《制造技术与机床》杂志创刊于1951年，是我国机械工业科技期刊中创刊早、发行量大、影响面广的刊物之一，拥有广泛、专业的读者群体。本刊属中文核心期刊，中国科技论文统计用刊和《中国学术期刊文摘》摘录用期刊。
未来复杂的服役环境要求自动化设备空间机械手必须具备精确的末端定位和空间姿态控制，而机械手装配间隙、承载变形等原因导致其末端执行器的位置与理论计算存在偏差，良好的运动学设计是解决上述问题的有效途径，而对机械手的运动轨迹、空间位姿的测量是合理规划、精确位姿控制及运动分析的必要手段。
目前对空间机械手的运动轨迹和位姿测量一般采用接触式和非接触式两种方式。非接触方式响应速度快、测量过程简单，大大提高了测量效率，而且不增加被测量设备的承载负担，是目前较适合机械手位姿测量、复杂机构构件运动轨迹测量的方法。非接触方法主要有基于摄像技术的图像提取、双目立体视觉法、激光跟踪测量、激光三角测量、室内GPS等方法。基于摄像技术的双目视觉测量方法用两台摄像机或照相机模拟人的双眼，获得有一定视差的两幅图像，计算机通过图像处理，运用双目视觉原理，就可以得到图像中空间目标的三维信息。如果将摄像机安装在机械手的末端，在运动过程中观测同一个固定目标，通过计算摄像机坐标系下固定目标的变化，反求出末端执行器的空间位置和姿态的变化。Lau等人提出的单站式5D激光跟踪干涉测量系统，该系统可以测量目标的X、Y、Z、俯仰角和偏摆角5个自由度。奥地利维也纳工业大学的J.P.Prenninger等人建立了一种单站式6-D激光跟踪测量系统，用来实时动态地测量机器人关节末端运动的6个自由度。清华大学的刘永东设计了三站激光跟踪坐标测量系统，实现了平面运动目标坐标的跟踪测量。日本的Seiji AOYAGI等人利用超声波测距的原理开发了一套超声波位姿测量系统，该系统利用多边法测量空间三维坐标。室内GPS(indoor global positioning system, iGPS)的定位原理跟GPS相同，只是iGPS的室内标定好的多个标定装置代替了GPS的空间卫星，iGPS接收装置安装在工业机器人的末端执行器上，将末端的空间三维信息实时的传递给控制计算机。该测量装置适合大空间的跟踪测量，目前有应用在飞机机体焊接上的报道。位置敏感探测器(PSD)通过收集其电极输出的光电流就能连续地、实时地检测出入射光斑的重心位置。PSD入射光斑位置的模拟信号是从位于光电二极管表面电阻层边缘的电极输出的，这种非寻址的探测器的优点是探测器和信号处理电路结构简单，且能实现连续的位置模拟信号输出，而不存在测量盲区。与CCD相比，PSD具有响应速度快、感应面连续、成本低、传输速度快等优点，广泛应用在三维测量、角度姿态测量等领域。哈尔滨工业大学研制了用于空间飞行器对接的位置敏感器近程操作模拟器，由PSD为核心器件构成的光电传感系统在近程内对放置在空间飞行器上的合作目标的位置和姿态进行高精度测量。由激光器与位置敏感探测器PSD组成的传感器被大量地用于机器人上，传感器可测量挠性机械臂的除杆长方向外的5个自由度误差。1993年日本中京大学和松下共同研制了一种利用PSD的三维视觉传感器，用于机器人中获取运动物体的三维形状。
目前主流的运动轨迹和位姿测量手段是基于CCD的多目视觉法和基于PSD的光源阵列法。CCD摄像机传输的是图像信息，其测量精度很大程度上依赖高像素的照片，而高像素必定会影响相机的传输帧频，所以基于CCD的测量在精度和响应速度上是矛盾的。与之相比，PSD则不存在这样的问题，PSD是依靠输出的电流或电压来计算目标光斑的位置，可以达到几十千赫的传输速度而不影响数据的精度。近年来，对PSD 器件的研究有很大进展， PSD 器件的线性度和稳定度也有很大改善。PSD器件自身的分辨率可达1 μm，陆军等用包括激光发射器、激光供电电源、PSD 器件等组成的PSD 位置测量系统进行二维测量，其平均控制误差为50 μm。因此，在相同成本下，使用PSD光源阵列法进行运动轨迹和位姿测量的应用具有较好的前景。
