TW202304672A

TW202304672A - 機械手臂之工具校正方法

Info

Publication number: TW202304672A
Application number: TW110127814A
Authority: TW
Inventors: 蔡旺霖; 謝清吉; 曾永竣
Original assignee: 達明機器人股份有限公司
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-01
Also published as: CN115674185A; TWI806111B

Abstract

一種機械手臂之工具校正方法，其包含依據第一移動路徑帶動工具，與第一光束交會於第一交會點，與第二光束交會於第二交會點。及，依據第二移動路徑帶動工具，與第一光束交會於第三交會點，與第二光束交會於第四交會點。再者，依據第一至第四交會點的位置運算出工具的校正值。

Description

機械手臂之工具校正方法

本發明有關一種機械手臂，尤其關於機器手臂的工具校正方法，校正速度快且精度高，以避免耗時的逐一修正工具的點位或路徑。

機械手臂末端安裝各式裝置而進行不同的任務，各式裝置例如是電爪或對應不同任務的工具。安裝於機械手臂末端的各式裝置，於使用前都需設定相對應的基準點，或稱工具中心點(tool center point，TCP)，使控制裝置控制機械手臂帶動末端的裝置移動時，裝置的移動路徑與設定路徑相符。後續一旦因不同任務的需求，進行電爪、工具的更換或拆裝，需重新檢查裝置的基準點(TCP)，確保末端的裝置安裝後，不會導致機械手臂以非預期的點位及移動路徑帶動末端的裝置運行，例如不會以偏移的末端的裝置夾取工件，造成工件夾取失敗，甚至是導致機械手臂與周遭的其他設備發生撞機。一般檢查末端的安裝位置是否符合初始設定，需將所有原先已經完成的機械手臂末端的點位、路徑，全部重新檢視而決定是否修正，以確保符合原先設定的點位與路徑。

然而，逐一檢視與修正機械手臂末端的點位與移動路徑，十分費時費力，不符合各產業高效率的需求，且精度不高。故，本發明提出一種機器手臂的工具校正方法，快速檢視工具的位置，以決定是否補償工具的點位與移動路徑。

本發明之目的提供一種機器手臂的工具校正方法，藉由工具運行移動路徑，運算工具的校正值。

為了達到前述發明的目的，本發明機器手臂的工具校正方法，依據第一移動路徑帶動工具，與第一光束交會於第一交會點，與第二光束交會於第二交會點。及，依據第二移動路徑帶動工具，與第一光束交會於第三交會點，與第二光束交會於第四交會點。再者，依據第一至第四交會點的位置運算出工具的一校正值。

此外，機械手臂帶動工具往上或往下位移後，依據一第三移動路徑帶動工具，與第一光束交會於第五交會點，與第二光束交會於第六交會點，依據第一至第六交會點的位置運算出工具相關一旋轉運動的校正值。

