# Kalibrierung – Arm-Marker

> Stand: 2026-06-15  
> Ergänzung zu `doc/Kalibrierung.md` → Schritt „Arm-Marker eintragen und verifizieren"  
> Dient als Programmier-Roadmap für den UI-Tab „Marker" und die Verifikations-Pipeline.

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## Was ist ein Arm-Marker?

Ein ArUco-Aufkleber, der auf einem beweglichen Roboter-Glied (Arm1, Ellbow, Arm2, …)
befestigt ist. Arm-Marker unterscheiden sich von Board-Markern:

| | Board-Marker | Arm-Marker |
|--|--|--|
| Position | fest, kalibriert | bewegt sich mit dem Gelenk |
| Zweck | Referenz für Kamera-Pose | Gelenk-Winkel-Schätzung (Homing) |
| Position in robot.json | `links.Board.markers` | `links.{Link}.markers` |
| Koordinatensystem | Welt (Board) | lokal im Link-Frame |

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## Marker-Daten in robot.json

```jsonc
{
  "links": {
    "Arm1": {
      "markers": [
        {
          "id":       198,          // ArUco-ID (eindeutig)
          "name":     "aruco_198",  // optional, lesbar
          "position": [0, -160, 35],  // Mittelpunkt im lokalen Link-Frame [mm]
          "normal":   [0, 0, 1],    // Normale der Marker-Fläche (Link-Frame)
          "size":     25,           // Kantenlänge mm
          "spin":     0             // Drehung der Marker-Grafik um die Normale [°]
        }
      ]
    }
  }
}
```

### Felder

| Feld | Typ | Bedeutung |
|------|-----|-----------|
| `id` | int | ArUco-ID — muss mit gedrucktem Marker übereinstimmen |
| `position` | `[x,y,z]` mm | Mittelpunkt im **lokalen Link-Frame** (nicht Welt) |
| `normal` | `[nx,ny,nz]` | Flächennormale des Markers im Link-Frame; `[0,0,1]` = Marker schaut in +Z |
| `size` | mm | Kantenlänge des ArUco-Quadrats |
| `spin` | ° | Drehung der Aufkleber-Grafik um die Normale — 0 / 90 / 180 / 270 |

### Spin-Semantik

Ein ArUco-Aufkleber kann in 4 Lagen aufgeklebt werden. Physisch ist das egal — der
Detektor findet die ID unabhängig von der Orientierung, und auch die gemessene
Mittelpunkt-Position ist spin-unabhängig.

`spin` beschreibt nur die visuelle Darstellung im 3D-Viewer, damit die angezeigte
Marker-Grafik mit dem echten Aufkleber übereinstimmt. Das hilft beim visuellen
Abgleich: wenn die Grafik im Viewer verdreht zum Aufkleber steht, ist spin falsch.

> **In der aktuellen Homing-Pipeline (3b, 4b) wird `spin` nicht verwendet.**  
> Relevant wird es, wenn der Viewer spin korrekt darstellt (→ offenes Todo unten).

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## Typischer Workflow

```
1. ArUco-Aufkleber auf Roboter-Glied kleben
         │
         ▼
2. Position messen / schätzen → in robot.json eintragen
   (position = Mittelpunkt im lokalen Link-Frame, normal = Flächen-Richtung)
         │
         ▼
3. Homing-Run starten (homing.html)
         │
         ▼
4. Kalibrierung → Tab "Marker" öffnen
         │  · Tabelle zeigt alle Marker und ihren aktuellen spin
         │  · Viewer zeigt Modell-Marker (Vierecke) + beobachtete Punkte (Kugeln)
         │  · Fehler-Linien: Modell-Marker → beobachteter Punkt
         ▼
5. Prüfen:
   · Linie kurz → Position stimmt gut
   · Linie lang oder in falscher Richtung → position in robot.json korrigieren
   · Viewer-Grafik verdreht → spin korrigieren (+90 / -90 / 180)
         │
         ▼
6. Spin / Normal korrigieren → Viewer lädt neu → erneut prüfen
```

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## UI-Tab „Marker" (implementiert 2026-06-15)

