基于相机的自动对准的系统和方法技术方案

一种基于相机的自动对准方法可以包括通过机械臂的夹持器单元来夹持第一校准工具。连接到所述夹持器单元的相机可以捕获所述第一校准工具的图像。可以在两个大致平行轴上对准所述夹持器单元和相机单元。可以分析所述图像以校准所述相机视场轴与所述夹持器轴，从而提供所述机械臂的XY校准。通过使用提供在第二校准工具上的地标来光学校准，和/或通过将所述夹持器单元向所述工作表面移动直到所述夹持器单元与所述工作表面接触并停止，可以在Z轴上校准所述夹持器单元。一旦所述相机被校准，就可以使用相机来识别在所述工作表面上的已知位置的一个或多个地标，以对准所述机械臂与所述工作表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请案相关申请的交叉引用本申请要求下列申请的优先权：Stefan Rueckl于2012年10月5日提交的标题为“自动对准的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT)”的美国临时专利申请号61/710,612；Stefan Rueckl等人于2012年12月21日提交的标题为“自动对准的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT)”的美国临时专利申请号61/745,252；以及Stefan Rueckl等人于2013年3月5日提交的标题为“自动对准的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT)”的美国临时专利申请号61/772,971，这些申请各自为了达到所有目的以引用的方式整体并入本文。本申请涉及Stephan Otts于2013年10月4日提交的标题为“基于激光的自动对准的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR LASER-BASED AUTO ALIGNMENT)”的美国专利申请号_________(尚未分配申请号)，所述申请为了达到所有目的以引用的方式整体并入本文。
技术介绍
当实验室自动化系统(LAS)被安装在客户现场时，服务技术员对准系统的元件，例如，框架、机械臂的XY台架、以及工作表面上的抽屉，以使机械臂能够精确地夹持样品管并将样品管从一个位置转移到另一个位置。通常，手动完成机械臂与工作空间的对准。手动对准是缓慢而昂贵的方法，特别是在可能包括每个必须被单独对准的几个机械臂的复杂的LAS上更是如此。另外，手动对准有可能将人为错误引入每个对准。自动对准方法允许更少的服务技术员在更短的时间内安装和对准更多的LAS，并且由于人为错误造成的不正确的对准的风险更小。在典型的LAS中，每个机械臂被固定在工作表面上方的台架，工作表面可以包括例如架子中的试管，其可以被移动到工作表面上的不同的位置或者工具。例如，将试管从分配架移动到离心机适配器。夹持运动需要精确，以避免各种问题。例如，如果机械臂无法夹持管，或者如果机械臂成功地夹持所选管，但由于未对准而破坏了管。常规的手动对准可能包括各种步骤，诸如通过手或者使用外部驱动电机将夹持器臂手动定位到工作表面上的几个不同的位置。另外，对于工作表面上的架子或者抽屉，需要单独对准机械臂。服务技术员手动对准的这个程序可能每个机械臂需要花费几个小时到一天时间。本专利技术的实施例解决这些和其他问题。
技术实现思路
本文公开根据实施例的一种自动对准方法和相关技术布置，以在实验室自动化系统(LAS)内校准和/或对准机械臂与夹持器单元。在基于相机的对准系统中，相机可以在夹持器单元的位置附接到XYZ机器人以允许机械臂获取在夹持器位置下面的工作表面的图像。通过在安装期间对准相机的光轴与机械臂的轴，可以在安装相机时执行相机和机械臂的对准。然而，准确地安装相机，并且确保相机不改变位置，可能在涉及多个机械臂的复杂系统中成本过高。因此，利用相机的自动对准程序可以降低与将相机精确地附接到机械臂相关联的生产成本，以及提供在相机的位置移动或者以其他方式变得未对准的情况下重新对准相机-机械臂系统的现成的方法。根据实施例，一种基于相机的自动对准方法可以包括通过机械臂的夹持器单元来夹持第一校准工具。连接到夹持器单元的相机可以捕获第一校准工具的图像。可以在两个大致平行轴上对准夹持器单元和相机单元。可以分析图像以校准相机视场轴与夹持器轴，从而提供机械臂的XY校准。