1. 运动规划概述：从定义到落地

大家好，我是你们这门课的老朋友。咱们今天开篇，聊聊运动规划到底是个啥。

说实话，我入行那会儿，运动规划还没这么火。那时候做工业机器人，大部分时候就是“示教-再现”——我拿着示教器，一点一点把路径调好，机器人就傻傻地重复。但现在不一样了，环境变了，任务复杂了，机器人得自己“想”怎么走。这就是运动规划要干的事。

1.1 运动规划的定义

运动规划，说白了就是：给定一个起点和一个终点，在满足各种约束（别撞墙、关节别超限、速度别太快）的前提下，找出一条可行的路径，并且能生成让机器人动起来的指令序列。

它包含两个层面：

• 路径规划：只关心空间中的几何路径，不管时间。比如从A点到B点，画一条不撞障碍物的线。
• 轨迹规划：在路径的基础上，加上时间信息。比如什么时候加速、什么时候减速、以多快的速度通过某个点。

1.2 运动规划的分类：全局 vs 局部

运动规划的分类方式很多，但最核心的分法，就是全局规划和局部规划。这俩概念，你在任何一本机器人学教材里都会看到，但实际用起来，差别很大。

维度	全局规划	局部规划
环境信息	已知完整地图	未知或部分已知，靠传感器实时感知
计算时机	离线或任务开始前	在线、实时
典型算法	A*、Dijkstra、RRT、PRM	DWA、TEB、人工势场法
输出	从起点到终点的完整路径	当前时刻到下一时刻的速度/转向指令
优缺点	能找到最优解，但环境变了就失效	能应对动态障碍，但容易陷入局部最优

你想想看，全局规划就像你出发前用手机地图规划了一条路线。这条路是固定的，你知道哪里有红绿灯、哪里有转弯。但如果你开到一半，前面封路了，手机地图没更新，你就傻眼了。这时候就需要局部规划——你看到封路牌子，自己临时绕一下。

1.3 应用场景：工业、服务、医疗

运动规划不是实验室里的玩具，它已经渗透到各个行业了。我挑三个最典型的场景聊聊。

1.3.1 工业场景

这是运动规划的老本行。焊接、喷涂、搬运、装配，哪个环节都离不开。

• 焊接：焊缝路径要平滑，机器人姿态要连续，不然焊出来全是渣。我记得有个汽车底盘项目，焊缝路径规划没做好，机器人每焊到拐角就抖一下，焊出来的东西跟狗啃的一样。
• 喷涂：喷枪离工件表面的距离要恒定，速度要均匀，不然漆面厚度不一致。这里涉及到的是曲面上的轨迹规划，比平面复杂得多。
• 码垛：箱子要码得整齐，路径要短，还要避免抓取时碰撞。这里常用的是笛卡尔空间直线/圆弧插补，咱们后面会详细讲。

1.3.2 服务场景

服务机器人这几年火得不行。扫地机器人、送餐机器人、导览机器人，它们都在做运动规划。

• 扫地机器人：它得规划出一条能覆盖整个房间的路径，同时避开拖鞋、电线、宠物。这里常用的是全覆盖路径规划，不是简单的A点到B点。
• 送餐机器人：在餐厅里穿梭，要避开人、避开桌子、避开其他机器人。环境是动态的，所以局部规划是核心。
• 导览机器人：在博物馆里带路，要能根据参观者的位置实时调整路径。这里涉及到人机共融，规划出来的路径不能太机械，要让人觉得自然。

1.3.3 医疗场景

医疗机器人对运动规划的要求最高，因为容错率几乎为零。

• 手术机器人：比如达芬奇系统，机械臂要穿过小孔进入人体，在狭小空间里操作。路径规划必须考虑运动学约束和安全性，不能碰到任何重要组织。
• 康复机器人：帮助患者做康复训练，轨迹要平滑、要符合人体运动规律。这里用的是阻抗控制和力位混合规划，不是简单的位置跟踪。
• 导航机器人：比如医院里的物流机器人，要运送药品、标本。路径规划要考虑洁净区和污染区的隔离，不能乱窜。

1.4 运动规划的知识体系

为了让你对这门课有个整体印象，我画了一张图。这张图涵盖了运动规划的核心知识模块，也是咱们这门课的主线。

这张图把运动规划拆成了三大块：路径规划、轨迹规划和避障策略。咱们这门课，就是围绕这三块展开的。每一块我都会带你从原理讲到代码实现，再讲到实际项目中的坑。

1.5 本章小结

好了，第一章的内容就这些。咱们回顾一下重点：

• 运动规划 = 路径规划 + 轨迹规划，一个管空间，一个管时间。
• 全局规划适合已知环境，局部规划适合动态环境，两者要结合使用。
• 工业、服务、医疗三个场景对运动规划的要求各不相同，但核心逻辑是相通的。