双目立体视觉装置的设计完整版新

双目立体视觉装置的设计摘要随着计算机视觉技术的不断发展，立体视觉传感器得到了越来越广泛的应用，尤其是双目视觉传感器以结构简单、使用方便、速度快、精度高等优点被成功地用于工业检测、物体识别、工件定位、机器人自导引、航天及军事等领域。本文设计一种4自由度的视觉装置，该装置由4个动力分机构组成，即由四个旋转运动。分别模拟人的脖子和眼睛的运动，保证摄像机完成对目标物体的捕捉，通过有关算法确定目标物体的位置和姿态，该装置的动力分别由四个步进电机提供，充分利用PCL893方便地实现各种控制功能。本设计主要研究双目立体视觉装置的结构设计！关键词：视觉装置；自由度；齿轮传动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引言人类有80%以上的信息是通过视觉得到的，让计算机或机器人具有视觉,是人类多年来的梦想。如在机器人手上加上一个摄像头构成的手眼系统，移动机器人加上摄像头进行定位，可以使工业应用更加精细。机器视觉可以代替人类的视觉从事检验、目标跟踪、机器人导向等方面的工作，特别是在那些需要重复、迅速的从图象处理、模式识别、人工智能等方面。特别是在自动生产线上代替人工从事单调的产品检验工作，可以达到快速、准确的效果。至于仿真机器人，视觉更是必不可少。视觉还广泛应用在制造业、遥控操作、目标跟踪等领域。可见视觉是机器人得以自主的先决条件。目录TOC\o"1-5"\h\z摘要・1\o"CurrentDocument"引言・3\o"CurrentDocument"第一章双目立体视觉的概念及应用S1.1双目立体视觉的概念51.2机器视觉的特点-51.3机器视觉的应用S1.3.1机器视觉在国外的应用现状51.3.2机器视觉在国内的应用现状61.4立体视觉的发展方向61.5中国机器视觉未来的发展趋势-71.6国内外研究动态兮1.6.1国外研究动态91.6.2国内研究动态10\o"CurrentDocument"第二章双目立体视觉的技术特点112.1图像获取・122.2摄像机的标定・122.3特征点提取・122.4立体匹配・132.5三维重建・13\o"CurrentDocument"第三章结构设计・133.1总体方案设计・133.2双目立体视觉装置的结构设计153.3控制系统设计的硬件实现17第四章涡轮蜗杆的设计174.1涡轮蜗杆的用途174.2基本参数174.3蜗杆传动变位的特点194.4普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算214.5蜗轮蜗杆正确啮合的条件224.6几何尺寸计算与圆柱齿轮基本相同，需注意的几个问题224.7蜗轮及蜗杆机构的特点23第五章本设计中三副涡轮蜗杆的尺寸计算以及轴承的选择235.1涡轮蜗杆的尺寸计算235.1.1上面两个涡轮蜗杆235.1.2中间的蜗轮蜗杆255.1.3底部的蜗轮蜗杆265.2轴承的选择。8第六章步进电机的选择及应用・30\o"CurrentDocument"结论W2\o"CurrentDocument"谢词・33\o"CurrentDocument"参考文献34第一章双目立体视觉的概念及意义1.1双目立体视觉的概念立体视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支！即由不同位置的两台或者一台摄像机经过移动或旋转拍摄同一幅场景！通过计算空间点在两幅图像中的视差！获得该点的三维坐标值，80年代麻省理工学院人工智能实验室的Marr提出了一种视觉计算理论并应用在双眼匹配上！使两张有视差的平面图产生有深度的立体图形！奠定了双目立体视觉发展的理论基础。相比其他类的体视方法！如透镜板三维成像，三维显示，全息照相术等！双目体视直接模拟人类双眼处理景物的方式可靠简便！在许多领域均极具应用价值！如微操作系统的位姿检测与控制机器人导航与航测，三维测量学及虚拟现实等。1.2机器视觉的特点机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。在中国，这种应用也在逐渐被认知，且带来最直接的反应就是国内对于机器视觉的需求将越来越多。1.3机器视觉的应用1.3.1机器视觉在国外的应用现状在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概40%-50%都集中在半导体行业。具体如PCB印刷电路：各类生产印刷电路板组装技术、设备；单、双面、多层线路板，覆铜板及所需的材料及辅料；辅助设施以及耗材、油墨、药水药剂、配件；电子封装技术与设备；丝网印刷设备及丝网周边材料等。SMT表面贴装：SMT工艺与设备、焊接设备、测试仪器、返修设备及各种辅助工具及配件、SMT材料、贴片剂、胶粘剂、焊剂、焊料及防氧化油、焊膏、清洗剂等；再流焊机、波峰焊机及自动化生产线设备。电子生产加工设备：电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、电子工模具。机器视觉系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还用于其他各个领域。