TW202122743A

TW202122743A - 三維測量裝置及所適用之機械手臂的校正方法

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Publication number: TW202122743A
Application number: TW108144015A
Authority: TW
Inventors: 邵啓煥; 徐志銘; 張啓舜; 張弘昇
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-16
Also published as: TWI725646B

Abstract

本案關於一種三維測量裝置，包含：球形體，被移動元件帶動而同步移動及轉動；X軸測量裝置，包含第一測量結構及第一位置感測器，第一測量結構可於X軸方向移動，且與球形體接觸，第一位置感測器用以測量第一測量結構之移動距離；Y軸測量裝置，包含第二測量結構及第二位置感測器，第二測量結構可於Y軸方向移動，且與球形體接觸，第二位置感測器用以測量第二測量結構之移動距離；Z軸測量裝置，包含第三測量結構及第三位置感測器，第三測量結構可於Z軸方向移動，且與球形體接觸，第三位置感測器用以測量第三測量結構之移動距離。

Description

三維測量裝置及所適用之機械手臂的校正方法

本案關於一種測量裝置，尤指一種三維測量裝置及所適用之機械手臂的校正方法。

隨著工業科技的進步，各式各樣的自動化裝置已廣泛地被研發，以應用於生活及產業中。一般而言，機械手臂係自動化裝置之重要元件。雖然藉由機械手臂進行加工的穩定性遠遠大於人工，但由於機械手臂的關節太多，導致通過多項誤差的累積與傳遞而致使機械手臂精度普遍不高。為提升機械手臂加工的精度，在以機械手臂進行加工前需利用測量裝置來對機械手臂進行校正，以提升加工的精度。目前常用的測量裝置有雷射干涉儀及雷射追蹤儀，其中雷射干涉儀由於在進行測量時一次只能測量一軸的誤差，因此在進行測量的過程中，為了測量不同項目的誤差，就必須更換鏡組再進行不同項目的測量，使得操作過程相當耗費時間。至於雷射追蹤儀雖可快速檢測，且精度高，然價錢卻極為昂貴。

因此，實有必要發展一種可同時測量物件三維的移動距離，藉此提供對機械手臂進行校正所需之參數之三維測量裝置及所適用之機械手臂的校正方法，以解決先前技術所面臨之問題。

本案之目的在於提供一種三維測量裝置，其中該三維測量裝置不但具有X軸測量裝置、Y軸測量裝置、Z軸測量裝置，更具有與X軸測量裝置、Y軸測量裝置、Z軸測量裝置相接觸並與可移動元件組接之球形體，使得三維測量裝置可同時進行球形體的三維座標測量，以獲得可移動元件的工作點，故不但可大幅節省測量的時間，且生產成本亦較低。

本案之另一目的在於提供一種機械手臂的校正方法，該校正方法係搭配本案所揭露之三維測量裝置來進行，故該校正方法不但可節省測量的時間，且無須使用昂貴的測量裝置來進行。

為達上述之目的，本案提供一種三維測量裝置，係與自動化裝置之可移動元件組接，包含：球形體，與可移動元件組接，且球形體被可移動元件帶動而同步移動及轉動；基座；X軸測量裝置，位於基座上，且包含第一測量結構及第一位置感測器，其中第一測量結構於X軸方向移動，且與球形體接觸，第一位置感測器係用以在球形體推動第一測量結構時，測量第一測量結構之移動距離；Y軸測量裝置，位於基座上，且包含第二測量結構及第二位置感測器，其中第二測量結構於Y軸方向移動，且與球形體接觸，第二位置感測器係用以在球形體推動第二測量結構時，測量第二測量結構之移動距離；Z軸測量裝置，位於基座上，且包含第三測量結構及第三位置感測器，其中第三測量結構可於Z軸方向移動，且與球形體接觸，第三位置感測器係用以在球形體推動第三測量結構時，測量第三測量結構之移動距離；其中第一測量結構沿X軸方向的可移動距離、第二測量結構沿Y軸方向的可移動距離及第三測量結構沿Z軸方向的可移動距離共同定義一測量空間，而球形體在測量空間移動時，第一位置感測器、第二位置感測器以及第三位置感測器的感測結果反應球形體的三維座標。

