TWI646305B - Three-dimensional displacement measurement method for spot image and its application - Google Patents
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Abstract
一種光斑影像三維位移量測方法及其應用，整合二個光源、二個感測器、一訊號處理元件，用以量測兩組光斑的移動行為，判斷出工作物件之相對位移量，藉此，利用此光斑影像三維位移量測方法，可以獲得精確的三維相對位移量，進而應用於機械手臂定位誤差補償裝置。
Description
本發明係關於一種三維位移量測方法，特別是關於一種可應用於機械手臂定位誤差補償裝置之光斑影像三維位移量測方法。
習知一般機械手臂的結構是由一系列連桿通過旋轉關節連接起來的開式運動鏈，開鏈結構使得機械手臂的運動分析和靜力分析複雜，兩相鄰桿件坐標系之間的位姿關係、末端執行器(End-effector)的姿態與各關節變量之間的關係、末端執行器的受力和各關節驅動力矩之間的關係等，都非常複雜需要設法解決。
在不考慮速度與扭力控制的情況下，機械手臂必須先求出正、反向運動學方程式，其目的在於讓機械手臂可以在卡式座標系(Cartesian Coordinate)與軸坐標系(Joint Coordinate)間自由轉換，正向運動學是利用機械手臂各軸所轉動的角度來推算其工作點在三度空間上的位置及末端執行器的方向向量，而反向運動學則反向利用三度空間坐標點及方向來反推各軸轉動參數。
當前商業化的機械手臂皆藉由參數化的運動學
來控制機械手臂，然而在生產製造機械手臂的各個零組件的誤差不是固定的，且在裝配機械手臂時所造成的誤差無法以一般的量測方式得到，而這兩項因素所造成的誤差將造成機械手臂末端執行器(End-Effector)在預測控制的位置與方向，與實際機械手臂被驅動到的位置與方向不一致而有顯著誤差。
一般機械手臂的定義誤差大致可以區分為兩類：幾何誤差與非幾何誤差，機械手臂的正向運動方程式(Forward Kinetics)是機械手臂每一連桿與坐標系間的齊次轉換矩陣(Homogeneous transformation matrix)相乘出來而得到機械手臂各軸參數與機械手臂末端致行器的位置與方向轉換關係，齊次轉換矩陣常用標準DH參數(Denavit-Hartenberg parameter)來表達呈現。
造成幾何誤差的原因包括連桿參數誤差、參考坐標系與實際坐標系之誤差及機械手臂關節軸線之不平行度等誤差：非幾何誤差包含齒輪背隙(Backlash)、關節連桿受力變形(Bending and Torsion)、熱變形與齒輪傳動誤差等因素造成，不論是幾何誤差還是非幾何誤差，都是提高機械手臂定位精度必須面對的問題。
由於機械手臂於工作區域中的不同位置上的誤差是不相同的，無法藉由重複精度校正來簡單補償，必須使用絕對校正方式，利用物理量測方式提供一種絕對校正補償
方法，直接針對機械手臂末端執行器的絕對定位進行補償、校正，達到有效提升機械手臂末端執行器的定位精度。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供光斑影像三維位移量測方法，該步驟包含：(1)發射一第一同調光及一第二同調光；(2)該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；(3)該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；(4)藉由量測該物體之該第一表面的移動方向與移動距離、該物體之該第二表面的移動方向與移動距離，判斷出該物體之三維位移量，藉由該光斑影像三維位移量測方法，以物理量測方式提供一種絕對校正補償方法，直接針對機械手臂末端執行器的絕對定位進行補償、校正，達到有效提升機械手臂末端執行器的定位精度。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種光斑影像三維位移量測方法，該步驟包含：(1)
發射一第一同調光及一第二同調光；(2)該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；(3)該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；(4)藉由量測該物體之該第一表面的移動方向與移動距離、該物體之該第二表面的移動方向與移動距離，判斷出該物體之三維位移量。
本發明所稱同調光，因目前實際上仍無法得到完全同調的光源(單點且單波長之光源)，故該同調光是指具有高同調性(coherence)之光源，故該光源具有較長的同調長度(coherence length)，該光源可使用面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、邊射型雷射(Edge Emission Laser，EEL)、高同調性之氣體雷射、高同調性之固體雷射或可發射窄頻光而具有高同調性的雷射二極體(Laser Diode)。
該第一複數光斑，是指該第一同調光入射一工作物件之一第一表面進而散射產生之光斑，故第一複數光斑
亦可指當該工作物件移動時，該第一同調光入射該工作物件之該第一表面進而散射產生之光斑；同理，該第二複數光斑亦可指當該工作物件移動時，該第二同調光入射該工作物件之該第二表面進而散射產生之光斑。
