雙目立體視覺裝置的設(shè)計(jì)完整版新

雙目立體視覺裝置的設(shè)計(jì)摘要隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，立體視覺傳感器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是雙目視覺傳感器以結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)被成功地用于工業(yè)檢測(cè)、物體識(shí)別、工件定位、機(jī)器人自導(dǎo)引、航天及軍事等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)一種4自由度的視覺裝置，該裝置由4個(gè)動(dòng)力分機(jī)構(gòu)組成，即由四個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。分別模擬人的脖子和眼睛的運(yùn)動(dòng)，保證攝像機(jī)完成對(duì)目標(biāo)物體的捕捉，通過有關(guān)算法確定目標(biāo)物體的位置和姿態(tài)，該裝置的動(dòng)力分別由四個(gè)步進(jìn)電機(jī)提供，充分利用PCL893方便地實(shí)現(xiàn)各種控制功能。本設(shè)計(jì)主要研究雙目立體視覺裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)！關(guān)鍵詞：視覺裝置；自由度；齒輪傳動(dòng)ABSTRACTAlongwiththecontinuousdevelopmentofthevisiontechniqueofcomputer,visionsensorofstereoisusedmoreandmorewidely,especiallythevisionsensorof“TWOEYES"isusedsuccessfullyinmanyfieldssuchastheidentifyofobject,thefixingpostofparts,aerospace,militaryaffairsandsoon,becauseithasmanystrongpoints,suchassimplestructure,convenient,maintenance,quick-witted,highprecision,etc.Theliterarycompositiongivesinformationaboutakindofvisualsensedevicewithfordegreeoffreedom.Thisdeviceismadeoffourmechanismswithmotiveforce,whichareswivelingmechanisms.,thenthepickupcameracancompletetheactionsmoothlywhichistocatchtheobjective,afterthatusingtherelatedalgorithmitcanbedefinedthatwhereandhowtheobjectiveis.Themotiveforceoftheinstallationisprovidedbyfourelectricmotorsworkingbystep.ItmakesfulluseofPCL839inordertorealizeallkindsoffunction.Keywords：visualsensedevice；degreeoffreedom；geartransmission引言人類有80%以上的信息是通過視覺得到的，讓計(jì)算機(jī)或機(jī)器人具有視覺,是人類多年來的夢(mèng)想。如在機(jī)器人手上加上一個(gè)攝像頭構(gòu)成的手眼系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人加上攝像頭進(jìn)行定位，可以使工業(yè)應(yīng)用更加精細(xì)。機(jī)器視覺可以代替人類的視覺從事檢驗(yàn)、目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)向等方面的工作，特別是在那些需要重復(fù)、迅速的從圖象處理、模式識(shí)別、人工智能等方面。特別是在自動(dòng)生產(chǎn)線上代替人工從事單調(diào)的產(chǎn)品檢驗(yàn)工作，可以達(dá)到快速、準(zhǔn)確的效果。至于仿真機(jī)器人，視覺更是必不可少。視覺還廣泛應(yīng)用在制造業(yè)、遙控操作、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域?？梢娨曈X是機(jī)器人得以自主的先決條件。目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要?1\o"CurrentDocument"引言?3\o"CurrentDocument"第一章雙目立體視覺的概念及應(yīng)用S1.1雙目立體視覺的概念51.2機(jī)器視覺的特點(diǎn)-51.3機(jī)器視覺的應(yīng)用S1.3.1機(jī)器視覺在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀51.3.2機(jī)器視覺在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀61.4立體視覺的發(fā)展方向61.5中國機(jī)器視覺未來的發(fā)展趨勢(shì)-71.6國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)兮1.6.1國外研究動(dòng)態(tài)91.6.2國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)10\o"CurrentDocument"第二章雙目立體視覺的技術(shù)特點(diǎn)112.1圖像獲取?122.2攝像機(jī)的標(biāo)定?122.3特征點(diǎn)提取?122.4立體匹配?132.5三維重建?13\o"CurrentDocument"第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?133.1總體方案設(shè)計(jì)?133.2雙目立體視覺裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)153.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)17第四章渦輪蝸桿的設(shè)計(jì)174.1渦輪蝸桿的用途174.2基本參數(shù)174.3蝸桿傳動(dòng)變位的特點(diǎn)194.4普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算214.5蝸輪蝸桿正確嚙合的條件224.6幾何尺寸計(jì)算與圓柱齒輪基本相同，需注意的幾個(gè)問題224.7蝸輪及蝸桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)23第五章本設(shè)計(jì)中三副渦輪蝸桿的尺寸計(jì)算以及軸承的選擇235.1渦輪蝸桿的尺寸計(jì)算235.1.1上面兩個(gè)渦輪蝸桿235.1.2中間的蝸輪蝸桿255.1.3底部的蝸輪蝸桿265.2軸承的選擇。8第六章步進(jìn)電機(jī)的選擇及應(yīng)用?30\o"CurrentDocument"結(jié)論W2\o"CurrentDocument"謝詞?33\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)34第一章雙目立體視覺的概念及意義1.1雙目立體視覺的概念立體視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。雙目立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要分支！即由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景！通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差！獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，80年代麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的Marr提出了一種視覺計(jì)算理論并應(yīng)用在雙眼匹配上！使兩張有視差的平面圖產(chǎn)生有深度的立體圖形！奠定了雙目立體視覺發(fā)展的理論基礎(chǔ)。相比其他類的體視方法！如透鏡板三維成像，三維顯示，全息照相術(shù)等！雙目體視直接模擬人類雙眼處理景物的方式可靠簡便！在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價(jià)值！如微操作系統(tǒng)的位姿檢測(cè)與控制機(jī)器人導(dǎo)航與航測(cè)，三維測(cè)量學(xué)及虛擬現(xiàn)實(shí)等。