南京航空航天大学
硕士学位论文
空间运动目标六自由度激光跟踪测量系统及建模研究
姓名：张汝鹏
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及自动化
指导教师：吕晓明;赵转萍
2001.2.1
南京航空航天大学硕士学位论文
．
。摘要
【空间运动目标六自由度激光跟踪测量是国际计量测试领域的前沿课题，它集激光干涉渭距、精密机械、计算机及控制系统和现代化数值计算于一体，对空间运动目标进行跟踪并实时测量其坐标和姿态。Ｌ厂～
本文首先介绍了工业应用中三维目标测量的各种技术，针对全自动非接触跟踪测量的巨大前景，提出了一种空间运动目标六自由度激光跟踪测量的新方法，即以一刻有十字线的三面直角棱镜为靶镜，利用激光干涉测长和返回光斑信息对运动目标进孪亍实时动态解耦，分离出平动和转动，测定六个自由度的变化。然后，调整二自由度跟踪镜反射激光跟踪目标的运动，由此达到连续跟踪测量的目的。本文还详细的论述了二自由度跟踪镜控制系统的研制和激光光斑图象处理及特征识别，以及计算机对干涉仪的数据采集等，它们也是本系统的重要组成部分。
／本文研究的内容得到航空基金的资助。、—一
Ｌ，
、／７、－，关键词激光跟踪动态测量
∥√
六自由度伺服跟踪镜
图象采如处理ｅ胡鼓避√
空间运动目标六自由度激光跟踪测量系统及建模研究
７
ａｂｓｔｔａｃｔ
Ｔｈｅｌａｓｅｒｔｒａｃｋｉｎ培ａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｏｆｓｐａｔｉａｌｓｉｘ－ｆｒｅｏｄｏｍ－ｄｅｇｒｅｅｍｏｖｉｎｇｔａｒｇｅｔｓｉｓａ
ａｎｄｆＴｏｎｔｉｅｒｍｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｍｅｔｒｏｌｏｇｙ．１１ｂｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｎｅｗｌｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｓｐｅｃｔ
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南京航空航天大学硕士学位论文
。第一章概述
１．１三维运动目标空间姿态测量的研究背景
在机械制造、航空、宇航、建筑等部门中，几何量测量是一项基本技术。作为工业部门中不可缺少的重要环节之一，多年来几何量测量的研究和技术开发一直受到极大重视，并得到很大发展。传统韵几何量测量手段以静态测量为主，测量仪器大多是通过沿着导轨的固定路线运动来实现测量。但现代测量对于大型零部件、组装件的整体外形几何参数和形位误差以及加工现场在位测量的要求越来越高，传统的几何量测量已不能满足需要，对于运动目标（如机器人手臂等）空间运动轨迹、姿态的检测和标定尤其困难。
在过去的几十年中，为提高产品的质量和产量，机器人在工业中的应用有着明显的增长。而现在已使用的机器人，大都只能工作在精度要求不太高、运动比较简单的场合，如简单装配、点焊等。在很多领域，机器人的设计和控制系统还不能产生令人满意的运动。今天，机器人正逐渐应用在对其操作性能有更高要求的场合，这就要求机器人有适应工作的一些必备参数，需要跟踪测量机器人手臂（终端效应器）的空间位置。在新型虚拟轴机床加工刀具的空间轨迹、大型机床的运动部分等测量上也有此问题，这是采用传统的有导轨几何量测量手段是无法实现的。不论在机器人研究、柔性制造系统中，还是在飞机轮船等大型工件装配、科学研究的其它领域中都迫切需要高精度、非接触、大量程的运动目标全姿态（能测量空间物体六自由度）的跟踪测量系统。所以，非常有必要研究出一种可接受的动态目标六自由度测量系统。
随着科学技术的高速发展，检测问题越来越多，对检测提出的要求也越来越高：要求能更快、更准、更灵敏、更可靠地完成检测任务；要求能实现自动化检测：要求研制出更多更好的、智能化的、多功能化的、数字化的、集成化的、微型、小型化的仪器仪表或检测系统。而现代计算机技术、激光跟踪测量技术、现代控制技术和图象数据处理方法的发展也为运动目标的六自由度实时测量的实现提供了建立实用化系统的技术条件。
１．２三维测量的国内外发展简况
由于三维测量在制造业和科学研究上的重要意义，参与研究三维测量的人员越来越多，三维测量也得到很大的发展。根据测量原理，可将三维测量分为机械坐标系法、光学坐标系法、多自由度传感器法等几种方法，这些测量方法各有其优缺点。１．２．１机械坐标系法
机械坐标系测量是在以机械元件构成的坐标系中进行测量，三坐标测量机就是一种最常见的三维机械坐标系测量仪器。三坐标测量机是一种高效率的新型精密测
空问运动目标六自由度激光跟踪澜量系统及建模研究
量设备，目吉豇披广泛应用于机械制造、仪器制造和电子工业上，特别是汽车和航空工业上。它利用探针酒量出放在平台上物体的多个点的空间位置，计算出被测物体的长度、高度等等空间位置。它不仅用于测量各种机械零件、模具等的形状尺寸、孔位、孔中心距以及各种形状的轮廓，特别适用于测量带有空间曲面的工件。它的优点是精度高，测量方便，可渊复杂的零部件；缺点是测量范围小，只能静态测量，仪器笨重，不适用现场测量，且价格昂贵。
１．２．２光学坐标系法
光学坐标系测量是在由光学仪器的光轴线组成的坐标系中进行测量．通过测量几个角度量和长度量确定空间一点在光学坐标系中的三维位置，通过测量多个点确定整个物体的六自由度。光学坐标系有直角坐标系和极坐标系两种，例如可以通过一台准直望远镜、经纬仪、水准仪建立喜角坐标系，并测量物体在直角坐标系中的位置：也可以通过一台激光干涉仪和一台经纬仪，建立极坐标系．测量一个长度量和两个角度量确定空间一点在极坐标系中的位置。直角坐标系由多台光学仪器组成，不太适合于动态的跟踪测量。现在对三维测量的研究，采用极坐标系的方法较多。
常见的干涉法就是一种极坐标系测量方法，其测量原理如图１一ｌ所示。双频激光干涉仪既是光源又是测长传感器。光束通过分柬器君由固定在精密驱动单元上的跟踪镜反射，射向安装在被测目标上的靶镜。光束从靶镜平行返回。返回光束被跟踪镜又一次反射，由分束器分成两束，一束返回到干涉仪作为测量信号．另一束射向光电探测器ＰＳＤ（或ＣＣＤ）。当目标运动时，光束投射在ＰＳＤ上的光点位置发生相应的移动。二维ＰＳＤ测量出入射和反射光在水平和垂直方向的位移，依次作为跟踪镜误差信号，分别控制驱动单元的两路直流力矩电机，使跟踪镜分别完成水平和垂直方向的旋转，并使跟踪镜误差最小。通过编码器测量出跟踪镜的水平和垂宣转角，双频激光干涉仪测量出跟踪镜中心到目标的距离变化量，再标定好初始距离值，则目标的坐标可以通过极坐标法实时地求得。
平面镜
编码器
图１—１干涉法测量原理国
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也可以通过建立两个极坐标系测量空间一点的位置。如图卜－２所示，为了测量空间点Ｐ的空间坐标，在已知系统（经纬仪站点Ａ、Ｂ）的定位元素：水平距离ｂ和高度差ｈ的前提下．根据两台经纬仪的水平角ａ．、ａ。，竖直角ｐ．、ｐ。，即可计算出Ｐ点的空间坐标。这种测量方法常被称作三角法，其特点是操作简单，但精度难以控制（如距离ｂ需两台经纬仪互瞄测得．而互瞄操作复杂，且ｂ必须大于两经纬仪最短可视距离之和，精度难以提高）。
经鲔仅
ｈ
Ａ
ｂ
图１—２三角法测量原理图
近年来在三角测量法的基础上发展了其它一些方法．如；光学柔性三坐标澜量系统、激光扫描物体空间编码技术等。光学柔性三坐标测量系统一般由两台经纬仪组成，采用透射投影变换建立空间三坐标测量模型。激光扫描物体空间编码技术的原理是激光器的激光束由柱面镜交换成狭缝光束投放到扫描转镜上，利用扫描镜形成结构光扫描待测物体，摄象机可以拍摄含有物体表面形状的一帧图象，获得足够的多帧图象，结合后即可得到整个物体的形状；再利用空间编码技术在满足较高测量速度的前提下，获得足够多的图象信息．提高空问分辨率。
建立一个极坐标系的激光干涉法虽可对物体进行跟踪涌量，但要对目标物体进行全姿态（六自由度：ｘ，Ｙ，ｚ坐标和绕三个轴的转角ａ、Ｂ、Ｙ）的实时测量，至少需要三个跟踪测量站同时跟踪测量目标上相互位置固定的三个被测点的坐标。预先确定好每个子系统（跟踪站）之间的位置关系，在测量过程中实时地测量每个子系统到目标的距离变化．当得到多个位置的距离变化量时，可以通过解方程组求出目标的位置坐标（包括绕三个轴的转角ａ、１３、Ｙ）。由多站法跟踪测量建立的数学模型分析，采用三站法的测量精度不会太高，如果增加一个干涉仪，即采用四站法跟踪测量，可以对测试点造成过定位，使用最小二乘法估算出跟踪干涉仪的所有位置参数以及目标的空间位置坐标，这样可以提高精度。
多站法跟踪测量可以实时地测量物体的六自由度。测量范围大．测量精度也较高（５０ｍｍ／ｍ），但干涉仪数目的增多，会有以下问题：（１）测量点增多，计算量增大，跟踪速度受影响；（２）要想使干涉仪都跟踪上目标，目标的运动范围必然受到限制；（３）仪器成本增大。如能通过一条激光束，设计一种能跟踪测量三维目标的六自由度变化系统，可弥补多站跟踪测量法的缺点。
．＇．
空间运动目标六自由度激光跟踪铡量系统及建模研究
１．２．３多自由度传癌器法
一条激光束含有六自由度信息，可设计一种传感器产生相对激光束的六自由度信号，进行六自由度测量，称为多自由度传感器法。下面介绍一种利用全息透镜分光和干涉计量的六自由度测试系统．它结合激光漂移补偿技术和激光调制技术同时探测空间物体六自由度偏差，并能保证各被测参数之间的相对独立，可实现对空问物体位置精度的动态检测。