為達上述之目的，本案另提供一種機械手臂的校正方法，包含步驟：(S1) 提供一機械手臂以及如請求項1所述之三維測量裝置，其中三維測量裝置之球形體係與機械手臂組接，且球形體可被機械手臂帶動而同步移動及轉動；(S2) 計算出位於測量空間內之至少一預設定位點；(S3)控制機械手臂以不同的操作動作由初始點朝向每一預設定位點移動兩次以上，並藉由三維測量裝置所測量到之球形體的三維座標而得到機械手臂每一次移動完成後所到達之每一實際定位點的三維座標；(S4) 利用順向運動學計算步驟(S3)所得到之機械手臂在每一操作動作下所到達之每一實際定位點的函數方程式，以推得機械手臂在每一操作動作下的預測定位點；(S5) 在移動至相同預設定位點的條件下，判斷機械手臂任意兩個操作動作下的兩個預測定位點的差值減去兩個實際定位點的差值是否在可容許門檻值的範圍內；(S6)當步驟(S5)的判斷結果為否時，依據機械手臂在每一操作動作所到達的實際定位點而分別產生雅可比矩陣，以得到在每一操作動作下，機械手臂的預測定位點與實際定位點之間的位置運算式，其中每一雅可比矩陣為機械手臂在對應的操作動作下之每一軸的桿件尺寸的偏差量及每一軸的轉動角度的偏差量在對應的函數方程式下的偏導數；(S7) 在移動至相同預設定位點的條件下，將步驟(S6)所求得之機械手臂任意兩個操作動作下的兩個位置運算式進行減法運算，以計算機械手臂在任意兩個操作動作下，機械手臂之每一軸的桿件尺寸的偏差量間的相減值及機械手臂每一軸的轉動角度的偏差量間的相減值；(S8)依據步驟(S7)所計算得到之結果而對對應的函數方程式的機械手臂每一軸的桿件尺寸及機械手臂每一軸的轉動角度進行更新；以及(S9)當步驟(S8)執行完或是當步驟(S5)的判斷結果為是時，結束校正方法。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第1圖、第2圖、第3圖及第4圖，其中第1圖為本案較佳實施例之三維測量裝置之結構示意圖，第2圖為第1圖所示之三維測量裝置之另一視角的部分結構示意圖，第3圖為第1圖所示之三維測量裝置之又一視角的部分結構示意圖，第4圖為第1圖所示之三維測量裝置應用於機械手臂時的結構示意圖。如圖所示，本案之三維測量裝置1可用來測量與取得自動化裝置之可移動元件的三維移動距離或移動軌跡，而以下將以三維測量裝置1係用於測量自動化裝置之機械手臂9來進行示範性說明。其中機械手臂9可為三軸以上機械手臂，較佳為平面關節型機械手臂(Selective Compliance Assembly Robot Arm, SCARA)或六軸型機械手臂。此外，機械手臂9可由控制器10所控制而進行相關動作，例如被控制器10所驅動而可選擇性地沿X軸、Y軸及/或Z軸移動，而具4軸以上的機械手臂9更可被控制器控制而進行角度的轉變。又控制器10可記錄機械手臂9移動的點位，且控制器10可以有線或無線方式與三維測量裝置1相通訊，以從三維測量裝置1測量結果而得知機械手臂9的三維移動距離及/或移動軌跡等。

三維測量裝置1包含基座2、球形體3、X軸測量裝置4、Y軸測量裝置5及Z軸測量裝置6。基座2上具有第一固定柱20以及第二固定柱21，第一固定柱20以及第二固定柱21相鄰地垂直設置於基座2之頂面22上，其中第一固定柱20之較遠離基座2頂面22的端部具有第一連接部200及第二連接部201，第二連接部201與第一連接部200相連接，且第二連接部201與第一連接部200約呈L形。於一些實施例中，第一連接部200包含第一容置孔洞202，第二連接部201包含第二容置孔洞203，而第二固定柱21包含第三容置孔洞210。

