前言

随着世界各国航空航天、核工业、海洋探测和工业自动化技术的不断发展，机器人越来越多地被应用于大型复杂曲面零件的高精度加工、高危环境的自主作业以及高精度微细操作等复杂任务中。传统的依赖示教和确定性运动定义的轨迹规划方法已经不能满足高端制造和前沿技术领域的智能化需求，具有一定自主决策和规划能力的第三代机器人成为当前世界各国机器人技术研究的方向和焦点。

智能轨迹规划是新一代机器人运动决策的必要手段。存在非确定性信息的条件下，为了使机器人得到最优的运动轨迹，需要智能轨迹规划算法的支撑。本书以中国人民解放军总装备部“中国空间站空间科学手套箱系统研制”、国家科技重大专项（2010ZX04007-11）、国家重点研发计划（2016YFB1100502）、国家自然科学基金（51775542）、中国博士后基金（2019M651145）、辽宁省自然科学基金（2019-ZD-0063）、机器人学国家重点实验室开放课题（2019-O21）为依托，针对现有非确定性信息影响下轨迹规划理论和实践应用的不足，将机器人系统执行任务过程中信息的非确定性分为三个方面，即机器人加工对象几何信息非确定性、机器人运动动态特性非确定性以及机器人运动与传感非确定性，并分别介绍了相应的规划算法，最终得到非确定性信息影响下机器人的最优运动轨迹，提升了机器人运动的精确性、安全性和稳定性。本书着重阐述以下智能轨迹规划方法：

（1）在机器人加工对象几何信息非确定性轨迹规划方面 提出一种离线高精度估计轨迹规划方法。针对高精度机器人加工，讨论机器人轨迹规划过程中与被加工对象之间以及被加工对象本身存在几何非确定性误差时，通过测量加工一体化手段实现机器人高精度加工。提出了基于接触式稀疏点测量的高阶连续分段五次样条拟合方法、法向矢量估计方法，并以机器人搅拌摩擦焊接为例，实现了针对非确定性几何信息的机器人测量加工一体化轨迹规划方法，完成了高精度加工。

（2）在机器人运动动态特性非确定性轨迹规划方面提出一种运动特性多目标轨迹规划方法。在已知机械臂目标位置的情况下，针对机器人中间运动过程动态特性的非确定性，提出了一种在关节空间内的高次样条轨迹描述模型。提取了关键轨迹参数，通过遗传算法进行求解，在优化系统动力学性能的同时，最终得到了一条速度和加速度连续、关节转矩不超过机器人关节转矩极限、关节和末端运动行程较短、运动时间较短，并且能够使整个机械臂成功避开障碍的一条理想轨迹，实现了动态特性非确定性条件下机器人的多目标轨迹规划方法。

（3）在机器人运动与传感非确定性轨迹规划方面 提出了一种机器人受运动和传感误差影响时的轨迹规划和轨迹成功概率评估方法。这种轨迹规划方法是通过建模、概率论及其几何化方法将机器人系统运动与传感随机误差的非确定性相结合，得到机器人在笛卡儿坐标下的期望和方差，定性地判定机器人是否能和周围环境发生干涉碰撞，对机器人系统各位置在整个运动过程的误差概率分布进行估计，并计算机器人到达指定位置区域的成功概率，实现了在轨迹规划阶段考虑机器人操作的成功概率。

本书最后介绍了通过面向对象的模块化编程方法搭建机器人运动控制与图形仿真系统，其开放式体系结构能够兼容多自由度串联结构机器人的控制和仿真。依托该机器人控制与图形仿真系统，对本书提出的轨迹规划算法开展了系统仿真和实验验证，证明了本书提出的轨迹规划方法的有效性和实用性。

祁若龙

2021年1月