本發明所提出之利用光斑影像三維位移量測方法，應用於一種機械手臂定位誤差補償裝置，該裝置包含：一第一機械手臂、二個第一光源、二個第一感測器、一第一訊號處理元件，其中，該第一光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第一機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第一感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第一訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，以判斷出該第一機械手臂之三維位移量。
本發明之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，更包含一第一支架模組，該第一支架模組設置於該第一機械手臂周圍，該第一光源及該第一感測器設置於該支架之一端，設置二個第二光源及二個第二感測器於該支架之另一端，其中，該第二光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第一機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第二感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光
斑圖，該第一訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，以判斷出該第一機械手臂另一端之三維位移量。
本發明之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第一支架模組之材料可為不變鋼、超級不變鋼、零膨脹玻璃或其他低熱膨脹係數的材料。
本發明之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第一機械手臂可為長方體、圓柱體或半圓柱體。
本發明所提出之另一方案，提供一種光斑影像三維定位量測方法，該步驟包含：(1)發射一第一同調光及一第二同調光；(2)該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；(3)該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；(4)重複步驟3，產生一光斑圖組，將該光斑圖組與該第一表面及該第二表面之位置對應資訊，製作為一光斑資料庫；(5)重複步驟2，將該第一光斑圖及該
第二光斑圖比對該光斑資料庫，獲得該第一表面及該第二表面之位置對應資訊，定位出該工作物件之三維位置。
本發明所提出之利用光斑影像三維定位量測方法，應用於一種機械手臂定位誤差補償裝置，該裝置包含：一第二機械手臂、二個第三光源、二個第三感測器、一第二訊號處理元件，其中，該第三光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第二機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第三感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第二訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖並移動該第二機械手臂以製作為該光斑資料庫，之後移動該第二機械手臂，該第二訊號處理元件將移動後之該第一光斑圖及該第二光斑圖比對該光斑資料庫，定位出該第二機械手臂之三維位置。
該第一複數光斑，是指該第一同調光入射一工作物件之一第一表面進而散射產生之光斑，故第一複數光斑亦可指當該工作物件移動時，該第一同調光入射該工作物件之該第一表面進而散射產生之光斑；同理，該第二複數光斑亦可指當該工作物件移動時，該第二同調光入射該工作物件之該第二表面進而散射產生之光斑。
本發明所稱一二級機械手臂定位誤差補償裝置
係由一光源及一感測器組成，因此，一機械手臂定位誤差補償置可由二個二級機械手臂定位誤差補償置及一訊號處理元件組成。
本發明所稱移動，是指改變原來的位置或方向，因此，移動可指物體移動或轉動，例如移動機械手臂，轉動機械手臂之轉軸等動作。
本發明之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，更可包含一第二支架模組，該第二支架模組設置於該第二機械手臂周圍，該第三光源及該第三感測器設置於該支架之一端，設置二個第四光源及二個第四感測器於該支架之另一端，其中，該第四光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第二機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第四感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第二訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖並移動該第二機械手臂以製作為該光斑資料庫，之後移動該第二機械手臂，該第二訊號處理元件將移動後之該第一光斑圖及該第二光斑圖比對該光斑資料庫，定位出該第二機械手臂之三維位置。
本發明之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第二支架模組之材料係為不變鋼、超級不變鋼、零膨脹玻璃或其他低熱膨脹係數的材料。