1.3.2机器视觉在国内的应用现状在中国，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，导致以上各行业的应用几乎空白，即便是有，也只是低端方面的应用。目前在我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐步开始了工业现场的应用。其主要应用于制药、印刷、矿泉水瓶盖检测等领域。这些应用大多集中在如药品检测分装、印刷色彩检测等。真正高端的应用还很少，因此，以上相关行业的应用空间还比较大。当然、其他领域如指纹检测等等领域也有着很好的发展空间。1.4立体视觉的发展方向就双目立体视觉技术的发展现状而言，要构造出类似于人眼的通用双目立体视觉系统，还有很长的路要走，进一步的研究方向可归纳如下：如何建立更有效的双目立体视觉模型，能更充分地反映立体视觉不去确定性的本质属性，为匹配提供更多的约束信息，降低立体匹配的难度。探索新的适用于全面立体视觉的计算理论和匹配择有效的匹配准则和算法结构，以解决存在灰度失真，几何畸变(透视，旋转，缩放等)，噪声干扰，特殊结构(平坦区域，重复相似结构等)，及遮掩景物的匹配问题；算法向并行化发展，提高速度，减少运算量，增强系统的实用性；强调场景与任务的约束，针对不同的应用目的，建立有目的的面向任务的双目立体视觉系统。双目立体视觉这一有着广阔应用前景的学科，随着光学，电子学以及计算机技术的发展，将不断进步，逐渐实用化，不仅将成为工业检测，生物医学，虚拟现实等领域。目前在国外，双目立体视觉技术已广泛应用于生产，生活中，而我国正处于初始阶段，尚需要广大科技工作者共同努力，为其发展做出贡献。在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对机器视觉需求的提升;也决定了机器视觉将由过去单纯的采集、分析、传递数据，判断动作，逐渐朝着开放性的方向发展，这一趋势也预示着机器视觉将与自动化更进一步的融合。需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存的空间，这是不变的规律,机器视觉也是如此。1.5中国机器视觉未来的发展趋势在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对机器视觉需求的提升；也决定了机器视觉将由过去单纯的采集、分析、传递数据，判断动作，逐渐朝着开放性的方向发展，这一趋势也预示着机器视觉将与自动化更进一步的融合。需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存的空间，这是不变的规律。机器视觉也是如此。未来，中国机器视觉发展主要表现为以下一些特性：随着产业化的发展对机器视觉的需求将呈上升趋势机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业，而据我国相关数据显示，全球集成电路产业复苏迹象明显；与此同时，全球经济衰退使我国集成电路产业获取了市场优势、成本优势、人才回流等优势；国家加大对集成电路产业这一战略领域的规划力度，''信息化带动工业化〃，走''新兴工业化道路〃为集成电路产业带来了巨大的发展机遇，特别是高端产品和创新产品市场空间巨大，设计环节、国家战略领域、3C应用领域、传统产业类应用领域成为集成电路产业未来几年的重点投资领域。此外，中国已成为全球集成电路的一个重要需求市场。据相关数据显示，2002年我国集成电路市场需求规模为1135.5亿元人民币，占世界市场规模的9.76%。2002年中国集成电路市场总销量为283.2亿块，总销售额为1135.5亿元，同比增长26.2%。中国已成为近年来世界半导体投资的热点。在全国许多地区，特别是长江三角洲地区，都有新的IC制造线和封装测试线投资兴建，IC设计公司的数量每年成倍增长。在产业政策的引导下，上海、北京、天津和深圳等地出现投资IC的好势头：天津Motorola投资15亿美元，月投2.5万片的8英寸芯片生产线和上海中芯国际投资14亿美元，月投8英寸芯片硅片4.2万片的项目已经投入运行。凌外，中国半导体行业协会最新调研数据表明，2000年6月到2002年8月两年间，中国IC产业的投资总额约300亿元，相当于过去40年的投资总和。全国IC设计单位数量两年之间翻两番，已激增到389家，收入过亿元的达7〜8家；专业测试公司已有10家左右，我国的IC测试业初具雏形。就以上数据显示，中国的半导体和电子市场已初具规模，而如此强大的半导体产业将需要高质量的技术做后盾。同时他对于产品的高质量、高集成度的要求将越来越高。恰巧，机器视觉将能帮助他们解决以上的问题，因此该行业将是机器视觉最好的用武之地。同时，对于机器视觉的需求将蒸蒸日上。统一开放的标准是机器视觉发展的原动力目前国内有近数家机器视觉产品厂商，与国外机器视觉产品相比，国内产品最大的差距并不单纯是在技术上，而且还包括品牌和知识产权上。另一现状是目前国内的机器视觉产品主要以代理国外品牌为主，以此来逐渐朝着自主研发产品的路线靠近，起步较晚。未来，机器视觉产品的好坏不能够通过单一因素来衡量，应该逐渐按照国际化的统一标准判定，随着中国自动化的逐渐开放，将带领与其相关的产品技术也逐渐开放。