相对接触探针校准视觉系统的系统及方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2015年2月3日提交的、名为"相对接触探针校准视觉系统的系统 及方法"的美国临时申请62/111，644,于2014年12月31日提交的、名为"相对接触探针 校准视觉系统的系统及方法"的美国临时申请62/098, 894,以及于2014年10月23日提交 的、名为"相对接触探针校准视觉系统的系统及方法"的美国临时申请62/067, 957,上述申 请均通过引用全文并入本发明。
技术领域
[0003] 本发明涉及机器视觉系统，尤其是涉及在检测和制造过程中使用的视觉系统的校 准。
【背景技术】
[0004] 在制造和装配过程中，通常需要高精度地测量物体表面。一种用于执行这样的具 有高精度（例如，微米级）和低噪音测量的技术是采用坐标测量机（CMM)。CMM将接触探 针施加至物体的表面，物体可以安装在活动的运动平台上（或替代性地，可以移除接触探 针）。当运动发生（例如，沿着平面在物理X坐标方向和物理y坐标方向上）时，探针接触 沿着物体表面的许多位置，由此产生关于物体表面上的各个点的全部位移（例如，在物理Z 坐标方向上）的图像。
[0005] 在制造环境一例如，装配和/或质量控制中使用接触探针的挑战在于在检测过程 中将接触探针定位至工件上的适当位置。例如，通过探针接触工件内的一些位置以确定功 能或适当尺寸。通常，工件位于移动表面如运动平台上，或工件可以安装在检测区域的装置 中。接触探针基于接触探针/CMM内坐标系统（X，y，z和旋转R)与工件坐标系统之间的绘 图相对于工件移动。因此，显示相对于工件坐标系统的探针坐标系统通常需要识别和绘制 工件上的一些参照点。例如，工件可以包括用作参照点或基准点的已知边缘和拐角。工件 还可以包括预先设定的基准点，如十字刻印（printed crosses等），预先设定的基准点可 以用于建立接触探针运动的初始参照点。此外，这些基准点可以远离以其他方式通过接触 探针检测的任何表面凹凸（例如，Z轴高度的变化），由此专门依赖于视觉特征来寻找参照 点。
[0006] 使用机器视觉系统（本文中也简称为"视觉系统"）辅助围绕工件导引（定位）机 器人部件一例如，末端执行器，零件搬运装置等一是本领域已知的。通常，这样的视觉系统 包括一个或更多个摄像机，所述一个或更多个摄像机安装用于对包含机器人部件和工件的 场景进行成像。每个摄像机包括基于CCD、CMOS或在灰度或色彩方面适合的其他成像技术 的图像传感器或"成像器"。成像器通过适当的有线链路和/或无线链路的连接向处理器提 供图像数据，处理器可以与摄像机主体结合和/或可以位于远程计算装置如独立PC、笔记 本电脑、平板电脑、智能手机等。处理器包括具有各种功能的视觉系统应用/过程，例如但 不限于边缘检测和斑点分析工具、总体式样识别工具、对准工具和/或检测工具。这些功能 和工具使得视觉系统能够识别工件上的特征并且使工件相对于在运行操作之前的训练和 校准阶段期间建立的内坐标系统对准。
[0007] 视觉系统结合接触探针使用提供的一些挑战在于接触探针上的接触点的定位在 运行期间可能被遮挡住，并且通常很难获得摄像机的良好视角。更普遍地，视觉系统结合接 触探针使用一包括系统的校准一是具有挑战性的。在CMM于单个移动臂上采用多个接触探 针的情况下，增强了这样的挑战。
【发明内容】