X軸測量裝置4固設於第一固定柱20之第一連接部200上，且包含第一測量結構40、第一位置感測器41、第一線性軌道42及第一彈性元件43。第一線性軌道42係沿X軸方向設置於第一連接部200上。第一測量結構40可於X軸方向移動，且具有第一抵頂面400及滑動部(未圖示)，第一測量結構40之滑動部可與第一線性軌道42相配合而於第一線性軌道42上滑動，藉此使第一測量結構40滑動於第一線性軌道42上而沿X軸方向移動。第一位置感測器41與第一測量結構40對應設置，且可以有線或無線方式與控制器10相通訊，此外，第一位置感測器41更可測量及取得第一測量結構40的移動量，並將感測結果傳送至控制器10。於一些實施例中，第一位置感測器41可由但不限於光學尺所構成。第一彈性元件43之一端與第一測量結構40之第一抵頂面400相抵頂，第一彈性元件43之另一端係容收於第一連接部200之第一容置孔洞202內並與第一容置孔洞202內的壁面相抵頂，藉此當第一測量結構40因移動而施力於第一彈性元件43時，第一彈性元件43係被壓縮且產生彈性恢復力，而當第一測量結構40停止施力於第一彈性元件43時，第一測量結構40可因第一彈性元件43之彈性恢復力而移動回復至初始位置。

Y軸測量裝置5固設於第一固定柱20之第二連接部201上，且包含第二測量結構50、第二位置感測器51、第二線性軌道52及第二彈性元件53。第二線性軌道52係沿Y軸方向設置於第二連接部201上。第二測量結構50可於Y軸方向移動，且具有第二抵頂面500及滑動部(未圖示)，第二測量結構50之滑動部可與第二線性軌道52相配合而於第二線性軌道52上滑動，藉此使第二測量結構50滑動於第二線性軌道52上而沿Y軸方向移動。第二位置感測器51與第二測量結構50對應設置，且可以有線或無線方式與控制器10相通訊，此外，第二位置感測器51更可測量及取得第二測量結構50的移動量，並將感測結果傳送至控制器10。於一些實施例中，第二位置感測器51可由但不限於光學尺所構成。第二彈性元件53之一端與第二測量結構50之第二抵頂面500相抵頂，第二彈性元件53之另一端係容收於第二連接部201之第二容置孔洞203內並與第二容置孔洞203內的壁面相抵頂，藉此當第二測量結構50因移動而施力於第二彈性元件53時，第二彈性元件53係被壓縮且產生彈性恢復力，而當第二測量結構50停止施力於第二彈性元件53時，第二測量結構50可因第二彈性元件53之彈性恢復力而移動回復至初始位置。

Z軸測量裝置6固設於第二固定柱21上，且包含第三測量結構60、第三位置感測器61、第三線性軌道62及第三彈性元件63。第三線性軌道62係沿Z軸方向設置於第二固定柱21上。第三測量結構60可於Z軸方向移動，且具有第三抵頂面600及滑動部(未圖示)，第三測量結構60之滑動部可與第三線性軌道62相配合而於第三線性軌道62上滑動，藉此使第三測量結構60滑動於第三線性軌道62上而沿Z軸方向移動。第三位置感測器61與第三測量結構60對應設置，且可以有線或無線方式與控制器10相通訊，此外，第三位置感測器61更可測量及取得第三測量結構60的移動量，並將感測結果傳送至控制器10。於一些實施例中，第三位置感測器61可由但不限於光學尺所構成。第三彈性元件63之一端與第三測量結構60之第三抵頂面600相抵頂，第三彈性元件63之另一端係容收於第二固定柱21之第三容置孔洞210內並與第三容置孔洞210內的壁面相抵頂，藉此當第三測量結構60因移動而施力於第三彈性元件63時，第三彈性元件63係被壓縮且產生彈性恢復力，而當第三測量結構60停止施力於第三彈性元件63時，第三測量結構60可因第三彈性元件63之彈性恢復力而移動回復至初始位置。

