TW201908079A - 機器手臂校正端效器的裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種機器手臂校正端效器的裝置及方法，在治具相機上設置固定標誌，讓機器手臂自動判斷及抓住固定標誌，使端效器與治具相機維持相對固定位置的關係，再利用機器手臂的臂上相機及治具相機，拍攝及定位校正板，以自動快速校正端效器。

Description

機器手臂校正端效器的裝置及方法

本發明有關一種機器手臂，尤其關於機器手臂對連接在末端法蘭的端效器，進行校正端效器中心點的裝置及方法。

機器手臂具有靈活移動、精確定位及連續性作業的特性，成為各種領域的自動執行作業的最佳利器。為了適用不同的作業，機器手臂具有可更換不同端效器(End-effector)的機構，但端效器中心點(Tool Center Point，簡稱TCP)的長短各有差異，因此簡單快速地校正端效器，加速機器手臂進入生產線提高效率，為機器手臂的重要課題。

先前技術校正機器手臂的端效器時，在機器手臂的末端裝設端效器後，通常利用人工控制機器手臂移動端效器接觸已知座標的參考點，並藉由目視端效器的中心點直接接觸參考點，以校正機器手臂的端效器。但是人工控制機器手臂移動頗為費時且不易正確接觸參考點，而人工目視端效器接觸參考點也容易造成人為誤差。另有先前技術，例如中國大陸的CN105716525專利案，利用雷射測距儀等精密量側儀器，量測端效器的中心點的座標，雖可非接觸式校正端效器的座標，但雷射測距儀費用高，且需要較大的裝設空間，形成使用上的限制。

因此先前技術美國公開專利案US20110029131，在機器手臂的端效器上的已知位置設置相機，讓相機與端效器具有相對固定位置關係，利用相機拍攝及記錄機器手臂外物體上的標記，並記錄為第一位置，再自動控制機器手臂移動相機對正物體上的標記，拍攝及記錄標記的第二位置，由記錄的兩位置，自動計算校正機器手臂的端效器的位置。因此，固態硬碟在執行刪除命令的方法上，仍有問題亟待解決。

然而，前述先前技術每一次更換端效器時，都需要人工將相機裝設在端效器上相對固定關係的位置，不僅量測及決定端效器上的已知位置頗為費時，且容易產生人為誤差，而人工裝設相機時也容易造成方向及位置上的安裝誤差，一旦產生安裝誤差，隨著也會造成兩次拍攝及記錄標記位置的誤差，進而導致無法正確校正機器手臂的端效器的位置。因此，機器手臂在端效器的自動校正上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種機器手臂端效器的校正裝置，藉由在治具相機上設置夾取標誌，讓機器手臂自動判斷及抓住夾取標誌，使端效器與治具相機維持相對固定位置的關係，避免人為安裝誤差，以加速校正端效器。

本發明另一目的提供一種機器手臂端效器的校正方法，利用機器手臂的臂上相機及治具相機，雙相機對校正板拍攝校正，計算端效器的位置，以自動校正端效器。

為了達到前述發明的目的，本發明機器手臂端效器的校正的裝置，機器手臂的一端為固定的基座，形成機器手臂座標系統，另一端為 活動端連結法蘭，法蘭上固定臂上相機，法蘭用以連接或更換端效器，校正板設在機器手臂外，而在機器手臂外設治具相機，治具相機具有本體，本體的一端面設鏡頭，形成以治具相機的原點為中心的治具相機座標系統，另在本體設至少一個固定標誌，固定標誌與原點具有已知的相對固定位置的關係，機器手臂利用臂上相機，確認治具相機的固定標誌的位置後，再自動移動端效器對正固定標誌，夾取治具相機，藉臂上相機與治具相機分別拍攝及定位校正板，以自動校正端效器。

本發明機器手臂端效器的校正裝置，將第一固定標誌設在本體設鏡頭相對另一端面的中央，為一點狀的吸取標誌，供吸取式的端效器對正吸取治具相機。另將第二固定標誌設在本體的側表面上，為一線形的夾取標線，水平環繞本體的側表面。供夾爪式端效器夾取第二固定標誌。此外，將吸取標誌設為治具相機的原點，端效器對正吸住第一固定標誌時，端效器的工具中心點與治具相機的原點重合。而端效器對正夾取第二固定標誌，端效器的工具中心點與治具相機與第二固定標誌重合，與原點相差固定距離。

