TWI724977B - 機器手臂的座標系校正設備及校正方法 - Google Patents

Abstract

一種校正設備，包括處理器、對位裝置及機器手臂，對位裝置可擷取三維空間中的影像，機器手臂於法蘭面上設置有工具。處理器記錄在手臂末端座標系與機器人座標系間轉換的第一矩陣，並藉由對位裝置擷取的影像執行工具校正程序以獲得在工具座標系與手臂末端座標系間轉換的第二矩陣。處理器依第一及第二矩陣計算工具中心點在機器人座標系上的相對位置，並控制工具中心點在三維空間中執行三點定位程序以將對位裝置座標系的點位作為工具中心點的點位，並計算對位裝置座標系的點位於機器人座標系上的相對位置。

Description

機器手臂的座標系校正設備及校正方法

本發明涉及一種機器手臂，尤其涉及機器手臂的座標系校正設備以及校正方法。

為了令機器手臂的作業能夠精準地發生在正確位置上，一般在機器手臂剛裝配了工具、工具使用了一段時間、或是更換了新的工具後，都需要對機器手臂以及其上的工具進行校正(尤其是對工具的中心點(Tool Center Point,TCP)的座標進行校正)。

目前市場上常見的校正設備，主要是通過紅外線發射器於封閉區域內發射紅外光，並且控制機器手臂藉由工具的TCP於封閉區域內移動並且遮斷紅外光，以進行TCP的點位教導動作，同時建立工具樣本(pattern)。

在工具的使用時間超過了一段預設週期、或是更換了新的工具後，所述校正設備需要再次經由上述動作來對工具(新工具或使用了一段時間後的舊工具)的TCP進行量測，以得到目前的TCP與之前的TCP相比的偏差值。如此一來，在對機器手臂進行控制時，即可基於所述工具樣本以及偏差值對目前的TCP進行補償，以實現工具的校正。

惟，上述校正設備的校正動作只能夠計算出工具目前的TCP與預先建立的工具樣本間的相對偏差值，而無法獲得工具的絕對尺寸，因而在機器手臂的操控上仍有許多不便。

再者，上述校正設備只能進行工具的TCP的校正動作，但無法被用來建立多台機器手臂之間的轉換關係，於多機器手臂同時作業的環境下無法提供實質有效的幫助。

本發明的主要目的，在於提供一種機器手臂的座標系校正設備及校正方法，可以藉由轉換矩陣的建立以計算對位裝置座標系中的點位在機器人座標系上的相對位置，並藉此進行所需的校正動作。

為了達成上述的目的，本發明機器手臂的座標系校正設備主要包括使用一對位裝置座標系的一對位裝置、使用一機器人座標系的一機器手臂、使用一工具座標系的一工具及電性連接該對位裝置及該機器手臂的一處理器，其中：該對位裝置用以擷取一視野範圍內的影像，其中該視野範圍為一三維空間；該機器手臂的一端設置有一法蘭面，該工具的一端設置於該法蘭面上，另一端具有一工具中心點；該處理器記錄有用以表示該手臂末端座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第一齊次矩陣，並且該處理器控制該工具以不同姿態於該三 維空間中移動以執行一工具校正程序，並基於該工具校正程序所得的數據計算用來表示該工具座標系與該手臂末端座標系間的轉換關係的一第二齊次矩陣；其中，該處理器基於該第一齊次矩陣及該第二齊次矩陣計算用來表示該工具座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第三齊次矩陣，並依據該第三齊次矩陣計算該工具中心點於該機器人座標系上的相對位置；其中，該處理器控制該工具中心點在該三維空間中執行一三點定位程序，以將該對位裝置座標系中的點位作為該工具中心點的點位，再基於該第三齊次矩陣計算用來表示該對位裝置座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第四齊次矩陣，並且依據該第四齊次矩陣計算該對位裝置座標系中的點位於該機器人座標系上的相對位置。

為了達成上述的目的，本發明機器手臂的校正方法主要是應用於一校正設備，該校正設備包括一對位裝置、一機器手臂、設置於該機器手臂一端的一法蘭面上並且具有一工具中心點的一工具、及電性連接該對位裝置及該機器手臂的一處理器，其中該機器手臂使用一機器人座標系、該法蘭面使用一手臂末端座標系、該工具使用一工具座標系、該對位裝置使用一對位裝置座標系，並且該座標系校正方法包括下列步驟：a)控制該對位裝置擷取一視野範圍內的影像，其中該視野範圍為一三維空間；b)由該處理器控制該工具以不同姿態於該三維空間中移動以執行一工具校正程序，其中該處理器記錄有用以表示該手臂末端座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第一齊次矩陣； c)基於該工具校正程序所得的數據計算用來表示該工具座標系與該手臂末端座標系間的轉換關係的一第二齊次矩陣；d)基於該第一齊次矩陣及該第二齊次矩陣計算用來表示該工具座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第三齊次矩陣，並依據該第三齊次矩陣計算該工具中心點於該機器人座標系上的相對位置；e)由該處理器控制該工具中心點在該三維空間中執行一三點定位程序，以將該對位裝置座標系中的點位作為該工具中心點的點位；f)基於該第三齊次矩陣計算用來表示該對位裝置座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第四齊次矩陣；及g)依據該第四齊次矩陣計算該對位裝置座標系中的點位於該機器人座標系上的相對位置。

相較於相關技術的校正設備與校正方法，本發明可以藉由對位裝置來獲得工具的絕對尺寸，進而準確地計算出工具中心點在機器人座標系上的相對位置。如此一來，有利於機器手臂執行高精密度的任務。

另外，本發明還可藉由校正來獲得對位裝置所使用的對位裝置座標系中的點位在機器人座標系上的相對位置，藉此可以通過同一個對位裝置對多台機器手臂執行對位校正，以來建立多台機器手臂間的座標轉換關係。如此一來，可允許多台機器手臂基於同一個座標系進行操作，以更精確地建立多機器手臂同時作業的工作環境。

