TWI706843B - 機器人工具的校正方法與校正系統 - Google Patents

Abstract

一種機器人工具的校正方法與校正系統，校正系統包括使用第一座標系的機器手臂、設置於機器手臂法蘭面的工具、以及使用第二座標系的影像裝置，其中影像裝置建立一個影像感測區。校正方法包括下列步驟：控制機器手臂移動，使得工具的工作點進入影像感測區內；記錄機器手臂的當前姿態以及工作點在第二座標系上的特定座標；取得記錄了第一座標系與第二座標系間的對應關係的轉換矩陣；及，將特定座標及當前姿態套入轉換矩陣，以獲得工作點在第一座標系上的絕對位置。

Description

機器人工具的校正方法與校正系統

本發明涉及機器人的校正方法與校正系統，尤其涉及對機器人上配置的工具進行校正的校正方法與校正系統。

目前機器手臂已經廣泛地應用於自動化生產程序中。具體而言，產線人員通常會將各種類型的工具(例如夾具、連接工具、焊接工具等)安裝在機器手臂的法蘭面(Flange)上，藉此機器手臂可藉由這些工具來實現產線自動化流程。

由於機器手臂本身只知道法蘭面的位置，但是不知道工具上的工具工作點(Tool Working Point,TWP)的實際位置，因此在安裝或更換了工具後，必須要先進行校正，以令機器手臂的控制器獲得所述工具工作點的位置資訊。

工具工作點的位置精度會影響自動化流程的精準度，例如，若工具工作點的位置有誤，則在機器手臂的作動過程中可能會造成產品的損傷，嚴重者甚至可能造成產線停滯。因此，要如何對工具進行有效的校正，即為相關領域中非常重要的課題。

由於工具在生產製造時可能會有加工公差，而將工具安裝至機器手臂上時也可能出現幾何偏差。再者，若長時間使用所述工具，亦可能會導致工具磨損而產生間隙或變形。上述原因都可能影響工具工作點的位置精度。

為了解決上述問題，目前市面上主要可見下列幾種校正方式：(1)人工教導方式：以人工方式操作機器手臂，令機器手臂以數種不同姿態到達空間中的同一位置，藉此進行工具工作點的位置記錄；(2)接觸式校正方式：令機器手臂帶動工具移動，並使工具工作點依序碰觸校正裝置中各個軸向的方塊並取得方向偏移量，藉此依據方向偏移量對工具進行校正；以及(3)非接觸式校正方式：令機器手臂帶動工具於光遮斷校正裝置構成的空間內移動，使得工具工作點以數種不同姿態到達光線交叉點，藉此建立工具的樣本並產生對應的偏差量，再依據樣本及偏差量來對工具進行校正。

然而，上述人工教導方式是完全依靠人眼以不可量化的方式進行教導(即，基於人眼以及人為經驗判斷機器手臂是否到達所需位置)，其精準度完全受操作者的經驗和技術影響，因而相當不準確。上述接觸式校正方式需要讓工具工作點碰觸各個方塊，因此可能會在校正過程中導致工具磨損，且越是高精度的工具影響越大。

上述非接觸式校正方式雖然不會有工具磨損的問題，但此種方式只能獲得工具工作點和機器手臂法蘭面間的偏差量，而無法得到工具工作點在機器手臂座標系上的絕對位置。並且，當工具更換時就需要重新建立樣本並重新取得偏差量，對產線人員來說相當麻煩。

本發明的主要目的，在於提供一種機器人工具的校正方法與校正系統，可以有效對機器手臂上配置的工具進行校正，以消除工具生產製造時存在的公差、組裝時產生的偏差、或是工具因使用磨損而產生誤差。

為了達成上述目的，本發明的校正系統主要包括使用第一座標系的一機器手臂、設置於該機器手臂的一法蘭面的一工具、以及使用第二座標系的一影像裝置，其中該影像裝置建立一個影像感測區。本發明的校正方法包括下列步驟：控制該機器手臂移動，使得該工具的一工作點進入該影像感測區內；記錄機器手臂的當前姿態以及該工作點在該第二座標系上的一特定座標；取得記錄了該第一座標系與該第二座標系間的對應關係的一轉換矩陣；及，將該特定座標及該當前姿態套入該轉換矩陣，以獲得該工作點在該第一座標系上的一絕對位置。

對照先前相關技術，本發明的校正系統與校正方法不需以人力進行機器手臂的教導，並且使用的是非接觸式的光感測手段，可以提供更高精度的校正結果，同時不會因為校正程序而導致工具本身的磨損。

另，藉由本發明的校正系統與校正方法，可直接獲得工具上的一或多個工作點於機器手臂座標系上的絕對位置。相較於先前相關技術中的非接觸式校正方法，可不需建立工具的樣本，並且比起先前相關技術使用的偏差值，可更進一步提高校正精度。

