空间机器人双目视觉测量系统结构设计
摘要：为确保空间机器人稳定工作，提出了一种空间机器人双目视觉测量系统结构设计方法。

采用D-H参数法对空间机器人机械臂建模仿真获取空间机器人基座固定工作空间；以此为测量范围约束，设计空间机器人双目视觉测量系统结构。

仿真实验证明了该设计方法的可行性、有效性。

关键词双目视觉、D-H参数、工作空间、结构设计
空间机器人是一种新型的多功能智能航天器，其携带的高精度视觉测量系统是其完成一切任务的根本保障[1]。

其视觉测量系统主要有双目视觉测量和结构光视觉测量两种。

由于结构光视觉具有结构复杂，不方便携带等特点，所以更多是采用双目视觉测量。

双目视觉测量系统的测量性能主要与摄像机的参数、两台摄像机之间位置摆放、被测点与测量系统的相对位置有关[2]。

在计算机视觉领域中，大部分双目视觉测量系统精度的研究[3-7]，是通过建立双目视觉测量系统测量误差模型，进而展开分析和讨论。

文献[5]采用最优回归设计311-A方案设计实验，设计双目视觉测量系统结构参数，仅考虑3个参数作为变量用于设计，实际意义不大。

文献[6]通过建立双目视觉测量系统的位置误差模型，详细的分析了两个CCD光轴之间夹角、基线距离测量长度对误差的影响。

吴彰良[7]等人在研究双目视觉测量系统各结构参数综合分析的基础上，提出了双目视觉测量系统结构设计的优化准则和基本步骤。

本文提出了一种空间机器人双目视觉测量系统结构设计方法，并研究空间机器人机械臂建模方法，双目视觉测量系统结构设计方法，对空间机器人双目视觉测量系统结构设计与工程应用有一定的参考价值。

1 空间机器人基座固定工作空间研究
空间机器人的基座飞行器有三种控制模式，Z.Vafa[8]将这三种控制模式下的工作空间有如下定义：基座位置姿态固定模式下基座固定工作空间、位置不受控姿态受控模式下的受限工作空间、位置姿态均不受控模式下的自由工作空间。

由于我们在研究空间机器人基座双目测量系统结构中，仅需要考虑末端执行器与基座双目测量系统的相对位置，所以这里我们只需要分析空间机器人在固定基座模式下的工作空间。

1.1 D-H参数法建模
1) 设计空间机器人机械臂结构参数；
2) 使用D-H参数法对机械臂建模；
3) 将各关节变量均匀分布，利用这些均匀分布的变量不同组合，
得到末端手爪在基准坐标系的位置；
4) 画出所有末端点。

从而产生空间机器人工作空间的“云图”。

通过D-H参数法建模所得的工作空间后，将其作为双目视觉测量系统结构参数设计的依据。

2 双目视觉测量系统结构参数设计
根据空间机器人基座固定工作空间对双目视觉测量系统进行设计：首先给出了双目视觉测量系统的结构模型；通过分析双目视觉测量系统结构设计的一般准则；最后采用对称式结构设计双目视觉测量系统，并给出了设计步骤。

2.1 结构参数设计准则
从双目视觉测量系统结构模型可知，其结构参数主要包括：两摄像机光轴与基线的夹角、，有效焦距f1，f2；基线距B；及两摄像机分辨率和像元尺寸。

这些结构参数之间不是单独变化的而是存在一定的约束关系，所以在设计双目视觉测量系统结构时，需要对一些条件进行限定。

通过阅读文献[3-7]总结出，下面给出双目视觉测量系统结构参数的设计的一般准则：
1) 被测目标须确保在两摄像机公共视场之内，并且保证目标能清晰成像，为实施测量的首要条件。

2) 双目视觉测量系统采用对称结构时，测量精度更高；即两摄像机光轴与基线的夹角α1、α2相等。

3) 基线距对测量精度的影响是非线性的，其与目标的深度信息有重要关系。

4) 增大焦距可提高精度；但增大焦距会导致视场角减少，导致双摄像机的公共视场减小，因此根据具体的应用选择合适的焦距。

2.2 结构参数设计方案
通过前文分析，针对空间机器人双目视觉测量系统的实际情况，在获取空间机器人基座固定工作空间的基础上。

采用对称式双目视觉测量结构，则==，f1=f2=f，需要设计的参数仅包括：α、f、B；设计方案如下：
1) 分析问题：根据空间机器人基座卫星尺寸得到基线距范围，设定手爪为观测目标。

