倾斜检测的设备及方法与流程

本发明涉及使用光学器件的测量布置，并且更具体地，涉及通过使用光学器件来检测固定件的倾斜角。

背景技术

在电子产品制造中，需要用于装配诸如板状或环状的小部件的相对较高的几何对齐准确性。机器人装配系统在处理小部件装配方面具有一些优势，例如更高的制造输出率、更低的操作成本、更好的加工质量、更安全的工作场所等。固定件通常被提供用于保持部件以使得部件可以被设置为期望的位置和定向。

固定件的小的调平误差可能导致最终的对齐误差。例如，在装配100mm*100mm的板时，1°的调平误差导致0.025mm的对齐误差。因此，在准确装配时需要固定件的调平测量。

自动准直仪是用于非接触角度测量的光学仪器。其可以应用于测量机器人装配系统中的固定件的倾斜。自动准直仪投射平行光束。外部反射器将全部或部分光束反射回到仪器中，在该处光束被聚焦并且由光电检测器检测。自动准直仪测量发射的光束与反射的光束之间的偏差。

在自动准直仪中，平行光束的形成需要使来自光源的入射光束发散的透镜，而反射光束的聚焦的形成需要将来自外部反射器的入射光束会聚的透镜。由于检测的特性受到配置的光电检测器、光源和透镜的位置等的影响，所以它们的定位需要相对较高的准确性并且制造涉及相当大的困难。此外，由于从光源发射的光束在到达反射器之前被透镜会聚，所以反射器的入射区域变得相对较窄。在反射器设置在由透镜限定的入射区域之外的较糟糕的情况下，自动准直仪将不工作。

技术实现要素：

根据本发明的方面，提供一种用于检测固定件的倾斜的设备，其包括：可见元件，具有与其周围区域可见地可区分的图案；具有平面反射表面的部件，被配置为与固定件对齐接合，并且被布置为反射从可见元件直接传播的光束以便产生可见元件的第一虚拟图像；图像捕捉装置，被设置在可见元件的相对于具有平面反射表面的部件的同一侧，并且被配置为具有覆盖由具有平面反射表面的部件产生的可见元件的第一虚拟图像和第二虚拟图像的视野，其中在具有平面反射表面的部件被呈现调平定向时产生第二虚拟图像；以及控制器，适用于使用在图像捕捉装置的视野中可见元件的第一虚拟图像与第二虚拟图像的偏差来检测固定件的倾斜。

根据本发明的另一方面，提供一种用于检测固定件的倾斜的方法，包括：可见元件投射与其周围区域可见地可区分的图案；通过与固定件对齐接合的具有平面反射表面的部件，来反射从可见元件直接传播的光束以便产生可见元件的第一虚拟图像；使图像捕捉装置具有视野，以覆盖由具有平面反射元件的部件产生的可见元件的第一虚拟图像和第二虚拟图像，其中在具有平面反射表面的部件被呈现调平定向时产生第二虚拟图像；以及使用在图像捕捉装置的视野中可见元件的第一虚拟图像与第二虚拟图像的偏差，来检测固定件的倾斜。

通过使用根据本发明的设备或方法，没有诸如透镜的光学器件被用于会聚由可见元件投射的光束。因此可以有利于设备的装配，使设备小型化并且减少其成本。

优选地，可见元件是图像捕捉装置的面向具有平面反射表面的部件的一部分。通过复用图像捕捉装置的一部分作为可见元件，从而使得设备更紧凑并且减少其成本。

优选地，在固定件呈现调平定向时，图像捕捉装置的透镜和可见元件被设置在距离具有平面反射表面的部件基本相同的距离处。在该距离为较大差异的情况下，这种配置对于提高第一虚拟图像与第二虚拟图像之间的偏差的准确性是有用的，并且因此产生更好的测量结果。

优选地，图像捕捉装置的焦距被保持为：在呈现调平定向时，是其到具有平面反射表面的部件的距离的二倍。在这种布置中，图像捕捉装置可以在不需要过多地调整聚焦的情况下在镜中获得图案的相对清楚的图像。

附图说明

将在下文中参照附图中示出的优选示例性实施例来更详细地解释本发明的主题，在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的用于检测固定件的倾斜的设备；

图2a和图2b分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)被调平定位以及图像捕捉装置的视野；

图2c和图2d分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜β角以及图像捕捉装置的视野；

图2e和图2f分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜α角以及图像捕捉装置的视野；

图2g和图2h分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜-α角以及图像捕捉装置的视野；

图2i和图2j分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜-β角以及图像捕捉装置的视野；

图3示出了根据本发明的第二实施例的用于检测固定件的倾斜的设备；

图4a和图4b分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)被调平定位以及图像捕捉装置的视野；

图4c和图4d分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜β角以及图像捕捉装置的视野；

图4e和图4f分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜α角以及图像捕捉装置的视野。

附图中使用的附图标记及其含义以总结的形式在附图标记列表中列出。原则上，在附图中，相同的部件提供有相同的附图标记。

具体实施方式

在下面的描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了特定细节，诸如特定电路、电路部件、接口、技术等，以便提供本发明的整体理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在脱离这些特定细节的其它实施例中实践。在其它示例中，对已知方法和编程进程、装置和电路的详细描述被省略，以免通过不必要的细节模糊本发明的描述。