本發明之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第二機械手臂係為長方體、圓柱體或半圓柱體。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
S110、S120、S130、S140‧‧‧步驟
210‧‧‧機械手臂
211‧‧‧第一表面
212‧‧‧第二表面
221‧‧‧第一二級光源
222‧‧‧第二二級光源
231‧‧‧第一二級感測器
232‧‧‧第二二級感測器
311‧‧‧第一表面
312‧‧‧第二表面
321‧‧‧第一複數光斑
322‧‧‧第二複數光斑
331‧‧‧工作物件移動後之第一複數光斑
332‧‧‧工作物件移動後之第二複數光斑
410‧‧‧機械手臂
411‧‧‧第一表面
412‧‧‧第二表面
421‧‧‧第一二級光源
422‧‧‧第二二級光源
431‧‧‧第一二級感測器
432‧‧‧第二二級感測器
441‧‧‧第一複數光斑
442‧‧‧第二複數光斑
510‧‧‧機械手臂
511‧‧‧第一表面
512‧‧‧第二表面
513‧‧‧第一端
514‧‧‧第二端
521‧‧‧第一二級支架
522‧‧‧第二二級支架
530‧‧‧基座
541‧‧‧第一組第一複數光斑
542‧‧‧第一組第二複數光斑
551‧‧‧第二組第一複數光斑
552‧‧‧第二組第二複數光斑
S610、S620、S630、S640、S650‧‧‧步驟
700‧‧‧多軸機械手臂
710‧‧‧第一基座
721‧‧‧第一轉軸
722‧‧‧第二轉軸
723‧‧‧第三轉軸
724‧‧‧第四轉軸
725‧‧‧第五轉軸
726‧‧‧第六轉軸
731‧‧‧第一手臂
732‧‧‧第二手臂
733‧‧‧第三手臂
734‧‧‧第四手臂
735‧‧‧末端執行器
741‧‧‧第一機械手臂定位誤差補償裝置
742‧‧‧第二機械手臂定位誤差補償裝置
743‧‧‧第三機械手臂定位誤差補償裝置
744‧‧‧第四機械手臂定位誤差補償裝置
745‧‧‧第五機械手臂定位誤差補償裝置
746‧‧‧第六機械手臂定位誤差補償裝置
747‧‧‧第七機械手臂定位誤差補償裝置
748‧‧‧第八機械手臂定位誤差補償裝置
749‧‧‧第九機械手臂定位誤差補償裝置
750‧‧‧第十機械手臂定位誤差補償裝置
810‧‧‧基座
821‧‧‧第一轉軸之第一表面
822‧‧‧第一轉軸之第二表面
831‧‧‧第一二級機械手臂定位誤差補償裝置
832‧‧‧第二二級機械手臂定位誤差補償裝置
910‧‧‧第一手臂
921‧‧‧第一手臂之第一表面
922‧‧‧第一手臂之第二表面
931‧‧‧第三二級機械手臂定位誤差補償裝置
932‧‧‧第四二機械手臂定位誤差補償裝置
1021‧‧‧第一手臂之第一表面
1022‧‧‧第一手臂之第二表面
1031‧‧‧第五二級機械手臂定位誤差補償裝置
1032‧‧‧第六二級機械手臂定位誤差補償裝置
1033‧‧‧第七二級機械手臂定位誤差補償裝置
1034‧‧‧第八二級機械手臂定位誤差補償裝置
1040‧‧‧第一支架
第一圖係為本發明光斑影像三維位移量測方法之步驟圖。
第二圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之一實施例示意圖。
第三圖係為本發明光斑影像三維位移量測方法之光斑移動示意圖。
第四圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之另一實施例示意圖。
第五圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之另一實施例示意圖。
第六圖係為本發明光斑影像三維定位量測方法之步驟圖。
第七圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之另一實施例示意圖。
第八圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置
之該實施例第一轉軸局部放大圖。
第九圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之該實施例第二轉軸局部放大圖。
第十圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之該實施例第一手臂局部放大圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
本發明使用一不變形光斑取像裝置，該裝置利用非鏡面反射二維光斑取像裝置，在散射角與反射角相差約10°的位置來量取雷射光斑，並引進光圈限制被照面散射光進入二維感測器的入射視場角，即限制了物平面取像範圍；在適當整合光斑大小、取像透鏡焦距、取像角度及取像物平面範圍等參數，可使光斑移動時，該光斑路徑相對光程差改
變量之值小於λ/5，其中該δ為光斑平均大小、θA為
取像角度，係該取像透鏡之光軸與該物平面法線之夾角、d為該物平面取像範圍、γ為該取像透鏡到該物平面垂直距離、λ為入射光之波長，藉此可以得到在像平面產生之光斑影像幾乎不變形的效果。
不變形光斑是指取像裝置與物平面有相對移動時，像平面上的光斑也跟著移動，但是從出現到移出二維感測器的取像範圍的過程中，光斑形狀及強度幾乎沒有變化，因為該光斑取像裝置所取得的光斑在移動時不會變形，故有利於精密光斑圖形識別與定位，此外，一般不經過拋光處理的物體表面其三維紋理變化都是唯一的，故擷取物體表面的不變形光斑影像也都是唯一的，在取像面積夠大(大於或等於0.5mm×0.5mm取像範圍)時，比對數萬張光斑影像，可以確認每張光斑影像都是唯一的，由於每一物面之光斑影像都是唯一的，將光斑影像比對、定位坐標後，每張光斑影像都可以提供絕對定位座標供系統使用。
