1.1研究的目的与意义

机器人作为20世纪出现的新名词，国际标准化组织曾于1987年对机器人下过如下的定义：机器人是一种自动的，位置可控的，具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以便执行各种任务。

近几十年来，机器人已在工业、农业、商业、旅游业、空间和海洋以及国防等领域获得越来越多的应用。机器人的诞生是人类20世纪最具代表性的高新技术之一，它诞生的同时也促进了机器人学的发展，这是一门综合性的学科，包括了机械学，生物学，人类学，计算机科学与技术，控制理论与控制工程学，电子工程学，信息科学，人工智能等方面的科学领域，机器人技术的研究及应用对人类文明有着深远意义的作用和影响。

机械臂作为机器人最主要的执行机构，一种能够编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置，是一个十分复杂的多输入多输出的非线性系统，具有时变、强耦合和非线性的动力学特征，因其控制的复杂性引起了相关技术人员的广泛关注，随着时代的进步，包括军事制造、工业生产、日常生活等各个领域对机械臂控制技术的应用需求逐渐增大，从而使得设计出一套工作空间大，运动灵活的多自由度机械臂尤为重要。

随着机械手臂在工业装配、零部件制造、精密医疗手术等领域有广泛应用，对各行各业自动化有着极大促进作用。作为二十世纪科技高速发展的产物，各式各样的机械臂已经以各种各样的形式出现在了我们的身边，尤其是工业机器人即机械手臂的应用最为广泛，因此机械手臂的控制问题一直倍受科研工作者的关注。一个成熟的机械臂系统主要包括机械、硬件、软件、算法四个部分，一个具体的设计需要考虑结构设计、控制系统设计、运动学动力学分析、轨迹规划研究、路径规划研究、运动学动力学仿真等部分。各个部分紧密联系、相互协调设计。

本文主要设计与实现桌面机械臂在3D空间内实现多自由度轨迹追踪控制的系统。在查阅相关文献并深入研究桌面机械臂动力学建模、轨迹规划算法以及运动控制策略等相关理论，在此基础上设计出适用于桌面机械臂结构及运动特性的较精确轨迹追踪控制系统。论文阐述了机械臂整个控制系统设计方案，包括动力学模型、轨迹规划算法以及运动控制策略，通过上位机开发软件LabView和控制硬件平台Arduino对机械臂进行轨迹追踪控制与实物测试。

1.2 国内外研究现状

国内的许多研究单位从上世纪80年代开始，开始重点研究机械臂的控制系统，20世纪80年代中期，国家将工业机器人开发列入了科技攻关计划，并建立了机器人示范工程。经过”七五”攻关计划、”九五”攻关计划和”863”计划的支持已经取得了较大的进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业。”863”计划还把智能机器人的研究和开发列为发展主题之一，重点发展了在恶劣环境下工作的机器人、精密装配机器人及装配系统，同时，我国的工业机器人即机械手臂也有长足的进步，在某些关键技术上虽然有所突破，但还是缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的机械手臂装置很少，绝大多数还是需要进口。目前的技术也就相当于国外发达国家20世纪80年代的水平，特别是在制造工艺和装备方面，很难做到高精度、高速和高效的关键部件。我国机器人技术主题发展的战略目标：根据21世纪我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高科技发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：危险、恶劣环境作业机器人、主要包括防爆、高压带电作业、星球检测、油气管道机器人;医用机器人，主要包括脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨，机械手术刀等;仿生机器人，主要包括移动机器人，遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。

通过近十年的发展，中国机器人产业从无到有、从小到大，目前已经形成了一百余家从事机器人研发设计、生产制造、工程应用以及零部件配套的产业集群，其中40余家上市公司在股市上形成了具有机器人概念的高技术板块。全国各省市地区正在建设和筹建的机器人产业园超过40余家。机器人应用遍及汽车制造、工程机械、食品等行业。

目前国内机器人产业链的四大环节:机器人产业链包括核心零部件生产、机器人本体制造、系统集成以及行业应用四大环节。目前中国的机器人企业依靠系统集成赚钱，关键零部件没有真正的国际化，目前国产机器人的成本远远高于国外同行。目前中国机器人技术明显落后西方已经相对成熟的技术水平。