TWI532575B - 機器手臂的校正裝置及方法 - Google Patents

Description

機器手臂的校正裝置及方法

本發明有關一種機器手臂之校正裝置及方法，尤其關於機器手臂利用視覺系統及編碼校正板，校正機器手臂移動誤差的裝置及方法。

隨著工業生產技術的快速發展，為了追求大量生產的速度、產品品質的穩定及降低人工成本，工廠的生產線紛紛以機器手臂(Robot Arm)取代勞動人力，進行工件的抓取、排列或組裝。自動化的機器手臂進一步利用視覺系統定位工件之位置和姿態，引導機器手臂自動精準地抓取工件，進行組裝製造。而如何減少視覺系統定位的誤差，校正機器手臂移動精確度，成為機器手臂的重要課題。

請參考圖1，為先前技術機器手臂的標準校正板10，其中標準校正板10為矩形的格狀棋盤，由黑色格子11與白色格子12相互間隔構成。標準校正板10校正機器手臂時，主要透過機器手臂的視覺系統(圖未示)，視覺系統包含設在機器手臂上稱為EIH(Eye in Hand，簡稱EIH)攝影機，用以引導機器手臂夾取工件，以及設在機器手臂外部稱為ETH(Eye to Hand，簡稱ETH)攝影機，用以監視機器手臂的工作環境。以裝設在機器手臂上的EIH攝影機進行校正為例，利用移動機器手臂帶動EIH攝影機接近標準校正板10，聚焦取得EIH攝影機中擷取的標準校正板10的影像，根據擷取 的標準校正板10的影像，計算機器手臂與標準校正板10的相對位置關係，以完成對機器手臂的校正。

參考標準校正板有多種校正的方式，例如先前技術美國專利案US6985175，利用兩攝影機擷取標準校正板格狀棋盤的扭曲影像狀況，進行影像比對以校正攝影機。另外中國專利案CN102927908，利用雷射裝置投射條狀光線在標準校正板對角，藉設在機器手臂上的攝影機擷取條狀光線的影像，再移動雷射裝置與機器手臂擷取條狀光線投射標準校正板另一對角位置的影像，由兩對角位置條狀光線的交叉，校正機器手臂三維空間的定位。

然而，前述先前技術使用的標準校正板有一定的尺寸且為黑白相間的相同格狀，如機器手臂設置的空間有限，機器手臂與標準校正板相對距離不夠時，裝設在機器手臂上的視覺系統，不能取得標準校正板的全部完整的影像，難於由擷取標準校正板的部分影像判斷相對的方向及位置，以致無法判讀機器手臂上的視覺系統與標準校正板正確相對座標進行校正。因此，機器手臂在校正裝置及方法上，仍有問題亟待解決。

本發明之目的在提供一種機器手臂的校正裝置，藉由在編碼校正板上設置複數個座標編碼，座標編碼具有預設的座標，使機器手臂的視覺系統可擷取局部編碼校正板的座標編碼快速獲得定位校正，以提高機器手臂設置空間的彈性。

本發明另一目的在提供一種機器手臂的校正方法，利用機器手臂的視覺系統聚焦擷取編碼校正板座標編碼之影像，計算座標編碼的預 設座標，進行視覺系統的定位，以校正機器手臂。

本發明再一目的在提供一種機器手臂的校正方法，利用機器手臂移動視覺系統，多方位聚焦擷取編碼校正板座標編碼之影像，平均視覺系統的定位誤差，以提高機器手臂校正的精確度。

本發明又一目的在提供一種機器手臂的校正方法，利用編碼校正板先後定位機器手臂的ETH攝影機及EIH攝影機，以校正機器手臂。

為了達到前述發明的目的，本發明機器手臂的校正裝置，將機器手臂的一端固定設在基座，另一端設活動端，其上固定視覺系統的EIH攝影機。編碼校正板利用支撐架固定在機器手臂的工作環境，與機器手臂具有固定的相對座標，編碼校正板為棋盤格狀，格子內標示座標編碼，表示相對編碼校正板的方向及位置，控制裝置利用接收視覺系統擷取的影像，控制機器手臂的活動端上的EIH攝影機移動擷取編碼校正板的座標編碼，以校正機器手臂與EIH攝影機的定位誤差。視覺系統另包含ETH攝影機，ETH攝影機固定在機器手臂的外部，與機器手臂具有固定的相對座標，控制裝置移動機器手臂的活動端至編碼校正板上複數個預定座標編碼的位置，以校正機器手臂與ETH攝影機的定位誤差。

