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本書(shū)以機(jī)器人智能決策與軌跡規(guī)劃方法為研究對(duì)象，將機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的非確定性分為加工幾何對(duì)象信息非確定性、動(dòng)態(tài)特性非確定性以及運(yùn)動(dòng)與傳感非確定性三大類，分別加以介紹和分析，闡明了機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑。
本書(shū)可供機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)決策和智能規(guī)劃的研發(fā)和學(xué)習(xí)人員參考，也可供自動(dòng)化、機(jī)械更相關(guān)專業(yè)的工作人員閱讀。

適讀人群 ：機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)決策和智能規(guī)劃的研發(fā)與學(xué)習(xí)人員，自動(dòng)化、機(jī)械等相關(guān)專業(yè)的工作人員

《機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)》是在中國(guó)國(guó)家空間站建設(shè)項(xiàng)目、國(guó)家航空航天重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、型號(hào)研制和自然基金的支持下，在多年研究成果的基礎(chǔ)上將具有前沿性的非確定性理論、*優(yōu)化理論和現(xiàn)代機(jī)器人智能決策相融合，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用編寫(xiě)而成的。
　　《機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)》的使用對(duì)象是機(jī)器人方向、機(jī)械工程、自動(dòng)化學(xué)科的本科生、研究生和具有一定專業(yè)知識(shí)的科技工作者。
項(xiàng)目詳見(jiàn)后（總裝備部“中國(guó)國(guó)家空間站空間科學(xué)手套箱系統(tǒng)研制”、國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2010ZX04007-11）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB1100502）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51775542）、中國(guó)博士后基金（2019M651145）、遼寧省自然科學(xué)基金“基于人工智能的機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)決策技術(shù)研究”（2019-ZD-0063）、機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（2019-O21））。