1.2機(jī)器視覺的特點(diǎn)機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。在中國，這種應(yīng)用也在逐漸被認(rèn)知，且?guī)碜钪苯拥姆磻?yīng)就是國內(nèi)對(duì)于機(jī)器視覺的需求將越來越多。1.3機(jī)器視覺的應(yīng)用1.3.1機(jī)器視覺在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀在國外，機(jī)器視覺的應(yīng)用普及主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%-50%都集中在半導(dǎo)體行業(yè)。具體如PCB印刷電路：各類生產(chǎn)印刷電路板組裝技術(shù)、設(shè)備；單、雙面、多層線路板，覆銅板及所需的材料及輔料；輔助設(shè)施以及耗材、油墨、藥水藥劑、配件；電子封裝技術(shù)與設(shè)備；絲網(wǎng)印刷設(shè)備及絲網(wǎng)周邊材料等。SMT表面貼裝：SMT工藝與設(shè)備、焊接設(shè)備、測(cè)試儀器、返修設(shè)備及各種輔助工具及配件、SMT材料、貼片劑、膠粘劑、焊劑、焊料及防氧化油、焊膏、清洗劑等；再流焊機(jī)、波峰焊機(jī)及自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備。電子生產(chǎn)加工設(shè)備：電子元件制造設(shè)備、半導(dǎo)體及集成電路制造設(shè)備、元器件成型設(shè)備、電子工模具。機(jī)器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測(cè)的各個(gè)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且其產(chǎn)品在應(yīng)用中占據(jù)著舉足輕重的地位。除此之外，機(jī)器視覺還用于其他各個(gè)領(lǐng)域。1.3.2機(jī)器視覺在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀在中國，以上行業(yè)本身就屬于新興的領(lǐng)域，再加之機(jī)器視覺產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，導(dǎo)致以上各行業(yè)的應(yīng)用幾乎空白，即便是有，也只是低端方面的應(yīng)用。目前在我國隨著配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對(duì)采用圖像和機(jī)器視覺技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求開始廣泛出現(xiàn)，國內(nèi)有關(guān)大專院校、研究所和企業(yè)近兩年在圖像和機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了積極思索和大膽的嘗試，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。其主要應(yīng)用于制藥、印刷、礦泉水瓶蓋檢測(cè)等領(lǐng)域。這些應(yīng)用大多集中在如藥品檢測(cè)分裝、印刷色彩檢測(cè)等。真正高端的應(yīng)用還很少，因此，以上相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用空間還比較大。當(dāng)然、其他領(lǐng)域如指紋檢測(cè)等等領(lǐng)域也有著很好的發(fā)展空間。1.4立體視覺的發(fā)展方向就雙目立體視覺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，要構(gòu)造出類似于人眼的通用雙目立體視覺系統(tǒng)，還有很長的路要走，進(jìn)一步的研究方向可歸納如下：如何建立更有效的雙目立體視覺模型，能更充分地反映立體視覺不去確定性的本質(zhì)屬性，為匹配提供更多的約束信息，降低立體匹配的難度。探索新的適用于全面立體視覺的計(jì)算理論和匹配擇有效的匹配準(zhǔn)則和算法結(jié)構(gòu)，以解決存在灰度失真，幾何畸變(透視，旋轉(zhuǎn)，縮放等)，噪聲干擾，特殊結(jié)構(gòu)(平坦區(qū)域，重復(fù)相似結(jié)構(gòu)等)，及遮掩景物的匹配問題；算法向并行化發(fā)展，提高速度，減少運(yùn)算量，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性；強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景與任務(wù)的約束，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，建立有目的的面向任務(wù)的雙目立體視覺系統(tǒng)。雙目立體視覺這一有著廣闊應(yīng)用前景的學(xué)科，隨著光學(xué)，電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將不斷進(jìn)步，逐漸實(shí)用化，不僅將成為工業(yè)檢測(cè)，生物醫(yī)學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。目前在國外，雙目立體視覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，生活中，而我國正處于初始階段，尚需要廣大科技工作者共同努力，為其發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在機(jī)器視覺賴以普及發(fā)展的諸多因素中，有技術(shù)層面的，也有商業(yè)層面的，但制造業(yè)的需求是決定性的。制造業(yè)的發(fā)展，帶來了對(duì)機(jī)器視覺需求的提升;也決定了機(jī)器視覺將由過去單純的采集、分析、傳遞數(shù)據(jù)，判斷動(dòng)作，逐漸朝著開放性的方向發(fā)展，這一趨勢(shì)也預(yù)示著機(jī)器視覺將與自動(dòng)化更進(jìn)一步的融合。需求決定產(chǎn)品，只有滿足需求的產(chǎn)品才有生存的空間，這是不變的規(guī)律,機(jī)器視覺也是如此。1.5中國機(jī)器視覺未來的發(fā)展趨勢(shì)在機(jī)器視覺賴以普及發(fā)展的諸多因素中，有技術(shù)層面的，也有商業(yè)層面的，但制造業(yè)的需求是決定性的。制造業(yè)的發(fā)展，帶來了對(duì)機(jī)器視覺需求的提升；也決定了機(jī)器視覺將由過去單純的采集、分析、傳遞數(shù)據(jù)，判斷動(dòng)作，逐漸朝著開放性的方向發(fā)展，這一趨勢(shì)也預(yù)示著機(jī)器視覺將與自動(dòng)化更進(jìn)一步的融合。需求決定產(chǎn)品，只有滿足需求的產(chǎn)品才有生存的空間，這是不變的規(guī)律。機(jī)器視覺也是如此。未來，中國機(jī)器視覺發(fā)展主要表現(xiàn)為以下一些特性：隨著產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展對(duì)機(jī)器視覺的需求將呈上升趨勢(shì)機(jī)器視覺發(fā)展空間較大的部分在半導(dǎo)體和電子行業(yè)，而據(jù)我國相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球集成電路產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇跡象明顯；與此同時(shí)，全球經(jīng)濟(jì)衰退使我國集成電路產(chǎn)業(yè)獲取了市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)、人才回流等優(yōu)勢(shì)；國家加大對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)這一戰(zhàn)略領(lǐng)域的規(guī)劃力度，''信息化帶動(dòng)工業(yè)化〃，走''新興工業(yè)化道路〃為集成電路產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，特別是高端產(chǎn)品和創(chuàng)新產(chǎn)品市場(chǎng)空間巨大，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、國家戰(zhàn)略領(lǐng)域、3C應(yīng)用領(lǐng)域、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)類應(yīng)用領(lǐng)域成為集成電路產(chǎn)業(yè)未來幾年的重點(diǎn)投資領(lǐng)域。