1:校正設備

10:處理器

11:機器手臂

110:法蘭面

12:工具

121:工具中心點

13、13':對位裝置

131:三維空間

14:光遮斷感測器

141:光束

15:2D視覺擷取器

151:2D影像

16:儲存單元

161:座標轉換矩陣

17:第二機器手臂

18:第二工具

181:第二工具中心點

RF:機器人座標系

RF1:第一機器人座標系

RF2:第二機器人座標系

EF:手臂末端座標系

TF:工具座標系

TF1:第一工具座標系

TF2:第二工具座標系

AF:對位裝置座標系

M1:第一位移量

M2:第二位移量

P1:第一定位點

P2:第二定位點

P2':任意第二定位點

P3:第三定位點

P3':任意第三定位點

Pn:第N定位點

S10^~S24、S30^~S46:座標系校正步驟

S50、S500^~S504、S52、S520^~S524、S60、S600^~S604、S62、S620^~S622:工具校正步驟

S70^~S82:對位步驟

圖1為本發明第一具體實施例的校正設備示意圖。

圖2為本發明第一具體實施例的校正設備方塊圖。

圖3為本發明第一具體實施例的校正設備的座標系示意圖。

圖4為本發明第一具體實施例的座標系校正方法流程圖。

圖5為本發明第二具體實施例的座標系校正方法流程圖。

圖6為本發明第一具體實施例的工具校正方法流程圖。

圖7為本發明第一具體實施例的工具尺寸校正示意圖。

圖8為本發明第一具體實施例的工具方向校正示意圖。

圖9為本發明第二具體實施例的工具校正方法流程圖。

圖10為本發明第一具體實施例的對位方法流程圖。

圖11為本發明第一具體實施例的定位操作示意圖。

圖12A為本發明第一具體實施例的光遮斷操作示意圖一。

圖12B為本發明第一具體實施例的光遮斷操作示意圖二。

圖13為本發明第一具體實施例的多機器手臂的座標系對位示意圖。

圖14為本發明第二具體實施例的校正設備示意圖。

圖15為本發明第二具體實施例的多機器手臂的座標系對位示意圖。

茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。

請參閱圖1及圖2，圖1為本發明第一具體實施例的校正設備示意圖，圖2為本發明第一具體實施例的校正設備方塊圖。

如圖1及圖2所示，本發明揭露了一種校正設備1，用來對機器手臂11所使用的座標系進行校正。具體地，一台機器手臂11上的不同部件可能分別使用不同的座標系來進行定位，並且不同的機器手臂11也可能分別使用不同的座標系。本發明的校正設備主要是對這些相異的座標系進行對位校正，以消除不同座標系間的位置偏差，令使用者可以放心藉由機器手臂11來執行具有高精密度需求的加工任務。

如圖1及圖2所示，本發明的校正設備1主要具有處理器10，以及電性連接處理器10的機器手臂11及對位裝置13，其中，機器手臂11與對位裝置13各自獨立設置。

如圖1所示，機器手臂11的一端設置於一個平台上，另一端具有法蘭面(Flange)110。校正設備1還具有工具(Tool)12，所述工具12的一端設置於機器手臂11的法蘭面110上，另一端具有至少一個工具中心點(Tool Center Point,TCP)121。值得一提的是，處理器10可以電性連接工具12以對工具12進行直接操控，或是通過機器手臂11來對工具12進行間接操控。

本發明中，所述對位裝置13主要用以擷取其視野範圍內的影像，但其形式並不以圖1、圖2中所示者為限。並且，為能對機器手臂11進行校正，本發明的對位裝置13主要可取得三維空間中的影像，並基於影像進行判斷分析，換句話說，對位裝置13整體的視野範圍可為一個三維空間。

於圖1、圖2的第一具體實施例中，本發明的對位裝置13至少包括光遮斷感測器14以及2D視覺擷取器15，並且光遮斷感測器14與2D視覺擷取器15各自獨立設置。

所述2D視覺擷取器15可為各式的影像擷取器，例如照相機或感光裝置等，用以於預設的視野範圍(Field of View,FoV)內擷取2D影像151。當機器手臂11帶動工具12移動，並且令工具中心點121進入預設的視野範圍內時，本發明的校正設備1可以通過2D影像擷取器擷取包含工具中心點121的影像在內的2D影像151，並藉由2D影像151來計算並獲得工具中心點121的二維座標(即，X軸座標及Y軸座標)。

所述光遮斷感測器14用以對外發射光束141。具體地，光遮斷感測器14具有對應設置的投光部及受光部，所述投光部用以發射所述光束141，所述受光部用以接收所述光束141。當受光部無法接收光束141時，處理器10可判斷光束141被遮斷。於一實施例中，2D視覺擷取器15是對應光遮斷感測器14的位置而設置，並且光束141的發射位置落在2D影像擷取器15的所述視野範圍中。本實施例中，所述光束141可為可見光或不可見光。當所述光束141為可見光(例如紅外線)時，因為光束141會落在2D影像擷取器15的視野範圍中，因此所述2D影像151中會包含光束141的影像。

若所述光束141為不可見光，則光束141在2D影像擷取器15的視野範圍中不會成像，不加以限定。

值得一提的是，光遮斷感測器14主要設置於一個水平表面(例如與機器手臂11設置於同一個平台上)，所以光遮斷感測器14所發射的光束141具有一個固定的高度(可為處理器10已知或未知的高度)。當機器手臂11帶動工具12移動，並且令工具中心點121遮斷光束141時，本發明的校正設備1可以通過光遮斷感測器14的遮斷訊號來設定工具中心點121當前的高度(即，Z軸座 標)。更具體地，當工具中心點121遮斷光束141時，工具中心點121的z軸高度相等於光束141的發射高度。

如上所述，藉由對2D影像151的分析可以獲得工具中心點121的X軸座標與Y軸座標，而藉由光遮斷感測器14的訊號可獲得工具中心點121的Z軸座標。也就是說，本發明第一具體實施例可以由光束141與2D影像151共同形成前述的三維空間。更具體地，本發明的校正設備1可藉由令工具中心點121遮斷光束141的動作，獲得工具中心點121在三維空間中的座標資訊，藉此實現校正動作。

