柔性机器人具有结构简洁、驱动简单、安全性高、灵活性高、能耗低、成本低等优点,因此其具有很高的应用价值。目前,在医学窥镜,轻工业、狭小作业空间和人机协同等领域,柔性机器人正被广泛使用。在这些应用中,柔性机器人一般采用开环位置控制开展工作。目前柔性机器人的位置反馈方案成本较高,这严重限制了柔性机器人的应用范围,所以急需一种经济可行的适用于柔性机器人的位置反馈解决方案,从而实现位置闭环控制,拓展柔性机器人的应用范围。受费斯托资助,本文基于并联柔性杆结构设计并制作了一款柔性单臂机器人,分析了它的运动学模型;本文的主要工作是设计了合作靶标,并提出了一种基于单目视觉合作靶标的位姿测量技术;基于位姿测量信息中的位置信息,提出了柔性单臂机器人位置闭环控制策略;搭建了柔性单臂机器人位置闭环控制实验台。本文开展了如下具体研究工作:(1)基于并联柔性杆结构设计并制作了一款柔性单臂机器人。对滚珠丝杠模组和柔性杆进行了选型,接着对护套、导轮、支撑关节和末端连接圆盘等进行了设计。柔性单臂机器人的核心部件是六根并联柔性杆,其中有三根是主动柔性杆,三根主动柔性杆用滚珠丝杠模组驱动,另外三根是从动柔性杆,三根从动柔性杆起到加强柔性单臂机器人刚度的作用,所以,该款柔性单臂机器人有三个独立自由度。(2)基于常曲率假设,将柔性单臂机器人的运动学模型分解成两个映射,第一个映射从执行器空间到三根主动柔性杆的等效柔性杆圆弧的参数空间,第二个映射从等效柔性杆圆弧的参数空间到柔性单臂机器人的末端位置空间,据此建立了柔性单臂机器人的正运动学模型、逆运动学模型和微分运动学模型。(3)提出了位姿测量的总体方案和硬件设计。首先提出位姿测量总体方案,通过巧妙的设计提出了一种识别图案,利用圆心定位精度优于正方形顶点定位精度的特性,能够在有限的识别面积中提供更加准确的位姿信息。然后利用该识别图案设计制作平面靶标和立体靶标,能够应对不同情况下的位姿测量需求。根据工作距离、视场范围等参数对工业相机、工业镜头和工业光源进行了选型。然后推导了相机成像模型和标定方法,在MATLAB软件中对相机内参数进行了标定。(4)提出位姿测量算法和软件设计。对Canny边缘检测算法进行了改进和实现,提出椭圆中心计算流程,从而实现椭圆中心坐标的快速鲁棒检测。导出椭圆长轴长的计算过程,根据椭圆长轴长的不同,实现椭圆特征快速匹配。以PNP模型作为位姿求解策略,实现位姿的快速测量。在C++环境下,结合OpenCV3.4.0和大恒C++SDK,采用大恒水星工业相机,编写程序,实现位姿测量。(5)设计了无模型的位置闭环控制策略。无模型的闭环控制只需在线实时估计柔性单臂机器人的雅可比矩阵,不需过多了解柔性单臂机器人的运动学模型,易于实现。(6)搭建实验装置,实现了柔性单臂机器人的位置闭环控制。为了验证提出的位姿测量算法在测量位置时的准确性,先搭建了位置测量精度验证实验台,实验表明,所提出的位姿测量方案在测量位置时准确可靠。基于得到的位置测量数据,结合无模型控制策略,搭建了柔性单臂机器人的位置闭环控制实验台。研究表明基于位置反馈的无模型控制策略精度优良、经济可行。XY方向上重复定位精度小于±0.5mm,Z方向重复定位精度小于±5mm。