[发明专利]视觉引导对准系统和方法

说明书

技术领域

总体上，本发明涉及一种视觉引导对准系统。更具体地，本发明涉及一种利用相机空间操控控制过程的视觉引导对准系统。特别地，本发明涉及一种使用自动初始化的相机空间操控控制过程进行控制的视觉引导对准系统。

背景技术

诸如拾取和放置操作、材料去除以及包括诸如移动通信设备、GPS(全球定位系统)导航设备和PDA(个人数据助理)之类的便携式掌上电子设备的电子设备组装的要求两个或更多组件相对于彼此对准的机器人自动化过程主要是重复的手工作业。具体地，关于拾取和放置操作以及材料去除，执行这样的操作的机器人处理需要以高精度移动各种结构组件以成功完成操作。然而，使得电子设备组装自动进行的困难是因为涉及到小比例或小尺寸电子组件的独特特性，上述电子组件通常处于1至10mm的范围之中，并且它们必须以紧密的空间公差被组装在一起。因此，电子设备的成功自动组装要求每个小型组件所提供的结构特征(诸如印刷电路板(PCB)上的连接插口)被精确对准以允许它们成功组装。

为了实现结构组件的精确对准以及小型电子组件紧凑公差自动组装，已经利用诸如模型校准技术和视觉伺服技术之类的视觉引导的机器人对准和组装技术对自动机器人对准和组装系统的操作中所固有的位置和方位变化误差进行补偿。模型校准技术依赖于获取准确的相机模型校准以及产生准确的机器人运动学模型，以在自动机器人对准和组装期间实现精确的组件定位，这是昂贵、复杂且耗时的。另一方面，视觉伺服需要高速图像处理以始终鲁棒地检测机器人当前姿态和目标机器人姿态之间的图像误差，以便对机器人的运动进行调节以使得其能够接近目标姿态或者否则向目标姿态进行调节。不幸的是，视觉伺服所采用的高速图像处理的部署和维护是复杂且昂贵的。

由于模型校准和视觉伺服技术的缺陷，研发了相机空间操控(CSM)控制技术。相机空间操控在组件被机器人操控或否则移动时使用一个或多个成像相机对所述组件进行成像以生成简单的局部相机空间模型，该模型对机器人的标称位置坐标和相机成像空间中所操控的诸如电子组件的组件上所找到的结构特征的外观之间的关系进行映射。例如，相机空间模型可以对组件上的结构特征的外观进行建模，所述结构特征是诸如被机器人手爪所抓握的印刷电路板(PCB)上的连接插口。相机空间操控仅需要在定位过程期间获取有限数量的局部数据点以改善局部相机模型以便对抓握误差、机器人向前运动学误差和相机模型误差进行补偿，从而实现小型组件精确的紧凑公差组装，以及例如拾取和放置以及材料去除操作期间的精确对准。

然而，为了使用相机空间操控技术来实现视觉引导对准或组装，首先要求进行手动设置或初始化以使得局部相机空间模型识别被机器人操控的组件所提供的视觉结构特征。为了完成手动训练，在视觉上可被相机所访问的组件的视觉结构特征由个人基于其经验而在特别基础上进行选择。一旦特征被确定，组件就被带到相机的视场之内以使得其被成像为图像帧。此外，个人必须手动定义相机空间视场中的视觉特征的中心，同时要求对机器人物理空间中的每个视觉特征之间的相对位置进行定义。而且，手工初始化要求在视觉上可被相机所访问的视觉特征与处于相机视场之外的图像帧中组件的组装特征之间的相对位置也要被定义。然而，由于组件的组装特征无法在视觉上被成像相机所访问，所以难以准确地手动测量视觉特征和组装特征之间的距离。不幸的是，手动测量所产生的误差导致了基于视觉特征位置所生成的机器人相机模型不准确。该机器人相机模型被用来控制机器人以便对组件进行定位以使得在视觉上被遮挡的组装特征处于正确位置。因此，如果机器人相机模型不准确，则机器人无法以高精度准确地对准或组装组件，这是不期望看到的。

此外，通过手动轻推或移动机器人来识别插入位置是非常困难的并且需要熟练的机器人工程师的多次试验，该插入位置确定组件要耦合或组装在一起的地方的结构特征的位置。用于识别在视觉相机空间中所捕捉的机器人位置和视觉特征外观数据的初始校准信息被用来对机器人相机校准模型进行初始化，并且取决于需要遍及相机的每个校准位置建立组件视觉特征的可视性的机器人工程师的技能。不幸的是，使用手动初始化过程难以确保机器人的可达性(reachability)，确保机器人能够避免与机器人单元中的周边结构相碰撞，并且确保在校准位置和插入位置之间存在相同的方位，原因在于每个机器人位置可能具有由有缺陷的机器人向前运动模型所导致的不同定位误差。此外，手动初始化过程使得难以确保校准位置在相机成像空间和机器人物理空间中进行分布以便获得所期望的对来自相机空间操控(CSM)控制过程初始化计算的噪声进行采样的稳定性和灵敏度水平，而这是期望的。