請同時參閱圖3，為本發明第一具體實施例的校正設備的座標系示意圖。如圖3所示，本發明中，所述機器手臂11使用機器人座標系RF、所述法蘭面12使用手臂末端座標系EF、所述工具12使用工具座標系TF，而所述對位裝置13使用對位裝置座標系AF。

如前文所述，由於機器手臂11上的各個部件分別基於不同的座標系來進行作動，因此在長時間運作後會產生機械磨損，並造成各個部件之間可能會出現嚴重的位置偏差，進而導致機器手臂11的精準度下降。本發明的其中一個技術特徵，即為建立各個座標系之間的轉換關係，藉由轉換關係取得各個部件(尤其是工具中心點121以及對位裝置13)在機器人座標系RF上的相對位置，以解決相關技術中只能取得相對偏移量而可能造成的校正效果不佳問題。

如圖2所示，本發明的校正設備1還可具有連接處理器10的儲存單元16，所述儲存單元16可內建於處理器10中或獨立於處理器10外，並且可例如為記憶體、硬碟或雲端儲存設備，不加以限定。

儲存單元16內儲存有座標轉換矩陣161，所述座標轉換矩陣161記錄校正設備1中的各個元件間的轉換關係。本發明中，主要是以齊次轉換矩陣(Homogeneous transformation matrix)來記錄上述轉換關係，但並不以此為限。

具體地，所述座標轉換矩陣161至少包括用以表示手臂末端座標系EF與機器人座標系RF間的轉換關係的第一齊次矩陣

、用以表示工具座標系TF與手臂末端座標系EF間的轉換關係的第二齊次矩陣

、用以表示工具座標系TF與機器人座標系RF間的轉換關係的第三齊次矩陣

、用以表示對位裝置座標系AF與機器人座標系RF間的轉換關係的第四齊次矩陣

、以及用以表示對位裝置座標系AF與工具座標系TF間的轉換關係的第五齊次矩陣

等。然而，上述僅為本發明的具體實施範例，所述儲存單元16可以記錄上述矩陣的部分或全部，但不以上述列舉者為限。

值得一提的是，機器手臂11與其上的法蘭面110可視為一體，因此上述第一齊次矩陣可以基於機器人運動學(robot kinematics)關係來直接得知，屬於處理器10本身可得而知的資訊。換句話說，於本發明中，處理器10不需要通過任何的計算程序，即可直接取得上述第一齊次矩陣。或者，本發明的校正設備1亦可在製造時直接將第一齊次矩陣記錄於處理器10中，不加以限定。

於圖1、圖2的實施例中，所述對位裝置13具有用來擷取2D影像151的2D視覺擷取器15以及用來取得高度資訊的光遮斷感測器14，然而，只要能夠獲得機器手臂11在三維空間中的移動資訊，進而對機器手臂11進行校正，則本發明中的對位裝置13並不以上述形態為限。

請參閱圖14，為本發明第二具體實施例的校正設備示意圖。於圖14的實施例中，本發明的校正設備1包括處理器(圖未示)、所述機器手臂11及另一對位裝置13'。本實施例中，所述對位裝置13'為3D機器視覺感測器。

具體地，所述3D機器視覺感測器為能夠直接擷取一個三維空間131中的立體影像的感測器。當機器手臂11控制工具12於三維空間131中進行移動時，對位裝置13'可直接擷取工具12的立體影像，並且對立體影像進行影像分析，藉此處理器可以基於影像分析數據而得到工具12的外型、姿態、位置、傾斜角度等資訊。並且，在與對位裝置13'所採用的對位裝置座標系進行對應後，處理器可直接獲得工具中心點121在三維空間131中的座標位置(X,Y,Z)。

於其他實施例中，本發明的對位裝置還可為其他的形式，例如為2D影像感測器與深度感測器的組合(例如Microsoft公司研發之Kinect)，或為具有結構光的發射與掃描功能的感測器組合等，不加以限定。

參閱圖4，為本發明第一具體實施例的座標系校正方法流程圖。圖4揭露了本發明的校正方法的具體實施步驟，下面將結合圖1、圖3及圖4一同說明本發明的校正設備1如何建立所述座標轉換矩陣161。

在要建立所述座標轉換矩陣161時，校正設備1先經由處理器10控制光遮斷感測器14發射光束141(步驟S10)，並且控制2D視覺擷取器15於視野範圍內擷取2D影像151(步驟S12)。若所述光束141為可見光，則2D影像151中至少包含有所述光束141的影像，並且由光束141與2D影像151共同構成一個三維空間。更詳細地說，處理器10藉由步驟S10及步驟S12來啟動對位裝置13。

於對位裝置13啟動後，處理器10接著控制機器手臂11上的工具12移動，令工具12以不同姿態多次地遮斷光束141，以藉由光遮斷感測器14執行工具校正程序(步驟S14)。於工具校正程序完成後，處理器10即可基於執行工具校正程序所得的數據來計算前述的用以表示工具座標系TF與手臂末端座標系EF間的轉換關係的第二齊次矩陣(步驟S16)。

值得一提的是，於步驟S14中，處理器10主要是通過對位裝置13中的光遮斷感測器14對工具12執行工具尺寸校正程序，以取得工具中心點121相對於法蘭面110的位移量，進而計算工具12的絕對尺寸。並且，處理器10於步驟S14中另通過光遮斷感測器14對工具12執行工具方向校正程序，以取得工具中心點121相對於法蘭面110的旋轉量，進而取得工具12的方向向量(容後詳述)。而於步驟S16中，處理器10可基於所取得的位移量以及旋轉量來建立所述第二齊次矩陣。

齊次轉換矩陣的數學結構以及建立方式為本技術領域中的常用技術手段，於此不再贅述。

步驟S16後，處理器10可進一步基於第一齊次矩陣以及第二齊次矩陣計算出前述的用來表示工具座標系TF與機器人座標系RF間的轉換關係的第三齊次矩陣，並且基於第三齊次矩陣的轉換而計算出工具中心點121於機器人座標系RF上的相對位置(步驟S18)。

