家庭服务机器人的机械臂控制研究毕业论文
机械臂的控制论文
学校代码学号本科学年论文（设计）学院、系专业名称年级学生姓名指导教师20年9月日目录摘要 (4)Abstract (5)第一章：绪论 (6)1.1 机械臂的发展史 (6)1.2 国内外发展状况 (6)1.3 课题研究背景 (7)第二章系统整体设计思路 (7)2．1 整体设计概述 (7)2．2 单片机简介 (7)2．3 系统硬件系统设计 (8)2.3.1 电路总框架图 (8)2.3.2 硬件电路概括 (8)2.3.2.1 单片机电路 (8)2.3.2.2 稳压电路............................. (9)2.3.2.3 舵机驱动电路 (9)2.3.2.4 传感器电路 (10)2．4 系统软件系统设计 (10)2.4.1 编程思想 (10)2.4.2 程序流程图 (11)2.4.3 程序及注释 (12)第三章PCB设计 (19)3．1 PCB设计过程 (19)3．2 零件布局 (20)3．3 布线 (21)3．4 放置敷铜 (19)3. 5 PCB电路图 (21)第四章：设计过程问题分析 (22)第五章：总结 (23)致谢 (23)参考文献 (24)基于C8051F310单片机的机械臂的设计摘要：随着时代的进步，机械臂技术的应用已越来越普及，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。
慢慢取代了人类的劳动，尤其是代替人到不能或不适宜去的、有危险等的环境中。
一个完整的机械臂系统主要包括机械、硬件和软件等部分。
设计时需要考虑结构设计、控制系统设计、运动学分析等部分，对于整个研发工作，需要把各个部分紧密联系，互相协调设计。
本文旨在介绍2010-2011学年论文—机械臂的设计方案。
通过C8051F310单片机对五路舵机的分别控制，实现具有五个自由度的机械臂的功能，该机械臂具有灵活、稳定、反应快速、用途广等优点。
关键词：机械臂，单片机，自由度Based on C8051F310 SCM design of mechanical armAuthor:Tutor:AbstractWith the progress of The Times, the application of mechanical arm technology has become more and more popular, already permeates gradually to military and aerospace, medical treatment, the daily life and the education entertainment, and other fields. Slowly replaced human labor, especially instead of people to be or not to go, is dangerous for the environment.A complete mechanical arm the system includes machinery, hardware and software, and other parts. The design consideration of the need when structure design, control system design, kinematics analysis, for the whole of research and development work of each part, need to close contact each other, coordinate design. This paper aims to introduce the 2010 2011 academic year paper design scheme of mechanical arm. Through the C8051F310 microcontroller to five road of steering gear control to realize respectively with five of the freedom of the function of the mechanical arm, the mechanical arm with flexible, stable and quick response, wide application, etc.Keywords: Mechanical arm, SCM, degrees of freedom第一章绪论1.1 机械臂的发展史随着社会分工的细化，从事简单重复工作的人们强烈渴望有某种能代替自己工作的机械臂出现，1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。
机械臂控制技术的研究与开发
机械臂控制技术的研究与开发机械臂是一种能够执行多种任务的通用性工具，能够模仿人手的自由运动，执行各种操作。
