TWI746004B - 機器手臂的原點校正方法 - Google Patents

Abstract

本案提供一種機器手臂的原點校正方法，包含步驟：(a) 依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的複數個參考定位點的三維座標；(b) 在機器手臂的原點產生偏移時，依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的複數個實際定位點的三維座標，並依據實際定位點取得雅可比矩陣；(c) 依據雅可比矩陣和參考定位點及實際定位點的三維座標取得機器手臂的轉動角度的偏差量，並依據偏差量取得補正角度值；以及 (d) 依據補正角度值更新機器手臂的轉動角度，以更新機器手臂的原點。

Description

機器手臂的原點校正方法

本案係關於一種原點校正方法，尤指一種機器手臂的原點校正方法。

如今，機器人在各個產業上的應用愈加廣泛。當機器人運作於工作站的過程中，機器人可能因故導致原點移位 (例如斷電或受外力撞擊)。為此，現有應對方式係將機器人撤出工作站，並將機器人移動至原廠或特定環境下進行校正。於機器人完成校正後，再將機器人移動至工作站繼續運作。

然而，由於需將機器人移動至原廠或特定環境下方能進行校正，並於校正後再將機器人移回工作站，故移動過程將額外耗費時間及成本，亦導致工作效率降低。再者，當校正後的機器人回到工作站時，需重新對機器人進行教點，同樣將導致工作效率降低。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之機器手臂的原點校正方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種機器手臂的原點校正方法，其係於機器手臂的工作環境中設置測量裝置，並利用測量裝置實現對機器手臂的原點校正。因此，於機器手臂的運作過程中，若機器手臂的原點偏移，則可在機器手臂的工作環境中即時對機器手臂進行校正，且在校正完成後無需重新教點。藉此，可節省校正所需的時間及成本，並大幅提升機器手臂的工作效率。

為達上述目的，本案提供一種機器手臂的原點校正方法，其中機器手臂運作於工作空間中，工作空間中設置有三維測量裝置，三維測量裝置係架構於測量機器手臂的位置。原點校正方法包含步驟：(a) 依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的複數個參考定位點的三維座標；(b) 在機器手臂的原點產生偏移時，依據移動命令控制機器手臂進行移動，並利用三維測量裝置取得機器手臂所到達的複數個實際定位點的三維座標，並依據複數個實際定位點取得雅可比矩陣；(c) 依據雅可比矩陣、複數個參考定位點的三維座標及複數個實際定位點的三維座標取得機器手臂的轉動角度的偏差量，並依據偏差量取得補正角度值；以及 (d) 依據補正角度值更新機器手臂的轉動角度，以更新機器手臂的原點。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

第1圖為本案較佳實施例之機器手臂、工作空間及三維測量裝置的立體結構示意圖，第2圖為第1圖之三維測量裝置的立體結構示意圖。如第1圖及第2圖所示，其中係以工作平台2代表機器手臂1運作過程中所在的工作空間，但工作空間的實際態樣並不以此為限。三維測量裝置3設置於工作平台2上並架構於測量機器手臂1的位置。當然，於實際應用中，工作平台2上亦將設置機器手臂1在運作過程中相互動的元件或裝置，此處為便於說明校正過程而僅於圖中示出工作平台2上之三維測量裝置3。機器手臂1可為例如但不限於六軸型機器手臂或SCARA機器手臂。三維測量裝置3包含球形體31、基座32及三個測量模組33。球形體31可拆卸地組接於機器手臂1，且受機器手臂1帶動而同步移動或轉動。三個測量模組33均設置於基座32上，其中每一測量模組33包含測量結構34及位置感測器。三個測量模組33的三個測量結構34分別於X軸、Y軸及Z軸方向上移動，且均與球形體31接觸。位置感測器係架構於在對應之測量結構34被球形體31推動時感測測量結構34的移動距離，其中位置感測器可為例如但不限於由光學尺所構成。

在機器手臂1的運作過程中，可能因種種意外狀況導致機器手臂1的原點產生偏移 (例如但不限於斷電或受外力撞擊)，在此情況下，係執行第3圖所示之原點校正方法來對機器手臂1進行校正。