於步驟S18後，校正設備1即完成了工具12(以及工具中心點121)的校正動作。並且，由於處理器10於步驟S18後可直接得到工具中心點121在機器人座標系RF上的相對位置，而非工具中心點121相對於先前建立的 工具樣本的偏移量，因此相較於相關技術中所採用的技術手段，本發明的校正設備與校正方法可以得到更好的校正效果。

步驟S18後，處理器10可進一步控制工具12進行移動，以令工具中心點121在由所述2D影像151以及光束141所構成的三維空間中進行移動，並且記錄工具中心點121在所述三維空間中的至少三個定位點的座標資訊，以執行三點定位程序。藉由三點定位程序的執行，處理器10可以將對位裝置座標系AF中的各個點位作為是工具中心點121的點位(步驟S20)。

具體地，要建立前述用來表示對位裝置座標系AF與機器人座標系RF間的轉換關係的第四齊次矩陣，處理器10必須分別建立用來表示工具座標系TF與機器人座標系RF間的轉換關係的第三齊次矩陣以及用以表示對位裝置座標系AF與工具座標系TF間的轉換關係的第五齊次矩陣。具體地，如下列公式所示：

於上述公式中，

為第四齊次矩陣、

為第一齊次矩陣、

為第二齊次矩陣，

為第五齊次矩陣，

為第三齊次矩陣(可經由第一齊次矩陣及第二齊次矩陣來獲得)。

然而，工具座標系TF和對位裝置座標系AF之間並無法取得固定的轉換關係，因此無法直接獲得上述第五齊次矩陣。為解決此問題，本發明的校正設備1藉由執行三點定位程序來將對位裝置座標系AF中的點位做為是工具中心點121的點位，以令處理器10直接基於第三齊次矩陣來計算用來表示對位裝置座標系AF與機器人座標系RF間的轉換關係的第四齊次矩陣(步驟 S22)。藉此，處理器10可進一步依據第四齊次矩陣來計算對位裝置座標系AF中的各個點位於機器人座標系RF上的相對位置(步驟S24)。

於步驟S24後，只要取得對位裝置座標系AF中的任一個點位的座標，處理器10都可經由第四齊次矩陣的轉換而獲得該點位在機器人座標系RF上的相對位置。藉由如此的對應關係，本發明的校正設備1即可通過同一個對位裝置13來對多台的機器手臂進行對位校正(容後詳述)。

續請參閱圖5，為本發明第二具體實施例的座標系校正方法流程圖。圖5揭露了本發明的校正方法的另一具體實施步驟，用以說明本發明的校正設備1如何建立所述座標轉換矩陣161。

在要建立座標轉換矩陣161時，校正設備1首先經由處理器10控制對位裝置13(或對位裝置13'，下面以對位裝置13為例)擷取視野範圍內的影像(步驟S30)。本發明中，所述對位裝置13的視野範圍為一個三維空間(例如由光束141與2D影像151構成的三維空間，或是由3D機器視覺感測器獨自形成的三維空間)。

於對位裝置13啟動後(即，開始擷取影像後)，處理器10控制機器手臂11上的工具12，令工具12以不同姿態於三維空間中移動，以執行一個工具校正程序(步驟S32)。於步驟S32後，處理器10可直接取得已知的第一齊次矩陣(步驟S34)，並基於執行工具校正程序所得的數據計算前述第二齊次矩陣(步驟S36)，並且再基於第一齊次矩陣以及第二齊次矩陣計算出前述第三齊次矩陣(步驟S38)。接著，藉由所計算出的第三齊次矩陣的轉換，處理器10可以計算出工具中心點121於機器人座標系RF上的相對位置(步驟S40)。

具體地，上述齊次轉換矩陣的數學結構以及建立方式為本技術領域中的常用技術手段，於此不再贅述。

步驟S40後，處理器10可接著控制工具12進行移動，以令工具中心點121在所述三維空間中執行三點定位程序，以將對位裝置座標系AF中的各個點位作為是工具中心點121的點位(步驟S42)。

具體地，所述三點定位程序是令處理器10可以將對位裝置座標系AF中的點位視為是工具中心點121的點位，藉此，處理器10可以直接基於第三齊次矩陣以及工具中心點121的位置來計算前述用來表示對位裝置座標系AF與機器人座標系RF間的轉換關係的第四齊次矩陣(步驟S44)。如此一來，處理器10可依據第四齊次矩陣來計算對位裝置座標系AF中的各個點位於機器人座標系RF上的相對位置(步驟S46)。於步驟S46後，只要取得對位裝置座標系AF中的任一個點位的座標，處理器10都可經由第四齊次矩陣的轉換而獲得該點位在機器人座標系RF上的相對位置。

續請參閱圖6、圖7及圖8，其中圖6為本發明第一具體實施例的工具校正方法流程圖，圖7為本發明第一具體實施例的工具尺寸校正示意圖，圖8為本發明第一具體實施例的工具方向校正示意圖。圖6用以對圖5的步驟S34做進一步的說明。

具體地，圖4的步驟S14所執行的工具校正程序主要包括工具尺寸校正程序(步驟S50)以及工具方向校正程序(步驟S52)。通過工具尺寸校正程序，處理器10可獲得機器手臂11上目前配置的工具12的絕對尺寸。通過工具方向校正程序，處理器10可獲得工具12目前的方向向量。

如圖6所示，於執行工具尺寸校正程序時，處理器10主要是先控制機器手臂11帶動工具12移動，以令工具12在不同姿態下讓工具中心點121抵達同一個定位點，並且工具中心點121在這個定位點上恰可遮斷光束141(步驟S500)。例如圖7所示，處理器10控制工具12以第一姿態令工具中心點121抵達第一定位點P1、以第二姿態令工具中心點121抵達第二定位點P2、……、並以第N姿態令工具中心點121抵達第N定位點Pn，其中，上述定位點P1-Pn皆為同一個點位(即，在工具座標系TF上具有相同的座標)，並且工具中心點121在這個點位上恰好可以遮斷光束141(即，處理器10可藉由光遮斷感測器14的訊號獲得工具中心點121的Z軸高度)。

接著，處理器10分別記錄工具12在各個姿態(如上述的第一姿態至第N姿態)下的座標資訊(步驟S502)。藉由這些座標資訊，處理器10可以計算出工具中心點121相對於法蘭面110的位移量，並依據這些位移量獲得工具12整體的絕對尺寸(步驟S504)。