通过使用提供在第二校准工具上的地标来光学校准，和/或通过将夹持器单元向工作表面移动直到夹持器单元与工作表面接触并停止，可以在Z轴上校准夹持器单元。一旦相机被校准，就可以使用相机来识别在工作表面上的已知位置的一个或多个地标，以对准机械臂与工作表面。附图说明图1示出根据本专利技术的实施例的XYZ机器人的相机-夹持器布置。图2示出根据本专利技术的实施例的用于基于相机的自动对准的多个地标设计。图3示出根据本专利技术的实施例的X-Y校准工具。图4示出根据本专利技术的实施例的Z校准工具。图5示出根据本专利技术的实施例的实验室自动化系统(LAS)的实例。图6示出根据本专利技术的实施例的附接到Z轴壳体的相机单元和夹持器单元。图7示出根据本专利技术的实施例的校准XYZ机器人的方法。图8示出常见的径向失真的实例。图9示出根据本专利技术的实施例的X-Y校准的方法。图10示出根据本专利技术的实施例的在校准期间X-Y校准工具的路径的投影。图11示出根据本专利技术的实施例的在校准期间由图像捕获设备的成像属性所产生的椭圆。图12示出根据本专利技术的实施例的用于确定图像捕获设备的高度的地标的三角测量。图13示出根据本专利技术的实施方式的Z校准的方法。图14示出根据本专利技术的实施例的用于确定基于相机的自动对准系统的精度的系统。图15示出根据本专利技术的实施例的自动对准系统的框图。图16示出根据本专利技术的实施例的计算机装置的框图。具体实施方式在下面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本专利技术的各种实施例的全面的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实践本专利技术的实施例。在其他情况下，以框图形式示出公知的结构和设备。随后的描述仅仅提供示例性实施例，并且不旨在限制本公开的范围、应用性或者配置。确切地说，示例性实施例的随后的描述将向本领域技术人员提供用于实施示例性实施例的可行描述。应理解，在不脱离如在所附权利要求中阐述的本专利技术的精神和范围的情况下，可以在元件的功能和布置方面做出各种改变。在下面的描述中给出具体细节以提供对实施例的全面的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以不用这些具体细节来实践实施例。例如，为了在不必要的细节中不使实施例模糊，电路、系统、网络、过程和其他部件可以被示出为框图形式中的部件。在其他情况下，为了避免使实施例模糊，可以在没有不必要细节的情况下，示出公知的电路、过程、算法、结构和技术。图1示出根据实施例的XYZ机器人的相机-夹持器布置。根据实施例，公开一种使用作为光学测量工具的相机来自动对准的方法。机械臂可以包括夹持器单元100，其可操作以在实验室自动化系统(LAS)内夹持、拾取和移动工作表面上的物体。相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动对准的方法，包括：通过在第一轴上的在工作表面上方的第一高度的机械臂的夹持器单元夹持X‑Y校准工具；通过在第二轴上的相机获取在所述第一高度的所述X‑Y校准工具的图像，其中所述相机连接到所述夹持器单元；以及分析在所述第一高度的所述第一校准工具的图像，以确定所述第二轴与所述第一轴之间的偏移量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.05 US 61/710,612;2012.12.21 US 61/745,252;1.一种自动对准的方法，包括：
通过在第一轴上的在工作表面上方的第一高度的机械臂的夹持器
单元夹持X-Y校准工具；
通过在第二轴上的相机获取在所述第一高度的所述X-Y校准工具
的图像，其中所述相机连接到所述夹持器单元；以及
分析在所述第一高度的所述第一校准工具的图像，以确定所述第
二轴与所述第一轴之间的偏移量。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
使所述X-Y校准工具旋转通过所述相机的视场，其中所述X-Y校
准工具包括大体上平坦的部分，所述部分包括多个地标；以及
其中分析所述X-Y校准工具的图像包括：
识别多个椭圆路径，每个椭圆路径对应于所述图像中的所述地标
中的一个，
确定对应于所述第一轴的所述多个椭圆路径的中心点，