請參閱第一圖，係為本發明光斑影像三維位移量測方法之步驟圖，步驟包含：步驟(1)S110：發射一第一同調光及一第二同調光；步驟(2)S120：該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；
步驟(3)S130：該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；步驟(4)S140：藉由量測該工作物件之該第一表面的移動方向與移動距離、該工作物件之該第二表面的移動方向與移動距離，判斷出該物體之三維位移量。
請參閱第二圖，係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之一實施例示意圖，包含一機械手臂(210)、二個光源(221、222)、二個感測器(231、232)，該機械手臂之第一表面(211)與該機械手臂之第二表面(212)相鄰，利用第一二級光源(221)照射該機械手臂之第一表面(211)，再利用第一二級感測器(231)讀取其光斑，同理，利用第二二級光源(222)照射該機械手臂之第二表面(212)，再利用第二二級感測器(232)讀取其光斑，其中，本實施例之機械手臂為長方體，但本發明不以此為限，任何機械手臂之一側具有互相垂直的兩個相鄰面最佳，更廣泛的，任何機械手臂之一側具有互相不平行的兩個相鄰面，皆可適用本發明機械手臂定位誤
差補償裝置。
請參閱第三圖，係為本發明光斑影像三維位移量測方法之光斑移動示意圖，包含一工作物件、一第一光斑圖(321)、一第二光斑圖(322)、一第三光斑圖(331)、一第四光斑圖(332)，其中該工作物件包含一第一表面(311)及一第二表面(312)，該第一表面(311)及該第二表面(312)可為該工作物件之垂直或相鄰的表面，於一初始時間t1，在座標Z=Z0之該第一表面(311)及X=X0之該第二表面(312)各取得複數光斑的影像並記錄之，於該第一表面(311)取得該第一光斑圖(321)，於該第二表面(312)取得該第二光斑圖(322)，於另一時間t2取得於該第一表面(311)取得該第三光斑圖(331)，於該第二表面(312)取得該第四光斑圖(332)，比對第一光斑圖(321)與第三光斑圖(331)中光斑的移動位置，可獲得在△t(t2-t1)內，該工作物件之兩個軸向(△X、△Y)的一第一位移量，該位移量是指該工作物件與觀測者(通常為記錄光斑用之感測器)之相對位移；同理，比對第二光斑圖(322)與第四光斑圖(332)中光斑的移動位置，可獲得在△t(t2-t1)內，該工作物件之兩個軸向(△Y、△Z)的一第二位移量，綜合該第一位移量及該第二位移量，可獲得該工作物件之三維相對位移量(△X、△Y、△Z)。
請參閱第四圖，係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之另一實施例示意圖，包含一機械手臂(410)、二個
光源(421、422)、二個感測器(431、432)，該機械手臂(410)包含一第一表面(411)及一第二表面(412)，該第一表面(411)及該第二表面(412)可為該機械手臂之垂直或相鄰的表面，利用第一二級光源(421)照射該機械手臂之第一表面(411)，再利用第一二級感測器(431)讀取一第一複數光斑(441)，同理，利用第二二級光源(422)照射該機械手臂之第二表面(412)，再利用第二二級感測器(432)讀取一第二複數光斑(442)，本實施例之機械手臂為圓柱體，量測方法可使用圓柱座標系(Cylinder Coordinate)或直角坐標系(Cartesian Coordinate)。
以下以圓柱座標系(高度為z軸，與z軸垂直為r軸，在X-Y軸平面上X軸與r軸夾θ角度)作為定位座標，於一初始時間t1，該第一複數光斑(441)在側邊Z=h、r=R0、θ=θ1處，該第二複數光斑(442)於底面Z=0、r=R1、θ=θ1處，於另一時間t2時間，再取得該第一複數光斑(441)與該第二複數光斑(442)之影像並記錄成光斑圖；比對該第一複數光斑(441)於t1與t2之光斑圖，可獲得在△t(t2-t1)內，該機械手臂之兩個軸向(△θ、△z)的一第二位移量，比對該第二複數光斑(442)於t1與t2之光斑圖，可獲得在△t(t2-t1)內，該機械手臂之兩個軸向(△r、△θ)的一第二位移量，綜合該第一位移量及該第二位移量，可獲得該機械手臂之三維相對位移量(△r、△θ、△z)，並可轉換至直角坐標系之相對位移量(△X、△Y、△Z)。
由於在複數光斑取像面之垂直方向的位移，無法被感測器所記錄，因此垂直於感測器裝置方向之位移分量，無法有效被量得，故一個感測器僅能量測出兩個軸向的位移量。
請參閱第五圖，係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之另一實施例示意圖，因一般機械手臂可能因為負載過大或長期磨耗而產生變形，必須量測出來進行校正補償，本發明提出於一方案，包含一機械手臂(510)、四個光源、四個感測器、一組支架模組、一訊號處理元件，該機械手臂(510)包含一第一表面(511)及一第二表面(512)，該第一表面(511)及該第二表面(512)可為該機械手臂之垂直或相鄰的表面，該支架模組包含第一二級支架(521)及第二二級支架(522)，該支架模組與一基座(530)相連而非與該機械手臂(510)相連，其中，該第一二級支架(521)位於該第一表面(511)同側，該第二二級支架(522)位於該第二表面(512)同側，該支架模組可採用不變鋼(或超級不變鋼、零膨脹玻璃等低熱膨脹之物質)製作，並與機械手臂底部加強固裝，且每一支架上只有架設二個感測器及二個光源並無其他負載，由於負載輕微，可視為無負載裝置，因此可確保長期使用，它與機械手臂底部相對位置之位移量小於系統規格。
