机械手臂的工具校正装置的制作方法

本发明是关于一种工具校正装置，尤指一种机械手臂的工具校正装置。

背景技术：

随着工业科技的进步，各式各样的机器人已广泛地被研发以应用于生活及产业中。一般而言，机械手臂是机器人的重要元件，且机械手臂会于其端部装配工具来进行所需的任务。举例而言，该工具可为焊接工具、钻孔工具、抓持工具、研磨工具或切割工具。固定于机械手臂的端部的工具需具有一定义的端点，称为工具中心点(Tool Center Point，以下简称TCP)。当工具设置于机械手臂的端部时，该工具的TCP与机械手臂的末端效应点(End-Effect Point)之间相对的偏移量必须精确地取得且预先设定。换言之，在机械手臂装配工具时必须先知道工具的尺寸，如此一来，当机械手臂在装配工具运作时，机器人程序可依据取得的偏移量进行校正，藉此使该工具可以运行于正确路径及位置。

目前，为了方便校正工具的TCP，可使用工具校正装置来实现。传统工具校正装置包含框体及多个红外线感测器。当工具装配于机械手臂的端部时，即进行工具校正程序。首先，将工具朝工具校正装置移动，且进行工具的点位模拟与教导程序，即机械手臂带动工具于工具校正装置的框体所定义的空间内移动，且工具校正装置根据该工具的TCP的移动而进行教导点位程序并建立此工具的样本。如此一来，当更换相同型态的工具时，工具校正装置便可比较工具更换前后所产生的偏差量，并使机械手臂可以对工具正确性进行补偿，使完成工具校正程序。

然而，具有红外线感测器的传统工具校正装置价格相当昂贵。此外，当装配于机械手臂的工具以相同型态的工具更换时，虽然具红外线感测器的传统工具校正装置可以取得工具的TCP与机械手臂的末端效应点之间相对的偏移量，然而当装配于机械手臂的工具以不同型态的工具更换时，具红外线感测器的传统工具校正装置并无法正确地取得工具的TCP与机械手臂的末端效应点之间 相对的偏移量，因此以传统工具校正装置进行工具校正的正确性降低。此外，工具的错位将造成整个产线停机且浪费材料、时间与成本。

因此，实有必要发展一种机械手臂的工具校正装置，以解决先前技术所面临的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机械手臂的工具校正装置，其成本较低且可模块化组装。此外，本发明的工具校正装置可正确地量测与取得工具的TCP与机械手臂的末端效应点之间相对的偏移量，藉此机械手臂可以快速地对工具正确性进行补偿，以确保工具的正确运作位置。相较于人工校正方式，利用本发明的工具校正装置不只可以节省操作时间，且可以实现工具的高精度校正。

为达上述目的，本发明提供一种工具校正装置，应用于具有工具的机械手臂，机械手臂带动工具移动，工具校正装置包含基座、X轴量测装置、Y轴量测装置及Z轴量测装置。基座具有凹陷部。X轴量测装置设置于基座上，且包含第一量测板及第一感测器，其中第一量测板于X轴轴向移动，且第一感测器于工具驱使第一量测板移动时感测第一量测板所移动的第一位移量。Y轴量测装置设置于基座上且与X轴量测装置的一侧相邻设，并且包含第二量测板及第二感测器，其中第二量测板于Y轴轴向移动，且第二感测器于工具驱使第二量测板移动时感测第二量测板所移动的第二位移量。Z轴量测装置，设置于凹陷部且具有两相邻侧分别与X轴量测装置及Y轴量测装置相邻设，并且包含第三量测板及第三感测器，其中第三量测板于Z轴轴向移动，且第三感测器于工具驱使第三量测板移动时感测第三量测板所移动的第三位移量。其中，根据工具于X轴、Y轴及Z轴移动所感测取得的第一位移量、第二位移量及第三位移量，以取得关于工具的工具中心点的信息，使进行工具的工具中心点的校正。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为本发明第一实施例的工具校正装置的结构示意图。

