TWI753209B - 機器手臂校正工具中心點的方法 - Google Patents

Abstract

一種機器手臂校正工具中心點的方法，利用機器手臂的力感測器，偵測工具重力及工具力矩，並測量機器手臂的工具中心點的碰觸力及碰觸力矩，由碰觸力及碰觸力矩分別減去工具重力及工具力矩，計算淨碰觸力的力臂，確認工具中心點的座標，以自動快速校正工具中心點。

Description

機器手臂校正工具中心點的方法

本發明有關一種機器手臂，尤其關於機器手臂換裝工具，對工具進行校正工具中心點的方法。

機器手臂具有靈活移動、精確定位及連續性作業的特性，成為各種領域的自動執行作業的最佳利器。為了適用不同的作業功能，機器手臂具有可更換不同工具的機構，但各種工具中心點(Tool Center Point，簡稱TCP)有長短差異，因此簡單快速地校正工具中心點，以加速機器手臂進入生產線提高效率，為機器手臂的重要課題。

先前技術機器手臂在末端裝設工具時，雖然會參考工具廠商會提供工具中心點的規格尺寸進行組裝，但難以避免產生工具及組裝的誤差。另有先前技術機器手臂在機器手臂組裝工具後，利用人工控制機器手臂移動工具中心點接觸已知座標的參考點，並藉由目視工具中心點直接接觸參考點，以校正機器手臂的工具中心點。但是人工控制機器手臂移動頗為費時且不易正確接觸參考點，而人工目視工具中心點接觸參考點也容易造成人為誤差。因此另有先前技術中國大陸的CN105716525專利案，利用雷射測距儀等精密量側儀器，直接量測工具中心點的座標，以非接觸式校正工具中心點的座標。

然而，前述先前技術的雷射測距儀費用高，需要較大的裝設空間，而形成使用上的限制。且每一次更換工具，進行校正時，都需要人工操作雷射測距儀，不僅量測工具中心點的座標頗為費時，也容易產生人為的誤差，一旦產生誤差，將導致無法正確校正機器手臂的工具中心點，造成機器手臂及工具間的碰撞，甚至毀損。因此，機器手臂在工具中心點的自動校正上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種機器手臂校正工具中心點的方法，藉由機器手臂的力感測器，測量機器手臂的工具中心點的碰觸力，計算淨碰觸力的力臂，以自動快速校正工具中心點。

為達到前述發明目的，本發明機器手臂校正工具中心點的方法，在機器手臂完成安裝工具，利用機器手臂的力感測器，偵測及記錄工具重力及工具力矩，使工具中心點進行碰觸，碰觸時，記錄活動端的座標，同時記錄碰觸力及碰觸力矩，將記錄的碰觸力扣除工具重力計算淨碰觸力，記錄的碰觸力矩扣除工具力矩計算淨碰觸力矩，利用淨碰觸力矩除以淨碰觸力，計算淨力臂，並將淨力臂為工具中心點在活動端的座標的的距離，由淨力臂及活動端的座標，計算工具中心點的座標，校正工具中心點。

本發明機器手臂校正工具中心點的方法，利用機器手臂移動工具至任一姿勢，由設置在機器手臂的活動端的末端內的力感測器，進行偵測及記錄。再利用手指點選工具的工具中心點，或藉機器手臂帶動工具中心點碰觸工作台等工作環境的物體，由力感測器偵測力的改變，判斷工具中心點受到碰觸，進行校正工具中心點。

10‧‧‧機器手臂

11‧‧‧支臂

12‧‧‧致動軸節

13‧‧‧基座

14‧‧‧活動端

15‧‧‧力感測器

16‧‧‧工具

17‧‧‧工具中心點

18‧‧‧手指

19‧‧‧工作台

圖1 為本發明機器手臂的結構示意圖。

圖2 為本發明機器手臂裝設工具的受力圖。

圖3 為本發明第一實施例使用者碰觸工具中心點的示意圖。

圖4 為本發明第二實施例機器手臂碰觸工具中心點的示意圖。

圖5 為本發明機器手臂校正工具中心點的方法的流程圖。

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1，為本發明機器手臂的結構示意圖。本發明的機器手臂10，由複數支臂11及至致動軸節12組成，機器手臂10的一端為固定的基座13，使機器手臂10以基座13為原點，形成機器手臂座標系統R。機器手臂10藉由致動軸節12轉動支臂11，移動另一端的活動端14，活動端14的末端內設置力感測器15。由於致動軸節12及支臂11的尺寸已知，機器手臂10可利用控制致動軸節12轉動角度，記錄活動端14在機器手臂座標系統R的移動座標P。

由於活動端14的末端設有法蘭，可聯結或更換不同的工具16，而不同的工具16具有不同的規格，雖然廠商會提供工具16的重量及尺寸規格，但安裝的誤差或使用不知規格的工具16，並無法確認工具16的工具中心點(TCP)17的位置。機器手臂10移動工具16時，極容易碰撞周遭的物體，而造成機器手臂10或工具16受傷損毀，因此更換工具16後，在使用前 需先進行校正，以獲得工具中心點17的正確位置。

