CN213197557U - 机械手臂调校系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械手臂调校系统，包括：具有末端的机械手臂，其包含与该机械手臂连接的一控制单元，用以控制该机械手臂执行加工制程，该控制单元包括：输入单元，用以输入在该机械手臂的该末端的工具坐标系；储存单元，其与所述输入单元连接，用于储存该工具坐标系；运算单元，其与所述输入单元连接，用于依据欲进行对正步骤的对象的平面上任意三点的三个坐标值以计算出用户坐标系的法向量；对正单元，用以控制该机械手臂的该末端对该对象执行对正步骤；以及对准单元，用以控制该机械手臂的该末端对该对象执行对准步骤。相较于现有技术，本实用新型在通过控制单元的对正单元和对准单元，可以快速地对机械手臂的末端进行对正和对准。

Description

机械手臂调校系统

技术领域

本实用新型涉及机械手臂技术领域，尤其是一种机械手臂调校系统。

背景技术

机械手臂在进行特定工作时，其一末端面常需要平行于工作平面，才能使设于末端面的末端效应器顺利进行工作。例如，末端效应器可能是夹爪，用以夹取轴杆并将此轴杆插置于孔板的工作平面上的插置孔，机械手臂必须使轴杆在插入该插置孔时垂直于工作平面，因此机械手臂的末端面必需平行于工作平面。

另外，目前为了提升机床取放对正、对准效率的方法多半是在机械手臂上加装传感器，通过传感器让工具可以到达取放目的地，但此方法仍对操作者有诸多不便，例如：加装传感器需要耗费一定成本、加装传感器需要一定的技术，且需要再与控制器联机并且设定相关参数、加装传感器例如利用视觉，事前需要做好影像辨识学习、设定作业，环境周围架设足够光源以利影像辨识，在撷取到影像之后再计算目标点与现在位置的向量，移动机械手臂使两点(目标点与现在位置点)之间的向量长度为零以达到对准。但如此复杂的操作程序只能完成对准的单一功能，若要进行取放作业，则仍然需要先进行对正校正、缺乏完整一套包含对正及对准的快速教导方法。

发明内容

为了改善上述问题，本实用新型的主要目的在于提供一种机械手臂调校系统，达到快速对正及对准取放处中心的功能，以克服因组装或是机械上的误差，并改善机械手臂夹持工件必须调整姿态才能于取放处顺利取放料的问题。