因此，依靠封闭的技术难以促进整个行业的发展，只有形成统一而开放的标准才能让更多的厂商在相同的平台上开发产品，这也是促进中国机器视觉朝国际化水平发展的原动力。（3）基于嵌入式的产品将取代板卡式产品从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠PC技术，并且与数据采集等其他控制和测量的集成会更紧密。且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品，这是一个不断增长的趋势。主要原因是随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛，尤其是其具备低功耗技术的特点得到人们的重视。另外，嵌入式操作系统绝大部分是以C语言为基础的，因此使用C高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性的工作，使用高级语言的优点是可以提高工作效率，缩短开发周期，更主要的是开发出的产品可靠性高、可维护性好、便于不断完善和升级换代等。因此，嵌入式产品将会取代板卡式产品。（4）标准化、一体化解决方案也将是机器视觉的必经之路另外，由于机器视觉是自动化的一部分，没有自动化就不会有机器视觉，机器视觉软硬件产品正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将机器视觉产品作为生产线上信息收集的工具，这就要求机器视觉产品大量采用''标准化技术〃，直观的说就是要随着自动化的开放而逐渐开放，可以根据用户的需求进行二次开发。当今，自动化企业正在倡导软硬一体化解决方案，机器视觉的厂商在未来5-6年内也应该不单纯是只提供产品的供应商，而是逐渐向一体化解决方案的系统集成商迈进。在未来的几年内，随着中国加工制造业的发展，对于机器视觉的需求也逐渐增多；随着机器视觉产品的增多，技术的提高，国内机器视觉的应用状况将由初期的低端转向高端。由于机器视觉的介入，自动化将朝着更智能、更快速的方向发展。另外，由于用户的需求是多样化的，且要求程度也不相同。那么，个性化方案和服务在竞争中将日益重要，即用特殊定制的产品来代替标准化的产品也是机器视觉未来发展的一个取向。机器视觉的应用也将进一步促进自动化技术向智能化发展。1.6国内外研究动态1.6.1国外研究动态双目体视目前主要应用于四个领域:机器人导航、微操作系统的参数检测、三维测量和虚拟现实。日本大阪大学自适应机械系统研究院研制了一种自适应双目视觉伺服系统，利用双目体视的原理，如每幅图像中相对静止的三个标志为参考，实时计算目标图像的雅可比短阵，从而预测出目标下一步运动方向，实现了对动方式未知的目标的自适应跟踪。该系统仅要求两幅图像中都有静止的参考标志，无需摄像机参数。而传统的视觉跟踪伺服系统需事先知道摄像机的运动、光学等参数和目标的运动方式。日本奈良科技大学信息科学学院提出了一种基于双目立体视觉的增强现实系统（AR）注册方法，通过动态修正特征点的位置提高注册精度。该系统将单摄像机注册（MR）与立体视觉注册（SR）相结合，利用MR和三个标志点算出特征点在每个图像上的二维坐标和误差，利用SR和图像对计算出特征点的三维位置总误差，反复修正特征点在图像对上的二维坐标，直至三维总误差小于某个阈值。该方法比仅使用MR或SR方法大大提高了AR系统注册深度和精度。实验结果如图2,白板上三角开的三顶点被作为单摄像机标定的特征点，三个三角形上的模型为虚拟场景，乌龟是真实场景，可见基本上难以区分出虚拟场景（恐龙）和现实场景（乌龟）。日本东京大学将实时双目立体视觉和机器人整体姿态信息集成，开发了仿真机器人动态行长导航系统。该系统实现分两个步骤：首先，利用平面分割算法分离所拍摄图像对中的地面与障碍物，再结合机器人身体姿态的信息，将图像从摄像机的二维平面坐标系转换到描述躯体姿态的世界坐标系，建立机器人周围区域的地图；基次根据实时建立的地图进行障碍物检测，从而确定机器人的行走方向。日本冈山大学使用立体显微镜、两个CCD摄像头、微操作器等研制了使用立体显微镜控制微操作器的视觉反馈系统，用于对细胞进行操作，对钟子进行基因注射和微装配等。麻省理工学院计算机系统提出了一种新的用于智能交通工具的传感器融合方式，由雷达系统提供目标深度的大致范围，利用双目立体视觉提供粗略的目标深度信息，结合改进的图像分割算法，能够在高速环境下对视频图像中的目标位置进行分割，而传统的目标分割算法难以在高速实时环境中得到令人满意的结果，系统框图如图3。华盛顿大学与微软公司合作为火星卫星“探测者”号研制了宽基线立体视觉系统，使“探测者”号能够在火星上对其即将跨越的几千米内的地形进行精确的定位玫导航。系统使用同一个摄像机在“探测者”的不同位置上拍摄图像对，拍摄间距越大，基线越宽，能观测到越远的地貌。系统采用非线性优化得到两次拍摄图像时摄像机的相对准确的位置，利用鲁棒性强的最大似然概率法结合高效的立体搜索进行图像匹配，得到亚像素精度的视差，并根据此视差计算图像对中各点的三维坐标。相比传统的体视系统，能够更精确地绘制“探测者”号周围的地貌和以更高的精度观测到更远的地形。