CN112013761A

CN112013761A - 用于3d位置确定的位置检测器和方法

Info

Publication number: CN112013761A
Application number: CN202010462408.6A
Authority: CN
Inventors: M·沃尔夫; F·施黑泽尔; C·蒙蒂
Original assignee: Tecan Trading Co ltd
Current assignee: Tecan Trading Co ltd; Tecan Trading AG
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-12-01
Also published as: JP2020201245A; EP3745081B1; US11707847B2; US20200376672A1; EP3745081A1

Abstract

本发明涉及一种用于为对象生成所述对象在位置确定空间中的3D位置信息的位置检测器，其中所述位置检测器包括：‑具有透镜和图像传感器的相机，所述相机限定成像区，‑布置在所述成像区中的至少一个第一光偏转元件，其中所述相机和所述至少一个第一光偏转元件被适配成在所述图像传感器上同时产生所述位置确定空间的至少两个图像，第一图像由在所述第一光偏转元件处偏转的光束产生，其中所述至少两个图像在对所述位置确定空间的查看方向方面是不同的。此外，本发明涉及具有根据本发明的位置检测器的机器人系统，用于确定空间坐标的方法，用于操作机器人系统－尤其是移液机器人系统－的方法，用于确定对象的空间坐标的方法和系统的应用。

Description

用于3D位置确定的位置检测器和方法

技术领域

本发明涉及用于对象在位置确定空间中的3D位置确定的位置检测器和方法。本发明的进一步方面涉及具有根据本发明的位置检测器的机器人系统，用于确定空间坐标的方法，用于操作机器人系统(尤其是移液机器人系统)的方法，用于确定对象的空间坐标的方法和系统的应用。

背景技术

位置检测器被用在其中对象在三个坐标方向上的位置应当被确切知悉的各种情形中。在下文，移液管尖端的位置确定被讨论作为此类情形的解说性具体示例。

归因于移液管的生产中的制造公差或归因于在摄取移液管尖端时的组装公差，移液管尖端到移液管的摄取的相对位置经受各种变化。即使移液管的摄取被，例如移液机器人，精确且可再生产地定位移液管尖端的位置的变化也可能阻止移液管尖端足够可靠地到达微小对象(诸如孔盘的孔)。移液管尖端的材料的质量和选择对移液管尖端的位置的变化的程度方面是有影响的，并且可能排除使用具有微小空间隙的孔盘。

具有标准微盘的外尺寸的盘的形式的位置检测器是从专利说明书EP1489425B1已知的。它允许借助于来自两个光障的扫描束来定位功能元件，诸如移液管尖端，这两个光障的束方向不与盘的外边缘平行。该盘可被用在以下方法中：在该方法中，为了确定位置，借助于机器人系统在所述盘的区域中在矩形坐标系的X、Y或Z方向上移动对象，并且与这一起同步地观察扫描束的阴影。以此方式，确定例如移液管尖端相对于盘的位置是可能的。

这一方法的缺点在于它花费相对长的时间来确定位置。提高位置确定的精度需要较慢的运动。又一缺点在于机器人系统的横向运动与来自光障接收机的信号评估的同步是必要的。

发明内容

本发明的目标是提供一种克服现有技术的缺陷的设备和方法。具体而言，本发明的目标是使得能够在更短的时间内执行位置确定。此外，本发明的目标是使得能够在所有三个空间维度上精确地执行位置确定。

该目标通过如权利要求1所述的位置检测器来解决。

根据本发明的位置检测器被用来为对象生成该对象在位置确定空间中的3D位置信息。位置检测器包括：

-具有透镜和图像传感器的、限定成像区的相机，以及

-布置在成像区中的至少一个第一光偏转元件。

该相机和该至少一个第一光偏转元件被适配成在图像传感器上同时产生位置确定空间的至少两个图像，从而由在第一光偏转元件处偏转的光束产生第一图像，其中该至少两个图像在对位置确定空间的查看方向方面是不同的。

对象的3D位置信息可，例如，被包含在可由图像传感器记录的图像记录中。位置确定空间按如下方式来设计：它可至少部分地接收要确定其3D位置的对象。从位置确定空间开始的光束路径由根据本发明的位置检测器来按至少两种不同方式成像到图像传感器上的真实图像中。这两种不同方式与位置确定空间的不同查看方向相对应。成像的最后阶段是透过相机透镜来执行的。至少一个第一光偏转元件在透镜前方。位置检测器按如下方式设计：同时在图像传感器上产生至少两个此类真实图像。图像中的至少一者由在第一光偏转元件处偏转的光束来产生。光偏转元件位于相机的直接成像区中。光偏转元件可以是例如反光镜或偏转棱镜。光偏转元件按被限定的方式来偏转光束，并且按如下方式设计：沿光束路径下游的透镜可以将经偏转的光束成像到真实图像中。光偏转元件可被设计成以，例如，可达到放大效果的方式与相机透镜相互作用。光偏转元件也可被设计用于无失真成像。第一和第二图像可以在图像传感器的不同区域中生成。这两个图像也可部分交叠，并且可通过例如颜色、波长范围或偏振来区分开。到第一和第二图像的光束路径可从不同方向撞击在相机透镜上或者，例如，经由半镜光学元件归并在相机前方。

发明人认识到，所提出的位置检测器可被用来以非常简单的方式确定对象的3D位置信息。不同于常规的二维图像，归因于从不同查看方向同时生成两个图像，与第三空间维度有关的信息也可被确定。可以在短时间内执行3D位置信息的确定。

