TW201600275A - 機械手臂系統及其平行度校正方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂系統，包含有一機械手臂、一控制器及一平行度校正裝置，該機械手臂具有一末端軸，該末端軸具有一末端面，該平行度校正裝置設於該末端軸，且具有至少一距離量測器；該機械手臂系統之平行度校正方法，係先使該末端軸移動至鄰近一基準面的校正位置，再使該平行度校正裝置量測該基準面上至少三受測點與該末端面之距離的差異，並將量測訊號傳送至該控制器，該控制器再依據量測訊號而調整該機械手臂之姿態，使得該等受測點與該末端面之距離皆相同；藉此，本發明可使機械手臂在各種工作情況下都能快速地與工作平面達到精準的平行度。

Description

機械手臂系統及其平行度校正方法

本發明係與機械手臂有關，特別是關於一種具有平行度校正功能之機械手臂系統，以及其平行度校正方法。

機械手臂在進行特定工作時，其一末端面常需要平行於一工作平面，才能使一設於該末端面之末端效應器順利進行工作。例如，該末端效應器可能為一夾爪，係用以夾取一軸桿並將該軸桿插置於一孔板之工作平面上的一插置孔，該機械手臂必須使該軸桿在插入該插置孔時垂直於該工作平面，此時，該末端面必須平行於該工作平面。

請參閱美國專利編號為US5218550之專利案，該專利係於一機台提供一承靠面，並將一機械手臂之底座固定於該承靠面，以使該機械手臂之特定部位平行於該機台之特定軸向。然而，前述專利所提供之方式無法依據不同工作需求而任意改變機械手臂之角度，而且，若該承靠面之加工精度不佳，則無法確保該機械手臂與該機台之間的平行度。

事實上，機械手臂常應用於各式各樣的工作中，其座標系難以與其對應之工作裝置(例如取放平台、孔板等等)的座標系相吻合，因此機械手臂的末端面與其對應之工作裝置的工作平面之間的平行度相當難以校正，尤其，機械手臂可能需要對應座標系較為複雜之傾斜工作平面，在此狀況下更難以進行平行度校正。

有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種機械手臂系統，以及其平行度校正方法，可使機械手臂在各種工作情況下都能快速地與工作平面達到精準的平行度。

為達成上述目的，本發明所提供之機械手臂系統包含有一機械手臂、一用以控制該機械手臂之運作的控制器，以及一平行度校正裝 置。該機械手臂具有一末端軸，該末端軸具有一末端面。該平行度校正裝置係設於該末端軸，且具有至少一距離量測器，用以量測一基準面上至少三受測點與該末端面之距離的差異，並將量測訊號傳送至該控制器。

本發明更提供如前述之機械手臂系統的平行度校正方法，包含有下列步驟：a. 該末端軸移動至一鄰近該基準面的校正位置；b. 該平行度校正裝置量測該基準面上的受測點與該末端面之距離的差異，並將量測訊號傳送至該控制器；以及c. 該控制器依據該平行度校正裝置所傳送之量測訊號而調整該機械手臂之姿態，使得該等受測點與該末端面之距離皆相同。

藉此，當該基準面上之該至少三受測點與該末端面之距離皆相同時，該末端面即已平行於該基準面。該基準面可為一校正板之一表面，且該表面係平行於該機械手臂在該步驟c之後進行工作時的工作平面，如此一來，該末端面在該步驟c之後平行於該基準面，因此亦平行於工作平面。或者，該基準面亦可為該機械手臂在該步驟c之後進行工作時的工作平面，如此一來，該末端面在該步驟c之後即平行於工作平面。

換言之，本發明可直接對機械手臂之末端面與工作平面的平行度進行校正，或者利用一校正板而間接對機械手臂之末端面與工作平面的平行度進行校正，如此之方式相當快速且準確，即使隨意變更工作平面，甚至應用於座標系較為複雜之傾斜工作平面，本發明仍可使機械手臂之末端面快速地與工作平面達到精準的平行度。

有關本發明所提供之機械手臂系統及其平行度校正方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧機械手臂系統

20‧‧‧機械手臂

22‧‧‧末端軸

222‧‧‧末端面

30‧‧‧控制器

40‧‧‧平行度校正裝置

41‧‧‧基座

42‧‧‧距離量測器

422‧‧‧量測桿

51‧‧‧工作台

512‧‧‧承載面

52‧‧‧工作裝置

53‧‧‧工作平面

54‧‧‧基準面

55‧‧‧校正板

56‧‧‧假想軌跡(受測點)

