TW202120281A - 機械手臂的定位精度量測系統與方法 - Google Patents

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Abstract

一種機械手臂的定位精度量測系統包括機械手臂、計算裝置、機器手臂控制裝置、第一磁性元件以及第二磁性元件。機器手臂控制裝置電性連接於機械手臂與計算裝置。第一磁性元件配置在機械手臂上。第二磁性元件配置在固定平台上。第一磁性元件與第二磁性元件的其中之一電性連接於計算裝置。機器手臂控制裝置配置為控制機械手臂，以將第一磁性元件移動到第二磁性元件之上而產生磁場，並使第一磁性元件在磁場的範圍中移動。計算裝置配置為計算出第一磁性元件在磁場中的多筆移動誤差資訊，並藉由統計移動誤差資訊而得到機械手臂的定位精度。一種機械手臂的定位精度量測方法亦被提出。

Description

機械手臂的定位精度量測系統與方法
本發明有關一種定位精度的量測技術，尤其是一種機械手臂的定位精度量測系統與方法。
機械手臂已應用許多領域中，例如零件裝配或是半導體晶圓的夾取等。然而機械手臂的終端必須具備一定的精度，以避免加工的過程中因誤差過大而對產品造成損傷或降低產品的良率。
目前已有數種用於機械手臂終端的定位校正技術，例如雷射干涉儀、雷射追蹤儀、影像感應器以及雷射十字定位技術。雷射干涉儀一次僅可量測三度空間中的一軸的定位精度，而有操作耗時的問題。雷射追蹤儀具有高度可攜性以及定位精度的量測快速且準確的特性，然而卻有硬體成本過高的問題。影像感應器有單一攝影機與三維攝影機兩種，單一攝影機僅可擷取三度空間中兩軸的資訊，而三維攝影機所需的軟硬體成本甚高。雷射十字定位技術具有高精度，然而卻有量測耗時且軟硬體成本過高的問題。
另一方面，機械手臂若能在使用過程中即時量測定位精度，就可即時對機械手臂做校正而無須停機。上述定位校正技術中僅有影像感應器可在機械手臂的使用過程中偵測定位精度，然而影像感應器在使用過程中卻會產生潤滑油的油污。
本發明提供一種機械手臂的定位精度量測系統與方法，可準確且快速地同時量測機械手臂在立體空間中的定位精度，且可在不產生污染下在機械手臂的操作過程中使用。
本發明所提供的機械手臂的定位精度量測系統包括機械手臂、計算裝置、機器手臂控制裝置、第一磁性元件以及第二磁性元件。機器手臂控制裝置電性連接於機械手臂與計算裝置。第一磁性元件配置在機械手臂上。第二磁性元件配置在固定平台上。第一磁性元件與第二磁性元件的其中之一電性連接於計算裝置。機器手臂控制裝置配置為控制機械手臂，以將第一磁性元件移動到第二磁性元件之上而產生磁場，並使第一磁性元件在第二磁性元件之上移動。計算裝置配置為計算出第一磁性元件在磁場中的多筆移動誤差資訊，並藉由統計移動誤差資訊而得到機械手臂的定位精度。
本發明所提供的機械手臂的定位精度方法包括以下步驟。 a. 提供第一磁性元件，第一磁性元件設置於機械手臂上。 b. 提供第二磁性元件，第二磁性元件設置在固定平台。 c. 提供計算裝置與機器人手臂控制裝置，計算裝置電性連接於第一磁性元件與第二磁性元件的其中之一，機器人手臂控制裝置電性連接於機械手臂與計算裝置。 d. 藉由機器人手臂控制裝置控制機械手臂，以將第一磁性元件移動到第二磁性元件之上，以產生磁場。 e. 藉由機器人手臂控制裝置控制機械手臂，以使第一磁性元件於第二磁性元件之上移動。 f. 藉由計算裝置根據第一磁性元件的移動計算出第一磁性元件的多筆移動誤差資訊，再藉由統計移動誤差資訊而得到機械手臂的定位精度。