本发明适用于其中应当精确知悉对象(尤其是细长对象)的参考点在三个坐标方向上的位置的各种情形。作为此类情形的具体示例，在该介绍中讨论了移液管尖端的位置的确定。可借助于本发明确定其位置的对象的参考点是，例如，任何细长对象的端部。除移液管尖端之外，也可以是钻头尖端、铣刀的端面的中心、形状寻迹器的探头尖端、烙铁的烙铁头尖端，等等。

位置检测器的各实施例得自权利要求2到12的各特征。各从属权利要求的特征可任意组合，只要它们不彼此冲突。

在一个实施例中，位置确定空间位于相机的成像区内。

在这一实施例中，至少两个图像中的一者可经由从位置确定空间到相机透镜的直接光束路径来生成。这一实施例可尤其简单。例如，位置确定空间可位于相机的成像区的中心，并且相机的成像区的外围区中的单个光偏转元件可被用来获得位置确定空间上的第一观察方向，该第一观察方向可大致正交于位置确定空间上的直接观察方向，即在这一情形中是第二观察方向。

在位置检测器的一个实施例中，第一光偏转元件被设计成在限定第一平面的第一平坦表面上偏转光。

对于这一实施例，获得了无失真的第一图像。对于这一实施例，使用位置检测器生成的3D位置信息的评估尤其容易。第一平坦表面可以是例如平坦镜表面或光学棱镜的平坦表面。第一平面是延续第一平坦表面超出其边缘的假想平面。该第一平面可，例如，具有与相机的光轴形成特定角度(例如范围20°到50°中的角度)的法线。稍大于45°的角度适用于提供一对正交查看方向连同对位置确定空间的直接查看方向。相对于光轴的小倾斜角(例如，在范围0°到30°中)，结合与位置确定空间相比进一步远离相机的第一光偏转元件的位置，有用于提供对象的如下查看方向：该查看方向这示出了对象的在直接视图中不可见的侧面。

位置检测器的一个实施例还包括第二光偏转元件。相机和第二光偏转元件被适配成通过在第二光偏转元件处偏转的光束产生该至少两个图像中的第二图像。

在这一实施例中，第一和第二光偏转元件可按如下方式布置：从对象到第一和第二图像的光束路径基本上是相同长度。这允许这两个图像同时聚焦在图像传感器上。这一实施例还可与以下实施例相组合：其允许直接查看位置确定空间，从而使得能够在相机的图像传感器上拍摄位置确定空间的第三图像。

在位置检测器的一个实施例中，第二光偏转元件被设计成在限定第二平面的第二平坦表面上偏转光。

这一实施例具有第一和第二图像无失真的优点，如上文针对第一图像已讨论的。第二平面是延续第二平坦表面超出其边缘的假想平面。第二光偏转元件可具有与以上针对第一光偏转元件讨论的相同特征。

在位置检测器的又一实施例(其是上述各实施例中的两者的特征的组合)中，第一和第二光偏转元件两者被设计成分别在限定第一和第二平面的第一和第二平坦表面上偏转光。

具体而言，第一和第二光偏转元件可以是两个平面反光镜。例如，根据这一实施例，根据本发明的位置检测器可被实现为仅具有两个光偏转元件，具体而言是反光镜，以使得在相机外部不需要这两个光偏转元件以外的进一步光学元件。

在其中第一和第二平面如上所述地限定的位置检测器的一个实施例中，第一和第二平面相交于与相机的光轴正交的假想直线。

在这一实施例中，该假想直线和光轴可限定该设备的对称性的平面。具体而言，此对称性平面可穿过位置确定空间。因而，经由相等长度的光束路径为对象在该对称性平面上生成第一和第二图像。第一和第二平面表面可延伸接近对称性平面。这一布置具有相机的成像区可被良好地利用的优点。

在位置检测器的又一实施例中，第一和第二平面限定四个空间分区，其中相机和位置确定空间被布置在这四个空间分区中的第一空间分区中，并且其中该第一空间分区的孔径角在100°到140°的范围中。

对于这一实施例，可生成能被尤其良好地评估的3D位置信息。这归因于以下事实：对于这一实施例，对于第一和第二图像，可达成位置确定空间的在很大程度上独立的查看方向。具体而言，第一空间分区的孔径角可以在130.0°到135.0°的范围中。因而，各观察方向实际上可彼此正交。例如，在具有镜对称性的布置中，第一和第二平面可具有相对于相机的光轴各自倾斜约23°的法线。在这一示例中，空间分区的孔径角是134°(＝180°-2*(23°))。在相机和反光镜之间的大距离的边界线情形中，各正交观察方向可以用各反光镜的各自22.5°的倾斜角来达成(即，空间分区的孔径角为135°)。

在位置检测器的一个实施例中，相机、第一光偏转元件以及第二光偏转元件相对于位置确定空间中的中心点按如下方式布置：从中心点经由第一光偏转元件透过透镜到达图像传感器的第一光束路径，以及从中心点经由第二光偏转元件透过透镜到达图像传感器的第二光束路径，在中心点处彼此正交地延伸。