該四個光源於該機械手臂上產生四個複數光斑(541、542、551、552)，該機械手臂(510)包含一第一表面
(511)、一第二表面(512)、一第一端(513)、一第二端(514)，該第一表面(511)與該第二表面(512)可為垂直或相鄰表面，其中，一第一組複數光斑(541、542)位於該第一端(513)，一第二組複數光斑(551、552)位於該第二端(514)，其中，一第一組第一複數光斑(541)與一第二組第一複數光斑(551)位於該第一表面(511)，一第一組第二複數光斑(542)與一第二組第二複數光斑(552)位於該第二表面(512)，該第一組複數光斑(541、542)可藉由本發明光斑影像三維位移量測方法，獲得該第一端(513)的三維相對位移量，同理，該第二組複數光斑(551、552)可藉由本發明光斑影像三維位移量測方法，獲得該第二端(514)的三維相對位移量，藉由該機械手臂兩端(513、514)之三維相對位移量，可得知該機械手臂變形程度。
請參閱第六圖，係為本發明另一方案，光斑影像三維定位量測方法之步驟圖，步驟包含：步驟(1)S610：發射一第一同調光及一第二同調光；步驟(2)S620：該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複
數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；步驟(3)S630：該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；步驟(4)S640：重複步驟3，產生一光斑圖組，將該光斑圖組與該第一表面及該第二表面之位置對應資訊，製作為一光斑資料庫；步驟(5)S650：重複步驟2，將該第一光斑圖及該第二光斑圖比對該光斑資料庫，獲得該第一表面及該第二表面之位置對應資訊，定位出該工作物件之三維位置。
該光斑影像三維定位量測方法同樣可適用在第二至五圖之機械手臂定位誤差補償裝置，以下以第三圖為該光斑影像三維定位量測方法之一實施例，於一初始時間t1，在座標Z=Z0之該第一表面(311)及X=X0之該第二表面(312)各取得複數光斑的影像並記錄之，於該第一表面(311)取得該第一光斑圖(321)，於該第二表面(312)取得該第二光
斑圖(322)，於另一時間t2取得於該第一表面(311)取得該第三光斑圖(331)，於該第二表面(312)取得該第四光斑圖(332)，比對第一光斑圖(321)與第三光斑圖(331)中光斑的移動位置，可獲得在△t(t2-t1)內，該工作物件之兩個軸向(△X、△Y)的一第一位移量，重複移動該工作物件並量測該第一位移量，藉由量測該第一位移量，則可以該第一表面(311)二維位置所對應之光斑圖組，建立一第一二級光斑資料庫；同理，以該第二表面(312)二維位置所對應之光斑圖組，建立一第二二級光斑資料庫，將第一二級光斑資料庫和第二二級光斑資料庫整合為一光斑資料庫。
建立完該光斑資料庫之後，欲量測該工作物件之三維即時座標，僅需於第一表面量測第一光斑圖後將該第一光斑圖比對該第一二級光斑資料庫，於第二表面量測第一光斑圖後將該第一光斑圖比對該第二二級光斑資料庫，即可獲得該工作物件之三維即時座標，因此，利用該光斑影像三維定位量測方法，可於建立光斑資料庫後，不需持續量測該工作物件移動，僅量測一次即可定位該工作物件。
請參閱第七至十圖，係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之另一實施例示意圖，一般多軸機械手臂是經由每一轉軸的轉動角度參數來決定末端執行器的定位座標，但無法考量每一傳動軸之間的形變量，這些形變量包含熱膨脹、熱飄移、齒輪背隙、扭力形變、磨耗形變等，本實施例
藉由本發明之機械手臂定位誤差補償裝置量測相鄰二個傳動軸之間的三維定位變化量及各轉軸的絕對轉動角度，用來逐級標定各傳動軸相對於機械手臂底座之絕對定位座標，直至末端執行器之定位座標，由於都是利用傳動軸表面光斑實際運動的絕對定位，因此，可以用來校正原先轉動角度參數之定位誤差，進而獲得超越原先規格之定位精度。
本實施例之機械手臂係為多軸機械手臂(700)，包含基座(710)、第一轉軸(721)、第二轉軸(722)、第三轉軸(723)、第四轉軸(724)、第五轉軸(725)、第六轉軸(726)、第一手臂(731)、第二手臂(732)、第三手臂(733)、第四手臂(734)、末端執行器(735)、第一機械手臂定位誤差補償裝置(741)、第二機械手臂定位誤差補償裝置(742)、第三機械手臂定位誤差補償裝置(743)、第四機械手臂定位誤差補償裝置(744)、第五機械手臂定位誤差補償裝置(745)、第六機械手臂定位誤差補償裝置(746)、第七機械手臂定位誤差補償裝置(747)、第八機械手臂定位誤差補償裝置(748)、第九機械手臂定位誤差補償裝置(749)、第十機械手臂定位誤差補償裝置(750)，其中，該第一轉軸(721)位於該基座(710)，該第一轉軸(721)轉動該第二轉軸(722)，該第二轉軸(722)轉動該第一手臂(731)，該第一手臂(731)帶動該第三轉軸(723)，該第三轉軸(723)轉動該第二手臂(732)，該第二手臂(732)帶動該第四轉軸(724)，該第四轉軸(724)轉動該第三手臂(733)，該