本發明機器手臂端效器的校正方法，將端效器安裝在法蘭，法蘭固定端效器的平面，形成法蘭座標系統f，利用臂上相機拍攝治具相機，移動端效器對正及夾取治具相機的固定標誌，利用臂上相機拍攝及定位校正板o在機器手臂座標系統r的座標H^r _o，再利用治具相機拍攝及定位校正板o在治具相機座標系統c2的座標H^c2 _o，並紀錄法蘭在機器手臂座標系統r的座標H^r _f，計算端效器工具中心點t在法蘭座標系統f的座標H^f _t=(H^r _f)^-1H^r _o(H^c2 _o)^-1，以取得法蘭至端效器中心點的距離，校正端效器。

本發明機器手臂端效器的校正方法，機器手臂利用臂上相機拍攝校正板o，定位校正板o在臂上相機座標統c1的座標H^c1 _o，再利用臂上相機在機器手臂座標系統r的座標H^r _c1，經H^r _c1H^c1 _o=H^r _o，計算出校正板o在機器手臂座標系統r的座標H^r _o。

10‧‧‧校正裝置

11‧‧‧機器手臂

12‧‧‧基座

13‧‧‧致動軸節

14‧‧‧活動端

15‧‧‧法蘭

16‧‧‧臂上相機

17‧‧‧端效器

18‧‧‧校正板

19‧‧‧夾爪

20‧‧‧治具相機

21‧‧‧本體

22‧‧‧鏡頭

23‧‧‧第一固定標誌

24‧‧‧側表面

25‧‧‧第二固定標誌

圖1 為本發明機器手臂校正裝置的示意圖。

圖2 為本發明治具相機的外觀圖。

圖3 為本發明機器手臂夾取治具相機的示意圖。

圖4 為本發明治具相機的夾取狀態的示意圖。

圖5 為本發明治具相機另一夾取狀態的示意圖。

圖6 為本發明機器手臂校正的示意圖。

圖7 為本發明機器手臂端效器的校正方法的流程圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。

請同時參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5及圖6，圖1為本發明機器手臂校正裝置的示意圖，圖2為本發明治具相機的外觀圖，圖3為本發明機器手臂夾取治具相機的示意圖，圖4為本發明治具相機的夾取狀態的示意圖，圖5為本發明治具相機另一夾取狀態的示意圖，圖6為本發明機器手臂校正的示意圖。圖1中，本發明的機器手臂校正裝置10，設置機器手臂11，機器手臂11的一端為固定的基座12，讓機器手臂11以基座12為原點，形成 機器手臂座標系統r。機器手臂11經由多個致動軸節13驅動另一端的活動端14，活動端14的末端連結法蘭15，法蘭15上固定臂上相機16，使臂上相機16與法蘭15具有已知的相對固定位置關係。本實施例雖將臂上相機16固定在法蘭15舉例說明，但臂上相機16包含且不限於固定在法蘭15，臂上相機16亦可例如固定在活動端14等位置。此外法蘭15具有工具更換機構(圖未示)，用以連接或更換端效器17(參圖3)。本發明的機器手臂校正裝置10，另在機器手臂11外設置校正板18，以校正機器手臂11。

由於法蘭15可更換端效器17，而不同的端效器17具有不同的尺寸規格，雖然廠商通常會提供端效器17的尺寸規格，但安裝的誤差或使用不知規格的端效器17，並無法得知端效器17的TCP的正確位置，因此機器手臂11移動端效器17時，極容易碰撞周遭的物體，造成物體或端效器17受傷損毀，甚至損壞機器手臂11，因此更換端效器17在使用前須先進行校正，以獲得端效器17的TCP的正確位置。