60‧‧‧平行度校正裝置

61‧‧‧基座

62‧‧‧基準桿

64‧‧‧距離量測器

642‧‧‧量測桿

L‧‧‧假想軸線

P‧‧‧校正位置

第1圖為本發明一第一較佳實施例所提供之機械手臂系統的立體示意 圖；第2圖為本發明該第一較佳實施例所提供之機械手臂系統之一機械手臂與一平行度校正裝置的立體分解圖；第3圖及第4圖為本發明該第一較佳實施例所提供之機械手臂系統之一使用態樣的平面示意圖及立體示意圖；第5圖為本發明該第一較佳實施例所提供之機械手臂系統之另一使用態樣的平面示意圖；以及第6圖為本發明一第二較佳實施例所提供之機械手臂系統之一機械手臂與一平行度校正裝置的立體示意圖。

申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。其次，當述及一元件設置於另一元件上時，代表前述元件係直接設置在該另一元件上，或者前述元件係間接地設置在該另一元件上，亦即，二元件之間還設置有一個或多個其他元件。

請先參閱第1圖及第2圖，本發明一第一較佳實施例所提供之機械手臂系統10包含有一機械手臂20、一控制器30，以及一平行度校正裝置40。

該機械手臂20係與習用者相同，係受該控制器30控制而可變化出多種姿態，該機械手臂20具有一用以安裝一末端效應器(圖中未示)之末端軸22，藉由該控制器30控制該機械手臂20之運作，該末端軸22可移動至不同位置，且可呈現不同角度，以達到不同的工作需求。在本實施例中，該末端軸22具有一末端面222，該末端軸22係能依一垂直於該末端面222之假想軸線L為中心而轉動。

該平行度校正裝置40包含有一基座41，以及一固定於該基座41之距離量測器42，該基座41係固定於該機械手臂20之末端軸22的末端面222，亦即，該平行度校正裝置40係設於該末端軸22，因此可與該末端軸22同步轉動。在本實施例中，該距離量測器42為接觸式量測器(例 如百分表、千分表等等)，具有一可伸縮之量測桿422，該量測桿422係平行於該假想軸線L，亦即垂直於該末端面222。然而，該距離量測器42亦可為非接觸式量測器(例如雷射測距儀、紅外線測距儀等等)，在此狀況下，其發出之量測光束係平行於該假想軸線L。

以下將以第3圖及第4圖所示之使用態樣為例，說明該機械手臂系統10的平行度校正方法，第3圖及第4圖中顯示一工作台51，以及一安裝於該工作台51之一承載面512上的工作裝置52(例如取放平台、孔板等等)，該工作裝置52具有一工作平面53，此平行度校正方法係用以使該機械手臂20在該工作平面53上進行工作時以該末端面222平行於該工作平面53，包含有下列步驟：

a. 該末端軸22移動至一鄰近一基準面54的校正位置P。

在本實施例中，該工作台51之承載面512上更安裝一校正板55，該基準面54為該校正板55之一表面，且該表面平行於該工作平面53。由於該距離量測器42為接觸式量測器，此步驟a係使該距離量測器42之量測桿422在該末端軸22位於該校正位置P時接觸該基準面54。然而，若採用非接觸式之距離量測器42，則不需使該距離量測器42接觸該基準面54，只要能量測到該基準面54即可。

b. 該平行度校正裝置40量測該基準面54上至少三受測點與該末端面222之距離的差異，並將量測訊號傳送至該控制器30。

在本實施例中，此步驟b係使該末端軸22轉一圈(亦可僅轉動一預定角度)，同時該距離量測器42之量測桿422持續接觸該基準面54，且該量測桿422隨著該末端軸22轉動而在該基準面54上沿著一圓形(或圓弧形)之假想軌跡56滑移，藉以量測該假想軌跡56上的多數受測點。當該末端面222未平行於該基準面54時，該等受測點與該末端面222之距離會有差異，且該等差異可供該控制器30推算出該末端面222相對於該基準面54之傾斜角度。

c. 該控制器30依據該平行度校正裝置40所傳送之量測訊號而調整該機械手臂20之姿態，使得該等受測點與該末端面222之距離皆相同。

當該基準面54上的受測點與該末端面222之距離皆相同時，該末端面222即已平行於該基準面54。如此一來，在此步驟c之後，當該機械手臂20在該工作平面53進行工作時，該末端面222係平行於該基準面54，因此亦平行於工作平面53。

然而，前述之機械手臂裝置的平行度校正方法中，不一定要使用該校正板55，亦能以該工作台51之承載面512作為該基準面54；或者，亦能直接以該工作平面53作為該基準面54，如此之校正方式更為直接且準確。尤其，如第5圖所示，當該工作平面53係相對於該承載面512呈傾斜，或者甚至有更為複雜之座標系時，只要直接以該工作平面53作為該基準面54，即可快速且準確地校正該末端面222與該工作平面53之平行度。