[0008] 本发明通过提供一校准固定装置克服了现有技术的缺点，所述校准固定装置使得 例如CMM上的接触探针相对于摄像机能够得到更精确的校准，使得手眼校准过程（下面将 进一步描述）可以通过摄像机相对于探针接触的点的直接观察来进行。摄像机安装成使得 其光轴与探针的z轴大致或基本平行。探针和工件沿着（至少）由正交的X轴和y轴以及 可选地z轴和/或绕z轴的旋转R限定的平面相对地运动。校准固定装置布置成从探针的 接触表面下方经由180度棱镜结构成像以将光从探针接触点沿着光轴传回至摄像机。在构 成总体180度棱镜组件的一对直角（90度）棱镜之间可以定位有准直中继光学器件。摄像 机的光轴和探针接触表面相对于彼此呈已知取向使得使用该装置执行手眼校准允许摄像 机的内坐标精确地绘制于探针/CMM坐标系。由此，在工作期间，当摄像机在其视野内识别 工件特征时，探针与该特征的距离和取向（基于绘图）精确地已知并且探针可以通过使CMM 沿着一个或更多个轴移动已知距离来平移/移动至该特征上。
[0009] 更普遍地说，本发明提供了一种用于精确校准摄像机与探针之间的偏移的系统及 方法，在该系统中，摄像机"观察"一共同平面，探针"接触"此共同平面。探针可以是包括 电子式或机械式的各种类型的探针。此共同平面可以例如是电路板、半导体芯片或触摸屏。 摄像机和探针在机器人或平台（例如CMM装置）上刚性地安装在一起使得摄像机和探针在 机器人或平台移动时保持固定偏移量。该系统和方法包括包含"接触观察表面"（TVS)和 "观察窗口"(VP)的校准固定装置。校准固定装置调节成使得TVS与VP之间的位移大致匹 配摄像机与接触探针之间的固定位移。TVS包括基准靶标（例如，镀在表面上的金属的十字 叉丝）。
[0010] 在另一实施方案中，该系统和方法采用第一（基准定位）摄像机和第二（探针 定位）摄像机，第一摄像机相对于移动的机器人或平台刚性地安装，第二摄像机相对于结 合照明装置和靶标的校准固定装置安装，照明装置和靶标中的每一者选择性地与分束器联 接。探针定位摄像机限定（第一）对准的光学器件/摄像机轴线以经由直角的、分束器镜 观察靶标，其中，照明光束透过镜子和靶标使得能够沿着基准定位摄像机（第二）光学器件 /摄像机轴线将靶标的图像投射至基准定位摄像机。在操作中，探针定位摄像机用于确定 一个或更多个探针稍端与基准点的对准，并且基准定位摄像机用于相对于其像素定位基准 点。以这种方式确定了基准定位摄像机相对于CMM中的每个探针的偏移量，并且可以允许 摄像机在运行期间使用这些偏移量使CMM臂（包含探针）移动至检查下的物体上的适当位 置。
[0011] 在一个示例实施方式中，本发明提供了一种引导接触探针的视觉系统。该系统包 括视觉系统摄像机组件，视觉系统摄像机组件的摄像机轴线相对于具有纵向轴线的移动接 触探针组件安装。本发明还提供了一种限定棱镜组件的校准固定装置，棱镜组件使光路在 以偏移间距S间隔开的平行轴线之间转向180度。示例性地，偏移间距S和接触探针纵向 轴线与摄像机轴线之间的间距大致相同使得接触TVS的接触探针沿着VP中的摄像机轴线 是可见的。该系统可以包括该装置的光路内的中继透镜组件。示例性地，校准固定装置可 以包括场透镜，场透镜通常位于VP棱镜的顶表面上，从而允许接触点的获得图像以与接触 表面焦距相同的焦距显像，并且更普遍地减小了视差甚至摄像机视野中的光照。
[0012] 在所示实施方式中，场透镜组件可以在光路中定位在棱镜组件上以减小由来自接 触探针的反射光产生的视差并且平衡摄像机组件的视野中的光照。示例性地，棱镜组件具 有第一直角棱镜和第二直角棱镜，第一直角棱镜具有在其上包括基准点的接触观察表面 (TVS)，第二直角棱镜具有用于获得TVS的图像的观察窗口（VP)。可以提供一种照明组件， 该照明组件将光传输至邻近于TVS的第一直角棱镜中，并且该照明组件可以具有分束器， 分束器邻近第二直角棱镜的斜壁定位以使光透过第二直角棱镜并且透过中继透镜组件至 第一直角棱镜。替代性地，分束器可以邻近第一直角棱镜的斜壁定位以使光透过分束器向 上传输。根据另一替代实施方式，照明组件可以布置成经由第一直角棱镜的斜壁传输光使 得能够在第一直角棱镜内产生全内反射（TIR)。在该结构中，由此，照明光线在VP中的相对 于TVS上的接触探针接触的位置处投射反光。