本發明機器手臂校正裝置10，可利用機器手臂11的活動端14移動法蘭15時，機器手臂11藉由計算各致動軸節13的轉動狀態，紀錄移動法蘭15的位置在機器手臂座標r的座標。法蘭15固定端效器17的平面，設為法蘭座標系統f，法蘭座標系統f就可利用齊次轉換(Homogeneous Transformation)H，轉換成相對機器手臂座標系統r的座標H^r _f。至於臂上相機16拍攝的影像，也可利用臂上相機16的焦距及拍攝影像參考點的距離，形成以臂上相機16為原點的臂上相機座標系統c1。而臂上相機16固定在法蘭15相對位置，只要知道法蘭15的座標，加上已知的相對固定位置，同樣可取得臂上相機16在機器手臂座標r的座標。因此臂上相機16在機器手臂座標r 的座標再加上臂上相機座標系統c1的座標，藉由座標轉換H^r _c1，進而計算臂上相機16拍攝的物體在機器手臂座標r的座標。但是裝設在法蘭15上的端效器17，端效器17的TCP與法蘭15的相對位置仍未知，需進行校正。

在圖2中，為了校正端效器17，本發明機器手臂校正裝置10，設置治具相機20，治具相機20具有本體21，本體21的一端面設鏡頭22，並分別在本體21另一端面的中央設第一固定標誌23，及在本體21的側表面24上設置第二固定標誌25，以適應不同固定治具相機20方式的端效器17。其中端面24中央的第一固定標誌23為一點狀的吸取標誌，供吸取式的端效器17對正吸取治具相機20，一旦吸住第一固定標誌23，則端效器17與治具相機20形成已知的相對固定位置的關係。例如可將第一固定標誌23設為治具相機20的原點，端效器17對正吸住第一固定標誌23時，端效器17的TCP就與治具相機20的原點重合。至於另一第二固定標誌25，為一線形的夾取標線，水平環繞本體21的側表面24，供夾取式的端效器17對正夾取治具相機20。一旦對正夾取第二固定標誌25，端效器17的TCP與第二固定標誌25重合，則端效器17與治具相機20形成已知的相對固定位置的關係，即端效器17的TCP與治具相機20的原點相差固定距離d，以利定位轉換。

圖3中，本發明在校正端效器17時，首先將端效器17裝設在法蘭15固定端效器17的平面。本實施例雖以端效器17為夾爪19舉例說明，但端效器17包含且不限於夾爪19，端效器17通常可依需要更換為不同功能的端效器17。本發明利用機器手臂11自動移動臂上相機16，拍攝治具相機20，影像判斷治具相機20的第一固定標誌23及第二固定標誌25的位置，根據夾爪式端效器17選取夾取第二固定標誌25，藉機器手臂11自動移動夾爪 19，如圖4中，夾爪19對正夾取第二固定標誌25，使端效器17的TCP與第二固定標誌25重合。如果是吸取式端效器17，則如圖5，吸取式端效器17吸取治具相機20本體21端面中央的第一固定標誌23，使端效器17的TCP就與治具相機20的原點重合。

圖6中，機器手臂11夾起治具相機20拍攝的影像，也可利用治具相機20的焦距及拍攝影像參考點的距離，形成以治具相機20的原點為中心的治具相機座標系統c2，讓治具相機20的第一固定標誌23及第二固定標誌25的位置，具有已知的相對固定位置的關係。機器手臂11接著利用臂上相機16拍攝校正板18，定位校正板18在臂上相機座標系統c1的座標H^c1 _o，再由臂上相機16在機器手臂座標系統r的座標H^r _c1，經H^r _c1H^c1 _o=H^r _o，計算出校正板18在機器手臂座標系統r的座標H^r _o。然後利用治具相機20拍攝校正板18，定位校正板18在治具相機座標c2的座標H^c2 _o，而治具相機20的第二固定標誌25至法蘭15的座標H^f _t，相當於法蘭15至端效器17的TCP H^f _c2，因此TCP在法蘭座標系統f的座標H^f _t=H^f _c2，由臂上相機16計算校正板18在機器手臂座標系統r的座標H^r _o=H^r _fH^f _c2H^c2 _o，代入H^f _c2=H^f _t。再整理H^f _t=(H^r _f)^-1H^r _o(H^c2 _o)^-1。在H^r _o、H^c2 _o、H^r _f已知下。就可算出法蘭15至端效器17的TCP的距離H^f _t，而達到校正端效器17的目的。