1.6.2国内研究动态浙江大学机械系统完全利用透视成像原理，采用双目体视方法实现了对多自由度机械装置的动态、精确位姿检测，仅需从两幅对应图像中抽取必要的特征点的三维坐标，信息量少，处理速度快，尤其适于动态情况。与手眼系统相比，被测物的运动对摄像机没有影响，且不需知道被测物的运动先验知识和限制条件，有利于提高检测精度。东南大学电子工程系基于双目立体视觉，提出了一种灰度相关多峰值视差绝对值极小化立体匹配新方法，可对三维不规则物体（偏转线圈）的三维空间坐标进行非接触精密测量。哈工大采用异构双目活动视觉系统实现了全自主足球机器人导航。将一个固定摄像机和一个可以水平旋转的摄像机，分别安装在机器人的顶部和中下部，可以同时监视不同方位视点，体现出比人类视觉优越的一面。通过合理的资源分配及协调机制，使机器人在视野范围、测跟精度及处理速度方面达到最佳匹配。双目协调技术可使机器人同时捕捉多个有效目标，观测相遇目标时通过数据融合，也可提高测量精度。在实际比赛中其他传感器失效的情况下，仅仅依靠双目协调仍然可以实现全自主足球机器人导航。火星863计划课题“人体三维尺寸的非接触测量”，采用“双视点投影光栅三维测量”原理，由双摄像机获取图像对，通过计算机进行图像数据处理，不仅可以获取服装设计所需的特征尺寸，还可根据需要获取人体图像上任意一点的三维坐标。该系统已通过中国人民解放军总后勤部军需部鉴定。可达到的技术指标为：数据采集时间小于5s/人；提供身高、胸围、腰围、臀围等围度的测量精度不低于1.0cm。第二章双目立体视觉的技术特点：双目立体视觉技术的实现可分为以下步骤：图像获取、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建，下面依次介绍各个步骤的实现方法和技术特点。2.1图像获取双目体视的图像获取是由不同位置的两台或者一台摄像机（CCD）经过移动或旋转拍摄同一幅场景，获取立体图像对。其针孔模型如图1。假定摄像机C1与C2的角距和内部参数都相等，两摄像机的光轴互相平行，二维成像平面X1O1Y1和X2O2Y2重合，P1与P2分别是空间点P在C1与C2上的成像点。但一般情况下，针孔模型两个摄像机的内部参数不可能完成相同，摄像机安装时无法看到光轴和成像平面，故实际中难以应用。-一*够骨孔推囤•，上海交大在理论上对会聚式双目体视系统的测量精度与系统结构参数之间的关系作了详尽分析，并通过试验指出，对某一特定点进行三角测量。该点测量误差与两CCD光轴夹角是一复杂的函数关系；若两摄像头光轴夹角一定，则被测坐标与摄像头坐标系之间距离越大，测量得到点距离的误差就越大。在满足测量范围的前提下，应选择两CCD之间夹角在50°C〜80°C之间。2.2摄像机的标定对双目体视而言，CCD摄像机、数码相机是利用计算机技术对物理世界进行重建前的基本测量工具，对它们的标定是实现立体视觉基本而又关键的一步。通常先采用单摄像机的标定方法，分别得到两个摄像机的内、外参数;再通过同一世界坐标中的一组定标点来建立两个摄像机之间的位置关系。目前常用的单摄像机标定方法主要有：（1）摄影测量学的传统设备标定法。利用至少17个参数描述摄像机与三维物体空间的结束关系，计算量非常大。（2）直接线性变换性。涉及的参数少、便于计算。（3）透视变换短阵法。从透视变换的角度来建立摄像机的成像模型，无需初始值，可进行实时计算。（4）相机标定的两步法。首先采用透视短阵变换的方法求解线性系统的摄像机参数，再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，利用最优化方法求得非线性解，标定精度较高。（5）双平面标定法。在双摄像机标定中，需要精确的外部参数。由于结构配置很难准确，两个摄像机的距离和视角受到限制，一般都需要至少6个以上（建议取10个以上）的已知世界坐标点，才能得到比较满意的参数矩阵，所以实际测量过程不但复杂，而且效果并不一定理想，大大地限制了其应用范围。此外双摄像机标定还需考虑镜头的非线性校正、测量范围和精度的问题，目前户外的应用还有少。上海大学通信与信息工程学院提出了基于神经网络的双目立体视觉摄像机标定方法。首先对摄像机进行线性标定，然后通过网络训练建立起三维空间点位置补偿的多层前馈神经网络模型。此方法对双目立体视觉摄像机的标定具有较好的通用性，但是精确测量控制点的世界坐标和图像坐标是一项严格的工作。因此神经网络中训练样本集的获得非常困难。2.3特征点提取立体像对中需要撮的特征点应满足以下要求:与传感器类型及抽取特征所用技术等相适应；具有足够的鲁棒性和一致性。需要说明的是：在进行特征点像的坐标提取前，需对获取的图像进行预处理。因为在图像获取过程中，存在一系列的噪声源，通过此处理可显著改进图像质量，使图像中特征点更加突出。2.4立体匹配立体匹配是双目体视中最关系、困难的一步。与普通的图像配准不同，立体像对之间的差异是由摄像时观察点的不同引起的，而不是由其它如景物本身的变化、运动所引起的。根据匹配基元的不同，立体匹配可分为区域匹配、特征匹配和相位匹配三大类。区域匹配算法的实质是利用局部窗口之间灰度信息的相关程度，它在变化平缓且细节丰富的地方可以达到较高的精度。