TWI579123B - 機器人校正系統與方法 - Google Patents

Description

機器人校正系統與方法

本發明涉及一種量測的系統，尤其涉及一種用於校正、補償機械手臂的機器人校正系統。

機械手臂應用於各產業相當廣泛，機械手臂依照動作的方式主要可分為五大類型，包括關節座標型(Articulated)、球狀座標型(Polar)、平面關節型(SCARA)、圓柱座標型(Cylindrical)以及直角座標型(Cartesian)等類型。機械手臂的發展主要是為了取代人工無法長時間進行加工，與減少人為的不可預測的因素對產品優劣的影響。雖然機械手臂進行加工的穩定性遠遠大於人工，但精度等級不佳，大約為毫米等級。

為提升機械手臂加工的精度，在以機械手臂進行加工前需要對機械手臂進行校正，提升加工的精度。目前有關工業機器人之性能檢測中，已有ISO 9283訂定工業機器人的性能準則與檢驗標準，將目前經常運用在校正或量測機械手臂的相關設備介紹如下：

雷射干涉儀：運用於量測機台定位誤差、線性誤差及角度誤差，但實際進行量測時由於一次只能量測一軸的誤差，因此在進行量測的過程中，為了量測不同項目的誤差，就必須更換鏡組再進行不同項目的量測，使得操作過程相當耗費時間。

雷射追蹤儀：運用於組裝校正、定位與逆向工程等應用，具有可攜式、快速檢測、精度高等特性，主要透過將一雷射架設置待測的機械手臂上，透過雷射追蹤儀檢測雷射光點變化，將訊號傳輸至訊號處理器進行分析計算，檢測出機械手臂的誤差，但價錢極為昂貴。

由於機械手臂精度不佳，使用於校正的量測器具又有架設過程繁雜、儀器價格昂貴等問題。為此，發明人運用非接觸感測元件，搭配高精度的三維數控線性平台，開發出一套能量測機械手臂誤差，又能與機械手臂的控制器連接而對機械手臂進行自動化補償的校正系統。

為達到上述創作目的，本發明提供一種使用成本低、方便組裝且能有效提升機械手臂的精度的機械人校正系統，用於校正一機械手臂並包括：

一三維數控線性平台，該三維數控線性平台具有位置的回授系統；

一感測頭，結合在該三維數控線性平台，該感測頭設有兩組感測組，各感測組包括一非接觸式感測元件，在兩非接觸式感測元件的感測範圍交集處形成一量測空間；

一標準圓球組，設有一磁性座，該磁性座結合在該機械手臂的自由端，該磁性座連接一支撐桿，在該支撐桿的自由端結合一標準圓球，該標準圓球設置在該量測空間內，使兩非接觸式感測元件能量測到該標準圓球的位置；以及

一訊號處理組，分別與該三維數控線性平台、該感測頭以及該機械手臂電連接。

較佳的，本發明所述各非接觸式感測元件是影像擷取器、電子探頭或光電感測器。

進一步，本發明所述三維數控線性平台包括三個上、下相結合的數控線性滑軌，其中位於下方的兩數控線性滑軌以十字排列的方式上下交疊，另一數控線性滑軌以垂直的形態結合在中間的數控線性滑軌上，所述感測頭在最上側的數控線性滑軌的頂端設有一矩形的底板，所述的兩組感測組分別結合在該底板上四周圍的兩兩相對處。

較佳的，本發明所述標準圓球是金屬圓球、玻璃圓球、塑膠圓球或礦石圓球。

較佳的，本發明所述訊號處理組是電腦或單晶片。

本發明提供一種機器人校正方法，包括以下步驟：

安裝設備：將一感測頭架設在一三維數控線性平台上，該感測頭包括兩組感測組，各感測組包括一非接觸式感測元件，在兩非接觸式感測元件的感測範圍交集處形成一量測空間，該三維數控線性平台具有位置的回授系統，將一標準圓球組的磁性座磁吸固定在待測的機械手臂的自由端，該標準圓球組透過一支撐桿設有一懸空的標準圓球，該標準圓球設置在該量測空間內而受該感測頭的兩非接觸式感測元件量測，將該機械手臂的控制器、三維數控線性平台以及該感測頭與一訊號處理組電連接；

同動取得多個移動點的位置座標：該訊號處理組發送多個移動點的訊號至待測的機械手臂的控制器與三維數控線性平台，多個移動點串連成該機械手臂與該三維數控線性平台的移動軌跡路徑，經由三維數控線性平台以及該感測頭的回授，取得多個移動點的三維數控線性平台的位置座標以及感測頭檢測標準圓球的位置誤差，並由前兩者的相加得到以該三維數控線性平台為參考基準的多個移動點的機械手臂的位置座標；