图1示出了根据本发明的第一实施例的用于检测固定件的倾斜的设备。如图1所示，设备1包括可见元件10、具有平面反射表面的部件11、图像捕捉装置12和控制器13。

可见元件10具有图案，该图案与其周围区域可见地可区分。图案可以是形状、颜色、线条等的特殊布置，其可以通过例如图像识别的图像处理技术，而从落入设备1的图像捕捉装置12的视野中的剩余组件中被识别。在图1的右侧，图案视图被呈现为在圆中的多个平行划线。可见元件10可以是执行漫射光的自然或人工过程的光源，例如，显示格板的图案的屏幕或led。作为备选，可见元件10不通过自身照亮，而是呈现漫反射的特性。因此，可见元件10通过从其表面的漫反射而可见。在这两种情况中的任意一种中，可见元件10可以从其它角度而被可见地观察。

具有平面反射表面的部件11被配置为与固定件14对齐接合，并且被布置为反射从可见元件10直接传播的光束以便产生可见元件10的第一虚拟图像。例如，具有平面反射表面的部件11可以是平面镜，或是被抛光并且涂覆有金属的基板。不同于产生放大或缩小的图像、或者聚焦光或简单地扭曲反射的图像的曲面镜，在具有平面反射板表面的部件11中观看的对象将看起来是横向倒置的(例如，当人举起右手时，在镜中的图像将显现为左手举起)，而不是竖直倒置的(在该图像中，人的头部仍显现在其身体上方)。然而，部件11“交换”左右通常并不比其交换上下多。这种部件11通常颠倒向前/向后轴线。确切的说，其在垂直于平面反射表面的方向(法线)上颠倒对象。因为左右相对于前后和上下来限定，所以前后的“翻转”将导致图像中左右反向的认知。例如，具有平面反射部件的部件11可以被放置在立于固定件14上并且由固定件14保持。由于具有平面反射表面的部件11和固定件的对齐接合，固定件14的倾斜与具有平面反射表面的部件11的倾斜具有成比例/相同的信息。因此，可以通过测量具有平面反射表面的部件11的倾斜来得到固定件14的倾斜。从具有平面反射表面的部件11的屏幕110的反射产生可见元件10的第一虚拟图像。由可见元件10投射的入射光束在到达具有平面反射表面的部件11之前，在均匀的空气介质中传播而不经过诸如透镜的任何光学器件。第一虚拟图像i1看起来像是与具有平面反射屏幕110的部件看起来几乎相同、但是在垂直于具有平面反射屏幕110的部件的方向上反向的可见元件10的反射复制。因此，可以观察到第一虚拟图像中的图案看起来也与可见元件10几乎相同，但是能观察到反向。由于第一虚拟图像中的图案与可见元件10的图案除了定向反向之外都相同，其区别性保持不变，因此仍可以与由具有平面反射表面的部件11产生的、可见元件10的背景的图像可视地可区分。

图像捕捉装置12被设置在可见元件10的相对于具有平面反射表面的部件11的同一侧，并且被配置为具有覆盖由具有平面反射表面的部件11产生的可见元件10的第一虚拟图像和第二虚拟图像的视野，其中在具有平面反射表面的部件11被呈现调平定向时产生第二虚拟图像。例如如图1所示，图像捕捉装置12和可见元件10二者均布置在具有平面反射表面的部件11上方。作为备选，它们可以布置在具有平面反射表面的部件11下方。设备的存储器可以被配置用于存储涉及在图像捕捉装置12的视野中的可见元件10的第二虚拟图像的位置的信息。图像捕捉装置12具有覆盖通过图像捕捉装置12可见的世界的一部分的视野，而落在视野fov之外的物品的视图则不可见。这是图像捕捉装置12对于光束敏感的立体角。

随着具有平面反射表面的部件11的倾斜角的持续变化，可见元件10的第一虚拟图像i1在图像捕捉装置12的视野中移动。例如，倾斜角测量范围被限定在[-β，β]之间。图2a和图2b分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)被调平定位以及图像捕捉装置的视野。倾斜量为0度。如图2a所示，在具有平面反射表面的部件11呈现调平定向时，由具有平面反射表面的部件11产生第二虚拟图像i2。从反射的光束r、进而从由具有平面反射表面的部件11导致的入射光束i的折射来产生第二虚拟图像i2。这允许第一虚拟图像i1可以与在空间中的虚拟位置相关联。图2c和图2d分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜β角以及图像捕捉装置的视野。图2e和图2f分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜α角以及图像捕捉装置的视野。图2g和图2h分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜-α角以及图像捕捉装置的视野。