对于这一实施例，可生成能被尤其良好地评估的3D位置信息。

位置检测器的一个实施例还包括布置成照亮位置确定空间的至少一个光源。

光源可提高3D位置信息的质量，例如，包含3D位置信息的图像记录中的图像噪声可被降低。例如，光源可被设计成按闪光模式来点亮。光源可发出单色光或来自窄波长带的光。这使得可能选择性地滤除来自相机前方或内部的除光源之外的源的干扰光。

作为至少一个光源的补充，位置检测器的又一实施例包括用于散射光的第一散光器元件，其中第一散射器元件和第一光偏转元件被布置成相对于位置确定空间彼此相对，并且其中该至少一个光源被布置成经由该第一散光器元件间接照亮位置确定空间。

在这一实施例中，可在第一图像中创建对象的阴影图像，其中对象的轮廓尤其清晰。因而可尤其良好地标识对象的特征点，诸如顶点。此外，这一实施例尤其适于确定具有反射性表面的对象或至少部分透明的对象的3D位置。

具体而言，这一实施例还可包括第二散光器元件，其中第二散光器元件和第二光偏转元件也被布置成相关于位置确定空间彼此相对，并且其中该至少一个光源被布置成经由第二散光器元件间接照亮位置确定空间。以此方式，从两个不同查看方向生成两个相似的阴影图像。第二光源也可被特别布置成照亮第二散光器元件。在这一情形中，第一和第二光源可，例如，在所发出的光的颜色或波长方面不同，这允许即使图像交叠也可在图像传感器上区分这两个阴影图像。例如，使用适当的光源，可在图像传感器上同时创建对象在红色背景上的第一阴影图像和该对象从不同查看方向并在绿色背景上的第二阴影图像。

位置检测器的一个实施例包括外壳，该外壳包围相机、第一光偏转元件、位置确定空间以及(在适当时)第二光偏转元件，并且其中外壳具有用于将对象的至少一端插入位置确定空间的接入开口。

这一实施例生成特别高质量的3D位置信息。在这一实施例中，相机的成像范围内的杂散光或对象所造成的干扰(这不属于要收集其3D位置信息的对象)在很大程度上被消除。同时，可通过接入开口容易地更换要确定其位置的对象。

例如，位置检测器的相机具有带有范围在50mm到200mm的焦距的透镜。具体而言，透镜可具有长焦镜头的特性。

发明人认识到，在这一实施例中，3D位置信息可使用非常高的精度来确定。对于所提及的范围中的焦距，图像的失真非常低且可达到大景深。

根据权利要求13的机器人系统也在本发明的范围内。根据本发明的机器人系统包括根据本发明的位置检测器。具体而言，该机器人系统可以是移液机器人系统。

此外，该目标通过根据权利要求14的方法来解决。

根据本发明的方法是用于确定对象的空间坐标的方法。该方法包括以下步骤：

a)相对于相机来定位对象的至少一部分；

b)在相机的图像传感器上生成对象的至少两个图像，其中所述图像中的至少一者是由对象的反射来生成的，并且其中该至少两个图像从不同的查看方向再现对象；以及

c)根据该至少两个图像来确定对象的空间坐标。

使用根据本发明的方法，可非常快速地确定对象的空间坐标。

该方法的变型被用来确定对象在根据本发明的位置检测器的位置确定空间中的空间坐标。

该方法包括下列步骤：

a)在位置确定空间中定位对象的至少一部分；

b)借助于相机来生成图像记录，其中图像记录包含第一和第二图像，并且其中第一图像是借助在第一光偏转元件处偏转的光束路径来生成的；

c1)在步骤b)中生成的图像记录中，评估第一图像，其中对象在该图像内的第一水平-垂直位置被确定；

c2)在步骤b)中生成的图像记录中，评估第二图像，其中对象在该图像内的第二水平-垂直位置被确定；

c3)根据第一和第二水平-垂直位置来计算对象的空间坐标。

作为步骤c3)中的计算的基础，例如，可提前执行校准规程，其中在三个独立空间方向上将对象偏移已知坐标值，并且执行步骤a)、b)、c1)、c2)以及c3)。根据在图像记录中所确定的位置与已知坐标变化之间的关系，可以确立并求解出用于这两个图像中的水平-垂直位置和空间坐标之间的变换系数的线性方程组。此类校准规程可在精度十字工作台上执行，例如在具有10μm或更好位置分辨率的CNC机床上。

发明人认识到，来自用根据本发明的位置检测器的图像记录的3D位置信息的使用，导致特别精确和可再现的空间坐标。

在该方法的一种变型中，步骤c3)涉及根据第一和第二水平-垂直位置的均值以及第一和第二水平-垂直位置之间的距离来计算对象的空间坐标。

在该方法的这一变型中，可根据这两个垂直位置的均值来确定第一坐标。可根据这两个水平位置的均值来确定第二坐标。可根据第一和第二水平-垂直位置之间的距离来确定第三坐标。这一坐标独立于第一和第二坐标，且确保所有三个坐标的组合得到空间坐标。