图1B为图1A所示的工具校正装置的结构侧视图。

图2A为机器手臂装配工具应用于本发明的工具校正装置的结构示意图。图2B为图2A所示结构的局部放大图。

图3为机器手臂装配工具应用于工具校正装置时的运作流程图。

图4A为本发明第二实施例的工具校正装置的结构示意图。

图4B为图4A所示的工具校正装置的结构侧视图。

图5A为本发明第三实施例的工具校正装置的结构示意图。

图5B为图5A所示的工具校正装置的结构侧视图。

图6A为本发明第四实施例的工具校正装置的结构示意图。

图6B为图6A所示的工具校正装置的结构侧视图。

图7A为本发明第五实施例的工具校正装置的结构示意图。

图7B为图7A所示的工具校正装置的结构侧视图。

其中，附图标记

1、1a、1b、1c、1d：工具校正装置

10：基座

101：槽部

101a：顶面

143a、243a：第一侧壁面

102：凹陷部

102a：底面

10a：X轴量测装置

11：第一量测板

11a：第一滑动部

11b：第一量测部

11c：第一侧壁

111c：外侧面

112c、212c：内侧面

12：第一感测器

12a：第一感测槽

13：第一线性轨道

13a：第一侧

13b：第二侧

14：第一弹性元件

14a：第一弹簧

144a：第一侧壁面

14b：第一柱

10b：Y轴量测装置

21：第二量测板

21a：第二滑动部

21b：第二量测部

21c：第二侧壁

22：第二感测器

22a：第二感测槽

23：第二线性轨道

23a：第一侧

23b：第二侧

24：第二弹性元件

24a：第二弹簧

24b：第二柱

10c：Z轴量测装置

31：第三量测板

31a：第三滑动部

31b：第三量测部

31c：第三侧壁

32：第三感测器

32a：第三感测槽

33：第三线性轨道

34：第三弹性元件

34a：第三弹簧

34b：第三柱

101c：第一侧

102c：第二侧

103c：顶面

103：感测空间

2：机械手臂

2a：末端效应点

3：工具

3a：连接端

3b：工具中心点

S1-S6：步骤

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

图1A为本发明第一实施例的工具校正装置的结构示意图，图1B为图1A所示的工具校正装置的结构侧视图，图2A为机器手臂装配工具应用于本发明的工具校正装置的结构示意图(机器手臂以平面关节型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm,SCARA)为例，但不以此为限)，图2B为图2A所示结构的局部放大图。如图1A、1B、2A及2B所示，本发明的工具校正装置1用于校正机械手臂2的端部所装配的工具3，以使机械手臂2在执行所需任务时可以确保工具3运作于正确位置。工具校正装置1包括基座10、X轴量测装置10a、Y轴量测装置10b及Z轴量测装置10c，其中基座10包含多个槽部101及一凹陷部102。X轴量测装置10a及Y轴量测装置10b分别设置于基座10上，而Z轴量测装置10c则设置于基座10的凹陷部102，其中X轴量测装置10a的一侧与Y轴量测装置10b的一侧相邻设置，且X轴量测装置10a与Y轴量测装置10b分别邻设于Z轴量测装置10c的第一侧101c及第二侧102c并部分高出Z轴量测装置10c的顶面103c，藉此使X轴量测装置10a、Y轴量测装置10b及Z轴量测装置10c定义形成感测空间103。

X轴量测装置10a包含第一量测板11、第一感测器12、第一线性轨道13 及第一弹性元件14。于本实施例中，第一感测器12是邻设于第一线性轨道13的第一侧13a，而第一弹性元件14则是邻设于第一线性轨道13的第二侧13b。第一量测板11包含第一滑动部11a、第一量测部11b及第一侧壁11c，其中第一量测部11b与第一感测器12对应设置，用以感测第一量测部11b的位移量。第一感测器12包含第一感测槽12a，且第一感测槽12a与第一量测板11的第一量测部11b对应设置，藉此使第一量测板11的第一量测部11b可于第一感测槽12a内移动，如此一来，第一量测部11b的位移量可利用第一感测器12量测与取得。较佳地，第一感测器12为位置感测器。第一线性轨道13固定于基座10的顶面，且第一量测板11的第一滑动部11a与第一线性轨道13相配合，藉此第一量测板11可滑动于第一线性轨道13上。第一弹性元件14设置于基座10的对应的槽部101内，并包含第一弹簧14a及第一柱14b，其中第一弹簧14a套设于第一柱14b，且第一弹簧14a与第一量测板11的第一侧壁11c相对应设置，详言之，第一弹簧14a的一端抵顶于第一侧壁11c的外侧面111c，而第一弹簧14a的另一端则是抵顶于槽部101的第一侧壁面143a，藉此当第一量测板11的第一侧壁11c施力于第一弹簧14a时，第一弹簧14a被压缩且产生弹性恢复力，以使第一量测板11移动回复至原来位置。

