平行操纵器的配置歧管比串行操纵器表现出更多的非线性。从定性上讲，它们可以看到额外的褶皱。通过将这种歧管投射到工程相关性的空间上，例如输出工作区或输入执行器空间，这些折叠式的边缘呈现出表现非滑动行为的边缘。例如，在五杆链接的全局工作空间边界内显示了几个局部工作空间边界，这些边界仅限于该机制的某些输出模式。当专门研究这些投影而不是配置歧管本身时，这种边界的存在在输入和输出投影中都表现出来。特别是，非对称平行操纵器的设计已被其输入和输出空间中的外来投影所困扰。在本文中，我们用半径图表示配置空间，然后通过使用同型延续来量化传输质量来解决每个边缘。然后，我们采用图路径计划器来近似于避免传输质量区域的配置点之间的大地测量。我们的方法会自动生成能够在非邻居输出模式之间过渡的路径，该运动涉及示波多个工作空间边界（局部，全局或两者）。我们将技术应用于两个非对称五杆示例，这些示例表明如何通过切换输出模式来选择工作空间的传输属性和其他特征。

工业机器人操纵器（例如柯机）的应用可能需要在具有静态和非静态障碍物组合的环境中有效的在线运动计划。当可用的计算时间受到限制或无法完全产生解决方案时，现有的通用计划方法通常会产生较差的质量解决方案。我们提出了一个新的运动计划框架，旨在在用户定义的任务空间中运行，而不是机器人的工作空间，该框架有意将工作空间一般性交易，以计划和执行时间效率。我们的框架自动构建在线查询的轨迹库，类似于利用离线计算的以前方法。重要的是，我们的方法还提供了轨迹长度上有限的次级优势保证。关键的想法是建立称为$ \ epsilon $ -Gromov-Hausdorff近似值的近似异构体，以便在任务空间附近的点也很接近配置空间。这些边界关系进一步意味着可以平稳地串联轨迹，这使我们的框架能够解决批次查询方案，目的是找到最小长度的轨迹顺序，这些轨迹访问一组无序的目标。我们通过几种运动型配置评估了模拟框架，包括安装在移动基础上的操纵器。结果表明，我们的方法可实现可行的实时应用，并为扩展其功能提供了有趣的机会。

诸如操纵器之类的铰接机器人必须在不确定和动态的环境中运行，例如，相互作用（例如与人类同事）是必要的。在这种情况下，必须快速适应操作空间限制的意外变化的能力至关重要。在操纵器的配置空间中的某些点（称为奇异点），机器人失去了一个或多个自由度（DOF），并且无法在特定的操作空间方向上移动。无法在操作空间中朝任意方向移动会损害适应性和安全性。我们引入了一个几何感知奇异性索引，该索引在对称正定定义矩阵上使用Riemannian度量定义，以提供与奇异构型的接近度的度量。我们证明我们的索引避免了其他共同指数固有的某些故障模式和困难。此外，我们表明该索引可以轻松区分，使其与用于操作空间控制的局部优化方法兼容。我们的实验结果表明，对于遵循任务的到达和路径，基于我们的索引优化优于一种常见的可操作性最大化技术，并确保奇异性运动动作。

在机器学习中调用多种假设需要了解歧管的几何形状和维度，理论决定了需要多少样本。但是，在应用程序数据中，采样可能不均匀，歧管属性是未知的，并且（可能）非纯化；这意味着社区必须适应本地结构。我们介绍了一种用于推断相似性内核提供数据的自适应邻域的算法。从本地保守的邻域（Gabriel）图开始，我们根据加权对应物进行迭代率稀疏。在每个步骤中，线性程序在全球范围内产生最小的社区，并且体积统计数据揭示了邻居离群值可能违反了歧管几何形状。我们将自适应邻域应用于非线性维度降低，地球计算和维度估计。与标准算法的比较，例如使用K-Nearest邻居，证明了它们的实用性。

解决逆运动学问题是针对清晰机器人的运动计划，控制和校准的基本挑战。这些机器人的运动学模型通常通过关节角度进行参数化，从而在机器人构型和最终效果姿势之间产生复杂的映射。或者，可以使用机器人附加点之间的不变距离来表示运动学模型和任务约束。在本文中，我们将基于距离的逆运动学的等效性和大量铰接式机器人和任务约束的距离几何问题进行形式化。与以前的方法不同，我们使用距离几何形状和低级别矩阵完成之间的连接来通过局部优化完成部分欧几里得距离矩阵来找到逆运动学解决方案。此外，我们用固定级革兰氏矩阵的Riemannian歧管来参数欧几里得距离矩阵的空间，从而使我们能够利用各种成熟的Riemannian优化方法。最后，我们表明，绑定的平滑性可用于生成知情的初始化，而无需大量的计算开销，从而改善收敛性。我们证明，我们的逆运动求解器比传统技术获得更高的成功率，并且在涉及许多工作区约束的问题上大大优于它们。