通过分析固定工作空间得到摄像机分别在Y 轴方向的最大视场角和测量范围。

2) 获得焦距的约束条件，通过对空间机器人基座工作空间的分析获得焦距的约束条件:
令摄像机参数像元尺寸为u,像素大小nn，可获得焦距和摄像机视场角之间的约束关系：
令观测目标最小成像尺寸（mm个像素），则成像高度h=um, h 与目标的实际高度S、物距R、焦距f的约束关系如下式：
3) 迭代设计：考虑到长焦距镜头的畸变较小；以焦距越长，公共视场越大为优的准则；选择最大焦距值初值，迭代设计基线距和光轴与基线夹角，最后给出观测方案。

3 设计实例
3.1 空间机器人运动学仿真
本文设计如下：空间机器人由基座卫星、机械臂、手爪、基座双目视觉测量系统组成。

基座卫星尺寸160 cm160 cm160 cm；机械臂为三自由度构型由3个相同的一体化双关节、四个连杆构成；将手爪设计为一个30 cm30 cm正方形，如图（2）。

设定0号连杆与基座卫星接点为坐标系原点O,其连杆具体参数如表（1）所示：
令连杆1固定，与基座卫星的接点即为基准坐标系的原点。

通过机械臂运动学仿真，当机械臂各关节角不受限制时，其工作空间为一个实心球形，如图（3）所示：
3.2 结构参数设计实例
下面针对仿真的空间机器人基座固定工作空间进行实例设计：
第一步，分析问题：通过设计的空间机器人基座卫星尺寸得到基线距范围B ≤160cm，考虑考虑摄像机本身的体积，基线距B最小值为15cm；设定手爪为观测目标则目标尺寸为30 cm30 cm正方形；通过仿真得到的基座固定空间，并将其转换到得到测量范围。

具体如表2。

视场角(rad)测量范围(cm)目标尺寸(cm2)基线距(cm)0.212198307303015<B ≤160第二步，获得约束条件：在考虑经济效益的同时，又为保证成像的清晰度，这里选择为2048×2048。

像元尺寸选择为3.5um×3.5um。

则由于视场角0.212，通过式（1）得到焦距:mm；
为保证成像清晰，设定目标手爪在测量系统中成像的最小尺寸一般不低于150×150；根据测量范围约束198307 cm，根据式子（2）得到：mm;
可得到焦距约束：mm。

第三步，以最大焦距值f=16.7mm为初值，对结构参数迭代设计；如图（7）所示，AB、OD可由空间机器人工作空间推导出，且；通过焦距f可推导出值，则根据几何关系可推导出：
根据式子（3），即可推导出与基线距B, 光轴与基线夹角之间的关系；两摄像机公共视场越大越好为准则，设计结构参数；并分析其是否能够满足空间机器人固定基座工作空间的范围，不满足则将焦距f =f-Δf，Δf=0.01mm。

直到满足的工作空间范围的结构为止。

右：76.5°在表3中给出了结构设计方案。

对其进行分析，设计的双目视觉测量系统满足198307 cm的测量范围，当cm，目标的成像尺寸为：715715个像素；当cm，目标的成像尺寸为：461461个像素。

目标在工作空间中都能在公共视场范围内，并有足够的成像尺寸，说明设计方案是可行有效的。

4 结论
本文给出了一种空间机器人双目视觉测量系统的设计方法：通过对空间机器人进行机械臂建模仿真，得到其基座固定工作空间；以其为视觉范围约束来设计双目视觉测量系统。

在设计过程，采用了对称式测量结构来简化设计流程，同时也提高设计的测量系统的精度。

通过仿真实例证明了该方法的可行性。

参考文献（References）
[1]. 蔡洪亮,卢昱,高永明. 空间机器人在未来空间作战中的应用[J]. 国防大学学报(军事装备研究). 2009. (243) .104-106.
[2]. 刘俸材，谢明红，颜国霖.双目立体视觉系统的精度分析.计算机工程[J].2011.37(19).280-284
[3]. 闫龙，赵正旭，周以齐.基于CCD的立体视觉测量系统精度分析与机构设计研究[J].仪器仪表学报. 2008.29(2).410-413。

[4]. 刘佳音，王忠立，贾云德.一种双目立体视觉系统的误差分析方法.光学技术.2003,29(3).354- 357
[5]. 王以忠，李孝猛，张大克，贾士儒.双目立体视觉传感器结构参数优化设计.天津科技大学学报.2010.25(3).58-60
[6]. 周学斌，杨学友，杨楠，叶声华.立体视觉传感器优化设计技术研究[J].计算机测量与控制. 2007. 15(6).831-833
[7]. 吴彰良，孙长库，杨中东.视觉测量传感器系统结构参数设计分析[J].光电工程.2009.36(12). 56-61
[8]. Z.Vafa, S.Dubowsky. The Kinematics and dynamics of Space manipulators: The vir- -tual manipulator approach [J].International Journal of Robotic Researeh,1990, 9(4):3-2。