基于所述多个椭圆路径的中心点，确定所述第一轴与第二轴之间
的偏移量。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
定位所述机械臂使得所述相机在地标上方居中，并且记录以像素
为单位的所述地标的第一位置；
在X方向和Y方向上移动所述机械臂预定步长数，并且记录以像
素为单位的所述地标的第二位置；
基于所述第一位置与所述第二位置之间的差值以及所述预定步长
数，确定步长与像素的转换率。
4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
夹持在第二高度的所述X-Y校准工具；
通过所述相机获取在所述第二高度的所述X-Y校准工具的图像；
分析在所述第二高度的所述X-Y校准工具的图像，以确定所述第
二轴与所述第一轴之间的第二偏移量；
夹持在第三高度的所述X-Y校准工具；
通过所述相机获取在所述第三高度的所述X-Y校准工具的图像；
分析在所述第三高度的所述X-Y校准工具的图像，以确定所述
第二轴与所述第一轴之间的第三偏移量；以及
使用所述三个偏移量和三个高度来确定线性偏移函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述X-Y校准工具上的至少
一个地标为周期性重复的图案，并且其中分析所述X-Y校准工具的图
像以确定所述第二轴与所述第一轴之间的偏移量进一步包括：
分析所述图像以使用所述周期性重复的图案来确定至少一个失真
校正参数，其中所述至少一个失真校正参数可以用于校正所述图像中
的镜头相关的失真；以及
将所述至少一个失真校正参数应用于所述图像以产生失真校正图
像。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
识别工作表面上的一个或多个元件上的一个或多个地标，以对准
所述机械臂与所述工作表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述相机连接到所述夹持器
单元，使得在所述夹持器单元沿着正交于所述工作表面的Z轴移动时将
所述相机保持在固定的高度。
8.一种自动对准的方法，包括：
将机械臂的夹持器单元定位在Z校准工具上方的预定高度，其中
所述Z校准工具包括多个水平面上的多个地标；
在所述Z校准工具上的第一地标上方沿着Z轴校准所述夹持器单
元，其中校准包括：
沿着所述Z轴将所述夹持器单元向所述Z校准工具上的所述第一
地标移动直到所述夹持器单元与所述Z校准工具接触；以及
确定所述夹持器单元从所述预定高度到与所述Z校准工具接触所
行进的第一步长数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在第一地标上方沿着Z轴校
准所述夹持器单元进一步包括：
使用三角测量，在所述Z校准工具上的所述第一地标上方确定所
述夹持器单元的以像素为单位的第一高度。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
在所述Z校准工具上的至少两个额外的地标上方沿着所述Z轴校
准所述夹持器单元；以及
基于所述地标中的每个的校准结果，确定将以像素为单位的高度
转换成以步长为单位的高度的距离函数。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述Z校准工具上的至少一
个地标为周期性重复的图案，并且其中使用Z校准工具在Z轴上校准
所述夹持器进一步包括：
分析所述Z校准工具的图像以使用所述周期性重复的图案来确定
至少一个失真校正参数，其中所述至少一个失真校正参数可以用于校
正所述图像中的镜头相关的失真；以及
将所述至少一个失真校正参数应用于所述图像以产生失真校正图
像。
12.一种自动对准的方法，包括：
通过在第一轴上的夹持器单元夹持校准工具；
通过在第二轴上的相机获取所述校准工具的图像，其中所述相机

\t连接到所述夹持器；
分析所述图像以确定至少一个失真校正参数，其中所述至少一个
失真校正参数可...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特芬·勒克尔，塞巴斯蒂安·斯特莱布，麦纽尔·西克特，
申请(专利权)人：贝克曼考尔特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US