1．目的及意义

1.1背景及国内外研究现状

机械臂作为最早出现的工业机器人，可以代替人类进行繁重的劳动，将人从重复枯燥的工作中解放出来；能在有害的环境下实施各种操作，保护人类的安全，因此被广泛应用于工业生产，科研和生活各个领域。正如人类的手是人获得认知的重要渠道，是人完成灵活操作最重要的器官，机械臂作为模仿人类手臂的一种机器人，即代表了机器人可以参与到人类社会生活生产的方方面面，是智能机器人领域很重要的一项研究课题。随着科技的发展及人们的需求，机械臂的各种应用陆续被开发，如机器视觉识别，机器爆破，机械实施精密手术等等。机械臂书写作为智能机器人的一项重要应用，也得到了广泛的关注。机械臂书写动作主要是靠机械手臂和其他传感装置的协同配合来完成，它能模仿人类手臂的某些动作功能，是一种按固定程序来完成各种动作的自动操作装置[1]。

工业机器人作为先进制造业中不可代替的重要装备手段，已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。国外的机器人研究起步很早，并且发展迅速，德国柏林犹太博物馆里展出可抄写圣经的机器人，Sonny推出的手写机器人Band，通过特定程序控制的机器人NAO，在展会中展示的会写毛笔字的机械臂以及格力写字机械臂等等，类似的写字机械臂在国外已取得了一定成果，有些成果甚至已经投入了实际工业生产中[2]。国外工业机器人已经成为一种标准的自动化设备，工业机器人技术已经非常成熟[3][4][5]。

相对而言，虽然我国工业机器人起步较晚，但是在国家政策的支持和鼓励下，已经取得高速发展。景兴碧采用一种工业型平面关节装配型机器人SCARA来进行软笔书写，该机器人的结构和与人的手臂及关节接近，采用末端执笔并接收控制命令来完成写字[6]；何微应用一个六自由度DENSO工业型机器人，并添加了机器视觉和计算机作为实验平台，提出了一种基于机器视觉的机器人写字方法[7]；薛环振在他的硕士论文里结合了计算机书法[8]的相关技术，以工业机器人MOTOMAN为平台设计了夹持毛笔的方法，控制机械臂完成了书写动作[9]。对于机器人控制模型的研究，金英连采用六自由度转动关节机器人结构，是基于坐标变换建立运动学模型，使用三级递阶控制进行书写[10]；满翠华对多自由度机器人手臂的结构进行设计，主要通过D-H法和基于旋量理论对动作笔画求运动学正解和逆解，以此控制机械臂的动作[11]。市面上的相关企业公司也已经掌握了机器人控制系统的硬件和软件技术；运动学动力学和轨迹规划技术以及一些机器人部位的制造技术等。但是和国际上先进的机器人相比，仍然有较大的差距，关键部分仍是以进口为主[12]。国内设计和生产的工业机器人普遍存在性能不高，运行不稳定以及重复精度低等问题，生产规模较小，竞争力不足。

1.2目的及意义

科技是第一生产力，而机器人即是工业基础的重中之重。我国这方面的研究较为落后，原因除了国内产业链薄弱，技术差距之外，还有一个重要的原因是，在基础教育的阶段几乎没有关于机器人或者机械臂这类相关的课程实践活动，甚至在大学阶段除了相关专业的人稍有接触，很多人对机器人的了解仅限于电视书籍等，这对人才的培养极为不利。

本研究是以uArm Swift机械臂作为硬件平台，Python语言[13][14]作为编程软件支持，通过建立模型，来研究机械臂的正运动学与逆运动学，实现机械臂书写的目标。机械臂书写需要极高的灵活性，稳定性和准确性，因此通过对机械臂书写的研究，有助于对机械臂建模，机械臂运动学及轨迹规划等技术的开发，从而拓展到其他应用，如精密加工，外科手术操作等等，具有极高的实用及工业价值。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1.研究的基本内容及目标

uArmSwift机械臂的书写功能对机械臂的稳定性，准确性及灵活性有极高的要求，虽然有现成的硬件平台，但无论是机械臂的运动学建模还是软件编程控制的实现，都对书写的质量有重大影响，因此每个方面都不能忽视。总的来说，研究主要可以分为两个部分，分别是硬件部分和软件部分。

硬件部分主要是对机械臂建模理论，正运动学及逆运动学的分析，机械臂速度和静力的控制，轨迹规划等内容进行研究[15]。实现机械臂硬件系统的搭建，为软件编程提供可靠的数学和控制模型。软件部分则是基于控制模型，设计软件流程图，并使用Python语言，通过编程完成对机械臂的控制，最终实现书写功能。

2.2技术方案及措施

2.2.1.硬件部分

机械臂书写功能的控制方式可以分为三类：使用坐标计算的控制方式，使用机械臂运动学与逆运动学控制方式和智能控制方式。

目前主流的方式是机械臂正逆运动学控制方式，在分析机械臂建模理论的基础上，采用D-H参数法对机械臂进行建模，模型建立后根据机械臂正逆运动学分析原理对本系统中所采用的uArm机械臂进行正逆运动学分析，为后面的软件编程提供理论依据。接着根据控制模型编程程序，让机械臂末端执行各个操作命令，直至完成书写。图1即是硬件控制流程图。