机械手臂的自动校正方法与系统技术方案

本发明专利技术公开一种机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法与系统，系统包含圆球、距离感测模块、轮廓传感器与控制模块，圆球设置于机械手臂的法兰面；距离感测模块包括至少三个距离传感器，距离传感器的轴线共感测平面且相交于一交点；轮廓传感器用于感测圆球的二维剖面轮廓；控制模块与距离感测模块、轮廓传感器及机械手臂连接；控制模块控制机械手臂，使圆球移动以取得校正点信息。使圆球移动以取得校正点信息。使圆球移动以取得校正点信息。

【技术实现步骤摘要】
机械手臂的自动校正方法与系统


[0001]本专利技术涉及一种机械手臂校正方法，特别是涉及一种机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法。本专利技术还涉及此机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正系统。

技术介绍

[0002]随着自动化生产的发展，机械手臂在工业领域应用愈趋广泛，大大提升了工业生产的效率与品质。在利用机械手臂执行自动化的
中，一般是将工具直接安装于机械手臂，并利用人工教导的方式产生机械手臂动作以达成自动化应用。但随着机械手臂应用多元化、自主决策技术的发展，愈来愈多应用根据传感器提取的信息进行线上判别并产生动作，因此动作的准确性受到传感器坐标系、工件位置坐标系与机械手臂相对关系的准确度影响，因此坐标系转换关系的准确度成为机械手臂实现精确操作的重要指标。
[0003]以机械手臂执行自主决策的自动化应用，首先需要确认传感器位置、工件位置、刀具位置与机械手臂坐标系的相对关系，但由于定位精度或制造公差等原因都会使坐标系位置产生误差，因此机械手臂执行动作前，需先将各坐标系的相对位置进行校正才可得到准确的坐标值。
[0004]传统的校正方法需利用人工或传感器识别实体特征点，再控制机械手臂使工具的工具中心点(Tool Center Point，TCP)与坐标系的数个指定点重合，并记录坐标值以完成坐标系位置的校正。
[0005]然而以机械手臂搭配传感器执行动作决策，需先将传感器固定后才可开始进行感测，但对于每一个传感器尺寸而言都包含公差且难以准确定位，需派人对每一个传感器位置重新进行校正，但校正过程往往会造成时间与人力上的消耗。
[0006]对于坐标系不存在实体特征点时(如传感器坐标系的校正)，虽然目前已有自动校正方法可供使用，但现有方法需利用治具作为媒介，并搭配CAD模型以完成坐标系校正，因此治具外型尺寸的正确性将影响校正结果；除此之外，此方法需将传感器或治具安装于机械手臂，利用机械手臂使治具与传感器产生相对运动进而取得完整点云信息，因此受到机械手臂移动精度影响，且此方法以数值逼近的方法计算出最接近解，也可能造成数值发散而无法取得校正结果，因此校正精度难以提升。
[0007]据此，如何发展出一种「机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法与系统」，其坐标系不需存在实体特征点，不需要利用治具作为校正媒介，不需CAD模型辅助，不需事先校正装置于空间中的坐标，以一次的操作程序即可完成坐标系位置的校正，解决现有方法需坐标系需具备实体特征点、或以治具作为媒介所造成的校正精度不佳问题，以提升校正精度，是相关
人士亟待解决的课题。