[0013] 在另一示例实施方式中，本发明提供了一种关于移动接触探针组件校准视觉系统 的方法。具有摄像机轴线的摄像机相对于接触探针组件的纵向轴线定位和安装。棱镜组件 使以偏移间距S间隔开的平行轴线之间的光路转向180度（以两个单独的90度转向）。间 距S和接触探针纵向轴线与摄像机轴线之间的间距大致相同。棱镜组件限定其上具有基准 点的接触观察表面（TVS)以及用于获得TVS的图像的观察窗口（VP)。用探针接触基准点以 建立对准点，并且探针的位置通过接触探针运动控制器记录为探针对准的位置。接触探针 和刚性连接的摄像机通过运动控制器平移使得摄像机对准以观察TVS上的基准点并且接 触探针的位置记录为摄像机对准的位置。偏移间距计算为对准的位置摄像机与对准的位置 探针之差。示例性地，计算的运行时的偏移间距用于基于摄像机识别的工件上的特征将探 针移动至工件的位置。
[0014] 在另一示例实施方式中，本发明提供了一种使用两个视觉系统摄像机导引接触探 针组件的示例性视觉系统和方法。本发明提供了一种校准固定装置。该装置包括基准点，基 准点布置成可基于接触探针组件与装置之间的运动与接触探针选择性地接触。校准固定装 置包括分束器，分束器允许照明光从光源透过基准点以及转过一定角度的第一光路，观察 透过基准点进入基准点上方的空间的光线，所述空间选择性地容纳接触探针组件。第一视 觉系统摄像机组件相对于分束器定位，并且限定沿着第一光路定位的第一摄像机轴线。具 有第二摄像机轴线的第二视觉系统摄像机组件相对于接触探针组件刚性地安装，并且当光 源照射基准点时选择性地观察基准点。该结构可以示例性地包括多个接触探针组件，每个 接触探针组件能够相对于装置选择性地移动以各自选择性地接触基准点。接触探针组件中 的每个接触探针组件相对于第二摄像机组件刚性地附接。示例性地，场透镜组件可以定位 在第一光路中以减小由来自接触探针的反射光产生的视差并且平衡摄像机组件的视野中 的光照。在一个示例实施方案中，接触探针组件定位在坐标测量机（CMM)的移动臂上，并且 CMM包括追踪臂的运动的控制器。第一视觉系统摄像机和第二视觉系统摄像机中的每一者 在接触探针接触基准点和第二摄像机轴线与所述基准点对准时分别提供用于基于控制器 记录所述臂的位置的反馈。以这种方式，每个接触探针组件与第二视觉系统摄像机轴线之 间的相对偏移量可于运行操作时供计算使用。
[0015] 在另一示例实施方式中，用于校准接触探针组件的视觉系统可以结合在包括安装 基部、摄像机和光学模块的单个单元中，光学模块具有棱镜、场透镜、分束器、非球面透镜组 件和光源。摄像机从定位在标线处的TVS接收光，并且在分束器的反射表面处反射经过直 角。照明光源轴向地透过反射表面和标线投射至探针上。光学模块由壳体盖覆盖，壳体盖 还覆盖摄像机组件的透镜端的至少一部分以防止光泄漏并且抵抗环境污染物的渗入。
[0016] 示例性地，分束器和照明光源相对于支承第二视觉系统摄像机的安装基部安装在 光学模块中，并且光学模块具有适于接触接触探针的标线。标线大体上限定基准图案以及 照明光源与分束器之间的光调节透镜。光调节透镜可以包括具有凹凸透镜对的非球面透镜 组件。在标线与分束器之间示意性地定位有场透镜。在光学模块和第二视觉系统摄像机的 至