用于基于激光的自動對準的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于基于激光的自動對準的系統(tǒng)和方法
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本專利申請要求由Stefan Rueckl等人于2012年12月21日提交的名稱為“SYSTEM AND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT”(用于自動對準的系統(tǒng)和方法)的美國臨時專利申請N0.61/745，252和由Stefan Rueckl等人于2013年3月5日提交的名稱為“SYSTEMAND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT”(用于自動對準的系統(tǒng)和方法)的美國臨時專利申請N0.61/772, 971的優(yōu)先權，這些申請中的每一個全文以引用方式引入本文以用于所有目的。本專利申請涉及由Stefan Rueckl于2012年10月5日提交的名稱為“SYSTEM AND METHODFOR AUTO-ALIGNMENT”(用于自動對準的系統(tǒng)和方法)的美國臨時專利申請N0.61/710, 612和由Stefan Rueckl等人于2013年10月4日提交的名稱為“SYSTEM AND METHOD FORCAMERA-BASED AUTO-ALIGNMENT”(用于基于相機的自動對準的系統(tǒng)和方法)的美國專利申請N0._(專利申請N0.尚未轉讓)，這些申請中的每一個全文以引用方式引入本文以用于所有目的。
【背景技術】
[0003]當實驗室自動化系統(tǒng)(LAS)被安裝在客戶現(xiàn)場時，服務技術人員對準系統(tǒng)的元件，例如，框架、機械臂的XY臺架和工作表面上的抽屜，以使得機械臂能夠精確地夾持樣品管并將樣品管從一個位置轉移到另一個位置。通常，手動完成機械臂與工作空間的對準。手動對準是一個緩慢而高成本的過程，特別是在可包括必須每個單獨地對準的若干機械臂的復雜的LAS中。另外，手動對準有可能將人為錯誤引入到每次對準中。自動對準過程允許更少的服務技術人員在更少的時間內(nèi)安裝和對準更多的LAS，并且由于人為錯誤導致的不正確對準的風險更低。
[0004]在一種典型的LAS中，每個機械臂被固定到在工作表面上方的臺架，其可包括例如可移動到工作表面上的不同位置或工具的支架中的試管。例如，將試管從分配架移動至離心機適配器。夾持移動必須是精確的，以避免各種問題。例如，如果機械臂不能夾持管，或者如果機械臂成功地夾持選定的管，但由于未對準而損壞了管。常規(guī)的手動對準可包括各個步驟，諸如，將夾持器臂通過手或使用外部驅(qū)動電機手動地定位到工作表面上的若干不同的位置。另外，需要為工作表面上的支架或抽屜單獨地對準機械臂。對于由服務技術人員進行的手動對準來說，該程序可能花費每個機械臂幾小時到一天的時間。
[0005]本發(fā)明的實施例解決了這些和其他問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個實施例，本文所公開的是自動對準方法和相關聯(lián)的技術布置以校準和/或?qū)试趯嶒炇易詣踊到y(tǒng)(LAS)內(nèi)的包括夾持器單元的機械臂。
[0007]在基于激光的對準系統(tǒng)中，包括激光發(fā)射器和檢測器元件的激光傳感器工具可由機械臂的夾持器單元夾持并且用來自動地對準機械臂與工作表面。在工作表面上的地標可通過用激光傳感器掃描工作表面來識別。表面上的地標的中心點可被確定以對準夾持器單元與工作表面。通過在Z方向上向下移動夾持器直到夾持器單元接觸工作表面，可以在Z軸上校準機械臂。
[0008]基于激光的對準系統(tǒng)的一個優(yōu)點在于，它允許對準以利用夾持器的正常功能(例如，用夾持器指狀物夾持工具)的方式來執(zhí)行。在基于激光的對準期間，夾持器可夾持數(shù)字激光傳感器以檢測工作表面上的地標，例如孔或柱。
【附圖說明】
[0009]圖1A-圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的夾持器單元和可夾持的激光傳感器工具的例子。
[0010]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的實驗室自動化系統(tǒng)(LAS)的例子。
[0011]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的地標檢測的例子。
[0012]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使用多個測量值的平均值的地標檢測的例子。
[0013]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的校準XYZ-機器人的方法。