10:機械手臂

11:底座

12:軸臂

20:末端

30:工具

40:控制裝置

50:三角形

51:三角形

52:三角形

53:三角形

A0:第一移動路徑

A1:第二移動路徑

A2:第三移動路徑

A3:第四移動路徑

A4:第五移動路徑

A5:第六移動路徑

A6:第七移動路徑

B:底邊

B1:底邊

H:高度

M1:距離

N1:距離

N2:距離

X:X軸方向

△X1:運算結果

△X2:運算結果

△X5:運算結果

△X6:運算結果

X0:第一交會點

X1:第三交會點

X2:第五交會點

X3:交會點

X4:交會點

X5:交會點

X6:交會點

X-ray:光束

Y:Y軸方向

Y0:第二交會點

Y1:第四交會點

Y2:第六交會點

Y3:交會點

Y4:交會點

Y-ray:光束

Z:Z軸方向

Z0:位置

Z1:位置

Zx:交會點

Zxy:交會點

θ:偏移角度

第一圖為本發明機械手臂與工具的示意圖。

第二圖為本發明量測工具於X、Y軸方向之初始狀態的第一示意圖。

第三圖為本發明檢測工具於X、Y軸方向之校正值的第一示意圖。

第四圖為本發明檢測工具於X、Y軸方向旋轉之校正值的示意圖。

第五圖為本發明運算工具於X、Y軸方向旋轉之校正值的第一示意圖。

第六圖為本發明量測工具於Z軸方向之初始狀態的第一示意圖。

第七圖為本發明量測工具於Z軸方向之初始狀態的第二示意圖。

第八圖為本發明量測工具於X、Y軸方向之初始狀態的第二示意圖。

第九圖為本發明檢測工具於X、Y軸方向之校正值的第二示意圖。

第十圖為本發明運算工具於X、Y軸方向旋轉之校正值的第二示意圖。

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

請參閱第一圖，其為本發明機械手臂與工具的示意圖。如圖所示，機械手臂10包含一底座11與複數軸臂12，且於機械手臂10的末端20安裝有一工具30，圖中工具30為示意之用，工具30種類不影響本發明的實施。控制裝置40控制機械手臂10可以帶動工具30於X、Y、Z軸方向上移動。在控制工具30執行任務前需先設定工具30的基準點，或稱工具中心點(tool center point，TCP)、參考點(reference point)等等，以正確拾取工件，並避免機械手臂10發生撞機，其中，工具30執行的工作內容不影響實施例的說明。

請參閱第二圖，其為本發明量測工具於X、Y軸方向之初始狀態的第一示意圖。如圖所示，設置兩光束裝置，例如雷射光裝置，以投射出第一光束X-ray與第二光束Y-ray，而用於量測工具30於X、Y軸方向之初始狀態。如此，在設定工具30的基準點後，機械手臂10帶動工具30移動，使兩個光束X-ray、Y-ray位於工具30的尖端與末端之間的相鄰空間。爾後，控制裝置40控制機械手臂10帶動工具30依據第一移動路徑A0移動，並與第一光束X-ray交會於第一交會點X0，與第二光束Y-ray交會於第二交會點Y0。紀錄工具30在設定基準點後的初始移動路徑，即第一移動路徑A0，以用於執行工具校正，其中，第一移動路徑A0、第一交會點X0及第二交會點Y0可以記錄在適當的儲存裝置中，於此不加以贅述。此外，兩個光束X-ray、Y-ray相交為90°直角，而工具30相對於兩個光束X-ray、Y-ray為45°角。所以，第一種機械手臂的工具校正方法可以稱為45°校正，但是本發明的工具校正方法不限制工具30與兩光束X-ray、Y-ray的角度。

請參閱第三圖，其為本發明檢測工具於X、Y軸方向之校正值的第一示意圖。當工具30重新安裝、調整或更換後，需再次確認工具30的安裝狀態，例如是否偏移而不同於初始設定的基準點。所以，機械手臂10帶動工具30依據第二移動路徑A1移動，並與第一光束X-ray交會於第三交會點X1，與第二光束Y-ray交會於第四交會點Y1，爾後同樣紀錄第二移動路徑A1、第三交會點X1與第四交會點Y1，如此控制裝置40依據第一至第四交會點X0、X1、Y0、Y1的位置運算出工具30的校正值。再者，第一移動路徑A0僅是繪出作說明之用，在檢測工具30於X、Y軸方向之校正值時，工具30無需再次依據第一移動路徑A0運動。