Y轴量测装置10b包含第二量测板21、第二感测器22、第二线性轨道23及第二弹性元件24。于本实施例中，第二感测器22是邻设于第二线性轨道23的第一侧23a，而第二弹性元件24则是邻设于第二线性轨道23的第二侧23b。第二量测板21包含第二滑动部21a、第二量测部21b及第二侧壁21c，其中第二量测部21b与第二感测器22对应设置，用以感测第二量测部21b的位移量。第二感测器22包含第二感测槽22a，且第二感测槽22a与第二量测板21的第二量测部21b对应设置，藉此使第二量测板21的第二量测部21b可于第二感测槽22a内移动，如此一来，第二量测部21b的位移量可藉由第二感测器22量测与取得。较佳地，第二感测器22为位置感测器。第二线性轨道23固定于基座10的顶面，且第二量测板21的第二滑动部21a与第二线性轨道23相互配合，藉此第二量测板21可滑动于第二线性轨道23上。第二弹性元件24设置于基座10的对应的槽部101内，并包含第二弹簧24a及第二柱24b，其中第二弹簧24a套设于第二柱24b，且第二弹簧24a与第二量测板21的第二侧壁21c相对应设置，详言之，第二弹簧24a的一端抵顶于第二侧壁21c的外侧 面(未图示)，而第二弹簧24a的另一端则是抵顶于槽部101的第一侧壁面243a，藉此当第二量测板21的第二侧壁21c施力于第二弹簧24a时，第二弹簧24a被压缩且产生弹性恢复力，以使第二量测板21移动回复至原来位置。

Z轴量测装置10c包含第三量测板31、第三感测器32、第三线性轨道33及第三弹性元件34。第三量测板31包含第三滑动部31a、第三量测部31b及第三侧壁31c，其中第三量测部31b与第三感测器32对应设置，用以感测第三量测部31b的位移量。第三感测器32设置于凹陷部102的底面102a，且包含第三感测槽32a，与第三量测板31的第三量测部31b对应设置，藉此使第三量测板31的第三量测部31b可于第三感测槽32a内移动，如此一来，第三量测部31b的位移量可藉由第三感测器32量测与取得。较佳地，第三感测器32为位置感测器。第三线性轨道33邻设于凹陷部102的侧边，且第三量测板31的第三滑动部31a与第三线性轨道33相互配合，藉此第三量测板31可滑动于第三线性轨道33上。第三弹性元件34设置于凹陷部102的底面102a，且包含第三弹簧34a及第三柱34b，第三柱34b垂直连接于凹陷部102的底面102a，其中第三弹簧34a套设于第三柱34b，且第三弹簧34a与第三量测板31的第三侧壁31c相对应设置，详言之，第三弹簧34a的一端抵顶第三侧壁31c的侧面，而第三弹簧34a的另一端则是抵顶于凹陷部102的底面102a，藉此当第三量测板31的第三侧壁31c施力于第三弹簧34a时，第三弹簧34a被压缩且产生弹性恢复力，以使第三量测板31移动回复至原来位置。

工具3包含连接端3a与工具中心点3b(即末端点)，其中连接端3a与机械手臂2的末端效应点2a相固定且连接，而工具3的工具中心点3b则可移动于X轴量测装置10a、Y轴量测装置10b及Z轴量测装置10c所形成感测空间103中，换言之，机械手臂2可驱动工具3使其工具中心点3b移动于感测空间103内。