但该算法的匹配窗大小难以选择，通常借助于窗口形状技术来改善视差不连续处的匹配；其次是计算量大、速度慢，采取由粗至精分级匹配策略能大大减少搜索空间的大小，与匹配窗大小无关的互相关运算能显著提高运算速度。特片匹配不直接依赖于灰度，具有较强的抗干扰性，计算量小，速度快。但也同样存一些不足：特征在图像中的稀疏性决定特征匹配只能得到稀疏的视差场；特征的撮和定位过程直接影响匹配结果的精确度。改善办法是将特征匹配的鲁棒性和区域匹配的致密性充分结合，利用对高频噪声不敏感的模型来提取和定位特征。相位匹配是近二十年才发展起来的一类匹配算法。相位作为匹配基元，本身反映信号的结构信息，对图像的高频噪声有很好的抑制作用，适于并行处理，能获得亚像素级精度的致密视差。但存在相位奇点和相位卷绕的问题，需加入自适应滤波器解决。2.5三维重建在得到空间任一点在两个图像中的对应坐标和两摄像机参数矩阵的条件下，即可进行空间点的重建。通过建立以该点的世界坐标为未知数的4个线性方程，可以用最小二乘法求解得该点的世界坐标。实际重建通常采用外极线结束法。空间眯、两摄像机的光心这三点组成的平面分别与两个成像平面的交线称为该空间点在这两个成像平面中的极线。一旦两摄像机的内外参数确定，就可通过两个成像平面上的极线的约束关系建立对应点之间的关系，并由此联立方程，求得图像点的世界坐标值。对图像的全像素的三维重建目前仅能针对某一具体目标，计算量大且效果不明显。第三章结构设计3.1总体方案设计为了完成摄像机对目标物体的定位，首先要设计一个机械平台，根据具体任务的不同，视觉的自由度和镜头的配置均有所不同。自由度的设置：对于工业机器人来说，在需要测量深度信息的情况下，需要采用两个摄像头，且两个摄像头之间的夹角可以调整，因此需要两个可控的自由度。为了模仿人眼和头部的功能，扩大视觉系统的视野，本装置采用四个自由度，两眼各一个，脖子两个。从仿生的角度讲，自由度一般为旋转自由度，旋转自由度比较灵活，反应快。摄像头间距：两个摄像头之间的间距越大，则目标在两个摄像头上

的视觉越大。有利于求取深度。如果太大了，则整个头部的体积太大，且惯性也大，为了使头部紧凑，一般取人的双目之间距离大大小，本装置取为100mm。把视觉系统引入机器人操作的过程中，可以大大提高机器人的操作特性，在机器人完成任务的过程中，具有更大的适应性，使得通常只能操作空间静止物体发展到可以跟踪运动物体。机器人视觉系统可以识别工作环境中的景物，确定工作空间中目标物体的位置和姿态以及物体的运动速度等。根据确定对象的不同，可采用主动立体视觉系统或被动立体视觉系统，被动立体视觉系统中的双目视觉系统一般采用双CCD摄像机构成，具有结构简单，使用方便，测量精度较高等优点，而被广泛应用。下图为操作臂的控制系统框图，其中双目CCD摄像机，图像采集卡和目标物体的位姿算法用于确定目标物体在空间的位置和姿态，从而构成图像伺服闭环控制。•萝融I工控机胃到寄和S8s/(s^gTdA3•萝融I工控机胃到寄和S8s/(s^gTdA为了实现图像伺服闭环控制，首先设计了用于安装双目CCD摄像机的视觉装置。该视觉装置具有四个自由度。分别为饶系统的回转，俯仰两个自由度和分别控制摄像机转动的2个自由度。(装配简图如图2)(1)系统回转运动。整个视觉装置安装在机器人实验平台的腰身顶部，由57BYGH803步进电机1经过一级蜗轮15蜗杆2减速，驱动轴14绕回转轴线带动摄像机7、8转动，其目的是增大机器人在水平面内的视觉范围。（2）系统仰俯运动。由42BYGH101步进电机13经过一级蜗轮3蜗杆12减速，驱动轴4绕回转轴线带动摄像机7、8转动，目的在于增大机器人在垂直平面内的视觉范围。由于机器人在抓持或装置物体时，物体的高度有可能相差很大，所以要求机器人的视觉系统具有仰俯功能，以便增加机器人的操作灵活性。根据双目立体视觉定位原理，为了精确定位空间物体，利用双摄像机可定位视觉范围内的任一空间点，但定位空间物体时，如果物体的方位选择不好就会存在较大的成像误差，通过对圆柱轴的成像研究发现，当空间圆柱轴与摄像机光轴组成平面相交时，定位圆柱轴的轴线与光轴平面的交点精度最高，计算机最简单。而要确定圆柱轴轴线空间位置，必须定位轴线上的两点，这就要求俯仰两摄像机。（3）摄像机的转动由两个35BYG005步进电机9经过一级蜗轮6、10蜗杆5、11减速，驱动轴绕回转轴线带动摄像机7、8转动，目的在于调整摄像机两光轴的交点，使其交点落在目标物体上。这有调节是必须的，因为摄像机镜头存在畸变，总体来说镜头边缘畸变较大，镜头中心附近的畸变较小，希望物体成像在镜头中心附近。当定位较远处物体时，可以将两光轴的夹角调小，使得被定位物体靠近两光轴的交点；当定位近处物体时，将两光轴的夹角调大，同样使得被定位物体靠近两光轴的交点。设计该自由度的目的是为了减少摄像机的成像误差。对CCD面阵摄像机而言，Y方向的比例系数即CCD面阵上相临两行感光电荷的距离由硬件制造厂给出，而X方向的比例系数即CCD面阵每一行上相临两个感光电荷的距离是受实序及采样的影响，将是不确定的。这些感光点被称为像素点，它们之间存在间隙。由于像平面上间隙的存在，物体在成像时就会产生误差，例如物体边缘正好成像在像素点上，从而消除成像误差。