TWM599726U - 機械手臂調校系統 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂調校方法，其步驟包含：向機械手臂的末端上輸入工具座標系，並將此工具座標系儲存於控制單元；機械手臂依據物件的輪廓進行對準步驟，其對準步驟包括：利用機械手臂的末端對物件的輪廓進行接觸，從而由物件上得到至少三個教導點位並將此三個教導點位儲存於控制單元；根據這三個教導點位計算得到物件的輪廓的幾何中心；以及移動工具座標系的Z軸以對準物件的輪廓的幾何中心。

Description

機械手臂調校系統

本創作涉及機械手臂技術領域，特別是一種機械手臂調校方法及調效系統。

機械手臂在進行特定工作時，其一末端面常需要平行於工作平面，才能使設於末端面的末端效應器順利進行工作。例如，末端效應器可能是夾爪，用以夾取軸桿並將此軸桿插置於孔板的工作平面上的插置孔，機械手臂必需使軸桿在插入該插置孔時垂直於工作平面，因此機械手臂的末端面必需平行於工作平面。

另外，目前為了提升機床取放對正、對準效率的方法多半是在機械手臂上加裝感測器，透過感測器讓工具可以到達取放目的地，但此方法仍對操作者有諸多不便，例如：加裝感測器需要耗費一定成本、加裝感測器需要一定的技術，且需要再與控制器連線並且設定相關參數、加裝感測器例如利用視覺，事前需要做好影像辨識學習、設定作業，環境周圍架設足夠光源以利影像辨識，在擷取到影像之後再計算目標點與現在位置的向量，移動機械手臂使兩點(目標點與現在位置點)之間的向量長度為零以達到對準。但如此複雜的操作程序只能完成對準的單一功能，若要進行取放作業，則仍然需要先進行對正校正、缺乏完整一套包含對正及對準的快速教導方法。

為了改善上述問題，本創作的主要目的在於提供一種機械手臂調校方法及其調校系統，藉由快速教導點位以達到對正及對準取放處中心的功能，以克服因組裝或是機械上的誤差，並改善機械手臂夾持工件必需調整姿態才能於取放處順利取放料的問題。

本創作的另一目的在於提供一種操作簡易快速的機械手臂調校方法及其調校系統，在機械手臂的末端可選擇性的加裝感測器，能夠節省教導時間與設備成本。

本創作的再一目的是在於提供一種機械手臂調校方法及其調校系統，在機械手臂的末端可以視需求選配輔具或是感測器來達到調校的精準度。

本創作的更一目的是在於提供一種機械手臂調校方法及其調校方法，在無感測器的狀態下可以直接夾取工件或輔具進行快速對準教導，可利用內外側教點方式求出幾何中心目標，且教點快速方便，只需將待加工工件調整至與輪廓內側或外側碰觸，操作簡易且省時，亦可以避免因對不準輪廓線而導致所求出的點並非幾何中心。

根據上述目的，本創作提供一種機械手臂調校方法，其步驟包含：向機械手臂的末端上輸入工具座標系，並將此工具座標系儲存於控制單元；對機械手臂的末端進行對準步驟，其對準步驟包括：利用機械手臂的末端對物件的輪廓進行接觸，從而由物件上得到至少三個教導點位並將此三個教導點位儲存於控制單元；根據這三個教導點位計算得到物件的輪廓的幾何中心；以及移動工具座標系的Z軸以對準物件的輪廓的幾何中心。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂調校方法更包含在執行對準步驟之前執行對正步驟，其中對正步驟包含：在欲進行對正步驟的物件的平面上任意找出三點的三個座標值以計算出用戶座標系的法向量；以及將工具座標系的法向量對正於用戶座標系的法向量，其中工具座標系的法向量與用戶座標系的法向量方向相反且在空間中彼此平行。

在本創作的較佳實施例中，物件的平面上任意找出三點的三個座標值是保持以末端上的同一點與物件的平面的三點接觸所得到的座標值。

在本創作的較佳實施例中，對準於物件的輪廓的幾何中心是利用三點定圓心、四點定矩形幾何中心或是多點定出多邊形幾何中心所得到。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂的末端為端效器。

在本創作的較佳實施例中，端效器為夾爪或是感測器。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂調校方法更包含轉正步驟，其轉正步驟包含：由控制單元中讀取工具座標系；在物件的輪廓的同一邊上選擇對準步驟中的至少三個教導點位中的其中兩點形成輪廓的X方向向量；計算工具座標系的X方向向量與輪廓的X方向向量之間的角度差值，並將此角度差值作為機械手臂的旋轉角度；以及具有此工具座標系的機械手臂的末端依據旋轉角度進行旋轉使得工具座標系的X方向向量平行於輪廓的X方向向量。