如第3圖所示，第3圖係為本案較佳實施例之機器手臂的原點校正方法的流程示意圖。首先，依據移動命令控制機器手臂1進行移動，並利用三維測量裝置3取得機器手臂1所到達的複數個參考定位點 (步驟S1)，其中，移動命令可例如但不限於包含控制機器手臂1以不同的操作動作進行複數次移動。接著，在機器手臂1的原點產生偏移時，依據移動命令控制機器手臂1進行移動，並利用三維測量裝置3取得機器手臂1所到達的複數個實際定位點 (步驟S2)，其中實際定位點的數量與參考定位點的數量相同。而後，依據複數個參考定位點及複數個實際定位點計算取得補正資訊 (步驟S3)。最後，依據補正資訊對機器手臂1的原點進行更新 (步驟S4)。藉此，在機器手臂1運作於工作空間的過程中，若機器手臂1的原點偏移，則可在工作空間中即時對機器手臂1進行校正，且在校正完成後無需重新教點。藉此，可節省校正所需的時間及成本，並大幅提升機器手臂1的工作效率。

請再參閱第1至3圖所示，上述三個測量結構34係分別沿對應各個軸向(X軸、Y軸及Z軸)的可移動距離以共同定義測量空間，於原點校正方法之步驟S1及步驟S2中，球形體31受機器手臂1帶動而於測量空間中移動，三個位置感測器的感測結果反映球形體31的三維座標。於一些實施例中，原點校正方法之步驟S1及步驟S2中的參考定位點及實際定位點為三維測量裝置3所測量的球形體31之球心的三維座標。

上述球形體31可拆卸地組接於機器手臂1，因此機器手臂1可僅在有校正需求時組接於球形體31，以執行第3圖所示之原點校正方法。更甚者，機器手臂1可僅在需量測定位點時組接於球形體31，具體而言，機器手臂1可僅於原點校正方法之步驟S1及步驟S2中組接於球形體31。

於一些實施例中，機器手臂1組接於工具4，工具4係受機器手臂1帶動而運作於工作平台2上，其中，當機器手臂1組接於工具4的情況下，機器手臂1亦可同時組接於三維測量裝置3的球形體31。藉此，當機器手臂1進行校正時，無需在校正前拆除工具4，故在校正完成後，無需重新安裝工具4並進行相應調校，從而可節省校正工序及耗費時間，間接提升機器手臂1的工作效率。

以下將示例說明如何依據複數個參考定位點及複數個實際定位點取得補正資訊。

在步驟S1中，係利用三維測量裝置3測量取得參考定位點的三維座標。在步驟S2中，係利用三維測量裝置3取得實際定位點的三維座標，並依據該複數個實際定位點取得雅可比 (Jacobian) 矩陣。由於機器手臂1的原點產生偏移，對應導致機器手臂1的轉動角度產生偏差，因此當機器手臂1受相同的移動命令控制而進行移動時，所到達的實際定位點會與原先的參考定位點不同，其中，參考定位點、實際定位點及機器手臂1的轉動角度的偏差量之間的關係如等式 (1) 所示。

(1) 其中， P代表實際定位點的三維座標，

代表參考定位點的三維座標， i代表機器手臂1依據移動命令所執行的操作動作的次序，

代表雅可比矩陣，

代表機器手臂1的轉動角度 θ的偏差量。根據等式 (1) 變化可取得等式 (2)。

(2) 因此，在步驟S3中，根據參考定位點的三維座標、實際定位點的三維座標及雅可比矩陣，可計算取得機器手臂1的轉動角度的偏差量，並進一步通過該偏差量取得補正資訊的補正角度值。藉此，在步驟S4中，即可依據補正角度值更新機器手臂1的轉動角度，從而更新機器手臂1的原點，使機器手臂1的參考定位點與實際定位點一致，實現對機器手臂1的校正。