本实用新型的另一目的在于提供一种操作简易快速的机械手臂调校系统，在机械手臂的末端可选择性地加装传感器，能够节省教导时间与设备成本。

本实用新型的再一目的是在于提供一种机械手臂调校系统，在机械手臂的末端可以视需求选配辅具或是传感器来达到调校的精准度。

本实用新型的更一目的是在于提供一种机械手臂调校系统，在无传感器的状态下可以直接夹取工件或辅具进行快速对准教导。

根据上述目的，本实用新型提供一种机械手臂调校系统，包括：

具有一末端的一机械手臂，其包含与该机械手臂连接的一控制单元，用以控制该机械手臂执行一加工制程，该控制单元包括：

一输入单元，用以输入在该机械手臂的该末端的一工具坐标系；

一储存单元，其与所述输入单元连接，用于储存该工具坐标系；

一运算单元，其与所述输入单元连接，用于依据欲进行对正步骤的一对象的一平面上任意三点的三个坐标值以计算出一用户坐标系的一法向量；

一对正单元，用以控制该机械手臂的该末端对该对象执行对正步骤；以及

一对准单元，用以控制该机械手臂的该末端对该对象执行对准步骤。

在本实用新型的较佳实施例中，其中该机械手臂是一关节型机械手臂、一水平式多关节机械手臂、一桁架型机械手臂、或一并联式机械手臂。

在本实用新型的较佳实施例中，其中该末端为一端效器。

在本实用新型的较佳实施例中，其中该端效器为一夹爪或一传感器。

在本实用新型的较佳实施例中，其中该夹爪可夹持一待加工工件或是具有尖点的一辅具。

在本实用新型的较佳实施例中，其中该传感器可以是一接触式力传感器或是一电性传感器。

在本实用新型的较佳实施例中，该机械手臂调校系统还包括一旋转单元，该旋转单元用以控制该机械手臂的该末端执行一转正步骤。

在本实用新型的较佳实施例中，其中该对象的该平面位于一机床主轴卡盘、一料盘、一换刀刀库换刀处或一待加工工件。

在本实用新型的较佳实施例中，所述机械手臂调校系统应用于加工工件、取放工件或取放刀具。

根据上述技术方案，本实用新型的机械手臂调校方法及其调校系统达到以下有益效果：通过控制单元中的运算单元、对正单元、对准单元及旋转单元，使得控制单元可以快速控制机械手臂的末端执行对正步骤、对准步骤及旋转步骤，使得机械手臂可以应用于加工工件、取放工件或取放刀具，且在无辅具或是无传感器的状态下可以直接夹持待加工工件进行快速对正和对准，操作简易且省时，提高了机械手臂的调校效率。

附图说明

图1是根据本实用新型一种实施例的机械手臂调校系统的方框图。

图2是根据本实用新型一种实施例的表示机械手臂调校方法的步骤流程图。

图3A是根据本实用新型一种实施例的表示机械手臂的末端在料盘孔的内侧接触教导点位的示意图。

图3B是根据本实用新型另一种实施例的表示机械手臂的末端在主轴卡盘的外侧接触教点的示意图。

图3C是根据本实用新型一种实施例的表示机械手臂的末端在对象的轮廓的内侧或是外侧接触教导点位以得到几何中心的示意图。

图4A是根据本实用新型一种实施例的表示在几何图形的轮廓的各边线的内侧教导两点的示意图。

图4B是根据本实用新型一种实施例的表示在几何图形的轮廓的内侧教导顶点的示意图。

图5是根据本实用新型另一种实施例的表示机械手臂调校方法的步骤流程图。

图6是根据本实用新型一种实施例的表示机械手臂的末端依据旋转角度进行旋转的示意图。

附图中：

1-机械手臂调校系统；2-控制单元；

22 -输入单元；24-运算单元；

26 -对正单元；28-对准单元；

30 -旋转单元；32-储存单元；

4-机械手臂；42-末端；

5-料盘孔；6-待加工工件、棒材；

7-主轴卡盘。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型，下面将结合实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所做的等效变化与修饰前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

首先请参考图1。图1是根据本实用新型所揭露的技术，表示机械手臂调校系统的方框图。在图1中，机械手臂调校系统1包括控制单元2及机械手臂4，控制单元2与机械手臂4连接，控制单元2用以控制机械手臂4执行加工制程，在此要说明的是，加工制程指的是利用控制单元2控制机械手臂4移动或是控制机械手臂4执行指令动作。此外，机械手臂4具有末端42，此末端42可以是端效器，具体来说，端效器可以是夹爪或是传感器，于一较佳实施例中，夹爪可以夹持待加工工件或是具有尖点的辅具。于另一较佳实施例中，传感器可以是接触式力传感器或是电性传感器。而机械手臂4可以是关节型机械手臂、水平式多关节机械手臂、椼架型机械手臂、或并联式机械手臂。

控制单元2包括输入单元22、运算单元24、对正单元26、对准单元28，其中输入单元22用以输入在机械手臂4的末端42的工具坐标系，并且将此工具坐标系储存在控制单元2中的储存单元32。运算单元24，用于依据欲进行对正步骤的对象(未在图中表示)的平面上任意三点的三个坐标值以计算出用户坐标系的法向量，在此要说明的是，对象(未在图中表示)的平面可以位于机床主轴卡盘、料盘、换刀刀库换刀处或待加工工件。对正单元26，用于将机械手臂4的末端42的工具坐标系的法向量对正于用户坐标系的法向量，使得工具坐标系的法向量与用户坐标系的法向量的方向相反，但是在同一个空间中是彼此平行，从而控制机械手臂4的末端42对对象的平面执行对正步骤。对准单元28，用于控制机械手臂依据一对象(未在图中表示)的轮廓执行对准步骤，具体地，利用机械手臂4的末端42对对象(未在图中表示)的轮廓进行接触，从而由对象(未在图中表示)上得到至少三个教导点位，对准单元28再根据这些教导点位计算来得到对象(未在图中表示)的轮廓的几何中心，并移动工具坐标系的Z轴以对准对象的轮廓的几何中心。