以參考基準計算機械手臂誤差值：該訊號處理組利用多個移動點的三維數控線性平台的位置座標以及該機械手臂的位置座標，分別計算出三維數控線性平台移動軌跡路徑斜率以及機械手臂移動軌跡路徑斜率，並藉此計算得出三維數控線性平台與機械手臂平行度誤差的角度，利用平行度誤差的角度，將該機械手臂的位置座標修正為實際位置座標，計算出三維數控線性平台的位置與該機械手臂實際位置的誤差，即為機械手臂誤差值；以及

補償機械手臂的誤差：該訊號處理組將該機械手臂誤差值轉換成一補償值，傳送至該待測的機械手臂的控制器中完成自動化的誤差補償。

當本發明的系統使用時，令訊號處理組發送相同軌跡的命令至機械手臂、三維數控線性平台，使機械手臂帶動標準圓球，使標準圓球進行與三維數控線性平台相同的軌跡運動，過程中以三維數控線性平台為基準，透過感測頭的影像擷取器檢測該標準圓球的位置變化，接著對感測頭量測到的標準圓球的位置變化進行修正，此修正目的在於使量測的X、Y、Z軸向與三維數控線性平台的X、Y、Z軸向平行，才可正確量測得出機械手臂誤差值，最後該訊號處理組將機械手臂誤差值轉換成一與該誤差值相對應的補償值，傳送至該待測的機械手臂，即可對於該待測的機械手臂進行自動化的誤差補償。

本發明藉由上述系統對機械手臂的誤差量測與補償，以及執行上述的機器人校正方法，可對機械手臂進行包含線性定位誤差、軌跡同動誤差、空間誤差的量測、補償，有助於機械手臂精度提升為微米等級。並且由於影像擷取器此種非接觸式感測元件與機械手臂的控制器通訊等技術相當成熟，因此本系統除了架設的方式較為簡單、容易以外，相較於現有的量測技術也能降低整體使用的成本。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。

請參看圖1、圖2所示，本發明是一種機器人校正系統，使用時是架設在一機械手臂A，該機械手臂A設有一控制器B，能接收位置訊號進行動作並將該機械手臂A動作後的位置回授，該校正系統還包括一三維數控線性平台10、一設置在該三維數控線性平台10上的感測頭20、一與該感測頭20配合的標準圓球組30，以及一與該控制器B、該三維數控線性平台10以及該感測頭20電連接的訊號處理組40，其中：

該三維數控線性平台10是X、Y、Z三軸的高精度三維數控線性平台，包括三個上、下相結合的數控線性滑軌11，其中位於下方的兩數控線性滑軌11以十字排列的方式上下交疊，另一數控線性滑軌11以垂直的形態結合在中間的數控線性滑軌11上，各數控線性滑軌11的回授系統是高解析度的光學尺，因此各數控線性滑軌11能接收位置訊號動作，並將動作後的位置回授。

該感測頭20設有兩組以上的感測組21，如本較佳實施例是設有兩感測組21，該感測頭20在最上側的數控線性滑軌11的頂端結合一矩形的底板22，兩感測組21以豎直的狀態結合在該底板22上，且分別位於該底板22四周圍的兩兩相對處，在各感測組21的內側設有一非接觸式感測元件23，各非接觸式感測元件23可為影像擷取器、電子探頭或光電感測器。

如本較佳實施例，各感測組21在該底板22上對應X軸的相反兩側以及對應Y軸的相反兩側分別結合兩豎直的承載板221，所述的非接觸式感測元件23是影像擷取器並結合在其中一承載板221內側的底部，在各影像擷取器的頂部設有一遠心鏡頭231，在同一承載板221的頂部內側結合一反射鏡25，該反射鏡25位於該遠心鏡頭231的上方，在另一承載板221的頂部內側結合一光源26，各光源26的高度位置與各反射鏡25的高度位置等高，各反射鏡25可將各光源26發出的光朝向各遠心鏡頭231的方向照射，各光源26與各反射鏡25之間的位置是各非接觸式感測元件23的感測範圍，兩非接觸式感測元件23的感測範圍交集處形成一量測空間24。

該標準圓球組30設有一磁性座31，在該磁性座31設有一可在X-Y平面上調整位置的微調平台311，在該微調平台311連接一支撐桿32，在該支撐桿32的自由端結合一標準圓球33，該磁性座31可依需求磁吸結合在該機械手臂A的自由端，將該標準圓球33伸至感測頭20的量測空間24內，使各個非接觸式感測元件23能準確量測到該標準圓球33的位置。由於該標準圓球33是球體，當非接觸式感測元件23偵測該標準圓球33時，因球體在轉動前、後的輪廓沒有差異，只有位置移動時的輪廓才有距離的變化，因此以非接觸式感測元件23量測該標準圓球33的移動距離時不需要考慮角度偏差的問題，可減少量測的誤差產生。