1:校正系統

2:機器手臂

20:控制器

21:法蘭面

22:工具

221:工具工作點

3:影像裝置

30:影像處理單元

31:光源裝置

32:感光裝置

33:影像感測區

4:工具工作點二維影像

41、42、4n:工具二維影像

5:法蘭面二維影像

S10~S16:校正步驟

S20~S32:絕對位置取得步驟

S40~S50:轉換矩陣建立步驟

S60~S82:影像裝置座標系構成步驟

S90~S98:三維影像建立步驟

A:第一位置

B:第二位置

C:第三位置

T_I ^B:轉換矩陣

{B}:機器手臂座標系

{I}:影像裝置座標系

圖1 為本發明的校正系統的示意圖的第一具體實施例。

圖2 為本發明的校正方法的流程圖的第一具體實施例。

圖3 為本發明的校正方法的流程圖的第二具體實施例。

圖4 為本發明的校正示意圖的第一具體實施例。

圖5 為本發明的建立流程圖的第一具體實施例。

圖6 為本發明的影像裝置座標系建立示意圖的第一具體實施例。

圖7 為本發明的建立流程圖的第二具體實施例。

圖8 為本發明的轉換矩陣示意圖的第一具體實施例。

圖9 為本發明的影像資訊示意圖的第一具體實施例。

圖10 為本發明的影像資訊示意圖的第二具體實施例。

圖11 為本發明的三維影像建立流程圖的第一具體實施例。

茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。

首請參閱圖1，為本發明的校正系統的示意圖的第一具體實施例。圖1揭露了本發明的機器人工具的校正系統(下面將於說明書中簡稱為校正系統1)，如圖1所示，本發明的校正系統1主要包括了控制器20、機器手臂2、工具22及影像裝置3。

機器手臂2的一端固定設置於機台平面上，另一端朝外延伸並且具有法蘭面(Flange)21。所述法蘭面21為機器人領域的公知技術，於此不再贅述。本發明中，所述機器手臂2使用獨立的機器手臂座標系。於圖1的實施例中，所述機器手臂座標系以{B}表示，並且機器手臂座標系{B}的三軸座標分別以X^B、Y^B、Z^B來表示。

所述工具22設置於機器手臂2的法蘭面21，並且基於工具22的使用方式，可於其上設定一個工具工作點(Tool Working Point,TWP)221。具體而言，所述工具工作點221指的是工具22上主要用來執行作業的特定點(例如焊接工具的焊接點、夾具的夾持點等)，並且可由機器手臂2的使用者來自行設定。為便於理解，下面將於說明書中以單一個工具工作點221為例，進行說明，但一個工具22上並不以單一個工具工作點221為限。

本發明的其中一個主要目的，在於當機器手臂2更換了新的工具22，或是工具22使用了一段時間而有精準度下降的現象時，藉由校正程序來重新尋找工具22上的工具工作點221在所述機器手臂座標系{B}上的絕對位置。當機器手臂2的控制器20得到工具22的工具工作點221的正確位置後，即可有效消除工具22生產製造時存在的公差、將工具22組裝至法蘭面21上時產生的偏差、或是工具22因使用磨損而產生誤差。

所述控制器20電性連接機器手臂2，用以控制機器手臂2的各項運動，例如位移、旋轉等。並且，當機器手臂2上設置有工具22時，控制器20可同時對工具22進行控制，以實現如焊接、夾持等作業。

所述影像裝置3設置於機器手臂2旁，並且於機器手臂2的移動範圍內建立一個影像感測區33。本發明中，影像裝置3使用一個影像裝置座標系。於圖1的實施例中，所述影像裝置座標系以{I}表示，並且影像裝置座標系{I}的三軸座標分別以X^I、Y^I、Z^I來表示。

值得一提的是，所述機器手臂座標系{B}是於機器手臂2製造完成後即可確定的，而影像裝置座標系{I}則是於機器手臂2及影像裝置3皆設置完成後，再將機器手臂座標系{B}做為基礎座標系來進行轉換所建立的(將於後 面段落進行詳述)。本發明的其中一個技術特徵在於，可以藉由已經確定的機器手臂座標系{B}以及影像裝置座標系{I}定義出一個記錄了機器手臂座標系{B}與影像裝置座標系{I}之間的對應關係的轉換矩陣。藉此，在工具22的校正程序中，控制器20可藉由轉換矩陣來推算所述工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置。於一實施例中，工具工作點221在機器手臂座標系上的絕對位置可以座標(X_t ^B,Y_t ^B,Z_t ^B)來表示。

如圖1所示，所述影像裝置3主要包括平行設置的光源裝置31與感光裝置32，以及電性連接感光裝置32的影像處理單元30。所述光源裝置31朝向感光裝置32發射光源，所述感光裝置32擷取光源裝置31所發射的光源，藉此，影像裝置3可以藉由光源來建立所述影像感測區33。於一實施例中，所述感光裝置32可例如為相機，於此並不加以限定。

本發明中，當機器手臂2上的工具22的工具工作點221進入影像感測區33時，感光裝置32感測到的部分光源會被工具工作點221截斷，藉此，影像處理單元30可以藉由截斷資訊判斷工具工作點221目前的位置，並且取得這個位置在影像裝置座標系{I}中的座標資訊。例如，工具工作點221在影像裝置座標系上的當前位置可以座標(

,

,

)來表示。

於一實施例中，所述光源裝置31可以對外發射可見光或不可見光，例如X光、雷射、紅外線、紫外光等，於此並不加以限定。值得一提的是，只要令校正系統1中的各個裝置分別具備足夠的安全等級(例如足夠的防水等級)，並且對所述光源在不同介質下的折射現象進行排除，則本發明的校正系統1及校正方法亦可以被運用在除了空氣以外的其他介質(例如水、油或其他溶液)中。

本發明的校正系統1是在安裝不同類型的工具22、更換同一類型的工具22、或是當既有工具22因長時間使用而有變形磨損情形時，由控制器20控制機器手臂2來執行相關的校正程序。

具體而言，當工具22被安裝至機器手臂2的法蘭面21上時，控制器20係控制機器手臂2移動，以令工具22的工具工作點221進入影像裝置3建立的影像感測區33中。當工具工作點221位於影像感測區33內時，控制器20記錄機器手臂2的當前姿態，並且記錄工具工作點221的當前位置對應至影像裝置座標系{I}上的一個特定座標。本實施例中，所述當前姿態可例如包括法蘭面21當前相對於機器手臂座標系的原點(圖未標示)的位移資訊(例如X軸位移量、Y軸位移量及Z軸位移量)與旋轉資訊(例如X軸旋轉量、Y軸旋轉量及Z軸旋轉量)，於此並不加以限定。