以下将进一步叙述工具校正装置1的运作方式。首先，以X轴向感测为例，当机械手臂2带动工具3以X轴轴向移动时，工具3的工具中心点3b以X轴轴向移动于感测空间103中，且从原来位置向第一量测板11移动。工具3将会碰触到第一量测板11并推动第一量测板11沿着第一线性轨道13滑动。此时，第一量测板11的第一侧壁11c会对第一弹性元件14的第一弹簧14a施力，使第一弹簧14a产生弹性恢复力，且第一量测板11的第一量测部11b会 移动并置入第一感测器12的第一感测槽12a内，如此一来，第一感测器12便可根据第一量测部11b的位移量取得工具3在X轴轴向的位移参数，即第一位移量。之后，机械手臂2会带动工具3沿X轴轴向以相反方向移动，而使得第一量测板11因第一弹簧14a的弹性恢复力而移动回复至原来位置。

接着，以Y轴向感测为例，当机械手臂2带动工具3以Y轴轴向移动时，工具3的工具中心点3b以Y轴轴向移动于感测空间103中，且从原来位置向第二量测板21移动。工具3将会碰触到第二量测板21并推动第二量测板21沿着第二线性轨道23滑动。此时，第二量测板21的第二侧壁21c会对第二弹性元件24的第二弹簧24a施力，使第二弹簧24a产生弹性恢复力，且第二量测板21的第二量测部21b会移动并置入第二感测器22的第二感测槽22a内，如此一来，第二感测器22便可根据第二量测部21b的位移量取得工具3在Y轴轴向的位移参数，即第二位移量。之后，机械手臂2会带动工具3沿Y轴轴向以相反相向移动，而使得第二量测板21因第二弹簧24a的弹性恢复力而移动回复至原来位置。

再来，以Z轴向感测为例，当机械手臂2带动工具3以Z轴轴向移动时，工具3的工具中心点3b以Z轴轴向移动于感测空间103中，且从原来位置向第三量测板31移动。工具3将会碰触到第三量测板31并推动第三量测板31沿着第三线性轨道33滑动。此时，第三量测板31的第三侧壁31c会对第三弹性元件34的第三弹簧34a施力，使第三弹簧34a产生弹性恢复力，且第三量测板31的第三量测部31b会移动并置入第三感测器32的第三感测槽32a内，如此一来，第三感测器32便可根据第三量测部31b的位移量取得工具3在Z轴轴向的位移参数，即第三位移量。之后，机械手臂2会带动工具3沿Z轴轴向以相反方向移动，而使得第三量测板31因第三弹簧34a的弹性恢复力而移动回复至原来位置。

经过X轴、Y轴及Z轴三轴轴向的感测后，即可取得工具3的工具中心点3b与机械手臂2的末端效应点2a之间相对于X-Y-Z空间的偏移量，如此一来，机械手臂2便可根据偏移量控制工具3进行工具精度补偿。

图3为机器手臂装配工具应用于工具校正装置时的运作流程图。首先，将工具校正装置1设置于机械手臂2的正下方，并取得工具校正装置1与机械手臂2之间的距离参数(如步骤S1)。接着，将工具3装配于机械手臂2的端部， 使机械手臂2带动工具3移动至工具校正装置1，以使工具3的工具中心点3b位于感测空间103中(如步骤S2)。再来，机械手臂2带动工具3以X轴轴向移动，且工具3碰触并推动第一量测板11移动，使第一量测部11b移动置入第一感测槽12a内，使第一感测器12取得工具3在X轴向的位移参数(即第一位移量)，并于X轴向的位移参数取得后，机械手臂2会带动工具3沿X轴向以相反方向移动，而使得第一量测板11移动回复至原来位置(如步骤S3)。再来，机械手臂2带动工具3以Y轴轴向移动，且工具3碰触并推动第二量测板21移动，使第二量测部21b移动置入第二感测槽22a内，使第二感测器22取得工具3在Y轴向的位移参数(即第二位移量)，并于Y轴向的位移参数取得后，机械手臂2会带动工具3沿Y轴向以相反方向移动，而使得第二量测板21移动回复至原来位置(如步骤S4)。再来，机械手臂2带动工具3以Z轴轴向移动，且工具3碰触并推动第三量测板31移动，使第三量测部31b移动置入第三感测槽32a内，使第三感测器32取得工具3在Z轴向的位移参数(即第三位移量)，并于Z轴向的位移参数取得后，机械手臂2会带动工具3沿Z轴向以相反方向移动，而使得第三量测板31移动回复至原来位置(如步骤S5)。最后，经过X轴、Y轴及Z轴三轴轴向的感测后，即可取得工具3的工具中心点3b与机械手臂2的末端效应点2a之间相对于X-Y-Z空间的偏移量，使机械手臂2可根据偏移量控制工具3进行工具精度补偿(如步骤S6)。

