如何练好手眼协调能力

婴幼儿在几个月到1周岁之间，会通过玩一些简单的玩具，逐渐锻炼出手眼协调能力。在机器人领域，则需要我们赋予其手眼协调能力，这个过程，一般称为“手眼标定”。机器人只有拥有手眼协调能力，才能完成复杂的工作，真正称之为“智能”。

当婴幼儿看到物体时，首先通过眼睛获取信息，传输到大脑进行理解，终通过手来操作完成玩具的抓取、放置。手、眼、脑协同是人类和少数动物的一项特殊技能，通过经常玩一些简单的益智玩具，可以逐渐锻炼增强孩子的手眼协调能力，同时可以作用到大脑，促进孩子的智力发育。

商家们也看到了这块领域，设计出很多益智玩具和游戏，如图1中所示。孩子需要把玩具抓起并放入车里。孩子的空间思维能力、协调能力在游戏中得到了锻炼。

图1

在智能机器人领域，机器人需要完成、复杂的工作，否则无法称之为“智能”。然而，机器人要想获得同人类一样的协调能力并不容易。如何才能实现像人一样的手眼协同能力呢？

再回到这个游戏。孩子在玩玩具时，大脑中有一个坐标系，可看做是基础坐标系；灵活的手在运动中形成一个轨迹，称之为手的坐标系；玩具要放置的点又有一个目标坐标系。三个坐标系协同，游戏才能顺利地玩下去。如果为此游戏场景加入坐标，会是这个样子，如图2所示。

图2

智能机器人领域，四轴、六轴、并联等机械臂可认为是机器人的手臂（虽然自由度较高、速度快，但相比人手的灵活性还远远不如）。机器人的眼睛，一般指摄像机（包括2D和3D）。目前智能机器人的主流是使用3D视觉相机。机器人的大脑一般指进行核心控制和计算的工控机或嵌入式芯片。

一般而言，机器人的“手眼协调”需要一个“手眼标定”（Hand-eye calibration）的过程。手眼标定是机器人领域的一个经典的问题，其核心是计算出相机坐标系在机器人坐标系下的转移矩阵。转移矩阵是4×4的矩阵，一般用齐次坐标表示。其中重要的两个分量是旋转矩阵R和平移矢量t，分别表示旋转分量和平移分量。得到转移矩阵后，可将相机下的坐标转换到机械臂坐标系下，从而完成工作。如图3所示。

图3

两个坐标系，如何建立关系？这是手眼标定要解决的核心问题。

手眼标定和核心是解决一个AX=XB的矩阵。解此矩阵的算法就是手眼标定算法。

小蓝( 杭州蓝芯科技有限公司简称）公司依赖Eigen库实现了经典Tsai的方法并且开源。

如何进行手眼标定

注意：以下涉及公式推导，不想推数学公式的可跳过。

理解手眼标定的核心是如何将机器人的手眼关系代入AX=XB的公式中。

首先要理解A，B，X分别代表什么含义。

X，表示未知量，即手眼标定的转移矩阵。