用于操作根据本发明的机器人系统的方法也在本发明的范围内。该方法包括下列步骤：

-在第一对象由机器人系统保持在位置确定空间中时，执行根据本发明的方法的各步骤来确定该第一对象的参考点的第一空间坐标；

-确定机器人系统的第一运动序列的第一参数集，该机器人系统借助于此将第一对象的参考点从位置确定空间带到目标位置；

-在第二对象由机器人系统保持在位置确定空间中时，执行根据本发明的方法的各步骤来确定该第二对象的参考点的第二空间坐标；

-根据第一和第二空间坐标之间的差异来校正第一运动序列的第一参数集，以获得机器人系统的第二运动序列的第二参数集；

-基于第二参数集对第二对象执行第二运动序列。

用于确定第一对象的参考点的第一空间坐标的方法可在定义第一运动序列的第一参数集之前或之后执行。在这两个步骤的组合中，参考点(一种虚拟零点)被定义在位置确定空间中，第一运动序列据此确切地达到所需目标位置。可按如下方式相对于第二对象和其他对象的对应参考点与先前定义的参考点之间的偏差来校正进一步的运动序列：其他对象的对应参考点也被引导到该目标位置。参考点(其可以是例如移液管的尖端)的确切位置的变化，例如，可因此而被补偿。此类变化可，例如，由对象(例如移液管)的个体几何偏差造成。例如，长中空针的轻微曲率可能几乎不能避免，这导致在正交于针轴的平面中该针的摄取位置与该针的尖端之间的偏差。变化也可由机器人系统对对象的摄取的并非总是完美可重复性而造成。例如，即使移液管是相同的，与容器相比，移液管到对应容器的重复附连也导致移液管尖端的空间位置的轻微变化。根据本发明的方法补偿所有这些变化，而不管确切原因如何。

本发明还涉及根据本发明的方法来用于操作机器人系统的各应用。

在该方法的一种应用中，机器人系统是移液机器人系统，并且第一对象是移液管尖端且第二对象是移液管尖端。

对于这一应用，在接近孔时达到高精度，而与移液管尖端的生产公差无关。这允许例如使用较不昂贵版本的移液管连同具有微小孔间隔的孔盘，诸如具有96孔、384孔或1536孔的标准孔盘，而不增加移液误差的风险。

例如，第一对象可以是第一移液管尖端，且第二对象可以是不同于第一移液管尖端的第二移液管尖端。例如，第二对象也可以是第一移液管尖端，但例如在第一移液管尖端已被用来穿刺容器的盖之后。例如，长金属针头形式的移液管尖端可被用来穿刺容器的盖。这可轻微改变移液管尖端的几何形状并且因而改变移液管尖端的位置。在这一意义上，在穿刺过程之前和之后的移液管尖端是第一和第二对象，其3D位置可根据本发明所述的方法来分开确定。

例如，移液机器人可以一起移动若干移液管的布置，例如一行4或8个移液管。在这一情形中，例如，可在位置检测器中为该若干移液管中的每一者确定距其目标位置的个体偏差。例如，若干移液管的整个布置随后可一起移动到大致位置，并且随后可例如从每一移液管分开地执行分液，其中紧接分液之前，位置的个体微校正可基于在位置检测器中确定的偏移来被执行。

在本应用的一种变型中，目标位置是在MALDI目标盘上方，即用于基质辅助激光解吸电离的目标盘。

在本应用的这一变型中，溶液中的分析物可以被非常精确地移液到目标盘的由激光束在后续步骤中命中的那一部分。以此方式，立即生成具有分析物分子的脉冲，而无需先前的耗时搜索来寻找目标盘上的具有最高分析物浓度的区域。本申请的这一变型一起适于作为使用基于基质辅助激光解吸电离的飞行时间分析(TOF)(MALDI-TOF)的质谱法的预备步骤。

例如，具有用于MALDI目标盘的载体的运送设备被装载在与装载有位置检测器的同一平台上。运送设备被用来将目标盘从移液位置运送到MALDI-TOF质谱仪中。以此方式，在命中MALDO-TOF质谱仪的激光束所命中的位置时，可达到特别高的可再现性。

可能的规程包括以下步骤：

摄取移液管尖端。

将第一移液管尖端移至位置检测器的位置确定空间中，并根据本发明所述的方法首次确定移液管尖端的第一空间坐标。这定义了稍后使用的移液管尖端参考点。

将移液管尖端移至MALDI目标盘上方的确切所需分液位置。MALDI目标盘处于移液位置中。可例如，沿经编程路径提前接近粗略位置。可由用户使用箭头键按机器人控制器的所谓教导模式来控制移至确切位置。确切目标位置可，例如，通过印刷在目标盘上的环来标识，其中环的中心对应于目标位置。

保存目标坐标作为机器人系统的坐标。因而，位置检测器中的参考点与目标坐标之间的在所有空间坐标的距离是已知的。

摄取第二移液管尖端。

将第二移液管尖端移至位置检测器的位置确定空间中，并根据本发明所述的方法确定移液管尖端的第二空间坐标。这造成第二移液管尖端的位置与先前确定的参考点之间的差异。

接近MALDI目标盘上方的目标坐标，位置检测器中的参考点与所考虑的目标坐标之间的距离以及第二移液管尖端的位置与先前确定的参考点之间的差异这两者被纳入考虑。

按相同方式，可确定若干目标坐标，例如，除MALDI目标盘上方的分液位置外，微盘上的特定孔(例如，分析物要通过送气来被接收在该孔)的坐标。所存储的位移随后可在有效移液规程中纳入考虑，通过在确定针对从分析物被摄取的孔到MALDI目标盘上方的所需分液位置的路径的控制命令时将其纳入考虑。

