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第1章　绪论 1

1.1　机器人视觉控制 1

1.1.1 机器人视觉的基本概念 1

1.1.2　机器人视觉控制的作用 3

1.2　机器人视觉控制的研究内容 4

1.2.1　摄像机标定 4

1.2.2 视觉测量 5

1.2.3 视觉控制的结构与算法 6

1.3　机器人视觉系统的分类 7

1.3.1 根据摄像机与机器人的相互位置分类 7

1.3.2　根据摄像机数目分类 8

1.3.3　根据测量方式进行分类 9

1.3.4　根据控制模型进行分类 10

1.4　视觉控制的发展现状与趋势 11

1.4.1 视觉系统标定研究进展 11

1.4.2　机器人的视觉测量研究进展 16

1.4.3 机器人的视觉控制研究进展 18

1.4.4　机器人视觉控制的应用现状 22

1.4.5　机器人视觉测量与控制的发展趋势 28

参考文献 32

第2章　摄像机与视觉系统标定 39

2.1　摄像机模型 39

2.1.1 小孔模型 39

2.1.2　摄像机内参数模型 40

2.1.3　摄像机外参数模型 43

2.2　单目二维视觉测量的摄像机标定 44

2.3 Faugeras的摄像机标定方法 45

2.3.1 Faugeras摄像机标定的基本方法 46

2.3.2 Faugeras摄像机标定的改进方法 49

2.4 Tsai的摄像机标定方法 52

2.4.1　位姿与焦距求取 53

2.4.2 畸变矫正系数与焦距的精确求取 56

2.5　手眼标定 56

2.6　基于消失点的摄像机内参数自标定 62

2.6.1 几何法 63

2.6.2 解析法 66

2.7　基于运动的摄像机自标定 71

2.7.1 基于正交平移运动和旋转运动的摄像机自标定 71

2.7.2　基于单参考点的摄像机自标定 76

2.8　畸变校正与非线性模型摄像机的标定 86

2.8.1 基于平面靶标的非线性模型摄像机标定 86

2.8.2　基于平面靶标的大畸变非线性模型摄像机的标定 92

2.9　结构光视觉的参数标定 103

2.9.1 基于立体靶标的激光平面标定 104

2.9.2 主动视觉法激光平面标定 106

2.9.3 斜平面法结构光视觉传感器标定 113

参考文献 118

第3章　视觉测量 120

3.1　视觉测量中的约束条件 120

3.1.1 特征匹配约束 120

3.1.2　不变性约束 124

3.1.3　直线约束 126

3.2　单目视觉位置测量 127

3.3　立体视觉位置测量 130

3.3.1 双目视觉 130

3.3.2　结构光视觉 133

3.4　基于目标约束的位姿测量 134

3.4.1 基于立体视觉的位姿测量 134

3.4.2　基于矩形的位姿测量 135

3.5　基于PnP问题的位姿测量 140

3.5.1 P3P的常用求解方法 141

3.5.2 PnP问题的通用线性求解 146

3.6　基于消失点的位姿测量 155

3.6.1 基于消失点的单视点三维测量 155

3.6.2　基于消失点的单视点仿射测量 157

3.7　移动机器人的视觉定位 162

3.7.1 基于单应性矩阵的视觉定位 163

3.7.2　基于非特定参照物的视觉定位 170

3.8　移动机器人的视觉全局定位 176

3.8.1 基于非特定参照物的视觉全局定位 177

3.8.2　视觉定位与里程计推算定位的信息融合 180

3.9 MEMS装配中的显微视觉测量 184

3.9.1 显微视觉系统的构成 185

3.9.2　显微视觉系统的自动调焦与视觉测量 187

3.9.3　实验与结果 190

参考文献 193

第4章　视觉控制 196

4.1　基于位置的视觉控制 196

4.1.1 位置给定型机器人视觉控制 196

4.1.2　机器人的位置视觉伺服控制 198

4.1.3 基于位置的视觉控制的稳定性 201

4.1.4　基于位置视觉控制的特点 203

4.2　基于图像的视觉控制 204

4.2.1 基于图像特征的视觉控制 204

4.2.2　基于图像的视觉伺服控制 209

4.2.3 基于图像的视觉控制的稳定性 211

4.2.4 基于图像的视觉控制的特点 213

4.3　混合视觉伺服控制 213

4.3.1 2.5D视觉伺服的结构 214

4.3.2 2.5D视觉伺服的原理 215

4.4　基于结构光的机器人弧焊混合视觉控制 223

4.4.1 图像空间到机器人末端笛卡儿空间的雅可比矩阵 223

4.4.2　混合视觉控制 226

4.4.3 实验与结果 228

4.5　直接视觉控制 229

4.5.1 直接视觉控制的结构 230

4.5.2 visual-motor函数的实现 231

4.6　基于姿态的视觉控制 234

4.6.1　姿态测量 234

4.6.2 基于姿态估计的视觉控制系统的结构与基本原理 236

4.6.3　实验与结果 240

4.7　基于图像雅可比矩阵的无标定视觉伺服控制 245

4.7.1 动态牛顿法 246

4.7.2 图像雅可比矩阵的估计 248

4.8 自标定视觉控制 250

4.8.1　摄像机的自标定 250

4.8.2 目标跟踪视觉控制 252

4.9　基于极线约束的无标定摄像机的视觉控制 252

4.9.1 基本原理 252

4.9.2　视觉伺服控制 253

4.9.3　实验与结果 259

参考文献 263

第5章　视觉控制的应用 265

5.1　开放式机器人控制平台 265

5.1.1 多层次结构的开放式机器人控制平台 265

5.1.2　本地机器人的实时控制 266

5.1.3 图形示教实验与结果 268

5.2　具有焊缝识别与跟踪功能的自动埋弧焊机器人系统 269

5.2.1 焊接小车与视觉系统 269

5.2.2　结构光焊缝条纹图像的处理 273

5.3 曲线焊缝跟踪的视觉伺服协调控制 282

5.3.1 机器人运动与特征点坐标变化的数学分析 283

5.3.2　模糊视觉伺服控制器的设计 286

5.3.3 实验与结果 291

5.4　仿人形机器人的火炬传递 294

5.4.1 系统构成与目标特征 295

5.4.2 目标分割与边缘提取 296

5.4.3 特征提取 297

5.4.4 火炬传递任务中的视觉引导 306

5.4.5 趋近与对准 308

5.4.6 实验与结果 312

参考文献 315