第三手臂(733)帶動該第五轉軸(725)，該第五轉軸(725)轉動該第四手臂(734)，該第四手臂(734)帶動該第六轉軸(726)，該第六轉軸(726)轉動一末端執行器(735)，該第一機械手臂定位誤差補償裝置(741)量測該第一轉軸(721)，該第二機械手臂定位誤差補償裝置(742)量測該第二轉軸(722)，該第三機械手臂定位誤差補償裝置(743)量測該第一手臂(731)，該第四機械手臂定位誤差補償裝置(744)量測該第三轉軸(723)，該第五機械手臂定位誤差補償裝置(745)量測該第二手臂(732)，該第六機械手臂定位誤差補償裝置(746)量測該第四轉軸(724)，該第七機械手臂定位誤差補償裝置(747)量測該第三手臂(733)、該第八機械手臂定位誤差補償裝置(748)量測該第五轉軸(725)、該第九機械手臂定位誤差補償裝置(749)量測該第四機械手臂(734)、該第十機械手臂定位誤差補償裝置(750)量測該第六轉軸(726)，以下藉由該多軸機械手臂之局部放大圖說明運作方式。
第八圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之該實施例第一轉軸局部放大圖，第一機械手臂定位誤差補償裝置可包含第一二級機械手臂定位誤差補償裝置(831)及第二二級機械手臂定位誤差補償裝置(832)，分別位於一第一轉軸之第一表面(821)及一第一轉軸之第二表面(822)，先轉動該第一轉軸一圈以建立包含該第一轉軸之第一表面(821)及第一轉軸之第二表面(822)之一光斑資料庫；在該基座(810)底
面上之轉軸中心點，設為參考座標原點，建立直角座標及柱座標系統，以一小角度為間隔，連續轉動該第一轉軸一圈，每轉一次，在該第一二級機械手臂定位誤差補償裝置(831)及該第二二級機械手臂定位誤差補償裝置(832)兩位置各取一光斑圖並分別記錄之，並使每一相鄰光斑圖有大於1/2面積互相重疊，再利用SIFT、SURF、SAD、SSD、NCC等光斑次像素比對定位之方法，進行相鄰光斑圖相對位移量之量測，連續比對定位所有相鄰光斑圖之相對位移量，並將所有位移量相加，設定為一光斑取像圓周長度，由每一位移量除以該光斑取像圓周長，再乘於360度，則可獲得所有相鄰光斑圖之夾角，假定第一張光斑圖為第0度座標光斑圖，則其餘相鄰光斑圖都可用相鄰夾角，依序標定座標角度，成為座標光斑圖，完成在該第一二級機械手臂定位誤差補償裝置(831)及該第二二級機械手臂定位誤差補償裝置(832)兩位置旋轉一圈所建立含座標之一光斑資料庫。
完成該光斑資料庫後，在其他時間取得之光斑圖稱為即時光斑圖，將即時光斑圖與該光斑資料庫所有座標光斑圖，利用SIFT、SURF、SAD、SSD、NCC等光斑次像素比對定位之方法，進行即時光斑圖絕對定位座標測量，進而定位出該第一轉軸之三維位置，假定該即時光斑圖之絕對定位座標(XA、YA、h)，可由直角坐標轉為柱座標(rA、θA、h)，此量測值與正向運動或反向運動所設定之轉動角度θ設 定、設定距離r設定、設定高度Z設定比較，可獲得該第一轉軸實際轉動與預先設定位置參數之誤差量：△r=rA-r設定、△θ=θA-θ設定、△Z=Z設定-h，此三維誤差量可即時回饋伺服馬達系統，進行即時定位校正補償。第九圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之該實施例第二轉軸局部放大圖，第二機械手臂定位誤差補償裝置可包含一第三二級機械手臂定位誤差補償裝置(931)及一第四二級機械手臂定位誤差補償裝置(932)，分別位於一第一手臂之第一表面(921)及一第一手臂之第二表面(922)，由於該第一手臂最多只能轉動180°，因此無法使用如第八圖之方法(360°自校正方法)來建立光斑資料庫，必須使用其他校正方法來建立光斑資料庫；將一定位圓盤裝置於該第二轉軸(722)中心，該定位圓盤可為一圓盤經本發明光斑影像三維定位量測方法建立一圓盤之光班資料庫，可藉由光斑圖讀出圓盤之精確角度，並在該第一轉軸之第二表面(822)上安裝一二級機械手臂定位誤差補償裝置，用以獲得圓盤之光斑圖，經比對該圓盤之光班資料庫，進而得知該第二轉軸之轉動角度；以一小角度為間隔，連續轉該第一手臂(731)半圈(或涵蓋工作所需範圍)，每轉一次，在該第三二級機械手臂定位誤差補償裝置(931)及該第四二級機械手臂定位誤差補償裝置(932)兩位置各取一光斑圖並分別記錄之，且使每一相鄰光斑影像有大於1/2面積互相重疊，同時由定位圓盤讀取每次轉動角度，令
第一張光斑影像為第0度座標光斑影像，則其餘相鄰光斑影像都可用定位圓盤讀取之轉動角度，依序標定座標角度，成為座標光斑影像，完成在該第三二級機械手臂定位誤差補償裝置(931)及該第四二級機械手臂定位誤差補償裝置(932)兩位置旋轉半圈(或涵蓋工作所需範圍)所建立含座標之一光斑資料庫。
完成該光斑資料庫後，在其他時間取得之光斑圖稱為即時光斑圖，將即時光斑圖與該光斑資料庫所有座標光斑圖，利用SIFT、SURF、SAD、SSD、NCC等光斑次像素比對定位之方法，進行即時光斑圖絕對定位座標測量，進而定位出該第一手臂之三維位置，假定該即時光斑圖之絕對定位座標(XA、YA、h)，可由直角坐標轉為柱座標(rA、θA、h)，此量測值與正向運動或反向運動所設定之轉動角度θ設定、設定距離r設定、設定高度Z設定比較，可獲得該第一手臂實際轉動與預先設定位置參數之誤差量：△r=rA-r設定、△θ=θA-θ設定、△Z=Z設定-h，此三維誤差量可即時回饋伺服馬達系統，進行即時定位校正補償；該第三轉軸、該第四轉軸、該第五轉軸、該第六轉軸亦是相同原理，皆為轉軸帶動手臂轉動。
