1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、 机械臂概述及选题的意义

机械臂是一种模拟人手臂的机械装置。随着科学技术的发展，逐渐应用于工业制造生产、医学治疗、娱乐、军事、太空探索等多种领域中，给人类的生活带来了巨大便利。人类对机械臂的要求越来越高，机械臂也逐渐集自动化、精密机械、传感器、电子、计算机等技术于一体，往智能化自主化的方向发展。从最初的机械臂发展到现在，机械臂已历经三代：

第一代顺序控制机械臂，即所谓示教再现机械臂，不具有传感器、视觉等任何感觉装置，可以重复编程。应用于作业顺序和环境相对固定的场合，其操作方式为人手直接拉动机械手，按照既定的任务路线或方式操作一遍，或者用示教盒的方式指定相应的动作和位置，然后根据这些记忆重复这些动作来完成相应的任务，因此可以编程实现重复性工作。缺点是不能在作业中改善品质，应用范围和精度受到了很大的限制

第二代反馈机械臂可以通过触觉、视觉等传感器对外部环境进行实际探测，用探测到的信息对机械臂进行反馈控制。根据示教机械臂存在的缺陷，人们逐渐通过给机械臂增加传感器的方式，使其能对实际位置、方向、速度等自身和环境信息进行探测，此类机械臂能够对自身进行调整，因此行动品质得到很大提高。

第三代智能机械臂有多种传感能力，具有人工智能的特性。能根据复杂的环境进行推理从而自主决策完成复杂的任务，这类机械臂能够感知外界环境和对象，并具有对复杂信息进行准确判断和处理的能力，智能机械臂还处在研究阶段。随着机械臂的发展，自由度的不断增加，机械臂的工作空间也由二维空间变为三维空间，完成任务的复杂程度也在不断提高，其中避障技术也成为该领域的重要研究课题。

避障路径规划是机械臂应用中的一项重要技术，优秀的避障技术可以节省大量的机械臂作业时间，减少损耗，同时可以节约人力、资金投入，为机械臂在更多领域的应用奠定基础。

二、机械臂的发展现状与趋势

随着科学技术的发展和研究力度的加大，机器人正朝着智能化和微型化方向发展。其主要特点如下：

1.机器人机构技术，自由度的增加促使了串联、并联，垂直关节等结构

2.多传感系统技术，视觉、光敏传感器等

3.机器人应用技术，传感器和控制算法的应用

4.机器人灵巧化、智能化发展

5.仿生技术进一步发展

6.机器人技术朝着开放型、模块化控制系统、人机界面更加友好、语言图形编程界面的方向发展，其中控制器的标准化和网络化以及离线编程的实用化都是研究重点。

三、ABB机械臂简介

ABB集团成立于1998年，是瑞典的阿西亚（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞（BBCBrownBoveri）两家公司合并后成立的集团，现为全球500强企业。ABB致力于研发、生产机器人，拥有全球17.5万多套机器人的安装经验。

IRB型机器人ABB公司的产品，IRB指ABB标准系列机器人。IRB机器人常用于焊接、涂刷、搬运与切割。常用的型号有：IRB 1400，IRB 2400，IRB 4400，IRB 6400。其型号的解释如下：

IRB指的是ABB机器人。

第一位数（1,2,4,6）指机器人的大小。

第二位数（4）指的是属于S4或S4C系统。

无论是何种型号，机器人控制部分基本相同。

IR 1400：承载较小，最大承载为5kg，常用于焊接。

IRB 2400：承载较小，最大承载为7kg，常用于焊接。

IRB 4400：承载较大，最大承载为60kg，常用于搬运或大范围焊接。

IRB 6400：承载较大，最大承载为200kg，常用于搬运或大范围焊接。

ABB机器人是由两部分组成：机械手和控制器。操作人员通过控制器操作机械人。

机械手是由六个转轴组成的空间6杆开链机构，理论上可以达到运动范围内的任何一点，表列举了各轴的转动范围，图展示了机械手臂的工作空间，图展示了六个运动轴的名称及运动方式。每个转轴均带有一个齿轮箱，机械手运动精度可达到#177;0.05mm~#177;0.2mm。六个转轴均有AC伺服电机驱动。机械手带有一块串口测量板（SMB），它将编码器模拟量装换为数字量，并依靠可充电镍铬电池供电，机器人关机时，通过电池存储机器人当前编码器位置，一旦电池电量不足需要及时更换。

第i轴	1	2	3	4	5	6
角度范围/。	-180~180	-100~110	-65~60	-200~200	-120~120	-400~400

RobotStudio 是ABB公司提供的优秀仿真软件。借助虚拟机器人技术进行离线编程，如同将真实的机器人搬到PC机中。借助ABB模拟与离线编程软件RobotStudio，可在办公室内完成机器人编程，无需中断生产。机器人程序可提前准备就绪，提高整体生产效率。

RobotStudio以ABB VirtualController为基础，与机器人在实际生产中运行的软件完全一致。因此，通过RobotStudio可执行十分逼真的模拟，所用均为车间中实际使用的真实机器人程序和配置文件。

四、避障路径规划概述

避障路径规划是指在具有障碍物的环境中，寻找从起始位置到目标位置的路径，且无碰撞的通过所有障碍物的轨迹。对于避障路径的研究，必须指出路径规划和轨迹规划的区别。

路径只是指工作空间中的曲线，而不具有时间概念，以机械臂为例，路径为机械臂位姿的一个特定序列，不考虑机械臂位姿的时间因素。路径规划问题涉及环境建模、规划方法和路径搜索策略。环境建模研究如何将环境信息有效的表达出来；规划方法研究的是在环境表达的基础上进行的数学模型的抽象；路径搜索策略是指求解路径函数的方法技术。

而轨迹是指一个点在空间的移动，它所通过的全部路径，要考虑时间的因素。轨迹规划是在机器人运动学与描述力矩约束的情况下机器人末端执行器的路径，其微分方程描述出机器人运动过程中的位置、速度、加速度等参数，从而使得目标最优。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要解决的问题

本课题主要是实现abb机械手臂的精确避障，需要研究的内容如下：

（1）熟悉abb机器手臂示教器的使用与简单编程；