### Datei: `public/calibration_marker.html`

Drei Abschnitte:

| Abschnitt | Inhalt |
|-----------|--------|
| Aktuelle Marker | Tabelle aller Arm-Marker (Link, ID, Name, Position, Normal, Size, **Spin**) aus robot.json |
| Aktionen | Link-Dropdown → Marker-ID-Dropdown → Spin-Buttons (−90°, +90°, 180°) |
| Viewer | `boardViewer.html?mode=homing` — Modell + letzter Homing-Run |

### JS: `initMarker()` in `public/calibration.js`

| Funktion | Beschreibung |
|----------|-------------|
| `loadRobot()` | Holt `/api/robot`, rendert Tabelle, befüllt ID-Dropdown |
| `renderTable(robot)` | Tabelle aller Arm-Marker mit farbig hervorgehobenem Spin |
| `updateMarkerDropdown()` | Link-Dropdown-Wechsel → ID-Dropdown neu befüllen |
| `applySpin(delta)` | `POST /api/robot/set-arm-marker-spin` → Viewer `reload`-Message |

### Backend: `POST /api/robot/set-arm-marker-spin`

```
Body:   { linkName: string, markerId: number, spin: number }
Return: { changed, linkName, markerId, oldSpin, newSpin }
```

Implementiert in `server/server.js` → delegiert an `setArmMarkerSpin()` in `server/editRobot.js`.

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## Offene Punkte (Programmier-Roadmap)

### [P1] Spin-Rendering im boardViewer

**Status:** ✅ implementiert (2026-06-15)  
**Datei:** `public/boardViewer.html` → `buildSkeletonFK()`, Abschnitt „4. Arm-Marker"

`spin` wird als zusätzliche Rotation um die Marker-Normale (in Welt-Koordinaten)
auf das orientierte Quadrat angewendet via `premultiply`:

```javascript
const normalW    = new THREE.Vector3(nx, nz, -ny).transformDirection(childFrame).normalize();
const markerMesh = makeMarkerSquareOriented(posWorld, normalW, markerSizeM, col);
const spinRad    = ((m.spin ?? 0) * Math.PI) / 180;
if (Math.abs(spinRad) > 1e-6) {
  markerMesh.quaternion.premultiply(
    new THREE.Quaternion().setFromAxisAngle(normalW, spinRad)
  );
}
```

`premultiply(Q_spin)` setzt `quaternion = Q_spin * Q_normal` → zuerst Normal-Alignment,
dann Spin-Rotation in Welt-Koordinaten um `normalW`.

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### [P2] Marker-Position verifizieren: Positions-Residuum

**Status:** ❌ noch nicht implementiert

Nach einem Homing-Run kennen wir für jeden erkannten Arm-Marker:
- `model_pos_world` = Modell-Mittelpunkt im Welt-Frame (via FK)
- `obs_pos_world`   = triangulierter beobachteter Mittelpunkt

Das **Positions-Residuum** `|model_pos_world − obs_pos_world|` zeigt, wie gut die
eingetragene `position` (Mittelpunkt im lokalen Frame) stimmt.

> **⚠ Wichtig: Spin-Fehler sind damit NICHT erkennbar.**  
> Der Mittelpunkt eines Markers ist spin-unabhängig — egal wie ein Aufkleber gedreht
> ist, das Zentrum bleibt dasselbe. Ein falscher `spin`-Wert erzeugt daher kein
> Positions-Residuum. Spin-Fehler erfordern → P3 (visuell) oder P4 (automatisch).

**Erweiterung im Marker-Tab:** Tabelle um Spalten ergänzen:
- `Δ mm` = Positions-Residuum des letzten Homing-Runs
- `Status` = ✅ < 5 mm / ⚠ 5–20 mm / ❌ > 20 mm

**Datenquelle:** `/api/homing/run-data?run={ts}` → `finalState` + `measuredMarkers`

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### [P3] Python: Ecken-Position in aruco_marker_poses.json ausgeben

**Status:** ❌ noch nicht implementiert  
**Datei:** `scripts/3b_corner_marker_poses.py`

Voraussetzung für P3b. Aktuell enthält `aruco_marker_poses.json` pro Marker nur
`position_mm` (Mittelpunkt) und `normal`. Die Spin-Orientierung geht verloren.