此测试系统结构示意如图卜３所示，坐标原点确定为全息透镜的中心Ｏ。一准直扩束光束经分光镜分为两束，一束进入干涉系统，被用来测量物体沿ｚ轴位移。另一束经磁光调制器后入射到全息透镜，被分为三路：非衍射光束、会聚光束和发射光束，利用这三束光所携带的信息来测量其它五个自由度偏差。
图卜３一种六自由度测试系统原理图
当准直光束中心线以方向角ａ、ｐ、Ｙ入射到全息透镜中心时，在菲涅尔近似条件下（∞啦酬。，Ｔ砷），且只考虑光束所带位置信息，略去对问因子ｅｘｏ（ｊ（ｏｔ），则通过全息透镜后的透射光波可表示为：
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耳＝Ｃ（Ａ２＋Ｊ伊）Ｄｅ冲眦ｏｃｏｓ口＋ｙ瞄声＋：ｃｏｓ朋＋ＡＢＣＤｃｘｐ卜顺￡二：±ｉ；；堡一Ｊｃｎｓ口一ｙ螂卢一＝ｃｏｓｙ）］＋彳嬲踟咖祥！｛：｝塑＋ｚｃｏｓ盯＋ｙ傩户＋斓哼朋其中Ａ为参考光振幅；Ｂ为物光光波的振幅：Ｃ是全息透镜透射系数；Ｄ是照明光
波振幅；Ｆ铷呱ｘ，＋ｚ０为全息透镜的焦距；ＣＯ￥（Ｘ、∞ｓｐ、ｃｏｓｙ是照明光波的方向余弦。式中第一项为照明光束的继续，可视为原路光束，它被一位置敏感探策器（ＰＳＤ）接收，其作用同一般激光准直仪一样，可实现光靶与激光束在ｘ向及Ｙ向相对位移的测量。第二项完整地保存了原物光的信息，若为会聚光束，则该光束沿任何方向平移或绕Ｚ轴相对转动，都不改变全息透镜焦点的相对位置，仅当它与光靶之间有绕ｘ轴或绕Ｙ轴的相对转动时焦点才会移动。因此该光束在焦点处被另一ＰＳＤ接收．便可实现ｅ，、钆的测量。第三项也保存了原物光的信息，但它与原物光在位相上是共轭的，第二项为会聚光束，则它应该为发散光束，可以利用它与照相光束具有相同偏振特性的特点实现ｅ７的测量。
这种六自由度测试系统测量精度较高，但它利用了全息技术，对环境的要求很高，测量范围有限．而且多元件的采用使得测试系统的可动部分不宜小型化，且标定比较复杂等。这决定了它的应用范围是机床导轨、风动天平体轴加载的自动较测等多个自由度的准直和微小偏移量的测量。
１．３本文主要研究内容、目标及应用前景
本文研究一种空间运动目标六自由度激光跟踪干涉测量系统：在空间运动目标上加一个逆反射器（角偶棱镜），激光干涉仪发出的激光束射到反射器上，然后又返回到激光干涉仪和ＣＣＤ上，利用ＣＣＤ和干涉仪测得的数据计算出物体的空间位置和姿态。并自动调节跟踪镜实现激光跟踪。建立运动目标反射激光投影的多变量动态解耦数学模型。研究运动目标六个运动自由度的可分离性、分离精度及动态反馈解耦的方法．并研究计算机控制的二自由度跟踪镜控制系统和ＣＣＤ激光光斑图象的采集与处理，最后以微机为控制中心构造微机自动测量系统。
本文研究的这种测量方法能够动态跟踪测量空间运动目标，且能同时测量出目标的六个自由度变化情况，预期测量的平动精度为＋４０微米，转动精度为＋ｏ．０１度。利用其连续、动态、非接触、高精度和调整安装方便的特点，预期这种测量方法在机器人、航空、航天、造船、核、能源、重型机械等领域都有广泛的应用前景。它即可以用于大型零部件、组装件加工现场的在线测量（如飞机制造中的型架安装），也适合于运动目标（机器人手臂、数控机床、数控加工中心等）空间运动轨迹、姿
空间运动旦堡查鱼虫壅整垄壁型兰墨堑墨堕塑塞—————————————————————————————————————————————一一
态的监溯和标定。
本文研究的内容得到航空基金的支持ａ
一—————————————————一一——
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‘第二章总体方案论证与设计
２．１测量原理概述
激光干涉跟踪测量是计量测试领域里极有前途的测量方法，它可以对目标物体进行跟踪测量。为了测量物体的六自由度，我们用激光对物体进行跟踪。并尽可能地获得物体运动的信息。系统测量原理简圈如图２一ｌ所示，激光干涉仪发出的光束
靶魄
ＣＣ卫
图２—２系统光略图
空洞运动目标六自由度激光跟踪涌量系统及建模研究
经伺服转镜反射后．照射到固定于运动目标上的靶镜上，利用分光镜把从靶镜反射回来的激光分为两束：一束反射到激光干涉仪，另一束反射到ＣＣＤ上（或其它光敏感探测器上）．当日标物体运动时，伺服转镜跟踪机构调整光束方向来对准目标。
在本系统中，我们把三面直角棱镜固定于运动目标上用作靶镜，系统光路图如图２－－－２所示。双频激光干涉仪发出的光线ＡＣ经平面镜反射到三面直角棱镜上。根据棱镜的性质可知反射光线ＳＤ平行于ＣＲ射到平面镜上，最后反射到双频激光干涉仪的入射光斑Ｂ处，由此可测出光程差变化量△ｘ。为了测量光束ＤＢ所含有的运动目标的其它信息，可在Ｂ点前放置一分光镜，使一部分光束照射到ＣＣＤ上（或位置敏感探测器ＰＳＩ）），测量光束的位移等信息。为了研究的方便，在Ｂ点处虚拟放置ＣＣＤ。平面镜为一二自由度控制镜系统，可绕一定点转动，为便于理论分析，现假定平面镜过此定点。
利用Ｏ∞测出激光光斑中心的变化和激光干涉仪光程差的变化可计算出空间目标的三维位置的变化，并可以调节平面镜跟踪。如果要探测空间物体六自由度的变化．需要四路激光跟踪测量系统，这难免使测量周期变长．误差增大，代价较高，且操作也不方便。为了同时测量出目标的六自由度变化。就需要获得更多的物体运动的信息，故决定在三面直角棱镜的一个侧面上加一“十字”线来增加可涌得的信息量。
传巷ｔ
銎袁
子曩萼茎垂毒。它量毫对象
乖
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圈２—３微机自动检测系统的一般结构
整个系统采用微机自动检测技术来跟踪测量空间运动目标。微机自动检测系统典型结构如图２—３所示。整个系统由下列子系统组成：微机基本子系统（包括ＣＰｕ、ＦｔＡＭ、ＲＯＭ或ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等）、数据采集子系统、控制子系统、数据通信子系统和基本输入输出（Ｉ／Ｏ）子系统等。
具体到本激光跟踪测量系统，微机自动检测系统的结构如下：微机基本子系统采用个人计算机，系统软件运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９５／９８操作系统上；主板配接激光干涉仪接口卡和ＣＣＤ图象采集卡，外接双频激光干涉仪和ＣＣＤ摄象头，这些构成数据采集子系统；同时计算机并行口与单片机相连，用来控制步进电机的运动，调节跟踪镜的空间位置，这属于的通信子系统。实现测试过程中，当初始化后，微机自动检测系统就可以自动跟踪测量空间物体的位置，并在屏幕上显示。
．８．
塞堇蚝
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２．２系统功能规划
本测量系统功能示意图如图２—４所示，激光干涉仪发出的光线经过跟踪镜照射到物体上的三面直角棱镜上，通过ＣＣＤ接收反射光线，数据送入计算机分析处理。锈体钓运动引起ＣＣＤ上光斑的变化及光程差的变化，计算机对跟踪镜发出由交化量决定的控制电压，使０∞上的光斑回到初始位置，达到连续跟踪的目的。由此，我们从功能上把系统分为四个部分：激光干涉仪数据接受模块、ａ０Ｄ图象采集与处理模块、跟踪镜控制模块、计算机运算控制模块。
（１）激光干涉仪数据接受模块。激光干涉仪能采集当前的物体在光程长度上的变化量，此变化量帛Ｉ测量坐标系中物体位置有一定的对应关系。计算机通过（３ＰＩＢ接口获取该数据。
（２）ＣＣＤ图象采集与处理模块。ＣＣＤ把反射回来的激光光斑从光信号变换成电信号，再通过图像采集卡以位图格式存入计算机内存。对该位图进行一系列处理，识别出激光光斑的中心和十字线的夹角，最后送交主控程序。
１３）跟踪镜控制模块。此包括跟踪镜控制机构、步进电机及驱动器、单片机。该模块的主要功能是，在ＰＣ机的控制下调整空间跟踪镜的角度，以改变激光的出射方向。
（４）计算机运算控制模块。此模块的功能是利用从ＣＣＤ和激光干涉仪获得的信息，计算出空间物体的六自由度位置和继续跟踪目标跟踪镜需要的空间位置，Ｉ列时显示测量结果。该模块的实现，是对测量过程的数学模型进行分析找出目标运动量与各接受参数的关系，编写主控程序。
图２—４跟琮测量系统功能示意图
以上简要介绍了本测量系统的工作原理以及整体组成，下面对系统的各组成部
．皇塑垩垫旦堡查旦宴堡堂堂星壁型兰墨竺墨蕉燮堡塞
分作较具休的分析。
２．３双频激光干涉仪
在本测量系统中，激光干涉仪既作为光源又作为测长传感器。自从激光器问世以来，激光干涉仪以其特有的大测量范围、高分辨率和高溯量精度等优点，在精密和超精密测长领域获得了广泛的应用。现在双频激光干涉仪的精度已超过０．１微米，是目前单位移测量精度最高的仪器。在三维测量中激光干涉仪常被用来作为测量系统的一部分。
激光干涉仪的测长原理见图２－５，从双频氮氖激光器输出的频率为．＾的左旋圆
１２
图２—５双频激光干涉仪测长原理
ｌ一激光器；２—分光镜Ｂ．：，一＾１４波片（１）
４—分光镜Ｂ２；５一固定棱镜Ｍ。；６－－－＾１４波片（２）；
３＇－－ｘ／４波片（３）；８一移动棱镜Ｍ２；９—检波器Ｐ１，Ｐ
２；
１卜光探测器Ｄ１，Ｄ２；１ｌ～计数器Ｃｌ，ｃ２；１２一减法器Ｓ；１３——显示器Ｔ。