球形體3係與機械手臂9之末端軸90之端部直接或間接組接，例如第4圖所示，球形體3可透過連桿8而與機械手臂9之末端軸90之端部間接組接，球形體3可被機械手臂9帶動而進行三維方向的同步移動及角度的同步轉動，其中球形體3的移動距離及球心的三維座標點位可反映機械手臂9之工作點的移動距離及三維座標點位。此外，球形體3位於X軸測量裝置4、Y軸測量裝置5及Z軸測量裝置6之間，並分別與第一測量結構40之第一測量面400、第二測量結構50之第二測量面500及第三測量結構60之第三測量面600相接觸，因此當球形體3沿X軸方向、Y軸方向及Z軸方向中至少一軸方向移動時，可推動對應的測量結構移動，例如球形體3沿X軸方向移動則推動第一測量面400移動，進而推動第一測量結構40移動，沿Y軸方向移動時則推動第二測量面500移動，進而推動第二測量結構50移動，沿Z軸方向移動時則推動第三測量面600移動，進而推動第三測量結構60移動，如此一來，第一位置感測器41、第二位置感測器51及第三位置感測器61便分別測量第一測量結構40、第二測量結構50及第三測量結構60的移動距離，並將感測結果傳送至控制器10，使控制器10得知球形體3的三維座標及移動距離，進而得知機械手臂9之末端軸90之工作點的三維座標及移動距離，進而推算機械手臂9的運作狀況，以進行對應的控制及/或校正。

請參閱第5圖，其係為第1圖所示之第一測量結構沿X軸方向的可移動距離、第二測量結構沿Y軸方向的可移動距離及第三測量面沿Y軸方向的可移動距離共所定義的測量空間的示意圖。於本實施例中，由於機械手臂9所帶動之球形體3係分別與第一測量結構40之第一測量面400、第二測量結構50之第二測量面500及第三測量結構60之第三測量面600相接觸，因此第一測量結構40沿X軸方向的可移動距離X1、第二測量結構50沿Y軸方向的可移動距離Y1及第三測量結構60沿Z軸方向的可移動距離Z1共同定義出為矩形的測量空間7，故球形體3在測量空間7移動時，第一位置感測器41、第二位置感測器51以及第三位置感測器61的感測結果可反應出球形體3的三維移動距離及球形體3的三維座標，進而得到機械手臂9的工作點位置。其中若在測量空間7中定義出原點位置，則第一位置感測器41、第二位置感測器51以及第三位置感測器61所感測到之球形體3的三維座標為絕對座標。

於一些實施例中，第一測量結構40沿X軸方向的可移動距離X1、第二測量結構50沿Y軸方向的可移動距離Y1及第三測量結構60沿Z軸方向的可移動距離較佳為皆等於球型體3的半徑，藉此當球形體3在測量空間7內移動時，可同時與第一測量結構40之第一測量面400、第二測量結構50之第二測量面500及第三測量結構60之第三測量面600接觸。

於其它實施例中，X軸測量裝置4更包含第一近接開關44，與第一測量結構40對應設置，當第一測量結構40靠近第一近接開關44的感應範圍時，第一近接開關44可以發出提醒信號至控制器10，而藉由第一近接開關44的設置，控制器10可在第一測量結構40移動至極限位置時進行對應的措施。Y軸測量裝置5更包含第二近接開關54，當第二測量結構50靠近第二近接開關54的感應範圍時，第二近接開關54可以發出提醒信號至控制器10，而藉由第二近接開關54的設置，控制器10可在第二測量結構50移動至極限位置時進行對應的措施。Z軸測量裝置6更包含第三近接開關64，當第三測量結構60靠近第三近接開關64的感應範圍時，第三近接開關64可以發出提醒信號至控制器10，而藉由第三近接開關64的設置，控制器10可在第三測量結構60移動至極限位置時進行對應的措施。

又於一些實施例中，球形體3具有內凹的鎖固孔30，鎖固孔30的內壁面可具有螺紋(未圖示)，故球形體3可藉由鎖固孔30而與連桿8組接，或是藉由鎖固孔30而與機械手臂9之末端軸90之端部組接。