此外，中國已成為全球集成電路的一個(gè)重要需求市場(chǎng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2002年我國集成電路市場(chǎng)需求規(guī)模為1135.5億元人民幣，占世界市場(chǎng)規(guī)模的9.76%。2002年中國集成電路市場(chǎng)總銷量為283.2億塊，總銷售額為1135.5億元，同比增長26.2%。中國已成為近年來世界半導(dǎo)體投資的熱點(diǎn)。在全國許多地區(qū)，特別是長江三角洲地區(qū)，都有新的IC制造線和封裝測(cè)試線投資興建，IC設(shè)計(jì)公司的數(shù)量每年成倍增長。在產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)下，上海、北京、天津和深圳等地出現(xiàn)投資IC的好勢(shì)頭：天津Motorola投資15億美元，月投2.5萬片的8英寸芯片生產(chǎn)線和上海中芯國際投資14億美元，月投8英寸芯片硅片4.2萬片的項(xiàng)目已經(jīng)投入運(yùn)行。凌外，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)最新調(diào)研數(shù)據(jù)表明，2000年6月到2002年8月兩年間，中國IC產(chǎn)業(yè)的投資總額約300億元，相當(dāng)于過去40年的投資總和。全國IC設(shè)計(jì)單位數(shù)量兩年之間翻兩番，已激增到389家，收入過億元的達(dá)7?8家；專業(yè)測(cè)試公司已有10家左右，我國的IC測(cè)試業(yè)初具雛形。就以上數(shù)據(jù)顯示，中國的半導(dǎo)體和電子市場(chǎng)已初具規(guī)模，而如此強(qiáng)大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將需要高質(zhì)量的技術(shù)做后盾。同時(shí)他對(duì)于產(chǎn)品的高質(zhì)量、高集成度的要求將越來越高。恰巧，機(jī)器視覺將能幫助他們解決以上的問題，因此該行業(yè)將是機(jī)器視覺最好的用武之地。同時(shí)，對(duì)于機(jī)器視覺的需求將蒸蒸日上。統(tǒng)一開放的標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)器視覺發(fā)展的原動(dòng)力目前國內(nèi)有近數(shù)家機(jī)器視覺產(chǎn)品廠商，與國外機(jī)器視覺產(chǎn)品相比，國內(nèi)產(chǎn)品最大的差距并不單純是在技術(shù)上，而且還包括品牌和知識(shí)產(chǎn)權(quán)上。另一現(xiàn)狀是目前國內(nèi)的機(jī)器視覺產(chǎn)品主要以代理國外品牌為主，以此來逐漸朝著自主研發(fā)產(chǎn)品的路線靠近，起步較晚。未來，機(jī)器視覺產(chǎn)品的好壞不能夠通過單一因素來衡量，應(yīng)該逐漸按照國際化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)判定，隨著中國自動(dòng)化的逐漸開放，將帶領(lǐng)與其相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)也逐漸開放。因此，依靠封閉的技術(shù)難以促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，只有形成統(tǒng)一而開放的標(biāo)準(zhǔn)才能讓更多的廠商在相同的平臺(tái)上開發(fā)產(chǎn)品，這也是促進(jìn)中國機(jī)器視覺朝國際化水平發(fā)展的原動(dòng)力。（3）基于嵌入式的產(chǎn)品將取代板卡式產(chǎn)品從產(chǎn)品本身看，機(jī)器視覺會(huì)越來越趨于依靠PC技術(shù)，并且與數(shù)據(jù)采集等其他控制和測(cè)量的集成會(huì)更緊密。且基于嵌入式的產(chǎn)品將逐漸取代板卡式產(chǎn)品，這是一個(gè)不斷增長的趨勢(shì)。主要原因是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是其具備低功耗技術(shù)的特點(diǎn)得到人們的重視。另外，嵌入式操作系統(tǒng)絕大部分是以C語言為基礎(chǔ)的，因此使用C高級(jí)語言進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)帶有基礎(chǔ)性的工作，使用高級(jí)語言的優(yōu)點(diǎn)是可以提高工作效率，縮短開發(fā)周期，更主要的是開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性高、可維護(hù)性好、便于不斷完善和升級(jí)換代等。因此，嵌入式產(chǎn)品將會(huì)取代板卡式產(chǎn)品。（4）標(biāo)準(zhǔn)化、一體化解決方案也將是機(jī)器視覺的必經(jīng)之路另外，由于機(jī)器視覺是自動(dòng)化的一部分，沒有自動(dòng)化就不會(huì)有機(jī)器視覺，機(jī)器視覺軟硬件產(chǎn)品正逐漸成為協(xié)作生產(chǎn)制造過程中不同階段的核心系統(tǒng)，無論是用戶還是硬件供應(yīng)商都將機(jī)器視覺產(chǎn)品作為生產(chǎn)線上信息收集的工具，這就要求機(jī)器視覺產(chǎn)品大量采用''標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)〃，直觀的說就是要隨著自動(dòng)化的開放而逐漸開放，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行二次開發(fā)。當(dāng)今，自動(dòng)化企業(yè)正在倡導(dǎo)軟硬一體化解決方案，機(jī)器視覺的廠商在未來5-6年內(nèi)也應(yīng)該不單純是只提供產(chǎn)品的供應(yīng)商，而是逐漸向一體化解決方案的系統(tǒng)集成商邁進(jìn)。在未來的幾年內(nèi)，隨著中國加工制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)于機(jī)器視覺的需求也逐漸增多；隨著機(jī)器視覺產(chǎn)品的增多，技術(shù)的提高，國內(nèi)機(jī)器視覺的應(yīng)用狀況將由初期的低端轉(zhuǎn)向高端。由于機(jī)器視覺的介入，自動(dòng)化將朝著更智能、更快速的方向發(fā)展。另外，由于用戶的需求是多樣化的，且要求程度也不相同。那么，個(gè)性化方案和服務(wù)在競(jìng)爭(zhēng)中將日益重要，即用特殊定制的產(chǎn)品來代替標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品也是機(jī)器視覺未來發(fā)展的一個(gè)取向。機(jī)器視覺的應(yīng)用也將進(jìn)一步促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)向智能化發(fā)展。1.6國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)1.6.1國外研究動(dòng)態(tài)雙目體視目前主要應(yīng)用于四個(gè)領(lǐng)域:機(jī)器人導(dǎo)航、微操作系統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)、三維測(cè)量和虛擬現(xiàn)實(shí)。日本大阪大學(xué)自適應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)研究院研制了一種自適應(yīng)雙目視覺伺服系統(tǒng)，利用雙目體視的原理，如每幅圖像中相對(duì)靜止的三個(gè)標(biāo)志為參考，實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)圖像的雅可比短陣，從而預(yù)測(cè)出目標(biāo)下一步運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)方式未知的目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤。該系統(tǒng)僅要求兩幅圖像中都有靜止的參考標(biāo)志，無需攝像機(jī)參數(shù)。而傳統(tǒng)的視覺跟蹤伺服系統(tǒng)需事先知道攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)、光學(xué)等參數(shù)和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方式。日本奈良科技大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院提出了一種基于雙目立體視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（AR）注冊(cè)方法，通過動(dòng)態(tài)修正特征點(diǎn)的位置提高注冊(cè)精度。