偏振光及频率为正的右旋圆偏振光，经凡／４片变成两束振动方向互相垂直的线偏振光。用分光镜２取出一小部分（约４％），经检偏器９形成上和正的拍频信号，由光电检测器Ｄ。转换成电信号，其中频率为正啊的交流成分由计数器Ｃ，接收作为参考信ｇ－。其余部分经分光镜Ｂ，、１／４波片，形成两束振动方向相互正交的两束光，它
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们在偏振分光镜Ｂ２处分开，频率为石的线偏振光全部反射到固定的角偶棱镜Ｍ１上，频率为正的线偏振光全部透射到移动的角偶棱镜也上，它们分别从Ｍｌ、屿反射后回到如ｔ两束光的振动方向都因两次通过１／４波片而转过９０度，随后经４５度放置的检偏嚣Ｐ２。形成频率为疗圻的测量信号，并由光电检测器Ｄ２转换成电信号．记录于计数器ｑ上。
随后ｔ通过减法器ｓ将计数器Ｃ。、岛所记录的电信号进行比较，从而可以精确测量动镜Ｍ，的位移。
当Ｍｚ不动时，则计数器Ｃ。、ｃ２所记录电信号均为频率差．，；讲引起，频率差相同，则减法器输出为零，则示值Ｔ为零。当工作台与Ｍ：以速度Ｆ移动时，则产生多普勒频差４，为：
ｖ：＾．堡；孕（卜１）
Ｃ＾
式中，ｒ—珧在真空中传递速度。
这样ｔ计数器Ｑ所记录的电信号不再由频率差疗诉引起，而是正啊±４厂引起的。所以，如果在测量时间，内角偶棱镜Ｍ：移动距离为工，由减法器ｓ中所获得的频率差±４，－进行累计可求得：
Ⅳ＝ｒＶ批皋Ｖ小ｉ２三（２－－２）
为此．Ｍ：的实际伉移量为：
Ｌ＝如，２（２—３）
式中肝一测量时问内扫捕的条纹数，它可以由Ｄ。Ｄ２光电检测器获得：Ａ厂一频率正激光束的波长。
在本系统中，我们选用ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄ公司的５５２８Ａ双频激光干涉仪，它可以通过Ｇ衄接口与ＰＣ帆相连接。
２．４三面直角棱镜
在奉系统中，我们用三面直角棱镜作为逆反射器，使ｃＣＤ和干涉仪接收到带有物体运动信息的光信号。三面直角棱镜的形状相当于一个立方体切下来的一个角。它的三个内表面相互垂直，是反射面，而底面为一等边三角形。三面直角棱镜具有两种结构形式：一种由一玻璃四面体构成，称为实心三面直角棱镜：另一种三面直角棱镜的直角面由镀膜的金属面组成，内部是空的，成为空心三面直角棱镜。两种形式的三面直角棱镜具有相同的性质。由于其立体特殊的结构，三面直角棱镜具有下列反射特性：
１．迎底面入射于棱镜的光线，经三个反射面相继反射后，其出射光线平行于入射光线。而且棱镜绕角顼转动时，不会引起反射光线方向的变化。
空间运动目标六向由度激光跟踪测量系统及建模研究
２．不管入射光线与底面成何种角度入射，只要光线在三个直角面上依次反射，其入射光线和出射光线在沿光线方向看去，其投影与棱镜的顶点Ｏ呈中心对称。因此物体经三面直角棱镜反射后其坐标绕出射光线转动１８０。。
３．对等边三面直角棱镜而言，不论光线的入射方向如何，其在棱镜内部所走的路程等于从顶点到入射点和出射点连线中点距离的两倍。
根据三面直角棱镜的反射特性，可以把目标物体（棱镜）的运动分解为平动和转动，并分别求得。为测量出棱镜的转动，我们制作了一侧面带有“十字”线的三面直角棱镜。对测量方法的具体分析可见第三章。
２．５图象采集
２５．１方案选择
在本测量系统中，需要接受从角偶棱镜反射回来的激光光斑，通过对光斑形状及特征的判别，获取目标最新的运动变化量的信息。系统的方案是将激光光斑采集到计算机，由计算机对光斑位图进行分析，计算出光斑中心相对十初始位置在光斑投影面上的变化量和十字线的交点及夹角的变化量。把光斑采集并传输到计算机要使用固体视觉传感姑。
视觉传感器的功能是把光学图象转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、激光、Ｘ射线、红外线、紫外线或电子轰击等），转换为按时序串行输出的电信号——．视频信号，而该视频信号能再现入射的光辐射图象．固体视觉传感器主要有三大类型，一种是电荷耦台器件（ＣＣＤ），第二种是ＭＯＳ图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵（ＳＳＰＡ），第三种是电荷注入器件（ＣＤ）。目前测试工程中应用较广的是ＣＣＤ摄象机，它又可分为线阵和面阵两种，线阵ＣＣＤ摄取的是一维图象，而面ＣＣＤ可摄取二维平面图象。视觉传感器摄取的图象经空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机存储器中．称为数字图象。为了从图象中获得期望的信息，需要利用计算机图象处理系统对数字图象进行各种处理。由视觉传感器摄取的原始图象由于摄象过程巾各种条件的限制和随机因素的干扰，往往要对其先进行图象变换、增强或恢复等预处理，从而过滤噪声、校正灰度和畸变等。经过预处理的数字图象，可借助快速傅立叶变换（ＦＦＴ）、小波变换、概率统计等数学工具进行图象的分析及理解、特征提取和模式识别。
２．５．２ＣＣＤ原理概述
电荷耦合器件（Ｃｍｒｇ。ｄＣｏｕｐｌｃｄＤｅｍｏｅ）是７０年代初期最先由Ｂｅｌｌ实验室发明的。ＣＣＤ器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。３０年来有关ＣＣＤ的研究取得惊人的进展．特别是在图象传感嚣的应用方面。
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ＣＣＤ器件的基本阵元是金属氧化物半导体（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳ朋ａｉｃｏｎｄｕｅｔｏｒ）电容。
竞洼八
图２－６１０Ｓ电容
如图２—６所示，在Ｐ型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层，其上制备一金属电极。这就构成了金属氧化物半导体（ＭＯＳ）电容．ＭＯＳ阵元在ｖｇ印时，ＭＯＳ电容其Ｐ型半导体中的多数载流子（空穴）的分布是均匀的。当０＜Ｖｇ＜Ｖｔｈ（Ｖｔｈ是半导体材料的阙值电压）对，空穴被排斥，产生耗尽层。随着ｖｇ的升高，耗尽层向体内扩张。而当Ｖｇ＞Ｖｔｈ时，半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子（电子）聚集形成约１０－２ｌＩｍ的反型层．其电荷密度极高。这说明ＭＯＳ阵元具有积累电荷的能力。ＭＯＳ阵元在金属栅与硅衬底之间加有偏压Ｖｇ对形成势阱。当光照射到硅片时，光子的注入引起电子空穴对的形成。多数载流子（空穴）被栅极捧斥，而少数载流子（电子）则积累于势阱中。积累的电荷量正比于照射强度。
根据电荷转移和读出的方式不同，常见的ＣＣＤ有两类：帧转移ＦＴＣＣＤ和行间转移ＩＬＴＣＣＤ。帧转移ＦＴＣＣＤ的结构包括三部分：光敏区、暂存区和读出寄存器。暂存区结构和光敏区相同，只是上面覆盖金属层遮光。有多少个转移沟道读出就有多少个转移单元。每个转移单元对应一列垂直的电荷耦合沟道。当外景投射到成象区，光生电荷就收集到这些电极下的势阱中。经过第一场积分时间后，光敏区和暂存区处于帧转移脉冲的驱动下，光敏区的信号电荷在垂直消隐期间平移到暂存区。当光敏区处于第二场积分时，暂存区驱动脉冲为行转移脉冲．在水平消隐期间，暂存区电荷一行一行转移到水平读出寄存器，在输出端得到视频信号。行间转移ＩＬＴＣＣＤ结构中，每列光敏单元的右边是一垂直移位寄存器，光敏单元与转移单元一一对应，二者间由转移栅控制。底部是一水平寄存器，单元数等于寄存器个数。
作为一种新型的光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷；当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在ＣＣＤ内作定向传输而实现自扫描。由于它具有几何精度高、稳定性好、噪声小和光谱响应范围宽等优点，ＣＣＤ已广泛应用于摄影测量和空间遥感领域。面阵ＣＣＤ的高速数据处理对实时数字摄影测量的发展有重要作用。
在本系统中，我们采用了面型ＯｃＤ摄象器件，经图象采集卡把图象送人计算机，由软件进行滤波、锐化、特征提取等处理。
空间运动且标六自由度擞光跟踪澍量系统及建模研究
２．５．３ａＣＤ’摄象头、视频卡
在本系统中我们选用了ＴＰ－５０５ＤＣＣＤ视频摄象头，视频输出接口为ＢＮＣ端子，以同轴电缆接到图象采集卡或监视器。直流＋１２Ｖ电源；可采图象规格：５１０（Ｈ）＊４９２（Ｖ）ＥＩＡ、５００（Ｈ）’５８２（Ｖ）ＣＣＩＲ。输出图象信嗓比￥／Ｎ：４８曲。该设备体积小、重量轻，适合于许多工业视频监视的应用场合。
图象采集卡我们选用的是北京微视电子技术有限责任公司的图象卡：ＭＶＰＣＩ．Ｖ３Ａ．该卡有六路视频输入，能实对采集、实时存储、实时单屏显示，适用于ＰＣＩ总线的真彩色、黑白、伪彩色图象卡。该卡适用于带有ＰＣＩ总线的ＰＣ４９６、５８６及兼容机，可套接插入主机箱ＰＣＩ插槽内。与ＣＣＤ摄象头配接。图象数据可以实时存储到计算机内存中（在需要时可实时在屏幕上显示）。图象采集显示分辨率：最大７６８＊５７６：采样位数：黑白方式ｇｂｉｔ、彩色方式ＲＧＢ各Ｓｂｉｔ。对应用来说，ＭＶＰＣＩ软件提供的接口函数有以下几类：系统初始化和系统结束函数。完成资源的分配或系统的恢复；图象监视类函数，控制实时图象的显示；图象采集类函数，设置存储的渍号和浈数及采集状态检测：图象读写类函数，与读写图象帧和象素有关的函数；窗口与视频参数设置类函数；图象文件存取类函数。
２．６二自由度跟踪镜控制系统
