元件馈送器成像系统、元件馈送器和机器人元件馈送器系统的制作方法

本发明涉及一种元件馈送器成像系统、包括元件馈送器成像系统的元件馈送器以及包括工业机器人和元件馈送器的机器人元件馈送器系统。

背景技术：

在诸如例如使用工业机器人的生产线的自动化工业系统中，存储在无序的大容量存储装置中的元件需要作为正确地定向的单独的元件而被馈送，以便被各个操作执行。存在使用不同原理并且适用于不同的特定任务的许多馈送装置。一种类型的馈送器是其中任意定向的元件被馈送到呈现表面上并且在呈现表面上显示的类型。成像处理系统通常被使用以便确定呈现表面上的哪些元件被正确地定向以便例如可由机器人工具拾取。这些类型的馈送器是灵活的，因为它们不限于元件的特定类型，并且因此通常称为灵活部件馈送器或灵活馈送器。

根据现有技术，成像处理系统通常使用直接安装在呈现表面的头顶的摄像机。摄像机对分散在呈现表界面上的部件的拍摄图片，这些图片用在机器人视觉软件中以将机器人机械爪(gripper)引导到可拾取部分。通过可拾取部分表示例如已经具有准确定向并且因此可以被拾取的部件。如果呈现表面不具有背光，则可能有必要在摄像机旁边安装照明。从US4876728已知一种基于微处理器的视觉系统，其包括头顶式摄像机和布置在输送带之上的两个头顶式光源，该系统与机器人系统交互。从WO2013/113535已知一种具有大容量存储装置容器的元件馈送器，有升降机布置在其中。升降机具有升降机平台，其从容器中向上提升元件并且将它们分散到位于容器之上的呈现表面上。包括头顶式摄像机的视觉系统布置在呈现表面上方并且利用图像来确定哪个元件是正确定向的以可由机器人工具拾取。根据一个实施例，呈现表面可以是透明的并且其可以被提供有背光装置，该背光装置包括布置在透明板之下的光源。

另一个替代方案是使用位于呈现表面之下并且向上指向的摄像机。根据该原理的至少一个商业可获得解决方案是已知的。这是Flexomation在2012年发布的“MicroG”灵活馈送器。这是一种振动馈送器，其具有玻璃的呈现表面并且描述了标准的向下安装的摄像机可以由向上观测(up-looking)的摄像机替代。由此，可以消除对于传统头顶式摄像机安装所需要的庞大的支撑结构。

为了增加机器人化装配的经济可行性，减少用于安装和投产新系统所花费的时间是可期望。目前，大量的整合时间被花费在安装和调节补充灵活部件馈送器的视觉系统上。安装本身需要大量的支撑结构以对摄像机和照明定位，更不必说线缆和电源，全部这些给机器人单元增加了花费和体积并且可能阻碍机器人的移动的自由性。另外，视觉系统的建立可能是具有挑战性的。由于反射、阴影、不均匀的照明和透视畸变而产生的问题是常见的并且不易由缺乏有关视觉系统的专业知识和先前经验的操作员来解决。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种有助于解决上面提及的问题并且紧凑、有效且易于安装的元件馈送器成像系统。

因此，根据本发明的一方面限定的元件馈送器成像系统包括：

–透明的呈现表面，元件分布在透明的呈现表面上；

–视觉系统；以及

–系统处理器，用于处理从视觉系统接收到的信息并且用于确定呈现表面上的哪些元件被正确地定向，

其特征在于，视觉系统包括图像传感器扫描仪系统，其包括位于呈现表面下面的至少一个图像传感器并包括位于呈现表面下面的至少一个可移动光源。

本发明的优点在于减少了安装和投产用于灵活部件系统(flexible parts system)的视觉系统需要的时间。另外，本发明消除对摄像机和照明的头顶式支撑结构的需要，因此减少了安装花费并且节省了大量空间。通过用图像传感器扫描仪系统来替换摄像机，还将可能具有例如可以安装在灵活部件馈送器内的更紧凑的视觉系统。图像传感器扫描仪系统然后也将被良好地保护。另外，如果将其安装在WO2013/113535中所描述的类型的灵活部件馈送器内，则将具有允许用于馈送器内的部件存储的更多空间的优点。

另一重要优点是通过图像传感器扫描仪系统产生的图像很大程度上杜绝了光学问题、破坏从摄像机获得的图像的主要透视误差，由此降低了视觉稳健性对操作者技能的敏感性。

其它优点是生产线中的所有馈送器的视觉系统可以被重新配置有相同的视觉工作参数，因为几何设置并不会如可能随摄像机(位置、角度、照明布置、反射等的轻微变化)发生的从一个安装到下一个安装发生变化。