于本实用新型的另一实施例中，控制单元2还包括旋转单元30，用以控制机械手臂4的末端42执行转正步骤。具体地，由控制单元20读取工具坐标系，在对象的轮廓的同一边上选择先前利用对准单元28所执行的对准步骤中的至少三个教导点位中的其中两点来形成轮廓的X方向向量，计算工具坐标系的X方向向量与轮廓的X方向向量的角度差值，将此角度差值作为机械手臂4的旋转角度，机械手臂4的末端42依据旋转角度进行旋转使得工具坐标系的X方向向量平行于轮廓的X方向向量。

接着请参考图2。图2是根据本实用新型所揭露的技术，表示应用本实用新型的机械手臂调校系统进行机械手臂调校的方法步骤流程图。在图2中，步骤S10：向机械手臂的末端上输入工具坐标系，并将此工具坐标系储存于控制单元。于此步骤中，机械手臂4夹持待加工工件(未在图中表示)或是具有尖点的辅具(未在图中表示)，利用多种不同姿态对某定点相碰，以得到多组解，计算后建立此末端的工具坐标系。若末端42为待加工工件或是具有尖点的辅具，则其工具坐标系为待加工工件或是具有尖点的辅具的工具坐标系，也就是说以机械手臂4的最末端是什么组件，则工具坐标系为该组件的工具坐标系。以下对各步骤详细说明。

步骤S12：对机械手臂的末端进行对正步骤，其包括步骤S122：在欲进行对正步骤的对象的平面上任意找出三点的三个坐标值以计算出用户坐标系的法向量。在此步骤中，控制单元2通过以机械手臂4的末端42(无论是否有夹持对象)在欲对正的对象(未在图中表示)上的平面教任意不共线三点，运算单元24通过找到的三点来计算并建立用户坐标系，其中教任意不共线三点须保持以末端42上的同一点与对象(未在图中表示)的平面的任意三点接触，以确保用户坐标系建立的准确。而这三点的三个坐标值可以储存在控制单元2中的储存单元32的用户坐标系管理档案内，在非新的取放情境时，不需要每次都重新建立。在本实用新型的实施例中，欲对正的对象(或称物件)可以是机床的主轴或料盘等取放处。接着步骤S124：将工具坐标系的法向量对正于用户坐标系的法向量，其中工具坐标系的法向量与用户坐标系的法向量的方向相反且在空间中彼此平行。在此步骤中，对正单元2根据运算单元24的运算结果通过输出控制信号，调整机械手臂4的姿态，使得工具坐标系的法向量与用户坐标系的法向量对正，而对正姿态则是将工具坐标系的法向量与用户坐标的法向量的方向相反、且在空间中平行。要说明的是，如果工具坐标系与用户坐标系的初始状态就是对正的状态，就可以省略上述对正步骤(步骤S12及步骤S122－步骤S124)，而直接进行机械手臂4的对准步骤S14。

步骤S14：对机械手臂的末端进行对准步骤，其包括步骤S142：控制单元2利用机械手臂的末端对对象的轮廓进行接触，从而由对象上得到至少三个教导点位并将这些教导点位储存于控制单元。在此步骤中，以对准姿态的机械手臂4继续在对象的轮廓上教导点位，如图3A及图3B所示，若夹持的工件6为圆柱棒材，则将棒材6在物件5(料盘孔)、7(主轴卡盘)的轮廓的外侧或是内侧接触找教导点位，计算后得到轮廓的几何中心位置，如图3C所示。在图3C中，点O1、O2及O3表示棒材6接触在对象5(料盘孔，图3A)7(主轴卡盘，图3B)的轮廓的外侧的至少三个外侧教导点位；同样的，点I1、I2及I3表示棒材6接触对象5(料盘孔)、7(主轴卡盘)的轮廓的内侧的至少三个内侧教导点位。