以下將以第6圖來說明利用第1圖所示之三維測量裝置1而對機械手臂9進行校正之校正方法，其中由於三維測量裝置1之球形體3的球心之三維座標對應於機械手臂9的工作點的實際定位點，故以下提及之實際定位點實際上皆由三維測量裝置1測量球形體3的球心之三維座標來得到。其中該校正方法可應用於控制機械手臂9之控制器10中，而校正方法的原理為﹕因在機器人的運動學分析中，可以利用既有技術的順向運動學而根據機械手臂9各軸的臂長及所機械手臂9各軸的轉動的角度建立數學模型，以推算機械手臂9之工作點的位置，即預測定位點的三維座標。其中若設定機械手臂9以不同操作動作而移動至相同的預測定位點，則可直接根據這些機械手臂9各軸所轉動的角度，利用數學模型而推算機械手臂9在空間中的預測定位點。故機械手臂9的理想數學模型為機械手臂9在每一操作動作每一軸的轉動角度

在順向運動學下的函數方程式FK(

) ，用以計算機械手臂9的工作點在空間中的預測定位點

，表示式如下：

··(1)；其中

為在順向運動學下的機械手臂9的工作點的預測定位點，i為機械手臂9所執行的操作動作為第幾個的指稱，

代表定機械手臂9每一軸的轉動角度

在順向運動學下的函數方程式。

在理想狀態下，當控制器10依據設定了預設定位點的指令而控制機械手臂9以兩次以上且皆不同的操作動作分別朝向同一預設定位點移動時，則機械手臂9每兩次不同操作動作下的預測定位點

的差值減去機械手臂9每兩次不同操作動作下的實際定位點

的差值將等於0，即

然由於製造及組裝的誤差，故當控制器10依據設定了預設定位點的指令而控制機械手臂9以兩次以上不同的操作動作(或稱姿態)分別朝向相同的預設定位點移動時，機械手臂9以不同的操作動作所移動到的實際定位點之間將存在位置的偏差，而非移至同一實際位置。在上述情況發生時，則

的值將非0，故本案的校正方法可設定控制器10在

的值不在可容許門檻值的範圍內時進行機械手臂9的校正相關操作。

該校正相關操作為先依據機械手臂9在每一操作動作所移動到的實際定位點來使用既有技術而分別產生雅可比(Jacobian)矩陣，以得到在機械手臂9在每一操作動作下，機械手臂9的預測定位點

與實際定位點P的位置之間的位置運算式，即如下列式(2)﹕

··(2)；其中J代表雅可比(Jacobian)矩陣，

代表在機械手臂9的第i個操作動作下，機械手臂9之每一軸的桿件尺寸

的偏差量

及機械手臂9每一軸的轉動角度

的偏差量

在順向運動學下的函數方程式

的一階偏導數。而後利用上述式(2)將機械手臂9依據設定了預設定位點的指令所執行的第i+1次操作動作所能得到的位置運算式與機械手臂9依據設定了預設定位點的指令所執行的第i次操作動作所能得到的位置運算式進行減法運算，以得到下列式(3) ﹕

···(3)；

其中藉由三維測量裝置1可分別測量到實際定位點

及

的三維座標點，故控制器10可藉由三維測量裝置1的感測結果推得

的數值(即機械手臂9依據設定了預設定位點的指令而在兩次不同操作動作下所到達的兩個實際定位點間的偏移量)，又

為由機械手臂9的理想數學模型得到而為已知值，

之間存在對應關係。由上可知，若對機械手臂9進行校正而使

的結果趨近於0，則代表機械手臂9在依據設定了預設定位點的指令而控制機械手臂9以兩次以上不同的操作動作分別朝向相同的預設定位點移動時，機械手臂9以不同的操作動作所移動到的實際定位點將趨近於相同位置，因此基於上述原理，控制器10便由式(3)計算得到機械手臂9在依據設定了預設定位點的指令而控制機械手臂9以兩次以上不同的操作動作分別朝向相同的預設定位點移動時，機械手臂9每一軸的桿件尺寸