在本發明的一實施例中，機械手臂具有操作端，且於操作端上設置有端效器，第一磁性元件是固定在端效器上。
在本發明的一實施例中，第一磁性元件為磁性探棒，第二磁性元件為陣列式霍爾感測器且電性連接於計算裝置。
在本發明的一實施例中，第二磁性元件為磁性探棒，第一磁性元件為陣列式霍爾感測器且電性連接於計算裝置。
在本發明的一實施例中，機械手臂包括多個轉動連接的軸體，第一磁性元件是設置在這些軸體中最末端的一個上。
在本發明的一實施例中，更包括適於顯示第一磁性元件或第二磁性元件在磁場中的位置的顯示介面。
在本發明的一實施例中，產生移動誤差資訊的步驟包括：將第一磁性元件移動到第二磁性元件之上的一個初始點；以及反覆將第一磁性元件移開初始點再移回初始點。
本發明實施例的機械手臂的定位精度量測系統與方法是在機械手臂與一個固定平台之間設置第一磁性元件與第二磁性元件，藉由第一磁性元件與第二磁性元件所產生的磁場可快速且準確地量測機器手臂的操作端在三度空間中的三軸的移動資訊，藉此提供補償資訊。此外，本發明實施例的機械手臂的定位精度量測系統與方法可在機械手臂的操作過程中使用，而不會產生例如油污之類的污染。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1A為本發明一實施例的機械手臂的定位精度量測系統示意圖，圖1B為本發明一實施例求取機械手臂與固定平台間的座標系統的轉換矩陣示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的機械手臂的定位精度量測系統100包括機械手臂2、計算裝置111、機器手臂控制裝置112、第一磁性元件120以及第二磁性元件130，以量測機械手臂2的操作端21的定位精度。
機器手臂控制裝置112電性連接於機械手臂2與計算裝置111。第一磁性元件120配置在機械手臂2上。第二磁性元件130配置在一個固定平台3上。第一磁性元件120與第二磁性元件130的其中之一可電性連接於計算裝置111。在本實施例中，機械手臂2在操作端21設有端效器22，而第一磁性元件120為磁性探棒且設置於端效器22上。另一方面，機械手臂2可包括多個轉動連接的軸體20，端效器22是設置在這些軸體20中最末端的一個上。配置在固定平台3上的第二磁性元件130為陣列式霍爾感測器且電性連接於計算裝置111。在本實施例中，繪示於圖1A的端效器22為一夾爪，但並不僅限於此。
在本實施例中，計算裝置111電性連接於第二磁性元件130，以接收第二磁性元件130與第一磁性元件120所產生的磁場的訊號，並藉由具有演算法的程式得到第一磁性元件120在磁場中的位置。機械手臂控制裝置112電性連接於計算裝置111與機械手臂2，以接收來自計算裝置111的指令來控制機械手臂2移動。本實施例的機械手臂的定位精度量測系統100可更包括顯示介面113。顯示介面113電性連接於計算裝置111，以顯示第一磁性元件120在磁場中的位置。計算裝置111可為電腦或微電腦，機械手臂控制裝置112可驅動與控制機械手臂2，通常包括電控箱（圖未示）以及電性連接於電控箱的教導器（圖未示），而顯示介面113則可為螢幕，但並不僅限於此。