在本創作的較佳實施例中，夾爪可夾持待加工工件或是具有尖點的輔具。

在本創作的較佳實施例中，三個教導點位是利用機械手臂的末端對物件的輪廓的內側或是外側進行接觸所得到。

在本創作的較佳實施例中，物件的平面可以位於料盤、機床主軸卡盤、換刀刀庫換刀處或是待加工工件。

根據上述的機械手臂調校方法，本創作還提供一種機械手臂調校系統，其包括：具有末端的機械手臂，其包含與機械手臂連接的控制單元，用以控制機械手臂進行加工製程，其中控制單元包括：輸入單元、運算單元、對正單元以及對準單元，輸入單元用以輸入在機械手臂末端的工具座標系，並將此工具座標系儲存於控制單元；運算單元，依據欲進行對正步驟的物件的平面上任意三點的三個座標值以計算出用戶座標系的法向量；對正單元，將工具座標系的法向量對正於用戶座標系的法向量，其中工具座標系的法向量與用戶座標系的法向量方向相反且在空間中彼此平行；以及對準單元，機械手臂依據物件的輪廓進行對準步驟，利用機械手臂，對物件的輪廓進行接觸，從而由物件上得到至少三個教導點位，根據這三個教導點位計算以得到物件的輪廓的幾何中心並移動此工具座標系的Z軸以對準物件的輪廓的幾何中心。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂可以是關節型機械手臂、水平式多關節機械手臂、椼架型機械手臂或是並聯式機械手臂。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂的末端為端效器。

在本創作的較佳實施例中，端效器為夾爪或是感測器。

在本創作的較佳實施例中，夾爪可夾持待加工工件或是具有尖點的輔具。

在本創作的較佳實施例中，感測器可以是接觸式力感測器或是電性感測器。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂調校系統更包含旋轉單元，此旋轉單元用以執行轉正步驟，由控制單元讀取工具座標系，在物件的輪廓的同一邊上選擇對準步驟中的至少三個教導點位中的其中兩點形成輪廓的X方向向量，計算工具座標系的X方向向量與輪廓的X方向向量的角度差值，將此角度差值作為機械手臂的旋轉角度，此機械手臂的末端依據旋轉角度進行旋轉使得工具座標系的X方向向量平行於輪廓的X方向向量。

在本創作的較佳實施例中，三個教導點位是利用機械手臂的末端對物件的輪廓的內側或是外側進行接觸所得到。

在本創作的較佳實施例中，物件的平面位於機床主軸卡盤、料盤、換刀刀庫換刀處或是待加工工件。

在本創作的較佳實施例中，機械手臂調校系統可應用於加工工件、取放工件或取放刀具。

首先請參考圖1。圖1是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂調校系統的方塊圖。在圖1中，機械手臂調校系統1包括控制單元2及機械手臂4，控制單元2與機械手臂4連接，控制單元2用以控制機械手臂4執行加工製程，在此要說明的是，加工製程指的是利用控制單元2控制機械手臂4移動或是控制機械手臂4執行指令動作。此外，機械手臂4具有末端42，此末端42可以是端效器，具體來說，端效器可以是夾爪或是感測器，於一較佳實施例中，夾爪可以夾持待加工工件或是具有尖點的輔具。於另一較佳實施例中，感測器可以是接觸式力感測器或是電性感測器。而機械手臂4可以是關節型機械手臂、水平式多關節機械手臂、椼架型機械手臂、或並聯式機械手臂。

控制單元2包括輸入單元22、運算單元24、對正單元26、對準單元28，其中輸入單元22用以輸入在機械手臂4的末端42的工具座標系，並且將此工具座標系儲存在控制單元2中的儲存單元32。運算單元24，依據欲進行對正步驟的物件(未在圖中表示)的平面上任意三點的三個座標值以計算出用戶座標系的法向量，在此要說明的是，物件(未在圖中表示)的平面可以位於機床主軸卡盤、料盤、換刀刀庫換刀處或待加工工件。對正單元26，將機械手臂4的末端42的工具座標系的法向量對正於用戶座標系的法向量，使得工具座標系的法向量與用戶座標系的法向量的方向相反，但是在同一個空間中是彼此平行。對準單元28，機械手臂依據物件(未在圖中表示)的輪廓執行對準步驟，利用機械手臂4的末端42對物件(未在圖中表示)的輪廓進行接觸，從而由物件(未在圖中表示)上得到至少三個教導點位，對準單元28再根據這些教導點位計算來得到物件(未在圖中表示)的輪廓的幾何中心，並移動工具座標系的Z軸以對準物件的輪廓的幾何中心。