該系統(tǒng)將單攝像機(jī)注冊(cè)（MR）與立體視覺注冊(cè)（SR）相結(jié)合，利用MR和三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)算出特征點(diǎn)在每個(gè)圖像上的二維坐標(biāo)和誤差，利用SR和圖像對(duì)計(jì)算出特征點(diǎn)的三維位置總誤差，反復(fù)修正特征點(diǎn)在圖像對(duì)上的二維坐標(biāo)，直至三維總誤差小于某個(gè)閾值。該方法比僅使用MR或SR方法大大提高了AR系統(tǒng)注冊(cè)深度和精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2,白板上三角開的三頂點(diǎn)被作為單攝像機(jī)標(biāo)定的特征點(diǎn)，三個(gè)三角形上的模型為虛擬場(chǎng)景，烏龜是真實(shí)場(chǎng)景，可見基本上難以區(qū)分出虛擬場(chǎng)景（恐龍）和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景（烏龜）。日本東京大學(xué)將實(shí)時(shí)雙目立體視覺和機(jī)器人整體姿態(tài)信息集成，開發(fā)了仿真機(jī)器人動(dòng)態(tài)行長導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分兩個(gè)步驟：首先，利用平面分割算法分離所拍攝圖像對(duì)中的地面與障礙物，再結(jié)合機(jī)器人身體姿態(tài)的信息，將圖像從攝像機(jī)的二維平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到描述軀體姿態(tài)的世界坐標(biāo)系，建立機(jī)器人周圍區(qū)域的地圖；基次根據(jù)實(shí)時(shí)建立的地圖進(jìn)行障礙物檢測(cè)，從而確定機(jī)器人的行走方向。日本岡山大學(xué)使用立體顯微鏡、兩個(gè)CCD攝像頭、微操作器等研制了使用立體顯微鏡控制微操作器的視覺反饋系統(tǒng)，用于對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操作，對(duì)鐘子進(jìn)行基因注射和微裝配等。麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了一種新的用于智能交通工具的傳感器融合方式，由雷達(dá)系統(tǒng)提供目標(biāo)深度的大致范圍，利用雙目立體視覺提供粗略的目標(biāo)深度信息，結(jié)合改進(jìn)的圖像分割算法，能夠在高速環(huán)境下對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)位置進(jìn)行分割，而傳統(tǒng)的目標(biāo)分割算法難以在高速實(shí)時(shí)環(huán)境中得到令人滿意的結(jié)果，系統(tǒng)框圖如圖3。華盛頓大學(xué)與微軟公司合作為火星衛(wèi)星“探測(cè)者”號(hào)研制了寬基線立體視覺系統(tǒng)，使“探測(cè)者”號(hào)能夠在火星上對(duì)其即將跨越的幾千米內(nèi)的地形進(jìn)行精確的定位玫導(dǎo)航。系統(tǒng)使用同一個(gè)攝像機(jī)在“探測(cè)者”的不同位置上拍攝圖像對(duì)，拍攝間距越大，基線越寬，能觀測(cè)到越遠(yuǎn)的地貌。系統(tǒng)采用非線性優(yōu)化得到兩次拍攝圖像時(shí)攝像機(jī)的相對(duì)準(zhǔn)確的位置，利用魯棒性強(qiáng)的最大似然概率法結(jié)合高效的立體搜索進(jìn)行圖像匹配，得到亞像素精度的視差，并根據(jù)此視差計(jì)算圖像對(duì)中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。相比傳統(tǒng)的體視系統(tǒng)，能夠更精確地繪制“探測(cè)者”號(hào)周圍的地貌和以更高的精度觀測(cè)到更遠(yuǎn)的地形。1.6.2國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)浙江大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)完全利用透視成像原理，采用雙目體視方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多自由度機(jī)械裝置的動(dòng)態(tài)、精確位姿檢測(cè)，僅需從兩幅對(duì)應(yīng)圖像中抽取必要的特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，信息量少，處理速度快，尤其適于動(dòng)態(tài)情況。與手眼系統(tǒng)相比，被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)對(duì)攝像機(jī)沒有影響，且不需知道被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)先驗(yàn)知識(shí)和限制條件，有利于提高檢測(cè)精度。東南大學(xué)電子工程系基于雙目立體視覺，提出了一種灰度相關(guān)多峰值視差絕對(duì)值極小化立體匹配新方法，可對(duì)三維不規(guī)則物體（偏轉(zhuǎn)線圈）的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行非接觸精密測(cè)量。哈工大采用異構(gòu)雙目活動(dòng)視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航。將一個(gè)固定攝像機(jī)和一個(gè)可以水平旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)，分別安裝在機(jī)器人的頂部和中下部，可以同時(shí)監(jiān)視不同方位視點(diǎn)，體現(xiàn)出比人類視覺優(yōu)越的一面。通過合理的資源分配及協(xié)調(diào)機(jī)制，使機(jī)器人在視野范圍、測(cè)跟精度及處理速度方面達(dá)到最佳匹配。雙目協(xié)調(diào)技術(shù)可使機(jī)器人同時(shí)捕捉多個(gè)有效目標(biāo)，觀測(cè)相遇目標(biāo)時(shí)通過數(shù)據(jù)融合，也可提高測(cè)量精度。在實(shí)際比賽中其他傳感器失效的情況下，僅僅依靠雙目協(xié)調(diào)仍然可以實(shí)現(xiàn)全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航。火星863計(jì)劃課題“人體三維尺寸的非接觸測(cè)量”，采用“雙視點(diǎn)投影光柵三維測(cè)量”原理，由雙攝像機(jī)獲取圖像對(duì)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，不僅可以獲取服裝設(shè)計(jì)所需的特征尺寸，還可根據(jù)需要獲取人體圖像上任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。該系統(tǒng)已通過中國人民解放軍總后勤部軍需部鑒定?？蛇_(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：數(shù)據(jù)采集時(shí)間小于5s/人；提供身高、胸圍、腰圍、臀圍等圍度的測(cè)量精度不低于1.0cm。第二章雙目立體視覺的技術(shù)特點(diǎn)：雙目立體視覺技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下步驟：圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配和三維重建，下面依次介紹各個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)特點(diǎn)。2.1圖像獲取雙目體視的圖像獲取是由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景，獲取立體圖像對(duì)。其針孔模型如圖1。假定攝像機(jī)C1與C2的角距和內(nèi)部參數(shù)都相等，兩攝像機(jī)的光軸互相平行，二維成像平面X1O1Y1和X2O2Y2重合，P1與P2分別是空間點(diǎn)P在C1與C2上的成像點(diǎn)。但一般情況下，針孔模型兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)不可能完成相同，攝像機(jī)安裝時(shí)無法看到光軸和成像平面，故實(shí)際中難以應(yīng)用。-一*夠骨孔推囤?，上海交大在理論上對(duì)會(huì)聚式雙目體視系統(tǒng)的測(cè)量精度與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系作了詳盡分析，并通過試驗(yàn)指出，對(duì)某一特定點(diǎn)進(jìn)行三角測(cè)量。