用于基于激光的自动对准的系统和方法
【专利说明】用于基于激光的自动对准的系统和方法
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求由Stefan Rueckl等人于2012年12月21日提交的名称为“SYSTEM AND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT”(用于自动对准的系统和方法)的美国临时专利申请N0.61/745，252和由Stefan Rueckl等人于2013年3月5日提交的名称为“SYSTEMAND METHOD FOR AUTO-ALIGNMENT”(用于自动对准的系统和方法)的美国临时专利申请N0.61/772, 971的优先权，这些申请中的每一个全文以引用方式引入本文以用于所有目的。本专利申请涉及由Stefan Rueckl于2012年10月5日提交的名称为“SYSTEM AND METHODFOR AUTO-ALIGNMENT”(用于自动对准的系统和方法)的美国临时专利申请N0.61/710, 612和由Stefan Rueckl等人于2013年10月4日提交的名称为“SYSTEM AND METHOD FORCAMERA-BASED AUTO-ALIGNMENT”(用于基于相机的自动对准的系统和方法)的美国专利申请N0._(专利申请N0.尚未转让)，这些申请中的每一个全文以引用方式引入本文以用于所有目的。
【背景技术】
[0003]当实验室自动化系统(LAS)被安装在客户现场时，服务技术人员对准系统的元件，例如，框架、机械臂的XY台架和工作表面上的抽屉，以使得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。手动对准是一个缓慢而高成本的过程，特别是在可包括必须每个单独地对准的若干机械臂的复杂的LAS中。另外，手动对准有可能将人为错误引入到每次对准中。自动对准过程允许更少的服务技术人员在更少的时间内安装和对准更多的LAS，并且由于人为错误导致的不正确对准的风险更低。
[0004]在一种典型的LAS中，每个机械臂被固定到在工作表面上方的台架，其可包括例如可移动到工作表面上的不同位置或工具的支架中的试管。例如，将试管从分配架移动至离心机适配器。夹持移动必须是精确的，以避免各种问题。例如，如果机械臂不能夹持管，或者如果机械臂成功地夹持选定的管，但由于未对准而损坏了管。常规的手动对准可包括各个步骤，诸如，将夹持器臂通过手或使用外部驱动电机手动地定位到工作表面上的若干不同的位置。另外，需要为工作表面上的支架或抽屉单独地对准机械臂。对于由服务技术人员进行的手动对准来说，该程序可能花费每个机械臂几小时到一天的时间。
[0005]本发明的实施例解决了这些和其他问题。
【发明内容】
[0006]根据一个实施例，本文所公开的是自动对准方法和相关联的技术布置以校准和/或对准在实验室自动化系统(LAS)内的包括夹持器单元的机械臂。
[0007]在基于激光的对准系统中，包括激光发射器和检测器元件的激光传感器工具可由机械臂的夹持器单元夹持并且用来自动地对准机械臂与工作表面。在工作表面上的地标可通过用激光传感器扫描工作表面来识别。表面上的地标的中心点可被确定以对准夹持器单元与工作表面。通过在Z方向上向下移动夹持器直到夹持器单元接触工作表面，可以在Z轴上校准机械臂。
[0008]基于激光的对准系统的一个优点在于，它允许对准以利用夹持器的正常功能(例如，用夹持器指状物夹持工具)的方式来执行。在基于激光的对准期间，夹持器可夹持数字激光传感器以检测工作表面上的地标，例如孔或柱。
【附图说明】
[0009]图1A-图1C示出了根据本发明的一个实施例的夹持器单元和可夹持的激光传感器工具的例子。
[0010]图2示出了根据本发明的一个实施例的实验室自动化系统(LAS)的例子。
[0011]图3示出了根据本发明的一个实施例的地标检测的例子。
[0012]图4示出了根据本发明的一个实施例的使用多个测量值的平均值的地标检测的例子。
[0013]图5示出了根据本发明的一个实施例的校准XYZ-机器人的方法。
[0014]图6-图8示出了根据本发明的一个实施例的使用激光传感器的X-Y校准结果。
[0015]图9示出了根据本发明的一个实施例的Z-校准工具的例子。
