3. 视觉引导系统硬件选型与搭建

视觉引导系统的精度上限，在相机、镜头、光源、标定板、末端工具和触发链路全部确定的那一刻就已经被锁定。MERLIC 负责图像处理与结果输出，但它无法弥补一个视场不匹配的镜头、一个频闪不同步的光源，或者一次标定板与机器人末端坐标系之间的错位。本节围绕“选什么、怎么接、如何同步”三个层面展开，给出可落地的硬件搭建方法。

一、从任务反推硬件参数

选型的第一步不是看相机型号，而是把引导任务翻译成可量化的光学指标。假设一个典型的机器人抓取任务：工件为 80 mm × 60 mm 的金属法兰，要求定位精度 ±0.2 mm，工作距离约 400 mm，节拍要求单次拍照与处理在 300 ms 内完成。

由此可推导：视野（FOV）至少覆盖工件并留出 20% 余量，取 FOV ≈ 100 mm × 75 mm。若选用 1/1.8″ 传感器（约 7.2 mm × 5.4 mm），则所需放大倍率 β = 5.4 / 75 ≈ 0.072。按工作距离 400 mm 估算，镜头焦距 f ≈ 400 × 0.072 / (1 + 0.072) ≈ 26.9 mm，因此 25 mm 或 28 mm 定焦镜头是合理起点。

精度方面，若相机分辨率为 2448 × 2048，水平方向像素当量 = 100 mm / 2448 ≈ 0.041 mm/pixel。要达到 ±0.2 mm 的定位精度，理论上需要约 5 个像素的重复性余量，0.041 mm/pixel 完全满足。若换成 1280 × 1024 相机，像素当量约 0.078 mm/pixel，仍可用，但边缘定位的亚像素稳定性会明显下降。这就是“分辨率不是越高越好，而是要与精度目标匹配”的实际含义。

二、镜头、光源与标定板的配合

镜头选型除了焦距，还要关注畸变和景深。远心镜头能显著抑制透视误差，适合测量类引导；但成本高、工作距离固定。对于法兰抓取这类允许一定容差的场景，低畸变定焦镜头配合 MERLIC 的标定补偿即可。景深可用近似公式估算：DOF ≈ 2 × N × c × (1 + β) / β²，其中 N 为光圈数，c 为允许弥散圆（约 2 个像素尺寸）。取 N = 8、c = 0.008 mm、β = 0.072，可得 DOF ≈ 2 × 8 × 0.008 × 1.072 / 0.0052 ≈ 26 mm。这意味着工件高度波动需控制在 26 mm 以内，否则需缩小光圈或改用远心光路。

光源方面，金属法兰表面反光强，环形光容易在中心形成高光斑，导致边缘对比度下降。更稳妥的方案是低角度条形光或圆顶光：低角度光突出边缘轮廓，圆顶光提供均匀漫射。若使用频闪光源，必须与相机曝光同步，否则会出现亮度不均或运动模糊。MERLIC 通过数字 I/O 或 GigE Vision 的触发信号控制曝光时刻，光源控制器需支持外触发输入。

标定板的选择与镜头视野匹配。若 FOV 为 100 mm × 75 mm，标定板应覆盖视野的 60%～80%，即约 80 mm × 60 mm 的棋盘格或圆点板。棋盘格方格尺寸建议为 2～5 mm，太小会因镜头分辨率不足导致角点检测不稳，太大则标定点数不足。标定板平面度需优于 0.05 mm，否则会引入系统性误差。

三、物理连接与触发同步

物理连接的核心是三条链路：图像链路、触发链路和通信链路。图像链路通常采用 GigE Vision 或 USB3 Vision。GigE 的优势是线缆长、可走交换机，但需注意带宽：2448 × 2048 × 8 bit 单帧约 5 MB，若节拍要求 300 ms 一帧，则持续带宽约 17 MB/s，千兆网完全够用。若多相机同时采集，需计算总带宽并考虑网卡分流。

触发链路决定“何时拍照”。MERLIC 支持软触发和硬触发。软触发由软件命令发起，适合静态场景；硬触发由光电传感器或 PLC 发出脉冲，适合运动中的工件。硬触发接线时，相机的外触发输入（如 Hirose 6 pin 或 M8 接口）接收 5～24 V 脉冲，光源控制器同步接收同一脉冲，确保曝光与照明同时发生。若光源响应延迟为 100 μs，相机曝光时间为 500 μs，则脉冲宽度应至少覆盖 600 μs，并在 MERLIC 中设置适当的触发延迟补偿。

通信链路负责把定位结果发给机器人。MERLIC 可通过 TCP/IP、PROFINET 或 EtherCAT 输出位姿。以 TCP/IP 为例，MERLIC 作为服务端监听端口，机器人作为客户端请求结果，返回格式通常为 X、Y、角度（单位 mm 和度）。需注意坐标系约定：MERLIC 输出的位姿基于标定后的相机坐标系，机器人接收后需通过手眼标定矩阵转换到机器人基坐标系。若使用 Eye-in-Hand 配置，标定矩阵随机器人运动变化，需在每次拍照时读取当前关节角进行补偿。

四、搭建检查清单

硬件搭建完成后，建议按以下清单逐项确认，避免“看起来接好了但跑不通”的情况：

• 相机与镜头接口匹配（C/CS 口），镜头锁紧环已固定，避免振动导致失焦。
• 光源亮度可调，频闪模式下与相机曝光同步，无拖影或亮度跳变。
• 标定板平面度合格，拍摄时覆盖视野 60%～80%，角点检测稳定。
• 触发线屏蔽层接地，脉冲宽度覆盖光源延迟与曝光时间之和。
• MERLIC 中相机 IP 与网卡同网段，MTU 设置为 1500 或更高，丢包率为 0。
• 手眼标定完成后，用标定球或已知工件验证重投影误差，建议优于 0.5 pixel。
• 机器人接收位姿后，先空跑验证坐标方向，再执行抓取。

硬件选型与搭建不是一次性工作，而是与标定、触发、通信反复迭代的过程。先保证图像质量稳定，再保证触发时序准确，最后保证坐标转换正确，视觉引导系统才能在实际节拍下持续输出可靠位姿。