該點(diǎn)測(cè)量誤差與兩CCD光軸夾角是一復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系；若兩攝像頭光軸夾角一定，則被測(cè)坐標(biāo)與攝像頭坐標(biāo)系之間距離越大，測(cè)量得到點(diǎn)距離的誤差就越大。在滿足測(cè)量范圍的前提下，應(yīng)選擇兩CCD之間夾角在50°C?80°C之間。2.2攝像機(jī)的標(biāo)定對(duì)雙目體視而言，CCD攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)物理世界進(jìn)行重建前的基本測(cè)量工具，對(duì)它們的標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)立體視覺基本而又關(guān)鍵的一步。通常先采用單攝像機(jī)的標(biāo)定方法，分別得到兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù);再通過同一世界坐標(biāo)中的一組定標(biāo)點(diǎn)來建立兩個(gè)攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。目前常用的單攝像機(jī)標(biāo)定方法主要有：（1）攝影測(cè)量學(xué)的傳統(tǒng)設(shè)備標(biāo)定法。利用至少17個(gè)參數(shù)描述攝像機(jī)與三維物體空間的結(jié)束關(guān)系，計(jì)算量非常大。（2）直接線性變換性。涉及的參數(shù)少、便于計(jì)算。（3）透視變換短陣法。從透視變換的角度來建立攝像機(jī)的成像模型，無需初始值，可進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。（4）相機(jī)標(biāo)定的兩步法。首先采用透視短陣變換的方法求解線性系統(tǒng)的攝像機(jī)參數(shù)，再以求得的參數(shù)為初始值，考慮畸變因素，利用最優(yōu)化方法求得非線性解，標(biāo)定精度較高。（5）雙平面標(biāo)定法。在雙攝像機(jī)標(biāo)定中，需要精確的外部參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)配置很難準(zhǔn)確，兩個(gè)攝像機(jī)的距離和視角受到限制，一般都需要至少6個(gè)以上（建議取10個(gè)以上）的已知世界坐標(biāo)點(diǎn)，才能得到比較滿意的參數(shù)矩陣，所以實(shí)際測(cè)量過程不但復(fù)雜，而且效果并不一定理想，大大地限制了其應(yīng)用范圍。此外雙攝像機(jī)標(biāo)定還需考慮鏡頭的非線性校正、測(cè)量范圍和精度的問題，目前戶外的應(yīng)用還有少。上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙目立體視覺攝像機(jī)標(biāo)定方法。首先對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行線性標(biāo)定，然后通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練建立起三維空間點(diǎn)位置補(bǔ)償?shù)亩鄬忧梆伾窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。此方法對(duì)雙目立體視覺攝像機(jī)的標(biāo)定具有較好的通用性，但是精確測(cè)量控制點(diǎn)的世界坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)是一項(xiàng)嚴(yán)格的工作。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練樣本集的獲得非常困難。2.3特征點(diǎn)提取立體像對(duì)中需要撮的特征點(diǎn)應(yīng)滿足以下要求:與傳感器類型及抽取特征所用技術(shù)等相適應(yīng)；具有足夠的魯棒性和一致性。需要說明的是：在進(jìn)行特征點(diǎn)像的坐標(biāo)提取前，需對(duì)獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)樵趫D像獲取過程中，存在一系列的噪聲源，通過此處理可顯著改進(jìn)圖像質(zhì)量，使圖像中特征點(diǎn)更加突出。2.4立體匹配立體匹配是雙目體視中最關(guān)系、困難的一步。與普通的圖像配準(zhǔn)不同，立體像對(duì)之間的差異是由攝像時(shí)觀察點(diǎn)的不同引起的，而不是由其它如景物本身的變化、運(yùn)動(dòng)所引起的。根據(jù)匹配基元的不同，立體匹配可分為區(qū)域匹配、特征匹配和相位匹配三大類。區(qū)域匹配算法的實(shí)質(zhì)是利用局部窗口之間灰度信息的相關(guān)程度，它在變化平緩且細(xì)節(jié)豐富的地方可以達(dá)到較高的精度。但該算法的匹配窗大小難以選擇，通常借助于窗口形狀技術(shù)來改善視差不連續(xù)處的匹配；其次是計(jì)算量大、速度慢，采取由粗至精分級(jí)匹配策略能大大減少搜索空間的大小，與匹配窗大小無關(guān)的互相關(guān)運(yùn)算能顯著提高運(yùn)算速度。特片匹配不直接依賴于灰度，具有較強(qiáng)的抗干擾性，計(jì)算量小，速度快。但也同樣存一些不足：特征在圖像中的稀疏性決定特征匹配只能得到稀疏的視差場(chǎng)；特征的撮和定位過程直接影響匹配結(jié)果的精確度。改善辦法是將特征匹配的魯棒性和區(qū)域匹配的致密性充分結(jié)合，利用對(duì)高頻噪聲不敏感的模型來提取和定位特征。相位匹配是近二十年才發(fā)展起來的一類匹配算法。相位作為匹配基元，本身反映信號(hào)的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)圖像的高頻噪聲有很好的抑制作用，適于并行處理，能獲得亞像素級(jí)精度的致密視差。但存在相位奇點(diǎn)和相位卷繞的問題，需加入自適應(yīng)濾波器解決。2.5三維重建在得到空間任一點(diǎn)在兩個(gè)圖像中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)和兩攝像機(jī)參數(shù)矩陣的條件下，即可進(jìn)行空間點(diǎn)的重建。通過建立以該點(diǎn)的世界坐標(biāo)為未知數(shù)的4個(gè)線性方程，可以用最小二乘法求解得該點(diǎn)的世界坐標(biāo)。實(shí)際重建通常采用外極線結(jié)束法?？臻g瞇、兩攝像機(jī)的光心這三點(diǎn)組成的平面分別與兩個(gè)成像平面的交線稱為該空間點(diǎn)在這兩個(gè)成像平面中的極線。一旦兩攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)確定，就可通過兩個(gè)成像平面上的極線的約束關(guān)系建立對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的關(guān)系，并由此聯(lián)立方程，求得圖像點(diǎn)的世界坐標(biāo)值。對(duì)圖像的全像素的三維重建目前僅能針對(duì)某一具體目標(biāo)，計(jì)算量大且效果不明顯。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1總體方案設(shè)計(jì)為了完成攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)物體的定位，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械平臺(tái)，根據(jù)具體任務(wù)的不同，視覺的自由度和鏡頭的配置均有所不同。自由度的設(shè)置：對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來說，在需要測(cè)量深度信息的情況下，需要采用兩個(gè)攝像頭，且兩個(gè)攝像頭之間的夾角可以調(diào)整，因此需要兩個(gè)可控的自由度。為了模仿人眼和頭部的功能，擴(kuò)大視覺系統(tǒng)的視野，本裝置采用四個(gè)自由度，兩眼各一個(gè)，脖子兩個(gè)。從仿生的角度講，自由度一般為旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)自由度比較靈活，反應(yīng)快。攝像頭間距：兩個(gè)攝像頭之間的間距越大，則目標(biāo)在兩個(gè)攝像頭上