但机械臂的控制技术也相应变得更加复杂。
本文将讨论机械臂控制技术的研究与开发。
一、机械臂的结构机械臂主要有运动部件、控制器、传感器和接口等组成部分。
其中运动部件包括臂、肘关节、腕关节、爪等，控制器负责机械臂的运动，传感器用于检测机械臂的位置和工件的状态，接口可以为机械臂提供电信号和电气信号。
二、机械臂的控制方法机械臂的控制方法主要有两种，即基于位置的控制和基于力的控制。
基于位置的控制主要是通过约束机械臂的轨迹，使机械臂运行到指定的点位。
而基于力的控制则是根据所需的反作用力和精度要求，在机械臂末端执行器上实时调整力。
三、机械臂控制技术的研究方向1. 视觉导航技术机械臂的视觉导航是将计算机视觉技术与机械臂智能控制相结合，能够在运动中自动感知周围环境，调整机械臂的运动轨迹，以满足特定的需求。
机器视觉技术本质上是通过足够的交互操作来提取环境信息和工件图片等。
2. 新型控制算法新型控制算法可以有效提高机械臂控制的稳定性和精度。
例如，基于强化学习的逆向动力学控制可以通过学习手头任务的反向环境等方式提高机械臂控制的精度和稳定性。
3. 新型机械臂机构构设计机械臂机构的设计需要在强度、精度和成本等方面进行平衡。
机械臂的传感器也需要支持高精度检测、高速度检测、多方向检测等不同应用的需求。
机械臂的机构设计也必须支持装配和维护，当然，若这并不合适，机器人工程师可以用机器人零件商店来购买机器人组件。
四、机械臂控制技术的应用机械臂控制技术在许多领域都有着重要的应用，如生产制造、医疗护理、搬运储运、安全检测、航空航天等领域。
例如，在医疗护理领域中，机械臂可以作为手术助理，提高手术质量和效率，并减少人工操作的风险。
总的来说，机械臂作为一种通用的工业自动化设备，可用于各种领域，包括生产、医疗和储运等领域。
机械臂的发展和进步离不开控制技术的不断提高。
机械臂本科生毕业设计(论文)范文
基于STM32的机械臂驱动系统设计摘要由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。
作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。
本课题主要对四自由度机械臂控制系统进行了研究与设计。
作为运动控制系统的一种，该控制系统主要面向底层，力争开发出一套稳定性高，可靠性强并且定位准确的工业机械臂系统。
首先根据机械臂系统的控制要求，整体上设计出单CPU 的系统控制方案，即通过控制主控制器输出的PWM 波的占空比实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。
在硬件方面，主要论述了如何以ARM 微处理器STM32F103ZET6、MG995舵机、MG945舵机、超声波传感器和电源模块为主要器件，通过搭建硬件平台和设计软件控制程序构建关节运动控制系统。
然后按照结构化设计的思想，依次对以上各部分的原理和设计方法进行了分析和探讨，给出了实际的原理图和电路图。
在软件设计方面，按照模块化的设计思想将控制程序分为初始化模块和运行模块，并分别对各个模块的程序进行设计。
实验表明，该机械臂控制系统不仅具有很好的控制精度，还具有很好的稳定性、准确性，而且在很大程度上改善了定位精度。
关键词：四自由度机械臂，STM32，Cortex-M3，脉冲宽度调制the Design of Manipulator Drive System Based on STM32AbstractIn recent years, robot arm is widely used in industry control, special robot, medical device and home service robots. Research of robot arm control system is a focus in robot area. It is meaningful to increase the performance in accuracy, stability and feasibility.This paper is the research and design about a control system based on a four degrees freedom’s design. And, we strive to develop a high stability, reliability and accurate control system.Firstly, according to the control requirements of the robotic system, the overall design of the system control program is based on a single CPU. Turn the steering control to achieve the control