机器手臂校正坐标的方法与流程

本发明涉及一种机器手臂，尤其是涉及工业机器手臂及其工具中心的坐标校正方法。

背景技术：

机器手臂具有灵活移动、精确定位及连续性作业的特性，虽然已成为产品生产线上制造组装的最佳利器。但是机器手臂经由多轴的致动器的驱动、磨耗及构件制造组装误差，形成控制及实际移动坐标的差异，导致无法精确定位，因此校正坐标为机器手臂的重要课题。

现有技术校正机器手臂的坐标时，通常驱动机器手臂的工具中心点(toolcenterpoint，简称tcp)，直接接触已知坐标的参考点，校正机器手臂的工具中心点的坐标。但未经校正的机器手臂，移动误差过大时，常碰撞参考点，造成机器手臂的工具及参考点仪器的毁损。因此另有现有技术，利用激光测距仪等精密测量仪器，测量工具中心点的坐标，虽可非接触式校正坐标，但激光测距仪费用高，且需要较大的装设空间，形成使用上的限制。因此另有现有技术美国公开专利案us20110320039，在机器手臂相对的已知坐标的方位，设置特定关系黑白相间的校正板，利用机器手臂上的相机提取黑白相间的校正板的影像，计算相机与已知坐标的校正板的相对关系，以校正机器手臂。

然而，前述现有技术机器手臂虽然可无接触式自动进行校正，但是各厂商的校正板种类繁多，每一型式的校正板均有自己独特安装架构及计算相对关系的方式，无法交互或相容使用，对使用多种型式或厂牌机器手臂的一般作业员，在使用维护管理上并不容易。因此，机器手臂在校正坐标上，仍有亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机器手臂校正坐标的方法，利用机器手臂上的相机提取标定方块的影像，通过标定方块与环境的差异识别标定方块的四角，取得中心点坐标，以快速对正相机的中心轴线。

本发明的再一目的在于提供一种机器手臂校正坐标的方法，利用深色标定方块过滤激光，获得标定方块边缘的亮端点，形成激光线条，再引导激光线条沿着相机中心轴线重合标定方块的中心点，以自动校正tcp的坐标。

本发明的另一目的在于提供一种机器手臂校正坐标的方法，在校正目标设置多种方位的标定方块，利用不同机器手臂的姿势，对校正目标的标定方块，进行校正tcp的坐标，以自动校正机器手臂的坐标。

为了达到前述发明的目的，本发明机器手臂校正坐标的方法，机器手臂的相机与激光装置具有固定相对关系，调整设定相机的中心轴线与激光装置的激光的交点为工具中心点，接着放置标定方块，利用相机提取标定方块的影像，经由影像处理区别出标定方块的四角，利用对角线相交获得标定方块的中心点坐标，移动相机的中心轴线对正标定方块的中心点，过滤投射至标定方块的激光，取得标定方块两边缘的亮端点，建立激光线条，在维持相机的中心轴线对正标定方块的中心点下，移动相机带动激光线条重合标定方块的中心点，将重合时标定方块的中心点的坐标设为控制工具中心点坐标。

本发明机器手臂校正坐标的方法的标定方块为可识别的颜色或深色或黑色正方块，用以吸收投射的激光，在标定方块两边缘产生明显亮度差异的亮端点，以取得两亮端点。而重合时为标定方块的中心点的坐标落在激光线条，并记录重合时记录相机、激光装置及标定方块的中心点的相对固定关系。此外，放置标定方块的中心点时，实际测量坐标，作为实际工具中心点坐标，比对控制工具中心点坐标与实际工具中心点坐标获得误差，以校正机器手臂工具中心点的坐标。

本发明另一实施例机器手臂校正坐标的方法，使机器手臂的相机与激光装置具有固定相对关系，接着设置具有已知坐标且包含标定方块的校正目标在相对机器手臂的固定位置，校正目标为立方体且在各方位面上分别设置多个标定方块，利用机器手臂的姿势带动相机提取校正目标的影像，自动选择校正目标上的一标定方块，经由影像处理区别出标定方块的四角，利用对角线相交获得该标定方块的中心点坐标，移动相机的中心轴线对正该标定方块的中心点，过滤投射至标定方块的激光，取得标定方块两边缘的亮端点，建立激光线条，在维持相机的中心轴线对正该标定方块的中心点下，移动相机带动激光线条重合标定方块的中心点，重合时记录该标定方块的中心点的控制坐标，检查机器手臂的姿势数量未达到预设阈值时，改变机器手臂的姿势带动相机重复校正步骤，检查机器手臂的姿势数量达到预设阈值时，将取得的标定方块的中心点的控制坐标，进行矩阵数列计算，取得校正参数，以校正机器手臂坐标。