的視覺越大。有利于求取深度。如果太大了，則整個(gè)頭部的體積太大，且慣性也大，為了使頭部緊湊，一般取人的雙目之間距離大大小，本裝置取為100mm。把視覺系統(tǒng)引入機(jī)器人操作的過程中，可以大大提高機(jī)器人的操作特性，在機(jī)器人完成任務(wù)的過程中，具有更大的適應(yīng)性，使得通常只能操作空間靜止物體發(fā)展到可以跟蹤運(yùn)動(dòng)物體。機(jī)器人視覺系統(tǒng)可以識(shí)別工作環(huán)境中的景物，確定工作空間中目標(biāo)物體的位置和姿態(tài)以及物體的運(yùn)動(dòng)速度等。根據(jù)確定對(duì)象的不同，可采用主動(dòng)立體視覺系統(tǒng)或被動(dòng)立體視覺系統(tǒng)，被動(dòng)立體視覺系統(tǒng)中的雙目視覺系統(tǒng)一般采用雙CCD攝像機(jī)構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。下圖為操作臂的控制系統(tǒng)框圖，其中雙目CCD攝像機(jī)，圖像采集卡和目標(biāo)物體的位姿算法用于確定目標(biāo)物體在空間的位置和姿態(tài)，從而構(gòu)成圖像伺服閉環(huán)控制。?蘿融I工控機(jī)胃到寄和S8s/(s^gTdA3?蘿融I工控機(jī)胃到寄和S8s/(s^gTdA為了實(shí)現(xiàn)圖像伺服閉環(huán)控制，首先設(shè)計(jì)了用于安裝雙目CCD攝像機(jī)的視覺裝置。該視覺裝置具有四個(gè)自由度。分別為饒系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)，俯仰兩個(gè)自由度和分別控制攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的2個(gè)自由度。(裝配簡圖如圖2)(1)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)視覺裝置安裝在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的腰身頂部，由57BYGH803步進(jìn)電機(jī)1經(jīng)過一級(jí)蝸輪15蝸桿2減速，驅(qū)動(dòng)軸14繞回轉(zhuǎn)軸線帶動(dòng)攝像機(jī)7、8轉(zhuǎn)動(dòng)，其目的是增大機(jī)器人在水平面內(nèi)的視覺范圍。（2）系統(tǒng)仰俯運(yùn)動(dòng)。由42BYGH101步進(jìn)電機(jī)13經(jīng)過一級(jí)蝸輪3蝸桿12減速，驅(qū)動(dòng)軸4繞回轉(zhuǎn)軸線帶動(dòng)攝像機(jī)7、8轉(zhuǎn)動(dòng)，目的在于增大機(jī)器人在垂直平面內(nèi)的視覺范圍。由于機(jī)器人在抓持或裝置物體時(shí)，物體的高度有可能相差很大，所以要求機(jī)器人的視覺系統(tǒng)具有仰俯功能，以便增加機(jī)器人的操作靈活性。根據(jù)雙目立體視覺定位原理，為了精確定位空間物體，利用雙攝像機(jī)可定位視覺范圍內(nèi)的任一空間點(diǎn)，但定位空間物體時(shí)，如果物體的方位選擇不好就會(huì)存在較大的成像誤差，通過對(duì)圓柱軸的成像研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空間圓柱軸與攝像機(jī)光軸組成平面相交時(shí)，定位圓柱軸的軸線與光軸平面的交點(diǎn)精度最高，計(jì)算機(jī)最簡單。而要確定圓柱軸軸線空間位置，必須定位軸線上的兩點(diǎn)，這就要求俯仰兩攝像機(jī)。（3）攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)35BYG005步進(jìn)電機(jī)9經(jīng)過一級(jí)蝸輪6、10蝸桿5、11減速，驅(qū)動(dòng)軸繞回轉(zhuǎn)軸線帶動(dòng)攝像機(jī)7、8轉(zhuǎn)動(dòng)，目的在于調(diào)整攝像機(jī)兩光軸的交點(diǎn)，使其交點(diǎn)落在目標(biāo)物體上。這有調(diào)節(jié)是必須的，因?yàn)閿z像機(jī)鏡頭存在畸變，總體來說鏡頭邊緣畸變較大，鏡頭中心附近的畸變較小，希望物體成像在鏡頭中心附近。當(dāng)定位較遠(yuǎn)處物體時(shí)，可以將兩光軸的夾角調(diào)小，使得被定位物體靠近兩光軸的交點(diǎn)；當(dāng)定位近處物體時(shí)，將兩光軸的夾角調(diào)大，同樣使得被定位物體靠近兩光軸的交點(diǎn)。設(shè)計(jì)該自由度的目的是為了減少攝像機(jī)的成像誤差。對(duì)CCD面陣攝像機(jī)而言，Y方向的比例系數(shù)即CCD面陣上相臨兩行感光電荷的距離由硬件制造廠給出，而X方向的比例系數(shù)即CCD面陣每一行上相臨兩個(gè)感光電荷的距離是受實(shí)序及采樣的影響，將是不確定的。這些感光點(diǎn)被稱為像素點(diǎn)，它們之間存在間隙。由于像平面上間隙的存在，物體在成像時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差，例如物體邊緣正好成像在像素點(diǎn)上，從而消除成像誤差。圖24自由度雙目立體視覺結(jié)構(gòu)裝置簡圖3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3。它采用雙目BP330型CCD攝像機(jī)布置在同一平面內(nèi)來獲取目標(biāo)的邊界，通過METEOR2/4圖像采集卡完成圖像的采集.由于此卡只有一個(gè)RGB通道,而我們只需黑白圖像，所以將兩只CCD攝像機(jī)分別接在該通道的R,G上,通過同步電路實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的同步采集。然后通過目標(biāo)位姿算法及操作臂規(guī)劃算法得到相應(yīng)的角度，這一角度與操作臂的起始角度比較，得到電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，將電機(jī)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成按一定控制規(guī)律變化的電壓，作為控制操作臂的期望值。隨著控制電壓的輸入，在驅(qū)動(dòng)放大后，使得操作臂繞相應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度通過磁性編碼器檢測(cè)，經(jīng)由DSP組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，與期望值進(jìn)行比較。若存在電壓差，電機(jī)根據(jù)相應(yīng)的電壓值正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；若為0，說明該關(guān)節(jié)已轉(zhuǎn)至期望的位置。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作負(fù)載情況，通過計(jì)算，確定腕關(guān)節(jié)和視覺系統(tǒng)采用35BY48BH10永磁式步進(jìn)電機(jī)，肘關(guān)節(jié)采用42BYGH101混合式步進(jìn)電機(jī)；肩關(guān)節(jié)及行走機(jī)構(gòu)選用57BYGH803步進(jìn)電機(jī)；永磁式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用35BY步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用42BY，57BY步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)卡選用PCL-839三軸智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡。該卡的三個(gè)PCL-AK智能芯片可以控制各種動(dòng)作，可以通過板卡上的I/O寄存器對(duì)每軸進(jìn)行控制。第四章渦輪蝸桿的設(shè)計(jì)4.1渦輪蝸桿的用途：蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)常用來傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸輪與蝸桿在其中間平面內(nèi)相當(dāng)于齒輪與齒條，蝸桿又與螺桿形狀相似的設(shè)計(jì)。4.2基本參數(shù)：（1）模數(shù)m和壓力角a：通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面，稱為中間平面，在中間平面內(nèi)，蝸輪與蝸桿的嚙合就相當(dāng)于齒輪與齒條的嚙合。因此，規(guī)定在中間平面內(nèi)的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，為保證蝸桿蝸輪傳動(dòng)的正確嚙合，蝸桿的軸向模數(shù)ma1和壓力角aa1應(yīng)分別相等于蝸輪的端面模數(shù)mt2和壓力角at2，即ma1=mt2=maa1=at2蝸桿軸向壓力角與法向壓力角的關(guān)系為：tgaa=tgan/cosY式中：Y-導(dǎo)程角。