於本創作的另一實施例中，控制單元2還包括旋轉單元30，用以執行轉正步驟，由控制單元20讀取工具座標系，在物件的輪廓的同一邊上選擇先前利用對準單元28所執行的對準步驟中的至少三個教導點位中的其中兩點來形成輪廓的X方向向量，計算工具座標系的X方向向量與輪廓的X方向向量的角度差值，將此角度差值作為機械手臂4的旋轉角度，機械手臂4的末端42依據旋轉角度進行旋轉使得工具座標系的X方向向量平行於輪廓的X方向向量。

接著請參考圖2。圖2是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂調校方法的步驟流程圖。在圖2中，步驟S10：向機械手臂的末端上輸入工具座標系，並將此工具座標系儲存於控制單元。於此步驟中，機械手臂4夾持待加工工件(未在圖中表示)或是具有尖點的輔具(未在圖中表示)，利用多種不同姿態對某定點相碰，以得到多組解，計算後建立此末端的工具座標系。若末端42為待加工工件或是具有尖點的輔具，則其工具座標系為待加工工件或是具有尖點的輔具的工具座標系，也就是說以機械手臂4的最末端是什麼元件，則工具座標系為該元件的工具座標系。

步驟S12：對機械手臂的末端進行對正步驟，其包括步驟S122：在欲進行對正步驟的物件的平面上任意找出三點的三個座標值以計算出用戶座標系的法向量。在此步驟中，以機械手臂4的末端42(無論是否有夾持物件)在欲對正的物件(未在圖中表示)上的平面教任意不共線三點，以找到的三點來建立用戶座標系，其中教任意不共線三點須保持以末端42上的同一點與物件(未在圖中表示)的平面的任意三點接觸，以確保用戶座標系建立的準確。而這三點的三個座標值可以儲存在控制單元2中的儲存單元32的用戶座標系管理檔案內，在非新的取放情境時，不需要每次都重新建立。在本創作的實施例中，欲對正的對象(或稱物件)可以是機床的主軸或料盤等取放處。接著步驟S124：將工具座標系的法向量對正於用戶座標系的法向量，其中工具座標系的法向量與用戶座標系的法向量的方向相反且在空間中彼此平行。在此步驟中，調整機械手臂4姿態，使得工具座標系的法向量與用戶座標系的法向量對正，而對正姿態則是將工具座標系的法向量與用戶座標的法向量的方向相反、且在空間中平行。要說明的是，如果工具座標系與用戶座標系的初始狀態就是對正的狀態，就可以省略上述對正步驟(步驟S12及步驟S122－步驟S124)，而直接進行機械手臂4的對準步驟S14。

步驟S14：對機械手臂的末端進行對準步驟，其包括步驟S142：利用機械手臂的末端對物件的輪廓進行接觸，從而由物件上得到至少三個教導點位並將這些教導點位儲存於控制單元。在此步驟中，以對準姿態的機械手臂4繼續在物件的輪廓上教導點位，如圖3A及圖3B所示，若夾持的工件6為圓柱棒材，則將棒材6在物件5(料盤孔)、7(主軸卡盤)的輪廓的外側或是內側接觸找教導點位，計算後得到輪廓的幾何中心位置，如圖3C所示。在圖3C中，點O ₁、O ₂及O ₃表示棒材6接觸在物件5(料盤孔，圖3A)7(主軸卡盤，圖3B)的輪廓的外側的至少三個外側教導點位；同樣的，點I ₁、I ₂及I ₃表示棒材6接觸物件5(料盤孔)、7(主軸卡盤)的輪廓的內側的至少三個內側教導點位。

接下來步驟S144：根據至少三個教導點位計算物件的輪廓的幾何中心。在此步驟中可以利用步驟S162所得到三個教導點位(點O ₁、O ₂及O ₃或點I ₁、I ₂及I ₃)以三點定圓心計算得到。

