3. 手眼标定系统搭建

任务目标

搭建一套可用于后续手眼标定算法验证的物理实验平台：完成工业机器人、相机与标定板的安装布局，确定手眼关系模式（眼在手上或眼在手外），并打通机器人控制柜与上位机之间的通信链路，使上位机能够读取机器人当前位姿。

平台组成与安装要求

  • 工业机器人：任意支持外部通信的六轴工业机器人（如UR、ABB、KUKA、汇川等），需开启TCP/IP或Modbus TCP服务端，用于响应位姿查询请求。
  • 相机：固定焦距工业相机（如海康MV-CA系列、Basler acA系列），通过GigE或USB3.0接口连接上位机，能够输出未畸变或带畸变系数的灰度/彩色图像。
  • 标定板：棋盘格或圆点阵标定板，推荐7×10棋盘格（内角点6×9），方格边长20mm或30mm，打印后粘贴于刚性平面。
  • 安装模式：二选一，本案例以眼在手外（固定相机）为例——相机固定安装于机器人工作空间上方或侧方，标定板安装在机器人末端法兰上。若采用眼在手上模式，则相机刚性连接于末端法兰，标定板固定于工作空间内。

通信配置

上位机与机器人之间采用TCP/IP通信，机器人作为服务端监听固定端口（如30001），上位机作为客户端发送位姿查询指令。以下以UR机器人（端口30001，数据格式为URScript）为例，给出最小通信实现。其他品牌机器人请参照其官方通信协议替换数据解析部分。

关键完整代码

import socket
import struct
import time

# ========== 机器人通信（UR机器人，端口30001） ==========
ROBOT_IP = "192.168.1.10"
ROBOT_PORT = 30001

def get_robot_pose():
    """连接UR机器人，读取当前TCP位姿（x,y,z,rx,ry,rz）"""
    try:
        s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        s.settimeout(3)
        s.connect((ROBOT_IP, ROBOT_PORT))
        # 等待UR发送数据包（每10ms发送一次，共110字节）
        data = b""
        while len(data) < 110:
            chunk = s.recv(110 - len(data))
            if not chunk:
                break
            data += chunk
        s.close()
        if len(data) < 110:
            raise ValueError("数据包不完整")
        # 解析TCP位姿：偏移28字节处为x,y,z，偏移52字节处为rx,ry,rz（均为float64）
        pose = struct.unpack("!6d", data[28:76])
        return pose  # (x, y, z, rx, ry, rz)
    except Exception as e:
        print(f"通信失败: {e}")
        return None

# ========== 相机连接（以海康GigE相机为例，需安装MVS SDK） ==========
# 实际使用时请替换为对应相机SDK的调用方式
def grab_image():
    """采集一帧图像（示意代码，需按相机SDK实际接口调整）"""
    # from pymvsc import MvCamera  # 示例导入
    # cam = MvCamera()
    # cam.open_device_by_ip("192.168.1.20")
    # cam.start_grabbing()
    # frame = cam.get_frame()
    # cam.stop_grabbing()
    # cam.close()
    # return frame.image_array
    pass  # 替换为实际相机采集代码

# ========== 验证主流程 ==========
if __name__ == "__main__":
    # 1. 验证机器人通信
    pose = get_robot_pose()
    if pose is not None:
        print(f"机器人位姿: x={pose[0]:.3f}, y={pose[1]:.3f}, z={pose[2]:.3f}, "
              f"rx={pose[3]:.3f}, ry={pose[4]:.3f}, rz={pose[5]:.3f}")
    else:
        print("机器人通信失败，请检查IP和端口")
    
    # 2. 验证相机采集（需安装对应SDK后取消注释）
    # img = grab_image()
    # if img is not None:
    #     print(f"图像采集成功，尺寸: {img.shape}")
    # else:
    #     print("相机采集失败")

运行与验证

  1. 机器人通信验证：将机器人控制柜IP设为192.168.1.10，确保上位机与机器人处于同一网段。运行上述代码，若终端打印出6个浮点数位姿，说明通信链路正常。
  2. 相机采集验证：安装相机厂商SDK（如海康MVS），将相机IP设为192.168.1.20，取消代码中grab_image()的注释并替换为实际SDK调用。运行后若打印图像尺寸，说明相机连接正常。
  3. 平台就绪判定：机器人通信正常且相机能采集到包含标定板的清晰图像，即视为平台搭建完成。此时可手动移动机器人至不同位姿，每次移动后记录机器人位姿并拍摄一张标定板图像，为后续标定采集数据。

常见问题

  • 机器人连接超时：检查控制柜网络端口是否开启、IP是否可达（ping 192.168.1.10）、UR机器人需在设置中启用“Dashboard Server”和“Primary Client Interface”。
  • 图像模糊：调整相机曝光时间和光圈，确保标定板在视野内清晰成像；若标定板反光，可调整光源角度。
  • 位姿数据异常：确认机器人当前处于非奇异位形，且TCP坐标系定义正确（UR默认使用工具坐标系）。
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