of the duty cycle of the PWM wave output by the main controller, so as to realize the position control of each joint. In terms of hardware, the paper mainly discusses how to use the ARM microprocessor STM32F103ZET6, MG995 Servo, MG945 servos, ultrasonic sensors and power supply module as the main components, build a joint motion control system by building hardware platforms and software control program. Then follow the structured design ideas, principles and design methods sequentially over each part is analyzed and discussed, and then give the actual schematic or circuit diagram. In software design, the control program is divided into the run modules and the initialization module and design program of each module separately.Control system experiments show that the system can significantly improve the precision of control, and improve system stability, accuracy, so that the positioning accuracy of the robot arm has been greatly improved and enhanced.Key Words: Four Degrees Freedom Robot, STM32, Cortex-M3, Pulse Width Modulation目录1绪论 (1)1.1机械臂概述 (1)1.1.1机械臂研究的意义 (1)1.1.2国内外机械臂的研究现状及发展趋势 (1)1.1.3机械臂的分类 (2)1.2机械臂控制的研究内容 (4)1.2.1机械臂的驱动方式 (4)1.2.2机械臂的机械结构 (4)1.2.3机械臂的控制器 (5)1.2.4机械臂的控制算法 (5)1.3嵌入式系统简介 (5)1.4本文的主要工作 (6)2机械臂控制系统的总体方案设计 (7)2.1机械臂的机械结构设计 (7)2.1.1臂部结构设计原则 (7)2.1.2机械臂自由度的确定 (7)2.2工作对象简介 (7)2.3机械臂关节控制的总体方案 (8)2.3.1机械臂控制器类型的确定 (8)2.3.2机械臂控制系统结构 (9)2.3.3关节控制系统的控制策略 (9)2.4本章小结 (9)3机械臂控制系统硬件设计 (11)3.1机械臂控制系统概述 (11)3.2微处理器选型 (11)3.3主控制模块设计 (13)3.3.1电源电路 (13)3.3.2复位电路 (14)3.3.3时钟电路 (15)3.3.4 JTAG调试电路 (15)3.4驱动模块设计 (16)3.5电源模块设计 (17)3.6传感器模块设计 (19)3.7本章小结 (19)4机械臂控制系统软件设计 (20)4.1初始化模块设计 (20)4.1.1系统时钟控制 (20)4.1.2 SysTick定时器 (22)4.1.3 TIM定时器 (23)4.1.4通用输入输出接口GPIO (24)4.1.5超声波传感器模块 (24)4.2运行模块设计 (25)4.3本章小结 (26)5 系统的整机调试 (27)5.1硬件调试 (27)5.2软件调试 (28)5.3故障原因及解决方法 (31)5.4本章小结 (32)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录 (37)附录A (37)附录B (46)附录C (47)1绪论1.1机械臂概述1.1.1机械臂研究的意义早在几千年前，人类就开始了机器人的制造，以解决人类繁重的劳动。
机械臂本科生毕业设计范文
机械臂动力学方程：描述机械臂在运 动过程中的力和力矩关系
机械臂运动学和动力学分析：为机械 臂的设计和优化提供理论依据
机械臂动力学分析
机械臂动力学模型：描述机械臂的动力学特性 机械臂动力学方程：描述机械臂的动力学行为 机械臂动力学分析方法：如牛顿-欧拉法、拉格朗日法等 机械臂动力学仿真：通过仿真软件进行动力学分析，验证动力学模型的准确性和可行性
Part Six
总结与展望
毕业设计总结