本發明的編碼校正板的格子為黑色格子與白色格子相互間隔組成，在每一黑色格子內的上方左角，標示方向圓的方向座標編碼，以表示相對編碼校正板校正座標原點的方向。白色格子內設置空心圓及實心圓的編碼圓排列組合而成位置座標編碼，以表示相對編碼校正板校正座標原點的位置。白色格子內的編碼圓，排成兩行，第一行代表X軸以及第二行代表Y軸，每行各具有第一列A、第二列B及第三列C的編碼圓，位置由下至 上表示為2的0至2次方，該白色格子的座標式為：X=A*2⁰+B*2¹+C*2²

Y=A*2⁰+B*2¹+C*2²

本發明機器手臂的校正方法，將編碼校正板以預設座標固定在機器手臂的視覺系統的攝影範圍內；利用機器手臂的視覺系統聚焦擷取的編碼校正板影像；根據擷取的編碼校正板影像及焦距，計算編碼校正板座標編碼，定位視覺系統；比較視覺系統的定位與校正前座標；校正機器手臂的移動誤差。

本發明機器手臂校正方法的視覺系統包含ETH攝影機及EIH攝影機，分別依序完成ETH攝影機及EIH攝影機的定位校正。EIH攝影機校正後檢查預定校正的次數不足，移動機器手臂擷取編碼校正板不同的座標編碼，繼續校正。校正的次數足夠時，平均移動誤差，完成機器手臂的校正。

20‧‧‧編碼校正板

21‧‧‧黑色格子

22‧‧‧白色格子

23‧‧‧方向圓

24‧‧‧空心圓

25‧‧‧實心圓

26‧‧‧局部影像

30‧‧‧校正裝置

31‧‧‧機器手臂

32‧‧‧控制裝置

33‧‧‧活動端

34‧‧‧EIH攝影機

35‧‧‧基座

36‧‧‧支撐架

37‧‧‧夾取機構

40‧‧‧ETH攝影機

圖1 為先前技術標準校正板之示意圖。

圖2 為本發明編碼校正板之示意圖。

圖3 為本發明機器手臂的校正方法的示意圖。

圖4 為本發明機器手臂的校正方法的流程圖。

圖5 為本發明機器手臂對視覺系統的校正方法的示意圖。

圖6 為本發明機器手臂對視覺系統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。

請參閱圖2，圖2為本發明機器手臂校正裝置的編碼校正板。編碼校正板20為矩形的格狀棋盤，由黑色格子21與白色格子22相互間隔組成。在每一黑色格子21內的上方左角，標示方向圓23的方向座標編碼，以標示編碼校正板20的上下左右方向，也就是編碼校正板20的校正座標原點O的方向。另在編碼校正板20內部的白色格子22內設置空心圓24及實心圓25排列組合的位置座標編碼，以標示各白色格子22與編碼校正板20校正座標原點O的相對位置。以本實施利為例，位置座標編碼在白色格子22內設置包含空心圓24及實心圓25的編碼圓，編碼圓排成兩行，左邊開始第一行代表X軸以及第二行代表Y軸，每行各具有第一列A、第二列B及第三列C等三列編碼圓，位置由下至上表示為2的0至2次方，而空心圓代表數值為0以及實心圓代表數值為1，以構成白色格子22的座標(X,Y)

X=A*2⁰+B*2¹+C*2²

Y=A*2⁰+B*2¹+C*2²

舉例說明，如圖2中標示的白色格子22，左起第一行X軸的第一列A為空心圓24，數值為0，即A=0，第二列B及第三列C為實心圓25，數值為1，即B=1及C=1。左起第二行Y軸的第一列A為實心圓25，數值為1，即A=1，第二位置及第三位置為空心圓24，數值為0，即B=0及C=0，將前述數值帶入前式則白色格子22的座標的計算方式如下：X=0*2⁰+1*2¹+1*2²=6

Y=1*2⁰+0*2¹+0*2²=1得到座標(6,1)。因此，就可根據空心圓24及實心圓25的排列組合計算出座標，獲得白色格子22與編碼校正板20校正座標原點O預設的相對位置。

如圖3所示，為本發明機器手臂的校正裝置30的示意圖。本發明機器手臂校正裝置30包含視覺系統、機器手臂31、控制裝置32及編碼校正板20。其中，視覺系統包含設在機器手臂31上的EIH攝影機34。機器手臂31一端固定設在基座35上，具有特定的手臂參考座標M，在機器手臂31另一端的活動端33固定EIH攝影機34，在手臂參考座標M具有校正前的座標。由於多關節的機器手臂31移動誤差，使視覺系統存在定位誤差，為了操控機器手臂31精確移位，機器手臂31須與視覺系統的EIH攝影機34進行定位校正。本發明校正裝置30在準備校正時，將編碼校正板20利用支撐架36固定在機器手臂31及EIH攝影機34的工作環境，並具有特定的校正參考座標N，因此編碼校正板20上的校正參考座標原點相對校正參考座標N的位置為已知。編碼校正板20內各白色格子22，經由位置座標編碼，相對校正參考座標N的位置亦為已知。因機器手臂31的手臂參考座標M及編碼校正板20的校正參考座標N，彼此距離固定，具有相對固定的座標關係，所以能進行座標轉換。

