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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景及课题意义 机器人是一种能够自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，还可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。而机器人技术集成了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机械臂作为机器人最主要的执行机构，对它的研究越来越受到工程技术人员的关注。一个机械臂系统主要包括机械、硬件和软件、算法这四个部分。到具体设计需要考虑结构设计、控制系统设计、运动学分析、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。对于一套轻便型机械臂的研发，需要把各个部分紧密联系，互相协调设计。随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域。本课题可以验证机械臂结构设计、运动控制、轨迹规划等工作的原理层面的有效性问题，在验证的过程中也可以得到期望性能与实际性能间差距的反馈，而且还具有快速、低成本、高安全性等优点，对于机械臂的学习，研究及设计等都具有重要意义。1.2 国内外机械臂研究现状机械臂的研究最早可追溯到20世纪40年代，美国argonne＆oakridge国家实验室开发了用于处理放射性物质的遥控机械操作手。1954年，美国的georgedevol 首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械臂。1978年,devol的unimation公司(现在叫staubliunimation)推出通用工业机器人puma，标志着工业机器人技术已经完全成熟。这属于第一代机器臂，这类机器臂主要是指能以“示教—再现”方式工作的工业机器人。智能机器人和第一代工业机器人不一样，它具有像人那样的感觉、识别、推理、判断能力，可以根据外界条件的变化，对自己的工作做相应的调整。如果修改程序的原则由人预先给以规定，这种智能机器人便是初级智能机器人，即第二代机器人。这种智能机器臂技术也逐渐成熟，走向实用。在工业生产中，许多用于组装的机器臂，便是这类机器臂。如果智能机器人自己可以通过学习、总结经验来获得修改程序的原则，便是高级智能机器人，也就是第三代机器人。这种机器人是我们机器人学中一个理想的最高级阶段，它可以不按照人的安排，完全独立地工作，故又被称为自律机器人。目前的发展还只是相对的，在局部有这种智能的概念和含义，而真正完整意义上的这种智能机器人并不存在。但无法否定的是随着我们科学技术不断发展，智能的概念也会越来越丰富，其内涵也会越来越宽泛。1.2.1 国外机械臂研究现状从20世纪40年代机械臂诞生到现在，已经有70 多年了，随着时间的推移对机械臂的研究热度非但没有减弱，相反对它的研究是越来越深入。机械臂给我们生活带来方便的同时，也改变着我们的生活，以前必须用人完成的任务，现在一款机械臂便能出色地完成所有任务。下面从工业机器人的情况来介绍国外机械臂的研究现状。(1)工业机器人 工业机器人的发展情况，国外可分为四个阶段：1.研制阶段 美国原子能委员会的阿尔贡研究所为了解决代替人处理放射性物质，于1947年研制遥控机械手，接着 1948 年又开发了电气驱动的机械式主从机械手，解决了对放射性材料的远距离操作问题。1951 年，美国麻省理工学院(mit)开发成功了第一代数控机床，与 nc 机床相关的控制技术及机械零部件的研究，为机器人的开发奠定了技术基础。1954 年，美国人乔治·德沃尔(devol)最早提出了工业机器人的方案，设计并研制了第一台可编程序的电气工业机器人样机，并于1961年发表了该项机器人专利。2. 生产定型阶段20 世纪 60 年代初美国 consolidatedcontrol 公司与 devol 结合，成立了unimation公司。1962 年定型生产了 unimate工业机器人。同时美国“机床与铸造公司”(amf)设计制造了另一种可编程的工业机器人 versation。这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其它发达国家工业界为之倾倒。于是，unimate 和 versation 作为商品开始在世界市场上销售。 3.推广应用阶段1970 年，第一次国际工业机器人会议在美国举行，工业机器人多种卓有成效的实用范例促进了机器人应用领域的进一步扩展。同时，又由于不同应用场合的特点，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。西德kuka 公司生产了一种点焊机器人，采用关节式结构和程序控制。瑞士 retab公司生产一种涂漆用机器人，采用示教方法编制控制程序。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。1967 年，日本丰田纺织自动化公司购买了第一台 versation 机器人。1968 年，川崎重工业公司从美国引进 unimate 机器人生产技术，开始了日本机器人发展的时代。60 年代末，日本大力发展经济型的机器人。成功地把机器人应用到汽车工业、铸塑工业、机械制造业，从而大大提高了制成品的质量和一致性，形成了一定规模的机器人产业。4.产业化、实用化、商品化阶段 随着大规模集成电路技术的飞跃发展，微型计算机性能的不断提高和普遍应用，机器人的控制性能大幅度地得到提高，成本不断下降。工业机器人进入了商品化和实用化阶段，形成了大规模化的机器人产业。80 年代工业机器人技术得到了巨大发展，所开发的四大类型机器人产品(点焊、弧焊、喷漆、上下料)主要用于汽车工业。由于汽车工业装备更新的变化，工业机器人出现了暂时的相对饱 和现象。随着以提高产品质量为目标的装配机器人及柔性装配线的开发成功，到1989 年机器人产业又出现了转机，首先在日本，之后在各主要工业国家又呈发展趋势。进入 90 年代后，装配工业机器人及柔性装配技术进入了大发展时期，由于不同用途的要求，使不同结构、不同控制方法、不同种类的机器人相继出现，又促进了机器人的发展。 现在工业机器人的厂家有很多，具有代表性有，abb、莫托曼、panasonic、发那科、adept 和kuka 等。工业机器人的设计比较中规中矩，一般都采用六个自由度，且构性变化不大，重要目的还是用于生产，所以对精度、速度、稳定性等因素要求很高。 1.2.2国内机械臂研究现状我国机器人的研究和开发可追溯到六十年代，概括而言，其发展历程可以人致分为如下三个阶段。

