TW202029879A - 控制裝置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的控制裝置(1)係對具有可動部及攝像裝置(202)之控制對象裝置(2)進行控制者，攝像裝置(202)係與目標物的相對位置隨著可動部的移動而變化且用以取得目標物之攝影圖像；該控制裝置(1)係具備：驅動部(102、103)，係根據令可動部移動至目標位置的驅動指令信號，驅動可動部；相對位置推定部，係根據驅動指令信號，算出目標物與攝像裝置(202)的相對位置的推定值；樣版圖像修正部(106)，係根據於攝像裝置(202)的攝影時間內的相對位置的推定值的時間序列信號，對預先登錄好的樣版圖像進行修正；及目標位置修正部(108)，係使用修正後的樣版圖像對目標位置進行修正。

Description

控制裝置及控制方法
本發明係關於一種控制裝置及控制方法，係使用攝像裝置來對令利用致動器(actuator)驅動的安裝頭(head)等可動部進行移動的目標位置進行修正修正。
在電子零件安裝機、半導體製造裝置等工作機械中，係進行對伺服馬達(servo motor)、線性馬達(linear motor)等致動器進行驅動，而令安裝頭等可動部移動至目標位置的定位控制。在如上述的工作機械，已知有根據攝像裝置的攝影圖像，對因加工對象物的參差、變形或裝置本身的熱膨脹等而導致的位置誤差進行修正的技術。
下述之專利文獻1係揭示具備安裝頭及攝像裝置的零件安裝裝置。該零件安裝裝置係具有如下述的功能：從攝像裝置所取得的攝影圖像的亮度分布，取得保持在安裝頭之零件的輪廓，根據所取得的零件的輪廓位置，對零件的安裝位置進行修正。此時，零件安裝裝置係在沒有令安裝頭暫時停止之狀態下進行攝影，藉此而縮短了到定位完成為止所需的時間。此時，攝影對象與攝像裝置的相對速度並不是0。 （先前技術文獻） （專利文獻）
專利文獻1：日本國特開2006-287199號公報
（發明所欲解決之課題）
然而，依據上述的習知技術，由於攝影對象與攝像裝置的相對速度並不是0，故攝影對象與攝像裝置的相對位置係在曝光的期間中變化，從而在攝影圖像產生晃動。因此，從攝影圖像取得的零件的輪廓位置是與曝光時間中的哪個時刻對應並沒有唯一性地對應，而有位置誤差的修正精度低的問題。
本發明係鑒於上述情事而研創，目的在於獲得能夠以良好的精度對位置誤差進行修正的控制裝置。 （解決課題的手段）
為了解決上述課題並達成目的，本發明的控制裝置係對具有可動部及攝像裝置之控制對象裝置進行控制者，該攝像裝置係與目標物的相對位置隨著可動部的移動而變化且用以取得目標物之攝影圖像；該控制裝置係具備：驅動部，係根據令可動部移動至目標位置的驅動指令信號，驅動可動部；相對位置推定部，係根據驅動指令信號，算出目標物與攝像裝置的相對位置的推定值；樣版(template)圖像修正部，係根據於攝像裝置的攝影時間內的相對位置的推定值的時間序列信號，對預先登錄好的樣版圖像進行修正；及目標位置修正部，係使用修正後的樣版圖像對目標位置進行修正。 （發明的效果）
依據本發明，能夠達到提供能夠以良好的精度對位置誤差進行修正的控制裝置之效果。
以下，根據圖式，詳細說明本發明實施形態的控制裝置及控制方法。另外，本發明並不受下述實施形態所限定。
實施形態1.第1圖係顯示本發明實施形態1的控制系統10的構成之示意圖。控制系統10係具備控制裝置1及屬於控制裝置1的控制對象之機械系統之控制對象裝置2。在本實施形態中，控制對象裝置2係將電子零件安裝至基板上的電子零件安裝機。控制裝置1係對控制對象裝置2的各部的動作進行控制。控制對象裝置2係具有X軸馬達200、Y軸馬達201、攝像裝置202、可動部203、吸嘴(nozzle)204及印刷基板搬送機構205。
X軸馬達200及Y軸馬達201係令可動部203的位置變化的致動器。X軸馬達200令可動部203移動的方向係與Y軸馬達201令可動部203移動的方向正交。可動部203係安裝電子零件的安裝頭，藉由X軸馬達200及Y軸馬達201而以平行於印刷基板206表面之方式移動。可動部203係使用吸嘴204保持電子零件，或將電子零件載置於印刷基板206上的目標位置207。另外， X軸馬達200及Y軸馬達201在第1圖中雖然係顯示為線性馬達，但亦能夠使用其他線性移動機構，例如旋轉型的伺服馬達與滾珠螺桿的組合等。
攝像裝置202係固定於可動部203，隨著可動部203的移動而移動。因此，攝像裝置202與屬於目標物之印刷基板搬送機構205之間的相對位置係隨著可動部203的移動而變化。
印刷基板搬送機構205係遵照控制裝置1的指令，搬送印刷基板206。目標位置207係由可動部203設為移動之目標的位置，係電子零件在印刷基板206上要設置的位置。
以下，針對控制系統10的基本動作進行說明。第2圖係顯示第1圖所示控制系統10的第1狀態之圖。第3圖係顯示第1圖所示控制系統10的第2狀態之圖。第4圖係顯示第1圖所示控制系統10的第3狀態之圖。此處，說明以可動部203的吸嘴204吸住電子零件208，將電子零件208配置至目標位置207的動作。