於取得了工具12的絕對尺寸後，處理器即完成了所述工具尺寸校正程序。

於執行工具方向校正程序時，處理器10主要是控制機器手臂11帶動工具12移動，以控制工具12基於不同的高度移動並反覆遮斷光束141(步驟S520)。具體地，步驟S520是不斷改變工具12的高度(相對於機器手臂11本身，是指改變法蘭面110的Z軸高度)後再控制工具12移動，並以工具12上的不同部位多次遮斷光束14。並且，處理器10同時計算要令工具12可以遮斷光束141所需的法蘭面110的橫向位移量(步驟S522)。

本發明中，處理器10可以多次改變工具12的高度、傾斜方向並對工具12進行旋轉，並藉由上述步驟S522以取得多筆的橫向位移量。依據所取得的多筆橫向位移量，處理器10即可進一步計算出工具中心點121相對於法蘭面110的旋轉量，並且依據這些旋轉量獲得工具12的方向向量(步驟S524)。

如圖8所示，若工具12朝一方向傾斜，則當法蘭面110位於第一高度時(工具中心點121位於第一定位點P1)，法蘭面110需由一個起始位置(X1,Y1,Z1)開始橫向移動第一位移量M1，才能令工具12遮斷光束141。當法蘭面110位於第二高度時(工具中心點121位於第二定位點P2)，法蘭面110需由一個相對起始位置(X1,Y1,Z2)開始橫向移動第二位移量M2，才能令工具12遮斷光束141。藉由第一位移量M1與第二位移量M2的比對，處理器10即可運算出工具12的方向向量

。

於取得了工具12的方向向量後，處理器即完成了所述工具方向校正程序。

於步驟S50的工具尺寸校正程序及步驟S52的工具方向校正程序皆完成後，處理器10即可依據校正程序所得的數據(例如前述位移量、絕對尺寸、旋轉量、方向向量等)建立上述用以表示工具座標系TF與手臂末端座標系EF間的轉換關係的第二齊次矩陣。

值得一提的是，若校正設備1採用如圖14所示的對位裝置13'，則校正設備1可通過與上述相近的方法來執行所述工具校正程序中的工具尺寸校正程序以及工具方向校正程序，以取得機器手臂11上的工具12的絕對尺寸以及工具12的方向向量。

參閱圖9，為本發明第二具體實施例的工具校正方法流程圖。於圖9的實施例中，處理器10在執行工具尺寸校正程序(步驟S60)時，主要是先控制機器手臂11移動以令工具12進入對位裝置13'的視野範圍(例如三維空間131)內，並控制對位裝置13'擷取工具12的影像並進行影像分析(步驟S600)。

接著，處理器10基於影像分析數據控制機器手臂11，令工具12在不同姿態下讓工具中心點121抵達三維空間131中的同一個定位點(步驟S602)。關於控制工具12以不同姿態令工具中心點121抵達三維空間131中的同一個定位點的技術手段，係與前述圖7中所述者相近，差異在於對位裝置13'可直接藉由影像分析結果來取得工具12的外型、姿態、工具中心點121的座標資訊等數據，因此不需要遮斷光束141。

接著，處理器10分別記錄工具12在各個姿態下的座標資訊，並且依據這些座標資訊計算工具中心點121相對於法蘭面110的位移量，進而依據這些位移量獲得工具12整體的絕對尺寸(步驟S604)。而於取得了工具12的絕對尺寸後，處理器10即完成了所述工具尺寸校正程序。

於本實施例中，處理器10在執行工具方向校正程序(步驟S62)時，主要是控制工具12基於不同高度與角度於三維空間131中移動(步驟S620)，並且，控制對位裝置13'持續擷取三維空間131中的影像，並對工具12進行影像分析以獲得工具12的位置與傾斜角度，藉此計算工具12的方向向量(步驟S622)。

本實施例中，處理器10可以多次改變工具12的高度、傾斜方向、傾斜角度，並對工具12進行旋轉，同時通過對位裝置13'擷取工具12的影像並且進行影像分析，藉此由影像分析所得的數據直接計算出工具12的方 向向量。相較於圖6所示的實施例，圖9所示的實施例可以更快速地完成本發明的工具方向校正程序。

於取得了工具12的方向向量後，處理器10即完成了所述工具方向校正程序。而於步驟S60的工具尺寸校正程序及步驟S62的工具方向校正程序皆完成後，處理器10即可依據校正程序所得的數據(例如前述位移量、絕對尺寸、方向向量等)建立上述用以表示工具座標系TF與手臂末端座標系EF間的轉換關係的第二齊次矩陣。

續請參閱圖10及圖11，其中圖10為本發明第一具體實施例的對位方法流程圖，圖11為本發明第一具體實施例的定位操作示意圖。圖10用以對圖4的步驟S20做進一步的詳細說明。

於上述步驟S20中，處理器10主要是控制工具12移動，以令工具中心點121先後抵達同一個二維平面上的三個定位點，並且再依據這三個定位點的座標資訊來執行所述三點定位程序。

具體地，如圖10所示，於要執行三點定位程序時，處理器10首先控制工具12移動並令工具中心點121抵達一個二維平面上的第一定位點P1，並於第一定位點P1上遮斷光束141(步驟S70)，並且，處理器10記錄工具中心點121位於第一定位點P1上時的座標資訊(步驟S72)。具體地，所述座標資訊可為工具中心點121在工具座標系TF上的座標資訊、在手臂末端座標系EF上的座標資訊或在機器人座標系RF上的座標資訊，不加以限定。

其中，所述二維平面落在2D影像擷取器15的視野範圍內。

接著，處理器10控制工具12移動並令工具中心點121抵達同一個二維平面上的第二定位點P2，並於第二定位點P2上遮斷光束141(步驟 S74)，並且，處理器10記錄工具中心點121位於第二定位點P2上時的座標資訊(步驟S76。

