仿人服務(wù)機(jī)器人在外形、行為設(shè)計(jì)上模仿人類(lèi)，同時(shí)兼具可移動(dòng)性和可操作性，能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類(lèi)提供必要服務(wù)，亦是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。本書(shū)以自主研發(fā)的仿人家庭服務(wù)機(jī)器人為研究對(duì)象，著重介紹非球形手腕6 自由度串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法和路徑規(guī)劃方法，旨在通過(guò)探索機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、規(guī)劃、控制的機(jī)理，提升機(jī)器人在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中的智能操作水平。
本書(shū)適宜機(jī)器人行業(yè)以及機(jī)械、自控、電氣等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員閱讀，也可供醫(yī)療、康復(fù)、物流、軍事等領(lǐng)域技術(shù)人員參考。

張明，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)，于2018年由國(guó)家公派(CSC)赴日本高知工科大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，入選沈陽(yáng)市高層次創(chuàng)新人才。主要研究方向?yàn)槿嵝詸C(jī)器人技術(shù)和磁力減震技術(shù)等。主持國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目，遼寧省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，遼寧省教育廳青年項(xiàng)目，教育部產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目等縱向課題五項(xiàng)。參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，授權(quán)發(fā)明及實(shí)用新型專(zhuān)利6項(xiàng)。

服務(wù)機(jī)器人是未來(lái)社會(huì)的重要組成部分，可以完成多項(xiàng)日常工作，而仿人機(jī)器人，尤其是智能仿人機(jī)器人將是其重要組成部分。仿人服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃將是完成各種功能的基礎(chǔ)，也是其核心價(jià)值的體現(xiàn)，必將成為今后相關(guān)技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)。

隨著科技飛速發(fā)展，機(jī)器人也不再只以單一的形式存在，市場(chǎng)上各種形態(tài)的機(jī)器人層出不窮，而智能仿人服務(wù)機(jī)器人集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)等多門(mén)學(xué)科于一體，其發(fā)展代表著一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展水平，因此受到廣泛關(guān)注。智能仿人服務(wù)機(jī)器人在提高處理突發(fā)事件水平、促進(jìn)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善人民群眾生活水平中發(fā)揮著重要作用，但其在復(fù)雜環(huán)境下的自主規(guī)劃和操作能力尚存不足。本書(shū)介紹仿人服務(wù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和路徑規(guī)劃方法，旨在提高仿人服務(wù)機(jī)器人智能化水平。
機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和路徑規(guī)劃方法在仿人服務(wù)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。本書(shū)圍繞機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、路徑規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建、智能抓取等幾方面進(jìn)行介紹。第1章介紹仿人服務(wù)機(jī)器人相關(guān)研究背景，針對(duì)重要理論技術(shù)進(jìn)行較為全面的綜述，提出當(dāng)前存在的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)。第2章對(duì)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，介紹一種求解效率高、不依賴(lài)初始值、可同時(shí)計(jì)算多組解的啟發(fā)式分層迭代逆解方法，以實(shí)現(xiàn)該機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的高精度快速計(jì)算。第3章詳細(xì)闡述了一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的快進(jìn)樹(shù)方法，該方法結(jié)合了通知采樣技術(shù)和任意時(shí)間技術(shù)，旨在克服高維復(fù)雜路徑規(guī)劃問(wèn)題中普遍存在的效率低下、自適應(yīng)性不足以及規(guī)劃結(jié)果質(zhì)量欠佳的難題。第4章提出一種基于高斯過(guò)程回歸的局部路徑規(guī)劃方法，提升了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)避障能力。第5章構(gòu)建了服務(wù)機(jī)器人抓取系統(tǒng)，并以此服務(wù)機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，綜合利用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法，進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下的物品智能取放實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了前述機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和路徑規(guī)劃方法的可行性和有效性。
本書(shū)第1章由沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)張明和劉廣輝撰寫(xiě)；第2章由張明撰寫(xiě)；第3、4章由沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)徐靖撰寫(xiě)；第5章由劉廣輝撰寫(xiě)。本書(shū)由張明負(fù)責(zé)統(tǒng)稿工作。黃程宣、李理想、蔡鑫宇、李洪濤、溫建明、趙泰任、劉佳龍、崔浩東、韓易君、王福暉、田博文等參與了本書(shū)的編寫(xiě)工作。在此對(duì)支持和幫助筆者的各位領(lǐng)導(dǎo)和同事表示衷心感謝。同時(shí)對(duì)各參考文獻(xiàn)的作者表示誠(chéng)摯的謝意。
本書(shū)的研究和出版得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52005344），遼寧省自然科學(xué)基金（2022-MS-271）和教育部產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目（220504422174121）的支持，在此致以深切的謝意。
鑒于筆者水平有限，書(shū)中不足之處 懇請(qǐng)各位讀者批評(píng)指正。