首先，在第2圖所示的第1狀態，控制系統10係處於可動部203的定位控制中。在第1狀態中，目標位置207尚未進入攝像裝置202的視野區域V。控制裝置1係使用根據印刷基板206的設計資料(data)而預先設定好的預設(default)目標位置P0來進行可動部203的定位控制。當印刷基板206有歪曲或控制對象裝置2熱膨脹，誤差便產生，而會有原本應安裝電子零件208的目標位置207偏離預設目標位置P0的狀況。當在上述情況中將可動部203定位到預設目標位置P0的狀態下將電子零件208配置至印刷基板206上，由於控制裝置1係在以使吸嘴204的中心軸C與預設目標位置P0一致的方式令可動部203進行移動的狀態下將電子零件208配置至印刷基板206上，因此便會將電子零件208配置至偏離原本應配置的位置之位置。
有鑒於此，控制系統10係具有使用攝像裝置202的攝影圖像對預設目標位置P0進行修正的功能。如第3圖所示的第2狀態所示，當目標位置207進到了攝像裝置202的視野區域V，控制裝置1便從攝像裝置202的攝影圖像算出可動部203與目標位置207之間的相對位置，根據所算出的相對位置，一邊對目標位置207與預設目標位置P0的誤差進行修正一邊進行定位控制。藉由進行如上述的控制，最終，如第4圖所示的第3狀態所示，吸嘴204的中心軸C與目標位置207的中心位置一致，定位控制完成。
第5圖係顯示第1圖所示控制系統10的功能構成之圖。控制系統10係由控制裝置1與控制對象裝置2所構成。控制裝置1係具有：指令生成部100、機械模型運算部101、屬於驅動部之X軸驅動部102及Y軸驅動部103、攝像指令生成部104、相對位置記憶部105、樣版圖像修正部106、圖像處理部107及目標位置修正部108。控制裝置1係根據搭載在控制對象裝置2的攝像裝置202所取得的攝影圖像，進行X軸馬達200及Y軸馬達201的控制。
指令生成部100係根據現在的目標位置P(t)，算出含有X軸指令位置rx(t)及Y軸指令位置ry(t)的位置指令。就藉由對時時刻刻變化的目標位置進行內插而生成位置指令的技術而言，例如能夠使用日本特開2012-20895號公報揭示的方法。指令生成部100係將所生成的位置指令輸入機械模型運算部101。
機械模型運算部101係根據表示控制對象裝置2之機械特性的轉換函數及指令生成部100所算出的含有X軸指令位置rx(t)及Y軸指令位置ry(t)的位置指令，使用後述的方法算出驅動指令信號，該驅動指令信號係含有：為了抑制控制對象裝置2的振動而將激發控制對象裝置2的機械振動之頻率成分的增益(gain)降低的X軸及Y軸的電流前授(feed forward)信號，及表示可動部203應追隨的位置，用以令可動部203移動至目標位置P(t)的位置參照信號。此外，與上述動作同時並行地，機械模型運算部101係算出X軸驅動部102及Y軸驅動部103進行依據驅動指令信號之控制時的攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的推定值。機械模型運算部101係將所算出的驅動指令信號輸入X軸驅動部102及Y軸驅動部103，將相對位置的推定值輸入相對位置記憶部105。
第6圖係顯示第5圖所示機械模型運算部101的構成例之方塊圖。第6圖所示機械模型運算部101係具有驅動指令生成部301及相對位置推定部302。此外，驅動指令生成部301係具有指令分配器303、X軸驅動指令生成部304及Y軸驅動指令生成部305。
將時刻t的X軸馬達200的電流值設為ux(t)，將時刻t的X軸馬達200的位置回授(feed back)值設為x1(t)。同樣地，將時刻t的Y軸馬達201的電流值設為uy(t)，將時刻t的Y軸馬達201的位置回授值設為y1(t)。此外，將時刻t的攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的X成分設為x2(t)，將Y成分設為y2(t)。
假設藉由預先判別控制對象裝置2的機械特性，而預先獲得從X軸馬達200的電流值到位置回授值的轉換函數的分母多項式Dx(s)及分子多項式Nx1(s)，以及從Y軸馬達201的電流值到位置回授值的轉換函數的分母多項式Dy(s)及分子多項式Ny1(s)。該些關係係以下列數式(1)表示。此處，將函數f(t)的拉普拉斯轉換(Laplace transform)表示為L[f(t)]。
Figure 02_image001
同樣地，假設已預先獲得從X軸馬達200的電流值到攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的X成分的轉換函數的分母多項式Dx(s)及分子多項式Nx2(s)，以及從Y軸馬達201的電流值到攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的Y成分的轉換函數的分母多項式Dy(s)及分子多項式Ny2(s)。該些關係係以下列數式(2)表示。另外，數式(2)的轉換函數的分母多項式Dx(s)及Dy(s)係與數式(1)共通。