要使激光能跟踪空间任意位置的运动目标，需设计一有两自由度的跟踪镜，使固定的出自激光干涉仪的激光射到跟踪镜镜面上，当跟踪镜绕一定点二维运动时，反射的激光光线可以面向空间任一方向。当空间物体运动时．由ＣＣＤ和激光干涉仪采集的信息，计算机检测判断出运动物体的位置，据此进一步调整跟踪镜的角度，使激光跟踪到该运动目标。
我们假设测量光臂（运动目标到跟踪镜的距离）为１米时，目标在光线垂直方向上运动范围是４００ｒａｍ，测量光臂变化范围是０．５￣３．０米，目标最大速度小于５ｍｍ／ｓ，平动浏量精度达到４０ｕｒｎ以上，估算出控制系统角度控制精度应小于ｏ．００１４度（５秒），控制过程调整时间应小于０．５秒。
２．６．１二自由度跟踪镜控制系统方案选择
在自动测量设备中，驱动器的选择非常重要。驱动器的性能直接影响到自动测量设备的性能。在选择驱动器时需要考虑它的精度、效率，以及方便可行性和经济性。目前的驱动器大致可分为：电磁式驱动器，气压、液压驱动器以及特殊型驱动器等。以下对各种驱动器选择方案进行比较论证，最终选择了以步进电机控制的球铰接平面镜控制法。
（１）压电器械平面镜板控制法
近年来，由于压电元件具有换能效率高（５０％），体积小，重量轻，输出力大，
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响应速度快，可控精度高（Ｏ．０１ｕｒｎ）等优点，的研究愈来愈受到国内外同行的重视。目前，机器人等领域中都需要这类高精度的驱动器。敌对由压电元件构成的压电式驱动器在精密机械、超导、生物医学工程和
压电陶瓷具有逆压电效应：当在两极施加外电压时，压电陶瓷会沿极化方向产生徽变形，利用这个特性，制成的压电驱动器具有许多突出优点，可在电压控制下
获得较高的位移分辨率，同时由于其频率响应高、动态反应快，承载大，良好的机械静压力特性。结构简单及受外力干扰小，能够提供推动工件台的微位移力并保证
足够的动刚度。如配以高稳定性和小纹波低噪声高压放大器，组成的驱动系统可阻应用到许多微米级和亚微米级的精密驱动和定位领域中去。压电陶瓷在外电场作用下，应变与电场的关系可简化为：
Ｓ＝ｄＥ＋ｍＥ２（２－ｏ）ｓ为应交，ｄ为压电系数，ｍ为电致伸缩系数，ｓ为施加在陶瓷上的电场强度；
式（１）中第１项为逆压电效应．第２项为电致伸缩效应。把压电陶瓷作为一个微位移发生器是利用了压电陶瓷的逆压电效应或电致伸缩效应。
利用上述工作原理，可以翻成压电驱动器。用金属材料制成的一体化可动结构
和叠层式压电元件可组成蛇型步进式直线驱动器，能实现高精度、高可靠性的直线步进驱动。利用两个直线驱动器顶触一面反射镜的两点，反射镜可绕一固定点旋转。控制两个直线驱动器的进给量，可以调节反射镜的方向，从而改变激光的出射方向。但这种方法的缺点是；其行程较小，不足以使反射镜在足够的范围内旋转。而且，按此原理设计的控制系统结构复杂，代价较高，所需控制电压较大，应用不便。（２）磁场动圈控制法
跟踪镜采用动圈式振动控制装置，拟用两组此装置，两面控制镜完成两个自由度的转动。可跟踪空间任一位置。
此法以电磁力驱动跟踪镜转动，其原理图如图２—７所示，结构图如图２＿－８所示。基本结构是：将一面反射镜固定到动圈式振动控制装置的线圈上，线圈以刚性张丝作为支撑，置于一均匀磁场中，当线圈通一电流，线圈和反射镜会相应转动一角度。整个跟踪镜组采用两组动圈式振动控制装置，固定激光照射到一面镜子然后再反射到另一装置的镜子上，从该反射镜反射的激光跟踪运动物体。两面控制镜叠合，完成两个自由度的转动，能够跟踪空间内大范围运动的物体。
——一．皇堡望垫旦燮皇堕堕堂燮塑苎墨堕墨堡塑塞
磁场导线
性张丝
毒匕面
线皤
图２～７动圈式振动控制装置原理图
图２—８动圈式振动控制装置结构图
１．反射镜３．横架５．磁场铁心７．簧片９．通电线圈１１．簧片支架１３．出射光斑
２．入射光斑
４．磁场
６．簧片支架
８．刚性张丝
１０．反射镜支架
１２．簧片支架
这种控制环节是一个二阶系统，在控制镜旋转角度小于５度时，系统达到稳定，输出的角度值与输入的电压基本成线性关系。
上述二阶环节的前置电路包括ＤＡＣ、ＰＩＤ调节环节和功率放大环节。ＤＡＣ完成计
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算机的数字量输出到模拟电压的转换，ＰＩＤ改善控制系统的静态特性和动态特性，功率放大器放大Ｄ＾Ｃ的模拟电压信号的功率，以驱动后续环节。
这一环节具体研究的问题有：镜子尺寸估计，质量估计，及其对整体性能的影响。磁场的选择，其强度的估计磁场及转角量程对尉性张丝的要求。两面镜子的位置关系，及校准位置时对装配误差要求的最低限度。第二面镜子是否存在由位置引起的变形误差．如何解决。对动圈式装置所需功率的计算，所需电压估算。确定Ｄ＾Ｃ的精度要求。分析ＤＡＣ的输出功率。ＤＡＣ及附属电路完成一次数据转换所需要的时间的估计。控制机构所能达到的精度估算。动态特性估算Ｔｒ．Ｔｓ，Ｔｐ，Ｍｐ，■ｐ，－ｏ。
经对磁场动圈控制装置的反复实验研究，主要有咀下问题：刚性张丝的弹性滞后和弹性后效明显，精度和重复性不好。整体结构复杂，磁场和线圈的制造困难。图２－８为一自由度结构，在两自由度时结构更为复杂。因此，此种方案未予采用。（３）采用偏心轮球较接平面镜板控制法
一个反射镜平面可以用三个点来定位。要使平面跟踪镜跟踪空间某一范围内的任一方向，只需调节三个支点的位置。为控制方便，三个支点中令一个支点固定，另外两个支点由两个偏心轮分别控制。固定的一点我们采用多球相切形成铰支点，固定住一个球的选择中心，因为球的圆度较易保证。两个偏心轮分别由两个步进电机来控制。
优点：机械结构简单、电气结构成熟，易于实现；如果制造上能对某些部件的某些几何特征有保证，通过误差补偿可实现高精度。由以上优点，最终选择以两个步进电机作驱动器制作二自由度跟踪镜，下面对此作较详细的介绍。
２．６．２二自由度跟踪镜控制系统设计
整个机械装置最终目的是产生一个可绕定点精密旋转的两自由度平面镜（用于反射激光）。该装置采用一平面镜板铰支于一固定点，平面镜板的两位置由两个偏心轮当前旋转角度确定，旋转偏心轮可改变平面镜的法向，使出射激光反射到运动目标。系统的结构简图如图２－＿９所示，用三个小球与一个球缺相切，保证在球缺旋转过程中有一个点固定不动，用两个步进电机驱动的偏心轮推动与球缺相连的平面板。
基于模型的阻抗控制六自由度电液斯图尔平台 摘要—本文详细描述了一个以模型为基础的阻抗控制六自由度电液斯图尔平台，刚体和电液伺服阀模型，包括所用伺服阀模型和一套完整的系统方程，也包括摩擦和泄漏液压原件。所设计的控制器是采用系统动力学和液压模型产生伺服阀电流。控制规则包括反馈和前馈两个单独的部分。根据指定的特性阻抗过滤器会修改所需的轨迹，修改后的轨迹被送入系统模型，以减少非线性液压动力的影响。提出了模拟的典型期望轨迹，并得到了拥有良好性能的控制器。 1．导言 最早的6自由度（DOF）斯图尔特高夫平台是在1954年发明的。在1965年，样机的平行机构被用做一个具有六自由度运动平台的飞行模拟器。此后，许多关于这种机构以及相关研究被发表，该机构可以是电动也可以是液动。许多研究人员已经研究了斯图尔特平台的动力学和运动学。然而驱动力却没有被考虑完全。虽然电动斯图尔平台已被广泛运用，但是很少有研究是关于包括驱动和控制的完整动力学。 阻抗控制被认为是一种积极的兼容的运动控制，主要需要行业应用并于周围环境相互作用，例如数控机床，铣床等。这种控制器同时具有安全性和灵活性，相对而言是首选。 液压科学与控制相结合，得到了新的液压系统的应用。这也是为什么液压系统会被作为一些工业和移动式应用机电驱动的首选。包括它们大批量快速生产的能力，它们的耐久性和刚度，还有他们的响应速度，液压体系不同于机电体系，在液压体系中力或例句输出与执行器的电流是不成真比的，因此，液压执行器不能作为力矩的来源模仿，但是可以作为受控阻抗，所以，要设计出了控制机器人的控制器。驱动力/力矩的虚拟设置在这里始终不可行。 控制技术被用来补偿电动液压伺服系统的非线性。研究人员已经提出了关于液压伺服系统的非线性自适应控制技术的假设、反推以及方式。一个强力的控制器是在非线性定量反馈理论的基础上设计的，已被工业液力执行机构所实现，同时考虑了系统和环境的不确定性。一个电动机械手控制的统一方式适用于任何提案。运动学约束议案，以及机机械臂及其环境之间的动态交互研究已经通过审查。制定所需的机械臂阻抗技术和对一个给定应用程序选择适当的阻抗的技术的最优化理论已经被提出。这里有两种控制机电驱动高夫斯图尔特并行平台机械阻抗的空间几何方法，第一种基于球形位置函数，第二种则是利用指数映射关联有限位移与扭转位移平衡的平台。 一个基于模型的高性能的压接头液压伺服系统前馈反馈阻抗控制器已经被提出，在这里，一个阻抗根据在自由空间或空间接触的行为来调整过滤器所需的轨迹，类似已提交的工作，其中基于位置阻抗控制器工业液压机械手已开发。此外，阻抗控制器研究已在遥控轮式液压伺服系统和重型工程中实施。 在这篇论文中，提及了一种基于模型的六自由度电液伺服斯图尔特关节对称平台阻抗控制器，用于描述刚体斯图尔特平台和液压驱动系统，对比其它方法，这里有伺服模型和摩擦模型。先进的控制方案在分析方案时，应用了刚体、驱动力学和伺服阀的输入电流矢量。控制规律包括两个信号，反馈信号和前馈信号。根据指定的行为阻抗过滤器会修改所需的轨迹。修改后的轨迹被送入系统模型，以减少非线性液压动力的影响。现金控制器的性能说明使用了典型的轨迹。拟议的方法可以扩展到串行或闭链机器人和模拟器。 2系统建模 在本节中，研究了六自由度电液伺服斯图尔特平台的动态模型，这是一个由支架和六个线性驱动器组成的闭环运动体系，该体系的原理如图1所示：