第一阶段（1987-1993）：以三种类型五个型号机器人的研究开发为战略目标，跟踪国外机器人高技术的发展，确定了自动化领域 2000年最终战略目标，其中智能机器人包括三种类型的目标产品，即智能型装配机器人、水深300 米以下的无缆自治式水下机器人及自治式移动机器人。1986 年我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987 年“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。最初我国在机器人方面的研究主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，之后我国在机器人技术及应用方面取得了很大成就，主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人；北京自动化研究所 1993 年研制的喷涂机械臂等。

第二阶段（1993-1997）：将机器人技术渗透、应用到国民经济各行业，直接为国民经济建设服务作为这一阶段的主要战略目标，确定了以特种机器人与工业机器人及其应用并重、以应用带动机器人目标产品开发、以应用带动关键技术和应用基础研究、以应用带动系统集成技术与关键部件突破的发展方针，努力推动科技成果转化，使机器人技术的发展成为高技术产业化的技术源头，直接为国民经济建设主战场服务。主要研究成果有：北京自动化研究所1995 年完成的高压水切割机器人；国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所完成的有缆深潜 300米机器人、无缆深潜机器人、遥控移动作业机器人等。

第三阶段（1997-现在）在继续实施第二阶段战略目标的同时，提出中国机器人事业可持续发展的新的战略目标，采取多种措施，大力加强基地与队伍建设，特别是机器人的产业化发展，积极做好“十五”与计划的衔接。主要研究成果有 国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人及各种机器人装配系统、哈尔滨工程大学研制的蒸汽发生器检修机械臂。总之，国内机械臂技术跟国外的机械臂相比还有很大的差距，还需要我们投入更多的精力、人力和财力去研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容及目标

本文基于ros系统，设计5自由度机械臂模型，分为以下内容及步骤：

1.rviz运行机械臂模型验证模型设计，使用moveit进行运动规划；

2.在gazebo中验证机械臂模型的运动特性，包括：设计机械臂连杆与关节的惯性属性、视觉特征、碰撞属性；

3. 研究计划与安排

(1)2020/1/13—2020/2/28：确定选题，查阅文献，外文翻译和撰写开题报告；

(2)2020/3/1—2020/4/30：系统架构、程序设计与开发、系统测试与完善；

(3)2020/5/1—2020/5/25：撰写及修改毕业论文；

4. 参考文献（不低于12篇）

【1】[西班牙]阿尼尔.马哈塔尼，路易斯.桑切斯等著，张瑞雷，刘锦涛译，ROS机器人高效编程，机械工业出版社，2018-01 【2】[美] 摩根·奎格利，布莱恩·格克著，张天雷译，ROS机器人编程实践，机械工业出版社，2018-01【3】Stanislao Grazioso,Manuele Di Maio,Giuseppe Di Gironimo， Conceptual design, control, and simulation of a 5-DoF robotic manipulator for direct additive manufacturing on the internal surface of radome systems The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019 【4】Yu Xiang，Simulation and Analysis of Three-Dimensional Space Path Prediction for Six-Degree-of-Freedom (SDOF) ManipulatorDepartment of Equipment Manufacturing, Chengdu Vocational and Technical College of Industry，2019 【5】Zheng-cang CHEN ,Dynamic Modeling and Simulation of a Space-based Manipulator System，DEStech Transactions on Materials Science and Engineering，2016 【6】陶春，孙乾政，五自由度机械臂运动学系统建模与仿真，西藏大学理学院，2020 【7】王一全，王敏，杨闻，王兴龙，空间机械臂系统轨迹规划仿真分析，中国空间技术研究院通信卫星事业部，2019 【8】赵海滨，于清文，刘冲，陆志国，颜世玉，机械臂控制系统仿真实验设计，东北大学机械工程与自动化学院，2018 【9】李宪华，范凯杰，疏杨，张军，六自由度模块化机械臂的轨迹规划与仿真，安徽理工大学机械工程学院，2018 【10】疏杨，六自由度模块化机械臂路径规划仿真系统研究与实现，安徽理工大学，2018 【11】熊超，基于ROS的机械臂避障运动规划及仿真，陕西理工大学，2018 【12】肖俊明，韩伟，王瑷珲，李继朋，梁旺，六自由度机械臂运动学分析与仿真研究，中原工学院电子信息学院，2018 【13】于建均,徐骢驰,阮晓钢,门玉森.，基于神经网络的机械臂的模仿学习研究， 控制工程.，2017 【14】机器人学[M]. 清华大学出版社 , 蔡自兴, 2009 【15】英,岳艳波，六自由度机器人运动学仿真及轨迹规划，乐组合机床与自动化加工技术，2016 【16】韩东宇，陈欢龙，余春华空间机械臂动力学特性的仿真分析研究，南京理工大学理学院上海宇航系统工程研究所，2018