接著，控制器20可將所述當前姿態與特定座標匯入預先建立完成的轉換矩陣，以經由轉換而獲得工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置。如前文所述，所述轉換矩陣係記錄了所述機器手臂座標系{B}與所述影像裝置座標系{I}間的對應關係。於一實施例中，所述轉換矩陣為齊次轉換矩陣(Homogeneous transformation matrix)，於此並不加以限定。

總言之，藉由本發明的校正系統1，可以在確定了機器手臂座標系{B}和影像裝置座標系{I}後，預先推得所述轉換矩陣。如此一來，當要對機器手臂2上的工具22進行校正時，即可藉由工具工作點221在影像裝置座標系{I}中的座標、機器手臂2的姿態以及轉換矩陣來求得工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置。藉此，可有效提高機器手臂2在操作上的精準度。

續請參閱圖2，為本發明的校正方法的流程圖的第一具體實施例。首先，由使用者確定校正系統1中機器手臂2/影像裝置3是否重新安裝或更換(步驟S10)。若校正系統1為第一次安裝，或是機器手臂2及影像裝置3的其中之一被更換時，即需先建立機器手臂座標系{B}與影像裝置座標系{I}之間的轉換關係(步驟S12)，即，建立所述轉換矩陣。

接著，使用者或校正系統1的控制器20需確定機器手臂2的法蘭面21上設置的工具22是否需要校正(步驟S14)，即，判斷機器手臂2上的工具22是否更換(相同類型或不同類型)，或是工具22是否因長時間使用而有精準度下降的現象。

若經判斷後認為工具22需要校正，則校正系統1經由控制器20控制機器手臂2進行移動/轉動，以經由上述校正程序來取得工具22上的一個工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置(步驟S16)。在取得了工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置後，控制器20即可精準地掌握工具22的所在位置，進而提高機器手臂2的精準度。

續請同時參閱圖3及圖4，圖3為本發明的校正方法的流程圖的第二具體實施例，圖4為本發明的校正示意圖的第一具體實施例。圖3揭露了本發明的機器人工具的校正方法(下面將於說明書中簡稱為校正方法)，並且所述校正方法係應用於如圖1所示的校正系統1。

如圖3所示，首先，由機器手臂2的使用者以人工方式或由機器手臂2的控制器20以自動方式判斷機器手臂2上的工具22是否需要進行校正(步驟S20)。於一實施例中，使用者/控制器20主要是於工具22被更換、工具 22的使用時間超過第一門檻值、或是工具22的精準度小於第二門檻值時，判斷工具22需要進行校正。

接著，於工具22(新工具或是需要校正的舊工具)被設置在機器手臂2的法蘭面21上時，由控制器20控制機器手臂2移動，以令工具22的工具工作點221進入影像裝置3所建立的影像感測區33中(步驟S22)。如前文所述，影像裝置3主要是通過光源裝置31發射光源，通過感光裝置32擷取光源裝置31所發射的光源，藉此由所述光源在機器手臂2的移動範圍內建立影像感測區33。

如圖4所示，當工具工作點221位於影像感測區33中時，影像裝置3可藉由感光裝置32擷取到的截斷資訊判斷工具工作點221的當前位置，進而取得工具工作點221目前在影像裝置座標系{I}上的特定座標。於圖4的實施例中，所述特定座標以(X_t ^I,Y_t ^I,Z_t ^I)來表示，其中I代表影像裝置座標系{I}，t代表工具工作點221。並且，本發明中的影像裝置座標系{I}是以機器手臂座標系{B}做為參考座標系統所描繪出來的座標系(容後詳述)。當工具工作點221位於影像感測區33中時，機器手臂2的控制器20亦可得知工具工作點221的上述特定座標。

值得一提的是，隨著機器手臂2移動時的方向、角度的不同，機器手臂2還會具有不同的姿態。於一實施例中，所述姿態可例如為法蘭面21相對於機器手臂座標系的原點的位移資訊與旋轉資訊，於此並不加以限定。

回到圖3。當工具工作點221位於影像感測區33中時，控制器20記錄機器手臂2的當前姿態(步驟S24)，並且同時記錄工具工作點221當前於影像裝置座標系{I}上的特定座標(步驟S26)。接著，控制器20進一步取得預先建 立的轉換矩陣(步驟S28)，並將所述當前姿態與特定座標匯入轉換矩陣，以經由轉換而獲得工具工作點221於機器手臂座標系{B}上的絕對位置(步驟S30)。於實施例中，工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置可以下列公式表示：P_t ^B=T_I ^BP_t ^I，其中，P_t ^B為工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的一個點，T_I ^B為記錄了機器手臂座標系{B}與影像裝置座標系{I}的對應關係的轉換矩陣，P_t ^I為工具工作點221在影像裝置座標系{I}中的一個點。

值得一提的是，在獲得了工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置後，控制器20還可進一步控制影像裝置3擷取工具工作點221的二維影像(步驟S32)。通過二維影像的擷取，影像處理單元30可以建立法蘭面21的中心點至工具工作點221的向量關係，或是直接建立工具22的完整三維影像(容後詳述)。如此一來，機器手臂2的使用者可以更清楚地瞭解目前設置的工具22的態樣，進而決定如何設定工具工作點221，或是如何操作機器手臂2。