復參閱第三圖，當控制工具30移動之後，若第一交會點X0的位置相同於第三交會點X1的位置，第二交會點Y0的位置相同於第四交會點Y1的位置，表示工具30在重新安裝後的點位相同於初始基準點的點位，無需進行工具校正。若第一交會點X0的位置不同於第三交會點X1的位置，或/及第二交會點Y0的位置不同於第四交會點Y1的位置，表示工具30在重新安裝後的點位不同於初始基準點的點位，需進行工具校正。第三圖實施例是繪示需進行工具校正的示例，其中第一交會點X0與第二交會點Y0的距離為M1，第三交會點X1與第四交會點Y1的距離為N1，且左右兩側的三角形 50、51的頂角為90°、底角為45°，為一等腰三角形。所以，工具30在X軸方向的校正值，亦可以稱為偏移量，運算結果為△X1=｜(M1-N1)｜/2，其中｜(M1-N1)｜/2算出第二移動路徑A1上的三角形50、51的邊長，且因是等腰三角形，所以第二移動路徑A1與第一移動路徑A0間的三角形的邊長(即△X1)同樣是｜(M1-N1)｜/2。如此表示工具30從基準點的點位偏移至第二移動路徑A1上的點位，需補償校正值(即運算結果△X1)進行校正。此實施例是以工具30往第一移動路徑A0上方偏移，然而偏移方向也有可能往第一移動路徑A0下方偏移。此外，工具30在Y軸方向的校正值檢測方式如上述X軸方向的檢測方式，若工具30有偏移則校正值不為0，若無偏移校正值則為0，其餘不再覆述，

請參閱第四圖，其為本發明檢測工具於X、Y軸方向旋轉之校正值的示意圖。第三圖實施例是檢測工具30於X、Y軸方向的點位與路徑是否偏移，而第四圖實施例是檢測工具30於X、Y軸方向的旋轉運動是否偏移(即檢測RX、RY)。所以當依據第三圖實施方式檢測完，獲得運算結果△X1後，控制裝置40控制工具30往上或往下位移，以檢測旋轉運動(如RX)是否有偏移。換言之，機械手臂10帶動工具30往上或往下移動後，依據第三移動路徑A2帶動工具30，與第一光束X-ray交會於第五交會點X2，與第二光束Y-ray交會於第六交會點Y2。如此，同樣獲得第一交會點X0與第二交會點Y0的距離同樣為M1，上移高度(即位移)為H，第五交會點X2與第六交會點Y2的距離為N2，最後相似第三圖實施例的運算方式，獲得運算結果△X2=｜(M1-N2)｜/2。

此外，第四圖實施例是以帶動工具30從第二移動路徑A1的位置往上位移至第三移動路徑A2的位置，即一高度H，作為說明。同樣的，第四圖中的第一移動路徑A0是用於對比第二移動路徑A1與第三移動路徑A2，在檢測過程中工具30無需再依據第一移動路徑A0動作。

請參閱第五圖，其為本發明運算工具於X、Y軸方向旋轉之校正值的第一示意圖。在從第四圖實施例獲得運算結果△X1與△X2後，依據運算結果△X1與△X2可以獲知工具30在X軸方向的旋轉運動，是否有產生偏移。再者，工具30相關旋轉運動的校正值運算，請參閱第五圖所繪的說明圖形，第二交會點Y0與交會點X4的距離即為△X2，第二交會點Y0與交會點X3的距離即為△X1，所以實線三角形52的底邊B長度為B=｜(△X1-△X2)｜，且高度H已知，故旋轉運動的偏移量(即偏移角度)為θ=tan^-1｜(△X1-△X2)｜/H，即校正值為θ。因此，工具30於X軸方向的旋轉運動需補償θ。同理，工具30於Y軸方向的旋轉運動的檢測方式如上所述。

請參閱第六圖，其為本發明量測工具於Z軸方向之初始狀態的第一示意圖。如第一圖所示，機械手臂10可以帶動工具30在X、Y、Z三個方向上運動，而於Z軸方向的檢測方式如第六圖所示。首先，控制裝置40控制機械手臂10帶動工具30，從遠離第一光束X-ray朝向第一光束X-ray移動，直至碰觸第一光束X-ray，而交會於一交會點Zx，獲得工具30於Z軸方向上的初始狀態，其中機械手臂10的編碼器所對應的位置可以用於紀錄工具30的初始狀態。換言之，控制裝置40可以改為控制機械手臂10帶動工具30，從遠離第二光束Y-ray朝向第二光束Y-ray移動，而碰觸第二光束Y-ray，其亦是獲得工具30於Z軸方向的初始狀態的選項之一，非本發明所限。