的偏移量

的相減值及機械手臂9每一軸的轉動角度

的相減值，進而依據偏移量

而對利用順向運動學所得到之機械手臂9的理想數學模型中的機械手臂9每一軸的桿件尺寸

及機械手臂9每一軸的轉動角度

進行更新(即對對應的函數方程式中的機械手臂9每一軸的桿件尺寸

及機械手臂9每一軸的轉動角度

進行更新)，藉此讓

逐漸收斂於0，如以一來，即可完成機械手臂9之校正。

請參閱第6圖，其係為本案較佳實施例之機械手臂的校正方法的步驟流程示意圖。基於前述之校正原理，本實施例之校正方法首先執行步驟S1，提供機械手臂(如第4圖所示之機械手臂9)以及如第1圖所示之三維測量裝置1，其中球形體3係與機械手臂9之末端軸90組接，且位於初始點。接著，執行步驟S2，計算出位於由第一測量結構40於X軸方向的可移動距離、第二測量結構50於Y軸方向的可移動距離及第三測量結構60於Z軸方向的可移動距離所共同定義之測量空間7內之至少一預設定位點。然後，執行步驟S3，控制機械手臂9以不同的操作動作由初始點朝向每一預設定位點移動兩次以上，並藉由三維測量裝置1所測量到之球形體3的三維座標而得到機械手臂9每一次移動完成後所到達之每一實際定位點的三維座標。接著，執行步驟S4，利用順向運動學而計算步驟S3所得到之機械手臂9在每一操作動作下所到達之每一實際定位點的函數方程式(即式(1))，以推得機械手臂9在每一操作動作下的預測定位點。然後執行步驟S5，在移動至相同預設定位點的條件下，判斷機械手臂9任意兩個操作動作下的兩個預測定位點的差值減去兩個實際定位點的差值是否在可容許門檻值的範圍內(即前述之

是否為可容許門檻值的範圍內)。當步驟S5的判斷結果為否時，則執行步驟S6，依據機械手臂9在每一操作動作所到達的實際定位點而分別產生雅可比矩陣，以得到在機械手臂9在每一操作動作下，機械手臂9的預測定位點與實際定位點之間的位置運算式(如式(2))，其中每一雅可比矩陣為機械手臂9在對應的操作動作下，機械手臂9每一軸的桿件尺寸

的一偏差量

及機械手臂9每一軸的轉動角度

的一偏差量

在對應的順向運動學函數方程式下的偏導數。然後，執行步驟S7，在移動至相同預設定位點的條件下，將步驟S6所求得之機械手臂9任意兩個操作動作下的兩個位置運算式進行減法運算，以計算機械手臂9在任意兩個操作動作下，機械手臂9之每一軸的桿件尺寸的偏差量間的相減值及機械手臂9每一軸的轉動角度的偏差量間的相減值。最後，執行步驟S8，依據步驟S7所計算得到之結果對利用順向運動學所得到之機械手臂9的理想數學模型中的機械手臂9每一軸的桿件尺寸

及機械手臂9每一軸的轉動角度

進行更新，然後重新執行步驟S4。另外，當步驟S5的判斷結果為機械手臂9任意兩個操作動作下的兩個預測定位點的差值減去兩個實際定位點的差值在可容許門檻值的範圍內時，則執行步驟S9，結束校正方法。

綜上所述，本案提供一種三維測量裝置及機械手臂的校正方法，其中三維測量裝置不但具有X軸測量裝置、Y軸測量裝置、Z軸測量裝置，更具有與X軸測量裝置、Y軸測量裝置、Z軸測量裝置相接觸並與可移動元件組接之球形體，使得三維測量裝置可同時進行球形體的三維座標測量，以獲得可移動元件的工作點，故不但可大幅節省測量的時間，且生產成本亦較低。而使用本案之三維測量裝置所執行之機械手臂的校正方法同樣達到節省測量的時間及無須使用昂貴的測量裝置來進行之功效。

1:三維測量裝置 2:基座 20:第一固定柱 200:第一連接部 201:第二連接部 202:第一容置孔洞 203:第二容置孔洞 21:第二固定柱 22:頂面 210:第三容置孔洞 3:球形體 30:鎖固孔 4:X軸測量裝置 40:第一測量結構 400:第一抵頂面 41:第一位置感測器 42:第一線性軌道 43:第一彈性元件 44:第一近接開關 5:Y軸測量裝置 50:第二測量結構 500:第二抵頂面 51:第二位置感測器 52:第二線性軌道 53:第二彈性元件 54:第二近接開關 6:Z軸測量裝置 60:第三測量結構 600:第三抵頂面 61:第三位置感測器 62:第三線性軌道 63:第三彈性元件 64:第三近接開關 7:測量空間 8:連桿 9:機械手臂 90:末端軸 10:控制器 X1:第一測量結構沿X軸方向的可移動距離 Y1:第二測量結構沿Y軸方向的可移動距離 Z1:第三測量結構沿Z軸方向的可移動距離

