在线手眼标定主流方案及技术体系解析(上)

在线手眼标定是应对机械臂移动后手眼标定失效问题的核心技术，其核心目标是在机械臂作业过程中，无需中断正常工作即可实时完成相机坐标系与机械臂坐标系映射关系的校准与更新，通过动态适配机械臂运动误差、环境变化及系统状态偏移，保障视觉-机械臂协同作业的持续精度。相较于传统离线手眼标定（需在系统初始化或停机状态下完成），在线手眼标定具有“实时性强、适应性广、自动化程度高”的核心优势，已成为工业精密装配、机器人自主作业、动态检测等复杂场景的主流技术选择。当前在线手眼标定的主流方案可分为“基于标定靶标的在线标定方案、无靶标在线标定方案、基于多传感器融合的在线标定方案”三大类，各类方案基于不同的技术原理与实施逻辑，适配不同的应用场景，其核心差异在于特征信息来源、偏差求解方式及校准效率的不同。基于标定靶标的在线标定方案是目前应用最广泛、技术最成熟的主流方案，其核心原理是在作业场景中固定或随动部署标定靶标（如棋盘格靶标、AprilTag二维码靶标、球面靶标），通过机械臂带动相机（眼在手上模式）或机械臂带动靶标（眼在手外模式），实时采集靶标图像与机械臂位姿数据，基于手眼标定基本模型动态求解并更新坐标转换矩阵。该方案的核心优势在于特征点明确、求解稳定、精度可控，其技术体系可分为“固定靶标在线标定”与“随动靶标在线标定”两种细分方案。固定靶标在线标定方案适用于作业场景相对固定的场景（如工业生产线精密装配、自动化检测），实施流程遵循“靶标部署-实时数据采集-动态偏差求解-参数更新-闭环验证”的全流程：首先在机械臂作业区域的固定基座上部署高精度标定靶标，确保靶标始终处于相机视场覆盖范围或机械臂可带动相机到达的区域；在机械臂正常作业过程中，系统按预设周期（如每完成10次作业循环）或触发条件（如检测到视觉定位偏差超出阈值），自动控制机械臂带动相机（眼在手上）拍摄靶标图像，或机械臂带动末端执行器靠近靶标（眼在手外）使靶标进入相机视场；视觉模块提取靶标特征点的图像坐标，机械臂运动状态采集模块同步获取当前各关节转角及末端理论位姿数据；核心算法模块基于经典手眼标定模型（眼在手上为AX=XB，眼在手外为XA=BX），结合最新采集的数据与历史标定参数，采用迭代优化算法（如最小二乘法、LM算法）动态求解更新转换矩阵；最后通过视觉定位与机械臂执行的偏差验证，确认校准效果，若偏差满足要求则更新系统标定参数，否则重复采集与求解流程。该方案的关键技术要点在于靶标的稳定性与数据采集的时序同步：靶标需采用高刚性材料制作，避免环境振动导致的位置偏移；通过硬件触发（TTL信号）实现相机图像采集与机械臂位姿数据采集的严格同步，确保每组数据对应同一时刻的系统状态，降低时间偏差对校准精度的影响。随动靶标在线标定方案则适用于机械臂需要大范围移动或作业场景动态变化的场景（如移动机器人自主抓取、户外作业机器人），其核心差异在于将标定靶标固定于机械臂末端（眼在手外模式）或固定于基座但可随作业场景移动（眼在手上模式），通过机械臂的自主运动实现靶标与相机的相对姿态变化。