第十圖係為本發明機械手臂定位誤差補償裝置之該實施例第一手臂局部放大圖，第三機械手臂定位誤差補償裝置可分為一第五二級機械手臂定位誤差補償裝置
(1031)、一第六二級機械手臂定位誤差補償裝置(1032)、一第七二級機械手臂定位誤差補償裝置(1033)、一第八二級機械手臂定位誤差補償裝置(1034)，位於一第一支架(1040)之兩端，其中該第五二級機械手臂定位誤差補償裝置(1031)與該第六二級機械手臂定位誤差補償裝置(1032)可固定於該第一支架之前端並分別量測一第一手臂之第一表面(1021)及一第一手臂之第二表面(1022)，該第七二級機械手臂定位誤差補償裝置(1033)與該第八二級機械手臂定位誤差補償裝置(1034)可固定於該第一支架之尾端並分別量測該第一手臂之第一表面(1021)及該第一手臂之第二表面(1022)，該第一支架(1040)之前端是指靠近該第二轉軸(722)之中心的一端，其中，本實施例該第一支架(1040)係固定於該第一手臂(910)上靠近該第二轉軸(722)之一端，並與第一手臂表面維持一定間距。該第一支架(1040)採用不變鋼、超級不變鋼、零膨脹玻璃或其他低熱膨脹之物質製作，且僅安裝該第三機械手臂定位誤差補償裝置(743)，沒有其他負載，因此該第一支架(1040)的負載很輕(所以可稱為無負載支架)，可確保長期使用時，該第一支架相對位置之位移變化量很小(必然小於系統規格)。
在該第一手臂組裝、校正時，由該第一支架上的四個二級機械手臂定位誤差補償裝置，分別擷取該第一手臂之四個位置的複數光斑並記錄成座標光斑圖，搭配座標製作為一光斑資料庫，當機械手臂運作時，隨時讀取四個位置的複
數光斑，並與資料庫所有座標光斑圖利用SIFT、SURF、SAD、SSD、NCC等光斑次像素比對定位方法進行比對、定位，可精確獲得第一手臂表面之四個位置即時位置與初始位置的絕對座標位移量，假定該第五二級機械手臂定位誤差補償置(1031)量測得一位移量(0、△Y5、△Z5)，該第六二級機械手臂定位誤差補償置(1032)量測得一位移量(△X6、△Y6、0)該第七二級機械手臂定位誤差補償置(1033)量測得一位移量(0、△Y7、△Z7)該第八二級機械手臂定位誤差補償置(1034)量測得一位移量(△X8、△Y8、0)，則將該第五二級機械手臂定位誤差補償置(1031)與第八二級機械手臂定位誤差補償置(1033)之位移量相減(△Y=△Y7-△Y5、△Z=△Z7-△Z5)可獲得一Y-Z平面上(△Y、△Z)變形位移量，該第六二級機械手臂定位誤差補償置(1032)與第七二級機械手臂定位誤差補償置(1034)之位移量相減(△X=△X8-△X6、△Y=△Y8-△Y6)可獲得一X-Y平面上(△X、△Y)變形位移量，綜合二變形位移量，可獲得第一手臂尾端與前端之三維相對位移變化量(△X、△Y、△Z)，即可獲得該第一手臂本體變形量；該第二手臂亦是相同原理，皆須量測手臂形變程度。
本發明不論機械手臂有多少轉軸、多少手臂，都可以從機械手臂基座到末端執行器，將所有傳動元件之三維定位誤差、形變誤差，全部用相關誤差修正參數量測出來，進而提供伺服控制系統，進行即時定位絕對補償校正，
由於利用光斑影像比對，利用目前影像處理技術，定位誤差可以小於感測器0.01像素大小，因此有非常好的定位精度，加上光斑影像的絕對定位特性，不會累積相關誤差，因此可以提供多軸機械手臂非常精確的定位精度。
本發明提出光斑影像三維位移量測方法，以物理量測方式提供一種絕對校正補償方法，直接針對機械手臂末端執行器的絕對定位進行補償、校正，達到有效提升機械手臂末端執行器的定位精度，解決習知技術之問題。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍，任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化，因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
Claims (10)
- 一種光斑影像三維位移量測方法，係包含：(1)發射一第一同調光及一第二同調光；(2)該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；(3)該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；(4)藉由量測該工作物件之該第一表面的移動方向與移動距離、該工作物件之該第二表面的移動方向與移動距離，判斷出該物體之三維位移量。
- 一種機械手臂定位誤差補償裝置，利用如請求項第1項所述之光斑影像三維位移量測方法，該機械手臂定位誤差補償裝置係包含：一第一機械手臂；二個第一光源；二個第一感測器； 一第一訊號處理元件；其中，該第一光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第一機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第一感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第一訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，以判斷出該第一機械手臂之三維位移量。