在本应用的另一变型中，目标位置被定义在培养皿上，且第二运动序列的第二参数集基于培养皿上的菌落的坐标而被进一步调整。

通过改变本应用，使用移液管尖端穿孔菌落的各区域(这些区域已在显微图像中被精确定义)并将它们带到进一步分析是可能的。在穿孔培养皿外部的样本时，移液管尖端的生产公差因而对定位精度几乎没有影响。

一种用于确定对象在位置确定空间中的空间坐标的系统也在本发明的范围内，其中该系统包括根据本发明的位置检测器且进一步包括评估单元。图像传感器和评估单元在操作上相连接以用于传输图像数据。此外，该系统被设立来执行根据本发明的用于确定对象的空间坐标的方法。评估单元可例如，由机器人系统的控制计算机来形成。评估单元还可定位在距位置检测器的某一距离处。图像数据可例如，经由有线或无线计算机网络来传送。

附图说明

下面使用附图更详细地解释本发明的实施例示例，附图中：

图1示出根据本发明的位置检测器的示意性截面图；

图2示出了位置检测器的实施例的示意性截面图；

图3示出了位置检测器的实施例的示意性截面图；

图4示出了用于确定对象的空间坐标的系统的示意性表示；

图5示出了用于确定对象的空间坐标的方法的变型的流程图；

图6在图6.a)到6.c)中示出了移液管尖端在位置检测器的位置确定空间中的不同位置的图像记录，并且对应地图6.d)到6.f)中示出了示意性截面图以解说移液管尖端的相应位置；

图7示出了位置检测器的实施例的透视图；

图8示出了具有根据本发明的位置检测器的机器人系统；

图9示出了根据图7的实施例的具有进入外壳的视图的透视图；

图10示出了穿过图9所示的实施例的截面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的位置检测器30的示意性截面图。具有图像传感器4和透镜5的相机3限定相机前方的成像区10。第一光偏转元件1(在此示为反光镜)被定位在成像区10中，该成像区可由相机直接成像。第一光偏转元件1限定到位置确定空间13的第一间接视野11，在该位置确定空间中可确定对象的位置。从相机来看，存在到位置确定空间13的第二视野12。在此示出了位置确定空间13的直接视图。第一视野11和第二视野12在它们在位置确定空间的查看方向上是不同的。在相机3和光偏转元件1的这一布置中，可从第一视野和第二视野12在图像传感器4上同时生成位置确定空间的第一和第二图像。

图2示出位置检测器30的实施例。在这一实施例中，第一光偏转元件1和第二光偏转元件2被布置在相机3的成像区10中。第一视野11和第二视野12两者都由经偏转光束来限定。这两个视野在交叠区14交叠，交叠区14包含位置确定空间13。相机3限定光轴15。在所示出的布置中，光偏转元件1、2和视野11、12被布置成相关于光轴对称。

图3示出了位置检测器30的示意截面图，位置检测器30还包括包围相机3、第一光偏转元件1、第二光偏转元件2以及位置确定空间13的外壳9。外壳9可具有不透光壁。此外，在该解说中，位置确定空间中存在对象20。从对象发散出的光束，其在第一和第二光偏转元件处偏转并进入相机透镜5，由细线指示。在这一实施例中，布置了进一步的光源6、6'。第一散光器元件7被布置成相对于位置确定空间13与第一光偏转元件1相对。来自光源的光由散光器元件散射，散光器元件可以是，例如，具有粗糙表面的玻璃窗格或多孔塑料块。对象20因而作为一种阴影图像被投影到相机的图像传感器上。对称地，存在第二散光器元件8，其起到针对第二光偏转元件的对应作用。孔径屏蔽相机透镜免于来自光源或散射器元件的直射光。整个布置基本上是相对于相机的光轴对称的。

图4示出了用于确定对象20的空间坐标的系统40的示意性表示。系统40包括位置检测器30和评估单元41。用于将图像数据从位置检测器传输到评估单元的活动连接被象征性地表示为双线。图像数据可以例如经由串行或并行接口的线缆(例如经由USB线缆)来传送。用于传送图像数据的活动连接也可以是无线连接，例如WiFi连接。在所示出的解说中，位置检测器具有到位置确定空间13的接入开口，对象20可至少部分地插入该接入开口。该系统被设立来，例如，根据图5中的流程图执行根据本发明的方法。评估单元包含，例如，微处理器和工作存储器，用于执行该方法的软件被加载在工作存储器中。评估单元还可被直接安装在相机中。在这一情形中，相机只将已解释的数据传递给其中可安装位置检测器的总体系统的控制计算机是可能的。此类完整系统可以是例如机器人系统，尤其是移液机器人系统。

图5示出了根据本发明的用于确定对象的空间坐标的方法100的流程图。

该方法包括以下步骤：

a)相对于相机来定位对象的至少一部分(101)；

b)在相机的图像传感器上生成对象的至少两个图像(102)，其中图像中的至少一者是由对象的反射来生成的，并且其中该至少两个图像从不同的查看方向再现对象；以及

c)根据该至少两个图像来确定对象的空间坐标(103)。在一实施例中，步骤103包括以下子步骤：

c1)评估来自在步骤b)采集的图像的第一图像(104)，其中确定对象在该图像内的第一水平-垂直位置(H1,V1)；

c2)评估来自在步骤b)采集的图像记录的第二图像(105)，其中确定对象在该图像内的第二水平-垂直位置(H2,V2)；

c3)根据第一和第二水平-垂直位置来计算对象的空间坐标。

在笛卡尔坐标x、y、z的情形中，计算的最后步骤可被表示为：

x＝Fx(H1,H2,V1,V2)，

y＝Fy(H1,H2,V1,V2)，

z＝Fz(H1,H2,V1,V2)。

数学函数Fx、Fy、Fz取决于相机的成像属性以及相机与光检测元件的相互布置。例如，在x轴平行于图像传感器的水平轴、z轴平行于图像传感器的垂直轴且y轴平行于相机的光轴的布置中，坐标可大致如下计算：