六轴联动机械臂运动学及动力学求解分析 V0.9版 随着版本的不断更新，旧版本文档中的一些笔误得到了修正，同时文档内容更丰富，仿真程序更完善。 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.doczj.com/doc/1111897699.html, 完成时间 2016-02-28
1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热，平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者从事的工作是软件开发，工作内容跟机器人无关，但不妨碍研究机器人运动学及动力学，因为机器人运动学及动力学用到的纯粹是数学和计算机编程知识，学过线性代数和计算机编程技术的人都能研究它。利用业余时间翻阅了机器人运动学相关资料后撰写此文，希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术文章。本文内容的正确性经过笔者编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 既然要研究机器人，那么首先要建立一个机械模型，本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍，图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系，一般教科书上都是以大地为XY平面，垂直于大地向上方向为Z轴，本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性，将以水平向右方向为X轴，垂直于大地向上方向为Y轴，背离机器人面向人眼的方向为Z轴，移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右方向为X轴，屏幕竖直向上方向为Y轴，垂直于屏幕向外为Z轴，之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂，底部灰色立方体示意机械臂底座，定义为关节1，它能绕图中Y轴旋转；青色长方体示意关节2，它能绕图中的Z1轴旋转；蓝色长方体示意关节3，它能绕图中的Z2轴旋转；绿色长方体示意关节4，它能绕图中的X3轴旋转；深灰色长方体示意关节5，它能绕图中的Z4轴旋转；末端浅灰色机构示意关节6即最终要控制的机械手，机器人代替人的工作就是通过这只手完成的，它能绕图中的X5轴旋转。这儿采用关节这个词可能有点不够精确，先这么意会着理解吧。 3运动学分析 3.1齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一，关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述，这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号，关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0，当θ0=0时，O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0)；关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1，图中的θ1当前位置值为+90度；定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2，图中的θ2当前位置值为-90度；O2O3两点距离为x2，关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为0度；O3O4两点距离为x3，关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度；O4O5两点距离为x4，关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为0度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则,所有角度定义值均为本关节坐标系相对前一关节坐标系的相对旋转角度值（一些资料上将O4O5两点重合在一起即O4O5两点的距离x4退化为零，本文定义x4大于零使得讨论时更加不失一般性）。符号定义好了，接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 =cosθ0 s0 = sinθ0 //c0 R0 =[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0 s1 c1 0 0
编号 密级内部阶段标记 C 会签 校对 审核 批准六自由度运动平台 方案设计 名称
内容摘要： 针对YYPT项目在原理样机出现的问题，对YYPT原理样机从结构设计、伺服系统等方面进行优化设计，以满足设计及使用要求。 主 YYPT 优化 题 词 更改单号更改日期更改人更改办法 更 改 栏
1概述 YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 2.1 原理样机方案 2.1.1 组成 原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表2.1。 序号产品名称型号厂家数量备注 1 电动缸KH08XX（3）西安方元明 6 安装345厂电机 2 电阻尺LTS-V1-375 上海徳测 6 3 驱动器50A8 AMC 6 3 A/D卡PCI1716 研华 1 4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1 6 直流电源 1 2.1.2 结构方案 六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。
目标跟踪算法的分类
主要基于两种思路： a)不依赖于先验知识，直接从图像序列中检测到运动目标，并进行目标识别，最终跟踪感兴趣的运动目标； b)依赖于目标的先验知识，首先为运动目标建模，然后在图像序列中实时找到相匹配的运动目标。 一．运动目标检测 对于不依赖先验知识的目标跟踪来讲，运动检测是实现跟踪的第一步。运动检测即为从序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来。运动目标检测的算法依照目标与摄像机之间的关系可以分为静态背景下运动检测和动态背景下运动检测 （一）静态背景 1.背景差 2.帧差 3.GMM 4.光流 背景减算法可以对背景的光照变化、噪声干扰以及周期性运动等进行建模，在各种不同情况下它都可以准确地检测出运动目标。因此对于固定
个关键技术： a)匹配法则，如最大相关、最小误差等 b)搜索方法，如三步搜索法、交叉搜索法等。 c) 块大小的确定，如分级、自适应等。 光流法 光流估计的方法都是基于以下假设：图像灰度分布的变化完全是目标或者场景的运动引起的，也就是说，目标与场景的灰度不随时间变化。这使得光流方法抗噪声能力较差，其应用范围一般局限于目标与场景的灰度保持不变这个假设条件下。另外，大多数的光流计算方法相当复杂，如果没有特别的硬件装置，其处理速度相当慢，达不到实时处理的要求。 二．目标跟踪 运动目标的跟踪，即通过目标的有效表达，在图像序列中寻找与目标模板最相似候选目标区位置的过程。简单说，就是在序列图像中为目标定位。运动目标的有效表达除了对运动目标建模外，目标跟踪中常用到的目标特性表达主要包括视觉特征 (图像边缘、轮廓、形状、纹理、区域)、统计特征 (直方图、各种矩特征)、变换系数特