如圖11所示，上述第一定位點P1與第二定位點P2位於同一個二維平面上，且工具中心點121位於這兩個定位點P1、P2上時恰可遮斷光束141，也就是說第一定位點P1與第二定位點P2具有相同的Z軸高度，並且可於2D影像擷取器15的視野範圍內構成一條與光束141重疊的直線。

步驟S76後，處理器10控制工具12移動並令工具中心點121抵達所述二維平面上的第三定位點P3，並且令第三定位點P3投影在光束141上(步驟S78)。並且，處理器10記錄工具中心點121位於第三定位點P3上時的座標資訊(步驟S80)。

如圖11所示，所述第三定位點P3與第一定位點P1具有不同的Z軸高度，並且與第二定位點P2具有不同的Z軸高度。於一實施例中，第三定位點P3的Z軸高度可高於第一定位點P1及第二定位點P2的Z軸高度(即，光束141不會被工具12遮斷)；於另一實施例中，第三定位點P3的Z軸高度可低於第一定位點P1及第二定位點P2的Z軸高度(即，光束141被工具12遮斷)。並且第三定位點P3可朝上或朝下投影在由第一定位點P1與第二定位點P2構成的二維直線上，而與所述直線構成一個二維平面。所述二維平面落在由2D影像151與光束141構成的三維空間中。

步驟S80後，處理器10即可基於工具中心點121在所述第一定位點P1、第二定位點P2與第三定位點P3上的座標資訊來執行三點定位程序，以藉此將對位裝置座標系AF中的點位作為是工具中心點121本身的點位(步驟 S82)，進而可以依據上述第三齊次矩陣來計算對位裝置座標系AF中的點位在機器人座標系RF上的相對位置。

上述圖10、圖11的實施例是以包含了光遮斷感測器14與2D視覺擷取器15的對位裝置13為例，說明本發明中所採用的三點定位程序。值得一提的是，當校正設備1採用了如圖14所示的對位裝置13'時，仍可採用圖10、11所示的方法來執行三點定位程序。差異在於，當工具12在三維空間131中移動時，對位裝置13'可以直接擷取工具12整體的影像並且進行影像分析，以直接獲得工具中心點121位於所述第一定位點P1、第二定位點P2與第三定位點P3時的座標資訊，而無需令工具中心點121遮斷所述由光遮斷感測器14所發射的光束141。

續請參閱圖12A及圖12B，分別為本發明第一具體實施例的光遮斷操作示意圖一及二。圖12A與圖12B通過分解動作說明在本發明中，處理器10如何控制工具12移動而令工具中心點121遮斷光束141。

如圖12A中的動作(1)及動作(2)所示，處理器10首先可控制工具12從光束141的右側往左移，並且藉由工具12上的任一點從光束141的右側遮斷光束141。此時，處理器10記錄工具12的第一X軸座標及第一Y軸座標。所述X軸座標及Y軸座標可為工具12在工具座標系TF上的座標資訊、在手臂末端座標系EF上的座標資訊或在機器人座標系RF上的座標資訊，不加以限定。

接著如圖12A中的動作(3)及動作(4)所示，處理器10控制工具12從光束141的左側往右移，並且藉由工具12上的任一點從光束141的左側 遮斷光束141。此時，處理器10記錄工具12的第二X軸座標及第二Y軸座標。

接著如圖12B的動作(5)所示，處理器10可以藉由第一X軸座標及第二X軸座標來計算工具12可以遮斷光束141的置中X軸座標(例如計算第一X軸座標及第二X軸座標的平均值)，並且可以藉由第一Y軸座標及第二Y軸座標來計算工具12可以遮斷光束141的置中Y軸座標(例如計算第一Y軸座標及第二Y軸座標的平均值)。藉此，處理器10可以控制工具12移動至一個可以遮斷光束141的置中位置(即，置中X軸座標及置中Y軸座標)。

接著，如圖12B的動作(6)所示，處理器10控制工具12於所述置中位置上朝上方移動至工具中心點121恰可遮斷光束141的臨界位置，這個臨界位置即可被處理器10記錄為工具中心點121可以遮斷光束141的一個較佳點位(例如上述第一定位點P1與第二定位點P2)。

並且，如圖12B的動作(7)所示，處理器10還可控制工具12由臨界位置上朝上方或下方移動，以令工具中心點121投影在光束141上，藉此取得與光束141落在同一個二維平面中的一個投影點位(例如上述第三定位點P3)。

惟，上述說明僅為本發明的其中一種點位記錄方式，但並不以上述者為限。舉例來說，若光束141較細，則處理器10可不必通過上述動作(1)至動作(5)的動作來計算所述置中X軸座標與置中Y軸座標。

如前文中所述，本發明的主要技術方案是建立用來表示對位裝置13採用的對位裝置座標系AF與機器手臂11採用的機器人座標系RF間的轉換關係的第四齊次矩陣。若一個工作環境中具有一個對位裝置13及多台機器 手臂11，且通過處理器10分別建立了各個機器手臂11與對位裝置13的第四齊次矩陣，則處理器10可以通過多個第四齊次矩陣來獲得各個機器手臂分別採用的多個機器人座標系間的轉換關係。

參閱圖13，為本發明第一具體實施例的多機器手臂的座標系對位示意圖。

於圖13的實施例中，校正設備1可具有上述機器手臂11、對位裝置13以及第二機器手臂17。機器手臂11及對位裝置13如同圖1、圖2、圖3以及前文所述，於此不再贅述。第二機器手臂17於一端設置有工具18，工具18的一端具有工具中心點181。所述第二機器手臂17與機器手臂11為相同或不同型態的機器手臂，並且具有與機器手臂11相似的結構，故於此不再贅述。

如圖13所示，機器手臂11使用第一機器人座標系RF1，其上的工具12使用第一工具座標系TF1。對位裝置13具有如前文所述的光遮斷感測器14及2D影像擷取器15，並且使用對位裝置座標系AF。通過如前文所述的校正方法，校正設備1的處理器10可以建立用來表示對位裝置座標系AF與第一機器人座標系RF1間的轉換關係的齊次矩陣

。

第二機器手臂17使用第二機器人座標系RF2，其上的工具18使用第二工具座標系TF2。同樣的，藉由如前文所述的校正方法，校正設備1的處理器10可進一步建立用來表示對位裝置座標系AF與第二機器人座標系RF2間的轉換關係的另一個齊次矩陣