x＝a_x(H1+H2)/2，

y＝b(H1-H2)，

z＝a_z(V1+V2)/2。

在此，a_x、a_z和b是将所使用的单位(例如，毫米每像素)和成像尺度纳入考虑的转换系数。在简单情形中，成像尺度在水平和垂直方向上是相同的，并且a_x＝a_z＝a成立。其他项可以校正坐标零点，或将随对象距相机的距离而变化的成像尺度纳入考虑。坐标轴的后续数学旋转或者坐标转换成，例如，圆柱坐标系或球坐标系的坐标也是可能的。

图6在图6.a)到6.c)中示出了移液管尖端在位置检测器的位置确定区域中的不同位置的图像记录。在图6.d)到6.f)中，在每一情形中示出了示意截面图，以根据右手相邻附图来解说移液管尖端在图片上的相应位置，即图6.d)示出了相对于图6.a)中的图片的位置，以此类推。

在根据图6.a)到6.c)的图像记录中，各自由散光器元件来照亮的第一和第二光偏转元件(在此是平面反光镜)在图像的左半部和右半部中以白色可见。移液管尖端可以在不透查看方向上在图片的两半中看到，被示为具有尖锐边缘的黑色阴影图像。这是第一和第二图像，它们中的每一者由经偏转光束来产生。移液管尖端的第三模糊图像可以在图6.a)和6.b)中在图像记录中部的暗区的区域中看到，并且在图6.c中偏向右侧。这是直接成像的移液管，它不在焦点，因为相机透镜聚焦在与到反光镜中的虚拟图像的距离相对应的距离处。图像记录的水平方向H和垂直方向V被绘制在图6.a)的边缘，这也适用于其他两个图像记录。在所有三个附图图6.a)到6.c)中，移液管尖端的水平位置由虚垂直线标记在第一和第二图像中。在图片的下边缘，每一两个水平位置的一个中心由黑色实心圆来标记。此外，两个水平位置之间的距离由双箭头来标记。图6.a)和图6.d)示出了在参考位置的移液管尖端。图6.b)和图6.e)示出了在从参考位置朝相机移动离开之后的移液管尖端；参考位置在图6.e)中由虚线圆示出。在这两个图像中可见的移液管尖端现在具有相对于它们的水平位置的更大距离。这一距离包含与第三空间维度有关的信息，这对应于距相机的距离，并且在根据图6.d)的坐标系中对应于y方向。图6.c)和6.f)分别示出了在进一步向右偏移并在x方向上偏移之后的移液管尖端。这一位移由移液管尖端的水平位置的中心向右偏移来示出，如图6.c)的底部处的简单箭头所指示的。同样，移液管尖端的模糊的直接图像已经向右移动。第三坐标方向(z方向)与x和y方向一起形成右手笛卡尔坐标系。在此所示的布置中，z方向与图像传感器的垂直方向平行对准，并且可以从图像记录中的V位置直接读取。在此示出的图像记录序列中，移液管尖端的z位置没有改变。在所有图像记录中，它是垂直方向V的高度的大致一半。

图7示出了位置检测器30的实施例的透视图。在这一情形中，位置检测器30包括基本上长方体的外壳9，外壳9在上壁中具有接入开口19。平面反光镜形式的第一光偏转元件1可以穿过接入开口。对象可穿过接入开口19被引入位置检测器的位置确定空间。所示出的位置检测器适于测量细长对象的尖端的位置。穿过壁进入外壳9内的线缆18包含用于位置检测器的电源和用于数据传输的线。

图8示出了具有位置检测器30的机器人系统50。所示机器人系统是移液管机器人系统，它可在三个坐标方向x、y和z上移动移液管，这由在该附图的左上角的坐标系中的箭头来表示。对象20(其位置可由位置检测器30来确定)是移液管机器人的移液管。移液管机器人包括用于移动和定位移液管尖端的直线轴。移液管经由柔性软管连接到移液管机器人的泵单元(在此未示出)。在所示出的解说中，移液管尖端被直接定位在位置检测器的接入开口上方，并且可接着降低进入位置确定空间，例如通过在z方向上移动移液管。孔盘51被布置在移液机器人系统的工作表面上，在直线轴的行程范围的范围内。根据本发明，在与移液管尖端有关的3D位置信息的基础上，孔盘51中各个体孔可被接近的精度可显著提高。出于解说的原因，在此只示出了具有4x 6个孔的孔盘。在使用相同大小但在同一表面上具有多得多数目的孔的孔盘(例如，8x 12个孔、16x 24个孔、或甚至32x 48个孔)时，接近各个孔位置时的精度尤其重要。