基于openCV的动态背景下的运动目标检测 摘要：介绍在动态背景下对视频图像序列进行运动目标的检测，主要包括三个步骤，分别是运动估计，运动补偿和目标检测。在运动估计中采用的主要是基于特征点匹配算法。这种算法与传统的块匹配算法最大的好处在于它的数据量少，计算简单迅速而且图像的匹配可靠性更高。最后用计算机视觉类库openCV进行实现。 关键词：运动目标检测；openCV；特征点匹配 Moving Object Detection in the Dynamic Background Based on openCV Abstract：Introducing a moving object detection algorithm of the dynamic background in the video image sequence，which includes three steps. They are motion estimation, motion compensation and object detection. At the motion estimation, we take an algorithm based on the feature points matching. The advantages of this algorithm is that it needs fewer data and indicates faster calculating speed compared to the block matching algorithm. What’s more, the matching of the video image sequence is more reliable. Then used openCV realized the algorithm. Keywords: moving object detection; openCV; feature points matching 引言 在生活中摄像头可以说随处可见，我们经常需要对视频中的运动目标进行相关操作，这就设涉及到了对运动目标的检测及跟踪。作为视觉领域的一部分，它不仅对我们的生活，在军事，医学等各种领域里都有着广泛的影响。 所谓运动目标的检测就是在一段序列图像中检测出变化区域，并将运动目标从背景图像中提取出来[2]，它是基础，能否正确的检测与分割出运动目标对后续的工作有着巨大的影响。常见的运动目标检测方法有：背景差分法，帧差法，累积差分法，光流法。本文主要介绍的是一种在动态背景下对运动目标进行检测的算法。 检测算法介绍 检测算法有很多种，不同的算法有他们各自的利与弊。背景差分法：是事先将背景图像存储下来，再与观测图像进行差分运算，实现对运动区域的检测。这种方法能得到较为完整的运动目标信息，但背景图像必须随着外部条件比如光照等的变化而不断更新，所以背景模型的获取和更新比较麻烦。帧差法：直接比较相邻两帧图像对应像点的灰度值的不同，然后通过阈值来提取序列图像中的运动区域[2]。这种方法更新速度快，算法简单易实现，适应性强，不需要获取背景图像。但是背景与运动目标间需要有一定程度的灰度差，否则可能在目标内部产生空洞，不能完整的提取出运动目标。为了改进相邻两帧间的差分效果，人们提出了累积差分法。累积差分法是利用三帧图像计算两个差分图像，再令其对应像素相乘的算法。它通过分析整个图像序列的变化来检测小位移或缓慢运动的物体。光流法是在时间上连续的两幅图想中，用向量来表示移动前后的对应点，在适当平滑性约束的条件下，根据图像序列的时空梯度估计运动场，通过分析运动场的变化对运动目标和场景进行检测和分割。 上面的几种算法都是基于静态背景下的方法，下面主要介绍动态背景下运动目标的检测。 因为生活中我们在很多情况下背景图像都不是静态的，有时摄像机都是安装在一个运动
大黄蜂机器人六自由度摇摆台 大黄蜂机器人有限公司的六自由度平台系统由采用Stewart机构的六自由度运动平台、计算机控制系统、驱动系统等组成。六自由度运动平台（如下图）的下平台安装在地面上，上 平台为运动平台，它由六只电动缸支承，运动平台与电动缸采用六个虎克铰连接，电动缸与固定基座采用六个虎克铰连接，六只电动缸采用伺服电机驱动的电动缸。计算机控制系统通过协调控制电动缸的行程，实现运动平台的六个自由度的运动，即笛卡尔坐标系内的三个平移运动和绕三个坐标轴的转动。
各主要部分简述如下： 本设备主要由以下部分组成：运动上平台、下平台（基座）、电动缸及伺服 电机、驱动器系统、综合控制及监测系统。 各自功能如下： 上平台：是有效载荷的安装基面，提供六自由度的摇摆运动。 下平台：是六自由度摇摆台的安装基面，需要承受足够大的冲击力。 电动缸及伺服电机：通过控制电动缸活塞杆的行程，实现运动平台台体的六自由度运动，共6套。 驱动器系统：接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速和转角进行控制，达到控制电动缸活塞杆出速度和行程的目的，共6套。 综合控制监测系统：硬件为用户计算机，软件为研制方配合开发；同时，它 还对平台的运动过程进行监测，预防和处理系统的异常情况。
平台总体运动能力指标如上表，具体表述如下： a.平台定位精度及重复定位精度为0.5mm及0.1mm； b.平台转动精度及重复转动精度为0.1°及0.05°； c.行程回差小于0.2mm； d.平台X方向运动速度可从0mm/s到250mm/s连续变化；YZ方向运动 速度可从0mm/s到250mm/s连续变化； e.单支杆可承受轴向力不小于700N； f.单支杆的运动速度可从0m/s到250mm/s连续变化； g.平台中位位置固有频率：不小于40Hz； h.机械组件需具有开放性，可拆卸组装； i.机械设计安全系数不小于 2.0，驱动裕度不小于 3.0； j.额定载荷下，全行程往复工作寿命不小于1×104次，存储寿命不小于48月；
物体在空间具有六个自由度，即沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。因此，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度。 六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。 空间运动的目标是实现平台在空间运动的三个姿态角度和三个平动位移，即俯仰、滚转、偏航、上下垂直运动、前后平移和左右平移，及六个姿态的复合运动姿态。而空间目标是通过六个液压缸的行程实现的，这就需要一个空间的运动模型完成空间运动的转换，假设空间运动的目标俯仰、滚转、偏航、上下垂直位移、前后平移和左右平移用α，β，γ，X，Y，Z表示，六个油缸的行程用 L(i), (i＝1、2、3、4、5、6)表示。整个运动模型如下： L（i）＝TT（α，β，γ，X，Y，Z） 其中，TT是一个空间转换矩阵模型。由此实时算出每一运动时刻液压油缸的行程。液压油缸的理论行程再通过D/A接口的转换，给出实际行程值。 多自由度运动控制 多自由度控制系统中，自由度最多为六自由度，并且六自由度运动控制难度最大，设备及系统最复杂，下面主要介绍我公司设计、生产的六自由度运动台。 六自由度运动平台是由六支直线伺服电动缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只伺服电动缸）执行器）的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出
六轴联动机械臂运动学求解分析 第一讲 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.doczj.com/doc/1111897699.html,
1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热，平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者工作主要从事软件开发跟机器人毫无关系，利用业余时间研究整理机器人技术相关的文章，希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术资料。本系列文章的所有文字、图片及相关资料均为原创，内容正确性经过笔者亲自编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 2.1坐标系 既然要研究机器人，那么首先要建立一个机械模型，本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍，图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系，一般教科书上都是以大地为XY平面，垂直于大地向上方向为Z轴，本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性，将以水平向右方向为X轴，垂直于大地向上方向为Y轴，背离机器人面向人眼的方向为Z轴，移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右为X轴，屏幕水平向上为Y轴，垂直于屏幕向外为Z轴，之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂，灰色立方体为机械臂底座，定义为关节1，它能绕图中Y轴旋转；青色为关节2，它能绕图中的Z1轴旋转；蓝色为关节3，它能绕图中的Z2轴旋转；绿色为关节4，它能绕图中的X3轴旋转；红色为关节5，它能绕图中的Z4轴旋转；黄色为关节6，它能绕图中的X5轴旋转。 2.2齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一，关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述，这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号，关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0，当θ0=0时，O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0)；关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1，图中的θ1当前位置值为+90度；定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2，图中的θ2当前位置值为-90度；O2O3两点距离为x2，关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为-60度；O3O4两点距离为x3，关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度；O4O5两点距离为x4，关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为+60度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则。符号定义好了，接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 cosθ0 s0 = sinθ0 = //c0 R0=[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0
