1. 研究目的与意义
在机器人技术不断发展的今天，机器人应用场景也在不断地延伸到各个行业。
特别是近年来随着互联网的发展，人们进行网上购物的需求增加，随之产生了大量的物流快递。
相较于传统的人工挑选方式，已不能满足人们对物流时效性的要求，特别是新冠疫情的发生，逐渐暴露出传统人力的缺陷。
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2. 课题关键问题和重难点
此课题机械臂设计主要分为两大部分，即建模和电控。
其建模过程极为繁琐，由于该机械臂在市场上并无标准件可购买，所以机械臂的各个零件都需要自己在三维建模软件上一一绘制，这就需要及其强大的想象力及绘图能力。
待零件绘图完成，还必须考虑零件与零件之间是否存在相互干涉，由于零件数量极为庞大，所以干涉较多，在排除干涉过程中，若不慎漏掉几个干涉，则会导致机械臂在运行过程中角度受阻。
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3. 国内外研究现状（文献综述）
机械臂是一种能够按照给定指令准确无误地实现某些动作的自动化产品。它既可以在某些不适宜人类工作的场合运行，也可以不知枯燥地重复着机械式工作，积大提高了生产效率和降低了成本。机械臂分为多种，功能和用途各不相同，应用余各行各业，上至工业领域的大型机械臂，小到桌面机械臂。Arduino Uno R3是一款兼便捷性和灵活性为一体的电子开发板，自发布以来获得了全球电子创客的认可，通过该平台自身所带的丰富的在线函数库，使其有着成本低，上手快等优点，吸引了大量电子创客进行二次开发。本文设计的机械臂是以Arduino Uno R3，依靠蓝牙通信原理实现对机械臂的远程操控，实现了机械臂的抓取和分拣。
基于对机械臂的应用研究中，本人查阅了一些参考文献，进一步了解机械结构和库中函数的基本内容，学习前人对机械臂的研究方法及思路。
在参考文献[1]的研究中，作者以数学和计算机建模两个方面同时入手研究机械臂的行为和运动，阐述了正向和反向运动学基本原理，分析了每个关节处的期望角度，进而确定了末端执行器的位置。提出了用齐次变换矩阵来减少引入PID控制器时带来的误差，重点讨论了末端执行器在立方体平面中的位置。其次，实现X-Y平面运动的PID控制器，，以减少伺服电机造成的角度位置误差。最后，开发了一个GUI来控制机器人手臂移动到所需的X-Y点位置。
在参考文献[2]机械手臂结构设计与性能分析研究中，基于能量法和卡氏定理对机器人系统的整体刚度进行计算。再通过整机有限元模型进行验证，采用平行四边形框架对角推缸驱动的结构形式，设计了一种具有机械臂的机器人系统。采用冗余驱动的方式提升机器人的刚度及静态特性，减少了由于关节内减速器柔性、齿隙等因素造成的传动误差使机器人关节刚度变差对传动精度的影响。
在参考文献[3]面向智能物流的机械臂自主分拣系统设计中，综述了机械臂的国内外研究现状，分析总结了机械臂分拣系统、视觉系统、运动控制的设计。其次，研究分析了ROS自主分拣系统特点，得出ROS的系统框架。分析了Yolo v3目标识别与定位算法，对识别与定位精度、检测速度进行多方面综合分析，并且对比了其他大多数算法，保证该算法可以保证分拣系统的实时性要求，并且在对不同尺寸的物体检测以及对分布集的目标也有出色的检验表现。
在参考文献[4]基于Arduino Uno R3的蓝牙操控机械臂设计中，详细介绍了机械臂程序使用到的两个库。通过SoftwareSerial库中的SoftwareSerial BTserial()函数设置 Arduino Uno R3的 7，8号引脚作为模拟串口通信的引脚。利用Servo函数定义四个舵机，并用attcah()函数将Servo变量附加到引脚。采用write()函数向舵机写入一个数值，以此设定齿轮角度。通过改变齿轮角度，使得齿轮转到相应的位置。
在参考文献[5]基于正逆运动学分析的机械臂时间最优轨迹规划研究中，针对机械臂末端执行器的位姿矩阵特性，提出一种结合位姿分离思想的几何求逆优化算法。将逆运动学求解分为三个步骤，分别为解的多样性、解的存在性以及求解方法。阐述了结合位姿分离思想的机械臂几何求逆优化算法较传统方法的优点，旨在将几何法和代数法中的旋转矩阵特性相结合，快速求出所有解。
在参考文献[6]基于迭代学习的三自由度机械臂轨迹跟踪控制中，针对用于三自由度机械臂各关节末端轨迹跟踪控制的非线性系统在扰动存在的情况下跟踪效率较低的问题，提出一种变增益迭代学习控制律。利用拉格朗日法建立动力学方程，设计三自由度机械臂结构的变增益迭代学习控制器并进行收敛性分析，通过 Matlab 的 Simulink 仿真模块，构建三自由度机械臂控制系统仿真图，得知基于变增益迭代学习的三自由度机械臂在干扰的状态下，能较短时间内收敛到期望轨迹。
在阅读了上述的参考文献之后加深了对机械结构和库中函数的基本内容的了解，运动算法在机械臂关节运动轨迹中发挥着重要作用，为了更好得在分拣和抓取时进行路径规划，减少关节间的误差，提高落点精确度，本人将深入研究机械臂在抓取中的应用。
参考文献:
[1]Karim M Z B A, Thamrin N M. Servo Motor Controller using PID and Graphical User Interface on Raspberry Pi for Robotic Arm[C]//Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2022, 2319(1): 012015.
[2]乔凌霄,甘恩宁,李世婕,徐善智,张晓荣.基于Arduino Uno R3的蓝牙操控机械臂设计[J].电子质量,2022(04):50-52.
[3]王刚,宋英杰,唐武生,赵强,周露露.基于迭代学习的三自由度机械臂轨迹跟踪控制[J].吉林大学学报(信息科学版),2021,39(04):389-396.DOI:10.19292/j.cnki.jdxxp.2021.04.018.
[4]邓超.面向智能物流的机械臂自主分拣系统设计[D].西安理工大学,2021.DOI:10.27398/d.cnki.gxalu.2021.000907.
[5]程浩田. 基于正逆运动学分析的机械臂时间最优轨迹规划研究[D].中北大学,2021.DOI:10.27470/d.cnki.ghbgc.2021.000224.
[6]孙龙飞,房立金.机械手臂结构设计与性能分析[J].农业机械学报,2017,48(09):402-410.
4. 研究方案
本文所设计的机械臂主要由机械部分和电控部分组成，其中机械部分由旋转轴a、b、c、d四部分组成。
a轴安装在旋转底座中，使底座能在一定角度旋转。
b轴两端均有电机，而c轴处则无需安装电机。
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5. 工作计划
第1周：查找阅读基于Arduino控制的智能机械臂设计相关文献；
第2周：完成外文翻译和开题报告，经老师确认后上传“毕设系统”；
第3周：确定思路，确定分块，确定内容前后逻辑思维，撰写目录；
第4周：了解智能机械臂的基本内容与现状，阅读文献，确定智能机械臂的应用研究方法及思路；
第5周：完成“毕业设计中期检查表”；
第6周：参考文献及建模方法，对机械臂模型及关节运动展开分析，进行对机械臂控制策略的研究及仿真；
第7周：整理各个数据，根据评估标准进行总结分析；
第8周：撰写总结，进行排版，完成毕业论文初稿、第一次论文查重；
第9周：检查、修改、完善设计成品，定稿，第二次论文查重；
第10周：提交报告（论文）终稿及相应的查重报告；
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