[0014]圖6-圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使用激光傳感器的X-Y校準結果。
[0015]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的Z-校準工具的例子。
[0016]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的自動對準系統(tǒng)的框圖。
[0017]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的計算機設備的框圖。
【具體實施方式】
[0018]在以下描述中，為了說明起見，闡述許多具體細節(jié)以便提供對本發(fā)明的各種實施例的充分理解。然而，對于本領域的技術人員將顯而易見的是，本發(fā)明的實施例可以在沒有這些具體細節(jié)中的一些的情況下實踐。在其他情況下，以框圖形式示出了熟知的結構和裝置。
[0019]隨后的描述僅提供示例性實施例，而不旨在限制本公開的范圍、適用性或構型。相反，示例性實施例的隨后的描述將為本領域的技術人員提供用于實現(xiàn)示例性實施例的可行描述。應當理解，在不脫離所附權利要求所闡述的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可在元件的功能和布置上做出各種改變。
[0020]在以下描述中，給出了具體細節(jié)以提供對實施例的充分理解。然而，本領域的普通技術人員將理解，實施例可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐。例如，電路、系統(tǒng)、網(wǎng)絡、過程和其他部件可以顯示為框圖形式的部件，以便不以不必要的細節(jié)模糊實施例。在其他情況中，熟知的電路、過程、算法、結構和技術可以在沒有不必要的細節(jié)的情況下示出，以便避免模糊實施例。
[0021]本文所公開的是用于使用基于激光的光學測量工具自動對準機械臂與工作表面的系統(tǒng)和方法。根據(jù)一個實施例，包括夾持器單元的機械臂可夾持激光傳感器。激光傳感器可被配置為發(fā)射激光和接收反射。在一些實施例中，機械臂可連接到X-Y臺架，以允許機械臂在工作表面上方的X-Y平面中移動。本發(fā)明的實施例也可用于其他類型的機器人。為了對準機械臂與工作表面，夾持器單元可拾取激光傳感器，并且機械臂可在X-Y平面中移動以利用激光傳感器掃描工作表面。如本文所用，X-Y平面可指平行于工作表面的平面。工作表面可包括在工作表面上的已知位置處的一個或多個地標。地標可以是對于激光傳感器可識別的任何對象或位置。例如，在一些實施例中，鉆孔可被用作地標。鉆孔對于激光傳感器來說可識別為從那里反射不被讀取的位置。在一些實施例中，地標可以是在工作表面上已施加非反射性涂層的位置。非反射性涂層可基于激光傳感器的頻率而選擇，從而在由激光傳感器發(fā)射的頻譜中是非反射性的。
[0022]根據(jù)一個實施例，通過在第一方向上掃描地標以基于由激光傳感器接收的反射來確定地標的第一邊緣和地標的第二邊緣，可識別地標的位置。然后，可基于第一邊緣和第二邊緣來確定在第一軸線上的地標的第一中心點。然后，可以在正交于第一方向的第二方向上從地標的第一中心點掃描地標，以確定第三邊緣和第四邊緣。然后，可基于第三邊緣和第四邊緣來確定在第二軸線上的地標的第二中心點?？梢砸赃@種方式繼續(xù)地標的掃描，直到在彼此的預設距離內(nèi)識別多個中心點。在一些實施例中，中心點的平均值可被計算并存儲為地標中心點。在一些實施例中，通過重復上述過程，可將機械臂與工作表面上的多個地標對準。
[0023]如上所述，可使用激光傳感器來識別在工作表面上的一個或多個地標的位置，以將機械臂與工作表面在X-Y平面中對準。通過將機械臂在Z方向上從工作表面上方的夾持位置向下移動直到夾持器單元接觸工作表面，可以在Z軸上校準機械臂。如本文所用，Z軸可指正交于工作表面的軸線。“硬”接觸脫離可以在每個地標位置處用來確定該地標的Z高度。在一些實施例中，在機械臂被降低直到其在地標處與工作表面接觸之前，機械臂可在Z方向上被升高至工作表面上方的最大高度。在一些實施例中，在將機械臂在Z方向上對準的同時，可由夾持器單元夾持Z軸工具。在一些實施例中，激光傳感器可用來基于從激光傳感器接收的反射而測量在工作表面上方的機械臂的高度。測量距離可用來在Z軸上校準機械臂。
[0024]圖1A-圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的夾持器單元和可夾持的激光傳感器工具的例子。如圖1A所示，激光傳感器100可安裝在能夠由機械臂的夾持器單元104夾持的外殼102中。根據(jù)一個實施例，激光傳感器可以是背景抑制激光傳感器、點反射激光傳感器、或者能安裝在可夾持外殼中的任何其他類型的激光傳感器。激光傳感器外殼102可被配置用于諸如利用凸棱、凹槽或類似結構夾持，該結構能由夾持器指狀物106可靠地夾持。在一些實施例中，激光傳感器在激光傳感器外殼的底側處