XXXX大学 《智能机器人》结课论文 移动机器人对运动目标的检测跟踪方法 学院（系）： 专业班级： 学生学号： 学生姓名： 成绩：
目录 摘要 (1) 0、引言 (1) 1、运动目标检测方法 (1) 1．1 运动目标图像HSI差值模型 (1) 1.2 运动目标的自适应分割与提取 (2) 2 运动目标的预测跟踪控制 (3) 2．1 运动目标的定位 (3) 2．2 运动目标的运动轨迹估计 (4) 2．3 移动机器人运动控制策略 (6) 3 结束语 (6) 参考文献 (7)
一种移动机器人对运动目标的检测跟踪方法 摘要：从序列图像中有效地自动提取运动目标区域和跟踪运动目标是自主机器人运动控制的研究热点之一。给出了连续图像帧差分和二次帧差分改进的图像HIS 差分模型，采用自适应运动目标区域检测、自适应阴影部分分割和噪声消除算法，对无背景图像条件下自动提取运动目标区域。定义了一些运动目标的特征分析和计算 ，通过特征匹配识别所需跟踪目标的区域。采用 Kalrnan 预报器对运动目标状态的一步预测估计和两步增量式跟踪算法，能快速平滑地实现移动机器人对运动目标的跟踪驱动控制。实验结果表明该方法有效。 关键词：改进的HIS 差分模型；Kahnan 滤波器；增量式跟踪控制策略。 0、引言 运动目标检测和跟踪是机器人研究应用及智能视频监控中的重要关键技术 ，一直是备受关注的研究热点之一。在运动目标检测算法中常用方法有光流场法和图像差分法。由于光流场法的计算量大，不适合于实时性的要求。对背景图像的帧问差分法对环境变化有较强的适应性和运算简单方便的特点，但帧问差分不能提出完整的运动目标，且场景中会出现大量噪声，如光线的强弱、运动目标的阴影等。 为此文中对移动机器人的运动目标检测和跟踪中的一些关键技术进行了研究，通过对传统帧间差分的改进，引入 HSI 差值模型、图像序列的连续差分运算、自适应分割算法、自适应阴影部分分割算法和图像形态学方法消除噪声斑点，在无背景图像条件下自动提取运动 目标区域。采用 Kalman 滤波器对跟踪目标的运动轨迹进行预测，建立移动机器人跟踪运动 目标的两步增量式跟踪控制策略，实现对目标的准确检测和平滑跟踪控制。实验结果表明该算法有效。 1、运动目标检测方法 接近人跟对颜色感知的色调、饱和度和亮度属性 (H ，S ，I )模型更适合于图像识别处理。因此，文中引入改进 型 HSI 帧差模型。 1．1 运动目标图像HSI 差值模型 设移动机器人在某一位置采得的连续三帧图像序列 ()y x k ,f 1-，()y x f k ,，()y x f k ,1+
运动目标图像的识别与跟踪 本文主要目的是将视频摄像头中的运动目标从背景中提取出来，并加以跟踪。首先考虑的是常见的目标检测的算法，其次考虑对于噪声的滤除，最后是对运动目标的跟踪。 一、基本目标检测算法 我们主要考虑的目标检测的算法主要有三种，光流场法、背景模型法以及时域差分法。 1.1光流场法 光流主要是图像亮度模式的表现运动。而光流场则是指灰度模式的表面运动。一般条件下，我们可以根据图像的运动，进行估算相对运动。 光流场法的基本理论是光流场基本方程： 0=++t y x I vI uI (1.1) 式中我们根据亮度守恒，利用泰勒公式展开，忽略高阶项与二次项。其中x I 、y I 和t I 是图像在对数轴x 、y 两个方向和t 的的导数，()v u ,就是这个点的光流坐标。 光流场法的目标检测，在摄像机运动时候也可以做出判断，但是图像的噪声太过明显，使得计算数据庞杂，计算的公式更加复杂，这样并不适合我们的对于目标跟踪的高精度的摄像系统。 1.2背景模型法 背景模型法，也被称为背景差法，主要利用当前的图像和背景的图像的二值化做差，然后取阈值，分割运动目标。 首先根据： ()()()y x b y x f y x D t t t ,,,-= (1.2) 我们可以得到当前的图像帧数()y x f t ,和背景图像的帧数),(y x b t 做差，然后以公式对图像进行二值化的处理。 ???≤>=)(,0)(,1),(BackGround T D ForeGround T D y x P t t t (1.3) 上面),(y x P t 是二值化模板图。假设某一区域大于一个给定的面积的时候，该区域就是我们要找的目标区域。 背景模型法的算法简单，可以快速反应，并且可以提供运动目标的大略特征等数据。但是对于复杂背景下，比如人流较大的公共场所，或者有光照等干扰时，就需以其他的算法以不断更新背景信息来进行弥补。
第**卷第**期20**年*月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vo l.** No.* *** 20** DOI：10.3901/JME.20**.**.*** 六自由度机械手的坐标建立及运动学分析 摘要：从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆 运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。 因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。 最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。 关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄 The coordinates of six degrees of freedom manipulator and kinematics analysis is established WU Yanchao JIN Yuanxun ZHAO Xin LI Daohai SONG Ping MENG Ya ABSTRACT：T his article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists. So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct. The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming. key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates， Equations of motion，Simulation， Demonstration handle
六自由度运动平台设计 方案 1概述 YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 2.1 原理样机方案 2.1.1 组成 原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表2.1。 序号产品名称型号厂家数量备注 1 电动缸KH08XX（3）西安方元明 6 安装345厂电机 2 电阻尺LTS-V1-375 上海徳测 6 3 驱动器50A8 AMC 6 3 A/D卡PCI1716 研华 1 4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1
6 直流电源 1 2.1.2 结构方案 六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X ，Y ，Z ，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。 图1 六自由度平台外形图 a ）球笼联轴器（如图2所示） 采用球笼铰链与上平面连接。球笼铰链结构简单、体积小、运转灵活、易于维护。 初选球笼铰链型号BJB （JB/T6139-1992），公称转矩Tn=2000N/m ，工作角度40度，外径D=68mm ，轴孔选用圆柱孔d=24mm ，总长度L1=148mm ，转动惯量为0.00008kg.m 2，重量5kg 。 球笼联轴器 电动缸 虎克铰链 上动平台 下静平台
本科毕业论文
(科研训练,毕业设计)
题
目: opencv 的运动目标检测
姓 学
名:汤超 院:信息科学与技术学院 系:电子工程系
专 年 学
业:电子信息工程 级:2005 号:22220055204057 职称:教授