請參閱第6圖，本發明一第二較佳實施例所提供之機械手臂系統係採用與第一較佳實施例不同的平行度校正裝置60，該平行度校正裝置60包含有一基座61，以及固定於該基座61之一長度固定之基準桿62與二距離量測器64，各該距離量測器64係與第一較佳實施例所述之距離量測器42相同，可為接觸式或非接觸式量測器，該基準桿62與該二距離量測器64之量測桿642(或量測光束)皆垂直於該機械手臂20之末端面222(如第2圖所示)。

本實施例之機械手臂系統的平行度校正方法包含有類同於第一較佳實施例中所述之步驟a、b、c。請參閱第3圖及第6圖，本實施例之步驟a係使該基準桿62接觸該基準面54，亦即，在該末端軸22位於該校正位置P時，該基準桿62接觸該基準面54，且其接觸點為一受測點，此時，該受測點與該基準面54之距離為已知之定值(亦即該基準桿62之長度與該基座61之厚度的總和)。本實施例之步驟b中，該基準桿62仍接觸該受測點，且該二距離量測器64接觸該基準面54而使其接觸點成為另二受測點。如此一來，該平行度校正裝置60不需轉動，即可量測到如前述之三受測點與該末端面222之距離的差異，以供該控制器30推算出該末端面222相對於該基準面54之傾斜角度，並藉以調整該機械手臂20之姿態，使得該末端面222平行於該基準面54。

綜上所陳，本發明可直接對機械手臂20之末端面222與工 作平面53的平行度進行校正，或者利用一校正板55而間接對機械手臂20之末端面222與工作平面53的平行度進行校正，如此之方式相當快速、準確，即使隨意變更工作平面53，甚至應用於座標系較為複雜之傾斜工作平面53，本發明仍可使機械手臂20之末端面222快速地與工作平面53達到精準的平行度。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧機械手臂系統

20‧‧‧機械手臂

22‧‧‧末端軸

30‧‧‧控制器

40‧‧‧平行度校正裝置

41‧‧‧基座

42‧‧‧距離量測器

Claims (10)

1. 一種機械手臂系統，包含有：一機械手臂，具有一末端軸，該末端軸具有一末端面；一控制器，係用以控制該機械手臂之運作；以及一平行度校正裝置，係設於該末端軸之末端面，且具有至少一距離量測器，用以量測一基準面上至少三受測點與該末端面之距離，並將量測訊號傳送至該控制器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂系統，其中該機械手臂之末端軸係能依一垂直於該末端面之假想軸線為中心而轉動，該平行度校正裝置包含有偏離該假想軸線設置於該末端軸之一該距離量測器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂系統，其中該平行度校正裝置包含有一用以在量測時接觸其中一該受測點之基準桿，以及分別用以量測另二該受測點之二該距離量測器。
4. 一種如申請專利範圍第1項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，包含有下列步驟：a. 該末端軸移動至一鄰近該基準面的校正位置；b. 該平行度校正裝置量測該基準面上的受測點與該末端面之距離，並將量測訊號傳送至該控制器；以及c. 該控制器依據該平行度校正裝置所傳送之量測訊號而調整該機械手臂之姿態，使得該等受測點與該末端面之距離皆相同。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，其中該機械手臂之末端軸係能依一垂直於該末端面之假想軸線為中心而轉動，該平行度校正裝置包含有偏離該假想軸線設置於該末端軸之一該距離量測器；該步驟b係使該末端軸轉動，同時該距離量測器隨著該末端軸轉動而量測多數該受測點。
6. 如申請專利範圍第5項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，其中在該末端軸位於該校正位置時，以及在該步驟b中，該距離量測器接觸該基準面。
7. 如申請專利範圍第4項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，其中該平行度校正裝置包含有一基準桿以及二該距離量測器；在該末端軸位於該校正位置時，以及在該步驟b中，該基準桿接觸其中一該受測點，該二距離量測器在該步驟b中分別量測另二該受測點。
8. 如申請專利範圍第7項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，其中該二距離量測器在該步驟b中接觸該基準面。
9. 如申請專利範圍第4項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，其中該基準面為一校正板之一表面，且該表面係平行於該機械手臂在該步驟c之後進行工作時的工作平面。
10. 如申請專利範圍第4項所述之機械手臂系統的平行度校正方法，其中該基準面為該機械手臂在該步驟c之後進行工作時的工作平面。