。

要將第二機器人座標系RF2上的點位轉換成第一機器人座標系RF1上的點位，處理器必須先建立用來表示第二機器人座標系RF2與第一機器 人座標系RF1間的轉換關係的齊次矩陣

。經由數學轉換可知，齊次矩陣

會等於

，也就是等於

。藉此，在齊次矩陣

已知，而齊次矩陣

也已知的情況下，處理器即可藉由運算而獲得齊次矩陣

。

通過上述齊次矩陣

，本發明的校正設備1可以輕易地將多台機器手臂11、17的點位座標進行相互對應，進而可基於同一個座標系對多台機器手臂11、17同時進行操作。如此一來，可以有效達到以令機器手臂的動作更為精準，並建立多機器手臂同時作業的工作環境的技術功效。

請參閱圖15，為本發明第二具體實施例的多機器手臂的座標系對位示意圖的。當校正設備1採用如圖14所示的對位裝置13'時，多台機器手臂11、17還可通過前述三點定位程序來建立第一機器人座標系RF1與第二機器人座標系RF2間的轉換關係。

具體地，在執行前述三點定位程序時(如圖5的步驟S42)，處理器10可先控制機器手臂11移動，以令工具12上的工具中心點121於三維空間131中依序抵達第一定位點P1、與第一定位點P1位於同一直線(例如第一直線)上的第二定位點P2、以及位於所述第一直線之外而與第一定位點P1、第二定位點P2形成一個二維平面(例如第一平面)的第三定位點P3，並且處理器10經由對位裝置13'的影像分析結果記錄工具中心點121位於所述第一定位點P1、第二定位點P2及第三定位點P3上時的座標資訊。

接著，處理器10控制第二機器手臂17移動，以令工具18上的工具中心點181先於三維空間131中抵達相同的第一定位點P1，接著，令工具中心點181抵達所述第一直線上的任意第二定位點P2'，最後，再令工具中心點181抵達所述第一平面上的任意第三定位點P3'(其中，第三定位點P3'定位於 第一直線之外，且與所述第三定位點P3同側))。同樣地，處理器10經由對位裝置13'的影像分析結果記錄工具中心點121位於所述第一定位點P1、任意第二定位點P2'及任意第三定位點P3'上時的座標資訊。

如前文所述，處理器10可通過三點定位程序將對位裝置座標系AF中的點位作為工具中心點121、181的點位，藉此，處理器10可以藉由上述程序來建立多台機器手臂11、17之間的點位轉換關係。

以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。

1:校正設備

11:機器手臂

110:法蘭面

12:工具

121:工具中心點

13:對位裝置

14:光遮斷感測器

141:光束

15:2D視覺擷取器

151:2D影像

Claims (15)