Figure 02_image003
數式(1)及數式(2)的轉換函數係能夠藉由下述方式來求得：進行令控制對象裝置2動作的試驗，取得X軸馬達200及Y軸馬達201的電流值與位置回授值，以及攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的實測值的時間序列資料，對該些的時間序列資料進行信號處理來求得。此外，假設藉由對位置回授與相對位置的尺度(scale)進行調整，使轉換函數的分子多項式如下列所示的數式(3)所示獲得正規化。
Figure 02_image005
指令生成部100所算出的X軸指令位置rx(t)及Y軸指令位置ry(t)係輸入驅動指令生成部301的指令分配器303及相對位置推定部302。指令分配器303係將指令生成部100所算出的X軸指令位置rx(t)輸入X軸驅動指令生成部304，將指令生成部100所算出的Y軸指令位置ry(t)輸入Y軸驅動指令生成部305。
此時，X軸驅動指令生成部304係使用預先設定好的X軸的指令過濾器的轉換函數Fx(s)及以數式(1)表示的轉換函數，而根據下列數式(4)所示的轉換函數，算出X軸馬達200的電流前授信號ux*(t)及位置參照信號x1*(t)。
Figure 02_image007
同樣地，Y軸驅動指令生成部305係使用預先設定好的Y軸的指令過濾器的轉換函數Fy(s)及以數式(1)表示的轉換函數，而根據下列數式(5)所示的轉換函數，算出Y軸馬達201的電流前授信號uy*(t)及位置參照信號y1*(t)。
Figure 02_image009
此外，相對位置推定部302係使用上述的指令過濾器的轉換函數Fx(s)、Fy(s)及數式(2)的轉換函數，而根據下列數式(6)所示的轉換函數，算出相對位置的推定值的X成分及Y成分。另外，在以下的說明中，會有在函數標記尖帽號(hat)來表示函數的推定值之情形。此外，在文章中會有將標記有尖帽號的函數表示為hat(函數)之情形。例如，函數x2(t)的推定值係表示為hat(x2)(t)。在數式(6)中，hat(x2)(t)係代表相對位置的推定值的X成分，hat(y2)(t)係代表相對位置的推定值的Y成分。
Figure 02_image011
數式(4)係表示由X軸驅動指令生成部304根據X軸的指令過濾器的轉換函數Fx(s)與從X軸的電流值到位置回授的轉換函數的分母多項式Dx(s)相乘而得的轉換函數，計算X軸馬達200的電流前授信號ux*(t)，且根據X軸的指令過濾器的轉換函數Fx(s)與從X軸的電流值到位置回授的轉換函數的分子多項式Nx1(s)相乘而得的轉換函數，計算X軸的位置參照信號x1*(t)。
同數式(4)，數式(5)係表示由Y軸驅動指令生成部305根據Y軸的指令過濾器的轉換函數Fy(s)與從Y軸的電流值到位置回授的轉換函數的分母多項式Dy(s)相乘而得的轉換函數，計算Y軸馬達201的電流前授信號uy*(t)，且根據Y軸的指令過濾器的轉換函數Fy(s)與從Y軸的電流值到位置回授的轉換函數的分子多項式Ny1(s)相乘而得的轉換函數，計算Y軸的位置參照信號y1*(t)。
此外，數式(6)係表示由相對位置推定部302根據X軸的指令過濾器的轉換函數Fx(s)與從X軸的電流值到相對位置的轉換函數的分子多項式Nx2(s)相乘而得的轉換函數，計算相對位置的推定值的X成分hat(x2)(t)。此外，數式(6)係表示由相對位置推定部302根據Y軸的指令過濾器的轉換函數Fy(s)與從Y軸的電流值到相對位置的轉換函數的分子多項式Ny2(s)相乘而得的轉換函數，計算相對位置的推定值的Y成分hat(y2)(t)。
X軸驅動指令生成部304係將屬於X軸的驅動指令信號之X軸馬達200的電流前授信號ux*(t)及位置參照信號x1*(t)輸入X軸驅動部102。Y軸驅動指令生成部305係將屬於Y軸的驅動指令信號之Y軸馬達201的電流前授信號uy*(t)及位置參照信號y1*(t)輸入Y軸驅動部103。此外，相對位置推定部302係將所算出的相對位置的推定值的X成分hat(x2)(t)及相對位置的推定值的Y成分hat(y2)(t)輸入相對位置記憶部105。
回到第5圖的說明。X軸驅動部102係根據機械模型運算部101所算出的屬於X軸的驅動指令信號之X軸馬達200的電流前授信號ux*(t)及位置參照信號x1*(t)，以組合前授控制及回授控制的雙自由度控制進行X軸馬達200的位置控制。
Y軸驅動部103係根據機械模型運算部101所算出的屬於Y軸的驅動指令信號之Y軸馬達201的電流前授信號uy*(t)及位置參照信號y1*(t)，以組合前授控制及回授控制的雙自由度控制進行Y軸馬達201的位置控制。
如上所述，使用數式(4)及數式(5)計算X軸及Y軸的電流前授信號與位置參照信號，藉此，能夠使電流前授信號及位置參照信號所含的激發機械系統之振動的頻率成分的增益降低。因此，以使用電流前授信號及位置參照信號的雙自由度控制進行X軸馬達200及Y軸馬達201的控制，藉此，能夠抑制機械系統的振動。
