S06
机械臂抓取与操作
高中 · 10–12 年级 · 10 课时 × 40–45 分钟
核心问题：怎样让机械臂在不确定的环境中稳定抓取目标？
项目目标
- 掌握正逆运动学与轨迹插补
- 能实现视觉伺服与抓取位姿估计
- 能设计失败检测与重试策略，提高成功率
领域落点
AI：感知—规划—控制闭环在操作任务中的体现
硬件：八界 6 轴机械臂（教学现场）、二指夹爪、深度相机、力/电流检测
算法：DH 参数、逆解、轨迹规划、视觉伺服
10 课时大纲
2 + 6 + 2| 课次 | 课题 / 驱动问题 | 关键知识点 | 学生任务 | 产出 |
|---|---|---|---|---|
| L01 | 操作任务与坐标系 抓取到底涉及几个坐标系？ | 基座/末端/相机/物体坐标；手眼标定；抓取位姿定义 | 完成一次手眼标定，测量标定误差，并画出四个坐标系的关系。 | 手眼标定结果 |
| L02 | 正逆运动学 关节角与末端位置怎样互相换算？ | DH 参数；正解；逆解多解与奇异点 | 推导/调用 6 轴逆解，在工作空间内采样 50 点，统计位置误差与无解区域。 | 运动学验证 |
| L03 | 轨迹规划与插补 怎样走得稳而不是“抖”？ | 关节空间/笛卡尔空间；梯形/ S 曲线速度规划；限速与限加速度 | 实现梯形速度插补，比较有无平滑时的振动与到位时间。 | 轨迹规划程序 |
| L04 | 夹爪与力控 夹紧力多大才合适？ | 电流检测估计夹持力；柔性抓取；滑动检测 | 用不同夹持力抓鸡蛋/纸杯/积木，记录成功率与变形情况。 | 夹持力实验 |
| L05 | 视觉伺服 看着目标，边看边修正 | 基于图像的视觉伺服 IBVS；位置伺服 PBVS；延迟与稳定性 | 实现 PBVS：相机检测目标偏移，迭代调整末端直到居中，记录收敛步数。 | 视觉伺服 demo |
| L06 | 抓取位姿估计 从哪个方向下爪？ | 2D 框→3D 位姿；抓取质量评估；碰撞检查 | 对 10 个物体生成候选抓取位姿，按质量评分排序并验证前 3 个。 | 抓取位姿列表 |
| L07 | 失败检测与重试 抓空了怎么办？ | 失败信号：电流/视觉/力；重试策略；状态回滚 | 设计“抓空/滑落/碰撞”三类检测，加入最多 3 次重试，统计最终成功率。 | 重试策略 + 数据 |
| L08 | 桌面整理任务 综合任务：把桌面收拾干净 | 任务分解；物体分类与放置；异常处理 | 完成“识别—抓取—分类放置”全流程，连续处理 8 个物体，记录节拍。 | 整理任务视频 |
| L09 | 成功率与节拍优化 快与稳的平衡 | 成功率分解；动作并行；路径优化 | 定位最耗时动作，优化后对比成功率与平均节拍，要求成功率不下降。 | 优化对比表 |
| L10 | 演示 让机器人自己完成一次接待 | 演示脚本；安全围栏；失败兜底 | 设计 3 分钟自主演示：取物—递送—归位，包含一次人为干扰的恢复。 | 演示 + 安全预案 |
说明：本页是教程副本（大纲级），不是完整课件。完整课件、教案、学案、代码与仿真场景按学校进度单独导出。