`3b` trianguliert den Mittelpunkt aus den Ecken der Kamera-Beobachtungen.
Dieselbe Triangulierung auf **Ecke 0** anwenden und zusätzlich ausgeben:

```python
# Zusätzliches Feld pro Marker in aruco_marker_poses.json:
"corner0_mm": [x, y, z]   # triangulierte Welt-Position von Ecke 0
```

Ecke 0 = top-left in OpenCVs ArUco-Konvention (Index 0 in `corners[0]`).
Zusammen mit `position_mm` (Mittelpunkt) definiert `corner0_mm` eindeutig die
Orientierung des Markers in 3D.

> Der Mittelpunkt bleibt spin-unabhängig. `corner0_mm` ist das einzige Feld,
> das den Spin kodiert.

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### [P3b] boardViewer: Orientierungszeiger zeichnen

**Status:** ✅ Modell-Seite implementiert (2026-06-15) · Beobachtungs-Seite offen (→ P3)  
**Datei:** `public/boardViewer.html` → `buildSkeletonFK()`  
**Voraussetzungen:** P1 ✅, P3 (corner0_mm) für Beobachtungs-Zeiger noch offen

Für jeden Marker werden zwei kurze Linien vom Mittelpunkt zu Ecke 0 gezeichnet —
eine für das Modell, eine für die Beobachtung. Der Winkel zwischen beiden = Spin-Fehler.

**Modell-Zeiger** (implementiert — nutzt `markerMesh.quaternion` direkt):

`markerMesh.quaternion` kodiert bereits `Q_spin * Q_normal`, daher reicht:

```javascript
// Richtung zur Ecke 0: (1,1,0) normalisiert im lokalen Marker-Frame,
// transformiert durch die bereits berechnete Mesh-Rotation (Q_normal ∘ Q_spin)
const ptrDir   = new THREE.Vector3(1, 1, 0).normalize().applyQuaternion(markerMesh.quaternion);
const corner0W = posWorld.clone().add(ptrDir.multiplyScalar(markerSizeM * Math.SQRT1_2));
gArmMarkers.add(makeLine(posWorld, corner0W, col, 0.9));   // Zeiger (Link-Farbe)
gArmMarkers.add(makeSphere(corner0W, 0.0008, col));         // Ecke 0 (Punkt)
```

`Math.SQRT1_2 = 1/√2` weil der Abstand Mittelpunkt→Ecke bei einem Quadrat mit
Kantenlänge `size` genau `size/√2` beträgt (`(size/2)·√2 = size/√2`).

**Beobachtungs-Zeiger** (aus `corner0_mm` in `aruco_marker_poses.json`,
sobald Python das Feld liefert → P3):

```javascript
// obs = beobachteter Marker aus _measuredMarkers
if (obs.corner0_mm) {
  const corner0Obs = r2vArr(obs.corner0_mm);                          // robot→Three.js
  gArmMarkers.add(makeLine(obsPosW, corner0Obs, 0xffffff, 0.6));     // Beobachtungs-Zeiger (dünn)
  gArmMarkers.add(makeSphere(corner0Obs, 0.0006, 0xffffff));         // Beobachtungs-Ecke
}
```

**Ergebnis im Viewer:**

```
  Modell-Mittelpunkt ●——▶ Modell-Ecke 0      (Link-Farbe, voll)
  Obs-Mittelpunkt    ●··▶ Obs-Ecke 0         (weiß, dünn)
```

Zeigen beide Zeiger in dieselbe Richtung → spin korrekt.  
90°-Unterschied → spin um 90° falsch → +90° oder −90° klicken.

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### [P3c] Homing-Check direkt im Marker-Tab starten

**Status:** ❌ noch nicht implementiert

Button „Homing-Check starten" im Marker-Tab triggert die vollständige Homing-Pipeline
(`POST /api/homing/run`) und zeigt:
- SSE-Log im Tab-internen Textfeld
- Fortschritt im Viewer via `postMessage({ type: 'homing-state', state })`

Kein struktureller Unterschied zu `homing.html` — Code-Duplizierung vermeiden
durch Extraktion eines gemeinsamen `runHomingStream(sendFn, frameFn)` aus `client.js`.