在此要說明的是，若物件為矩形或是多邊形，則求得矩形或是多邊形幾何中心的方法可參考圖4A及圖4B並說明如下。機械手臂4夾持輔具(即如同前述的棒材6)，在幾何圖形輪廓的每條邊線上或是內側、外側各以兩個教導點位構成一線，即如圖4A中的點M1與點M1’、 點M2與點M2’、點M3與點M3’以及點M4與點M4’，上述這些教導點位資料可儲存於儲存單元32中，自動推算出相似於真實輪廓的虛擬輪廓，如圖4A中的M1-M1’線段、M2-M2’線段、M3-M3’線段及M4-M4’線段。要說明的是，由於機械手臂不會知道棒材哪處與物件輪廓接觸，只能知道棒材的中心點通過工具座標系的Z軸，因此機械手臂只能知道棒材中心點位，因此上述的點M1與點M1’、 點M2與點M2’、點M3與點M3’以及點M4與點M4’為棒材的幾何中心座標，因此依據這些點位連接起來組成一個相似於物件輪廓的圖形，而此相似圖形的幾何中心恰與輪廓中心相同位置。又在圖4A中，物件輪廓為四邊形，於一邊教導兩個點位，因此共有四組教導點位(點M1與點M1’、點M2與點M2’、點M3與點M3’以及點M4與點M4’)，故一共有8個點位才可以計算出四邊形的幾何中心；或是如圖4B中，以選擇幾何圖形中的四個點P1、P2、P3、P4的頂點教導方式，直接將這四個點的頂點位置儲存於儲存單元32中，而上述這兩種方式都可以適用於任何多邊形來得到多邊形的幾何中心。因此，計算物件的輪廓的幾何中心還可以包括四點定矩形幾何中心或是多點定出多邊形幾何中心。可利用對物件的輪廓的內側或外側進行教點來得到此物件的幾何中心，可以避免因對不準輪廓線而求出的點並非幾何中心的缺陷。

接著進行步驟S146：移動工具座標系的Z軸以對準物件的輪廓的幾何中心。由於在步驟S144已經得到了物件的輪廓的幾何中心，則可以移動機械手臂4的末端42的工具座標系的Z軸來對準物件的輪廓的幾何中心，此時可操作機械手臂4來對物件進行加工製程。

由於夾持多邊形待加工工件取放時，例如矩形，若已經完成對準輪廓的幾何中心，仍無法保證待加工工件與取放處之間沒有旋轉角度的差異，因此在本創作的另一實施例中，還需要找出工具座標系的X方向向量與取放處(即輪廓)的X方向向量之間的角度差值做為旋轉角度來進行轉正步驟。另外要說明的是，在圖5中的步驟S10－步驟S12及步驟S14與圖2是相同的。並且在說明圖5時也一併參考圖6。此外，多邊形對準技術中的教導點位可用於轉正步驟，因此在進行對準步驟之後才會再進行轉正步驟。其中轉正步驟S16包含步驟S162：由控制單元讀取工具座標系。於此步驟中，由於在前述的對準步驟，機械手臂4夾持輔具已經由物件的輪廓得到至少三個教導點位，且將這些教導點位儲存於控制單元2的儲存單元32中，因此在進行轉正步驟時，不需要再重新找出教導點位，可以由儲存單元32中讀取至少三個教導點位。步驟S164：在物件的輪廓的同一邊上選擇對準步驟中的至少三個教導點位中的其中兩點來形成輪廓的X方向向量。在此步驟中，由至少三個教導點位中選擇的其中兩點，由此兩點所構成的向量來代表物件5(如圖3A的料盤孔)、7(如圖3B的主軸卡盤)的輪廓的X方向向量，要說明的是，在此實施例中，料盤孔5及主軸卡盤7不限於如圖3A及圖3B所表示的態樣。接著步驟S166：計算工具座標系的X方向向量與輪廓的X方向向量之間的角度差值，將此角度差值作為機械手臂的旋轉角度。在此步驟中，運算單元24計算在步驟S164中選定的兩點所構成的向量來代表物件的輪廓的X方向向量與工具座標系的X方向向量之間的角度差值，則此角度差值作為機械手臂4的旋轉角度θ。

步驟S168：具有工具座標系的機械手臂的末端依據旋轉角度進行旋轉使得工具座標系的X方向向量平行於輪廓的X方向向量。在此步驟中，在進行取放時，機械手臂4的末端42的工具座標的X方向向量會根據此旋轉角度θ旋轉，即如圖6中的箭頭表示方向，先使工具座標系之Z軸對準幾何中心，再讓工具座標系的X方向向量與物件的輪廓的X方向向量平行且同向以順利完成取放。若取放是相同的待加工工件6時，可以自動的讀取此旋轉角度來使用，不需要每一次都重新教導。

根據以上實施例所述，本創作所揭露的機械手臂調校方法及其調校方法可以應用於加工工件、取放工件或取放刀具，且在無輔具或是無感測器的狀態下可以直接夾持待加工工件進行快速對準教導，在利用內外側教點方式可以達到求出幾何中心目標，且教點快速方便，只需將待加工工件調整至與輪廓內側或外側碰觸，操作簡易且省時，亦可以避免因對不準輪廓線而導致所求出的點並非幾何中心。