- 如請求項第2項所述之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，更包含一第一支架模組，該第一支架模組設置於該第一機械手臂周圍，該第一光源及該第一感測器設置於該支架之一端，設置二個第二光源及二個第二感測器於該支架之另一端；其中，該第二光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第一機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第二感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第一訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，以判斷出該第一機械手臂另一端之三維位移量。
- 如請求項第3項所述之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第一支架模組之材料係為不變鋼、超級不變鋼、零膨脹玻璃或其他低熱膨脹係數之材料。
- 如請求項第2項所述之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第一機械手臂係為長方體、圓柱體或半圓柱體。
- 一種光斑影像三維定位量測方法，係包含：(1)發射一第一同調光及一第二同調光；(2)該第一同調光入射一工作物件之一第一表面，進而散射產生一第一複數光斑，記錄該第一複數光斑獲得一第一光斑圖，該第二同調光入射該工作物件之垂直或相鄰該第一表面之一第二表面，進而散射產生一第二複數光斑，記錄該第二複數光斑產生一第二光斑圖；(3)該工作物件移動時，重複步驟2，則該第一複數光斑生成一第三光斑圖，該第二複數光斑生成一第四光斑圖，比對該第一光斑圖與該第三光斑圖，以判斷該第一表面的移動方向與移動距離，比對該第二光斑圖與該第四光斑圖，以判斷該第二表面的移動方向與移動距離；(4)重複步驟3，產生一光斑圖組，將該光斑圖組與該第一表面及該第二表面之位置對應資訊，製作為一光斑資料庫； (5)重複步驟2，將該第一光斑圖及該第二光斑圖比對該光斑資料庫，獲得該第一表面及該第二表面之位置對應資訊，定位出該工作物件之三維位置。
- 一種機械手臂定位誤差補償裝置，利用如請求項第6項所述之光斑影像三維定位量測方法，該機械手臂定位誤差補償裝置係包含：一第二機械手臂；二個第三光源；二個第三感測器；一第二訊號處理元件；其中，該第三光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第二機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第三感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第二訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖並移動該第二機械手臂以製作為該光斑資料庫，之後移動該第二機械手臂，該第二訊號處理元件將移動後之該第一光斑圖及該第二光斑圖比對該光斑資料庫，定位出該第二機械手臂之三維位置。
- 如請求項第7項所述之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，更包含一第二支架模組，該第二支架模組設置於該 第二機械手臂周圍，該第三光源及該第三感測器設置於該支架之一端，設置二個第四光源及二個第四感測器於該支架之另一端；其中，該第四光源發射該第一同調光及該第二同調光，入射該第二機械手臂後產生該第一複數光斑及該第二複數光斑，該第四感測器記錄該第一複數光斑及該第二複數光斑產生該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖，該第二訊號處理元件處理該第一光斑圖、該第二光斑圖、該第三光斑圖、該第四光斑圖並移動該第二機械手臂以製作為該光斑資料庫，之後移動該第二機械手臂，該第二訊號處理元件將移動後之該第一光斑圖及該第二光斑圖比對該光斑資料庫，定位出該第二機械手臂之三維位置。
- 如請求項第8項所述之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第二支架模組之材料係為不變鋼、超級不變鋼、零膨脹玻璃或其他低熱膨脹係數之材料。
- 如請求項第7項所述之機械手臂定位誤差補償裝置，其中，該第二機械手臂係為長方體、圓柱體或半圓柱體。
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| US11554506B2 (en) | 2021-03-31 | 2023-01-17 | National Chung Shan Institute Of Science And Technology | Device and method for measuring repeated positioning precision of robotic arm |
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| TW201928283A (zh) | 2019-07-16 |
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