另外的优点是聚焦调节不是必要的，因为聚焦点被固定在屏幕的表面上。还具有消除摄像机校准的需要的优势。因为产生的图像总是具有完全相同的大小。仅需要出厂校准的成像系统。相对而言，摄像机系统必须在安装时以及在摄像仪出于任何原因而被移动时校准。

根据一个实施例，视觉系统包括接触图像传感器(CIS)扫描仪系统。这是存在于现代平板式扫描仪中的一种光学扫描仪装置。这种图像传感器包括单排的几千个光电二极管和包括三色RGB和/或红外LED芯片的照明带。随着传感器跨表面移动，CIS通过在排每个光电二极管处连续扫描入射光来建立完整的2D图像。编码器用于将扫描与传感器移动同步。尽管光电二极管本身仅对明与暗做出响应，但颜色图像可以通过相继地照射照明带中的红、蓝和绿LED而获得。

在使用CIS的情况下，可以获得不含透视误差的部分的正交投射，而无论它们在呈现表面上的位置。由CIS扫描仪系统提供的额外的优点是获得图像中均匀的背景，因为CIS的焦深仅为几mm(通常大约5mm)，从而导致任何外部光或明显的阴影强烈地散焦。此外，其可以以背光模式运行。在必须观察内部细节的情况下，内嵌式LED带光在扫描期间将是激活的。如果馈送器与白色部件一起使用，则内嵌式照明LED可以被关闭，以便获得背光图像。为此目的，环境光足够满足并且产生白色或浅灰色背景。相比之下，利用基于摄像机的系统则需要通过将呈现表面的颜色从白色变化到黑色以便成功地对白色部件成像。

此外，可以获得高分辨率扫描。当用在100x200mm的呈现区域上时，具有200dpi分辨率的现代CIS将产生具有比VGA摄像机的像素密度更大像素密度的图像，VGA摄像机在相同的区域产生至多121dpi。

根据备选实施例，视觉系统可以包括电荷耦合装置(CCD)图像传感器扫描仪系统。这种类型的光学扫描仪装置包括在玻璃屏幕下面推进的两个镜子，其将物体的反射向上引导到安装在屏幕的一端处的固定的线扫描摄像机。这种系统提供用于将平坦物品直接在玻璃上成像的优异的结果。然而，当扫描3D物体时，透视效果自身显现，虽然仅在一个方向上。这是由于以下事实：透镜用于将扫描的整个宽度聚焦减小到线扫描摄像机中的传感器的宽度，其可能仅为几毫米宽。结果是3D物体不在跨过扫描的宽度的所有点处呈现相同的2D图像，而是透视畸变远离中心轴线增加。实际结果是如果诸如例如模具的立方体物体将被成像，则其竖直侧的某些部分会在远离扫描的中心线的位置中可见。

根据本发明的第二方面限定一种表面馈送器，其包括在其上分布有元件的元件拾取表面，其特征在于，其包括根据限定元件馈送器成像系统的任意一个权利要求所述的元件馈送器成像系统，其中，透明的呈现表面形成元件拾取表面的至少一部分。

该元件馈送器具有与上述元件馈送器成像系统的优点相对应的优点。元件馈送器成像系统可以与许多不同类型的馈送器组合，从最简单的馈送器(例如具有用手将元件倒在其上的拾取表面的馈送器)到非常专业的馈送器。

根据一个特征，元件馈送器可以包括用于元件存储的大容量存储容器，以及用于将元件从存储容器传递到元件拾取表面的传递装置。

根据另一特征，元件拾取表面可以位于存储容器的顶部上并且成像系统因此可以位于存储容器内。这是可能的，因为成像系统非常紧凑并且可以将成像系统的深度最小化，因此避免了对部件存储容量上的冲击。成像系统因此可以直接位于元件拾取表面之下。

根据又一特征，传递装置可以包括：升降机，用于从存储容器提升选择的元件并且将这些元件分布到元件拾取表面，该升降机位于存储容器内；以及传递装置，用于将提升的元件从升降机传递到元件拾取表面上。

根据一个特征，元件馈送器可以包括：板，其包括元件拾取表面，该板能够从存储容器的上部开口至少部分地伸缩，并且其中元件馈送器包括致动器装置，用于在板的平面中使板前后移动以便使板从所述上部开口至少部分地缩回并或使板移动以覆盖所述上部开口。

通常，元件拾取表面是可移动的，并且可以布置包括图像传感器扫描仪系统的视觉系统，以在其横向方向或在其纵向方向(即，在其移动方向)上扫描呈现表面。

根据一个实施例，包括图像传感器扫描仪系统的图像传感器扫描仪系统模块可以跨呈现表面的宽度而被安装。这将使其可以提供可以产生呈现表面和位于呈现表面上的部件的纵向图像的系统。

