1. 研究目的与意义

一、研究背景：机械臂（robotic arm）是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，这种机器人系统有多关节连结并节允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移移动。构造上由机械主体、控制器、伺服机构和感应器所组成，并由程序根据作业需求设定其一定的指定动作。机器人的运作由电动机驱动移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至可编程逻辑的控制器。这种自动装置机械以完成“腕部以及手部”的动作为主要诉求，可以由熟练的操作者将作业顺序输入后，就能依样照作并且反复完成无数次的的正确规律运作。在20世纪之前，人们还是以模拟人类的动作将机器人应用在生活或娱乐上面。第一台专门应用于产业生产使用的机械手臂则是由 “机械手臂之父”约瑟夫·恩格伯格所发明的，在1956年利用乔治·迪沃尔所授权的专利技术，研发出第一台工业用机械手臂，名为“Unimate”，第一次应用则是在美国通用汽车的新新泽西州厂的压铸作业上。其实在这个时期世界各国的机械手臂也正在萌芽发展阶段，例如日本不二输送机工业株式会社（Fuji Yusoki Kogyo Co. Ltd.）就在1963年制造出专门使用在栈板装载（Palletizing）的机械手臂，研发出针对栈板专用的搬运工具，此时已经从简单重复的加工动作更扩大到减轻人力负担的搬运机械上。这个时期所研发出来的机械手臂多为3个关节轴，而且直到目前为止依然被产业界广泛应用，尤其对于简单的加工、夹持与搬运，成为自动化生产制造必备的好伙伴。然而随着加工方式的多元与复杂化，机械手臂也开始朝着更多关节轴的技术发展，在1973年德国库卡机器人集团（KUKA Robot Group）就研发出第一台采用机电驱动的6轴机械手臂。从此开始随着驱动与控制技术的不断进步，产业用机械手臂也从单点加工，发展到多点同时加工、搬运，这对于生产线的自动化，乃至于整厂自动化的影响都非常大。现在，机械臂的应用已越来越多元化，依据国际机器人协会（IFR）的统计，至2007年底机械臂除了工业以外，最多应用于救援、保全与野地（田野、牧场等），近年来，各先进国家为了提升台机器人的技术水准，都会推广机器人产业与创立相关联盟，并且特别针对工业以外的领域进行推广，例如：医疗、服务、生活方面…等。机械臂的研发也朝向节省人力、减少人类暴露在危险的工作环境、甚至进行更加精密的工作或是辅助操作。机械手臂的技术发展都是为了让人类在工作与生活中更加便利。目前，国际上以欧、日为代表的工业强国，其国内工业界将技术水平已经十分成熟的机器人产品作为一种标准的工业设备在工厂中广泛的应用。同时，在这些国家和地区中，涉及机器人研究、生产的企业已经成为所在地的主要支柱产业。而我国工业机器人技术起步较晚，工业机器人发展缓慢，研究及应用水平比较低。相比国外机器人研究仍相差甚远。机械臂主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机械臂在精度与耐用性上可以减少许多人为的不可预知问题。自从第一台产业用机器人发明以来，机械手臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业，更拓展到农业、医疗、服务业等等。二、研究目的及意义：本课题以解决机械臂的运动规划问题为目标，系统研究了机械臂关节参数和关节变量，根据机械臂末端执行器相对于底座参考坐标系的期望位姿，计算机械臂各个关节的旋转角度，即进行逆向运动学求解；以及根据机械臂各个关节的旋转角度，计算出机械臂末端执行器相对于底座参考坐标系的坐标，即正向运动学求解。本课题基于数字控制算法，设计一套多自由度轻型机械臂系统，该系统采用Arduino开源硬件控制，利用web服务器进行空间坐标监控和运动轨迹规划。该机械臂共有6个自由度，具有质量轻、速度快、精确性高、空间运动灵活以及维护方便等特点。本课题主要体现了机器人的运动学分析。机械臂的精准、零误差，对于产品的品质掌握拥有天然的优势，能有效减少产品控所花费的时间与人力。所以，研究机械臂在三维空间中的数字控制算法对工业制造自动化领域和人工智能领域的发展具有重要的意义。

2. 研究内容和预期目标

一、研究内容：

1) 对机械臂控制算法的研究和论述

2) 基于tcp协议的硬件端与服务端相互通信与数据传输

3. 研究的方法与步骤

1.在知网、学校图书馆以及谷歌学术搜索相关文献资料进行阅读；

2.硬件部分，选择奥松机器人公司的as-6dof多功能铝合金机械臂作为机械臂主体，carduino uno r3作为机械臂的主控制器，开发语言为c/c ，arduino作为开发软件；服务器部分，选择springboot作为后端开发框架，redis作为数据库，开发语言为java，intelij idea作为开发软件；前端网页部分，选择jsp作为服务器页面，jquery，bootstrap3作为javascript框架，开发语言为javascript，css，html；

3.对机械臂运动算法进行研究；

4. 参考文献

[1]李玉齐. 六自由度机械臂轨迹规划与协调仿真研究[j]. 电子测量技术, 2018. [2] 韩峥, 刘华平, 黄文炳, et al. 基于kinect的机械臂目标抓取[j]. 智能系统学报, 2013, 8(02):149-155.

[3]林海波, 梅为林, 张毅, et al. 基于kinect骨骼信息的机械臂体感交互系统的设计与实现[j]. 计算机应用与软件, 2013, 30(2):157-160.

[4]shari lawrence pfleeger（美）. 软件工程：理论与实践（影印版）[m]. 北京：电子工业出版社, 2013.

5. 计划与进度安排

序号 起止日期 任务 工作内容1、 2022-01-20 ~ 2022-02-20 调研 调研，撰写开题报告2、 2022-02-21 ~ 2022-02-28 查阅文献资料 论文综述和论文目录3、 2022-03-01 ~ 2022-03-10 平台搭建 搭建系统框架4、 2022-03-11 ~ 2022-04-20 模块设计与实现 设计并实现系统各功能模块5、 2022-04-21 ~ 2022-04-30 论文草稿 搜集与产出论文材料，撰写草稿 系统测试 关键功能测试7、 2022-05-01 ~ 2022-05-30 论文修改 修改论文草稿以及英文翻译8、 2022-05-30 ~ 2022-06-10 准备答辩 准备答辩PPT和其他答辩材料