此外，使用數式(6)計算攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的X成分hat(x2)(t)及相對位置的推定值的Y成分hat(y2)(t)，藉此，能夠在考慮有控制對象裝置2及攝像裝置202的振動、變位等的基礎上，以良好的精度推定進行雙自由度控制時的攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置。
另外，此處雖係針對機械模型運算部101輸出電流前授信號及位置參照信號的組合作為驅動指令信號的例子進行說明，但就其他構成例而言，亦可構成為機械模型運算部101輸出電流前授信號、位置參照信號及速度參照信號的組合作為驅動指令信號。此外，亦可構成為機械模型運算部101改輸出轉矩(torque)前授信號取代電流前授信號作為前授信號。
攝像指令生成部104係根據預先訂定好的圖像處理週期，生成控制攝像裝置202的攝影時序(timing)的攝像指令。攝像指令生成部104係將所生成的攝像指令輸入攝像裝置202及相對位置記憶部105。
在相對位置記憶部105係輸入有機械模型運算部101所算出的相對位置的推定值的X成分hat(x2)(t)及相對位置的推定值的Y成分hat(y2)(t)，以及由攝像指令生成部104生成的攝像指令。相對位置記憶部105係記憶從攝像裝置202的曝光開始時刻到曝光結束時刻為止的相對位置的推定值的X成分hat(x2)(t)及相對位置的推定值的Y成分hat(y2)(t)的時間序列信號作為相對位置記憶。
樣版圖像修正部106係根據記憶在相對位置記憶部105的相對位置記憶，進行圖像處理部107所使用的樣版圖像的修正，並且算出供圖像處理部107算出相對位置的觀測值而使用之樣版圖像中的基準位置。此處，所謂的樣版圖像，係指在樣版匹配(template matching)法等圖像處理手法中使用的樣式(pattern)圖像。在本實施形態中，樣版圖像係指預先在可動部203靜止的狀態下對印刷基板206攝影而得的含有目標位置207的圖像。樣版圖像修正部106係根據相對位置記憶，對攝影圖像的晃動進行模擬(simulation)，根據模擬結果對樣版圖像進行修正。
圖像處理部107係使用樣版匹配法等圖像處理手法，從於定位中由攝像裝置202攝得的攝影圖像中搜尋與預先登錄好的樣版圖像一致的區域，藉此而算出攝像裝置202與目標位置207的相對位置的觀測值。此時，因是於定位中取得攝影圖像，攝影中的攝像裝置202與目標位置207的相對位置係變化，導致攝影對象晃動產生。因此，靜止狀態下攝得的樣版圖像與實際的攝影圖像嚴格來說並不會匹配。因此，在直接使用靜止狀態下攝得的樣版圖像進行的圖像處理中，相對位置的觀測值的計算會產生產生誤差。
對此，在本實施形態中，在圖像處理部107進行圖像處理前的階段，由樣版圖像修正部106根據相對位置記憶部105所記憶的相對位置記憶，預測攝影對象晃動來對樣版圖像進行修正，藉此而能夠抑制因攝影對象晃動而導致的相對位置的觀測值的誤差。樣版圖像修正部106係以使樣版圖像含有攝影對象晃動的方式進行修正。
以下顯示樣版圖像修正部106的具體動作的一例。首先，樣版圖像修正部106係根據記憶在相對位置記憶部105的相對位置記憶，算出相當於因在攝像裝置202的攝影中攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置有變化而產生的攝影對象晃動之過濾器M。
過濾器M的像素座標(X,Y)的過濾器係數的計算式的一例係以下列數式(7)表示。在數式(7)中，假設攝像裝置202的曝光開始時刻T1、曝光結束時刻T2、攝像裝置202的曝光時間Te、X軸方向的單一像素的長度ΔX、Y軸方向的單一像素的長度ΔY。此外，δ(•)係代表狄拉克δ函數(Dirac delta function)。
Figure 02_image013
數式(7)係將曝光開始時刻T1的相對位置的推定值與時刻t的相對位置的推定值之差轉換成像素單位，將以像素單位之距離進行偏移(offset)後的δ函數以時刻[T1,T2]進行積分後，在周圍±1/2像素的範圍取平均而成者。
其中，在數式(7)中，由於像素座標(X,Y)可取用負值，故在以計算機實現數式(7)時，係在邏輯上的像素座標(X,Y)加上適當的偏移值，藉此防止安裝上的像素座標成為負值。
接著，樣版圖像修正部106係計算基於預先登錄好的樣版圖像K與上述過濾器M的數式(8)之卷積和，藉此算出考慮有攝影對象晃動的修正後的樣版圖像K’。樣版圖像修正部106係將修正後的樣版圖像K’輸入圖像處理部107。
[數式8]
Figure 02_image015
第7圖係顯示在第5圖所示樣版圖像修正部106的修正前的樣版圖像K的一例之圖。樣版圖像K係靜止狀態下攝得的圖像。第8圖係顯示第7圖所示樣版圖像K的修正後的樣版圖像K’之圖。樣版圖像K’係藉由計算第7圖所示樣版圖像K與過濾器M之卷積和而得的考慮有攝影對象晃動的圖像。