第1圖為本案較佳實施例之三維測量裝置之結構示意圖；第2圖為第1圖所示之三維測量裝置之另一視角的部分結構示意圖；第3圖為第1圖所示之三維測量裝置之又一視角的部分結構示意圖；第4圖為第1圖所示之三維測量裝置應用於機械手臂時的結構示意圖；第5圖為第1圖所示之第一測量結構沿X軸方向的可移動距離、第二測量結構沿Y軸方向的可移動距離及第三測量面沿Y軸方向的可移動距離共所定義的測量空間的示意圖；第6圖為本案較佳實施例之機械手臂的校正方法的步驟流程示意圖。

1:三維測量裝置

2:基座

22:頂面

20:第一固定柱

200:第一連接部

201:第二連接部

21:第二固定柱

3:球形體

30:鎖固孔

4:X軸測量裝置

40:第一測量結構

400:第一抵頂面

5:Y軸測量裝置

50:第二測量結構

500:第二抵頂面

6:Z軸測量裝置

60:第三測量結構

600:第三抵頂面

Claims

一種三維測量裝置，係與一自動化裝置之一可移動元件組接，包含：一球形體，與該可移動元件組接，且該球形體被該可移動元件帶動而同步移動及轉動；一基座；一X軸測量裝置，位於該基座上，且包含一第一測量結構及一第一位置感測器，其中該第一測量結構於X軸方向移動，且與該球形體接觸，該第一位置感測器係用以在該球形體推動該第一測量結構時，測量該第一測量結構之移動距離；一Y軸測量裝置，位於該基座上，且包含一第二測量結構及一第二位置感測器，其中該第二測量結構於Y軸方向移動，且與該球形體接觸，該第二位置感測器係用以在該球形體推動該第二測量結構時，測量該第二測量結構之移動距離；以及一Z軸測量裝置，位於該基座上，且包含一第三測量結構及一第三位置感測器，其中該第三測量結構於Z軸方向移動，且與該球形體接觸，該第三位置感測器係用以在該球形體推動該第三測量結構時，測量該第三測量結構之移動距離；其中該第一測量結構沿X軸方向的可移動距離、該第二測量結構沿Y軸方向的可移動距離及該第三測量結構沿Z軸方向的可移動距離共同定義一測量空間，而該球形體在該測量空間移動時，該第一位置感測器、該第二位置感測器以及該第三位置感測器的感測結果反應該球形體的三維座標。
如請求項1所述之三維測量裝置，其中該可移動元件為一機械手臂，該機械手臂為六軸型機械手臂或SCARA型機械手臂。
如請求項2所述之三維測量裝置，其中該球形體透過一連桿與該與機械手臂之一末端軸組接。
如請求項1所述之三維測量裝置，其中該第一測量結構沿X軸方向的該可移動距離、該第二測量結構沿Y軸方向的該可移動距離及該第三測量結構沿Z軸方向的該可移動距離皆等於該球型體的半徑。
如請求項1所述之三維測量裝置，其中該第一位置感測器、該第二位置感測器及該第三位置感測器分別由光學尺所構成。
如請求項1所述之三維測量裝置，其中該基座具有一第一固定柱以及一第二固定柱，該第一固定柱以及該第二固定柱相鄰地垂直設置於該基座上，且該第一固定柱具有相連之一第一連接部及一第二連接部，該第一連接部與該第二連接部約呈L形。
如請求項6所述之三維測量裝置，其中該X軸測量裝置固設於該第一固定柱之該第一連接部上，該Y軸測量裝置固設於該第一固定柱之該第二連接部上，該Z軸測量裝置固設於該第二固定柱上。