图9在透视图中示出了位置检测器30的实施例。位置检测器具有已在图3中示出的实施例中讨论的元件。仅出于解说的目的，外壳9被示为透明的，以便可以看见外壳内各元件的布置。在这一实施例中，光源被直接安装在相机前方，并且在图9中不是直接可见的。光偏转元件1、2在此是平面反光镜。这两个平面反光镜各自限定第一和第二平面，第一和第二平面相交于与相机的光轴正交的直线。这两个反光镜各自基本上填充相交3的成像区的一半。外壳中的接入开口19允许对象或对象的至少一部分被插入位置检测器30的位置确定区域。相机具有用于电源和用于经由线缆18传送图像数据的线缆连接。基板支撑光偏转元件1、2，散光器元件7、8，以及屏蔽元件17，并确定它们在位置检测器内的确切位置。用于调整相机在位置检测器内的取向的装置31被形成为拧入基板的向上突出部的六角凹头螺钉，其在其端部压在相机3的基底上。使用在该附图的右下角中可见的六角凹头螺钉和在相对侧上的反作用螺钉，可以调整相对于位置检测器的基板的确切位置，即装置31允许精细调整相机相对于位置检测器的其他元件的取向。

图10示出了根据图9的位置检测器30的实施例的截面图。该截面水平延伸并且恰好位于外壳的盖板下方，使得外壳9的四个横向壁相交，并且位于外壳内的位置检测器的各元件的俯视图是可能的。在相机3的基体上从两侧起作用以用于调整相机的取向的装置31是清晰可见的。光偏转元件1、2，散光器元件7、8以及屏蔽元件17被布置成相关于位置检测器的未绘出的中央平面呈镜像对称，其中中央平面正交于该截面平面。光偏转元件1和2在此是平面反光镜，并且限定具有孔径角α的空间分区。位置确定空间以及相机位于这一空间分区中。在所示情形中，α＝133°，即各反光镜的法线相对于中央平面各自倾斜23.5°(α＝180°-2*23.5°)。位置确定空间13在该具有孔径角的空间分区中的大致位置由虚线圆指示。在所示实施例中，位置确定空间13在这一空间分区中的确切位置通过接入开口19(仅在图9中示出)来确定。在此所示的布置中，存在与图2中所示的情形相对应的第一和第二视野以及与图3中所示的情形相对应的光束路径。

回到位置检测器的属性和元件，可在根据本发明的位置检测器中实现以下特征。

相机透镜的焦距可以是可调整的。例如，相机的图像传感器可具有600千像素分辨率或更高。子像素分辨率可通过使用图像处理软件评估对象的成像边缘上的模糊区来达成。例如，图像传感器可被设计用于黑白图像。例如，图像传感器也可被设计成生成红绿蓝(RGB)图像。位置检测器可例如，被设立在约5cm x 21cm的表面区域上，并且因而在机器人系统内具有非常小的空间需求。在这一尺寸中，位置确定区中的视野(FOV)的大小可以是约2cm。使用600千像素或更高的相机分辨率，可达成在所确定的空间坐标上10微米的分辨率。位置检测器可具有用于位置检测器相对于外部指定的坐标的取向的调整(尤其是精细调整)的装置。作为替换或补充，位置检测器可具有用于相机相对于位置检测器的其他元件的取向的调整(尤其是精细调整)的装置，例如用于相对于光偏转元件或相对于外壳的取向的调整。

附图标记列表

1第一光偏转元件

2第二光偏转元件

3相机

4图像传感器

5透镜

6,6'光源

7第一散光器元件

8第二散光器元件

9外壳

10成像区

11第一视野

12第二视野

13位置确定区域

14交叠区

15光轴

16(光源的)光束

17屏蔽元件

18线缆

19接入接口

20对象

30位置检测器

31用于设置对准的装置

40用于确定空间坐标的系统

41评估单元

50机器人系统

51孔盘

100用于确定对象在位置检测器的位置确定空间中的空间坐标的方法

101定位对象的方法步骤

102生成图像记录的方法步骤

103确定对象的空间坐标的方法步骤

104评估第一图像的方法步骤

105评估第二图像的方法步骤

106计算对象的空间坐标的方法步骤

α(包含位置确定空间的空间分区的)孔径角

H(在图像记录中)水平方向V(在图像记录中)垂直方向

x(笛卡尔坐标系的)x方向

y(笛卡尔坐标系的)y方向

z(笛卡尔坐标系的)z方向

Claims

1.一种用于为对象(20)生成所述对象在位置确定空间(13)中的3D位置信息的位置检测器(30)，其中所述位置检测器包括：

-具有透镜(5)和图像传感器(4)的相机(3)，所述相机限定成像区(10)，

-布置在所述成像区(10)中的至少一个第一光偏转元件(1)，

其中所述相机(3)和所述至少一个第一光偏转元件(1)被适配成在所述图像传感器(4)上同时产生所述位置确定空间(13)的至少两个图像，第一图像由在所述第一光偏转元件(1)处偏转的光束产生，其中所述至少两个图像在对所述位置确定空间的查看方向方面是不同的。

2.如权利要求1所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述位置确定空间(13)位于所述相机(3)的成像区(10)中。

3.如权利要求1或2中的一者所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述第一光偏转元件(1)被适配成在限定第一平面的第一平坦表面上偏转光。

4.如权利要求1到3中的一者所述的位置检测器(30)，其特征在于，还包括第二光偏转元件(2)，并且其中所述相机(3)和所述第二光偏转元件(2)被适配成通过在所述第二光偏转元件(2)处偏转的光束来产生所述至少两个图像中的第二图像。

5.如权利要求4所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述第二光偏转元件(2)被适配成在限定第二平面的第二平坦表面上偏转光。