[0016]图10示出了根据本发明的一个实施例的自动对准系统的框图。
[0017]图11示出了根据本发明的一个实施例的计算机设备的框图。
【具体实施方式】
[0018]在以下描述中，为了说明起见，阐述许多具体细节以便提供对本发明的各种实施例的充分理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节中的一些的情况下实践。在其他情况下，以框图形式示出了熟知的结构和装置。
[0019]随后的描述仅提供示例性实施例，而不旨在限制本公开的范围、适用性或构型。相反，示例性实施例的随后的描述将为本领域的技术人员提供用于实现示例性实施例的可行描述。应当理解，在不脱离所附权利要求所阐述的本发明的精神和范围的前提下，可在元件的功能和布置上做出各种改变。
[0020]在以下描述中，给出了具体细节以提供对实施例的充分理解。然而，本领域的普通技术人员将理解，实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。例如，电路、系统、网络、过程和其他部件可以显示为框图形式的部件，以便不以不必要的细节模糊实施例。在其他情况中，熟知的电路、过程、算法、结构和技术可以在没有不必要的细节的情况下示出，以便避免模糊实施例。
[0021]本文所公开的是用于使用基于激光的光学测量工具自动对准机械臂与工作表面的系统和方法。根据一个实施例，包括夹持器单元的机械臂可夹持激光传感器。激光传感器可被配置为发射激光和接收反射。在一些实施例中，机械臂可连接到X-Y台架，以允许机械臂在工作表面上方的X-Y平面中移动。本发明的实施例也可用于其他类型的机器人。为了对准机械臂与工作表面，夹持器单元可拾取激光传感器，并且机械臂可在X-Y平面中移动以利用激光传感器扫描工作表面。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处的一个或多个地标。地标可以是对于激光传感器可识别的任何对象或位置。例如，在一些实施例中，钻孔可被用作地标。钻孔对于激光传感器来说可识别为从那里反射不被读取的位置。在一些实施例中，地标可以是在工作表面上已施加非反射性涂层的位置。非反射性涂层可基于激光传感器的频率而选择，从而在由激光传感器发射的频谱中是非反射性的。
[0022]根据一个实施例，通过在第一方向上扫描地标以基于由激光传感器接收的反射来确定地标的第一边缘和地标的第二边缘，可识别地标的位置。然后，可基于第一边缘和第二边缘来确定在第一轴线上的地标的第一中心点。然后，可以在正交于第一方向的第二方向上从地标的第一中心点扫描地标，以确定第三边缘和第四边缘。然后，可基于第三边缘和第四边缘来确定在第二轴线上的地标的第二中心点。可以以这种方式继续地标的扫描，直到在彼此的预设距离内识别多个中心点。在一些实施例中，中心点的平均值可被计算并存储为地标中心点。在一些实施例中，通过重复上述过程，可将机械臂与工作表面上的多个地标对准。
[0023]如上所述，可使用激光传感器来识别在工作表面上的一个或多个地标的位置，以将机械臂与工作表面在X-Y平面中对准。通过将机械臂在Z方向上从工作表面上方的夹持位置向下移动直到夹持器单元接触工作表面，可以在Z轴上校准机械臂。如本文所用，Z轴可指正交于工作表面的轴线。“硬”接触脱离可以在每个地标位置处用来确定该地标的Z高度。在一些实施例中，在机械臂被降低直到其在地标处与工作表面接触之前，机械臂可在Z方向上被升高至工作表面上方的最大高度。在一些实施例中，在将机械臂在Z方向上对准的同时，可由夹持器单元夹持Z轴工具。在一些实施例中，激光传感器可用来基于从激光传感器接收的反射而测量在工作表面上方的机械臂的高度。测量距离可用来在Z轴上校准机械臂。
[0024]图1A-图1C示出了根据本发明的一个实施例的夹持器单元和可夹持的激光传感器工具的例子。如图1A所示，激光传感器100可安装在能够由机械臂的夹持器单元104夹持的外壳102中。根据一个实施例，激光传感器可以是背景抑制激光传感器、点反射激光传感器、或者能安装在可夹持外壳中的任何其他类型的激光传感器。激光传感器外壳102可被配置用于诸如利用凸棱、凹槽或类似结构夹持，该结构能由夹持器指状物106可靠地夹持。在一些实施例中，激光传感器在激光传感器外壳的底侧处