機械手臂控制裝置112配置為控制機械手臂2，以將第一磁性元件120移動到第二磁性元件130之上而產生磁場，並使第一磁性元件120在第二磁性元件130之上移動。計算裝置111配置為計算出第一磁性元件120在磁場中的多筆移動誤差資訊，並藉由統計移動誤差資訊而得到機械手臂2的定位精度。在本實施例中，設有第一磁性元件120的端效器22的座標系統包括XR 、YR 與ZR 三軸，固定平台3的座標系統包括XM 、YM 與ZM 三軸。機械手臂控制裝置112可控制機械手臂2在磁場的範圍中往復移動，例如在圖1A中，先藉由機械手臂控制裝置112控制機械手臂2，以使第一磁性元件120（磁性探棒）移動到第二磁性元件130（陣列式霍爾感測器）的中心之上且相對端效器22的座標系統的一個初始位置R0，再由機械手臂控制裝置112繼續控制機械手臂2，反覆地將第一磁性元件120移開初始位置R0，再移回初始位置R0，然而由於機械手臂2的移動誤差，第一磁性元件120並無法精準地移回初始位置R0，而會移動到R0附近的位置，假設移動了n次，而每次分別移動到相對固定平面3的座標系統的位置Mi,，其中i= 1~n，單次的移動誤差資訊則為AMi-R0，其中A為用於將端效器22的座標系統轉換至固定平面3的座標系統的轉換矩陣。而藉由計算裝置111統計第一磁性元件120在磁場中的多筆移動誤差資訊，可得機械手臂2的操作端21的定位精度。
如圖1B所示，有關如何求取轉換矩陣A，可藉由機械手臂控制裝置112控制機械手臂2，以使第一磁性元件120沿著XR 軸移動DXR （XRU ,0,0）的距離、沿著YR 軸移動DYR (0,YRV ,0)的距離以及沿著ZR 軸移動DZR (0,0,ZRW )的距離。對於固定平台3的座標系統而言，第一磁性元件120則沿著XM 軸移動了U(XMU ,YMU ,ZMU )的距離、沿著YM 軸移動了V(XMV ,YMV ,ZMV )的距離以及沿著ZM軸移動了W(XMW ,YMW ,ZMW )的距離。在距離DXR 、DYR 以及DZR 已知加上距離U、V以及W可測得下，可求得端效器22相對固定平台3的轉換矩陣A。
本實施例的機械手臂的定位精度量測系統100可在機械手臂2的端效器22執行任務前藉由上述檢測方法進行定位精度的檢測，當發現機械手臂2的定位精度不足時，使用者可藉由機械手臂控制裝置112對機械手臂2的移動作補償，而當定位精度過低而無法藉由補償對機械手臂2的移動進行修正時，則可考慮檢修或更換機械手臂2。
本實施例的機械手臂的定位精度量測系統100是在機械手臂2與一個固定平台3之間設置第一磁性元件120與第二磁性元件130，藉由第一磁性元件120與第二磁性元件130所產生的磁場可快速且準確地量測機器手臂2的操作端21在立體空間中的移動誤差資訊，藉此提供補償資訊。此外，本發明實施例的機械手臂的定位精度量測系統與方法可在機械手臂2的操作過程中使用，而不會產生例如油污之類的污染。
圖2為本發明另一實施例的機械手臂的定位精度量測系統示意圖。請參照圖2，本實施例的定位精度量測系統100a與圖1A的實施例大致相同，不同處在於本實施例的第一磁性元件120a為設置在機械手臂2的陣列式霍爾感測器，且電性連接於計算裝置111，而第二磁性元件130a為設置在固定平台3上的磁性探棒。另外，在本實施例中，為陣列式霍爾感測器的第一磁性元件120a是設置於軸體20，不同於圖1A實施例中為磁性探棒的第一磁性元件120是結合於端效器22。在本實施例中，計算裝置111電性連接於第一磁性元件120a，用以接收第一磁性元件120a與第二磁性元件130a所產生的磁場的訊號，並藉由具有演算法的程式得到第二磁性元件130a在磁場中的位置。所使用的演算法可包括各種相關變數求解數學式，例如齊次轉換矩陣或迴歸演算法，或包括資料訓練模型方式例如類神經網路、反傳遞、ANN、CNN或RNN，但並不僅限於此。