如圖2所示，為機器手臂10裝設工具16的受力圖。本發明機器手臂10在安裝工具16後，進行校正時，首先移動活動端14至任一姿勢，藉由計算各致動軸節12的轉動狀態，記錄活動端14末端在機器手臂座標系統R的座標P。由於工具16具有質量(M)，受到地心引力在重心G產生工具重力Fm=M*g，其中g為重力加速度，連接工具的力感測器15，偵測到工具重力Fm，由於重心G與活動端14末端具有距離d，使工具重力Fm對活動端14末端產生的工具力矩Tm，並將工具重力Fm以Fmx、Fmy、Fmz分力記錄，工具力矩Tm以Tmx、Tmy、Tmz分力矩記錄。

如圖3所示，為本發明第一實施例使用者碰觸工具中心點17的示意圖。本發明在前述機器手臂10記錄工具重力Fm與工具力矩Tm後，使用者利用手指18點選工具16的工具中心點17時，手指將施加碰觸力Fc至工具中心點17，並傳輸碰觸力Fc至力感測器15，由力感測器15偵測力的改變，判斷工具中心點17受到碰觸時，機器手臂10雖可由致動軸節12轉動角度，獲得活動端14在機器手臂座標系統R的座標P，但工具中心點17的座標仍然不明。

本發明機器手臂10的力感測器15在工具中心點17受到碰觸時，雖同時記錄碰觸力F0及碰觸力F0所引起的碰觸力矩T0，但力感測器15記錄的碰觸力F0為工具重力Fm加上淨碰觸力Fc，碰觸力矩T0為工具力矩Tm加上淨碰觸力矩Tc，因此只要將力感測器15偵測的碰觸力F0與碰觸力矩T0，扣除原紀錄的工具重力Fm與工具力矩Tm，就可獲淨碰觸力Fc的三軸分力Fcx、Fcy、Fcz及淨碰觸力矩Tc的三軸分力矩Tcx、Tcy、Tcz。再利用淨 碰觸力矩Tc等於淨力臂c外積x淨碰觸力Fc，即Tc=c x Fc，獲得淨力臂c，作為工具中心點17在活動端14的座標P的距離，而由已知的座標P確認工具中心點17的座標位置。

如圖4所示，為本發明第二實施例機器手臂10碰觸工具中心點17的示意圖。前述本發明第一實施例雖以使用者碰觸工具中心點17舉例，但同理亦可機器手臂10自行帶動碰觸工具中心點17。因此，本發明在前述機器手臂10記錄工具重力Fm與工具力矩Tm後，維持工具相同的姿勢，使機器手臂10帶動工具16的工具中心點17碰觸例如工作台19等工作環境物體時，工作台19將施加碰觸力Fc’至工具中心點17，並傳輸碰觸力Fc’至力感測器15，由力感測器15偵測力的改變，判斷工具中心點17受到碰觸時，紀錄活動端14在機器手臂座標系統R的座標P，同時記錄碰觸力F0’及碰觸力矩T0’，以計算淨碰觸力Fc’、淨碰觸力矩Tc’及淨力臂c’，再確認工具中心點17的座標位置。

如圖5所示，為本發明機器手臂校正工具中心點的方法的流程圖。本發明校正機器手臂工具中心點的詳細步驟說明如下：步驟S1，本發明進行校正時，首先在機器手臂完成安裝工具；在步驟S2，機器手臂移動工具至任一姿勢，利用機器手臂的力感測器，偵測及記錄工具重力及工具力矩；步驟S3，使工具的工具中心點進行碰觸；接著步驟S4，由力感測器偵測力的改變，判斷工具中心點受到碰觸時，記錄活動端的座標，同時記錄碰觸力及碰觸力矩；步驟S5，由記錄的碰觸力扣除工具重力計算淨碰觸力，記錄的碰觸力矩扣除工具力矩計算淨碰觸力矩；步驟S6，將淨碰觸力矩除以淨碰觸力，計算淨力臂；步驟S7，由淨力臂及活動端的座標，計 算工具中心點的座標，校正工具中心點。

因此，本發明的機器手臂校正工具中心點的方法，就可藉由機器手臂的力感測器，測量機器手臂的工具中心點的碰觸力，自動計算淨碰觸力的力臂，確認工具中心點的座標，達到自動快速校正工具中心點的發明目的。

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。

10‧‧‧機器手臂

12‧‧‧致動軸節

14‧‧‧活動端

15‧‧‧力感測器

16‧‧‧工具

17‧‧‧工具中心點

18‧‧‧手指

Claims (8)

1. 一種機器手臂校正工具中心點的方法，其步驟包含：在機器手臂完成安裝工具；利用機器手臂的力感測器，偵測及記錄工具重力及工具力矩；使工具中心點進行碰觸；碰觸時，記錄活動端的座標，同時記錄碰觸力及碰觸力矩；將記錄的碰觸力扣除工具重力計算淨碰觸力，記錄的碰觸力矩扣除工具力矩計算淨碰觸力矩；將淨碰觸力矩除以淨碰觸力，計算淨力臂；由淨力臂及活動端的座標，計算工具中心點的座標，校正工具中心點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中該機器手臂移動工具至任一姿勢，進行偵測及記錄。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中該力感測器設置在機器手臂的活動端的末端內。
4. 如申請專利範圍第3項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中該淨力臂為工具中心點在活動端的座標的距離。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中該工具中心點利用手指點選進行碰觸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中該機器手臂維持工具相同的姿勢帶動工具中心點碰觸工作環境的物體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中該工作環境的物體為工作台。
8. 如申請專利範圍第1項所述之機器手臂校正工具中心點的方法，其中由力感測器偵測力的改變，判斷工具中心點受到碰觸。

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