該訊號處理組40可為電腦或單晶片，如本較佳實施例該訊號處理組40是電腦，該訊號處理組40的內部載有程式並具有輸出入控制介面，能朝該機械手臂A的控制器B以及該三維數控線性平台10發送位置訊號，並接收該機械手臂A、該三維數控線性平台10以及該感測頭20回授，透過程式運算與分析處理後，對該機械手臂A進行位置的補償。

前述本發明的系統的三維數控線性平台10、感測頭20、標準圓球組30以及訊號處理組40是分開的裝置，當該系統用於校正機械手臂A時，是將該感測頭20架設在所述的三維數控線性平台10上，該三維數控線性平台10可選擇性的設置在工作台或固定的平台上，將標準圓球組30以磁性座31磁吸固定在待測的機械手臂A的自由端，使位於該機械手臂A自由端的標準圓球33設於該感測頭20的量測空間24中，使兩非接觸式感測元件23可準確量測到該標準圓球33的位置並回授給該訊號處理組40的程式介面。

如圖3所示，本系統運用於校正機械手臂A時，主要的運作方式是令訊號處理組40與該機械手臂A的控制器B、該三維數控線性平台10以及該感測頭20進行溝通，藉由該訊號處理組40發送命令至機械手臂A、三維數控線性平台10進行軌跡路徑移動，以高精度的三維數控線性平台10當作校正的基準，透過感測頭20的非接觸式感測元件23檢測該標準圓球33的位置變化，檢出機械手臂A誤差值，該訊號處理組40將機械手臂A誤差值轉換成一與該誤差值相對應的補償值，傳送至該待測的機械手臂A的控制器B中，即可對於該待測的機械手臂A進行自動化的誤差補償。

運用本發明的系統可實施一機器人校正方法，請參看4圖所示的步驟流程圖，其詳細的方法步驟如下：

安裝設備：如圖1至圖3所示，將該感測頭20架設在所述的三維數控線性平台10上，該三維數控線性平台10具有位置的回授系統，該三維數控線性平台10設置在工作台或固定平台等任意的基準面上，將標準圓球組30以磁性座31磁吸固定在待測的機械手臂A的自由端，使位於該機械手臂A自由端的標準圓球33設於該感測頭20的量測空間24中的零點，將機械手臂A的控制器B、三維數控線性平台10、感測頭20與一訊號處理組40電連接，使該三維數控線性平台10將位置的資訊回授給該訊號處理組40，也使非接觸式感測元件23可準確量測到該標準圓球33的位置並回授給該訊號處理組40。

同動取得多個移動點的位置座標：利用該訊號處理組40發送多個移動點的訊號至待測機械手臂A的控制器B與三維數控線性平台10，多個移動點串連成該機械手臂A與該三維數控線性平台10的移動軌跡路徑，當該標準圓球33隨著機械手臂A移動，且三維數控線性平台10帶動感測頭20移動後，該感測頭20實際量測該標準圓球33的位置與理想（零點）會有位置誤差。如圖5所示的X-Y平面的移動軌跡，多個移動點的位置編號定義：n=0～∞，多個移動點的三維數控線性平台10的位置座標： 、多個移動點的感測頭20檢測標準圓球33的位置誤差： ，由前兩者的相加可計算出以三維數控線性平台10為參考基準的多個移動點的機械手臂A的位置座標。

以參考基準計算機械手臂誤差值：該訊號處理組40利用多個移動點的三維數控線性平台10的位置座標以及機械手臂A的位置座標，分別計算出三維數控線性平台10移動路徑軌跡斜率： ，以及機械手臂A移動路徑軌跡斜率： ，並藉此計算得出三維數控線性平台10與機械手臂A平行度誤差的角度： ，如圖6所示，以該三維數控線性平台10的位置為校正的參考基準，將該機械手臂A的位置修正為實際位置座標，也就是使該感測頭20檢測出的X、Y、Z軸向與三維數控線性平台10的X、Y、Z軸向平行。由平行度誤差的角度修正得知機械手臂A的實際位置座標如下：

接著該訊號處理組40計算出三維數控線性平台10的位置與該機械手臂A實際位置的誤差，即為機械手臂誤差值，公式如下：

補償機械手臂的誤差：最後該訊號處理組40將上述機械手臂A誤差值轉換成一與該誤差值相對應的補償值，傳送至該待測的機械手臂A的控制器B中，即可對於該待測的機械手臂A進行自動化的誤差補償。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

