基于静态相机对动态机构进行测量引导机构进行精确操作在航天和工业领域具有广泛的应用。在我国探月三期嫦娥五号月面表取采样任务中,由于月面四自由度采样机械臂的细长、柔性特点,使得地面操作人员难以在遥操作条件下通过开环控制的方式操控机械臂实现精确采样,利用静态监视相机对距离较远的机械臂末端小尺寸部件（部件尺寸远小于测量距离）进行精确定位,是实现机械臂采样精确引导控制和保证采样安全的关键。针对上述问题,本论文提出了基于目标位置预测的图像椭圆轮廓特征精确提取算法和基于双目逆投影变换的圆形目标位姿精确测量算法,实现利用视觉监视相机对机械臂末端小尺寸圆盘部件位姿信息的实时精确测量和机械臂操作的精确导引。首先,综合考虑机械臂运动学模型和目标成像模型,提出基于目标位置预测的图像椭圆轮廓特征精确提取算法,根据月面四自由度采样机械臂的正运动学模型计算目标空间位置,再根据目标到监视相机的透视成像模型预测机械臂末端圆盘部件投影在监视相机成像平面的局部区域,通过在预测区域中进行椭圆轮廓边缘提取、弧段筛选,精确地提取了圆形目标轮廓在相机图像中的像素坐标信息。其次,基于双目逆投影变换的思想,利用精确的椭圆轮廓像素坐标重建了圆形目标在空间中的表达方程,在三维空间中建立对圆盘目标位姿的最小残差优化模型,实现基于L-M算法的圆形目标最优位姿求解。与传统方法相比,本算法无需进行椭圆拟合和成像投影误差方程的构建,精简算法步骤的同时又极大地减少了椭圆拟合带来的精度损失,提升了目标位姿解算精度。最后,通过设计的三类实验均验证了以上方法具有较高的准确性和鲁棒性,并且本方法保障了机械臂在月面采样仿真实验中的精确控制引导,有效支撑了嫦娥五号月面表取采样过程仿真与实验验证。