隨著世界各國(guó)航空航天、核工業(yè)、海洋探測(cè)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人越來(lái)越多地被應(yīng)用于大型復(fù)雜曲面零件的高精度加工、高危環(huán)境的自主作業(yè)以及高精度微細(xì)操作等復(fù)雜任務(wù)中。傳統(tǒng)的依賴示教和確定性運(yùn)動(dòng)定義的軌跡規(guī)劃方法已經(jīng)不能滿足高端制造和前沿技術(shù)領(lǐng)域的智能化需求，具有一定自主決策和規(guī)劃能力的第三代機(jī)器人成為當(dāng)前世界各國(guó)機(jī)器人技術(shù)研究的方向和焦點(diǎn)。
智能軌跡規(guī)劃是新一代機(jī)器人運(yùn)動(dòng)決策的必要手段。存在非確定性信息的條件下，為了使機(jī)器人得到最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要智能軌跡規(guī)劃算法的支撐。本書(shū)以中國(guó)人民解放軍總裝備部“中國(guó)空間站空間科學(xué)手套箱系統(tǒng)研制”、國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2010ZX0400711）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB1100502）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51775542）、中國(guó)博士后基金（2019M651145）、遼寧省自然科學(xué)基金（2019ZD0063）、機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（2019O21）為依托，針對(duì)現(xiàn)有非確定性信息影響下軌跡規(guī)劃理論和實(shí)踐應(yīng)用的不足，將機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中信息的非確定性分為三個(gè)方面，即機(jī)器人加工對(duì)象幾何信息非確定性、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性非確定性以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與傳感非確定性，并分別介紹了相應(yīng)的規(guī)劃算法，最終得到非確定性信息影響下機(jī)器人的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，提升了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確性、安全性和穩(wěn)定性。本書(shū)著重闡述以下智能軌跡規(guī)劃方法：
（1）在機(jī)器人加工對(duì)象幾何信息非確定性軌跡規(guī)劃方面提出一種離線高精度估計(jì)軌跡規(guī)劃方法。針對(duì)高精度機(jī)器人加工，討論機(jī)器人軌跡規(guī)劃過(guò)程中與被加工對(duì)象之間以及被加工對(duì)象本身存在幾何非確定性誤差時(shí)，通過(guò)測(cè)量加工一體化手段實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度加工。提出了基于接觸式稀疏點(diǎn)測(cè)量的高階連續(xù)分段五次樣條擬合方法、法向矢量估計(jì)方法，并以機(jī)器人攪拌摩擦焊接為例，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)非確定性幾何信息的機(jī)器人測(cè)量加工一體化軌跡規(guī)劃方法，完成了高精度加工。
（2）在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性非確定性軌跡規(guī)劃方面提出一種運(yùn)動(dòng)特性多目標(biāo)軌跡規(guī)劃方法。在已知機(jī)械臂目標(biāo)位置的情況下，針對(duì)機(jī)器人中間運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的非確定性，提出了一種在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的高次樣條軌跡描述模型。提取了關(guān)鍵軌跡參數(shù)，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行求解，在優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)，最終得到了一條速度和加速度連續(xù)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩不超過(guò)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩極限、關(guān)節(jié)和末端運(yùn)動(dòng)行程較短、運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，并且能夠使整個(gè)機(jī)械臂成功避開(kāi)障礙的一條理想軌跡，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)特性非確定性條件下機(jī)器人的多目標(biāo)軌跡規(guī)劃方法。
機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)前言（3）在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與傳感非確定性軌跡規(guī)劃方面提出了一種機(jī)器人受運(yùn)動(dòng)和傳感誤差影響時(shí)的軌跡規(guī)劃和軌跡成功概率評(píng)估方法。這種軌跡規(guī)劃方法是通過(guò)建模、概率論及其幾何化方法將機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與傳感隨機(jī)誤差的非確定性相結(jié)合，得到機(jī)器人在笛卡兒坐標(biāo)下的期望和方差，定性地判定機(jī)器人是否能和周?chē)h(huán)境發(fā)生干涉碰撞，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)各位置在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的誤差概率分布進(jìn)行估計(jì)，并計(jì)算機(jī)器人到達(dá)指定位置區(qū)域的成功概率，實(shí)現(xiàn)了在軌跡規(guī)劃階段考慮機(jī)器人操作的成功概率。
本書(shū)最后介紹了通過(guò)面向?qū)ο蟮哪K化編程方法搭建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與圖形仿真系統(tǒng)，其開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)能夠兼容多自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人的控制和仿真。依托該機(jī)器人控制與圖形仿真系統(tǒng)，對(duì)本書(shū)提出的軌跡規(guī)劃算法開(kāi)展了系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本書(shū)提出的軌跡規(guī)劃方法的有效性和實(shí)用性。

祁若龍
2021年1月

祁若龍，男，1983年6月生，博士，沈陽(yáng)建筑大學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師。大連理工大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)學(xué)士學(xué)位；大連理工大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)碩士學(xué)位；中國(guó)科學(xué)院大學(xué)模式識(shí)別與智能系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位。2008年2月，進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所工作，從事空間機(jī)器人及空間站自動(dòng)化裝備研發(fā)；主持和參與國(guó)家空間站建設(shè)項(xiàng)目、數(shù)控重大專項(xiàng)、國(guó)防973課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等國(guó)家和省部級(jí)課題20余項(xiàng)。獲得中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)人才計(jì)劃、2016年中科院機(jī)器人創(chuàng)新院青年學(xué)術(shù)報(bào)告1等獎(jiǎng)、2016年遼寧省百千萬(wàn)人才“萬(wàn)人”層次、2018年沈陽(yáng)市高級(jí)人才等榮譽(yù)；發(fā)表SCI、EI論文20余篇。
張珂，男，1969年9月生，博士，沈陽(yáng)建筑大學(xué)二級(jí)教授，博士研究生導(dǎo)師、副校長(zhǎng)。第十三屆全國(guó)人大代表，沈陽(yáng)市特等勞動(dòng)模范。教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授、國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”百千萬(wàn)工程領(lǐng)軍人才、國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、遼寧省高校攀登學(xué)者、遼寧省特聘教授、教育部新世紀(jì)人才、沈陽(yáng)市創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才。近年來(lái)，承擔(dān)完成國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國(guó)家及省部級(jí)以上科研課題60余項(xiàng)。獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)專利金獎(jiǎng)、華夏建設(shè)二等獎(jiǎng)等科技獎(jiǎng)勵(lì)16項(xiàng)。

