机械机构力学的研究往往涉及到建立刚体动力学数学模型,通过模型求解得到全局坐标系下其六自由度位姿参数。模型是否准确需要实验验证,这一般需要使用专业的测量仪器设备用来展开实验。目前常用的测量试验设备系统构成包括光电视觉、光电扫描式等,这些仪器设备往往具有对工作环境要求高、消耗成本大等特点,因此,探索一种基于普遍适用设备实现的刚体六自由度测量方法已经成为一种必然趋势。全站仪作为光电扫描领域的一种通用的工程测量仪器,测量精度高,符合成本低、操作简单等要求。但普通全站仪只能测量控制点在全站仪仪器坐标系下的三维位置,且使用时一般需要繁琐的调平操作。因此,如何在实现全站仪快速精准测量的基础上,建立刚体六自由度测量平台,验证全站仪免调平测量六自由度参数的精度,已经成为目前急需解决的问题。为进一步提高对于刚体六自由度的测量效率,从而在此基础上实现对刚体的位置姿态六自由度测量验证提供可行的实验手段。本文提出一种基于全站仪免调平测量的全局坐标系下刚体六自由度的测量方法,开展了以全站仪免置平测量方法为基础的六自由度测量技术研究。本研究主要进行了以下几方面的工作:（1）针对全站仪免置平测量刚体六自由度的可行性分析。对刚体运动学模型进行系统的理论分析,刚体六自由度是机械系统重要参数,其测量既可应用于运动学与动力学理论模型的验证,也可作为已知条件求解系统的约束反力等动力学分析,由此可见刚体六自由度对刚体运动学研究的重要意义。探究全站仪一般置平操作中的步骤繁琐性,提出全站仪免置平测量的实际操作方法和步骤。通过六自由度测量原理以及配置图原理建立全站仪免置平测量刚体六自由度的模型,并列举全站仪免置平的相应坐标系转换关系,从而证明全站仪免置平测量刚体六自由度的理论可行性。（2）基于MATLAB对六自由度测量模型的解算。通过Gauss-Newton迭代算法以及DLT（直接线性变换）方法的的具体介绍,并结合使用SVD（奇异值分解）法,可以实现对坐标系转换矩阵的求解,从而得到刚体的六自由度测量结果。本研究最终采用DLT结合SVD方法求解坐标系之间的转换矩阵。并利用MATLAB编写相应程序,求解未知参数,从而获取本文提出的测量方法的精度。（3）采用多功能三轴转台对全站仪免置平测量六自由度模型进行实验验证。验证实验采用精密三轴多功能转台实现刚体的不同的参考位置和姿态,由此建立两种情况下的六自由度测量模型。通过求解局部坐标系到全局坐标系的转换矩阵,从而求解刚体质心相对于全局坐标系的六自由度。（4）将基于全站仪对六自由度的测量方法在水田平地机上实施应用。基于华南农业大学研制的水田激光平地机,对于平地铲相对机身的位姿使用全站仪进行测量,测量平地铲上多个控制点的位置,并使用全站仪在不同位置完成同一组控制点测量,从而得到平地铲六自由度参数。紧接着,通过采用单台高速相机的平移实现的双目测量对平地机平地铲上控制点位置进行计算分析。建立位于平地机台架上的全局坐标系,以及平地铲上的局部坐标系。采用TEMA对拍摄图片进行处理,得到控制点的全局坐标,通过已知的局部坐标,求解坐标系之间的转换关系,得到刚体的欧拉角以及质心的全局坐标,得到的相关六自由度结果与高速相机进行对比,从而验证全站仪的精度。本文从六自由度测量基本理论出发,建立全站仪免调平测量模型。对基于全站仪免置平测量刚体六自由度的方法理论进行总结,并在三轴转台上进行理论验证,转台实验结果表明:全站仪测量刚体六自由度参数中轴上绕Z轴转动欧拉角误差为2.349°,绕Y轴转动欧拉角测量误差为3.085°,绕X轴转动欧拉角误差为0.931°;中轴上三个平移量按照X-Y-Z轴顺序分别为0.004 m、0.003 m、0.006 m,三个位移量测量误差均低于0.010 m。该结果在全站仪角度与距离测量误差范围内属于正常值,即测量精度符合要求。将该测量方法实施应用在水田平地机上展开的高速相机与全站仪对比试验中,以高速相机测量值作为真值的对比实验结果表明:全站仪测量平地铲六自由度结果与相机的绝对误差分别为绕Z轴方向欧拉角0.778°、绕Y轴方向欧拉角0.760°、绕X轴方向欧拉角-6.725°;三个平移量绝对误差分别为沿X轴方向-0.004m、沿Y轴方向-0.099 m、沿Z轴方向0.019 m,符合全站仪对六自由度测量精度要求。该方法提出基于全站仪免调平实现刚体六自由度测量方法和步骤,为机械系统刚体的位置姿态六自由度测量验证提供可行的实验手段。