本發明校正裝置30進行校正時，利用控制裝置32移動機器手臂31，帶動EIH攝影機34接近編碼校正板20，調整EIH攝影機34的焦距並擷取清晰的編碼校正板20的局部影像26，並由焦距F獲得與白色格子22的距離。再根據局部影像26中的白色格子22及方向圓23的方向座標編碼，藉由白色格子22的位置座標編碼，取得白色格子22相對校正參考座標N的預定座標，因此由焦距F及白色格子22的預定座標，即可獲得EIH攝影機34相對校正參考座標N的座標。再利用校正參考座標N對手臂參考座標M座標轉換，就可判斷出EIH攝影機34在手臂參考座標M的正確座標，與EIH攝影機 34在手臂參考座標M的校正前座標比較，就可校正機器手臂31移動誤差。

本發明機器手臂的校正裝置30，雖可如前述，控制機器手臂移動EIH攝影機34至編碼校正板20前的任一位置完成校正。但由於一般機器手臂受組裝誤差及本身重力的影響，移動誤差並不均勻。因此，本發明機器手臂的校正裝置30，基於利用編碼校正板20不需太大空間移動機器手臂31的特性，可預設多個不同位置，擷取局部編碼校正板的影像，多次進行校正，平均或適應不均勻移動誤差，以達到提升機器手臂31的移動精確度的目的。

如圖4所示，為本發明機器手臂的校正方法的流程圖。本發明機器手臂的校正方法的詳細步驟說明如下：首先在步驟R1，將編碼校正板以預設座標設在機器手臂的視覺系統的攝影範圍內。進入步驟R2，調整視覺系統的焦距，擷取編碼校正板影像。在步驟R3，根據擷取的編碼校正板影像，計算編碼校正板中座標編碼的定位，由座標編碼定位及焦距，進行視覺系統定位。在步驟R4，比較視覺系統的定位與在手臂參考座標的校正前座標，以校正機器手臂的移動誤差。接著在步驟R5，檢查是否進行預定校正次數，如否則進入步驟R7移動機器手臂至編碼校正板另一預設座標編碼後，回到步驟R2繼續校正不同位置，如已進行足夠的校正次數，則進入步驟R6，適應不均勻移動誤差，以完成機器手臂的校正。

因此，本發明機器手臂的校正裝置，就可利用編碼校正板由空心圓及實心圓排列組合的位置座標編碼，藉由機器手臂的視覺系統，擷取編碼校正板的任一位置座標編碼，使機器手臂不須擷取整個編碼校正板的活動空間，以達到提高機器手臂設置空間的彈性的目的。並可進行多次 校正，適應不均勻移動誤差，達到提升機器手臂的移動精確度。

如圖5所示，為本發明機器手臂的校正裝置30定位視覺系統的示意圖。本發明的機器手臂31視覺系統可包含固定在機器手臂31外部的ETH攝影機40，具有相對手臂參考座標M固定的校正前座標。ETH攝影機40用以擷取機器手臂31外部工作環境的影像，以監視機器手臂31的工作環境，以及引導機器手臂31的活動端33固定EIH攝影機34接近工件。接著利用EIH攝影機34擷取工件影像，經由控制裝置32進行工件定位，使控制裝置32根據手臂參考座標M，控制機器手臂31，移動活動端33設置地夾取機構37夾取及組裝工件。由於機器手臂31與視覺系統存在定位誤差，為了精確夾取及組裝工件，機器手臂31須分別與視覺系統的EIH攝影機34及ETH攝影機40進行定位校正，但無先後順序。

本發明前已完成機器手臂31與EIH攝影機34的校正，接著進行機器手臂31與ETH攝影機40的校正。校正前先將機器手臂31的活動端33移離編碼校正板20。將編碼校正板20利用支撐架38固定在ETH攝影機40的攝影範圍，並具有特定的校正參考座標N，因此編碼校正板20上校正參考座標原點相對校正參考座標N的位置為已知。編碼校正板20內各白色格子22，經由位置座標編碼的定位，相對校正參考座標N的位置亦為已知。因機器手臂31的手臂參考座標M及編碼校正板20的校正參考座標N，彼此距離固定，具有相對固定的座標關係，所以能進行座標轉換。