附图说明

图1为本发明机器手臂校正坐标的示意图；

图2为本发明相机提取的标定方块影像图；

图3为本发明移动激光线条的示意图；

图4为本发明激光线条重合标定方块的中心点的影像图；

图5为本发明机器手臂校正坐标的方法的流程图；

图6为本发明另一实施例机器手臂校正坐标的示意图；

图7为本发明另一实施例机器手臂校正坐标的方法的流程图。

符号说明

1机器手臂

2轴臂

3致动器

4底座

5端末器

6相机

7激光装置

8工作架

9标定方块

10激光

11中心轴线

12影像

13四角

14中心点

15激光线条

16亮端点

17校正目标

tcp工具中心点

具体实施方式

有关本发明为达成上述目的，所采用的技术手段及其功效，现举优选实施例，并配合附图加以说明如下。

请同时参考图1及图2所示，图1为本发明机器手臂校正tcp坐标的示意图，图2为本发明相机提取的标定方块影像图。图1中本发明的机器手臂1由多个轴臂2间隔串联致动器3而成，一端固定在底座4，形成机器手臂坐标m，另一端在轴臂2的最后连结端末器5，端末器5可通过致动器3的转动记录，计算出在机器手臂坐标m的坐标。端末器5上设置相机6及激光装置7，相机5与端末器5具有固定相对关系，因此也可计算出在机器手臂坐标m的坐标。由机器手臂1带动提取工作架8上标定方块9的影像(参图2)，而激光装置7用以发射面状的扫描激光10。本发明的相机6与激光装置7具有固定相对关系，调整设定相机6的中心轴线11与激光装置7扫描激光10的交点为工具中心点(tcp)。

由于相机6虚拟的中心轴线11与激光装置7扫描激光10的交点tcp无法目视，因此机器手臂的tcp也无法直接目视决定。本发明为了取得机器手臂tcp的坐标，在工作架8上放置标定方块9，标定方块9可为黑色正方块，本实施例的标定方块9虽以黑色正方块举例说明，但包含且不限于黑色正方块，凡可易于识别的颜色或深色，且易于决定中心点的方块，都属于本发明的发明范畴。

本发明的机器手臂1带动相机6提取工作架8上标定方块9的影像12，如图2中标定方块9的影像12，利用相机6提取影像12的焦距、影像12的中心及像素，由已知坐标的相机6可计算出影像12各点的坐标。由于影像12中黑色的标定方块9与周围浅色环境明显差异，经由影像处理可快速区别出标定方块9，并决定标定方块9四角13的坐标，利用标定方块9正方块的对角线相交形成中心点14，获得标定方块9的中心点14的坐标。接着利用机器手臂1带动相机6，使相机6的中心轴线11对正标定方块9的中心点14。

图2中，激光装置7发射面状的扫描激光10，在影像12形成横越标定方块9的激光线条15，激光的激光线条15相对较亮，但投射在黑色的标定方块9的激光线条15，受黑色的标定方块9吸收光线，亮度相对黯淡许多，因而在标定方块9两边缘产生明显亮度差异的亮端点16，以利取得两亮端点16的坐标，利用两亮端点16构成的直线就可定位激光线条15。

请同时参考图3及图4所示，图3为本发明移动激光线条的示意图，图4为本发明激光线条重合标定方块的中心点的影像图。图3中在维持相机6的中心轴线11对正标定方块9的中心点14下，机器手臂带动相机6沿着中心轴线11移动激光装置7，使激光装置7发射的激光线条15移向标定方块9的中心点14。图4中当中心点14的坐标落在激光线条15时，就可确认激光线条15重合中心点14。再记录相机6、激光装置7及中心点14的相对固定关系，并利用相机6提取影像12的焦距、影像12的中心及像素，计算中心点14的坐标，将中心点14的坐标设为tcp的坐标。

前述tcp的坐标为根据机器手臂控制获得的控制tcp坐标，如果机器手臂已经校正，控制tcp坐标就是实际的tcp坐标。否则在工作架8上放置标定方块9时，就可通过实际测量标定方块9的中心点14坐标，以中心点14坐标作为实际tcp坐标，利用比对控制tcp坐标与实际测量的中心点14的坐标，获得控制tcp坐标与实际tcp坐标的误差，进一步校正机器手臂tcp的坐标。