10‧‧‧三維數控線性平台

11‧‧‧數控線性滑軌

20‧‧‧感測頭

21‧‧‧感測組

22‧‧‧底板

221‧‧‧承載板

23‧‧‧非接觸式感測元件

231‧‧‧遠心鏡頭

24‧‧‧量測空間

25‧‧‧反射鏡

26‧‧‧光源

30‧‧‧標準圓球組

31‧‧‧磁性座

311‧‧‧微調平台

32‧‧‧支撐桿

33‧‧‧標準圓球

40‧‧‧訊號處理組

A‧‧‧機械手臂

B‧‧‧控制器

圖1是本發明較佳實施例的系統立體圖。 圖2是本發明較佳實施例的系統部分放大立體圖。 圖3是本發明較佳實施例的系統操作方塊示意圖。 圖4是本發明較佳實施例的方法步驟流程圖。 圖5是本發明較佳實施例的校正檢測實際量測路徑示意圖。 圖6是本發明較佳實施例的校正檢測修正後量測路徑示意圖。

10‧‧‧三維數控線性平台

11‧‧‧數控線性滑軌

20‧‧‧感測頭

40‧‧‧訊號處理組

A‧‧‧機械手臂

B‧‧‧控制器

Claims (7)

1. 一種機器人校正系統，用於校正一機械手臂並包括：一三維數控線性平台，包括三個上、下相結合的數控線性滑軌，其中位於下方的兩數控線性滑軌是以十字排列的方式上下交疊，另一數控線性滑軌以垂直的形態結合在中間的數控線性滑軌上，該三維數控線性平台具有位置的回授系統；一感測頭，結合在該三維數控線性平台，該感測頭設有兩組感測組，各感測組包括一非接觸式感測元件，在兩非接觸式感測元件的感測範圍交集處形成一量測空間；一標準圓球組，設有一磁性座，該磁性座結合在該機械手臂的自由端，該磁性座連接一支撐桿，在該支撐桿的自由端結合一標準圓球，該標準圓球設置在該量測空間內，使兩非接觸式感測元件能量測到該標準圓球的位置；以及一訊號處理組，分別與該三維數控線性平台、該感測頭以及該機械手臂電連接，該訊號處理組令該三維數控線性平台與機械手臂同動取得多個移動點的位置座標，以該三維數控線性平台為參考基準計算機械手臂誤差值。
2. 如請求項1所述的機器人校正系統，其中所述各非接觸式感測元件是影像擷取器、電子探頭或光電感測器。
3. 如請求項1或2所述的機器人校正系統，其中所述三維數控線性平台包括三個上、下相結合的數控線性滑軌，其中位於下方的兩數控線性滑軌以十字排列的方式上下交疊，另一數控線性滑軌以垂直的形態結合在中間的數控線性滑軌上，所述感測頭在最上側的數控線性滑軌的頂端設有一矩形的底板，所述的兩組感測組分別結合在該底板上四周圍的兩兩相對處。
4. 如請求項3所述的機器人校正系統，其中所述標準圓球是金屬圓球、玻璃圓球、塑膠圓球或礦石圓球。
5. 如請求項3所述的機器人校正系統，其中所述訊號處理組是電腦。
6. 如請求項3所述的機器人校正系統，其中所述訊號處理組是單晶片。
7. 一種機器人校正方法，包括以下步驟：安裝設備：將一感測頭架設在一三維數控線性平台上，該三維數控線性平台包括X、Y、Z三軸，該感測頭包括兩組感測組，各感測組包括一非接觸式感測元件，在兩非接觸式感測元件的感測範圍交集處形成一量測空間，該三維數控線性平台具有位置的回授系統，將一標準圓球組的磁性座磁吸固定在待測的機械手臂的自由端，該標準圓球組透過一支撐桿設有一懸空的標準圓球，該標準圓球設置在該量測空間內而受該感測頭的兩非接觸式感測元件量測，將該機械手臂的控制器、三維數控線性平台以及該感測頭與一訊號處理組電連接；同動取得多個移動點的位置座標：該訊號處理組發送多個移動點的訊號至待測的機械手臂的控制器與三維數控線性平台，多個移動點串連成該機械手臂與該三維數控線性平台的移動軌跡路徑，經由三維數控線性平台以及該感測頭的回授，取得多個移動點的三維數控線性平台的位置座標以及感測頭檢測標準圓球的位置誤差，並由前兩者的相加得到以該三維數控線性平台為參考基準的多個移動點的機械手臂的位置座標；以參考基準計算機械手臂誤差值：該訊號處理組利用多個移動點的三維數控線性平台的位置座標以及該機械手臂的位置座標，分別計算出三維數控線性平台移動軌跡路徑斜率以及機械手臂移動軌跡路徑斜率，並藉此計算得出三維數控線性平台與機械手臂平行度誤差的角度，利用平行度誤差的角度，將該機械手臂的位置座標修正為實際位置座標，計算出三維數控線性平台的位置與該機械手臂實際位置的誤差，即為機械手臂誤差值；以及 補償機械手臂的誤差：該訊號處理組將該機械手臂誤差值轉換成一補償值，傳送至該待測的機械手臂的控制器中完成自動化的誤差補償。