设计目标：完成机械臂的设计和制作 设计过程：包括方案设计、结构设计、控制系统设计等 设计成果：成功制作出机械臂，并实现了预定功能 设计反思：对设计过程中的不足和改进方向进行总结 展望未来：对机械臂未来的应用和发展进行展望
未来研究方向与展望
机械臂智能化： 研究如何提高机 械臂的自主决策 能力，使其能够 更好地适应复杂 环境
机械臂：型号、规格、性能参数
测试工具：传感器、数据采集设备、 分析软件
添加标题
添加标题
控制系统：硬件、软件、接口
添加标题
添加标题
测试环境：温度、湿度、光照、噪 音等环境因素
实验与测试方法
实验目的：验证机械 臂的性能和稳定性
实验设备：机械臂、 传感器、控制器等
实验步骤：安装、调 试、运行、测试等
测试指标：速度、精 度、稳定性、可靠性 等
Part Two
机械臂系统设计
机械臂系统需求分析
功能需求：实现机械臂的抓取、搬运、 装配等操作
性能需求：满足精度、速度、稳定性 等性能指标
环境需求：适应不同的工作环境，如 高温、低温、潮湿等
安全需求：确保操作人员的安全，避 免机械臂对人员造成伤害
成本需求：在满足性能需求的前提下， 尽量降低成本
机械臂柔顺运动控制技术研究
机械臂柔顺运动控制技术研究机械臂柔顺运动控制技术研究：走向精确和高效的未来近年来，机械臂的应用范围越来越广泛，从工业生产线到医疗手术室再到家庭助手，机械臂都扮演着重要的角色。
然而，传统的机械臂在某些应用场景下存在一定的局限性，例如在与人类合作或对复杂环境的适应性上。
为了克服这些问题，机械臂柔顺运动控制技术应运而生，其致力于提高机械臂的柔顺性、精确性和高效性。
本文将探讨该技术的研究进展和未来发展方向。
柔顺运动控制技术是指机械臂通过具有精确力传递和高灵活性的机械结构，实现类似于人类手臂的柔软运动。
这种运动可以应对复杂的环境要求，比如与人类进行合作或在狭小空间中操作。
在传统的机械臂中，刚性结构和刚性控制往往导致运动精度和灵活性的不足。
而柔顺运动控制技术通过引入弹性材料、柔性机械结构和感知反馈控制算法等手段，有效提高了运动表现。
首先，柔性机械结构是实现机械臂柔顺运动控制的核心之一。
传统机械臂的末端执行器通常由刚性材料制成，限制了运动灵活性和安全性。
而柔性材料的引入可以提供更自由的运动范围，同时降低了与环境或操作对象接触时的风险。
例如，研究人员已经成功开发了基于人工肌肉和弹性材料的机械臂，实现了精确、连续和逼真的运动。
这种柔性机械结构的研究对于提高机械臂在协作机器人、医疗手术等领域的应用潜力具有重要意义。
其次，柔顺运动控制技术需要配备高效的感知反馈系统，以提供准确的运动信息并对环境变化进行实时响应。
在复杂的应用场景中，机械臂需要不断地感知和分析周围环境的信息，以便根据需要调整运动轨迹和力量输出。
近年来，计算机视觉和力传感器等技术的快速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。
机械臂可以通过视觉系统检测周围物体的位置、形状和姿态，并通过力传感器感知外力作用下的变形情况。
这种感知反馈系统的引入使机械臂能够更好地适应环境需求和与人类进行交互。
从实际应用角度来看，机械臂柔顺运动控制技术在医疗、家庭助理和协作机器人等领域具有巨大的潜力。
柔性机器人的自主机械臂运动控制研究
柔性机器人的自主机械臂运动控制研究柔性机器人，作为一种崭新的机器人技术，越来越受到人们的关注和重视。
与传统刚性机器人相比，柔性机器人具有更大的自由度、更高的灵活性和更好的适应性。
然而，柔性机器人的自主机械臂运动控制一直是一个具有挑战性的问题。
本文将对柔性机器人的自主机械臂运动控制进行研究和探讨。
一、柔性机器人的特点与挑战柔性机器人与刚性机器人最大的区别在于其柔软的结构。
柔性材料的运用使得机器臂可以实现更复杂的运动，并且能够适应不同的工作环境和任务。
然而，柔性机器人的自主机械臂运动控制面临着一些挑战。
首先，柔性机器人的运动受到非线性和时变特性的影响，使得控制算法的设计复杂化。
其次，柔性材料本身具有一定的延展性和刚度变化，对控制算法的精度和稳定性提出了更高的要求。
因此，如何有效地实现柔性机器人的自主机械臂运动控制成为了一个亟待解决的问题。
二、柔性机器人自主机械臂运动控制的方法针对柔性机器人的自主机械臂运动控制问题，目前学术界和工业界都提出了一些解决方法。
下面将介绍几种常见的方法。
1. 建模与控制建模是柔性机器人运动控制的关键一步。
通过对柔性机器人进行动力学建模和力学建模，可以得到机器人的运动学和动力学特性，为后续的控制算法设计提供基础。
现有的柔性机器人建模方法包括有限元法、模态分析法等。
2. 轨迹规划与优化柔性机器人的轨迹规划与优化主要解决如何使机器人的末端执行器按照既定的轨迹完成任务。
常用的轨迹规划方法有基于模型预测控制的方法、基于优化算法的方法等。
这些方法可以通过对机器人动力学特性和约束条件的考虑，实现更加准确和高效的轨迹规划。
3. 自适应控制自适应控制是指机器人根据外界环境和输入变化自主调整控制策略的能力。