为了产生这种图像，致动器装置可以连接到扫描仪系统模块使得其可以在呈现表面的长度方向上与包括呈现表面的板一起或独立于板使扫描仪系统移动。

根据另一特征，元件馈送器可以包括驱动机构，其用于使图像传感器扫描仪系统模块移动，图像传感器扫描仪系统模块包括图像传感器扫描仪系统，在呈现表面之下，该驱动机构和扫描仪系统模块被附接到包括呈现表面的板。这种驱动机构可以被布置以在呈现表面的纵向方向或横向方向上使扫描仪系统模块移动，并因此产生呈现表面以及位于其上的部件的纵向或横向图像。

驱动机构可以包括通过电动马达驱动的带，该带连接到驱动轮，驱动轮连接到扫描仪系统模块，使得扫描仪系统模块能够通过马达移动，并且其中其包括联接到驱动轮的编码器，以用于将扫描仪系统模块的移动与扫描操作同步。

根据本发明的第三方面限定一种包括元件馈送器和工业机器人的机器人元件馈送器系统，工业机器人包括用于控制工业机器人从元件拾取表面拾取正确定向元件的机器人控制器，其特征在于，其包括根据限定元件馈送器的任意一个权利要求所述的元件馈送器。

在本说明中，表述“图像传感器”应该被理解为表示将光学图像转变为电子信号的装置；表述“图像扫描仪”或“扫描仪”应该被理解为表示光学地对图像、印刷文本、笔迹或物体进行扫描并通过将来自图像传感器的电子信号转变到数字图像而将其转变为数字图像的装置。

本发明的进一步特征和优点还将从以下实施例的详细描述变得明显。

附图说明

现在将参照示意性附图仅作为示例给出本发明的详细描述及其实施例，其中：

图1以截面示意性示出包括接触图像传感器(CIS)扫描仪系统的根据本发明的元件馈送器成像系统的第一实施例；

图2以截面示意性示出包括CCD扫描仪系统的根据本发明的元件馈送器成像系统的第二实施例；

图3a-3d以截面侧视图示意性示出根据本发明的元件馈送器的实施例；

图4a-4d示意性示出元件馈送器的替代；

图5示意性示出用于元件馈送器的视觉系统中的备选驱动机构；以及

图6示意性示出机器人元件馈送器系统。

相同的或表示相应的或等同的元件的元件在不同的附图中已经被给予相同的参考标记。

具体实施方式

在图1中以截面示意性示出根据本发明的元件馈送器成像系统1的第一实施例。成像系统1包括透明的呈现表面3，在其上存在有将被扫描的元件5。成像系统进一步包括视觉系统7，视觉系统7包括图像传感器扫描仪系统8，图像传感器扫描仪系统8包括均位于透明的呈现表面3之下的至少一个图像传感器9和至少一个可移动光源11。在示出的实施例中，图像传感器扫描仪系统8是CIS(接触图像传感器)扫描仪系统。元件馈送器成像系统进一步包括系统处理器13，系统处理器13用于处理从视觉系统7接收的信息并且用于确定呈现表面3上的哪个元件5被正确地定向。CIS扫描仪系统8进一步包括其常用元件，常用元件包括自聚焦棒透镜阵列15、棒透镜阵列下方并且例如包括光电二极管的排的相片检测器阵列17以及扫描仪处理器19。光源11通常包括例如三色LED芯片的照明带。示出的CIS扫描仪系统仅为示例。将存在可适用的其它CIS扫描仪系统。例如，示出的CIS系统为单光CIS系统，但是双光CIS系统也将是适用的。

图2以截面示意性示出根据本发明的元件馈送器成像系统101的第二实施例。关于第一实施例，成像系统101包括其上存在有将被扫描的元件105的透明的呈现表面103。成像系统进一步包括视觉系统107，视觉系统107包括图像传感器扫描仪系统108，图像传感器扫描仪系统108包括均位于透明的呈现表面3下方的至少一个图像传感器109和至少一个可移动光源111。在示出的实施例中，图像传感器扫描仪系统108是所谓的CCD(电荷耦合装置)扫描仪系统。元件馈送器成像系统进一步包括系统处理器113，系统处理器113用于处理从视觉系统107接收的信息并且用于确定呈现表面103上的哪些元件105被正确地定向。CCD扫描仪系统108进一步包括其常用元件，常用元件包括可移动镜子阵列112和扫描仪处理器119，可移动镜子阵列112包括至少一个可移动镜子、固定镜子114。扫描仪处理器119包括CCD阵列和图像传感器109。

