1. 手眼标定概述
什么是手眼标定
手眼标定(Hand-Eye Calibration)是机器人视觉系统中的核心步骤,用于求解相机坐标系与机器人末端/基座坐标系之间的空间变换关系。简单来说,就是让机器人“知道”眼睛(相机)看到的目标在自身坐标系下的精确位置和姿态。
在数学上,手眼标定求解的是以下齐次变换矩阵方程:
AX = XB
其中:
- A:机器人末端在两次运动之间的相对位姿变换(由机器人控制器读取)
- B:相机在两次观测中看到的标定板相对位姿变换(由视觉算法计算)
- X:待求的手眼变换矩阵(相机到机器人末端或基座的固定关系)
核心结论:手眼标定不依赖标定板的位置,只依赖相对运动约束,因此可在现场任意位置完成标定。
为什么需要手眼标定
在工业自动化现场,机器人执行抓取、装配、焊接等任务时,视觉系统提供的目标坐标是相机坐标系下的数据。机器人只能理解自身基座或末端坐标系下的指令。没有手眼标定,视觉数据与机器人运动之间就是“两张皮”。
| 问题 | 无标定后果 | 有标定后效果 |
|---|---|---|
| 目标定位 | 相机看到工件位置,但机器人不知道往哪抓 | 视觉坐标直接转换为机器人抓取位姿 |
| 装配精度 | 视觉引导偏差大,零件无法装入 | 亚毫米级装配重复精度 |
| 焊接轨迹 | 焊缝跟踪偏移,焊接质量不稳定 | 实时纠偏,焊缝一致性高 |
| 产线换型 | 每次换型需重新示教机器人路径 | 视觉自动适配新工件,无需示教 |
现场经验:超过80%的3D视觉部署失败案例,根源都在手眼标定精度不达标或标定流程不规范。标定是“一劳永逸”的基础工作,值得投入足够时间。
手眼标定的应用场景
手眼标定在工业自动化中覆盖三大核心场景,每种场景对标定方式和精度要求有所不同:
1. 抓取(Bin Picking / 无序抓取)
- 典型配置:眼在手外(Eye-to-Hand)或眼在手上(Eye-in-Hand)
- 精度要求:±1~3 mm(视工件尺寸和夹具容差而定)
- 标定特点:通常使用棋盘格或圆点标定板,一次标定长期使用
- 现场难点:料箱深度大、光照变化、工件反光导致视觉抖动
2. 装配(精密装配 / 轴孔配合)
- 典型配置:眼在手上(Eye-in-Hand)为主
- 精度要求:±0.1~0.5 mm
- 标定特点:需高精度标定板,多次采样取平均,标定后需验证
- 现场难点:机器人运动学误差、相机畸变、温度漂移
3. 焊接(焊缝跟踪 / 自适应焊接)
- 典型配置:眼在手上(Eye-in-Hand),相机固定在焊枪旁
- 精度要求:±0.5~1.0 mm(焊缝宽度方向)
- 标定特点:需考虑焊接弧光干扰,标定板需耐高温
- 现场难点:焊接热变形、飞溅遮挡、相机冷却防护
⚠ 常见误区:很多工程师认为“标定一次管所有场景”。实际上,更换相机、更换机器人末端工具、甚至机器人长时间运行后关节磨损,都需要重新标定。建议建立定期复标制度(如每月一次或每500小时一次)。