6.如权利要求3和5所述的位置检测器(30)。

7.如权利要求6所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述第一平面和第二平面相交于与所述相机(3)的光轴(15)正交的假想直线，尤其是其中所述假想直线和所述光轴限定所述位置检测器(30)的对称性的平面。

8.如权利要求6或7所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述第一平面和第二平面限定四个空间分区，其中所述相机(3)和所述位置确定空间(13)被布置在这四个空间分区中的第一空间分区中，并且其中所述第一空间分区的孔径角(α)在范围100°到140°中，尤其是所述第一空间分区的孔径角(α)在范围130.0°到135.0°中。

9.如权利要求6到8中的一者所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述相机(3)、所述第一光偏转元件(1)以及所述第二光偏转元件(2)相对于所述位置确定空间中的中心点按如下方式布置：从所述中心点经由所述第一光偏转元件透过所述透镜到达所述图像传感器的第一光束路径，和从所述中心点经由所述第二光偏转元件透过所述透镜到达所述图像传感器的第二光束路径，在所述中心点处彼此正交地延伸。

10.如权利要求1到9中的一者所述的位置检测器(30)，其特征在于，还包括布置成照亮所述位置确定空间(13)的至少一个光源(6，6')。

11.如权利要求10所述的位置检测器(30)，其特征在于，还包括用于散射光的第一散光器元件(7)，其中所述第一散光器元件(7)和所述第一光偏转元件(1)被布置成相对于所述位置确定空间(13)彼此相对，并且其中所述至少一个光源(6，6')被布置成经由所述第一散光器元件(7)间接照亮所述位置确定空间，尤其是还包括第二散光器元件(8)，其中所述第二散光器元件(8)和所述第二光偏转元件(2)被布置成相对于所述位置确定空间(13)彼此相对，并且其中所述至少一个光源(6，6')被布置成经由所述第二散光器元件(8)间接照亮所述位置确定空间(13)。

12.如权利要求1到11中的一者所述的位置检测器(30)，其特征在于，所述位置检测器包括外壳(9)，所述外壳(9)包围所述相机(3)、所述第一光偏转元件(1)、所述位置确定空间(13)以及可任选地所述第二光偏转元件(2)，并且其中所述外壳(9)具有用于将所述对象(20)的至少一端引入所述位置确定空间(13)的接入开口(19)。

13.一种机器人系统(50)，尤其是移液机器人系统，包括权利要求1到12中的一者所述的位置检测器(30)。

14.一种用于确定对象的空间坐标的方法(100)，所述方法包括以下步骤：

a)相对于相机来定位(101)对象的至少一部分；

b)在相机的图像传感器上生成(102)所述对象的至少两个图像，其中所述图像中的至少一者是由所述对象的反射来生成的，并且其中所述至少两个图像从不同的查看方向再现所述对象；以及

c)根据所述至少两个图像来确定(103)所述对象的空间坐标。

15.如权利要求14所述的方法(100)，其特征在于，所述方法用于确定对象在如权利要求1到12中的一者所述的位置检测器(30)的位置确定空间中的空间坐标，其中在图像记录的生成(102)的步骤b)中，借助于所述位置检测器(30)的相机(3)来执行，其中所述图像记录包含所述第一图像和第二图像，并且其中所述第一图像借助于在所述第一光偏转元件(1)处偏转的光束路径来生成，

其中所述对象的空间坐标的确定(103)的步骤c)包括以下步骤：

c1)在步骤b)中生成的图像记录中，评估(104)第一图像，其中所述对象在该图像内的第一水平-垂直位置被确定；

c2)在步骤b)中生成的图像记录中，评估(105)第二图像，其中所述对象在该图像内的第二水平-垂直位置被确定；

c3)根据所述第一和第二水平-垂直位置来计算(106)所述对象的空间坐标。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在步骤c3)中，所述对象的空间坐标的计算是根据所述第一水平-垂直位置和第二水平-垂直位置的均值以及所述第一水平-垂直位置和第二水平-垂直位置的距离来执行的。

17.一种用于操作如权利要求13所述的机器人系统(50)的方法，包括以下步骤：

-在第一对象由所述机器人系统保持在所述位置确定空间中时，执行如权利要求15或16所述的方法(100)的各步骤来确定所述第一对象的参考点的第一空间坐标；

-确定所述机器人系统的第一运动序列的第一参数集，所述机器人系统借助于此将所述第一对象的参考点从所述位置确定空间带到目标位置；

-在第二对象由所述机器人系统保持在所述位置确定空间中时，执行如权利要求15或16所述的方法的各步骤来确定所述第二对象的参考点的第二空间坐标；

-根据所述第一空间坐标和第二空间坐标之间的差异来校正所述第一运动序列的第一参数集，以获得所述机器人系统的第二运动序列的第二参数集；

-基于所述第二参数集对所述第二对象执行所述第二运动序列。

18.如权利要求17所述的方法的用途，其中所述机器人系统是移液机器人系统，并且其中所述第一对象是移液管尖端且所述第二对象是移液管尖端。

19.一种用于确定对象在位置确定空间中的空间坐标的系统，其中所述系统包括如权利要求1到12中的一者所述的位置检测器和评估单元，其中所述图像传感器和所述评估单元在操作上连接以用于图像数据的传输，并且其中所述系统被适配成执行如权利要求14到16中的一者所述的方法。