可依据旋转矩阵及平移向量建立参考坐标系。于一些实施例中，机器手臂1自参考定位点P0沿X轴移动以获取参考定位点Px，机器手臂1自参考定位点P0沿Y轴移动以获取参考定位点Py。
而若机器手臂1移动至其他工作空间或场域，在机器手臂1回到已建立参考坐标系的工作空间时，控制机器手臂1依据移动命令移动，并利用三维测量装置3测量取得三个实际定位点的三维坐标。参照前述的等式(1)至(5)，可计算取得当下机器手臂1的旋转矩阵
Figure BDA0002534454690000059
及平移向量/>
Figure BDA00025344546900000510
通过等式(6)及(7)，可计算取得旋转矩阵变化量及平移向量变化量/>
Figure BDA00025344546900000511
Figure BDA00025344546900000512
Figure BDA00025344546900000513
将旋转矩阵变化量及平移向量变化量作为坐标补正信息，并据此对机器手臂1进行调整，即可使机器手臂1运作于原先建立的参考坐标系中，而无需令机器手臂1运作于实际坐标系中并重新进行教点。
综上所述，本发明提供一种机器手臂的坐标校正方法，其通过三维测量装置建立工作空间的参考坐标系，在机器手臂暂离后回到该工作空间时，通过三维测量装置获取实际坐标系，并依据参考坐标系与实际坐标系间的差异对机器手臂进行调整，使机器手臂仍维持运作于参考坐标系中。由此，无需重复建立坐标系及进行教点，可提升工作效率，且由于机器手臂始终运作于参考坐标系中，故可有效确保机器手臂的高精度。另外，在机器手臂组接于工具的情况下，机器手臂亦可同时组接于三维测量装置的球形体。由此，当机器手臂进行校正时，无需在校正前拆除工具，故在校正完成后，无需重新安装工具对进行相应调校，从而可节省校正工序及耗费时间，间接提升机器手臂的工作效率。
须注意，上述仅是为说明本发明而提出的较佳实施例，本发明不限于所述的实施例，本发明的范围由如随附的权利要求书决定。且本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求书所欲保护。

Claims (9)

1.一种机器手臂的坐标校正方法，其中该机器手臂设置于一可动载台上及运作于至少一工作空间中，该工作空间中设置有一个三维测量装置，该三维测量装置架构于测量该机器手臂的位置，该坐标校正方法包含步骤：
(a)在该机器手臂受该可动载台移动而至该工作空间中运作时，依据一移动命令控制该机器手臂进行移动，并利用该三维测量装置取得该机器手臂所到达的至少三个参考定位点；
(b)依据该至少三个参考定位点计算取得一旋转矩阵及一平移向量，并依据该旋转矩阵及该平移向量计算取得相应的一参考坐标系；
(c)该机器手臂受该可动载台移动而离开该工作空间，而在该机器手臂回到该工作空间中运作时，依据该移动命令控制该机器手臂进行移动，并利用该三维测量装置取得该机器手臂所到达的至少三个实际定位点；
(d)依据该至少三个实际定位点计算取得一旋转矩阵及一平移向量，进而计算取得相应的一实际坐标系，再通过比较该参考坐标系及该实际坐标系的该旋转矩阵及该平移向量，计算取得一坐标补正信息；以及
(e)依据该坐标补正信息调整该机器手臂，使该机器手臂维持运作于该参考坐标系；
其中该三维测量装置包含：
一球形体，可拆卸地组接于该机器手臂，且受该机器手臂带动而同步移动或转动；
一基座；以及
三个测量模块，设置于该基座上，其中每一该测量装置包含一测量结构及一位置感测器，该三个测量模块的三个该测量结构分别于X轴、Y轴及Z轴方向上移动，且均与该球形体接触，该位置感测器架构于在对应的该测量结构被该球形体推动时，测量该测量结构的移动距离，
其中三个该测量结构分别沿对应各个轴向的可移动距离共同定义一测量空间，于该步骤(a)及该步骤(c)中，该球形体受该机器手臂带动而于该测量空间中移动，三个该位置感测器的感测结果反映该球形体的三维坐标。
2.如权利要求1所述的机器手臂的坐标校正方法，其中该移动命令包含控制该机器手臂以不同的操作动作进行至少三次移动。
3.如权利要求1所述的机器手臂的坐标校正方法，其中该机器手臂的该旋转矩阵的等式如下：
Figure FDA0003958217150000021
Figure FDA0003958217150000022
Figure FDA0003958217150000023
Figure FDA0003958217150000024
其中，P0、Px及Py代表三个该定位点，
Figure FDA0003958217150000025
及
Figure FDA0003958217150000026
分别代表X轴、Y轴及Z轴的单位向量，R代表该机器手臂的该旋转矩阵。
4.如权利要求3所述的机器手臂的坐标校正方法，其中该机器手臂的该平移向量的等式如下：
Figure FDA0003958217150000027
其中Px0、Py0及Pz0代表该机器手臂的档点位置，
Figure FDA0003958217150000028
代表该机器手臂的该平移向量。
5.如权利要求4所述的机器手臂的坐标校正方法，其中通过比较该参考坐标系及该实际坐标系的该旋转矩阵及该平移向量而计算取得一旋转矩阵变化量及一平移向量变化量，该坐标补正信息包含该旋转矩阵变化量及该平移向量变化量，该旋转矩阵变化量及该平移向量变化量的等式分别如下：
Figure FDA0003958217150000029
Figure FDA00039582171500000210
其中R及
Figure FDA00039582171500000211
分别代表该参考坐标系的该旋转矩阵及该平移向量，
Figure FDA00039582171500000212
及
Figure FDA00039582171500000213
分别代表该实际坐标系的该旋转矩阵及该平移向量，ΔR代表该旋转矩阵变化量，
Figure FDA00039582171500000214
代表该平移向量变化量。
6.如权利要求1所述的机器手臂的坐标校正方法，其中该机器手臂组接于一工具，该工具受该机器手臂带动而进行运作，且该机器手臂在组接于该工具时可拆卸地组接于该三维测量装置的该球形体。
7.如权利要求1所述的机器手臂的坐标校正方法，其中该机器手臂仅于该步骤(a)至该步骤(c)中组接于该三维测量装置的该球形体。
8.如权利要求1所述的机器手臂的坐标校正方法，其中于该步骤(a)至该步骤(c)中，该至少三个参考定位点及该至少三个实际定位点为该三维测量装置所测量的该球形体的球心的三维坐标。
9.如权利要求1所述的机器手臂的坐标校正方法，其中该机器手臂为六轴型机器手臂或选择顺应性装配机器手臂。
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