第9圖係顯示第5圖所示樣版圖像修正部106所使用的過濾器M的各像素座標的過濾器係數的一例之圖。過濾器M的各像素的過濾器係數係能夠根據時刻[T1,T2]的相對位置的推定值，對數式(7)進行數值計算而得。在第9圖中，過濾器係數為0的像素係塗黑，過濾器係數非0的像素則相應於過濾器係數的大小而塗亮，亦即塗白。此外，第8圖所示的修正後的樣版圖像K’係藉由計算第7圖所示樣版圖像K與第9圖所示過濾器M之卷積和而得。
在圖像處理部107係輸入有攝像裝置202所攝得的攝影圖像及樣版圖像修正部106所輸出的修正後的樣版圖像K’。圖像處理部107係使用樣版匹配法等圖像處理手法，搜尋攝影圖像中與修正後的樣版圖像K’一致的區域。此時，在數式(8)中，由於係以曝光開始時刻T1的相對位置的推定值為基準來設計過濾器係數，故藉由計算攝影圖像中相當於修正後的樣版圖像K’的邏輯上的原點之像素座標，便能夠算出曝光開始時刻T1的攝影對象位置。
此處，就圖像處理手法的一例而言，針對使用最基本的樣版匹配的運算法(algorithm)的情形進行說明。此時，以修正後的樣版圖像K’對攝影圖像進行掃描，算出攝影圖像上各區域的與修正後的樣版圖像K’的類似度，找出類似度為最大或為預先設定好之臨限值以上的區域。接著，根據所找出的區域內的相當於修正後的樣版圖像K’的邏輯上的原點之像素座標，算出攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的觀測值。
另外，在上述的說明中雖係針對樣版圖像修正部106於空間域進行樣版圖像K與過濾器M之卷積和的計算時的情形進行說明，但當圖像處理部107以使用相位相關法等離散傅立葉轉換(Fourier Transform)的圖像處理方法來進行位置推定時，亦可由樣版圖像修正部106計算樣版圖像K與過濾器M的離散傅立葉轉換，接著於空間頻率域上進行兩者的乘法運算，藉此而計算修正後的樣版圖像K’的離散傅立葉轉換。此外，亦可由樣版圖像修正部106先記憶好預先於離線(offline)計算樣版圖像K的離散傅立葉轉換而得的結果，而非由樣版圖像修正部106在線上(online)計算樣版圖像K的離散傅立葉轉換。藉由使用如上述的構成，相較於對於空間域上計算得的修正的樣版圖像K’進行離散傅立葉轉換，更能夠削減計算量。圖像處理部107係將攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的觀測值輸入目標位置修正部108。
在目標位置修正部108係輸入有記憶在相對位置記憶部105的相對位置記憶，及攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的觀測值。目標位置修正部108係生成表示目標位置的修正量之目標位置修正信號，將所生成的目標位置修正信號輸入指令生成部100。
例如，當使用數式(7)所示的過濾器係數的計算式時，由於是以曝光開始時刻T1的相對位置的推定值為基準來設定過濾器的座標系統，故只要根據曝光開始時刻T1的相對位置的推定值與以圖像處理獲得的相對位置的觀測值之誤差，計算對於指令生成部100的目標位置的修正量即可。因此，只要將過濾器M的過濾器係數的計算式變更成下列所示的數式(9)，根據曝光結束時刻T2的相對位置的推定值與以圖像處理獲得的相對位置的觀測值之誤差，計算給指令生成部100用的目標位置的修正量即可。
Figure 02_image017
此外，當預先判別到有X軸驅動部102及Y軸驅動部103的追蹤延遲的無作為時間時，在過濾器係數的計算中亦可使用加上無作為時間之量的修正後的時刻的相對位置的推定值，而非使用從曝光開始時刻T1到曝光結束時刻T2為止的相對位置的推定值。此時，相對位置記憶部105係只要記憶將無作為時間之量的修正加至曝光開始時刻T1與曝光結束時刻T2各者後的時間範圍的相對位置的推定值的X成分hat(x2)(t)及相對位置的推定值的Y成分hat(y2)(t)的時間序列信號作為相對位置記憶即可。
第10圖係顯示第5圖所示控制裝置1的驅動控制處理之流程圖。第11圖係顯示第5圖所示控制裝置1的圖像處理之流程圖。一般而言，由於有攝像裝置202的曝光時間、圖像資料的傳輸速度、圖像處理的運算量等限制，故圖像處理的運算週期係不得不比驅動控制處理的運算週期還長。因此，控制裝置1係將驅動控制處理的工作(task)與圖像處理的工作分開，以不同的運算週期執行各自的工作。此外，當控制裝置1具備複數個CPU(Central Processing Unit；中央處理器)時，亦可將各自的工作分配至個別的CPU。
首先，針對驅動控制處理進行說明。如第10圖所示，控制裝置1的指令生成部100係根據目標位置的現在值，計算位置指令(步驟(step)S101)。指令生成部100係將所計算出的位置指令輸入機械模型運算部101。
機械模型運算部101係根據位置指令，計算令可動部203移動至目標位置的驅動指令信號(步驟S102)。機械模型運算部101係將所計算出的驅動指令信號輸入X軸驅動部102及Y軸驅動部103。此外，機械模型運算部101係根據位置指令，計算攝像裝置202與目標位置之間的相對位置的推定值(步驟S103)。機械模型運算部101係將所計算出的相對位置的推定值輸入相對位置記憶部105。