接下来步骤S144：运算单元24根据至少三个教导点位计算对象的轮廓的几何中心。在此步骤中可以利用步骤S162所得到三个教导点位(点O1、O2及O3或点I1、I2及I3)以三点定圆心计算得到。

在此要说明的是，若对象为矩形或是多边形，则求得矩形或是多边形几何中心的方法可参考图4A及图4B并说明如下。机械手臂4夹持辅具(即如同前述的棒材6)，在几何图形轮廓的每条边在线或是内侧、外侧各以两个教导点位构成一线，即如图4A中的点M1与点M1’、 点M2与点M2’、点M3与点M3’以及点M4与点M4’，上述这些教导点位数据可储存于储存单元32中，自动推算出相似于真实轮廓的虚拟轮廓，如图4A中的M1-M1’线段、M2-M2’线段、M3-M3’线段及M4-M4’线段。要说明的是，由于机械手臂不会知道棒材哪处与对象轮廓接触，只能知道棒材的中心点通过工具坐标系的Z轴，因此机械手臂只能知道棒材中心点位，因此上述的点M1与点M1’、 点M2与点M2’、点M3与点M3’以及点M4与点M4’为棒材的几何中心坐标，因此依据这些点位连接起来组成一个相似于对象轮廓的图形，而此相似图形的几何中心恰与轮廓中心相同位置。又在图4A中，对象轮廓为四边形，于一边教导两个点位，因此共有四组教导点位(点M1与点M1’、点M2与点M2’、点M3与点M3’以及点M4与点M4’)，故一共有8个点位才可以计算出四边形的几何中心；或是如图4B中，以选择几何图形中的四个点P1、P2、P3、P4的顶点教导方式，直接将这四个点的顶点位置储存于储存单元32中，而上述这两种方式都可以适用于任何多边形来得到多边形的几何中心。因此，计算对象的轮廓的几何中心还可以包括四点定矩形几何中心或是超过四点的多点定出超过四边的多边形几何中心。可利用对对象的轮廓的内侧或外侧进行教点来得到该对象的几何中心，可以避免因对不准轮廓线而求出的点并非几何中心的缺陷。

接着进行步骤S146：对准单元28根据运算单元24的运算结果，移动工具坐标系的Z轴以对准对象的轮廓的几何中心。由于在步骤S144已经得到了对象的轮廓的几何中心，则可以移动机械手臂4的末端42的工具坐标系的Z轴来对准对象的轮廓的几何中心，此时控制单元2可操作机械手臂4来对对象进行加工制程。

由于夹持多边形待加工工件取放时，例如矩形，若已经完成对准轮廓的几何中心，仍无法保证待加工工件与取放处之间没有旋转角度的差异，因此在本实用新型的另一实施例中，还需要找出工具坐标系的X方向向量与取放处(即轮廓)的X方向向量之间的角度差值做为旋转角度来进行转正步骤。另外要说明的是，在图5中的步骤S10－步骤S12及步骤S14与图2是相同的。并且在说明图5时也一并参考图6。此外，多边形对准技术中的教导点位可用于转正步骤，因此在进行对准步骤之后才会再进行转正步骤。其中转正步骤S16包含步骤S162：由控制单元读取工具坐标系。于此步骤中，由于在前述的对准步骤，机械手臂4夹持辅具已经由对象的轮廓得到至少三个教导点位，且将这些教导点位储存于控制单元2的储存单元32中，因此在进行转正步骤时，不需要再重新找出教导点位，可以由储存单元32中读取至少三个教导点位。步骤S164：在对象的轮廓的同一边上选择对准步骤中的至少三个教导点位中的其中两点来形成轮廓的X方向向量。在此步骤中，由至少三个教导点位中选择的其中两点，由此两点所构成的向量来代表对象5(如图3A的料盘孔)、7(如图3B的主轴卡盘)的轮廓的X方向向量，要说明的是，在此实施例中，料盘孔5及主轴卡盘7不限于如图3A及图3B所表示的样式。接着步骤S166：运算单元24计算工具坐标系的X方向向量与轮廓的X方向向量之间的角度差值，旋转单元30将此角度差值作为机械手臂的旋转角度。在此步骤中，运算单元24计算在步骤S164中选定的两点所构成的向量来代表对象的轮廓的X方向向量与工具坐标系的X方向向量之间的角度差值，则此角度差值作为机械手臂4的旋转角度θ。