前言
第1章導(dǎo)論
11背景及意義
12機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
121機(jī)器人加工對(duì)象幾何信息非確定性軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀
122機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性非確定性軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀
123機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與傳感非確定性軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀
124機(jī)器人開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃平臺(tái)研究
13本章小結(jié)
第2章機(jī)器人高精度加工幾何非確定性規(guī)劃
21加工幾何非確定性測(cè)量方法
22機(jī)器人接觸式測(cè)量
221測(cè)量加工一體化機(jī)器人
222接觸式測(cè)量原理
223測(cè)量適應(yīng)性分析
23五次分段樣條擬合
231三次樣條邊界估計(jì)
232五次樣條擬合
24軌跡離散插補(bǔ)
25加工法向矢量估計(jì)
251偽刀位點(diǎn)法向矢量估計(jì)
252刀位點(diǎn)計(jì)算
26算法精度測(cè)試
27本章小結(jié)

第3章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性多目標(biāo)軌跡規(guī)劃
31引言
32關(guān)節(jié)空間樣條描述
321避障軌跡規(guī)劃
322軌跡樣條描述
33優(yōu)化參數(shù)提取
331中間點(diǎn)參數(shù)
332參數(shù)提取
333基于快速擴(kuò)展樹(shù)的初始估計(jì)
34遺傳算法優(yōu)化
341引言
342適應(yīng)度指標(biāo)函數(shù)
343末端軌跡長(zhǎng)度計(jì)算
344轉(zhuǎn)矩超限計(jì)算
345關(guān)節(jié)角增量之和計(jì)算
346干涉檢驗(yàn)
347遺傳規(guī)則
35本章小結(jié)
機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)目錄第4章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與傳感誤差軌跡規(guī)劃評(píng)估
41引言
42機(jī)器人非確定性模型
421機(jī)器人運(yùn)動(dòng)非確定性模型
422機(jī)器人傳感非確定性模型
423模型線性化表示
43先驗(yàn)概率估計(jì)
431卡爾曼濾波估計(jì)
432軌跡閉環(huán)修正
433軌跡非確定性估計(jì)
44誤差概率幾何表示
441方差幾何化過(guò)程
442機(jī)器人方差的空間映射
45軌跡成功概率評(píng)估
451機(jī)器人三維碰撞定性評(píng)估
452機(jī)器人碰撞概率定量計(jì)算
453到達(dá)目的點(diǎn)成功概率計(jì)算
46本章小結(jié)
第5章機(jī)器人軌跡規(guī)劃仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
51引言
52機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制圖形仿真平臺(tái)構(gòu)建
521控制系統(tǒng)體系構(gòu)架
522實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流方法
523圖形系統(tǒng)仿真方法
53機(jī)器人離線高精度估計(jì)軌跡規(guī)劃驗(yàn)證
531軌跡規(guī)劃仿真平臺(tái)
532機(jī)器人高精度加工實(shí)驗(yàn)
54機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性多目標(biāo)軌跡規(guī)劃驗(yàn)證
541多目標(biāo)軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)
542軌跡優(yōu)化過(guò)程測(cè)試
543實(shí)際避障測(cè)試
55機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與傳感誤差軌跡規(guī)劃驗(yàn)證
551機(jī)械臂仿真與實(shí)驗(yàn)
552移動(dòng)機(jī)器人仿真與實(shí)驗(yàn)
56本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)