綜上所述，本案提供一種機器手臂的原點校正方法，其係於機器手臂的工作環境中設置測量裝置，並利用測量裝置實現對機器手臂的原點校正。因此，於機器手臂的運作過程中，若機器手臂的原點偏移，則可在機器手臂的工作環境中即時對機器手臂進行校正，且在校正完成後無需重新教點。藉此，可節省校正所需的時間及成本，並大幅提升機器手臂的工作效率。另外，在機器手臂組接於工具的情況下，機器手臂亦可同時組接於三維測量裝置的球形體。藉此，當機器手臂進行校正時，無需在校正前拆除工具，故在校正完成後，無需重新安裝工具對進行相應調校，從而可節省校正工序及耗費時間，間接提升機器手臂的工作效率。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1:機器手臂 2:工作平台 3:三維測量裝置 31:球形體 32:基座 33:測量模組 34:測量結構 4:工具 S1、S2、S3、S4:原點校正方法的步驟

第1圖為本案較佳實施例之機器手臂、工作空間及三維測量裝置的立體結構示意圖。

第2圖為第1圖之三維測量裝置的立體結構示意圖。

第3圖係為本案較佳實施例之機器手臂的原點校正方法的流程示意圖。

S1、S2、S3、S4:原點校正方法的步驟

Claims (7)

1. 一種機器手臂的原點校正方法，其中該機器手臂運作於一工作空間中，該工作空間中設置有一三維測量裝置，該三維測量裝置係架構於測量該機器手臂的位置，該原點校正方法包含步驟：(a)依據一移動命令控制該機器手臂進行移動，並利用該三維測量裝置取得該機器手臂所到達的複數個參考定位點的三維座標；(b)在該機器手臂的該原點產生偏移時，依據該移動命令控制該機器手臂進行移動，並利用該三維測量裝置取得該機器手臂所到達的複數個實際定位點的三維座標，並依據該複數個實際定位點取得一雅可比矩陣；(c)依據該雅可比矩陣、該複數個參考定位點的該三維座標及該複數個實際定位點的該三維座標取得該機器手臂的一轉動角度的一偏差量，並依據該偏差量取得一補正角度值；以及(d)依據該補正角度值更新該機器手臂的該轉動角度，以更新該機器手臂的該原點，其中該三維測量裝置包含：一球形體，可拆卸地組接於該機器手臂，且受該機器手臂帶動而同步移動或轉動；一基座；以及三個測量模組，設置於該基座上，其中每一該測量模組包含一測量結構及一位置感測器，該三個測量模組的三個該測量結構分別於X軸、Y軸及Z軸方向上移動，且均與該球形體接觸，該位置感測器係架構於在對應之該測量結構被該球形體推動時，測量該測量結構的移動距離， 其中三個該測量結構分別沿對應各個軸向的可移動距離共同定義一測量空間，於該步驟(a)及該步驟(b)中，該球形體受該機器手臂帶動而於該測量空間中移動，三個該位置感測器的感測結果反映該球形體的該三維座標。
2. 如請求項1所述之原點校正方法，其中該移動命令包含控制該機器手臂以不同的操作動作進行複數次移動。
3. 如請求項1所述之原點校正方法，其中於該步驟(c)中，該複數個參考定位點、該複數個實際定位點及該機器手臂的該轉動角度的該偏差量之間的關係如下：

   

   其中，P代表該實際定位點的該三維座標，

   

   代表該參考定位點的該三維座標，i代表該機器手臂依據該移動命令所執行的操作動作的次序，

   

   代表該雅可比矩陣，△θ代表該機器手臂的該轉動角度的該偏差量。
4. 如請求項1所述之原點校正方法，其中該機器手臂組接於一工具，該工具受該機器手臂帶動而運作於該工作空間中，且該機器手臂在組接於該工具時可拆卸地組接於該三維測量裝置的該球形體。
5. 如請求項1所述之原點校正方法，其中該機器手臂僅於該步驟(a)及該步驟(b)中組接於該三維測量裝置的該球形體。
6. 如請求項1所述之原點校正方法，其中於該步驟(a)及該步驟(b)中，該複數個參考定位點及該複數個實際定位點為該三維測量裝置所測量的該球形體之球心的該三維座標。
7. 如請求項1所述之原點校正方法，其中該機器手臂為六軸型機器手臂或SCARA型機器手臂。

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