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本書以機器人智能決策與軌跡規劃方法為研究對象，將機器人系統執行任務過程中的非確定性分為加工幾何對象信息非確定性、動態特性非確定性以及運動與傳感非確定性三大類，分別加以介紹和分析，闡明了機器人智能運動規劃技術的實現途徑。
本書可供機器人自主運動決策和智能規劃的研發和學習人員參考，也可供自動化、機械更相關專業的工作人員閱讀。

適讀人群 ：機器人自主運動決策和智能規劃的研發與學習人員，自動化、機械等相關專業的工作人員

《機器人智能運動規劃技術》是在中國國家空間站建設項目、國家航空航天重大基礎研究項目、型號研制和自然基金的支持下，在多年研究成果的基礎上將具有前沿性的非確定性理論、*優化理論和現代機器人智能決策相融合，結合實際工程應用編寫而成的。
　　《機器人智能運動規劃技術》的使用對象是機器人方向、機械工程、自動化學科的本科生、研究生和具有一定專業知識的科技工作者。
項目詳見后（總裝備部“中國國家空間站空間科學手套箱系統研制”、國家科技重大專項（2010ZX04007-11）、國家重點研發計劃（2016YFB1100502）、國家自然科學基金（51775542）、中國博士后基金（2019M651145）、遼寧省自然科學基金“基于人工智能的機器人自主運動決策技術研究”（2019-ZD-0063）、機器人學國家重點實驗室開放課題（2019-O21））。

隨著世界各國航空航天、核工業、海洋探測和工業自動化技術的不斷發展，機器人越來越多地被應用于大型復雜曲面零件的高精度加工、高危環境的自主作業以及高精度微細操作等復雜任務中。傳統的依賴示教和確定性運動定義的軌跡規劃方法已經不能滿足高端制造和前沿技術領域的智能化需求，具有一定自主決策和規劃能力的第三代機器人成為當前世界各國機器人技術研究的方向和焦點。
智能軌跡規劃是新一代機器人運動決策的必要手段。存在非確定性信息的條件下，為了使機器人得到最優的運動軌跡，需要智能軌跡規劃算法的支撐。本書以中國人民解放軍總裝備部“中國空間站空間科學手套箱系統研制”、國家科技重大專項（2010ZX0400711）、國家重點研發計劃（2016YFB1100502）、國家自然科學基金（51775542）、中國博士后基金（2019M651145）、遼寧省自然科學基金（2019ZD0063）、機器人學國家重點實驗室開放課題（2019O21）為依托，針對現有非確定性信息影響下軌跡規劃理論和實踐應用的不足，將機器人系統執行任務過程中信息的非確定性分為三個方面，即機器人加工對象幾何信息非確定性、機器人運動動態特性非確定性以及機器人運動與傳感非確定性，并分別介紹了相應的規劃算法，最終得到非確定性信息影響下機器人的最優運動軌跡，提升了機器人運動的精確性、安全性和穩定性。本書著重闡述以下智能軌跡規劃方法：
（1）在機器人加工對象幾何信息非確定性軌跡規劃方面提出一種離線高精度估計軌跡規劃方法。針對高精度機器人加工，討論機器人軌跡規劃過程中與被加工對象之間以及被加工對象本身存在幾何非確定性誤差時，通過測量加工一體化手段實現機器人高精度加工。提出了基于接觸式稀疏點測量的高階連續分段五次樣條擬合方法、法向矢量估計方法，并以機器人攪拌摩擦焊接為例，實現了針對非確定性幾何信息的機器人測量加工一體化軌跡規劃方法，完成了高精度加工。
（2）在機器人運動動態特性非確定性軌跡規劃方面提出一種運動特性多目標軌跡規劃方法。在已知機械臂目標位置的情況下，針對機器人中間運動過程動態特性的非確定性，提出了一種在關節空間內的高次樣條軌跡描述模型。提取了關鍵軌跡參數，通過遺傳算法進行求解，在優化系統動力學性能的同時，最終得到了一條速度和加速度連續、關節轉矩不超過機器人關節轉矩極限、關節和末端運動行程較短、運動時間較短，并且能夠使整個機械臂成功避開障礙的一條理想軌跡，實現了動態特性非確定性條件下機器人的多目標軌跡規劃方法。
機器人智能運動規劃技術前言（3）在機器人運動與傳感非確定性軌跡規劃方面提出了一種機器人受運動和傳感誤差影響時的軌跡規劃和軌跡成功概率評估方法。這種軌跡規劃方法是通過建模、概率論及其幾何化方法將機器人系統運動與傳感隨機誤差的非確定性相結合，得到機器人在笛卡兒坐標下的期望和方差，定性地判定機器人是否能和周圍環境發生干涉碰撞，對機器人系統各位置在整個運動過程的誤差概率分布進行估計，并計算機器人到達指定位置區域的成功概率，實現了在軌跡規劃階段考慮機器人操作的成功概率。
本書最后介紹了通過面向對象的模塊化編程方法搭建機器人運動控制與圖形仿真系統，其開放式體系結構能夠兼容多自由度串聯結構機器人的控制和仿真。依托該機器人控制與圖形仿真系統，對本書提出的軌跡規劃算法開展了系統仿真和實驗驗證，證明了本書提出的軌跡規劃方法的有效性和實用性。

