机械臂移动后手眼标定失效的核心原因(上)

手眼标定是建立视觉系统（相机）与机械臂坐标系映射关系的核心技术，其标定结果的稳定性直接决定视觉-机械臂协同作业的精度。但在机械臂移动后，手眼标定常出现失效现象，表现为视觉定位坐标与机械臂执行坐标失配、作业偏差超出允许范围，核心原因在于机械臂移动过程中引发的“坐标基准偏移、机械结构形变、环境干扰侵入、系统参数失准”等一系列问题，打破了标定阶段建立的稳定映射关系。手眼标定的本质是求解相机坐标系与机械臂坐标系的固定转换矩阵，该矩阵的有效性依赖于“机械臂运动精度稳定、视觉系统状态不变、环境条件恒定”三大前提，而机械臂移动恰好会从多维度破坏这些前提，导致标定参数失效。其失效机理需从机械臂自身运动特性、视觉系统状态变化、环境干扰影响、标定参数关联性等多个层面深入剖析，才能全面理解失效的根源与传导路径。从机械臂自身运动特性引发的失效来看，机械臂移动过程中的关节误差、连杆形变、负载变化是导致手眼标定失效的核心内因。首先是关节传动误差的累积，机械臂的每个关节由伺服电机、减速器、编码器等组件构成，移动过程中关节间隙、齿轮啮合误差、编码器计数偏差等会产生运动误差，且该误差具有累积性。手眼标定阶段，机械臂的理论运动轨迹与实际运动轨迹存在微小偏差，标定算法会基于当时的运动状态拟合转换矩阵；而机械臂移动后，尤其是经过长距离移动或复杂姿态调整后，各关节的累积误差会显著增大，导致机械臂末端的实际位姿与理论位姿偏差超出标定补偿范围，原本建立的相机-机械臂坐标映射关系因基准位姿偏移而失效。例如，关节减速器的回差会导致机械臂正向移动与反向移动时的末端位姿不一致，若标定阶段仅基于单一运动方向采集数据，移动后反向运动时的误差会直接引发标定失效。其次是机械臂连杆形变与刚性不足，机械臂移动过程中，末端负载（含视觉相机）的重力作用、运动惯性力会导致连杆产生弹性形变，尤其是长行程、轻量化设计的机械臂，形变更为明显。标定阶段的连杆形变状态与移动后的形变状态存在差异：标定阶段机械臂处于特定姿态组合，连杆形变处于稳定范围；移动后机械臂姿态改变，负载的力臂发生变化，连杆形变程度与方向随之改变，导致相机相对于机械臂基座的实际位置发生偏移，打破了标定参数对应的固定位置关系。此外，机械臂移动过程中的振动会加剧连杆的瞬时形变，若振动频率与机械臂固有频率接近，还可能引发共振，导致相机姿态剧烈波动，进一步破坏标定稳定性。再次是负载与末端姿态变化的影响，手眼标定通常基于特定的末端负载（如固定的相机重量）完成，若机械臂移动过程中末端负载发生变化（如更换相机、加装夹具），会导致机械臂的动力学特性改变，关节驱动力矩与运动误差随之变化，原本的标定参数无法适配新的负载状态；同时，机械臂移动后若末端姿态超出标定阶段的姿态范围，其运动学模型的非线性误差会显著增大，标定阶段拟合的线性转换矩阵无法覆盖该姿态范围的误差，进而导致标定失效。视觉系统状态变化是机械臂移动后手眼标定失效的另一重要原因，视觉系统（相机）的安装状态、成像参数会随机械臂移动发生改变，破坏与机械臂的固定映射关系。