續請參閱圖5，為本發明的建立流程圖的第一具體實施例。如前文所述，要準確獲得工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置，必須先建立所述影像裝置座標系{I}及所述轉換矩陣。因此，機器手臂2的使用者首先係安裝或更換校正系統1中的機器手臂2及/或影像裝置3(步驟S40)，於機器手臂2及/或影像裝置3首次安裝或被更換時，才需要執行圖5所示的各步驟，以重新建立所述影像裝置座標系{I}及所述轉換矩陣。此時，所述工具22尚未被設置到機器手臂2上。

於步驟S40後，控制器20在機器手臂2上沒有設置工具22的情況下控制機器手臂2移動，以令機器手臂2上的法蘭面21進入影像裝置3所建 立的影像感測區33中(步驟S42)。接著，機器手臂2基於控制器20的控制進行移動，以令法蘭面21於影像感測區33中移動，並且由控制器20在法蘭面21的移動過程中記錄機器手臂2的多筆姿態資訊(步驟S44)。

於一實施例中，所述姿態資訊包括法蘭面21位於影像感測區33中的多個位置上時，在機器手臂座標系{B}上的座標資訊。於另一實施例中，所述姿態資訊還包括法蘭面21位於所述多個位置上時，機器手臂2本身的X軸旋轉量、Y軸旋轉量以及Z軸旋轉量。惟，上述僅為本發明的主要實施例，但並不以此為限。

當法蘭面21在影像感測區33中移動時，影像裝置3可藉由光源裝置31與感光裝置32來判斷法蘭面21在影像感測區33中的位置，而控制器20可直接讀取法蘭面21移動時在機器手臂座標系{B}上的多筆座標資訊，藉此，控制器20可以基於多筆座標資訊來為影像裝置3建立所述影像裝置座標系{I}(步驟S46)。

並且，除了上述多筆座標資訊之外，控制器20所記錄的姿態資訊還包含了機器手臂2在移動時的多筆旋轉量，藉此，控制器20可以依據已知的機器手臂座標系{B}、重新建立的影像裝置座標系{I}、以及所記錄的姿態資訊來建立所述轉換矩陣(步驟S48)。於步驟S48後，校正系統1已經具備了對機器手臂2上設置的各種工具22進行絕對位置的校正的所需參數。

值得一提的是，在建立了影像裝置座標系{I}以及轉換矩陣後，控制器20還可進一步控制影像裝置3擷取法蘭面21的二維影像(步驟S50)。當校正系統1於前述圖3的步驟S32中取得工具工作點221的二維影像後，影像處理單元30就可以藉由法蘭面21的二維影像以及工具工作點221的二維影像 來建立法蘭面21的中心點至工具工作點221的向量關係，或是直接建立工具22的完整三維影像(容後詳述)。

續請同時參閱圖6及圖7，其中圖6為本發明的影像裝置座標系建立示意圖的第一具體實施例，圖7為本發明的建立流程圖的第二具體實施例。圖7用以結合圖6詳細地說明在圖5的流程圖中，如何依據各項資訊建立影像裝置座標系{I}與轉換矩陣。

首先，控制器20在需要建立影像裝置座標系{I}及/或轉換矩陣時，先控制機器手臂2移動以令法蘭面21進入影像裝置3的影像感測區33內(步驟S60)。

值得一提的是，在步驟S60中，控制器20主要是令法蘭面21的Z軸方向垂直於影像感測區33的平面，即，令法蘭面21平行於要建立的影像裝置座標系{I}的座標平面。藉此，後續於影像裝置座標系{I}的建立程序中，控制器20可以將影像裝置3第一次偵測到法蘭面21時的機器手臂2的Z軸高度設定為影像裝置座標系{I}上Z軸為0的高度。

於法蘭面21進入影像裝置3的影像感測區33後，控制器20接著控制法蘭面21移動至影像感測區33中的第一位置，同時記錄機器手臂2的姿態資訊(步驟S62)。所述姿態資訊至少包括法蘭面21在機器手臂座標系{B}上的座標資訊。基於所述姿態資訊，控制器20將法蘭面21位於第一位置時在機器手臂座標系{B}上的座標資訊定義為影像裝置座標系{I}的基本定位點(步驟S64)。

於圖6的實施例中，所述第一位置是以座標A(X₁ ^B,Y₁ ^B,Z₁ ^B)來表示，其中，X₁ ^B代表法蘭面21位於第一位置時，在機器手臂座標系{B}上的X軸座標，Y₁ ^B代表法蘭面21位於第一位置時，在機器手臂座標系{B}上的Y軸座標，而Z₁ ^B 代表法蘭面21位於第一位置時，在機器手臂座標系{B}上的Z軸座標。於步驟S64中，控制器20主要是將上述座標資訊定義為影像裝置座標系的基本定位點，即，以座標A(X₁ ^B,Y₁ ^B,Z₁ ^B)做為影像裝置座標系{I}的原點座標。

接著，控制器20進一步控制法蘭面21在不改變Z軸高度的情況下移動至影像感測區33中的第二位置，同時記錄機器手臂2的姿態資訊(步驟S66)。所述姿態資訊至少包括法蘭面21在機器手臂座標系{B}上的座標資訊。基於所述姿態資訊，控制器20可依據第一位置及第二位置的相對關係來定義影像裝置座標系{I}的X軸或Y軸(步驟S68)。