> Für Spin-Verifikation ist P3c nötig, damit frische Beobachtungsdaten im Viewer landen.
> Ohne P3 (corner0_mm) sieht man trotzdem nur Mittelpunkt-Fehlerlinien, keine Zeiger.

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### [P4] Spin automatisch berechnen und korrigieren

**Status:** ❌ noch nicht implementiert  
**Voraussetzungen:** P3 (corner0_mm), P3b (Zeiger im Viewer)

Sobald `corner0_mm` aus Python vorliegt und der Viewer die Zeiger anzeigt (P3b),
kann der tatsächliche Spin-Wert rechnerisch bestimmt werden — ohne manuelles Raten.

**Berechnung im Browser** (in `initMarker()` oder `buildSkeletonFK()`):

```javascript
// Modell-Richtung zu Ecke 0 bei spin=0 (im Welt-Frame, via FK):
const modelCorner0Dir = /* corner0World − posWorld, normalisiert */;

// Beobachtete Richtung zu Ecke 0:
const obsCorner0Dir = r2vArr(obs.corner0_mm).sub(obsPosW).normalize();

// Winkel zwischen beiden (um die Marker-Normale):
const cross = new THREE.Vector3().crossVectors(modelCorner0Dir, obsCorner0Dir);
const sinA  = cross.dot(normalWorld);   // Vorzeichen = Drehrichtung
const cosA  = modelCorner0Dir.dot(obsCorner0Dir);
const deltaDeg = Math.round(Math.atan2(sinA, cosA) * 180 / Math.PI / 90) * 90;
// → rundet auf nächste 90°: 0 / 90 / -90 / 180
```

**UI-Erweiterung im Marker-Tab:**
- Tabelle bekommt Spalte „Gemessener Spin" und „Soll-Spin (robot.json)"
- Unterschied → Badge „⚠ +90°" → Klick übernimmt die Korrektur direkt

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### [P5] Marker-Position aus Homing übernehmen

**Status:** ❌ offen

Wenn ein Arm-Marker nur grob eingemessen wurde, kann die triangulierte Welt-Position
aus dem Homing-Run dazu genutzt werden, die `position` in robot.json zu verfeinern:

```
position_local = inverse_FK(obs_world, current_state)
```

Setzt voraus, dass der Gelenk-Winkel für diesen Link bereits korrekt bestimmt wurde.
Iterativ einsetzbar: grobe Startposition → erster Homing → verfeinerte Position → …

---

## Abhängigkeits-Kette Spin-Verifikation

```
P1  boardViewer rendert spin korrekt          → Modell-Viereck zeigt echte Orientierung
P3  3b gibt corner0_mm aus                    → Beobachtungs-Orientierung verfügbar
P3b boardViewer zeichnet Orientierungszeiger  → Spin-Fehler sichtbar als Winkel
P3c Marker-Tab: Homing-Check-Button           → frische Daten ohne Tab-Wechsel
P4  JS berechnet Δspin, schlägt Korrektur vor → kein manuelles Raten mehr
```

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## Dateiübersicht

| Datei | Rolle |
|-------|-------|
| `public/calibration.html` | Tab-Button „Marker" |
| `public/calibration_marker.html` | Panel-HTML (Tabelle, Aktionen, Viewer) |
| `public/calibration.js` → `initMarker()` | Frontend-Logik des Tabs |
| `server/server.js` → `POST /api/robot/set-arm-marker-spin` | Spin-Endpoint ✅ |
| `server/editRobot.js` → `setArmMarkerSpin()` | robot.json schreiben ✅ |
| `public/boardViewer.html` → `buildSkeletonFK()` | Spin-Rendering (→ P1) + Zeiger (→ P3b) |
| `scripts/3b_corner_marker_poses.py` | corner0_mm ausgeben (→ P3) |
| `scripts/robot_1781069752019.json` → `links.*.markers` | Marker-Daten |