如图5所示，为本发明机器手臂校正坐标的方法的流程图。本发明机器手臂校正坐标的方法的详细步骤说明如下:在步骤s1，开始校正tcp时，使本发明的相机与激光装置具有固定相对关系，调整设定相机的中心轴线与激光装置扫描激光的交点为tcp；步骤s2，放置标定方块；步骤s3，利用相机提取标定方块的影像；步骤s4，经由影像处理区别出标定方块，取得标定方块四角，利用对角线相交获得标定方块的中心点坐标；接着步骤s5，移动相机的中心轴线对正标定方块的中心点；步骤s6，过滤激光装置发射在标定方块的激光，取得标定方块两边缘明亮的亮端点，建立激光线条；步骤s7，在维持相机的中心轴线对正标定方块的中心点下，移动相机带动激光线条，使激光线条重合标定方块的中心点；步骤s8，记录重合时相机、激光装置及中心点的相对固定关系，将中心点的坐标设为控制tcp坐标；步骤s9，将控制tcp坐标比对标定方块的中心点的已知实际坐标，进行校正补偿；然后在步骤s10，结束tcp坐标校正。

因此，本发明机器手臂校正坐标的方法，就可利用机器手臂上的相机提取标定方块的影像，并通过标定方块与环境的颜色明显差异，快速识别标定方块的四角的坐标，由对角线的交点计算出中心点坐标，让机器手臂自动移动相机的中心轴线，快速对正中心点。再利用深色标定方块过滤激光，获得标定方块两边缘的亮端点，形成激光线条，再让相机沿着中心轴线引导激光线条重合标定方块的中心点，在非实体接触避免毁损下，取得控制的tcp坐标，再与实际测量的中心点坐标比较，进一步达到自动校正tcp坐标的目的。

如图6所示，为本发明另一实施例机器手臂校正坐标的方法的示意图。本实施例基本上利用前述实施例校正tcp坐标的技术，进行校正机器手臂的坐标。为简化说明，与前实施例相同构件沿用相同件号，合先叙明。本实施例在校正目标17的各方位面上，分别设置多个标定方块9，再将校正目标17设置在相对机器手臂1的底座4的固定位置，并具有已知的机器手臂坐标。本实施例校正目标17虽以立方体举例说明，但包含且不限于立方体，例如多面体亦可。

接着进行校正机器手臂1，由机器手臂1带动相机6提取校正目标17的影像，自动选择校正目标17上的一标定方块9，进行前实施例tcp校正步骤，即提取选定的标定方块9的影像，识别标定方块9的四角，由对角线决定标定方块9的中心点，自动移动相机6的中心轴线11对正标定方块9的中心点，接着过滤激光装置7投射激光形成激光线条，使相机6沿着中心轴线11移动下，带动激光线条与标定方块9的中心点重合，视为tcp与中心点重合，以取得控制的tcp坐标，作为选定的标定方块9的中心点的控制坐标。接着改变机器手臂1的姿势，选定另一标定方块9，重复前述tcp校正步骤，直到改变机器手臂1的姿势数量达到预设阈值，再将前述取得的标定方块9的中心点的控制坐标，进行例如jacobianmatrix等现有技术的矩阵数列计算，取得坐标校正的参数，以完成机器手臂坐标的校正。

如图7所示，为本发明另一实施例机器手臂校正坐标的方法的流程图。本实施例机器手臂校正坐标的方法的详细步骤说明如下:在步骤t1，开始校正机器手臂的坐标；步骤t2，将已知坐标且包含标定方块的校正目标设置在相对机器手臂的固定位置；步骤t3，自动选择校正目标上的一标定方块，进行tcp校正；步骤t4，记录选择标定方块中心点控制坐标；接着步骤t5，检查改变机器手臂的姿势数量是否达到预设阈值？假如姿势数量未达到预设阈值，则进入步骤t6，改变机器手臂的姿势，再回到步骤t3重复步骤，假如姿势数量达到预设阈值，则进入步骤t7，取得的标定方块的中心点的控制坐标，进行矩阵数列计算，取得校正参数，以进行校正机器手臂坐标；然后在步骤t8，结束坐标校正。

因此，本发明机器手臂校正坐标的方法，就可在校正目标设置多种方位的标定方块，利用不同机器手臂的姿势，对校正目标的标定方块，进行校正tcp的坐标，再将取得的标定方块的中心点坐标，利用矩阵数列计算校正参数，达到未接触的自动校正机器手臂坐标的目的。

以上所述者，仅为用以方便说明本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该等优选实施例，凡依本发明所做的任何变更，在不脱离本发明的精神下，都属本发明的保护范围。