步骤S168：具有工具坐标系的机械手臂的末端依据旋转角度进行旋转使得工具坐标系的X方向向量平行于轮廓的X方向向量。在此步骤中，在进行取放时，机械手臂4的末端42的工具坐标的X方向向量会根据此旋转角度θ旋转，即如图6中的箭头表示方向，先使工具坐标系之Z轴对准几何中心，再让工具坐标系的X方向向量与对象的轮廓的X方向向量平行且同向以顺利完成取放。若取放是相同的待加工工件6时，可以自动的读取此旋转角度来使用，不需要每一次都重新教导。

根据以上实施例所述，本实用新型所揭露的机械手臂调校系统通过控制单元中的运算单元、对正单元、对准单元及旋转单元，使得控制单元可以快速控制机械手臂的末端执行对正步骤、对准步骤及旋转步骤，可以应用于加工工件、取放工件或取放刀具，且在无辅具或是无传感器的状态下可以直接夹持待加工工件进行快速对准教导，操作简易且省时，大大提高了机械手臂的调校效率。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施方式，并非用以限定本实用新型的保护范围；同时以上的描述，对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本实用新型所揭露概念下所完成之等效改变或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机械手臂调校系统，其特征在于，包括：

具有一末端的一机械手臂，其包含与该机械手臂连接的一控制单元，用以控制该机械手臂执行一加工制程，该控制单元包括：

一输入单元，用以输入在该机械手臂的该末端的一工具坐标系；

一储存单元，其与所述输入单元连接，用于储存该工具坐标系；

一运算单元，其与所述输入单元连接，用于依据欲进行对正步骤的一对象的一平面上任意三点的三个坐标值以计算出一用户坐标系的一法向量；

一对正单元，用以控制该机械手臂的该末端对该对象执行对正步骤；以及

一对准单元，用以控制该机械手臂的该末端对该对象执行对准步骤。

2.根据权利要求1所述的机械手臂调校系统，其特征在于，其中该机械手臂是一关节型机械手臂、一水平式多关节机械手臂、一桁架型机械手臂、或一并联式机械手臂。

3.根据权利要求1所述的机械手臂调校系统，其特征在于，其中该末端为一端效器。

4.根据权利要求3所述的机械手臂调校系统，其特征在于，其中该端效器为一夹爪或一传感器。

5.根据权利要求4所述的机械手臂调校系统，其特征在于，其中该夹爪可夹持一待加工工件或是具有尖点的一辅具。

6.根据权利要求4所述的机械手臂调校系统，其特征在于，其中该传感器是一接触式力传感器或是一电性传感器。

7.根据权利要求1所述的机械手臂调校系统，其特征在于，还包括一旋转单元，该旋转单元用以控制该机械手臂的该末端执行一转正步骤。

8.根据权利要求1所述的机械手臂调校系统，其特征在于，其中该对象的该平面位于一机床主轴卡盘、一料盘、一换刀刀库换刀处或一待加工工件。

9.根据权利要求1-8任一所述的机械手臂调校系统，其特征在于，所述机械手臂调校系统应用于加工工件、取放工件或取放刀具。

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