指导教师(校内) :杨涛
2009 年
5 月
25 日
厦门大学电子工程系 2005 级本科毕业论文 -
基于 opencv 的运动目标检测和跟踪
摘要
Opencv(Open Source Computer Vision Library)是一种用于数字图像处理和计算机视 觉的函数库,由 Intel 微处理器研究实验室(Intel's MicroprocessorResearch Lab)的视 觉交互组(The Visual Interaetivity Group)开发.采用的开发语言是 C++,可以在 window: 系统及 Linux 系统下使用,该函数库是开放源代码的,能够从 Intel 公司的网站免费下载 得到.opencv 提供了针对各种形式的图像和视频源文件(如:bitmap 图像,video 文件和实 时摄像机)的帧提取函数和很多标准的图像处理算法,这些函数都可以直接用在具体的视频 程序开发项目中. 针对在背景中检测出运动目标并实施警戒等特定提示,本文利用 opencv 的运动物体 检测的数据结构,函数以及基本框架,建立了一个由人机交互界面模式.实施对物体的检 测.该方面在安防方面已经很受重视.相信在不久的将来将会成为一种监督秩序的方式.
关键字 视频,运动目标检测,帧差分
2. 六自由度搬运机械手的结构设计 根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。 2.1 六自由度搬运机械手的功能分析 该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。 该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪 部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。 通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！ 2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度 2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式 按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。 （1）直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机 械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方
基于六自由度机械臂运动学问题的仿真研究 【摘要】以六自由度工业机器人——MOTOMAN-HP6 机器人为研究对象，简单介绍了机器人运动学的数学基础。根据机器人的相关参数，建立了机器人运动学模型及相关坐标系，对机器人的正运动学及逆运动学问题进行了研究。采用MATLAB 开发工具建立系统界面，编制了相关程序，结合实例对机器人的直线、圆弧及自由曲线轨迹的生成进行了仿真，完成了系统设计。为后续实习用工业机器人离线编程系统的开发打下了基础。 【关键词】六自由度;机械臂运动学 Abstract：This thesis takes MOTOMAN-HP6 robot as the research object，introduces the mathematical foundation of the robot kinematics briefly.According to the related parameters of the robot，the kinematics model and the relevant coordinate of the robot are built，the kinematics and inverse kinematics problem is studied.The system interface based on MATLAB is built and the related program is compiled.The straight and curve motion of the robot are simulated with instances and the system design is completed.For the design of the off- line programming system of the practice industrial robot laid the foundation. Key word：Industrial robots;Inverse kinematics analysis;System simulation;Free curve;MOTOMAN 1.引言 在工业机器人的应用中，系统仿真技术起到了很重要的作用。仿真技术是在近几十年来基于计算机技术、控制技术等发展起来的一门综合性技术[9]。随着计算机技术的发展和普及，系统仿真技术的应用范围也越来越广，基本包括了人们生活、生产的各个领域。而在工业机器人的应用中，仿真技术的重要性体现的也相当的明显。 本文以目前应用较广泛的六自由度工业机器人——MOTOMAN-HP6 机器人为研究对象，采用MATLAB开发工具建立机器人的运动学模型及相关的坐标系，对机器人的正运动及逆运动学的相关算法进行了研究，并对几种不同的求解方法进行了对比，接着分析了直线、圆弧及自由曲线轨迹的生成相关算法，特别是对自由曲线的轨迹生成算法的关键技术进行了研究。 2.机械臂结构 从图1中可以看出，机器人各个关节的尺寸关系以及中心点的坐标值及机座坐标原点的位置等。在机器人的各个连杆上固接一个坐标系，研究这些坐标系之间的关系，就可以研究机器人各连杆之间的关系（见表1）。
六自由度运动平台的仿真研究 天津工程机械研究院 杨永立 摘要：本文分析了六自由度运动平台分别采用球铰链和万向节铰链进行连接时的自由度，运用欧拉角、旋转变换的方法推导出位置反解方程，介绍了数值迭代法进行位置正解的过程。 关键词：并联，局部自由度，位置反解，位置正解。 1. 简介 运动平台按结构形式可分为串联和并联两大类。与串联形式相比，并联形式具有刚度大、承载能力强、结构简单、运动负荷小、能实现包括横移、纵移、升沉等多个自由度运动等特点。同时，串联形式的优点也很明显，其具有运动空间大，测量精度高，运动、受力分析相对简单、控制、测量的实现相对容易，且每个自由度都能独立运动等特点。 六自由度运动平台（如图1所示）是由六条油缸通过万向节铰链（或球铰链）将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条油缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X， Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以 模拟出各种空间运动姿态。 2. 自由度的确定 若在三维空间有n个完全不受约束 的物体，任选其中一个作为固定参照物， 因每个物体相对参照物都有6个运动自 由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1) 个运动自由度。若在所有物体之间用运 动副联接起来组成机构，设第i个运动副 的约束为u i（1到5之间的整数），如果 运动副的总数为g，则机构的自由度M为：
∑=--=g i i u n M 1)1(6 利用上述公式计算一下如图1所示运动平台(采用球铰链)的自由度数。将油缸分解为缸筒和活塞杆，则总的构件数n=14，油缸与上下平台之间的连接为12个球铰链（约束为3），缸筒和活塞杆构成6个既可以相对移动，又可以相对转动的运动副（约束为4），则平台的自由度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(3×12＋4×6)=18 计算结果出人意料，平台似乎无法只通过六条油缸进行驱动。但是，如果保持上平台和缸筒固定不动，由球铰链的特性可知，活塞杆仍然可以相对其轴线转动；同理，缸筒也具有同样的效应。实践证明，这种转动并不影响上平台的空间运动姿态，因此属于局部自由度。 在六自由度运动平台的实际设计中，由于球铰链 的刚度差，结构不稳定，所以一般采用万向节铰链（如 图2所示，约束为4）来代替图1中的球铰链，则自由 度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(4×12＋4×6)=6 3. 六自由度运动平台空间姿态的解算 要实现对平台空间姿态的控制和测量，必须掌握它两个方向上的解算方法，即位置反解和位置正解。 3.1 位置反解（逆向解）： 已知输出件的位置和姿态，求解输入件的位置称为机构的位置反解。在运动平台的实际应用当中，用户所给定的一般都是平台的六个空间姿态参数X ，Y ，Z ，α，β，γ，然而要实现对平台的控制，需要的是六条油缸的长度L 1、L 2…L 6，这正好是已知输出求输入，属于位置反解。也就是说，要实现对平台空间姿态的控制，就必需推导出平台的位置反解方程。 如图1所示，在上平台建立动坐标系o-xyz ，在下平台建立静坐标系O-XYZ ， 图2 万向节铰链