如圖7所示，為本發明機器手臂端效器的校正方法的流程圖。本發明機器手臂端效器的校正方法的詳細步驟說明如下：在步驟S1，將端效器安裝在法蘭，法蘭固定端效器的平面，形成法蘭座標系統f，開始校正端效器；步驟S2，利用臂上相機拍攝治具相機；步驟S3，移動端效器對正及夾取治具相機的固定標誌；步驟S4，利用臂上相機拍攝定位校正板在 機器手臂座標系統r的座標H^r _o；步驟S5，利用治具相機拍攝定位校正板在治具相機座標系統c2的座標H^c2 _o；步驟S6，機器手臂利用各致動軸節的轉動狀態，紀錄移動法蘭在機器手臂座標系統r的座標H^r _f；步驟S7，計算端效器工具中心點t在法蘭座標系統f的座標H^f _t=(H^r _f)^-1H^r _o(H^c2 _o)^-1，取得法蘭至端效器中心點的距離；步驟S8，完成校正端效器。

因此，本發明機器手臂端效器的校正裝置及方法，藉由在治具相機上設置固定標誌，讓機器手臂自動判斷及抓住固定標誌，使端效器與治具相機維持相對固定位置的關係，避免人為裝設誤差。本發明再利用機器手臂的臂上相機及治具相機，雙相機對校正板拍攝校正，計算端效器TCP的位置，達到自動快速校正端效器目的。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

Claims (9)

1. 一種機器手臂端效器的校正裝置，包含：機器手臂，一端為固定的基座，形成機器手臂座標系統，另一端為活動端連結法蘭，法蘭上固定臂上相機，法蘭用以連接或更換端效器；校正板，設在機器手臂外；治具相機，設在機器手臂外，具有本體，本體的一端面設鏡頭，形成以治具相機的原點為中心的治具相機座標系統，另在本體設至少一固定標誌，固定標誌與原點具有已知的相對固定位置的關係；其中，機器手臂利用臂上相機，確認治具相機的固定標誌的位置後，再自動移動端效器對正固定標誌，夾取治具相機，藉臂上相機與治具相機分別拍攝及定位校正板，以校正端效器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂端效器的校正裝置，其中該固定標誌為第一固定標誌，設在本體設鏡頭相對另一端面的中央，為一點狀的吸取標誌。
3. 如申請專利範圍第2項所述之機器手臂端效器的校正裝置，其中該端效器為吸取式的端效器吸取第一固定標誌。
4. 如申請專利範圍第2項所述之機器手臂端效器的校正裝置，其中該固定標誌為第二固定標誌設在本體的側表面上，為一線形的夾取標線，水平環繞本體的側表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機器手臂端效器的校正裝置，其中該端效器為夾爪式端效器夾取第二固定標誌。
6. 如申請專利範圍第4項所述之機器手臂端效器的校正裝置，其中該吸取標 誌設為治具相機的原點，端效器對正吸住第一固定標誌時，端效器的工具中心點就與治具相機的原點重合。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機器手臂端效器的校正裝置，其中該端效器對正夾取第二固定標誌，端效器的工具中心點與治具相機與第二固定標誌重合，與原點相差固定距離。
8. 一種機器手臂端效器的校正方法，其步驟包含：將端效器安裝在法蘭，法蘭固定端效器的平面，形成法蘭座標系統f；利用臂上相機拍攝治具相機；移動端效器對正及夾取治具相機的固定標誌；利用臂上相機拍攝及定位校正板o在機器手臂座標系統r的座標H ^r _o；利用治具相機拍攝及定位校正板o在治具相機座標系統c2的座標H ^c2 _o；紀錄法蘭在機器手臂座標系統r的座標H ^r _f；計算端效器工具中心點t在法蘭座標系統f的座標H ^f _t=(H ^r _f) ^-1H ^r _o(H ^c2 _o) ^-1，取得法蘭至端效器中心點的距離；校正端效器。
9. 如申請專利範圍第8項所述之機器手臂端效器的校正方法，其中該機器手臂利用臂上相機拍攝校正板o，定位校正板o在臂上相機座標統c1的座標H ^c1 _o，再利用臂上相機在機器手臂座標系統r的座標H ^r _c1，經H ^r _c1H ^c1 _o=H ^r _o，計算出校正板o在機器手臂座標系統r的座標H ^r _o。