应注意的是，工具校正装置1并不局限于上述的实施例。图4A至7B显示本发明图1A及1B所示的工具校正装置1的各种可能变化例，且于图4A至7B中，相似于图1A及1B所示的工具校正装置1的结构及元件特征以相同元件符号表示，于后文不再赘述。

图4A为本发明第二实施例的工具校正装置的结构示意图，以及图4B为图4A所示的工具校正装置的结构侧视图。相较于图1A及图1B所示的工具校正装置1，本实施例的工具校正装置1a的第一弹簧14a及第二弹簧24a设置于不同的位置。第一弹簧14a的一端固定于槽部101的第一侧壁面144a，而第一弹簧14a的另一端则固定于第一侧壁11c的内侧面112c。当第一量测板11于X轴轴向移动时，第一量测板11的第一侧壁11c对应地移动，如此一来，第一量测板11的第一侧壁11c便会拉伸第一弹簧14a，使第一弹簧14a产生弹性恢复力，而可使第一量测板11移动回复至原来位置。此外，第二弹簧24a 的一端固定于槽部101的第二侧壁面(未图示)，而第二弹簧24a的另一端则固定于第二侧壁21c的内侧面212c。当第二量测板21于Y轴轴向移动时，第二量测板21的第二侧壁21c对应地移动，如此一来，第二量测板21的第二侧壁21c便会拉伸第二弹簧24a，使第二弹簧24a产生弹性恢复力，而可使第二量测板21移动回复至原来位置。

图5A为本发明第三实施例的工具校正装置的结构示意图，以及图5B为图5A所示的工具校正装置的结构侧视图。相较于图1A及图1B所示的工具校正装置1，本实施例的工具校正装置1b的基座10并不具有对应的槽部101，且第一弹性元件14及第二弹性元件24分别设置于基座10的顶面101a上。

图6A为本发明第四实施例的工具校正装置的结构示意图，以及图6B为图6A所示的工具校正装置的结构侧视图。相较于图1A及图1B所示的工具校正装置1，本实施例的工具校正装置1c的基座10同样不具有对应的槽部101，且第一弹性元件14及第二弹性元件24同样也是分别设置于基座10的顶面101a上。此外，第一感测器12是设置于第一线性轨道13的第二侧13b，而第一弹性元件14则是设置于第一线性轨道13的第一侧13a。另外，第二感测器22是设置于第二线性轨道23的第二侧23b，而第二弹性元件24则是设置于第二线性轨道23的第一侧23a。

图7A为本发明第五实施例的工具校正装置的结构示意图，以及图7B为图7A所示的工具校正装置的结构侧视图。相较于图1A及图1B所示的工具校正装置1，本实施例的工具校正装置1d采用不同的感测器，也就是说，本实施例的第一感测器12、第二感测器22及第三感测器32分别可使用接触式开关，其与前述实施例的感测器的差别在于：当第一量测部11b、第二量测部21b或第三量测部31b移动并碰触到接触式开关时，接触式开关系可对应地感测第一量测部11b、第二量测部21b及第三量测部31b的位移量。因此，接触式开关与感测器同样可测得第一量测部11b、第二量测部21b及第三量测部31b的位移量。

综上所述，本发明提供一种机械手臂的工具校正装置，其成本较低且可模块化组装。此外，本发明的工具校正装置可正确地量测与取得工具的TCP与机械手臂的末端效应点之间相对的偏移量，藉此机械手臂可以快速地对工具正确性进行补偿，以确保工具的正确运作位置。相较于人工校正方法，利用本发 明的工具校正装置不只可以节省操作时间，且可以实现工具的高精度校正。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。