图2i和图2j分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜-β角以及图像捕捉装置的视野。如图2c、图2e、图2g和图2i所示，从反射的光束r、进而从由具有平面反射表面的部件11导致的入射光束i的折射来产生第一虚拟图像i1。这也允许第一虚拟图像i1可以与在空间中的虚拟位置相关联。如可以从图2d、图2f、图2h和图2j看到，第二虚拟图像i2移动并且保持在图像捕捉装置12的视野fov内。在如图2d、图2f、图2h和图2j所示的情况下，因为第二虚拟图像i2由上述呈现水平定向的具有平面反射表面的部件11形成并且其在视野fov中的位置通过存储器记忆，所以第二虚拟图像i2由虚线圆表示。此外，在视野fov中，第二虚拟图像i2与第一虚拟图像i1的偏差由参考标记d表示，其在后文称为fov偏差。图像捕捉装置12与具有平面反射表面的部件之间的距离是影响图像捕捉装置12的视野fov的范围是否覆盖第一虚拟图像i1的因子。因此，视野的范围可以通过延长该距离而加宽，反之亦然。

控制器13适用于使用图像捕捉装置12的视野fov的可见元件的第一虚拟图像i1与第二虚拟图像i2的偏差来检测固定件14的倾斜。如上所述，第一虚拟图像i1和第二虚拟图像i2中的任一个在空间中具有各自的虚拟位置。第一虚拟图像i1与第二虚拟图像i2的虚拟位置的偏差d可以考虑fov偏差而计算。本领域技术人员将理解，相机校准的标准进程获得fov偏差与实际偏差d之间的比例因子。例如，校准格板可以被放置在于图案10的同一高度处，其上的方形的边缘长度已知。通过图像捕捉装置12并且通过图像处理算法获得镜11中的格板的图像，方形的全部顶点可以被定位并且相邻顶点之间的距离可以被计算。根据以毫米为单位的方形的实际边缘长度和以像素为单位的相邻顶点之间的差异，我们可以得到mm-px比例因子，因此能够基于fov偏差来计算实际偏差d。

通过使用几何光学定律，倾斜角γ可以计算为：

d＝2h*cosγ*sinγ≈2h*sinγ；(1)

γ≈acsin(d/2h)；(2)

其中h为图像捕捉装置与呈现调平定向的具有平面反射表面的部件之间的距离，d是第一虚拟图像i1与第二虚拟图像i2的虚拟位置的偏差。

在根据本发明的倾斜检测设备中，没有诸如透镜的光学器件被用于会聚由可见元件投射的光束。因此可以有利于设备的装配，使设备小型化并且减少其成本。

在固定件14呈现调平定向时，图像捕捉装置12的透镜和可见元件10优选地被设置在距离具有平面反射表面的部件11基本相同的距离处。这种布置对于更好的测量准确性是有用的。除此之外，在距离为较大差异时，作为等式(1)和(2)的计算结果的偏差将是错误的并且将导致较坏的准确性表现。

优选地，图像捕捉装置12的焦距被保持为：在呈现调平定向时，是其到具有平面反射表面的部件11的距离的二倍。在这种布置中，图像捕捉装置12可以在不需要过多地调整聚焦的情况下在镜中获得图案的相对清楚的图像。

图3示出了根据本发明的第二实施例的用于检测固定件的倾斜的设备。根据图3的设备3类似于根据图1的设备，除了具有平面反射表面的部件11被水平移动距离dh之外。图4a和图4b分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)被调平定位以及图像捕捉装置的视野。倾斜角量为0度。如图4a所示，在具有平面反射表面的部件11呈现调平定向时，由具有平面反射表面的部件11产生第二虚拟图像i2。从反射的光束r、进而由具有平面反射表面的部件11导致的入射光束i的折射来产生第二虚拟图像i2。这允许第二虚拟图像i2可以与在空间中的虚拟位置相关联。图4c和图4d分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜β角以及图像捕捉装置的视野。图4e和图4f分别示出了具有平面反射表面的部件(固定件)倾斜α角以及图像捕捉装置的视野。如图4c和图4e所示，从反射的光束r、进而由具有平面反射表面的部件11导致的入射光束i的折射来产生第一虚拟图像i1。这也允许第一虚拟图像i1可以与在空间中的虚拟位置相关联。如可以从图4d和图4f看到，第一虚拟图像i1移动并且保持在图像捕捉装置12的视野fov内。可以看到，通过使用几何光学定律，由根据第二实施例的设备测量的倾斜角γ也可以根据等式(1)和(2)计算。

由于在较窄的测量范围[0，β]内设备仍可以在具有平面反射表面的部件的水平位置的调节下工作，因此该设备更灵活地处理不同的系统配置，特别是在其一些组件需要占据可见元件下方的空间的情况下。

可见元件10可以如通过第一实施例和第二实施例所述独立于图像捕捉装置12，或者可见元件10可以是图像捕捉装置12的一部分。例如，可见元件10可以是图像捕捉装置12的快门，其图案与图案周围区域可见地可区分。

尽管已经基于一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解那些实施例绝不限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和概念的情况下，对实施例的任意变型和修改应该在具有普通知识以及本领域技术人员的理解内，并且因此落入由权利要求限定的本发明的范围中。