1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1背景及国内外研究现状

随着社会的不断进步、科学技术的不断强大，众多的高新技术被使用在日常生活的诸多领域。与此同时，凭借智能化和现代化等优势，激光加工技术也就得到了很好的发展的契机，其对加工制造业所起的作用愈发强烈。激光加工技术拥有别的技术无法代替无法比拟的特点和优势，因此在将来的制造业内，激光加工的竞争力是尤为的突出的。激光加工技术是正在极快发展的一种技术，激光加工技术永不停息的进步，推动着制造业以及产品工业的大踏步前进。

激光加工过程如下，首先激光器发出激光束使用一系列措施，最终聚焦到加工位置；被加工件吸收由激光器发射出来激光的光能，接着光能就会转化为热能，进而使工件发生融化、蒸发、汽化等现象，最终实现激光加工的目的。激光加工的原理是激光束和被加工件之间的反应，那么激光加工即是非接触的加工方式，因此就不会对工件产生作用力，从而不可能损坏工件，也不会因为在加工过程中使加工工具造成毁坏；而且因为激光加工过程不产生机械力作用于工件，所以在加工时对工件的定位和固定的要求不会太高。由激光加工的原理可得知激光加工时，通过聚焦的措施可使产生的光斑变得很小，甚至可以达到微米级别。而且针对加工要求的改变，激光器的输出功率可以较精确地调节以便于实现所要求的加工效果。对于精密精细加工以及精度要求较高的加工，虽然传统的加工技术已经非常熟练，可以加工许多高精度要求和精密精细的产品。但是鉴于传统加工的弊端以及加工的难度等方面，激光加工凭借它的特点更适用于精密精细以及高精度加工。针对一些在密闭装置内不便于拆卸的工件，激光加工还可以穿过装置，达到对密闭装置内的工件加工。

经过一些资料的查询，目前近几年全球的激光产业已经获得非常大的进步。激光产业可以实现几千万美元的产值，此外全球激光产业有着超过6％的销售额的增加；其中美国及德国在激光产业依然占有很大的优势，特别是在档次较高的激光系统产品上，基本上处于垄断的地位^[16]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1.研究的基本内容及目标

机械臂激光雕刻是集光、机、电、计算机硬软件于一体的高新技术。激光雕刻并非单纯的加工技术，而是融合了计算机图像处理技术、激光技术与计算机技术的应用。小型激光雕刻机近几年发展极为迅速，这要归功于控制软件的开源化运动，为更多的爱好者提供学习研究激光雕刻机的机会。激光雕刻机一般雕刻对象为雕刻性能较好的木材、竹材， 雕刻时功率要适中，防止烧黑，所以采用功率较小的半导体激光模组，另外机械结构尽可能简化，便于携带。

机械臂的激光雕刻功能对机械臂的稳定性，准确性及灵活性有极高的要求。为达到目的，首先是要对uarm swift机械臂的硬件平台了解，掌握机械臂机构与控制的基本概念、功能需求。学习机械臂运动学和逆运动学，掌握机械臂速度和静力的控制，然后建立机械臂激光雕刻的控制测量和控制模型，根据模型分析编码器的数据采集方法，并开发其运动驱动程序。总的来说就是掌握机械臂运动学，这是基础，然后才根据这些知识，在软件开发方面编程，写好对应的程序控制机械臂完成所需要的雕刻任务，最后实际的将准备好的程序烧录到机械臂中，验证是否达到预期效果，并对结果做出分析，相应的改进设计。

2.2技术方案及措施

2.2.1.硬件部分

uarm swift机械臂主要有四部分组成，分别是底座、大臂、小臂和末端执行器（其中激光雕刻用的是激光头），如下图1所示。对机械臂的硬件平台的掌握，即机械臂运动状态、速度、静力等参数的熟悉掌控和轨迹的规划。

3. 研究计划与安排

第1周：选定毕业设计题目，并查找相关资料；
第1~3周：查找资料并撰写开题报告；
第4周：了解uArm Swift机械臂及其控制系统的硬件平台；
第5~6周：掌握机械臂结构与控制的基本概念功能需求，并学习机械臂运动学和逆运动学，掌握机械臂速度和静力的控制；

第7~8周：完成uArm Swift机械臂书写控制系统的控制模型建立和控制测量制定；
第9~11周：基于Python完成机械臂激光雕刻功能的代码编程；
第12~13周：完成整个系统，并进行整机调试，修复出现的错误；
第14~16周：撰写并提交毕业论文；
第17周：答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王俊杰. 基于arduino和数字识别的机械臂书写数字技术研究[d]. 硕士学位论文.北京工业大学.2016.
[2] 邹宇林,邵辉,黄吉祥. 基于cam的石材雕刻机械臂仿真研究[j].第37届中国控制会议论文集（f）, 2018.07
[3] chao fei, chen fuhai, shen yuhang, et al. robotic free writing of chinese characters via human-robot interactions[j].international journal of humanoid robotic,2014,11(1):1450007-1-26
[4] chao fei, sun yan, wang zhengshuai, et al. a reduced classifier ensemble approach to human gesture classification for robotics chinese handwriting [c] //proceedings of ieee international conference on fuzzy systems (fuzz-ieee). beijing china 2014:1720-1727
[5] crainic m f, preitl s, sandru l a, et al. secure handwriting using a robot arm for educational purpose[c] //proceedings of the 19th international conference on methods and models in automation and robotics(mmar). miedzyzdroje, 2014:58-63
[6] 邹宇林.六自由度雕刻机器人运动控制及轨迹规划[d].硕士学位论文.华侨大学. 2018

[7] 李沛谞，刘进山，张文涛. 基于avr单片机的机械臂激光雕刻机设计[j]. 中国科技博览.2018 第9期 1009/914x

[8] 李俊,王春城,杨晓帅,等. 一种写字机械臂的设计与实现[j]. 中国新技术新产品, 2017(6):56-57.