如何练好手眼协调能力

时间:2022-09-25作者:佚名

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。

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