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分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 基于视觉的机械臂控制技术研究 硕士研究生 ： 刘晓坤 指 导 教 师 ： 孟 浩 教授 学科、专业 ： 控制理论与控制工程 论文主审人 ： 朱齐丹 教授 哈尔滨工程大学 2013 年 01 月 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 基于视觉的机械臂控制技术研究 硕 士 研 究 生硕 士 研 究 生 ：刘晓坤 指 导 教 师指 导 教 师 ：孟 浩 教授 学 位 级 别学 位 级 别 ：工学硕士 学 科 、 专 业学 科 、 专 业 ：控制理论与控制工程 所 在 单 位所 在 单 位 ：自动化学院 论文提交日期论文提交日期 ：2013 年 1 月 7 日 论文答辩日期论文答辩日期 ：2013 年 3 月 9 日 学位授予单位学位授予单位 ：哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng Researches on the control technology of manipulator based on computer vision Candidate: Liu Xiaokun Supervisor: Prof. Meng Hao Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Control Theory and Engineering Date of Submission: January , 2013 Date of Oral Examination: March , 2013 University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者（签字） ： 日期： 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学涉密学位论文待解密后适用本声明 本论文（□在授予学位后即可 □在授予学位12个月后 □解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等 作者（签字） ： 导师（签字） ： 日期： 年 月 日 年 月 日 基于视觉的机械臂控制技术研究 摘 要 随着科技的飞速发展，人类对机器的智能化程度要求也越来越高。

机器人作为迄今为止人工智能程度最高的科技产品代表，一直是科研工作者们的研究热点机器人学科涉及的领域十分广泛，诸如机械结构学，传感器技术，计算机科学与技术，电子电路技术，控制工程学，材料学等等本文主要以工厂的智能化生产需求为前提，介绍了当前机器人技术的发展研究现状以及今后的发展趋势，以机器人技术应用的发展趋势为主导，展开了基于视觉的机械臂控制技术的研究、设计工作 首先，在本文开始以六自由度机械臂为对象，论述了基于视觉的机械臂控制系统的总体系统框架及该控制系统设计初期应达到的预期目标并针对框架中的视觉图像采集系统、上位机、机械臂运动控制系统三大部分进行研究 然后， 给出了在理想模型下摄像机的成像基本原理， 并对摄像机标定方法进行研究，特别对经典的 Tsai 两步法、以及张正友的平面模版标定方法进行了细致的分析，同时针对 Tsai 的两步法，提出了一种改进迭代的计算方法，提高了标定方法计算的精确度同时在实验环节以 VC++6.0 和 OpenCV 为开发工具，根据张正友的平面模版法计算出了双目立体相机的内参及外参矩阵，并将此实验结果与 Matlab 视觉工具箱的标定结果进行了对比分析 其次，在进行完相机的标定后，针对机械臂的运动学进行了理论分析，研究了机械臂数学建模的基础理论， 利用 D-H 方法建立了机械臂的运动学模型， 着重用代数法推导并求解了机械臂的正运动学方程和逆运动学方程，得到了机械臂逆运动学方程的解析解，并且实验验证了求解结果的正确性。

再次，对目标物体识别及定位的技术方法进行了细致的研究包括图像的预处理，图像分割，特征提取，立体匹配、三维坐标求取等技术方法并且在上述工作的基础上推导了三维坐标的计算方法，继而利用相关实验验证了该方法的准确性 最后，结合软件开发工作和硬件设备，设计了基于双目视觉的机械臂抓取实验，实验取得了预期的效果，证明了机械臂逆解求解的正确性和目标定位方法的有效性，并对论文的工作进行了最后的总结，并对将来的工作提出了一些建议 关键词： 立体视觉；机械臂；标定；定位；控制 基于视觉的机械臂控制技术研究 Abstract With the rapid development of science and technology，people put forward higher requirement about the intelligent of the machine. Standing for the most successful product in the field of the artificial intelligence，robot has been a hot spot of the research of scientific research workers. Robotics involved in a wide range of field, for example, mechanism, sensor technology, computer science, integrated electronic circuit technology, control engineering, materials science. This paper mainly is in the base of the factory production of intelligence, also introduces the development of robot technology and the future development trend. Based on the trend of robot technology development, the paper launched a vision-based robotic arm control technology research and design. Firstly, in the beginning of the paper the object of this dissertation which is the manipulator of six degrees of freedom is presented, also the overall system framework about the manipulator control technology based on visual and the expected goal of control system at the early stage is showed. And the introduction about the visual image acquisition system, host computer and the control system of the manipulator in the frame is broadly launched. Then the paper discusses the basic principle of imaging camera in the ideal model and some methods of camera calibration. Especially the camera calibration methods of Tsai and Z Zhang are deeply studied and the paper presents an improved iteration computing method about Tsai which improves the calibration accuracy. At the same time the internal parameter matrix and the external parameter matrix of the stereo cameras are calculated using the Visual C++ and OpenCV according to the method of Z Zhang, and the results in the experiment are compared with the results calculated by the Matlab visual tools. Then, after the calibration of the stereo cameras, the basic mathematic theory of the manipulator model is introduced. At the base of these theories the motility model of the manipulator is built using the method of D-H through which the kinematics solution and anti-solution of manipulator is gotten using the method of algebra. Then an experiment is designed to prove the solution true. After that, the paper shows the methods of the target object recognition and the technology of three-dimensional location carefully, including the image prepr。