於圖6的實施例中，所述第二位置是以座標B(X₂ ^B,Y₂ ^B,Z₂ ^B)來表示，其中，X₂ ^B代表法蘭面21位於第二位置時，在機器手臂座標系{B}上的X軸座標，Y₂ ^B代表法蘭面21位於第二位置時，在機器手臂座標系{B}上的Y軸座標，而Z₂ ^B代表法蘭面21位於第二位置時，在機器手臂座標系{B}上的Z軸座標。於此實施例中，控制器20基於第一位置與第二位置來建立一條虛擬直線，並將虛擬直線的方向定義為影像裝置座標系{I}的Y軸方向Y^I。

接著，控制器20進一步控制法蘭面21在不改變Z軸高度的情況下移動至影像感測區33中的第三位置，同時記錄機器手臂2的姿態資訊(步驟S70)。所述姿態資訊至少包括法蘭面21在機器手臂座標系{B}上的座標資訊。基於所述姿態資訊，控制器20可依據第一位置、第二位置及第三位置的相對關係來定義影像裝置座標系{I}的座標平面(步驟S72)。所述座標平面指的是由X軸-Y軸所構成的一個平面。

於圖6的實施例中，所述第三位置是以座標C(X₃ ^B,Y₃ ^B,Z₃ ^B)來表示，其中，X₃ ^B代表法蘭面21位於第三位置時，在機器手臂座標系{B}上的X軸座標， Y₃ ^B代表法蘭面21位於第三位置時，在機器手臂座標系{B}上的Y軸座標，而Z₃ ^B代表法蘭面21位於第三位置時，在機器手臂座標系{B}上的Z軸座標。於此實施例中，控制器20基於第一位置與第三位置來建立一條虛擬直線，並且將虛擬直線的方向定義為影像裝置座標系{I}的X軸方向X^I。藉此，控制器20即可進一步依據所述X軸方向X^I與Y軸方向Y^I來構成一個座標平面。

如前文所述，控制器20可以在影像裝置3第一次偵測到法蘭面21時即對影像裝置座標系{I}的Z軸進行定義，因此在步驟S72後，控制器20即可基於所述座標平面以及與座標平面垂直的Z軸方向Z^I建立所述影像裝置座標系{I}(步驟S74)。

值得一提的是，本發明的控制器20在設定了所述基本定位點後，可以先定義所述X軸方向X^I，也可先定義所述Y軸方向Y^I，意即，所述步驟S66與步驟S70並沒有執行上的順序關係，而不應以圖7所示者為限。

於一實施例中，控制器20採用的轉換矩陣為齊次轉換矩陣(Homogeneous transformation matrix)。所述轉換矩陣例如以下所示：

；其中，T_I ^B為記錄了機器手臂座標系{B}與影像裝置座標系{I}的對應關係的轉換矩陣，轉換矩陣中的元素R_3*3、O_3*1、O_1*3及1_1*1分別指出機器手臂座標系{B}與影像裝置座標系{I}之間的旋轉、平移、透視和放大關係。在不存在透視和放大關係的情況下，控制器20只要計算出旋轉矩陣和平移矩陣，就可以成功建立所述轉換矩陣。

具體而言，控制器20在前述步驟S62、步驟S66與步驟S70所記錄的姿態資訊中，除了記錄法蘭面21在機器手臂座標系{B}上的座標資訊以 外，還會同時記錄機器手臂2在移動時產生的各項旋轉資訊，例如X軸旋轉量、Y軸旋轉量及Z旋轉量等。因此，控制器20還可依據所記錄的姿態資訊來建立所述轉換矩陣。如圖7所示，控制器20由所記錄的姿態資訊中取出X軸旋轉量、Y軸旋轉量及Z軸旋轉量，並且基於X軸旋轉量、Y軸旋轉量及Z軸旋轉量計算所述旋轉矩陣(步驟S76)。

於一實施例中，所述旋轉矩陣(R_3*3)是三次連續基本旋轉矩陣的合成，並且可以歐拉角(Euler Angle)、RPY角(Roll Pitch Yaw)或標準旋轉角來實現。

具體而言，所述歐拉角所描述的旋轉方式是先繞Z軸旋轉，再繞Y軸旋轉，最後再一次繞Z軸旋轉，藉此，可得出所述旋轉矩陣(R_3*3)=R_zyz=R_{z,θ z}R_{y,θ y}R_{z,θ z}。所述RPY角所描述的旋轉方式是先繞Z軸旋轉，再繞Y軸旋轉，最後再繞X軸旋轉，藉此，可得出所述旋轉矩陣(R_3*3)=R_zyx=R_{z,θ z}R_{y,θ y}R_{x,θ x}。所述標準旋轉角所描述的旋轉方式是先繞X軸旋轉，再繞Y軸旋轉，最後再繞Z軸旋轉，藉此，可得出所述旋轉矩陣(R_3*3)=R_xyz=R_{x,θ x}R_{y,θ y}R_{z,θ z}。

並且，控制器20進一步取得機器手臂座標系{B}的原點(例如(0,0,0))與影像裝置座標系{I}的所述基本定位點(例如座標A(X₁ ^B,Y₁ ^B,Z₁ ^B))間的平移量(步驟S78)，並且基於所述平移量來計算所述平移矩陣(O_3*1)(步驟S80)。其中，所述平移量至少包括機器手臂座標系{B}的原點與影像裝置座標系{I}的基本定位點間的X軸平移量、Y軸平移量及Z軸平移量。

步驟S80後，控制器20即可依據計算所得的旋轉矩陣與平移矩陣來計算所述轉換矩陣(步驟S82)。於步驟S82後，控制器20即完成了要對機器手臂2的法蘭面21上所設置的任意工具22進行校正(即，尋找工具工作點 221在機器手臂座標系{B}上的絕對位置)的準備程序。據此，控制器20可以隨時執行如圖3所示的各步驟，以對機器手臂2上設置/更換的工具進行校正程序。