如請求項7所述之三維測量裝置，其中該X軸測量裝置更包含一第一線性軌道及一第一彈性元件，該第一線性軌道沿X軸方向設置於該第一連接部上，且供該第一測量結構滑動，該第一彈性元件係於該球形體推動該第一測量結構時產生彈性恢復力，該Y軸測量裝置更包含一第二線性軌道及一第二彈性元件，該第二線性軌道沿Y軸方向設置於該第二連接部上，且供該第二測量結構滑動，該第二彈性元件係於該球形體推動該第二測量結構時產生彈性恢復力，該Z軸測量裝置更包含一第三線性軌道及一第三彈性元件，該第三線性軌道沿Z軸方向設置於該第二固定柱上，且供該第三測量結構滑動，該第三彈性元件係於該球形體推動該第三測量結構時產生彈性恢復力。
如請求項8所述之三維測量裝置，其中該第一連接部包含一第一容置孔洞，該第二連接部包含一第二容置孔洞，該第二固定柱包含一第三容置孔洞，該第一彈性元件之一端與該第一測量結構之一第一抵頂面相抵頂，該第一彈性元件之另一端係容收於該第一容置孔洞內並與該第一容置孔洞內的壁面相抵頂，該第二彈性元件之一端與該第二測量結構之一第二抵頂面相抵頂，該第二彈性元件之另一端係容收於該第二容置孔洞內並與該第二容置孔洞內的壁面相抵頂，該第三彈性元件之一端與該第三測量結構之一第三抵頂面相抵頂，該第三彈性元件之另一端係容收於該第三容置孔洞內並與該第三容置孔洞內的壁面相抵頂。
一種機械手臂的校正方法，包含步驟： (S1) 提供一機械手臂以及如請求項1所述之該三維測量裝置，其中該三維測量裝置之該球形體係與該機械手臂組接，且該球形體可被該機械手臂帶動而同步移動及轉動； (S2) 計算出位於一測量空間內之至少一預設定位點； (S3) 控制該機械手臂以不同的操作動作由一初始點朝向每一該預設定位點移動兩次以上，並藉由該三維測量裝置所測量到之該球形體的三維座標而得到該機械手臂每一次移動完成後所到達之每一實際定位點的三維座標； (S4) 利用順向運動學計算該步驟(S3)所得到之該機械手臂在每一操作動作下所到達之每一該實際定位點的一函數方程式，以推得該機械手臂在每一操作動作下的一預測定位點； (S5) 在移動至相同該預設定位點的條件下，判斷該機械手臂任意兩個操作動作下的兩個該預測定位點的差值減去兩個該實際定位點的差值是否在一可容許門檻值的範圍內； (S6)當該步驟(S5)的判斷結果為否時，依據該機械手臂在每一操作動作所到達的該實際定位點而分別產生一雅可比矩陣，以得到在每一操作動作下，該機械手臂的該預測定位點與該實際定位點之間的一位置運算式，其中每一該雅可比矩陣為該機械手臂在對應的操作動作下之每一軸的桿件尺寸的一偏差量及每一軸的轉動角度的一偏差量在對應的該函數方程式下的偏導數； (S7) 在移動至相同該預設定位點的條件下，將該步驟(S6)所求得之該機械手臂任意兩個操作動作下的兩個該位置運算式進行減法運算，以計算該機械手臂在任意兩個操作動作下，該機械手臂之每一軸的桿件尺寸的該偏差量間的相減值及該機械手臂每一軸的轉動角度的該偏差量間的相減值； (S8)依據該步驟(S7)所計算得到之結果而對對應的該函數方程式的該機械手臂每一軸的桿件尺寸及該機械手臂每一軸的轉動角度進行更新，並重新執行該步驟(S4)；以及 (S9)當該步驟(S8)執行完或是當該步驟(S5)的判斷結果為是時，結束該校正方法。
如請求項10所述之機械手臂的校正方法，其中該實際定位點為該三維測量裝置測量該球形體的球心之三維座標。
如請求項10所述之機械手臂的校正方法，其中該球形體係與該機械手臂之一末端軸組接，且位於該初始點。
如請求項10所述之機械手臂的校正方法，其中該至少一預設定位點是藉由一第一測量結構量測該球形體於X軸方向的一可移動距離、藉由一第二測量結構量測該球形體於Y軸方向的一可移動距離及藉由一第三測量結構量測該球形體於Z軸方向的一可移動距離所共同定義之該測量空間內之三維座標。