如何練好手眼協調能力

嬰幼兒在幾個月到1周歲之間，會通過玩一些簡單的玩具，逐漸鍛煉出手眼協調能力。在機器人領域，則需要我們賦予其手眼協調能力，這個過程，一般稱為“手眼標定”。機器人只有擁有手眼協調能力，才能完成復雜的工作，真正稱之為“智能”。

當嬰幼兒看到物體時，首先通過眼睛獲取信息，傳輸到大腦進行理解，終通過手來操作完成玩具的抓取、放置。手、眼、腦協同是人類和少數動物的一項特殊技能，通過經常玩一些簡單的益智玩具，可以逐漸鍛煉增強孩子的手眼協調能力，同時可以作用到大腦，促進孩子的智力發育。

商家們也看到了這塊領域，設計出很多益智玩具和游戲，如圖1中所示。孩子需要把玩具抓起并放入車里。孩子的空間思維能力、協調能力在游戲中得到了鍛煉。

圖1
 

在智能機器人領域，機器人需要完成、復雜的工作，否則無法稱之為“智能”。然而，機器人要想獲得同人類一樣的協調能力并不容易。如何才能實現像人一樣的手眼協同能力呢？
 

再回到這個游戲。孩子在玩玩具時，大腦中有一個坐標系，可看做是基礎坐標系；靈活的手在運動中形成一個軌跡，稱之為手的坐標系；玩具要放置的點又有一個目標坐標系。三個坐標系協同，游戲才能順利地玩下去。如果為此游戲場景加入坐標，會是這個樣子，如圖2所示。

圖2

智能機器人領域，四軸、六軸、并聯等機械臂可認為是機器人的手臂（雖然自由度較高、速度快，但相比人手的靈活性還遠遠不如）。機器人的眼睛，一般指攝像機（包括2D和3D）。目前智能機器人的主流是使用3D視覺相機。機器人的大腦一般指進行核心控制和計算的工控機或嵌入式芯片。
一般而言，機器人的“手眼協調”需要一個“手眼標定”（Hand-eye calibration）的過程。手眼標定是機器人領域的一個經典的問題，其核心是計算出相機坐標系在機器人坐標系下的轉移矩陣。轉移矩陣是4×4的矩陣，一般用齊次坐標表示。其中重要的兩個分量是旋轉矩陣R和平移矢量t，分別表示旋轉分量和平移分量。得到轉移矩陣后，可將相機下的坐標轉換到機械臂坐標系下，從而完成工作。如圖3所示。

圖3

兩個坐標系，如何建立關系？這是手眼標定要解決的核心問題。

手眼標定和核心是解決一個AX=XB的矩陣。解此矩陣的算法就是手眼標定算法。

小藍( 杭州藍芯科技有限公司簡稱）公司依賴Eigen庫實現了經典Tsai的方法并且開源。

如何進行手眼標定

注意：以下涉及公式推導，不想推數學公式的可跳過。

理解手眼標定的核心是如何將機器人的手眼關系代入AX=XB的公式中。

首先要理解A，B，X分別代表什么含義。

X，表示未知量，即手眼標定的轉移矩陣。

A和B呢？

先看機器人手眼分離的示意圖。

圖4

圖4中，機器人底座一般認為是世界坐標系的原點。攝像機（眼睛）識別的位置通過轉移矩陣，可以轉換到機器人坐標系（同時也是世界坐標系）下。在手眼標定的過程中，需要連續移動機械臂終端，采集一組末端執行器的位姿；與此同時，相機采集掛在末端執行器的標記（例如，棋盤格）的位姿，組成另一組數據。

預警：下面是一些真正的數學推導。

假設采集的數據有N對，根據圖中的幾何關系，未知量有兩個，分別是標記在末端執行器下的位姿和相機在世界坐標系下的坐標。

其中是我們手眼標定的目標，是多少我們并不關心。

根據標記是空間中的位姿，我們可以得到（兩邊都是標記的位姿）

觀察上面公式，
未知，是目標矩陣，不變量；
已知，是可以通過相機讀到的數據，變量；
已知，是機械臂末端讀數，變量；
未知，我們很不喜歡它，不變量。

故此方程有兩個已知量，兩個未知量，一組數據不可解！
一組數據不行，那就多來幾組吧！
假設我們有兩組數據，分別是第i組合第j組，兩組坐標在公式里的括號內表示。
回想初中代數，我們可以通過類似方程組的解法，消去我們不喜歡的。
有如下兩組方程，

聯立方程，消去，終我們得到，

至此，回想矩陣乘法的結合律，我們驚喜的發現，方程的形式正是AX=XB！
其中A和B分別已知，什么？A和B是什么？自己觀察一下！

數學推導結束。
 

小朋友們，不對，工程師們，可以用此數據帶入標準算法計算了！
一般來說，采集的數據越多，標定的結果越準確。采集時，為防止陷入局部陷阱，需盡可能多的采集機器人姿態，同時，要保證標記在機械臂末端位姿固定，相機和機械臂的相對位姿也要保持固定。
有人說，不對，我用的相機不是這樣裝的。我把相機裝在了機械臂上，同其一起移動，可以用這種方法嗎？
答案當然是可以。
這涉及到手眼協同機器人的兩種模式，分別是eye-in-hand和eye-to-hand。剛剛我們一直研究的是eye-to-hand的模式。對于eye-in-hand模式，可以采用類似方法，消去我們不喜歡的中間變量，終歸結到AX=XB的形式，就可以解了。
兩種模式在公開的源碼中都可以找到。
 

總結
1、孩子的手眼協調能力會在游戲中得到鍛煉，只要給玩具讓她/他玩，基因會逐漸教會她/他靈活的手眼協同能力。
2、智能機器人的手眼協調，需要工程師們的認真調教！一般來說，數據越多，誤差越小。手眼協調能力，是機器人完成分揀、抓取、放貨工作的前提。
 

圖5 手眼協調揀貨

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