請同時參閱圖8，為本發明的轉換矩陣示意圖的第一具體實施例。如圖8所示，在校正系統1安裝完成前，控制器20即已知機器手臂座標系{B}。於圖8的實施例中，機器手臂座標系{B}係由X軸方向X^B、Y軸方向Y^B及Z軸方向Z^B構成。

接著，經由令機器手臂2的法蘭面21移動至影像感測區33中的第一位置(具有座標A(X₁ ^B,Y₁ ^B,Z₁ ^B))、第二位置(具有座標B(X₂ ^B,Y₂ ^B,Z₂ ^B))及第三位置(具有座標C(X₃ ^B,Y₃ ^B,Z₃ ^B))，控制器20可以基於所述機器手臂座標系{B}來建立影像裝置3所使用的影像裝置座標系{I}。於圖8的實施例中，影像裝置座標系{I}係由X軸方向X^I、Y軸方向Y^I及Z軸方向Z^I構成。

最後，基於已知的機器手臂座標系{B}、所建立的影像裝置座標系{I}、以及在機器手臂2的移動過程所記錄的姿態資訊，控制器20可以建立一個能夠將座標在機器手臂座標系{B}與影像裝置座標系{I}之間進行轉換的轉換矩陣T_I ^B。

當機器手臂2在X軸上的平移量為x時，轉換矩陣表示為：

當機器手臂2在Y軸上的平移量為y時，轉換矩陣表示為：

當機器手臂2在Z軸上的平移量為z時，轉換矩陣表示為：

當機器手臂2在X軸上的旋轉量為θ _x 時，轉換矩陣表示為：

當機器手臂2在Y軸上的旋轉量為θ _y 時，轉換矩陣表示為：

當機器手臂2在Z軸上的旋轉量為θ _z 時，轉換矩陣表示為：

藉由上述轉換矩陣的換算，當工具22已校正完成且跟著機器手臂2移動時，控制器20可以直接得知工具22上的工具工作點221在機器手臂座標系{B}上的位置資訊，藉此更精確地對機器手臂2(及其上的工具22)進行控制。

續請參閱圖9，為本發明的二維影像示意圖的第一具體實施例。於前述圖5的步驟S50中，影像裝置3通過感光裝置32擷取了機器手臂2的法蘭面21的法蘭面二維影像5。而於圖3的步驟S32中，影像裝置3通過感光裝置32擷取了工具22的工具工作點221的二維影像4。通過所述二維影像4、5，控制器20可以進一步建立機器手臂2的法蘭面21的中心點(圖未標示)至工 具22的工具工作點221的向量關係。如此一來，可更有利於機器手臂2的使用者瞭解當前使用的工具22的型態。

具體而言，於圖5的步驟S50中，機器手臂2係受控制器20的控制而進行旋轉，並且由感光裝置32擷取對應至不同旋轉角度的法蘭面21的複數一維影像。於一實施例中，所述旋轉角度可例如為一固定角度(例如1度、5度等)、半圈或一圈等，於此並不加以限定。接著，影像裝置3通過影像處理單元30接收感光裝置32擷取的複數一維影像，並且通過演算法對複數一維影像進行處理，以產生一張法蘭面21的二維影像。

相似地，於圖3的步驟S32中，機器手臂2係受控制器20的控制而進行旋轉，並且由感光裝置32擷取對應至不同旋轉角度的工具工作點221的複數一維影像。接著，影像裝置3的影像處理單元30通過演算法對複數一維影像進行處理，藉此產生一張工具工作點221的二維影像。

於圖9的實施例中，影像裝置3僅產生工具工作點221的一張二維影像，因此校正系統1僅能通過控制器20來計算法蘭面21的中心點至工具22的工具工作點221的向量關係。於其他實施例中，影像裝置3可受控制而產生工具22的多張二維影像，藉此，校正系統1可通過影像處理單元30直接建立工具22的完整三維影像(如下所述)。

請同時參閱圖10，為本發明的二維影像示意圖的第二具體實施例。

如圖10所示，在影像擷取程序中，機器手臂2可受控制器20的控制而持續旋轉，並且改變其Z軸高度。同時，影像裝置3亦受控制器20的控制而在機器手臂2位於第一高度Z1時擷取一張二維影像(例如為法蘭面二維影像5)、在機器手臂2位於第二高度Z2時擷取一張二維影像(例如工具二維影 像41)、在機器手臂2位於第三高度Z3時擷取一張二維影像(例如工具二維影像42)、……、並且在機器手臂2位於第n高度Zn時擷取一張二維影像(例如工具二維影像4n)。其中，工具二維影像4n為影像裝置3所擷取的最後一張二維影像，並且為用以描述工具工作點221的二維影像。

本實施例中，影像裝置3係通過影像處理單元30接收所述法蘭面二維影像5以及複數的工具二維影像41-4n，並且經由演算法對這些二維影像41-4n、5進行處理，以建立機器手臂2上目前設置的工具22的三維影像。藉此，使用者可以通過三維影像獲得工具22的具體外觀形狀、尺寸特徵等資訊。

請同時參閱圖11，為本發明的三維影像建立流程圖的第一具體實施例。於圖11的實施例中，控制器20係控制機器手臂2移動以令其上的工具22進入影像感測區33中。接著，控制器20控制機器手臂2進行旋轉，並控制影像裝置3取得對應不同旋轉角度的多張一維影像(步驟S90)。接著，影像處理單元30經由演算法對多張一維影像進行處理，以建立對應至一個具體高度的一張二維影像(步驟S92)。