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
張明、徐靖、劉廣輝

第1章 緒論 001
1.1 仿人服務(wù)機(jī)器人誕生與應(yīng)用 001
1.2 仿人服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù) 003
1.2.1 仿人服務(wù)機(jī)器人研究及應(yīng)用概況 003
1.2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理與前沿 009
1.2.3 路徑規(guī)劃與方法 012
1.2.4 服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂路徑規(guī)劃 015
1.3 關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點(diǎn) 017

第2章 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真 019
2.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真概述 019
2.2 剛體位姿描述方法 020
2.3 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 023
2.4 啟發(fā)式分層迭代逆解方法 027
2.4.1 FABRIK 方法原理 027
2.4.2 基于C-FABRIK 方法的逆解估計(jì) 029
2.4.3 基于解析法的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程降維 034
2.4.4 啟發(fā)式分層迭代逆解方法的實(shí)現(xiàn)流程 038
2.4.5 冗余逆解的選取 041
2.5 啟發(fā)式分層迭代逆解方法的性能分析 042
2.6 機(jī)械臂速度與加速度分析 053
2.7 啟發(fā)式分層迭代逆解方法仿真實(shí)驗(yàn)與分析 055
2.7.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 056
2.7.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 057
2.8 本章小結(jié) 068

第3章 機(jī)械臂靜態(tài)路徑規(guī)劃方法 069
3.1 機(jī)械臂靜態(tài)路徑規(guī)劃方法概述 069
3.2 路徑規(guī)劃 071
3.2.1 位形空間 071
3.2.2 障礙物和規(guī)劃路徑的表示 073
3.3 快進(jìn)樹(shù)方法（FMT*）基本原理 074
3.4 基于通知采樣技術(shù)和任意時(shí)間技術(shù)的快進(jìn)樹(shù)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徑規(guī)劃 082
3.4.3 通知采樣技術(shù)基本原理 085
3.4.4 基于動(dòng)態(tài)尋優(yōu)搜索的高質(zhì)量路徑規(guī)劃 086
3.4.5 路徑規(guī)劃中次優(yōu)連接的產(chǎn)生與修正 090
3.5 IAFMT* 方法的性能分析 092
3.5.1 概率完備性 092
3.5.2 漸進(jìn)最優(yōu)性 099
3.5.3 算法復(fù)雜度 104
3.6 實(shí)驗(yàn)與分析 106
3.6.1 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置 106
3.6.2 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 108
3.6.3 機(jī)械臂仿真實(shí)驗(yàn)與分析 112
3.7 本章小結(jié) 115

第4章 機(jī)械臂動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法 116
4.1 機(jī)械臂動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法概述 116
4.2 高斯過(guò)程回歸模型 117
4.3 高斯隨機(jī)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法 120
4.3.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃基本框架 120
4.3.2 基于高斯過(guò)程回歸的隨機(jī)路徑生成 122
4.3.3 局部動(dòng)態(tài)平滑路徑規(guī)劃 125
4.4 高斯隨機(jī)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法的性能分析 130
4.5 機(jī)械臂動(dòng)態(tài)避障實(shí)驗(yàn)與分析 135
4.6 本章小結(jié) 138

第5章 機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能取放 139
5.1 機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能取放概述 139
5.2 仿人服務(wù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述 139
5.3 服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì) 145
5.3.1 機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析 145
5.3.2 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 146
5.3.3 機(jī)械臂系統(tǒng)硬件選型 147
5.3.4 機(jī)械臂控制系統(tǒng)架構(gòu) 160
5.4 服務(wù)機(jī)器人抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建 162
5.4.1 抓取系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 162
5.4.2 抓取系統(tǒng)的構(gòu)建 164
5.5 服務(wù)機(jī)器人取放實(shí)驗(yàn) 168
5.5.1 靜態(tài)規(guī)劃取放實(shí)驗(yàn)設(shè)置 168
5.5.2 靜態(tài)規(guī)劃取放實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 170
5.5.3 動(dòng)態(tài)規(guī)劃取放實(shí)驗(yàn)設(shè)置 175
5.5.4 動(dòng)態(tài)規(guī)劃取放實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 177
5.6 本章小結(jié) 182

參考文獻(xiàn) 184