本發明校正時，由ETH攝影機40聚焦擷取清晰的編碼校正板20的影像，如果距離足夠，ETH攝影機40可擷取編碼校正板20的完整影像，比照先前技術進行ETH攝影機40的定位。假如距離不足夠，ETH攝影機40 僅能擷取編碼校正板20的局部影像26，藉由聚焦的焦距F及局部影像26中的位置座標編碼，獲得校正參考座標N的定位，再由固定距離的手臂參考座標M轉換，獲得ETH攝影機40在手臂參考座標M的座標，以完成ETH攝影機40的定位，再與ETH攝影機40校正前座標比較，校正ETH攝影機40與機器手臂31的誤差。使機器手臂31與EIH攝影機34、ETH攝影機40無控制誤差，以精確引導機器手臂31移動。

如圖6所示，為本發明機器手臂對視覺系統校正方法的流程圖。本發明機器手臂的校正方法的詳細步驟說明如下：首先在步驟S1，將編碼校正板上預設座標固定在機器手臂、EIH攝影機及ETH攝影機的工作環境內。進入步驟S2，移動機器手臂至編碼校正板。在步驟S3，根據EIH攝影機擷取的編碼校正板影像，計算座標編碼，完成EIH攝影機的定位，以校正機器手臂。在步驟S4，移動機器手臂離開ETH攝影機的攝影範圍。接著在步驟S5，根據ETH攝影機擷取的編碼校正板影像，計算座標編碼定位ETH攝影機，以校正機器手臂。最後在步驟S6，完成校正機器手臂與ETH攝影機、EIH攝影機的定位誤差。

因此，本發明的機器手臂的校正方法，就可利用編碼校正板，分別定位機器手臂的ETH攝影機及EIH攝影機，校正機器手臂的移動誤差，達到精確控制機器手臂移動的目的。

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。

20‧‧‧編碼校正板

21‧‧‧黑色格子

22‧‧‧白色格子

23‧‧‧方向圓

24‧‧‧空心圓

25‧‧‧實心圓

Claims (10)

1. 一種機器手臂的校正裝置，包含：一機器手臂，一端固定設在基座，另一端設活動端；一視覺系統，與機器手臂具有相對的座標，擷取機器手臂的工作環境影像；一控制裝置，利用視覺系統擷取的影像，控制機器手臂的活動端移動；一編碼校正板，固定在機器手臂的工作環境，與機器手臂具有固定的相對座標，編碼校正板為黑色格子與白色格子相互間隔組成的棋盤格狀，黑色格子內標示方向座標編碼，以表示相對編碼校正板的方向，白色格子內標示由空心圓及實心圓的編碼圓排列組合而成，以表示白色格子相對編碼校正板校正座標原點的位置座標編碼，以表示相對編碼校正板的位置；其中，視覺系統聚焦擷取編碼校正板的座標編碼影像，定位視覺系統，以校正機器手臂的移動誤差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂的校正裝置，其中該視覺系統包含ETH攝影機與EIH攝影機，ETH攝影機固定在機器手臂的外部，EI-H攝影機固定在機器手臂的活動端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂的校正裝置，其中該方向座標編碼在黑色格子內的上方左角，標示方向圓，以表示編碼校正板校正座標原點的方向。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂的校正裝置，其中該白色格子內的編碼圓，排成兩行，第一行代表X軸以及第二行代表Y軸，每行各具有第一列A、第二列B及第三列C的編碼圓，位置由下至上表示為2的0至2次方，該白色格子的座標式為： X=A*2⁰+B*2¹+C*2² Y=A*2⁰+B*2¹+C*2²。
5. 一種機器手臂的校正方法，其步驟包含：將編碼校正板以預設座標固定在機器手臂的視覺系統的攝影範圍內；利用機器手臂的視覺系統聚焦擷取的編碼校正板影像；根據擷取的編碼校正板影像及焦距，計算編碼校正板座標編碼，定位視覺系統；比較視覺系統的定位與校正前座標；校正機器手臂的移動誤差。
6. 如申請專利範圍第5項所述之機器手臂的校正方法，其中視覺系統為固定在機器手臂外部的ETH攝影機。
7. 如申請專利範圍第5項所述之機器手臂的校正方法，其中視覺系統為固定在機器手臂上的EIH攝影機。
8. 如申請專利範圍第5項所述之機器手臂的校正方法，其中視覺系統包含ETH攝影機及EIH攝影機，分別依序完成ETH攝影機及EIH攝影機的定位校正。
9. 如申請專利範圍第6項所述之機器手臂的校正方法，其中校正後檢查預定校正的次數不足，移動機器手臂擷取編碼校正板不同的座標編碼，繼續校正。
10. 如申請專利範圍第9項所述之機器手臂的校正方法，其中檢查進行預定校正的次數足夠時，平均移動誤差，完成機器手臂的校正。