1. 一種機器手臂的座標系校正設備，包括：一對位裝置，擷取一視野範圍內的影像，其中該視野範圍為一三維空間，並且該對位裝置使用一對位裝置座標系；一機器手臂，於一端設置有一法蘭面，其中該機器手臂使用一機器人座標系，該法蘭面使用一手臂末端座標系；一工具，一端設置於該法蘭面上，另一端具有一工具中心點，其中該工具使用一工具座標系；一處理器，電性連接該對位裝置及該機器手臂，記錄有用以表示該手臂末端座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第一齊次矩陣，其中該處理器控制該工具以不同姿態於該三維空間中移動以執行一工具校正程序，並基於該工具校正程序所得的數據計算用來表示該工具座標系與該手臂末端座標系間的轉換關係的一第二齊次矩陣；其中，該處理器基於該第一齊次矩陣及該第二齊次矩陣計算用來表示該工具座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第三齊次矩陣，並依據該第三齊次矩陣計算該工具中心點於該機器人座標系上的相對位置；其中，該處理器控制該工具中心點在該三維空間中執行一三點定位程序，以將該對位裝置座標系中的點位作為該工具中心點的點位，並基於該第三齊次矩陣計算用來表示該對位裝置座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第四齊次矩陣，並且依據該第四齊次矩陣計算該對位裝置座標系中的點位於該機器人座標系上的相對位置。
2. 如請求項1所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該對位裝置為一3D機器視覺感測器。
3. 如請求項2所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該工具校正程序包括用以取得該工具中心點相對於該法蘭面的一位移量的一工具尺寸校正程序，以及用以取得該工具中心點相對於該法蘭面的一旋轉量的一工具方向校正程序，並且該處理器基於該位移量及該旋轉量建立該第二齊次矩陣；其中該處理器於執行該工具尺寸校正程序時，控制該對位裝置對該工具進行影像分析，並基於影像分析數據控制該工具以不同姿態令該工具中心點抵達該三維空間中的同一個定位點，同時記錄該工具在各個姿態下的座標資訊，並依據該些座標資訊計算該工具的一絕對尺寸；該處理器於執行該工具方向校正程序時，控制該工具基於不同高度與角度於該三維空間中移動，並由該對位裝置對該工具進行影像分析以獲得該工具的位置與傾斜角度，並藉此計算該工具的一方向向量。
4. 如請求項1所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該對位裝置包括一光遮斷感測器以及一2D視覺擷取器，該光遮斷感測器發射一光束，該2D視覺擷取器於該視野範圍中擷取一2D影像，該光束落在該視野範圍內並與該2D影像共同形成該三維空間，其中，該處理器係控制該工具以不同姿態遮斷該光束以藉由該光遮斷感測器執行該工具校正程序。
5. 如請求項4所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該光遮斷感測器設置於一水平表面，並且該光束具有一固定高度。
6. 如請求項4所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該工具校正程序包括用以取得該工具中心點相對於該法蘭面的一位移量的一工具尺寸校 正程序，以及用以取得該工具中心點相對於該法蘭面的一旋轉量的一工具方向校正程序，並且該處理器基於該位移量及該旋轉量建立該第二齊次矩陣，其中該處理器於執行該工具尺寸校正程序時，控制該工具在不同姿態下讓該工具中心點抵達同一個定位點並遮斷該光束，分別記錄該工具在各個姿態下的座標資訊，並依據該些座標資訊計算該工具的一絕對尺寸；該處理器於執行該工具方向校正程序時，控制該工具基於不同高度移動並遮斷該光束，分別計算要遮斷該光束所需的該法蘭面的一橫向位移量，並依據該多筆橫向位移量計算該工具的一方向向量。
7. 如請求項4所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該處理器於執行該三點定位程序時，是控制該工具移動並令該工具中心點先後抵達該三維空間中的同一二維平面上的三個定位點，並依據該三個定位點的座標資訊執行該三點定位程序。
8. 如請求項7所述的機器手臂的座標系校正設備，其中該處理器執行下列動作以實現該三點定位程序：控制該工具中心點抵達該二維平面上的一第一定位點並遮斷該光束；記錄該工具中心點於該第一定位點上的座標資訊；控制該工具中心點抵達該二維平面上的一第二定位點並遮斷該光束，其中該第二定位點與該第一定位點具有相同的高度；記錄該工具中心點於該第二定位點上的座標資訊；控制該工具中心點抵達該二維平面上的一第三定位點，並且該第三定位點的高度相異於該第一定位點及該第二定位點的高度；記錄該工具中心點於該第三定位點上的座標資訊；及 依據該第一定位點、該第二定位點及該第三定位點的座標資訊執行該三點定位程序。
9. 一種機器手臂的座標系校正方法，應用於一校正設備，該校正設備包括一對位裝置、一機器手臂、設置於該機器手臂一端的一法蘭面上並且具有一工具中心點的一工具、及電性連接該對位裝置及該機器手臂的一處理器，其中該機器手臂使用一機器人座標系、該法蘭面使用一手臂末端座標系、該工具使用一工具座標系、該對位裝置使用一對位裝置座標系，並且該座標系校正方法包括：a)控制該對位裝置擷取一視野範圍內的影像，其中該視野範圍為一三維空間；b)由該處理器控制該工具以不同姿態於該三維空間中移動以執行一工具校正程序，其中該處理器記錄有用以表示該手臂末端座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第一齊次矩陣；c)基於該工具校正程序所得的數據計算用來表示該工具座標系與該手臂末端座標系間的轉換關係的一第二齊次矩陣；d)基於該第一齊次矩陣及該第二齊次矩陣計算用來表示該工具座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第三齊次矩陣，並依據該第三齊次矩陣計算該工具中心點於該機器人座標系上的相對位置；e)由該處理器控制該工具中心點在該三維空間中執行一三點定位程序，以將該對位裝置座標系中的點位作為該工具中心點的點位；f)步驟e後，基於該第三齊次矩陣計算用來表示該對位裝置座標系與該機器人座標系間的轉換關係的一第四齊次矩陣；及 g)依據該第四齊次矩陣計算該對位裝置座標系中的點位於該機器人座標系上的相對位置。
10. 如請求項9所述的機器手臂的座標系校正方法，其中步驟b是對該工具執行一工具尺寸校正程序以取得該工具中心點相對於該法蘭面的一位移量，並對該工具執行一工具方向校正程序以取得該工具中心點相對於該法蘭面的一旋轉量，並且依據該位移量及該旋轉量完成該工具校正程序，其中該步驟c是依據該位移量及該旋轉量建立該第二齊次矩陣。
11. 如請求項10所述的機器手臂的座標系校正方法，其中該對位裝置為一3D機器視覺感測器，並且該步驟b包括下列步驟：b11)控制該對位裝置對該工具進行影像分析；b12)基於影像分析數據控制該工具以不同姿態令該工具中心點抵達該三維空間中的同一個定位點；b13)記錄該工具在各個姿態下的座標資訊，並依據該些座標資訊計算該位移量並獲得該工具的一絕對尺寸；b14)由該處理器控制該工具基於不同高度與角度於該三維空間中移動；及b15)由該對位裝置對該工具進行影像分析以獲得該工具的位置與傾斜角度，並藉此計算該工具的一方向向量。
12. 如請求項10所述的機器手臂的座標系校正方法，其中該對位裝置包括一光遮斷感測器以及一2D視覺擷取器；其中，該步驟a)是控制該光遮斷感測器發射一光束，並控制該2D視覺擷取器於該視野範圍內擷取一2D影像，其中該光束落在該視野範圍內並與該2D影像共同形成該三維空間； 其中，該步驟b)是控制該工具以不同姿態遮斷該光束，以藉由該光遮斷感測器執行該工具校正程序。
13. 如請求項12所述的機器手臂的座標系校正方法，其中該步驟b包括下列步驟：b21)由該處理器控制該工具在不同姿態下讓該工具中心點抵達同一個定位點並遮斷該光束；b22)分別記錄該工具在各個姿態下的座標資訊；b23)依據該些座標資訊計算該位移量並獲得該工具的一絕對尺寸；b24)由該處理器控制該工具基於不同高度移動並遮斷該光束；b25)分別計算要遮斷該光束所需的該法蘭面的一橫向位移量；及b26)依據該多筆橫向位移量計算該旋轉量並獲得該工具的一方向向量。
14. 如請求項12所述的機器手臂的座標系校正方法，其中該步驟e是控制該工具移動並令該工具中心點先後抵達該三維空間中的同一個二維平面上的三個定位點，並依據該三個定位點的座標執行該三點定位程序。
15. 如請求項14所述的機器手臂的座標系校正方法，其中該步驟e包括下列步驟：e1)控制該工具中心點抵達該二維平面上的一第一定位點並遮斷該光束；e2)記錄該工具中心點於該第一定位點上的座標資訊；e3)控制該工具中心點抵達該二維平面上的一第二定位點並遮斷該光束，其中該第二定位點與該第一定位點具有相同的高度；e4)記錄該工具中心點於該第二定位點上的座標資訊； e5)控制該工具中心點抵達該二維平面上的一第三定位點，並且該第三定位點的高度相異於該第一定位點及該第二定位點的高度；e6)記錄該工具中心點於該第三定位點上的座標資訊；及e7)依據該第一定位點、該第二定位點及該第三定位點的座標資訊執行該三點定位程序。

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