仿人服务机器人运动学与路径规划

张明，沈阳工业大学副教授，博士生导师。博士毕业于东北大学机械电子工程专业，于2018年由国家公派(CSC)赴日本高知工科大学联合培养，入选沈阳市高层次创新人才。主要研究方向为柔性机器人技术和磁力减震技术等。主持国家自然科学青年基金项目、辽宁省自然科学基金面上项目、辽宁省教育厅青年项目、教育部产学合作项目等纵向课题五项。参与国家重点研发计划、辽宁省中央引导地方科技发展专项等项目。在国内外重要学术期刊发表学术论文30余篇，授权发明及实用新型专利6项。

第1章 绪论 001

1.1 仿人服务机器人诞生与应用 001

1.2 仿人服务机器人的发展与关键技术 003

1.2.1 仿人服务机器人研究及应用概况 003

1.2.2 机器人运动学原理与前沿 009

1.2.3 路径规划与方法 012

1.2.4 服务机器人机械臂路径规划 015

1.3 关键技术与技术难点 017

第2章 机械臂运动学分析与 019

2.1 机械臂运动学分析与概述 019

2.2 刚体位姿描述方法 020

2.3 机械臂正运动学分析 023

2.4 启发式分层迭代逆解方法 027

2.4.1 FABRIK 方法原理 027

2.4.2 基于C-FABRIK 方法的逆解估计 029

2.4.3 基于解析法的逆运动学方程降维 034

2.4.4 启发式分层迭代逆解方法的实现流程 038

2.4.5 冗余逆解的选取 041

2.5 启发式分层迭代逆解方法的性能分析 042

2.6 机械臂速度与加速度分析 053

2.7 启发式分层迭代逆解方法实验与分析 055

2.7.1 实验设置 056

2.7.2 实验结果与讨论 057

2.8 本章小结 068

第3章 机械臂静态路径规划方法 069

3.1 机械臂静态路径规划方法概述 069

3.2 路径规划 071

3.2.1 位形空间 071

3.2.2 障碍物和规划路径的表示 073

3.3 快进树方法（FMT*）基本原理 074

3.4 基于通知采样技术和任意时间技术的快进树方法（IAFMT*） 078

3.4.1 IAFMT* 方法概述 079

3.4.2 基于混合增量搜索的可行路径规划 082

3.4.3 通知采样技术基本原理 085

3.4.4 基于动态寻搜索的高质量路径规划 086

3.4.5 路径规划中次连接的产生与修正 090

3.5 IAFMT* 方法的性能分析 092

3.5.1 概率完备性 092

3.5.2 渐进性 099

3.5.3 算法复杂度 104

3.6 实验与分析 106

3.6.1 性能测试实验设置 106

3.6.2 性能测试实验结果与讨论 108

3.6.3 机械臂实验与分析 112

3.7 本章小结 115

第4章 机械臂动态路径规划方法 116

4.1 机械臂动态路径规划方法概述 116

4.2 高斯过程回归模型 117

4.3 高斯随机动态路径规划方法 120

4.3.1 动态规划基本框架 120

4.3.2 基于高斯过程回归的随机路径生成 122

4.3.3 局动态平滑路径规划 125

4.4 高斯随机动态路径规划方法的性能分析 130

4.5 机械臂动态避障实验与分析 135

4.6 本章小结 138

第5章 机械臂系统设计与智能取放 139

5.1 机械臂系统设计与智能取放概述 139

5.2 仿人服务机器人实验平台概述 139

5.3 服务机器人机械臂系统设计 145

5.3.1 机械臂系统设计需求分析 145

5.3.2 机械臂整体结构设计 146

5.3.3 机械臂系统硬件选型 147

5.3.4 机械臂控制系统架构 160

5.4 服务机器人抓取系统设计与构建 162

5.4.1 抓取系统总体设计 162

5.4.2 抓取系统的构建 164

5.5 服务机器人取放实验 168

5.5.1 静态规划取放实验设置 168

5.5.2 静态规划取放实验结果与讨论 170

5.5.3 动态规划取放实验设置 175

5.5.4 动态规划取放实验结果与讨论 177

5.6 本章小结 182

参考文献 184

第1章绪论

1.1仿人服务机器人诞生与应用

随着科技的飞速发展，仿人服务机器人已成为服务机器人的重要组成部分。这类机器人模仿人类的外形和行为，集成了机械、信息、材料、智能控制和生物医学等多学科技术，不仅在工业制造领域有着广泛的应用，而且逐渐扩展到医疗、教育、家庭服务等多个领域。仿人服务机器人的发展对于提升国防实力、提高突发事件处理能力、推动经济发展以及改善民众生活水平均具有重大意义1-3)。本书将概述仿人服务机器人的发展历程、关键技术，并介绍仿人服务机器人机械臂的运动学与路径规划，以丰富该领域的相关成果，并为同类机器人的研究提供理论基础和技术支持。

仿人服务机器人的诞生源于人类对机器智能与互动能力的长期追求，科学技术人员怀揣着创造能模拟人类行为和外观的机器人的梦想，致力于开发能够辅助人类的智能助手，他们通过不懈的研究与实验，不断推进机器人技术的发展。随着20世纪中叶科学技术的突飞猛进，这一远大梦想开始逐步成为现实。科技的发展不仅加快了时代的进步，同时也带来了诸多问题，其中劳动力不足问题日益凸显[。与此同时，公众对智能、便捷生活方式的期望日益增长。社会的快速发展让仿人服务机器人技术成为研究热点。该类机器人可以满足家庭护理、公共服务以及危险环境作业等需求。如图1.1所示，意大利技术研究院研制的服务机器人WALK-MAN 正在协助危险救援工作。随着仿人服务机器人技术的不断成熟，人们希望可以通过智能化手段解决劳动力短缺、工作效率低下和作业环境恶劣等问题。如今，从医疗辅助到家庭服务，从灾难救援到空间探索，仿人服务机器人正开启着一个新时代，将科幻梦想转化为推动人类社会进步的现实力量。

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本书以自主研发的仿人家庭服务机器人为研究对象, 着重介绍非球形手腕6自由度串联机械臂的运动学求解方法和路径规划方法, 旨在通过探索机械臂运动、规划、控制的机理, 提升机器人在复杂作业环境中的智能操作水平。