圖3為本發明另一實施例的機械手臂的定位精度量測系統示意圖。請參照圖3，本實施例的定位精度量測系統100b與圖1A的實施例大致相同，不同處在於本實施例的第一磁性元件120b為設置在機械手臂2的陣列式霍爾感測器且電性連接於計算裝置111，而第二磁性元件130b為設置在固定平台3上的磁性探棒。另外，在本實施例中，為陣列式霍爾感測器的第一磁性元件120b與圖1A實施例中為磁性探棒的第一磁性元件120同樣地是結合於端效器22。較佳地，本實施例的端效器22為夾爪。
圖4為本發明一實施例的機械手臂的定位精度量測方法的流程示意圖。請參照圖4，本實施例的機械手臂的定位精度方法包括以下步驟：
如步驟S401， 提供第一磁性元件，且第一磁性元件設置於機械手臂上。機械手臂可為圖1A的機械手臂2，而第一磁性元件可為圖1A的第一磁性元件120、圖2的第一磁性元件120a或圖3的第一磁性元件120b。
如步驟S402， 提供第二磁性元件，第二磁性元件設置在固定平台。固定平台可為圖1A的固定平台3，第二磁性元件可為圖1A的第二磁性元件130、圖2的第二磁性元件130a或圖3的第二磁性元件130b。
如步驟S403， 提供計算裝置與機械手臂控制裝置，計算裝置電性連接於第一磁性元件與第二磁性元件的其中之一，機械手臂控制裝置電性連接於機械手臂與計算裝置。在圖1A中，計算裝置111電性連接於第二磁性元件130，而在圖2與圖3中，計算裝置111分別電性連接於第一磁性元件120a與第一磁性元件120b。
如步驟S404， 藉由機械手臂控制裝置控制機械手臂，以將第一磁性元件移動到第二磁性元件之上，以產生磁場。在圖1A中，是移動為磁性探棒的第一磁性元件120。在圖2中，是移動為陣列式霍爾感測器的第一磁性元件120a。在圖3中，是移動為陣列式霍爾感測器的第一磁性元件120b。
如步驟S405，藉由機械手臂控制裝置控制機械手臂，以使第一磁性元件於第二磁性元件之上移動。例如圖1A中的機械手臂控制裝置112控制機械手臂2，以使第一磁性元件120移動到第二磁性元件130之上的一個初始點R0；以及反覆將第一磁性元件120移開初始點R0再移回初始點R0。
如步驟S406， 藉由計算裝置根據第一磁性元件的移動計算出第一磁性元件的多筆移動誤差資訊，再藉由統計移動誤差資訊而得到機械手臂的定位精度。例如圖1A中的計算裝置111計算出多筆AMi-R0的移動誤差資訊，再以演算法統計這些移動誤差資訊，而得到機械手臂2的定位精度。
本發明實施例的機械手臂的定位精度量測系統與方法是在機械手臂與一個固定平台之間設置第一磁性元件與第二磁性元件，藉由第一磁性元件與第二磁性元件所產生的磁場可快速且準確地量測機器手臂的操作端在立體空間中的移動資訊，藉此提供補償資訊。此外，本發明實施例的機械手臂的定位精度量測系統與方法可在機械手臂的操作過程中使用，而不會產生例如油污之類的污染。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、100a、100b:機械手臂的定位精度量測系統 111:計算裝置 112:機械手臂控制裝置 113:顯示介面 120、120a、120b:第一磁性元件 130、130a、130b:第二磁性元件 2:機械手臂 20:軸體 21:操作端 22:端效器 3:固定平台 R0:初始點 Mi:位置 XR 、YR 、ZR 、XM 、YM 、ZM :座標軸 DXR 、DYR 、DZR 、U、V、W:距離 （XRU ,0,0）、（0,YRV ,0）、（0,0,ZRW ）、（XMU ,YMU ,ZMU ）、（XMV ,YMV ,ZMV ）、（XMW ,YMW ,ZMW ）:向量 S401-S406:步驟
