球面2-DOF冗余驱动并联机构工作空间是以各转动副轴线交点为球心的球面,且在工作空间内无奇异点存在,可用于多场景的球面云台、球面定位等。因此要求本机构必须具备较高的运动精度。本文以此为背景,从机构的运动学、误差模型、标定、动力学、伺服驱动系统、控制策略及摄像机标定、手眼标定等方面展开研究,主要研究内容如下:首先,基于球面机构各杆件存在的空间约束,对球面2-DOF冗余驱动并联机构的运动学反解、速度和加速度进行分析;采用矩阵法建立机构误差模型并化简为标定模型,设计标定流程,为标定实验奠定基础;采用Language法建立机构动力学模型,求解机构驱动力,在SimMechanics中搭建机构刚体模型进行仿真验证。其次,在机构末端安装工业摄像机,引入单目视觉“手眼”系统,用于检测机构末端位置信息;基于针孔模型建立摄像机成像几何模型,并利用张氏标定法进行摄像机标定实验,求解出摄像机的内外参数;采用Tsai两步法进行手眼标定实验,建立摄像机坐标系与机构坐标系间的变换关系;此外,为提高图像质量,过滤垃圾信息,对中值滤波、均值滤波、高斯滤波三种图像去噪方法滤波效果进行比较,选择一种合适的滤波方法对上述实验图像进行预处理。再次,研究机构伺服驱动系统,为实现对电机的解耦控制,在d-q坐标系下建立永磁同步电机数学模型;采用空间电压矢量控制代替正弦波脉宽调制,利用空间电压矢量切换产生圆形旋转磁场,为电机提供恒定转矩;设计基于PI速度控制器、滑模变结构速度控制器以及经过改进的滑模变结构速度控制器,建立三相永磁同步电机空间电压矢量闭环控制模型,对三种控制器下的速度跟踪效果进行对比分析。最后,基于球面机构样机、倍福控制器和工业摄像机搭建实验平台;对样机进行运动学标定实验,求解机构几何误差,修正反解模型结构参数,经过4次迭代实验后,对比标定前后机构末端运动精度,误差减小为原来的1 3;在SimMechanics中搭建机构本体模型,并作为模块在Simulink中与伺服驱动系统建立联合仿真模型;为进一步改善机构运动性能,设计基于同步协调器的力/位混合控制策略,对比非冗余驱动控制方式,进行机构轨迹跟踪仿真与实验研究。