图24自由度双目立体视觉结构装置简图3.3控制系统设计的硬件实现装配机器人控制系统的设计方案如图3。它采用双目BP330型CCD摄像机布置在同一平面内来获取目标的边界，通过METEOR2/4图像采集卡完成图像的采集.由于此卡只有一个RGB通道,而我们只需黑白图像，所以将两只CCD摄像机分别接在该通道的R,G上,通过同步电路实现对目标图像的同步采集。然后通过目标位姿算法及操作臂规划算法得到相应的角度，这一角度与操作臂的起始角度比较，得到电机相应的转角，将电机转角转换成按一定控制规律变化的电压，作为控制操作臂的期望值。随着控制电压的输入，在驱动放大后，使得操作臂绕相应的关节转动，关节转动的角度通过磁性编码器检测，经由DSP组成的数据采集系统采集后，转换成相应的电压，与期望值进行比较。若存在电压差，电机根据相应的电压值正转或反转；若为0，说明该关节已转至期望的位置。根据步进电机的工作负载情况，通过计算，确定腕关节和视觉系统采用35BY48BH10永磁式步进电机，肘关节采用42BYGH101混合式步进电机；肩关节及行走机构选用57BYGH803步进电机；永磁式步进电机驱动器选用35BY步进电机驱动器，混合式步进电机驱动器选用42BY，57BY步进电机驱动器，驱动卡选用PCL-839三轴智能步进电机驱动卡。该卡的三个PCL-AK智能芯片可以控制各种动作，可以通过板卡上的I/O寄存器对每轴进行控制。第四章涡轮蜗杆的设计4.1涡轮蜗杆的用途：蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似的设计。4.2基本参数：（1）模数m和压力角a：通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面，称为中间平面，在中间平面内，蜗轮与蜗杆的啮合就相当于齿轮与齿条的啮合。因此，规定在中间平面内的参数为标准值，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴向模数ma1和压力角aa1应分别相等于蜗轮的端面模数mt2和压力角at2，即ma1=mt2=maa1=at2蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为：tgaa=tgan/cosY式中：Y-导程角。（2）蜗杆的分度圆直径d1和直径系数q为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，要用与蜗杆尺寸相同的蜗杆滚刀来加工蜗轮。由于相同的模数，可以有许多不同的蜗杆直径，这样就造成要配备很多的蜗轮滚刀，以适应不同的蜗杆直径。显然，这样很不经济。为了减少蜗轮滚刀的个数和便于滚刀的标准化，就对每一标准的模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，而把分度圆直径和模数的比称为蜗杆直径系数q，即：q=d1/m（3）蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择，一般取z1=1-10，推荐z1=1，2，4，6。选择的原则是：当要求传动比较大，或要求传递大的转矩时，则z1取小值；要求传动自锁时取z1=1；要求具有高的传动效率，或高速传动时，则Z1取较大值。蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性，并受到两个限制：最少齿数应避免发生根切与干涉，理论上应使z2min>17，但z2V26时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z2>30时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z2>28。另一方面z2也不能过多，当z2>80时(对于动力传动)，蜗轮直径将增大过多，在结构上相应就须增大蜗杆两支承点间的跨距，影响蜗杆轴的刚度和啮合精度；对一定直径的蜗轮，如z2取得过多，模数m就减小甚多，将影响轮齿的弯曲强度；故对于动力传动，常用的范围为z2=28-70。对于传递运动的传动，z2可达200、300，甚至可到1000。z1和z2的推荐值见下表i=Z2/Z1Z1Z2~5629—317—15429—6114—30229—6129—82129—82(4)导程角y蜗杆的形成原理与螺旋相同，所以蜗杆轴向齿距pa与蜗杆导程pz的关系为pz=z1pa，由下图可知：tanY=pz/nd1=z1pa/nd1=z1m/d1=z1/q式中pa蜗杆的轴向齿距，pa=nm,z1蜗杆头数导程角Y的范围为3.5°—33°。导程角的大小与效率有关。导程角大时，效率高，通常Y=15°-30°。并多采用多头蜗杆。但导程角过大，蜗杆车削困难。导程角小时，效率低，但可以自锁，通常Y=3.5°—4.5°对于普通蜗杆传动，除模数和压力角应分别相等外，杆的导程角Y应等于蜗轮的螺旋角，且旋向相等。

5）传动比当蜗杆转一圈时，蜗轮将转过Z1/Z2圈，蜗杆为主动的减速运动中i=n1/n2=z2/z1=u式中：n1-蜗杆转速；n2-蜗轮转速。减速运动的动力蜗杆传动，通常取5<u<70，优先采用15<u<50；增速传动5<u<15。4.3蜗杆传动变位的特点蜗杆传动变位标准