（2）蝸桿的分度圓直徑d1和直徑系數(shù)q為了保證蝸桿與蝸輪的正確嚙合，要用與蝸桿尺寸相同的蝸桿滾刀來加工蝸輪。由于相同的模數(shù)，可以有許多不同的蝸桿直徑，這樣就造成要配備很多的蝸輪滾刀，以適應(yīng)不同的蝸桿直徑。顯然，這樣很不經(jīng)濟(jì)。為了減少蝸輪滾刀的個(gè)數(shù)和便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化，就對(duì)每一標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)量的蝸桿分度圓直徑d1，而把分度圓直徑和模數(shù)的比稱為蝸桿直徑系數(shù)q，即：q=d1/m（3）蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2蝸桿頭數(shù)可根據(jù)要求的傳動(dòng)比和效率來選擇，一般取z1=1-10，推薦z1=1，2，4，6。選擇的原則是：當(dāng)要求傳動(dòng)比較大，或要求傳遞大的轉(zhuǎn)矩時(shí)，則z1取小值；要求傳動(dòng)自鎖時(shí)取z1=1；要求具有高的傳動(dòng)效率，或高速傳動(dòng)時(shí)，則Z1取較大值。蝸輪齒數(shù)的多少，影響運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，并受到兩個(gè)限制：最少齒數(shù)應(yīng)避免發(fā)生根切與干涉，理論上應(yīng)使z2min>17，但z2V26時(shí)，嚙合區(qū)顯著減小，影響平穩(wěn)性，而在z2>30時(shí)，則可始終保持有兩對(duì)齒以上嚙合，因之通常規(guī)定z2>28。另一方面z2也不能過多，當(dāng)z2>80時(shí)(對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng))，蝸輪直徑將增大過多，在結(jié)構(gòu)上相應(yīng)就須增大蝸桿兩支承點(diǎn)間的跨距，影響蝸桿軸的剛度和嚙合精度；對(duì)一定直徑的蝸輪，如z2取得過多，模數(shù)m就減小甚多，將影響輪齒的彎曲強(qiáng)度；故對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，常用的范圍為z2=28-70。對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，z2可達(dá)200、300，甚至可到1000。z1和z2的推薦值見下表i=Z2/Z1Z1Z2~5629—317—15429—6114—30229—6129—82129—82(4)導(dǎo)程角y蝸桿的形成原理與螺旋相同，所以蝸桿軸向齒距pa與蝸桿導(dǎo)程pz的關(guān)系為pz=z1pa，由下圖可知：tanY=pz/nd1=z1pa/nd1=z1m/d1=z1/q式中pa蝸桿的軸向齒距，pa=nm,z1蝸桿頭數(shù)導(dǎo)程角Y的范圍為3.5°—33°。導(dǎo)程角的大小與效率有關(guān)。導(dǎo)程角大時(shí)，效率高，通常Y=15°-30°。并多采用多頭蝸桿。但導(dǎo)程角過大，蝸桿車削困難。導(dǎo)程角小時(shí)，效率低，但可以自鎖，通常Y=3.5°—4.5°對(duì)于普通蝸桿傳動(dòng)，除模數(shù)和壓力角應(yīng)分別相等外，桿的導(dǎo)程角Y應(yīng)等于蝸輪的螺旋角，且旋向相等。

5）傳動(dòng)比當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)一圈時(shí)，蝸輪將轉(zhuǎn)過Z1/Z2圈，蝸桿為主動(dòng)的減速運(yùn)動(dòng)中i=n1/n2=z2/z1=u式中：n1-蝸桿轉(zhuǎn)速；n2-蝸輪轉(zhuǎn)速。減速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)，通常取5<u<70，優(yōu)先采用15<u<50；增速傳動(dòng)5<u<15。4.3蝸桿傳動(dòng)變位的特點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)變位標(biāo)準(zhǔn)

正變位負(fù)變位變位蝸桿傳動(dòng)根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，可在下述兩種變位方式中選取一種。變位前后，蝸輪的齒數(shù)不變(z2'=z2),蝸桿傳動(dòng)的中心距改變(a學(xué)a),如圖下圖a、c所示，其中心距的計(jì)算式如下：a'=a+x2m=(d1+d2+2x2m)/2變位前后，蝸桿傳動(dòng)的中心距不變(a'=a),蝸輪齒數(shù)發(fā)生變化(z2Xz2),如圖下圖d、e所示，z2'計(jì)算如下：因a'=a貝°z；=z2-2x2蝸桿傳動(dòng)變位：

4.4普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算名稱符號(hào)計(jì)算公式基本參數(shù)齒數(shù)ZZ1按表確定，Z2=iXZ]模數(shù)m由強(qiáng)度計(jì)算確定壓力角aa=20°齒頂高系數(shù)ha*標(biāo)準(zhǔn)值ha*=1頂隙系數(shù)C*C*=0.2幾何尺寸齒頂高h(yuǎn)aha1=ha2=ha*Xm=m齒根高h(yuǎn)fhf1=hf2=(ha*+C*)m=1.2m齒高h(yuǎn)h=ha+hf=2.2m齒距PP=Px1=pt2=nm蝸桿分度圓直徑d1由強(qiáng)度計(jì)算確定，按表取標(biāo)準(zhǔn)值。

蝸桿齒頂圓直徑da1da1=d1+2ha1=d1+2m蝸桿齒根圓直徑df1df1=d1-2hf1=d1"2-4m蝸桿齒寬b1b1^2.5m(z2+1)1/2蝸輪分度圓直徑d2d2=mZ2蝸輪喉圓直徑da2da2=d2+2m蝸輪齒根圓直徑df2df2=d2-2.4m蝸輪外圓直徑de2de2^de2+m蝸輪齒寬b2b產(chǎn)0.7da1蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2Ra2=d]/2—m蝸輪齒根圓弧半徑Rf2Rf2=da1/2—m中心距aa=(d1+d2)/24.5蝸輪蝸桿正確嚙合的條件中間平面內(nèi)蝸桿與蝸輪的模數(shù)和壓力角分別相等，即蝸輪的端面模數(shù)等于蝸桿的軸面模數(shù)且為標(biāo)準(zhǔn)值;蝸輪的端面壓力角應(yīng)等于蝸桿的軸面壓力角且為標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)蝸輪蝸桿的交錯(cuò)角為時(shí)，還需保證，而且蝸輪與蝸桿螺旋線旋向必須相同。4.6需注意的幾個(gè)問題（1）蝸桿導(dǎo)程角（）是蝸桿分度圓柱上螺旋線的切線與蝸桿端面之間的夾角，與螺桿螺旋角的關(guān)系為，蝸輪的螺旋角，大則傳動(dòng)效率高，當(dāng)小于嚙合齒間當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)自鎖。（2）引入蝸桿直徑系數(shù)q是為了限制蝸輪滾刀的數(shù)目，使蝸桿分度圓直徑進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化m一定時(shí)，q大則大，蝸桿軸的剛度及強(qiáng)度相應(yīng)增大；一定時(shí)，q小則導(dǎo)程角增大，傳動(dòng)效率相應(yīng)提高。（3）蝸桿頭數(shù)推薦值為1、2、4、6,當(dāng)取小值時(shí)，其傳動(dòng)比大，且具有自鎖性；當(dāng)取大值時(shí)，傳動(dòng)效率高。（4）蝸桿蝸輪傳動(dòng)中蝸輪轉(zhuǎn)向的判定方法，可根據(jù)嚙合點(diǎn)K處方向、方向（平行于螺旋線的切線）及應(yīng)垂直于蝸輪軸線畫速度矢量三角形來判定；也可用“右旋蝸桿左手握，左旋蝸桿右手握，四指拇指”來判定。4.7蝸輪及蝸桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)（1）可以得到很大的傳動(dòng)比，比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比等于齒數(shù)比，蝸桿頭數(shù)一般為1~6,遠(yuǎn)小于蝸輪齒數(shù)，傳遞動(dòng)力時(shí)，單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)5~80，在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)到1000。（2）兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)（3）蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，為多齒嚙合傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音很小（4）具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿。如在其重機(jī)械中使用的自鎖蝸桿機(jī)構(gòu)，其反向自鎖性可起安全保護(hù)作用（5）傳動(dòng)效率較低蝸桿傳動(dòng)齒面磨損較嚴(yán)重。蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)時(shí)，嚙合輪齒間的相對(duì)滑動(dòng)速度大，故摩擦損耗大、效率低。另一方面，相對(duì)滑動(dòng)速度大使齒面磨損嚴(yán)重、發(fā)熱嚴(yán)重，為了散熱和減小磨損，常采用價(jià)格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置，因而成本較高（6）不能互換嚙合。由于蝸輪的輪齒呈圓弧形包圍蝸桿，故加工蝸輪的蝸輪滾刀參數(shù)與工作蝸桿的參數(shù)必須完全相同（包括滾刀的模數(shù)，壓力角，頭數(shù)，分度圓直徑及加工時(shí)的中心距等。）所以，僅模數(shù)，壓力角相同的蝸桿與蝸輪是不能任意互換嚙合的。第五章本設(shè)計(jì)中三副渦輪蝸桿的尺寸計(jì)算以及軸承的選擇5.1渦輪蝸桿的尺寸計(jì)算5.1.1上面兩個(gè)渦輪蝸桿：取蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿分度圓直徑d=20，傳動(dòng)比i=51，模數(shù)=1.6。則：

名稱代號(hào)計(jì)算關(guān)系式中心距aa=50蝸桿頭數(shù)ziz1=1蝸輪齒數(shù)Z2Z2=51齒形角aa=20。模數(shù)mm=1.6傳動(dòng)比ii=51齒數(shù)比uu=Z2/Z1=51蝸桿直徑系數(shù)qq=d1/m=20/1.6=12.5蝸桿軸向齒距Papa=nm=3.14X1.6=5.024蝸桿分度圓直徑d1d1=20蝸桿齒頂圓直徑da1da1=mX(q+2)=1.6X(12.5+2)=23.2蝸桿齒根圓直徑df1df1=mX(q-2.4)=1.6X(12.5-2.4)=16.16蝸桿齒頂高h(yuǎn)1alha1=mT.6蝸桿齒根高h(yuǎn)f1hf1=1.2m=1.2X1.6=1.92蝸桿齒高h(yuǎn)1h1=2.2m=2.2X1.6=3.52蝸桿齒寬b1b1=2.5m/(z2+1)1/2=2.5X1.6/(51+1)1/2=28.8蝸桿導(dǎo)程角rR=arctan(z1/q)=arctan(1/12.5)=4°34，26〃漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程PP=nmZ]=3.14X1.6X1=5.024

蝸輪分度圓直徑d2d2=mz2=1.6X51=81.6蝸輪齒頂圓直徑da2d2=mX(z2+2)=1.6X(51+2)=84.8蝸輪齒根圓直徑df2df2=m(z2-2.4)=1.6X(51-2.4)=77.76蝸輪齒頂圓弧半徑rg2r2=d1/2-m=20/2-1.6=8.4蝸輪齒寬b2b2=0.7da1=0.7X23.2=16.24中心距aa=m(q+z2)/2=1.6X(12.5+51)/2=50.85.1.2中間的蝸輪蝸桿取蝸桿頭數(shù)Z1=1,蝸桿分度圓直徑d=31.5，傳動(dòng)比i=53，模數(shù)=3.15。則名稱代號(hào)計(jì)算關(guān)系式蝸桿頭數(shù)z1z1=1蝸輪齒數(shù)z2z2=53齒形角aa=20。模數(shù)mm=3.15傳動(dòng)比ii=53齒數(shù)比uu=Z2/Z1=53蝸桿直徑系數(shù)qq=d1/m=31.5/3.15=10蝸桿軸向齒距Papa=nn=3.14X3.15=9.89蝸桿分度圓直徑d1d1=31.5蝸桿齒頂圓直徑da1da1=mX(q+2)=3.15X(10+2)=37.8蝸桿齒根圓直徑df1df1=mX(q-2.4)=3.15X

(10-2.4)=23.94蝸桿齒頂高h(yuǎn)1a1ha1=m=3.15蝸桿齒根高h(yuǎn)f1hfi=1.2m=1.2X3.15=3.78蝸桿齒高h(yuǎn)1hi=2.2m=2.2X3.15=6.93蝸桿齒寬b1b1=2.5m/(z2+1)1/2=2.5X3.15/(53+1)1/2=57.88蝸桿導(dǎo)程角rR=arctan(z1/q)=arctan(1/10)=5°42，38〃漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程PP=nm(=3.14X3.15X1=9.89蝸輪分度圓直徑d2d2=mz2=3.15X53=166.95蝸輪齒頂圓直徑da2d2=mX(z2+2)=3.15X(53+2)=173.25蝸輪齒根圓直徑df2df2=m(z2-2.4)=3.15X(53-2.4)=159.39蝸輪齒頂圓弧半徑rg2r2=d1/2-m=31.5/1.15-4=12.6蝸輪齒寬b2b2=0.7da1=0.7X37.8=26.46中心距aa=m(q+z2)/2=3.15X(10+53)/2=99.2255.1.3底部的蝸輪蝸桿取蝸桿頭數(shù)Z1=1,蝸桿分度圓直徑d=40,傳動(dòng)比i=51,模數(shù)=4。則名稱代號(hào)計(jì)算關(guān)系式蝸桿頭數(shù)z1z1=1蝸輪齒數(shù)z2z2=51齒形角aa=20。

模數(shù)mm=4傳動(dòng)比ii=51齒數(shù)比uu=Z2/Z1=51蝸桿直徑系數(shù)qq=d1/m=40/4=10蝸桿軸向齒距Papa=nm=3.14X4=12.56蝸桿分度圓直徑d1d1=40蝸桿齒頂圓直徑da1da1=mX(q+2)=4X(10+2)=48蝸桿齒根圓直徑df1df1=mX(q-2.4)=4X(10-2.4)=30.4蝸桿齒頂高h(yuǎn)1alha1=m=4蝸桿齒根高h(yuǎn)f1hf1=1.2m=1.2X4=4.8蝸桿齒高h(yuǎn)1h=2.2m=2.2X4=8.81蝸桿齒寬b1b1=2.5m/(z2+1)1/2=2.5X4/(51+1)1/2=72.11蝸桿導(dǎo)程角rR=arctan(z1/q)=arctan(1/10)=5°42，38〃漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程PP=nmz1=3.14X4X1=12.56蝸桿齒寬b1b1=2.5m/(z2+1)1/2蝸輪分度圓直徑d2d2=mz2=mX51=204蝸輪齒頂圓直徑da2d2=mX(z2+2)=4X(51+2)=212蝸輪齒根圓直徑df2df2=m(z2-2.4)=4X(51-2.4)=194.4蝸輪齒頂圓弧半徑rg2r2=d1/2-m=40/2-4=16蝸輪齒寬b2b2=0.7da1=0.7X48=33.6

中心距a=m(q+^2)/2=4X(10+51)/2=1225.2軸承的選擇滾動(dòng)軸承的構(gòu)造，類型和特點(diǎn)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)通常由外圈，內(nèi)圈，滾動(dòng)體，保持架組成。內(nèi)圈裝在軸承座孔內(nèi)，多數(shù)情況下內(nèi)圈與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈保持不動(dòng)。工作時(shí)，滾動(dòng)體在內(nèi)外圈間滾動(dòng)，保持架將滾動(dòng)體均勻地隔開，以減少滾動(dòng)體之間的摩擦和磨損。滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體采用強(qiáng)度高，耐磨性好的含銘合金鋼制造，保持架多用軟鋼沖壓而成，也有采用銅合金或塑料保持架。中心距滾動(dòng)軸承具有摩擦力小，啟動(dòng)靈敏，效率高，潤滑簡便，維護(hù)方便，并且已標(biāo)準(zhǔn)化，便于選用與更換，因此使用十分廣泛。滾動(dòng)軸承的類型及特點(diǎn)滾動(dòng)軸承中滾動(dòng)體與外圈接觸處的法線與垂直于軸承軸心線的徑向平面之間的夾角稱為滾動(dòng)體軸承的公稱接觸角。它是滾動(dòng)軸承的一個(gè)重要參數(shù)。按照滾動(dòng)體的形狀，滾動(dòng)軸承可分為球軸承和滾子軸承。而滾子又有圓柱滾子，鼓形滾子，圓錐滾子和滾針等。本設(shè)計(jì)中滾動(dòng)軸承的類型選擇本設(shè)計(jì)中蝸桿軸以及蝸輪軸均才用滾動(dòng)軸承(GB/T276-94)A.底部箱體處軸承:1A.底部箱體處軸承:1蝸桿處軸承：型號(hào)：6007GB/T276—94TOC\o"1-5"\h\z即d=35,D=62,B=142渦輪處軸承：型號(hào)：6008GB/T276—94即d=40,D=68,B=15中間箱體處軸承：1蝸桿處軸承：型號(hào)：6005GB/T276—94即d=25,D=47,B=122渦輪處軸承：型號(hào)：6008GB/T276—94即d=40,D=68,B=15上邊箱體處軸承：1蝸桿處軸承型號(hào)：6002GB/T276—94即d=15,D=32,B=92渦輪處軸承型號(hào)：6004GB/T276—94即d=20,D=42,B=12第六章步