相對位置記憶部105係記憶從機械模型運算部101輸入的相對位置的推定值(步驟S104)。含有X軸驅動部102及Y軸驅動部103的驅動部係根據驅動指令信號，執行包含X軸馬達200及Y軸馬達201的馬達的控制處理(步驟S105)。
接著，針對圖像處理進行說明。如第11圖所示，控制裝置1的攝像指令生成部104係對攝像裝置202輸出攝像指令(步驟S201)。樣版圖像修正部106係根據相對位置記憶，計算晃動圖像的過濾器(步驟S202)。樣版圖像修正部106係根據晃動圖像的過濾器，計算修正後的樣版圖像(步驟S203)。樣版圖像修正部106係將修正後的樣版圖像輸入圖像處理部107。
圖像處理部107係取得攝像裝置202的攝影圖像(步驟S204)。圖像處理部107係藉由圖像處理而計算攝像裝置202與目標位置之間的相對位置的觀測值(步驟S205)。圖像處理部107係將所計算出的相對位置的觀測值輸入目標位置修正部108。目標位置修正部108係根據相對位置記憶所表示的相對位置的推定值與相對位置的觀測值，算出表示目標位置的修正量的目標位置修正信號(步驟S206)。
接著，針對本實施形態的硬體構成進行說明。指令生成部100、機械模型運算部101、X軸驅動部102、Y軸驅動部103、攝像指令生成部104、相對位置記憶部105、樣版圖像修正部106、圖像處理部107及目標位置修正部108係藉由處理電路而實現。該些處理電路係可藉由專用的硬體而實現，亦可為使用CPU的控制電路。
在上述的處理電路藉由專用的硬體而實現的情形中，該些處理電路係藉由第12圖所示的處理電路90而實現。第12圖係顯示用以實現第5圖所示控制裝置1的功能的專用的硬體之圖。處理電路90係單一電路、複合電路、經程式(program)化的處理器、經並列程式化的處理器(processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit；特定應用積體電路)、FPGA(Field Programmable Gate Array；現場可規劃邏輯閘陣列)或上述的組合。
在上述的處理電路藉由使用CPU的控制電路而實現的情形中，該控制電路係例如為第13圖所示構成的控制電路91。第13圖係顯示用以實現第5圖所示控制裝置1的功能的控制電路91的構成之圖。如第13圖所示，控制電路91係具備處理器92及記憶體(memory)93。處理器92係CPU，亦稱為中央處理裝置、處理裝置、運算裝置、微處理器(microprocessor)、微電腦(microcomputer)、DSP(Digital Signal Processor；數位信號處理器)等。記憶體93係例如為RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)、ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)、快閃記憶體(Flash memory)、EPROM(Erasable Programmable ROM；可抹除可程式化唯讀記憶體)、EEPROM(註冊商標)(Electrically EPROM；電子可抹除可程式化唯讀記憶體)等非揮發性或揮發性的半導體記憶體、磁光碟、軟碟(flexible disk)、光碟、CD光碟(compact disk)、迷你碟(mini disk)、DVD(Digital Versatile Disk；數位多功能光碟)等。
在上述的處理電路藉由控制電路91而實現的情形中，藉由處理器92將記憶在記憶體93的與各構成要素的處理對應的程式讀出並執行來實現。此外，記憶體93亦作為處理器92執行的各處理的暫時記憶體來使用。
如上述說明，依據本實施形態的控制裝置1，根據攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的推定值，一邊預測攝影對象晃動來對樣版圖像K進行修正一邊進行藉由圖像處理進行的位置推定。因此，能夠精度佳地對定位控制中因攝影對象晃動而導致的位置誤差進行修正，從而能夠提升定位控制的精度。此手法係亦能夠應用於攝影對象的形狀複雜時，或攝影對象形狀因攝影對象晃動而大幅失真之情形，通用性高。
此外，一般而言，如控制對象裝置2的機械系統係擁有有限的機械剛性，故當使定位指令的加速度或減速度增加，會有機械系統產生振動而使定位時間增加的問題。
針對如上述的問題，在本實施形態的控制裝置1中係使用如數式(4)及數式(5)所示的電流前授信號與位置參照信號進行X軸驅動部102及Y軸驅動部103的控制，藉此抑制定位完成後的機械振動，而能夠縮短定位時間。
此外，由於於定位中因機械系統的機械剛性而在攝像裝置202與目標位置207之間致生位移、振動等，故當不將機械系統的機械特性考慮在內時，會有藉由圖像處理進行的位置推定產生誤差的問題。