正变位负变位变位蜗杆传动根据使用场合的不同，可在下述两种变位方式中选取一种。变位前后，蜗轮的齿数不变(z2'=z2),蜗杆传动的中心距改变(a学a),如图下图a、c所示，其中心距的计算式如下：a'=a+x2m=(d1+d2+2x2m)/2变位前后，蜗杆传动的中心距不变(a'=a),蜗轮齿数发生变化(z2Xz2),如图下图d、e所示，z2'计算如下：因a'=a贝°z；=z2-2x2蜗杆传动变位：

4.4普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算名称符号计算公式基本参数齿数ZZ1按表确定，Z2=iXZ]模数m由强度计算确定压力角aa=20°齿顶高系数ha*标准值ha*=1顶隙系数C*C*=0.2几何尺寸齿顶高haha1=ha2=ha*Xm=m齿根高hfhf1=hf2=(ha*+C*)m=1.2m齿高hh=ha+hf=2.2m齿距PP=Px1=pt2=nm蜗杆分度圆直径d1由强度计算确定，按表取标准值。

蜗杆齿顶圆直径da1da1=d1+2ha1=d1+2m蜗杆齿根圆直径df1df1=d1-2hf1=d1"2-4m蜗杆齿宽b1b1^2.5m(z2+1)1/2蜗轮分度圆直径d2d2=mZ2蜗轮喉圆直径da2da2=d2+2m蜗轮齿根圆直径df2df2=d2-2.4m蜗轮外圆直径de2de2^de2+m蜗轮齿宽b2b产0.7da1蜗轮齿顶圆弧半径Ra2Ra2=d]/2—m蜗轮齿根圆弧半径Rf2Rf2=da1/2—m中心距aa=(d1+d2)/24.5蜗轮蜗杆正确啮合的条件中间平面内蜗杆与蜗轮的模数和压力角分别相等，即蜗轮的端面模数等于蜗杆的轴面模数且为标准值;蜗轮的端面压力角应等于蜗杆的轴面压力角且为标准值。当蜗轮蜗杆的交错角为时，还需保证，而且蜗轮与蜗杆螺旋线旋向必须相同。4.6需注意的几个问题（1）蜗杆导程角（）是蜗杆分度圆柱上螺旋线的切线与蜗杆端面之间的夹角，与螺杆螺旋角的关系为，蜗轮的螺旋角，大则传动效率高，当小于啮合齿间当量摩擦角时，机构自锁。（2）引入蜗杆直径系数q是为了限制蜗轮滚刀的数目，使蜗杆分度圆直径进行了标准化m一定时，q大则大，蜗杆轴的刚度及强度相应增大；一定时，q小则导程角增大，传动效率相应提高。（3）蜗杆头数推荐值为1、2、4、6,当取小值时，其传动比大，且具有自锁性；当取大值时，传动效率高。（4）蜗杆蜗轮传动中蜗轮转向的判定方法，可根据啮合点K处方向、方向（平行于螺旋线的切线）及应垂直于蜗轮轴线画速度矢量三角形来判定；也可用“右旋蜗杆左手握，左旋蜗杆右手握，四指拇指”来判定。4.7蜗轮及蜗杆机构的特点（1）可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑，传动比等于齿数比，蜗杆头数一般为1~6,远小于蜗轮齿数，传递动力时，单级传动比可达5~80，在分度机构中可达到1000。（2）两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构（3）蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小（4）具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用（5）传动效率较低蜗杆传动齿面磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高（6）不能互换啮合。由于蜗轮的轮齿呈圆弧形包围蜗杆，故加工蜗轮的蜗轮滚刀参数与工作蜗杆的参数必须完全相同（包括滚刀的模数，压力角，头数，分度圆直径及加工时的中心距等。）所以，仅模数，压力角相同的蜗杆与蜗轮是不能任意互换啮合的。第五章本设计中三副涡轮蜗杆的尺寸计算以及轴承的选择5.1涡轮蜗杆的尺寸计算5.1.1上面两个涡轮蜗杆：取蜗杆头数Z1=1，蜗杆分度圆直径d=20，传动比i=51，模数=1.6。则：

名称代号计算关系式中心距aa=50蜗杆头数ziz1=1蜗轮齿数Z2Z2=51齿形角aa=20。模数mm=1.6传动比ii=51齿数比uu=Z2/Z1=51蜗杆直径系数qq=d1/m=20/1.6=12.5蜗杆轴向齿距Papa=nm=3.14X1.6=5.024蜗杆分度圆直径d1d1=20蜗杆齿顶圆直径da1da1=mX(q+2)=1.6X(12.5+2)=23.2蜗杆齿根圆直径df1df1=mX(q-2.4)=1.6X(12.5-2.4)=16.16蜗杆齿顶高h1alha1=mT.6蜗杆齿根高hf1hf1=1.2m=1.2X1.6=1.92蜗杆齿高h1h1=2.2m=2.2X1.6=3.52蜗杆齿宽b1b1=2.5m/(z2+1)1/2=2.5X1.6/(51+1)1/2=28.8蜗杆导程角rR=arctan(z1/q)=arctan(1/12.5)=4°34，26〃渐开线蜗杆基圆导程PP=nmZ]=3.14X1.6X1=5.024