接著，控制器20判斷影像擷取程序是否完成(步驟S94)，即，判斷是否已經獲得法蘭面21的二維影像以及工具工作點221的二維影像。若控制器20判斷影像擷取程序尚未完成，則控制機器手臂2移動以改變Z軸高度(步驟S96)，並且基於改變後的Z軸高度再次執行步驟S90與步驟S92，以獲得下一張二維影像。

於一實施例中，控制器20可調整感光裝置32的掃描高度以令影像裝置3先擷取法蘭面21的二維影像，並且於所述步驟S96中，控制機器手臂 2上升以增加Z軸高度。於另一實施例中，控制器20可調整感光裝置32的掃描高度以令影像裝置3先擷取工具工作點221的二維影像，並且於所述步驟S96中，控制機器手臂2下降以減少Z軸高度。

若控制器20於步驟S94中判斷影像擷取程序完成，表示影像處理單元30已經獲得了包含法蘭面二維影像5以及工具工作點的二維影像4在內的多張二維影像，因此影像處理單元30可經由演算法對多張二維影像進行處理，以建立用來描繪工具22的整體外觀、形狀的三維影像(步驟S98)。通過影像處理單元30所建立的三維影像，機器手臂2的使用者可以更清楚地得知當前使用的工具22的相關資訊，進而對機器手臂2進行更準確的設定或控制。

對照先前相關技術，本發明的校正系統與校正方法不需以人力進行機器手臂的教導，並且使用的是非接觸式的光感測手段，可以提供更高精度的校正結果，同時不會因為校正程序而導致工具本身的磨損。

通過本發明的校正系統與校正方法，係可有效取得當前配置的工具上的一或多個的工具工作點在機器手臂座標系上的絕對位置，藉此令機器手臂可對工具進行更準確地控制，以消除工具生產製造時的公差、組裝時的偏差、或是工具使用磨損後產生誤差。相較於先前相關技術中的非接觸式校正方法，可不需建立工具的樣本，並且比起先前相關技術使用的偏差值，可更進一步提高校正精度。

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。

S20~S32:絕對位置取得步驟

Claims (18)