針對如上述的問題，在本實施形態的控制裝置1中係如數式(6)所示，根據考慮有機械特性的攝像裝置202與目標位置207之間的相對位置的推定值，計算目標位置的修正量。因此，抑制因機械系統的振動及位移導致的攝像裝置202的偏位而造成的圖像處理的位置推定精度降低，而能夠進行高速且高精度的定位。
以上之實施形態所示的構成僅係代表本發明內容的一例，既能夠與別的公知技術組合，亦能夠在不脫離本發明主旨的範圍內把一部分的構成進行省略、變更。
例如，在上述的實施形態中雖係針對將控制裝置1應用至定位控制之例進行說明，但本實施形態並不限定在該例。控制裝置1根據攝影對象晃動的預測來對使用於圖像處理的樣版圖像進行修正的手法係亦能夠適用至軌跡控制裝置、輥對輥(roll to roll)方式的機械系統等定位控制以外的運動(motion)控制裝置。
此外，在上述的實施形態中雖係針對使用表示控制對象裝置2之機械特性的轉換函數來計算驅動指令信號及相對位置的推定值之例進行說明，但本實施形態並不限定在該例。當控制對象裝置2的機械剛性充分高時，或機械特性難以判別時，係亦能夠不使用控制對象裝置2的詳細的機械特性而計算驅動指令信號及相對位置的推定值。此時，例如，只要假設控制對象裝置2為剛體，亦即假設控制對象裝置2的X軸及Y軸的轉換函數能夠以下列數式(10)表示，來構成驅動指令生成部301及相對位置推定部302即可。此處，Jx為X軸的剛體慣量(inertia)，Jy為Y軸的剛體慣量。
Figure 02_image019
此外，在上述的實施形態中雖係針對攝像裝置202設置在屬於安裝頭之可動部203之例進行說明，但本實施形態的技術係亦能夠應用於可動部203為使目標物移動的台(table)且構成為攝像裝置202與目標物的相對位置隨著目標物的移動而變化的機械。
此外，在上述的實施形態中，在機械模型運算部101中僅從預先判別出的機械特性與指令生成部100所輸出的指令位置的資訊來進行攝像裝置202與目標位置207的相對位置的推定，但當控制對象裝置2具備有加速度感測器(sensor)等附加的感測器時，藉由使用該些檢測值的觀測器(observer)，亦能夠進行攝像裝置202與目標位置207的相對位置的推定。
此外，在上述的實施形態中雖係針對控制裝置1的構成及控制方法進行說明，但本實施形態所揭示的技術係亦可採用用以實現控制裝置1的控制方法的電腦程式的形式來實施，亦可採用記憶電腦程式的記憶媒體的形式來實施。
1:控制裝置 2:控制對象裝置 10:控制系統 90:處理電路 91:控制電路 92:處理器 93:記憶體 100:指令生成部 101:機械模型運算部 102:X軸驅動部 103:Y軸驅動部 104:攝像指令生成部 105:相對位置記憶部 106:樣版圖像修正部 107:圖像處理部 108:目標位置修正部 200:X軸馬達 201:Y軸馬達 202:攝像裝置 203:可動部 204:吸嘴 205:印刷基板搬送機構 206:印刷基板 207:目標位置 208:電子零件 301:驅動指令生成部 302:相對位置推定部 303:指令分配器 304:X軸驅動指令生成部 305:Y軸驅動指令生成部 C:中心軸 P0:預設目標位置 S101至S105、S201至S206:步驟 V:視野區域
第1圖係顯示本發明實施形態1的控制系統(system)的構成之示意圖。 第2圖係顯示第1圖所示控制系統的第1狀態之圖。 第3圖係顯示第1圖所示控制系統的第2狀態之圖。 第4圖係顯示第1圖所示控制系統的第3狀態之圖。 第5圖係顯示第1圖所示控制系統的功能構成之圖。 第6圖係顯示第5圖所示機械模型(model)運算部的構成例之方塊圖(block diagram)。 第7圖係顯示在第5圖所示樣版圖像修正部的修正前的樣版圖像的一例之圖。 第8圖係顯示第7圖所示樣版圖像的修正後的樣版圖像之圖。 第9圖係顯示第5圖所示樣版圖像修正部所使用的過濾器(filter)的各像素(pixel)座標的過濾器係數的一例之圖。 第10圖係顯示第5圖所示控制裝置的驅動控制處理之流程圖(flow chart)。 第11圖係顯示第5圖所示控制裝置的圖像處理之流程圖。 第12圖係顯示用以實現第5圖所示控制裝置的功能的專用的硬體(hardware)之圖。 第13圖係顯示用以實現第5圖所示控制裝置的功能的控制電路的構成之圖。
1:控制裝置
2:控制對象裝置
10:控制系統
100:指令生成部
101:機械模型運算部
102:X軸驅動部
103:Y軸驅動部
104:攝像指令生成部
105:相對位置記憶部
106:樣版圖像修正部
107:圖像處理部
108:目標位置修正部
200:X軸馬達
201:Y軸馬達
202:攝像裝置

Claims (13)