对于柔性机器人的自主机械臂运动控制来说，自适应控制可以提高机器人在不同工作环境下的适应性和鲁棒性。
常见的自适应控制方法包括模型参考自适应控制、模糊自适应控制等。
三、柔性机器人自主机械臂运动控制的应用前景柔性机器人的自主机械臂运动控制不仅对于工业制造领域有着广泛的应用前景，还在医疗、服务机器人等领域有着巨大的潜力。
机器人手臂控制系统的研究与实现
机器人手臂控制系统的研究与实现随着科技和工业的发展，机器人已成为现代工业生产的重要组成部分。
而机器人手臂则作为机器人的核心部件，直接关系到机器人的使用效果。
因此，机器人手臂控制系统的研究与实现具有重要的意义。
一、机器人手臂控制系统的概述机器人手臂控制系统是指通过计算机控制机器人手臂的运动，实现机器人的全部动作。
其主要由硬件和软件两个方面构成。
在硬件方面，机器人手臂控制系统主要由机器人手臂、传感器、执行器等电子和机械部件组成。
这些部件通过组合形成机器人手臂控制系统，实现对机器人手臂的各种运动控制。
在软件方面，机器人手臂控制系统则主要指机器人的控制程序。
通过编写合适的控制程序，计算机可以控制机器人手臂完成各种任务，如抓取、搬运、装配等。
同时，还可以实现机器人的自主控制和智能化。
二、机器人手臂控制系统的实现途径机器人手臂控制系统的实现途径有多种。
其中，基于传统的控制理论的机器人手臂控制系统占主导地位。
这种控制系统采用传统的控制算法，通过PID控制实现对机器人手臂的精确运动控制。
此种方法在实现精度方面具有较大优势，但在处理非线性问题上较为困难。
随着控制理论的发展，机器人手臂的控制算法也开始向模糊控制和神经网络控制发展。
模糊控制和神经网络控制可以更好地处理机器人运动的非线性问题，并且可以实现机器人的学习和自适应控制。
因此，这种方法在现代机器人工业和研究中具有广泛的应用。
三、机器人手臂控制系统的关键技术在机器人手臂控制系统中，传感器和执行器是实现机器人手臂控制的重要部分。
传感器可以实现对机器人周围环境的感知，而执行器则可以控制机器人手臂的运动。
在传感器方面，视觉传感器、力觉传感器和位置传感器等是常用的传感器类型。
视觉传感器可以实现对物体位置和形状的检测；力觉传感器可以实现对物体的力学特性的检测；位置传感器可以实现对机器人手臂位置和方向的感知。
这些传感器可以相互配合，并与控制算法结合使用，实现更加精确的机器人手臂控制。
智行mini2小型服务机器人机械臂的抓取毕业设计
智行mini2小型服务机器人机械臂的抓取毕业设计
随着智能服务机器人的发展，机器人的机械臂已成为重要的组成部分
之一、机械臂的抓取技术是机器人能否完成任务的关键之一、本文以智行mini2小型服务机器人的机械臂抓取技术为研究对象，探讨其实现和优化
方法。
1.检测并定位目标物体：机器人需要实时检测并识别出目标物体的位置，确定抓取的精确位置和方向。
2.计算抓取姿态：抓取姿态是指机械臂在抓取目标物体时的姿态，需
要根据目标物体的形状大小和位置等信息进行计算，并确定最佳的抓取方式。
3.确定抓取策略：根据目标物体的重量、形状、大小、表面特性等信
息确定最佳的抓取方式。
4.安全抓取：机器人需要保障抓取物体的安全，防止物体掉落或损坏。
为了更好地完成以上任务，以下是机械臂抓取技术的实现和优化方法：
1.激光传感器定位：对于小型机器人，激光传感器可以较准确地定位
目标物体，提高机器人抓取的精度和效率。
2.抓取姿态预测算法：利用机器学习等算法，根据目标物体的几何形状、表面特性、摩擦系数等信息，预测最佳的抓取姿态，提高机器人抓取
的成功率。
3.反馈机制优化：引入力传感器等反馈机制，实时监测机器人抓取的
情况，及时调整抓取力度和位置，保障抓取过程中的安全性和稳定性。
机械臂抓取技术的实现和优化对于智能服务机器人的性能提升具有重要作用。
未来随着技术的发展，机械臂的抓取技术将会更加成熟可靠，服务机器人将能够更好地为人类提供服务。
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家庭服务机器人的机械臂控制研究毕业论文目录摘要.......................................... 错误!未定义书签。
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目录 (I)第一章绪论 (1)1.1 家庭服务机器人研究现状 (1)1.1.1 家庭服务机器人概况 (1)1.1.2 家庭服务机器人研究现状及发展趋势 (2)1.2 机械臂的研究现状 (3)1.2.1 机械臂运动学研究现状 (5)1.2.2 机械臂路径规划研究现状 (6)1.2.3 国外机械臂研究现状 (7)1.2.4 国机械臂研究现状 (9)1.3 论文研究容 (11)1.4 本章小结 (12)第二章家庭服务机器人平台搭建 (12)2.1 家庭服务机器人硬件平台 (12)2.2 家庭服务机器人软件平台 (14)2.2.1 ROS平台介绍 (15)2.2.2 ROS平台总体结构 (16)2.2.3 ROS平台的特点 (17)2.3 本章小结 (18)第三章六自由度机械臂运动学模型分析 (19)3.1 刚体位姿的表示 (19)3.2 坐标变换 (21)3.2.1 平移齐次变换 (22)3.2.2 旋转齐次变换 (23)3.2.3 复合齐次变换 (27)3.3 机械臂运动学方程 (28)3.3.1 连杆坐标系 (29)3.3.2 连杆参数 (32)3.3.3 连杆坐标变换 (32)3.4 机械臂逆运动学 (36)3.5 本章小结 (38)第四章六自由度机械臂的避障路径规划 (39)4.1 无障碍路径规划 (39)4.1.1 空间直线插补 (40)4.2 避障路径规划 (42)4.2.1 障碍空间建模 (43)4.2.2 路径搜索 (44)4.3 A*算法 (45)4.3.1 A*算法原理简介 (45)4.3.2 A*算法的实现步骤 (46)4.4 建立障碍空间后路径搜索 (51)4.5 本章小结 (52)第五章机械臂运动的仿真实验 (53)5.1 ROS使用方法 (53)5.2 机械臂的仿真实验 (55)5.3 本章小结 (57)第六章总结与展望 (59)6.1 总结 (59)6.2 展望 (59)参考文献 (60)致谢............................................ 错误!未定义书签。
第一章绪论进入21世纪，社会将面临一个巨大的问题，就是各个国家老龄化越来越严重，越来越多的老人需要被照顾，并且社会保障、社会服务等的需求也越来越大。
因为老龄化的问题，从而也会使青年人的压力越来越大，由于生活节奏的加快和工作上的巨大压力，青年人没有足够的时间和精力来陪伴自己的孩子与父母，因此家庭服务机器人将会有巨大的需求和市场。
然而，机器人的工作基本是靠机械臂来操作，为了能让机器人在不同环境中完成各类工作，所以机械臂的研究将对家庭服务机器人的发展有着重大的意义，使家庭服务机器人的功能更加全面和丰富，帮助人类实现更多的用途。
1.1 家庭服务机器人研究现状1.1.1 家庭服务机器人概况自从20世纪60年代机器人诞生以来，到现在已经历经了50多年，机器人从第一代的示教再现型机器人，到第二代感觉的机器人，再到第三代服务机器人，服务机器人则是第三代机器人中的典型代表。
国际机器人联合会(International Federation of Robotics， IFR)给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备。
服务机器人大致可以分成两大类：一种是提供专业服务的机器人，包括各种现场操控机器人、医疗服务机器人、救援及安全机器人、公共服务机器人、军用机器人等等；另一种是家庭服务机器人，包括提供家务服务、娱乐休闲服务、安全健康服务以及助老助残等服务的机器人[1]。
家庭服务机器人是为人类服务的机器人，能够代替人完成家庭服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等；所述感知装置将在家庭居住环境感知到的信息传送给控制装置，控制装置指令执行装置做出响应，并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制，以及家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。
1.1.2 家庭服务机器人研究现状及发展趋势目前，家庭服务机器人研究主要有以下四大方向：智能家居、家庭教育娱乐、家庭安全健康和信息服务。
我国服务机器人的研究相较于美国、日本等国家起步较晚，虽然从上世纪90年代中期，我国就已经开始了服务机器人相关技术的研究，但是我国服务机器人市场从2005年前后才开始初具规模。
目前，我国开发的家庭服务机器人主要有医疗机器人、智能轮椅机器人、教育、娱乐机器人、清洁机器人等。
清华大学开发了一个7自由度移动式护理机器人，以高位截瘫人员作为护理对象，目标是在无人看护的情况下替患者完成取药、送水、翻书等工作。
中国科学院先进技术研究院把机器人作为重点支持研究方向之一，先后开发了家庭监控机器人（如图1.1）、助行机器人、送菜机器人、小Q娱乐机器人（如图1.2）等服务机器人[2]。
图1.1 中科智酷安防监控机器人图1.2 小Q机器人在一些发达国家，家庭服务机器人的研究得到快速发展。
德国不来梅大学在2004年推出了智能化更高、人性化更好的FRIENDⅡ，该系统集成了ATMEC Robotic GmbH公司生产的模块化手臂和5指手抓，并利用视觉伺服帮助残疾人操作手臂[1]。
美国iRobot公司推出室地毯和地板清洁机器人，具有污物探测功能，可根据房间地面的具体情况进行有重点的清洁。
在日本，本田公司的双足机器人“ASIMO”，步行时速达3km，几乎与人类相同。
索尼QRIO机器人可以漫步、跳舞，做很多高难度动作而且能识别口语并做出回应。
三菱重工的家用机器人“Wakamaru”能识别家庭成员的脸部特征，并通过转动脸部和手腕来表现喜怒哀乐。
韩国的“irobi”机器人不仅能念书、唱歌、讲故事，当家里无人的时候，它还可以确认大门是否上锁以及煤气是否关闭。