蜗轮分度圆直径d2d2=mz2=1.6X51=81.6蜗轮齿顶圆直径da2d2=mX(z2+2)=1.6X(51+2)=84.8蜗轮齿根圆直径df2df2=m(z2-2.4)=1.6X(51-2.4)=77.76蜗轮齿顶圆弧半径rg2r2=d1/2-m=20/2-1.6=8.4蜗轮齿宽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中间的蜗轮蜗杆取蜗杆头数Z1=1,蜗杆分度圆直径d=31.5，传动比i=53，模数=3.15。则名称代号计算关系式蜗杆头数z1z1=1蜗轮齿数z2z2=53齿形角aa=20。模数mm=3.15传动比ii=53齿数比uu=Z2/Z1=53蜗杆直径系数qq=d1/m=31.5/3.15=10蜗杆轴向齿距Papa=nn=3.14X3.15=9.89蜗杆分度圆直径d1d1=31.5蜗杆齿顶圆直径da1da1=mX(q+2)=3.15X(10+2)=37.8蜗杆齿根圆直径df1df1=mX(q-2.4)=3.15X

(10-2.4)=23.94蜗杆齿顶高h1a1ha1=m=3.15蜗杆齿根高hf1hfi=1.2m=1.2X3.15=3.78蜗杆齿高h1hi=2.2m=2.2X3.15=6.93蜗杆齿宽b1b1=2.5m/(z2+1)1/2=2.5X3.15/(53+1)1/2=57.88蜗杆导程角rR=arctan(z1/q)=arctan(1/10)=5°42，38〃渐开线蜗杆基圆导程PP=nm(=3.14X3.15X1=9.89蜗轮分度圆直径d2d2=mz2=3.15X53=166.95蜗轮齿顶圆直径da2d2=mX(z2+2)=3.15X(53+2)=173.25蜗轮齿根圆直径df2df2=m(z2-2.4)=3.15X(53-2.4)=159.39蜗轮齿顶圆弧半径rg2r2=d1/2-m=31.5/1.15-4=12.6蜗轮齿宽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底部的蜗轮蜗杆取蜗杆头数Z1=1,蜗杆分度圆直径d=40,传动比i=51,模数=4。则名称代号计算关系式蜗杆头数z1z1=1蜗轮齿数z2z2=51齿形角aa=20。

模数mm=4传动比ii=51齿数比uu=Z2/Z1=51蜗杆直径系数qq=d1/m=40/4=10蜗杆轴向齿距Papa=nm=3.14X4=12.56蜗杆分度圆直径d1d1=40蜗杆齿顶圆直径da1da1=mX(q+2)=4X(10+2)=48蜗杆齿根圆直径df1df1=mX(q-2.4)=4X(10-2.4)=30.4蜗杆齿顶高h1alha1=m=4蜗杆齿根高hf1hf1=1.2m=1.2X4=4.8蜗杆齿高h1h=2.2m=2.2X4=8.81蜗杆齿宽b1b1=2.5m/(z2+1)1/2=2.5X4/(51+1)1/2=72.11蜗杆导程角rR=arctan(z1/q)=arctan(1/10)=5°42，38〃渐开线蜗杆基圆导程PP=nmz1=3.14X4X1=12.56蜗杆齿宽b1b1=2.5m/(z2+1)1/2蜗轮分度圆直径d2d2=mz2=mX51=204蜗轮齿顶圆直径da2d2=mX(z2+2)=4X(51+2)=212蜗轮齿根圆直径df2df2=m(z2-2.4)=4X(51-2.4)=194.4蜗轮齿顶圆弧半径rg2r2=d1/2-m=40/2-4=16蜗轮齿宽b2b2=0.7da1=0.7X48=33.6

中心距a=m(q+^2)/2=4X(10+51)/2=1225.2轴承的选择滚动轴承的构造，类型和特点滚动轴承的结构通常由外圈，内圈，滚动体，保持架组成。内圈装在轴承座孔内，多数情况下内圈与轴一起转动，外圈保持不动。工作时，滚动体在内外圈间滚动，保持架将滚动体均匀地隔开，以减少滚动体之间的摩擦和磨损。滚动轴承的内外圈和滚动体采用强度高，耐磨性好的含铭合金钢制造，保持架多用软钢冲压而成，也有采用铜合金或塑料保持架。中心距滚动轴承具有摩擦力小，启动灵敏，效率高，润滑简便，维护方便，并且已标准化，便于选用与更换，因此使用十分广泛。滚动轴承的类型及特点滚动轴承中滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的径向平面之间的夹角称为滚动体轴承的公称接触角。它是滚动轴承的一个重要参数。按照滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。而滚子又有圆柱滚子，鼓形滚子，圆锥滚子和滚针等。本设计中滚动轴承的类型选择本设计中蜗杆轴以及蜗轮轴均才用滚动轴承(GB/T276-94)A.底部箱体处轴承:1A.底部箱体处轴承:1蜗杆处轴承：型号：6007GB/T276—94TOC\o"1-5"\h\z即d=35,D=62,B=142涡轮处轴承：型号：6008GB/T276—94即d=40,D=68,B=15中间箱体处轴承：1蜗杆处轴承：型号：6005GB/T276—94即d=25,D=47,B=122涡轮处轴承：型号：6008GB/T276—94即d=40,D=68,B=15上边箱体处轴承：1蜗杆处轴承型号：6002GB/T276—94即d=15,D=32,B=92涡轮处轴承型号：6004GB/T276—94即d=20,D=42,B=12第六章步