祁若龍
2021年1月

祁若龍，男，1983年6月生，博士，沈陽建筑大學副教授，碩士研究生導師。大連理工大學機械電子專業學士學位；大連理工大學機械制造及其自動化專業碩士學位；中國科學院大學模式識別與智能系統專業博士學位。2008年2月，進入中國科學院沈陽自動化研究所工作，從事空間機器人及空間站自動化裝備研發；主持和參與國家空間站建設項目、數控重大專項、國防973課題、國家自然科學基金等國家和省部級課題20余項。獲得中國科學院青年促進人才計劃、2016年中科院機器人創新院青年學術報告1等獎、2016年遼寧省百千萬人才“萬人”層次、2018年沈陽市高級人才等榮譽；發表SCI、EI論文20余篇。
張珂，男，1969年9月生，博士，沈陽建筑大學二級教授，博士研究生導師、副校長。第十三屆全國人大代表，沈陽市特等勞動模范。教育部“長江學者”特聘教授、國家“萬人計劃”百千萬工程領軍人才、國務院特殊津貼專家、遼寧省高校攀登學者、遼寧省特聘教授、教育部新世紀人才、沈陽市創新型領軍人才。近年來，承擔完成國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、國家“十三五”重點研發計劃等國家及省部級以上科研課題60余項。獲得國家技術發明二等獎、國家科技進步二等獎、中國專利金獎、華夏建設二等獎等科技獎勵16項。

前言
第1章導論
11背景及意義
12機器人運動規劃研究現狀及趨勢
121機器人加工對象幾何信息非確定性軌跡規劃研究現狀
122機器人運動動態特性非確定性軌跡規劃研究現狀
123機器人運動與傳感非確定性軌跡規劃研究現狀
124機器人開放式運動控制與規劃平臺研究
13本章小結
第2章機器人高精度加工幾何非確定性規劃
21加工幾何非確定性測量方法
22機器人接觸式測量
221測量加工一體化機器人
222接觸式測量原理
223測量適應性分析
23五次分段樣條擬合
231三次樣條邊界估計
232五次樣條擬合
24軌跡離散插補
25加工法向矢量估計
251偽刀位點法向矢量估計
252刀位點計算
26算法精度測試
27本章小結

第3章機器人運動特性多目標軌跡規劃
31引言
32關節空間樣條描述
321避障軌跡規劃
322軌跡樣條描述
33優化參數提取
331中間點參數
332參數提取
333基于快速擴展樹的初始估計
34遺傳算法優化
341引言
342適應度指標函數
343末端軌跡長度計算
344轉矩超限計算
345關節角增量之和計算
346干涉檢驗
347遺傳規則
35本章小結
機器人智能運動規劃技術目錄第4章機器人運動與傳感誤差軌跡規劃評估
41引言
42機器人非確定性模型
421機器人運動非確定性模型
422機器人傳感非確定性模型
423模型線性化表示
43先驗概率估計
431卡爾曼濾波估計
432軌跡閉環修正
433軌跡非確定性估計
44誤差概率幾何表示
441方差幾何化過程
442機器人方差的空間映射
45軌跡成功概率評估
451機器人三維碰撞定性評估
452機器人碰撞概率定量計算
453到達目的點成功概率計算
46本章小結
第5章機器人軌跡規劃仿真與實驗驗證
51引言
52機器人運動控制圖形仿真平臺構建
521控制系統體系構架
522實時數據流方法
523圖形系統仿真方法
53機器人離線高精度估計軌跡規劃驗證
531軌跡規劃仿真平臺
532機器人高精度加工實驗
54機器人運動特性多目標軌跡規劃驗證
541多目標軌跡規劃實驗
542軌跡優化過程測試
543實際避障測試
55機器人運動與傳感誤差軌跡規劃驗證
551機械臂仿真與實驗
552移動機器人仿真與實驗
56本章小結
參考文獻