一、串联式机械臂概括
1.应用领域总结分析
近年来，随着工业自动化水平的飞速发展，工业机器人在现代机械制造中发挥着越来越重要的作用，而串联机械臂作为工业制造领域的关键载体对航天、汽车等制造领域正起着越来越重要的作用，尤其在复杂和环境恶劣的作业条件下，更扮演着不可替代的角色。串联机械臂作为一种多学科高度综合的产品，集成了机械、计算机电子、自动控制理论等于一体，其技术水准直接反映了国家工业制造水平，目前广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、木材与家居制造业等领域，提高了各加工制造业的作业效率。比如焊接机器人在机械加工领域中代替传统的人工焊接，不仅提高了焊接效率和焊接精度，而且解决了工人在焊接恶劣条件的安全问题。
由于具有较高的灵活性和多自由度，串联机械臂在许多领域都有广泛应用：
（1）自动化生产线：串联机器人在汽车制造、电子产品组装、食品加工等自动化生产线上发挥重要作用。它们可以完成精细的装配、焊接、喷涂等工作，提高生产效率和产品质量。
（2）医疗和健康：串联机器人在手术、康复辅助和医疗器械制造等领域得到应用。它们可以进行精确的手术操作、康复训练和辅助活动，提高手术精度和患者疗效。
（3）仓储和物流：串联机器人在仓储和物流领域可以完成货物的搬运、分拣和装载等任务。
（4）精密加工：串联机器人在精密加工领域扮演着重要角色，如机械零件加工、精密雕刻和模具制造等。其高精度和灵活性使其能够进行微小尺寸和复杂形状的加工操作。
（5）实验室研究：串联机器人在科学研究和实验室应用中具有广泛的应用。例如，在化学实验、材料测试和生物医学研究中，串联机器人可以进行精确的液体分注、样品处理和实验操作。
（6）危险环境：串联机器人可以在危险环境中代替人工进行操作，如核能厂、爆炸物处理和深海勘探等。它们能够承担高温、高压、有毒或放射性环境下的任务，保护人类的安全。
（7）娱乐和艺术：串联机器人还在娱乐和艺术领域展现出其创造力和表演能力。例如，在舞台表演、电影特效和艺术创作中，串联机器人可以呈现出流畅的舞蹈动作、惊人的表演和艺术装置。
2.机械臂技术研发需求
随着中国工业机器人市场需求的不断增加，开发完全自主的工业机器人控制系统具有不可替代的意义。目前衡量工业机器人性能的重要标准是运行高速以及加工高精度，而这些也是市场非常看重的。其中工业机器人的运动精度和平稳性的基础和保障是平滑的位姿运动，同时速度规划算法的选择决定了机器人运动精度和平滑性，因此研究机器人的前瞻算法和轨迹规划控制算法对于提高机器人的控制精度和运行效率具有重要意义。
（1）机器人轨迹光顺技术
轨迹光顺是机器人轨迹规划中一个不可或缺的部分，通过各种曲线对运行路径进行近似，在满足轨迹弓高误差的情况下，生成新的运动轨迹，消除曲率和切向的不连续性，满足轨迹连续性要求，目前在三轴和五轴机床上应用非常广泛。
（2）机器人奇异位形规避技术
奇异位形是指机构在运动过程中机构的运动学、动力学性能发生瞬间突变，机构处于死点或者自由度减少，使得机构运动能力失常。串联机器人的运动奇异性由其串联机构所决定的，无法消除，产生的不良影响主要表现在两个方面：①自由度减少；②某些关节角速度趋向无穷大，引起机器人失控。
（3）机器人同步前瞻技术
速度前瞻是数控加工技术中的重要一环，基本思想是通过预读一段待运行路径，判断该路径上的高曲率约束点和危险点，提前进行速度规划，保证机床末端运行至危险点之前能够降速至合适速度，平稳过渡危险点后在加速至正常速度。
（4）机器人速度规划和插补技术
速度规划和插补是机器人运动控制中不可缺少的一部分，已知当前段始末点速度和位移，通过速度规划计算出当前段的运动时间，然后插补出每一循环周期的位移。常见的速度规划算法有直线加减速，也被称为梯形加减速，Ｓ曲线加减速，修正梯形加减速，指数型加减速，三角函数加减速等。
二、串联机械臂机构分析
1.机械臂结构分析
通过搭建组装机械臂平台，分析其基本结构与传动方式，并对部件具体尺寸进行测量，可以得到如下的机构简图，并建立对应的工具坐标：
其中，经过多次测量取平均值，测得如下物理结构参数（图中已标注)：
表1：机械臂物理参数
| 数值（mm） | |
|---|---|
| L1 | 152 |
| L2 | 105 |
| L3 | 98 |
| L4 | 182 |