技术实现思路

[0008]在一实施例中，本案提出一种机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正
方法，包含以下步骤：
[0009](a)将一已知半径的圆球设置于机械手臂的法兰面，备置一距离感测模块与一轮廓传感器，距离感测模块包括至少三个距离传感器，距离传感器的轴线共感测平面且相交于一交点；圆球、机械手臂、法兰面、距离感测模块与轮廓传感器分别具有一圆球坐标系、一机械手臂坐标系、一法兰面坐标系、一距离感测模块坐标系、一轮廓传感器坐标系；
[0010](b)控制机械手臂移动，使圆球分别沿着机械手臂坐标系的三轴向移动，以建立机械手臂坐标系与距离感测模块坐标系的转换关系；
[0011](c)利用距离感测模块的距离感测信息，控制机械手臂以不同姿态使圆球的球心移动到交点，使距离感测模块坐标系原点与圆球的球心重合，并记录机械手臂各轴关节角度为工具中心点校正点信息；
[0012](d)计算圆球的球心相对法兰面坐标系的位置以作为工具中心点的坐标；
[0013](e)控制机械手臂到达不同位置，使轮廓传感器可提取圆球信息，并由轮廓传感器取得圆球的剖面轮廓信息，并利用圆拟合方法搭配毕氏定理计算出圆心位置，以作为轮廓传感器坐标系相对关系校正点信息；以及
[0014](f)计算轮廓传感器坐标系与机械手臂坐标系的相对关系，将计算所得的坐标值输入至控制模块，完成校正。
[0015]在一实施例中，本案提出一种机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正系统，其包含：
[0016]一圆球，设置于机械手臂的法兰面；
[0017]一距离感测模块，其包括至少三个距离传感器，距离传感器的轴线共感测平面且相交于一交点；
[0018]一轮廓传感器，用于感测圆球的二维剖面轮廓；以及
[0019]一控制模块，与距离感测模块、轮廓传感器及机械手臂电连接；控制模块控制机械手臂使圆球移动以取得校正点信息。
附图说明
[0020]图1为本案的机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正系统的实施例的前视架构示意图；
[0021]图2为图1实施例的距离感测模块与轮廓传感器的俯视架构示意图；
[0022]图3为图1实施例的机械手臂坐标系与距离感测模块坐标转换关系的示意图；
[0023]图4A及图4B为图1实施例操作的前视及俯视示意图；
[0024]图5及图6、图6A、图6B为图1实施例使用距离感测模块的感测信息计算出圆心坐标的示意图；
[0025]图7为图1实施例计算工具中心点实际坐标的示意图；
[0026]图8为图1实施例以圆方程式搭配最小误差平方法将半径误差最小化进行拟合以计算出圆心坐标及圆半径的示意图；
[0027]图9为本案的机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法的实施例的流程图。
[0028]符号说明
[0029]100:机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正系统
[0030]10:圆球
[0031]20:距离感测模块
[0032]30:轮廓传感器
[0033]40:控制模块
[0034]200:机械手臂
[0035]202:法兰面
[0036]21～23:距离传感器
[0037]900:机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法的流程
[0038]902～912:步骤
[0039]A0,B0,C0,A
01
,B
01
,C
01
:圆坐标
[0040]C
S1
,C
S2
,C
S3
:剖面圆
[0041]d0:高度
[0042]H
10
:剖面位置
[0043]H
20
:距离感测模块的感测平面
[0044]H
30
:轮廓传感器的感测平面
[0045]I1,I2,I3:轴线
[0046]L1,L2:直线
[0047]M0:球心
[0048]O
20
:交点
[0049]O:起始点
[0050]P:工具中心校正点
[0051]Rs:圆球半径
[0052]R0,R
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法，包含以下步骤：将已知半径的圆球设置于机械手臂的法兰面上，备置距离感测模块与轮廓传感器，该距离感测模块包括至少三个距离传感器，该三个距离传感器的轴线共感测平面且相交于交点；该圆球、该机械手臂、该法兰面、该距离感测模块与该轮廓传感器分别具有圆球坐标系、机械手臂坐标系、法兰面坐标系、距离感测模块坐标系、轮廓传感器坐标系；控制该机械手臂移动，使该圆球分别沿着该机械手臂坐标系的三轴向移动，以建立该机械手臂坐标系与该距离感测模块坐标系的转换关系；利用该距离感测模块的距离感测信息，控制该机械手臂以不同姿态使该圆球的球心移动到该交点，使该距离感测模块坐标系原点与该圆球的球心重合，并记录该机械手臂各轴关节角度为工具中心点校正点信息；计算该圆球的球心相对该法兰面坐标系的位置以作为该工具中心点的坐标；控制该机械手臂到达不同位置，使该轮廓传感器可提取圆球信息，并由该轮廓传感器取得该圆球的剖面轮廓信息，并利用圆拟合方法搭配毕氏定理计算出圆心位置，以作为轮廓传感器坐标系相对关系校正点信息；以及计算该轮廓传感器坐标系与该机械手臂坐标系的相对关系，将计算所得的坐标值输入至控制模块，完成校正。2.如权利要求1所述的机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法，其中该步骤(b)还包括以下步骤：(a1)控制该机械手臂移动，使该圆球分别沿着该机械手臂坐标系的三轴向移动，使该三个距离传感器同时读取各自与该圆球的距离信息，且移动起始位置的该距离感测模块所构成的该感测平面不与该圆球的最大半径的剖面位置共平面，并记录此坐标相对于该距离感测模块坐标系的坐标；(b1)利用该三个距离传感器所感测的距离信息，计算出该圆球于该感测平面上至少三点相对于距离感测模块坐标系的坐标，并计算出剖面圆心的位置作为起始点；(c1)将该机械手臂由该起始点，分别沿着该机械手臂坐标系的X、Y、Z三轴方向移动任意长度，分别计算出该机械手臂坐标系X、Y、Z三轴方向相对于该距离感测模块坐标系的向量；以及(d1)利用步骤(c1)计算出的该机械手臂坐标系X、Y、Z三轴方向相对于该距离感测模块坐标系的向量，计算得到该机械手臂坐标系与该距离感测模块坐标系的转换关系。3.如权利要求2所述的机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法，其中该步骤(b1)还包括以下步骤：(a11)利用该三个距离传感器计算出三点圆坐标A0、B0、C0；(b11)将该圆坐标A0、该圆坐标B0两点，与该圆坐标B0、该圆坐标C0两点分别构成二直线并计算出各自的中垂线，再以该两条中垂线计算出该剖面圆心相对于距离感测模块坐标系的坐标；(c11)以步骤(b11)计算出的该圆心的该坐标计算该剖面圆的半径；以及(d11)以毕氏定理计算出该圆球的球心位置相对于该剖面圆的高度。4.如权利要求3所述的机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法，其中该步骤(d11)中，若该球心位于该剖面圆下方，则该剖面圆的该高度<0；若该球心位于该剖
面圆上方，则该剖面圆的该高度>0。5.如权利要求1所述的机械手臂与轮廓传感器坐标系相对关系的自动校正方法，其中该步骤(c)还包括以下步骤：(a2)利用该距离感测模块的距离感测信息，取得该剖面圆上至少三点圆坐标并计算剖面圆中心坐标，以控制该剖面圆的中心与该距离感测模块坐标系的Z轴方向重合；(b2)根据该机械手臂坐标系与该距离感测模块坐标系的转换关系控制该机械手臂运动，并利用该距离感测...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄成凯，陈祉翔，陈俊皓，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：