或者，請參閱第七圖，其為本發明量測工具於Z軸方向之初始狀態的第二示意圖。第三種獲得工具30於Z軸方向的初始狀態的方式，即控制裝置40可以改為控制工具30，依據一高度從遠離第一光束X-ray與第二光束Y-ray朝向第一光束X-ray與第二光束Y-ray的交會點移動，而碰觸第一光束X-ray與第二光束Y-ray的交會點。所以，實施例中提供三種獲得工具30於Z軸方向的初始狀態的方式，可以由觸碰單一光束後確認，或觸碰兩個光束後確認，皆為設計選項之一。

獲得工具30於Z軸方向的初始位置(Z0)後，在工具30重新安裝或調整完畢，再次確認安裝後的工具30的Z軸方向的位置(Z1)，兩者差異｜(Z0-Z1)｜即為工具30的Z軸方向的校正值的運算結果△Z=｜(Z0-Z1)｜。

請參閱第八圖，其為本發明量測工具於X、Y軸方向之初始狀態的第二示意圖。第二至第五圖的工具校正方法可以稱為45°校正，而第八圖至第十圖的工具校正方法可以稱為十字校正，即工具30以第四移動路徑A3於X軸方向移動，與第二光束Y-ray相交於交會點Y3，獲得工具30於X軸方向的初始位置，其中，第四移動路徑A3與第五移動路徑A4分別正交(90°)於光束X-ray、Y-ray。同理，工具30以第五移動路徑A4於Y軸方向移動，與第一光束X-ray相交於交會點X5，獲得工具30於Y軸方向的初始位置。所以，當更換新工具30執行不同任務前，如第九圖，其為本發明檢測工具於X、Y軸方向之校正值的第二示意圖，獲得新的交會點Y4、X6，而新舊交會點的位差，如｜(Y3-Y4)｜與｜(X5-X6)｜的運算結果，即為X軸方向與Y軸方向的校正值。

再者，第九圖實施例中工具30運動於第四移動路徑A3、第五移動路徑A4、第六移動路徑A5與第七移動路徑A6，而分別與兩光束X-ray、Y-ray相交於四個交會點Y3、X5、Y4、X6，且其可以是位於同一平面，用於運算出工具30於X、Y軸方向的檢測結果，或者如前述實施例，工具30移動至不同平面(不同高度)後，進行旋轉運動(RX、RY)之檢測，以獲得校正值的運算結果△X5、△X6。

請參閱第十圖，其為本發明運算工具於X、Y軸方向旋轉之校正值的第二示意圖。如第五圖實施例，第十圖繪出X軸方向的旋轉運動的偏移角度為θ=tan^-1｜(△X6-△X5)｜/H，｜(△X6-△X5)｜為三角形53的底邊B1長度，而校正值為θ，其餘運算說明相似不再覆述。

因此，本發明機器手臂的工具校正方法，依據一第一移動路徑帶動一工具，與一第一光束交會於一第一交會點，與一第二光束交會於一第二交會點。及，依據一第二移動路徑帶動工具，與第一光束交會於一第三交會點，與第二光束交會於一第四交會點。再者，依據第一至第四交會點的位置運算出工具的一校正值。

再者，機械手臂帶動工具往上或往下位移後，依據一第三移動路徑帶動工具，與第一光束交會於一第五交會點，與第二光束交會於一第六交會點，依據第一至第六交會點的位置運算出工具相關一旋轉運動的校正值。因此，本發明提供一種工具校正方法，校正速度快且精度高，以避免耗時的逐一修正工具的點位或路徑。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之實施例，本發明之範圍不限於該等實施例，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。