在实际应用中，很多的机械设备的移动速度都很快，加工中心的自动换刀机械手一次动作一般在2~5 s，而且是在三维空间内运动，运动空间受限，无法安装激光发射器。天津大学李兴达进行了基于PSD的光点空间位置测量技术研究，距离12 m处X方向最大绝对误差为29 mm。根据对PSD相应光谱的研究和分析，发现近红外区是PSD最敏感的范围，大约在900 nm，这就要求被测标靶光源的主要光谱分布也在这个区域。为了减少对被测量的自动化设备的负载及机械动作的影响，光源必须能够实现恒流驱动和无线控制。本文针对基于双PSD实现空间点三维运动轨迹和位姿检测方面的关键技术展开研究，探索一种以大功率红外LED为目标光源的非接触式三维位姿检测方法，解决有限空间内，复杂机构上点目标的运动轨迹实时在线测量、机器人末端执行器的空间位置及姿态的快速测量问题。
二维枕型PSD结构如图1所示，二维枕型PSD以感应面中心点为参考坐标系原点，入射光斑A点的坐标值与4个电极上的电流满足式(1)和式(2)。
式中：L为光敏感面长度。从式(1)和式(2)可以看出，通过二维PSD的4个电极上的电流值就可以求解出入射光点在PSD感光面上的平面位置信息。同理，利用2个PSD设备，就可以得到目标光源的三维位置信息。
使用单个PSD的投影是基于针孔相机的线性映射关系。本文通过4个坐标系统(如图2所示)的定义及相互转换关系解释映射关系。
(1)世界坐标系：根据被测工件所在的自然环境选定的绝对坐标系;(2)镜头坐标系：以透镜中心OL为坐标原点，透镜光轴为ZL轴，XL、YL轴与PSD坐标系的XS、YS轴平行;(3)图像坐标系：图像平面为PSD理想的投影平面，原点O2为光轴与投影平面的交点，Xz、Yz轴与镜头坐标系的XL、YL轴平行，方向相反;(4)PSD坐标系：其XSOSYS平面与图像的XZOIYZ平面共面，原点为PSD传感器的物理中心，XS、YS轴与图像坐标系的XI、YZ轴方向相同，坐标原点相差一个偏移量。
镜头坐标系是世界坐标系经过旋转、平移的组合变换得到的，设旋转矩阵为R，平移矩阵为T。设空间P点在世界坐标系下的坐标为(XW，YW，ZW)。P点在世界坐标系中的坐标XwYwZw与PSD坐标系中映射的二维坐标值(u,v)之间的对应关系如式(3)所示。
在计算机视觉中将相机的参数分为两大类，即内参数和外参数。内参数是相机与焦距及感应屏上像元分布有关。式(3)中A称为相机的内参数矩阵。外参数是指相机在世界坐标系中的方位，可以通过R和T获得，故称[RT]为外参数矩阵。
式(3)实质是空间一个光源点P在世界坐标系中的三维坐标值(XWYWZW)与其透过工业镜头的光斑点在PSD坐标系中的二维坐标值(u,v)之间的映射关系，可将此过程简化为式(4)。
式中：k为比例系数，其与相机到标定板之间的距离成正比;M为光敏设备的映射矩阵。将式(4)中的比例系数k消掉，得到式(5)。
所研发的基于PSD的测量装置是通过2套PSD以固定的相对位置组合形成，左右PSD传感器同时探测空间同一个目标光源，两PSD输出值与空间坐标可表示为式(6)。
通过最小二乘法求解式(6)，得到目标光源中心在世界坐标系下的坐标值。即为PSD位置测量工作原理。
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