在EAST托卡马克装置上,采用了多种可见光光学诊断设备监控等离子体的状态。为了保证这些光学诊断设备的准确性,需要对其光束空间方向进行校准,而在狭窄的真空室内进行人工校准是不可接受的。为了解决这个问题,本文设计一种基于视觉伺服的光束定向系统。将一个专用的相机采集模块安装在新松GCR5-910机器人的末端,用于获取光斑中心点的像素坐标,经过坐标变换和空间直线拟合算法拟合出光束的空间方向。同时使用视觉伺服功能保证光斑始终投射在白板中心区域。利用机器人的运动学模型建立现实工作场景的仿真环境,用于向操作人员直观展示机器人工作时的状态。主要研究内容如下:（1）面向新松GCR5-910机器人的正向运动学和逆向运动学的分析与仿真。在机器人控制过程中,需要知道机器人的正逆向运动学,才能实现关节角度和末端位姿的求解。本文使用Modified Denavit-Hartenberg（改进D-H法）,建立了机器人的D-H参数表。在此基础上完成了机器人正向运动学分析。基于正向运动学的分析结果,使用解析法对机器人进行了逆向运动学求解。借助D-H参数表,完成了机器人在Rob Work Studio中的仿真模型的建模工作。最后分析了基于图像的视觉伺服的控制方法,提出了一种优化的视觉伺服控制算法,降低了对反馈信息的要求的同时也能实现比较好的结果。（2）对已有图像处理算法进行了分析和对比实验,并在此基础上,选取了合适的图像处理算法,设计了一种光斑中心点的像素坐标提取方法。先将原始图像灰度化,使用线性灰度变换算法提高图像的对比度,中值滤波算法用于平滑光斑轮廓边缘,接着用阈值二值化算法分割出光斑区域,再用Laplace算法获取光斑的轮廓,最后用椭圆拟合算法,拟合光斑的轮廓,从而获取到光斑中心点的像素坐标。（3）面向单目相机的单张图像,设计了一种基于空间线面相交法的光斑中心点在相机坐标系下的坐标计算方法。在单目相机的正前方,固定一个白板。单目相机可以获取到光斑中心点的方位,光斑处在白板平面上。首先,采用直接线性变换法（DLT）对白板在相机坐标系下的位姿进行标定,用空间线面相交法求出光斑中心点在相机坐标系下的坐标。其次,对相机成像过程和Eye-in-hand手眼系统进行了分析建模与标定,其中采用了张正友相机标定法对相机进行了参数标定,并使用两步法获得了手眼系统的坐标变换关系。（4）基于上述研究成果,建立了基于视觉伺服的光束定向系统。该系统可以实现光斑的追踪、采集、处理并计算出光斑中心点的世界坐标系下的坐标,然后直线拟合出光束的空间方向。MSE诊断设备要求标定的观测方向与实际方向的偏离角度不高于0.5°。实验结果表明,本系统的光束定向平均误差控制在0.3°以内,最大误差为0.32°低于0.5°,达到运动斯塔克效应（MSE）诊断设备的校准精度要求。