假如有人闯进家门，它还可以将其拍摄下来，给主人发电子[3]。
1.2 机械臂的研究现状家庭服务机器人在不同的作业环境下工作，需要不同类型的移动机构和作业机构。
机器人的执行机构和驱动机构将朝着微型化和一体化的方向发展。
开发具有真正操作能力的机器人，必须解决服务机器人的移动机构和作业机构对家庭环境和不同作业任务的适应性问题。
因此，目前，学术界一直热衷于对机械臂的开发。
机械臂是模拟人的上臂而构成的。
为了保证机器人手部有6个空间自由度，其主动关节数目一般为6。
一般情况下，全部关节皆为转动型关节，而且其前3个关节一般都集中在手腕部。
关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械臂中使用最多的一种结构形式。
多关节机械臂的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。
机械臂的发展状况如下：1、第一代机械臂：即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。
目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。
由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。
2、第二代机械臂：即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。
这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。
3、第三代机械臂：这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。
从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。
第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离[4]。
机械臂作为机器人的主要执行装置，是机器人技术中一项重要的研究任务，它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。
机械臂的作用是使末端执行器到达所期望的目标位置处完成相应的作业任务，然而在这过程中，其重点研究的是运动学，设计结构和路径规划。
本章将会主要对大学自主研发的六自由度机械臂进行运动学以及路径规划的研究。
1.2.1 机械臂运动学研究现状机械臂运动学的分析是机械臂路径规划的理论基础，所以，研究和分析机械臂运动学对研究机械臂的控制至关重要。
一般情况下，运动学正解在实际应用中应用不多，只用作获取反馈时末端执行器的位姿，且它的解是唯一的，求解也简单，所以研究的不多，运动学逆解是众多专家学者们的研究热点。
关节逆解问题是机械臂建模和轨迹规划的基础，只有先通过运动学逆解的求解把关节位置转换为关节角度，才能实现对机械臂的控制和抓取。
通常学者们都是用求解非线性方程组的方法求解机械臂逆解。
但是通常使用的方法在实际建立的时候是相当困难也复杂的，现应用较普遍的是Lee 和Ziegler的几何法，数值解法，还有Paul列出的反变换法（即代数法）。
数值解法就是先提供一组变量初始值，根据变量建立一个方程组，利用相关优化方法迭代方程组，使之收敛于适应机构的一组解。
数值解法求解过程比较简单，但是需要提供变量的初始值，这样，选取初始值就成为另一个问题，而且数值法难以确定机构有多少解，也就难以解出全部解。
代数法求解的主要思想是根据各关节变量建立若干个关系式，再消元，在得到只包括一个变量的一元高次方程中解出此关节变量的所有解，再由求出的变量解出所有的中间变量。
在本文中将会使用代数法求取机械臂的逆解。
1.2.2 机械臂路径规划研究现状随着机械臂应用的广泛增加，国际上越来越多的学者研究机械臂的轨迹规划方法，也产生了很多新的轨迹规划算法，从规划空间上，轨迹规划的类型主要分为关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划两种。
在关节空间中，主要有三次多项式插值法，高阶多项式插值法[5]，用抛物线过渡的线性插值法[6]等等。
在笛卡尔空间中，主要有空间直线插补法和空间圆弧插补法[7]等方法。
在避障的路径规划中，有以下几种主要方法：1、传统路径规划方法(a)几何法：对空间环境的几何特征进行抽取，找到起始点和目标点，然后把这两个点用不与障碍物发生碰撞的折线连接起来，搜索得到一条无碰撞路径。
(b)单元划分法：把自由空间划分为许多简单的单元，寻找到起始点、目标点所在的单元，然后对它们之间连续的单元格进行连接，如此便获得了一条连接从起始点到目标点的无碰撞路径。
(c)数学分析法：其核心思想是把路径规划问题视为一组带约束条件的目标函数的求解。
(d)人工势场法：把目标点和障碍物分别视为吸引点与排斥点，沿着这两点产生的合力方向延伸，从而得到所规划的路径。