图3a-图3d以截面侧视图示出根据本发明的元件馈送器的实施例。从以上看出，相同的元件馈送器示出在图4a-图4d中，但是在这些附图中关于成像系统具有一些不同。元件馈送器包括容器32，用于元件5的大容量存储，元件5优选为适用于由机器人工具拾取的相当小的元件。馈送器可以例如被设置在机器人用于拾取将与其它元件组装或安装在设备上的元件的生产线中。传递装置被提供用于将元件从容器传递到元件拾取表面34。传递装置包括布置在容器中的升降机36，通过升降机36放置在容器内的元件5可以从容器竖直地向上提升。升降机36具有基本上水平的升降机平台38。当升降机平台位于其底部水平时，在容器的底部处，元件5落到平台38上并且然后将由升降机向上传输到升降机的上部水平。容器32具有由板42至少部分地覆盖的上部开口40。板42是刚性的并且能够例如在传统设计的某些类型的引导装置中前后移动，未详细示出。板的上部表面被配置为形成元件拾取表面34。当升降机36处于其上部水平时，升降机平台38将与板42相邻并且大体上与元件拾取表面34水平。元件通过某些类型的传递装置46从升降机平台38传递到板42和元件拾取表面34。元件拾取表面的至少一部分包括透明的呈现表面3。

如图3a-图3d中示出的，板42可从容器开口30的至少部分伸缩。板通过包括气缸的致动器装置48可移动，致动器装置48可以使得板在其纵向方向上前后移动。通过板在不同模式下的移动，可以使得放置在板上的元件5在板的纵向方向上移动并且它们还可以重新定向。

元件馈送器30包括被布置在板42之下的元件馈送器成像系统1，使得成像提供的透明的呈现表面3形成板42的元件拾取表面34的至少一部分。在示出的实施例中，图像系统包括视觉系统7，在该情况下视觉系统7为CIS扫描仪系统8。包括CIS扫描仪系统(即，视觉系统)的扫描仪系统模块44连接到致动器装置48并且通过致动器装置在板的纵向方向上可移动，并且因此可以扫描放置在形成板的部分的呈现表面上的元件。CIS扫描仪系统模块可以通过独立于板的制动器移动，如图3c所示。例如，包括电磁体或螺线管致动器的耦合可以用于将板与CIS扫描仪系统模块进行连接以及断开连接。在图3a中示出板42如何与CIS扫描仪系统模块一起在朝向升降机36的方向上移动，以便关闭容器32的开口40。在图3b中示出元件5如何从升降机36传递到板42和呈现表面3。图3c示出CIS扫描仪系统模块现在如何通过致动器48沿着其纵向方向独立地在板42之下移动，使得分散在形成板42和元件拾取表面34的一部分的呈现表面3上的元件5通过CIS扫描仪系统而被扫描。为了同步移动与扫描，使用编码器。通过扫描而获得的图像然后通过CIS扫描仪系统的扫描仪处理器19而被处理，并且相应的信息通过系统处理器13进一步处理，以便确定哪些被正确定向的元件是可拾取的。该信息然后用于控制例如机器人来拾取这些元件。

在扫描之后，CIS扫描仪模块然后返回到靠近升降机36的板42的端部处的驻停位置，并且将停留在那里直到下一个扫描序列。在示出的元件馈送器中，还存在如下步骤，即，将放置在拾取表面上且没有被拾取的元件返回到容器，如图3d所示。在该步骤期间，CIS扫描仪系统模块将与板42一起移动。

在图4a-图4d中示出视觉系统7在元件拾取表面34的横向方向上执行扫描的示例。元件馈送器30与图3a-图3d中示出的元件馈送器类型相同并且执行相同的步骤和动作。包括CIS扫描仪系统模块44的视觉系统安装在板42下方，板包括元件拾取表面34，元件拾取表面34的至少一部分也形成透明的呈现表面3。CIS扫描仪系统模块沿着板的纵向侧安装。当元件5已经分布在板上时，参见图4b和图4c，CIS扫描仪系统模块在板下方并且跨板而横向地从一侧到另一侧移动并返回，并由此扫描分散在呈现表面3上的元件5。CIS扫描仪系统模块的横向移动通过分开的驱动机构获得。

在图5中示意性示出驱动机构的示例。包括CIS扫描仪系统模块44的视觉系统7安装在透明的呈现表面3下方。CIS扫描仪系统模块被安装在通过电动马达52驱动的齿形带50上。提供同步扫描的CIS扫描系统的编码器连接到带的一个轮，以便获得移动的定时。限位开关被布置为在扫描操作完成时使得带自动反转并返回以开始。

在图6中示意性示出机器人元件馈送器系统，其包括元件馈送器30和工业机器人60，工业机器人60设置有工具62并包括用于控制工业机器人从元件拾取表面拾取正确定向的元件的机器人控制器，其中元件馈送器包括根据本发明的任意一个实施例的成像系统1。

在元件馈送器的示出的实施例中，视觉系统被示出为包括CIS扫描仪系统。然而，应该理解，备选地CCD扫描仪系统可以通过合适的变型被使用。

本发明不应该被理解为局限于示出的实施例，而是可以在不脱离所附权利要求限定的范围内的情况下如本领域技术人员理解的以许多方式变型和改变。