圖1A為本發明一實施例的機械手臂的定位精度量測系統示意圖。 圖1B為本發明一實施例求取機械手臂與固定平台間的座標系統的轉換矩陣示意圖。 圖2為本發明另一實施例的機械手臂的定位精度量測系統示意圖。 圖3為本發明另一實施例的機械手臂的定位精度量測系統示意圖。 圖4為本發明一實施例的機械手臂的定位精度量測方法的流程示意圖。
100:機械手臂的定位精度量測系統
111:計算裝置
112:機械手臂控制裝置
113:顯示介面
120:第一磁性元件
130:第二磁性元件
2:機械手臂
20:軸體
21:操作端
22:端效器
3:固定平台
R0:初始點
Mi:位置
XR 、YR 、ZR 、XM 、YM 、ZM :座標軸

Claims (10)

  1. 一種機械手臂的定位精度量測系統，包括： 一機械手臂； 一第一磁性元件，配置在該機械手臂上； 一第二磁性元件，配置在一固定平台上； 一機械手臂控制裝置，電性連接於該機械手臂；以及 一計算裝置，電性連接於該第一磁性元件與該第二磁性元件的其中之一以及該機械手臂控制裝置； 其中，該機械手臂控制裝置控制該機械手臂，使該第一磁性元件移動到該第二磁性元件之上而產生一磁場，並使該第一磁性元件在該第二磁性元件之上移動； 其中，該計算裝置計算出該第一磁性元件在該磁場中的多筆移動誤差資訊，並統計該些移動誤差資訊得到該機械手臂的一定位精度。
  2. 如請求項1所述機械手臂的定位精度量測系統，其中該機械手臂具有一操作端，且於該操作端上設置有一端效器，該第一磁性元件是固定在該端效器上。
  3. 如請求項1所述的機械手臂的定位精度量測系統，其中該第一磁性元件為一磁性探棒，該第二磁性元件為一陣列式霍爾感測器且電性連接於該計算裝置。
  4. 如請求項1所述的機械手臂的定位精度量測系統，其中該第二磁性元件為一磁性探棒，該第一磁性元件為一陣列式霍爾感測器且電性連接於該計算裝置。
  5. 如請求項1所述的機械手臂的定位精度量測系統，其中該機械手臂包括多個轉動連接的軸體，該第一磁性元件是設置在該些軸體中最末端的一個軸體上。
  6. 如請求項5所述的機械手臂的定位精度量測系統，其中該第一磁性元件為一陣列式霍爾感測器且電性連接於該計算裝置，該第二磁性元件為一磁性探棒。
  7. 如請求項1所述的機械手臂的定位精度量測系統，更包括一顯示介面，電性連接於該計算裝置，以顯示該第一磁性元件在該磁場中的一位置。
  8. 一種機械手臂的定位精度量測方法，包括以下步驟： 提供一第一磁性元件，該第一磁性元件設置於一機械手臂上； 提供一第二磁性元件，該第二磁性元件設置在一固定平台； 提供一計算裝置，該計算裝置電性連接於該第一磁性元件與該第二磁性元件的其中之一； 提供一機械手臂控制裝置，該機械手臂控制裝置電性連接於該機械手臂與該計算裝置； 藉由該機械手臂控制裝置控制該機械手臂，以將該第一磁性元件移動到該第二磁性元件之上，以產生一磁場； 藉由該機械手臂控制裝置控制該機械手臂，以使該第一磁性元件於該第二磁性元件之上移動； 藉由該計算裝置根據該該第一磁性元件的移動計算出該第一磁性元件的多筆移動誤差資訊，再藉由統計該些移動誤差資訊而得到該機械手臂的一定位精度。
  9. 如請求項8所述的機械手臂的定位精度量測方法，其中產生該移動誤差資訊的步驟包括： 將該第一磁性元件移動到該第二磁性元件之上的一個定位點；以及 反覆將該第一磁性元件移開於該定位點再移回該定位點。
  10. 如請求項8所述的機械手臂的定位精度量測方法，更包括提供一顯示介面，該顯示介面電性連接於該計算裝置，以顯示該第一磁性元件在該磁場中的一位置。
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