近年来,机器人受到了企业和科研人员的广泛关注,机械臂作为机器人的一个重要分支也成为了当前研究的热点课题。机械臂在工业、教育、医疗、航天、军事等领域都有所应用。机械臂写字绘画在工业喷标和科普教育中有着广阔的应用空间,为此,本文结合某公司的工程项目,针对机器人书写过程中电机频繁启停影响写字速度和稳定性的问题,设计了基于前瞻插补算法的写字机器人,该写字机器人中首先采用字符和图形提取算法将轨迹转化为连续小线段的形式,并对小线段进行前瞻处理,然后采用加减速插补算法对小线段进一步的插补密化,并将密化后的微小线段通过逆运动学转化为各关节的转动量,最终机械臂能够快速、稳定和准确地书写字符和绘制图形。本文主要研究内容如下:(1)机械臂建模与正逆运动学分析。对D-H参数法建立机械臂模型的原理进行了详细的说明,在此基础上对本文采用的四自由度机械臂进行了建模,然后对机械臂运动学进行了分析,并对逆运动学求解过程中出现的多解进行了优选。(2)机械臂轨迹规划与仿真模拟。对笛卡尔空间和关节空间轨迹规划原理进行了分析。针对写字机器人中使用的加减速直线插补算法的原理和实现过程进行了研究,采用非对称型的速度规划方法实现直线插补算法中的速度和加速度的平滑过渡。为了验证正逆运动学和轨迹规划的正确性,采用Matlab环境中的机器人工具箱对机械臂正逆运动学和轨迹规划进行了仿真模拟。(3)写字控制软件设计和实验验证。首先从整体上对控制软件的结构进行了设计,然后按照表示层、业务逻辑层和数据访问层三层结构对控制系统软件进行了设计,其中核心层是业务逻辑层,该层以实现绘制矢量字符和图形为目标展开设计。针对绘制矢量字符,首先分析了矢量字符在Windows平台中的结构,然后采用.NET提供的类库开发了字符提取算法。针对绘制矢量图形,首先采用绘图软件绘制矢量图形并生成PLT文件,然后以PLT文件为基础开发了图形提取算法。最后对矢量字符和矢量图形中均采用的小线段前瞻算法进行了设计和程序实现,并对算法的有效性通过实验进行了验证。本文的创新点如下:(1)通过对机械臂建模、运动学分析、轨迹规划和上位机控制系统的设计实现了四自由度机械臂绘制矢量字符和图形。(2)使用加减速直线插补算法实现了机器人写字过程中速度和加速度的连续过渡以及轨迹的微量化,提高了书写路径的准确性。采用前瞻算法使路径小线段的初末速度不为零,改善了写字过程中电机转动的连贯性和稳定性,避免了电机的频繁启停,延长了电机的使用寿命,同时也提高了写字速度。实验结果表明,该写字机器人能够正确地书写和绘画,写字的平均速度达到了31mm/s,采用插补算法后书写的最短距离达到了0.02mm,并且该控制系统配有上位机操作界面,能够实时地显示书写过程中的机械臂末端的具体位置。