1:機械手臂調校系統 2:控制單元 22:輸入單元 24:運算單元 26:對正單元 28:對準單元 30:旋轉單元 32:儲存單元 4:機械手臂 42:末端 5:料盤孔 6:待加工工件、棒材 7:主軸卡盤 步驟S10－步驟S16:機械手臂調校方法步驟流程 步驟S122－步驟S124:對正步驟流程 步驟S142－步驟S146:對準步驟流程 步驟S162－步驟S168:轉正步驟流程

圖1是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂調校系統的方塊圖。 圖2是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂調校方法的步驟流程圖。 圖3A是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂的末端在料盤孔的內側接觸教點的示意圖。 圖3B是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂的末端在主軸卡盤的外側接觸教點的示意圖。 圖3C是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂的末端在物件的輪廓的內側或是外側接觸教點以得到幾何中心的示意圖。 圖4A是根據本創作所揭露的技術，表示在幾何圖形的輪廓的各邊線的內側教導兩點的示意圖。 圖4B是根據本創作所揭露的技術，表示在幾何圖形的輪廓的內側教導頂點的示意圖。 圖5是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂調校方法的另一實施例的步驟流程圖。 圖6是根據本創作所揭露的技術，表示機械手臂的末端依據旋轉角度進行旋轉的示意圖。

步驟S10:向機械手臂的末端上輸入工具座標系，並將此工具座標系儲存於控制單元

步驟S12:對機械手臂的末端進行對正步驟

步驟S14:對機械手臂的末端進行對準步驟

步驟S122-步驟S124:對正步驟流程

步驟S142-步驟S146:對準步驟流程

Claims (10)

1. 一種機械手臂調校系統，包括： 具有一末端的一機械手臂，包含與該機械手臂連接的一控制單元，用以控制該機械手臂執行一加工製程，該控制單元包括: 一輸入單元，用以輸入在該機械手臂的該末端的一工具座標系，並儲存該工具座標系於該控制單元的一儲存單元； 一運算單元，依據欲進行一對正步驟的一物件的一平面上任意三點的三個座標值以計算出一用戶座標系的一法向量； 一對正單元，將該工具座標系的該法向量對正於該用戶座標系的該法向量，其中該工具座標系的該法向量與該用戶座標系的該法向量方向相反且在一空間中彼此平行；以及 一對準單元，用以對該物件執行一對準步驟，利用該機械手臂的該末端對該物件的一輪廓進行接觸，從而由該物件上得到至少三個教導點位，根據該些教導點位計算以得到該物件的該輪廓的一幾何中心並移動該工具座標系的一Z軸以對準該物件的該輪廓的該幾何中心。
2. 如請求項1所述的機械手臂調校系統，其中該機械手臂可以是一關節型機械手臂、一水平式多關節機械手臂、一椼架型機械手臂、或一並聯式機械手臂。
3. 如請求項1所述的機械手臂調校系統，其中該末端為一端效器。
4. 如請求項3所述的機械手臂調校系統，其中該端效器為一夾爪或一感測器。
5. 如請求項4所述的機械手臂調校系統，其中該夾爪可夾持一待加工工件或具有一尖點的一輔具。
6. 如請求項4所述的機械手臂調校系統，其中該感測器可以是一接觸式力感測器或是一電性感測器。
7. 如請求項1所述的機械手臂調校系統，更包含一旋轉單元，該旋轉單元用以執行一轉正步驟，由該控制單元讀取該工具座標系，在該物件的該輪廓的同一邊上選擇該對準步驟中的該些教導點位中的其中兩點形成該輪廓的一X方向向量，計算該工具座標系的一X方向向量與該輪廓的該X方向向量間的一角度差值，將該角度差值作為該機械手臂的一旋轉角度，該機械手臂的該末端依據該旋轉角度進行旋轉使得該工具座標系的該X方向向量平行於該輪廓的該X方向向量。
8. 如請求項1所述的機械手臂調校系統，其中該些教導點位是利用該機械手臂的該末端對該物件的該輪廓的一內側或一外側進行接觸得到。
9. 如請求項1所述的機械手臂調校系統，其中該物件的該平面位於一機床主軸卡盤、一料盤、一換刀刀庫換刀處或一待加工工件。
10. 一種使用如請求項1-9中任一所述的機械手臂調校系統，應用於一加工工件、一取放工件或一取放刀具。

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