1. 一種機器人工具的校正方法，應用於具有一機器手臂、一影像裝置及一工具的一校正系統，其中影像裝置於該機器手臂的一移動範圍內建立一影像感測區，該工具設置於該機器手臂的一法蘭面(Flange)上並且具有一工具工作點(Tool Working Point,TWP)，其中該校正方法包括下列步驟：a01)在該機器手臂上未設置該工具時，控制該機器手臂移動以令該法蘭面進入該影像感測區中，其中該機器手臂使用一機器手臂座標系；a02)控制該法蘭面於該影像感測區中移動，同時記錄該機器手臂的姿態資訊，其中該姿態資訊至少包括該法蘭面位於該影像感測區中的多個位置上時在該機器手臂座標系上的座標資訊，以及該法蘭面位於各該位置上時該機器手臂的一X軸旋轉量、一Y軸旋轉量及一Z軸旋轉量；a03)基於該些座標資訊建立該影像裝置使用的一影像裝置座標系；a04)依據該機器手臂座標系、該影像裝置座標系及該姿態資訊建立該轉換矩陣；a)在該機器手臂上設置了該工具時，控制該機器手臂移動以令該工具工作點進入該影像感測區中；b)記錄該機器手臂的一當前姿態，以及該工具工作點於該影像裝置座標系上的一特定座標；c)取得該轉換矩陣，其中該轉換矩陣記錄該機器手臂座標系與該影像裝置座標系之間的對應關係；及d)將該當前姿態及該特定座標匯入該轉換矩陣，以經由轉換而獲得該工具工作點於該機器手臂座標系上的一絕對位置。
2. 如請求項1所述的機器人工具的校正方法，其中該影像裝置包括彼此平行設置的一光源裝置及一感光裝置，該光源裝置朝向該感光裝置發射光源，該感光裝置擷取該光源裝置發射的光源，該影像裝置藉由該光源建立該影像感測區。
3. 如請求項2所述的機器人工具的校正方法，其中該步驟a02包括下列步驟：a021)控制該法蘭面移動至該影像感測區中的一第一位置，並將該法蘭面位於該第一位置時在該機器手臂座標系上的座標資訊定義為該影像裝置座標系的一基本定位點；a022)控制該法蘭面在不改變Z軸高度的情況下移動至該影像感測區中的一第二位置，並依據該第一位置及該第二位置的相對關係定義該影像裝置座標系的一X軸方向或一Y軸方向；a023)控制該法蘭面在不改變Z軸高度的情況下移動至該影像感測區中的一第三位置，並依據該第一位置、該第二位置及該第三位置的相對關係定義該影像裝置座標系的一座標平面；其中，該步驟a03是依據該座標平面及與該座標平面垂直的一Z軸方向建立該影像裝置座標系。
4. 如請求項3所述的機器人工具的校正方法，其中在該步驟a01中，該法蘭面係平行於該影像裝置座標系的該座標平面，並且該機器手臂將該影像裝置第一次偵測到該法蘭面時的Z軸高度設定為該影像裝置座標系上Z軸為0的高度。
5. 如請求項3所述的機器人工具的校正方法，其中該步驟a04包括下列步驟：a041)依據該姿態資訊中的該X軸旋轉量、該Y軸旋轉量及該Z軸旋轉量計算一旋轉矩陣；a042)取得該機器手臂座標系的一原點與該影像裝置座標系的該基本定位點間的一x軸平移量、一y軸平移量及一z軸平移量；a043)依據該x軸平移量、該y軸平移量及該z軸平移量計算一平移矩陣；及a044)依據該旋轉矩陣及該平移矩陣計算該轉換矩陣。
6. 如請求項2所述的機器人工具的校正方法，其中該轉換矩陣為齊次轉換矩陣(Homogeneous transformation matrix)。
7. 如請求項2所述的機器人工具的校正方法，其中該步驟a04後更包括一步驟a05)：由該影像裝置取得該法蘭面的一二維影像。
8. 如請求項7所述的機器人工具的校正方法，其中更包括下列步驟：e)通過該影像裝置取得該工具工作點的一二維影像；及f)依據該法蘭面的該二維影像及該工具工作點的該二維影像建立該法蘭面的一中心點至該工具工作點的向量關係。
9. 如請求項7所述的機器人工具的校正方法，其中更包括下列步驟：g)通過該影像裝置取得該工具的一二維影像；h)判斷一影像擷取程序是否完成； i)於該影像擷取程序完成前改變該機器手臂的Z軸高度，並再次執行該步驟g；及j)於該影像擷取程序完成後，依據該法蘭面的該二維影像及該工具的複數該二維影像建立該工具的一三維影像。
10. 一種機器人工具的校正系統，包括：一機器手臂，具有一法蘭面(Flange)，並且使用一機器手臂座標系；一工具，設置於該法蘭面上，並且具有一工具工作點(Tool Working Point,TWP)；一影像裝置，於該機器手臂的一移動範圍內建立一影像感測區，並且使用一影像裝置座標系；及一控制器，電性連接該機器手臂；其中，在該機器手臂上未設置該工具時，該控制器控制該機器手臂移動以令該法蘭面於該影像感測區中移動同時記錄該機器手臂的姿態資訊，其中該姿態資訊至少包括該法蘭面位於該影像感測區中的多個位置上時在該機器手臂座標系上的座標資訊，以及該法蘭面位於各該位置上時該機器手臂的一X軸旋轉量、一Y軸旋轉量及一Z軸旋轉量，並且該控制器基於該些座標資訊建立該影像裝置座標系，並依據該機器手臂座標系、該影像裝置座標系及該姿態資訊建立一轉換矩陣；其中，在該機器手臂上設置了該工具時，該控制器控制該機器手臂移動以令該工具工作點進入該影像感測區中，並且記錄該機器手臂的一當前姿態以及該工具工作點於該影像裝置座標系上的一特定座標； 其中，該控制器將該當前姿態及該特定座標匯入該轉換矩陣，以經由轉換獲得該工具工作點於該機器手臂座標系上的一絕對位置，其中該轉換矩陣記錄該機器手臂座標系與該影像裝置座標系之間的對應關係。
11. 如請求項10所述的機器人工具的校正系統，其中該影像裝置包括：一光源裝置，朝外發射光源；及一感光裝置，與該光源裝置平行設置，擷取該光源裝置發射的光源，以藉由該光源建立該影像感測區。
12. 如請求項11所述的機器人工具的校正系統，其中於建立該影像裝置座標系時，該控制器先控制該法蘭面移動至該影像感測區中的一第一位置，並將該法蘭面位於該第一位置上時在該機器手臂座標系上的座標資訊定義為該影像裝置座標系的一基本定位點；接著，該控制器控制該法蘭面在不改變Z軸高度的情況下移動至該影像感測區中的一第二位置，並依據該第一位置及該第二位置的相對關係定義該影像裝置座標系的一X軸方向或一Y軸方向；接著，該控制器控制該法蘭面在不改變Z軸高度的情況下移動至該影像感測區中的一第三位置，並依據該第一位置、該第二位置及該第三位置的相對關係定義該影像裝置座標系的一座標平面；接著，該控制器基於該座標平面及與該座標平面垂直的一Z軸方向建立該影像裝置座標系。
13. 如請求項12所述的機器人工具的校正系統，其中於建立該影像裝置座標系時，該控制器是令該法蘭面平行於該影像裝置座標系的該座標平 面，並且將該影像裝置第一次偵測到該法蘭面時該機器手臂座標系的Z軸高度設定為該影像裝置座標系上Z軸為0的高度。
14. 如請求項12所述的機器人工具的校正系統，其中於建立該轉換矩陣時，該控制器是依據該姿態資訊中的該X軸旋轉量、該Y軸旋轉量及該Z軸旋轉量計算一旋轉矩陣，接著取得該機器手臂座標系的一原點與該影像裝置座標系的該基本定位點間的一x軸平移量、一y軸平移量及一z軸平移量，依據該x軸平移量、該y軸平移量及該z軸平移量計算一平移矩陣，再依據該旋轉矩陣及該平移矩陣計算該轉換矩陣。
15. 如請求項11所述的機器人工具的校正系統，其中該轉換矩陣為齊式轉換矩陣(Homogeneous transformation matrix)。
16. 如請求項11所述的機器人工具的校正系統，其中該影像裝置於建立影像裝置座標系時取得該法蘭面的一二維影像。
17. 如請求項16所述的機器人工具的校正系統，其中該影像裝置取得該工具工作點的一二維影像，並且該影像裝置還包括電性連接該感光裝置的一影像處理單元，該影像處理單元依據該法蘭面的該二維影像及該工具工作點的該二維影像建立該法蘭面的一中心點至該工具工作點的向量關係。
18. 如請求項16所述的機器人工具的校正系統，其中該影像裝置取得對應該工具工作點的不同Z軸高度的複數二維影像，並且該影像裝置還包括電性連接該感光裝置的一影像處理單元，該影像處理單元依據該法蘭面的該二維影像及該工具的複數該二維影像建立該工具的一三維影像。

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