  1. 一種控制裝置，係對具有可動部及攝像裝置之控制對象裝置進行控制，前述攝像裝置係與目標物的相對位置隨著前述可動部的移動而變化且用以取得前述目標物之攝影圖像； 前述控制裝置係具備： 驅動部，係根據令前述可動部移動至目標位置的驅動指令信號，驅動前述可動部； 相對位置推定部，係根據前述驅動指令信號，算出前述目標物與前述攝像裝置的相對位置的推定值； 樣版圖像修正部，係根據於前述攝像裝置的攝影時間內的前述相對位置的推定值的時間序列信號，對預先登錄好的樣版圖像進行修正；及 目標位置修正部，係使用修正後的前述樣版圖像對前述目標位置進行修正。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，前述樣版圖像修正部係根據前述時間序列信號，對前述攝影圖像的晃動進行模擬，根據模擬結果對前述樣版圖像進行修正。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，前述樣版圖像修正部係根據前述時間序列信號，計算相當於因前述相對位置於前述攝像裝置的攝影中的變化而導致的前述攝影圖像的晃動之過濾器，令前述過濾器作用至前述樣版圖像，藉此進行前述樣版圖像的修正。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之控制裝置，其中，前述樣版圖像修正部係根據前述時間序列信號，計算相當於因前述相對位置於前述攝像裝置的攝影中的變化而導致的前述攝影圖像的晃動之過濾器，令前述過濾器作用至前述樣版圖像，藉此進行前述樣版圖像的修正。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之控制裝置，其中，前述樣版圖像修正部係於空間頻率域上進行令前述過濾器作用至前述樣版圖像的運算，藉此算出空間頻率域上的修正後的前述樣版圖像； 復具備圖像處理部，該圖像處理部係藉由依據空間頻率域上的前述攝影圖像與修正後的前述樣版圖像之圖像處理，而輸出前述相對位置的觀測值； 前述目標位置修正部係根據前述推定值及前述觀測值，對前述目標位置進行修正。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之控制裝置，其中，前述樣版圖像修正部係於空間頻率域上進行令前述過濾器作用至前述樣版圖像的運算，藉此算出空間頻率域上的修正後的前述樣版圖像； 更具備圖像處理部，該圖像處理部係藉由依據空間頻率域上的前述攝影圖像與修正後的前述樣版圖像之圖像處理，而輸出前述相對位置的觀測值； 前述目標位置修正部係根據前述推定值及前述觀測值，對前述目標位置進行修正。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，更具備圖像處理部，該圖像處理部係使用修正後的前述樣版圖像對前述攝影圖像進行圖像處理，輸出前述相對位置的觀測值； 前述目標位置修正部係根據前述推定值及前述觀測值，對前述目標位置進行修正。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之控制裝置，更具備圖像處理部，該圖像處理部係使用修正後的前述樣版圖像對前述攝影圖像進行圖像處理，輸出前述相對位置的觀測值； 前述目標位置修正部係根據前述推定值及前述觀測值，對前述目標位置進行修正。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之控制裝置，更具備圖像處理部，該圖像處理部係使用修正後的前述樣版圖像對前述攝影圖像進行圖像處理，輸出前述相對位置的觀測值； 前述目標位置修正部係根據前述推定值及前述觀測值，對前述目標位置進行修正。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之控制裝置，其中，前述圖像處理部係使用樣版匹配而輸出前述觀測值。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之控制裝置，其中，前述圖像處理部係使用樣版匹配而輸出前述觀測值。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之控制裝置，更具備驅動指令生成部，該驅動指令生成部係根據表示前述控制對象裝置之機械特性的轉換函數，算出驅動指令信號並輸入前述驅動部，該驅動指令信號係含有將激發前述控制對象裝置的機械振動之頻率成分的增益降低的電流前授信號及前述可動部應追隨的位置參照信號； 前述相對位置推定部係根據前述轉換函數，算出前述驅動部進行使用前述電流前授信號及前述位置參照信號的雙自由度控制時的前述相對位置的推定值。
  13. 一種控制方法，係由對具有可動部及攝像裝置之控制對象裝置進行控制之控制裝置進行的控制方法，該攝像裝置係與目標物的相對位置隨著前述可動部的移動而變化且取得前述目標物之攝影圖像前述控制方法係使前述控制裝置進行下述步驟： 根據輸入至驅動前述可動部的驅動部之驅動指令信號，算出前述目標物與前述攝像裝置的相對位置的推定值之步驟； 根據於前述攝像裝置的攝影時間內的前述相對位置的推定值的時間序列信號，對預先登錄好的樣版圖像進行修正之步驟；及 使用修正後的前述樣版圖像對前述可動部的移動的目標位置進行修正之步驟。
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