在这项工作中，我们提出了一个基于工作空间的计划框架，尽管它使用冗余工作空间密钥点代表机器人状态，但可以利用可解释的几何信息，从而为复杂的机器人提供高质量的无碰撞路径。使用工作空间几何形状，我们首先找到每个钥匙点的无碰撞线性路径，以便在每个段的端点上，在密钥点之间满足距离约束。使用这些零件线性路径作为初始条件，我们可以执行优化步骤，以快速找到满足各种约束并将所有段组合在一起以获得有效路径的路径。我们表明，这些调整后的路径不太可能造成碰撞，并且建议的方法很快，可以产生良好的效果。

The ability to convert reciprocating, i.e., alternating, actuation into rotary motion using linkages is hindered fundamentally by their poor torque transmission capability around kinematic singularity configurations. Here, we harness the elastic potential energy of a linear spring attached to the coupler link of four-bar mechanisms to manipulate force transmission around the kinematic singularities. We developed a theoretical model to explore the parameter space for proper force transmission in slider-crank and rocker-crank four-bar kinematics. Finally, we verified the proposed model and methodology by building and testing a macro-scale prototype of a slider-crank mechanism. We expect this approach to enable the development of small-scale rotary engines and robotic devices with closed kinematic chains dealing with serial kinematic singularities, such as linkages and parallel manipulators.

沿规定的任务空间路径的冗余机器人的轨迹的离线最佳规划通常分为两个连续的过程：首先，任务空间路径倒置以获得一个联合空间路径，然后，后者通过时间定律进行参数化。如果两个过程分开，它们将无法优化相同的目标函数，最终提供了次优的结果。在本文中，提出了一种统一的方法，而动态编程是基础优化技术。它的灵活性允许安装任意约束和客观功能，从而为真实系统的最佳计划提供了一个通用框架。为了证明其适用于现实世界情景，该框架是实例化的，以进行时间优势。与数值求解器相比，所提出的方法提供了基础分辨率过程的可见性，从而超出了最佳轨迹的计算以外的进一步分析。该框架的有效性已在真正的7度自由串行链上证明。还讨论和解决了与实际控制器上执行最佳轨迹相关的问题。实验表明，所提出的框架能够有效利用运动学冗余，以优化计划级别定义的性能索引，并生成可行的轨迹，这些轨迹可以在真实硬件上执行，并具有令人满意的结果。

Tendon-driven robots, where one or more tendons under tension bend and manipulate a flexible backbone, can improve minimally invasive surgeries involving difficult-to-reach regions in the human body. Planning motions safely within constrained anatomical environments requires accuracy and efficiency in shape estimation and collision checking. Tendon robots that employ arbitrarily-routed tendons can achieve complex and interesting shapes, enabling them to travel to difficult-to-reach anatomical regions. Arbitrarily-routed tendon-driven robots have unintuitive nonlinear kinematics. Therefore, we envision clinicians leveraging an assistive interactive-rate motion planner to automatically generate collision-free trajectories to clinician-specified destinations during minimally-invasive surgical procedures. Standard motion-planning techniques cannot achieve interactive-rate motion planning with the current expensive tendon robot kinematic models. In this work, we present a 3-phase motion-planning system for arbitrarily-routed tendon-driven robots with a Precompute phase, a Load phase, and a Supervisory Control phase. Our system achieves an interactive rate by developing a fast kinematic model (over 1,000 times faster than current models), a fast voxel collision method (27.6 times faster than standard methods), and leveraging a precomputed roadmap of the entire robot workspace with pre-voxelized vertices and edges. In simulated experiments, we show that our motion-planning method achieves high tip-position accuracy and generates plans at 14.8 Hz on average in a segmented collapsed lung pleural space anatomical environment. Our results show that our method is 17,700 times faster than popular off-the-shelf motion planning algorithms with standard FK and collision detection approaches. Our open-source code is available online.

许多数值优化技术的收敛性对提供给求解器的初始猜测高度敏感。我们提出了一种基于张量方法的方法，以初始化靠近全局Optima的现有优化求解器。该方法仅使用成本函数的定义，不需要访问任何良好解决方案的数据库。我们首先将成本函数（这是任务参数和优化变量的函数）转换为概率密度函数。与将任务参数设置为常数的现有方法不同，我们将它们视为另一组随机变量，并使用替代概率模型近似任务参数的关节概率分布和优化变量。对于给定的任务，我们就给定的任务参数从条件分布中生成样本，并将其用作优化求解器的初始化。由于调节和来自任意密度函数的调节和采样具有挑战性，因此我们使用张量列车分解来获得替代概率模型，我们可以从中有效地获得条件模型和样品。该方法可以为给定任务产生来自不同模式的多个解决方案。我们首先通过将其应用于各种具有挑战性的基准函数来评估该方法以进行数值优化，这些功能很难使用基于梯度的优化求解器以幼稚的初始化来求解，这表明所提出的方法可以生成靠近全局优化的样品，并且来自多种模式。 。然后，我们通过将所提出的方法应用于7-DOF操纵器来证明框架的通用性及其与机器人技术的相关性。

本文介绍了经典懒惰的概率路线图算法（Lazy PRM）的修订，该算法是由配对PRM和一种新颖的分支和切割（BC）算法产生的。切割是动态生成的约束，这些约束在PRM选择的几何图上施加的最低成本路径。削减消除无法映射到满足适当定义运动学约束的平滑计划中的路径。我们通过在最低成本路径中将花键拟合到顶点来生成候选平滑计划。使用最近提出的算法对计划进行了验证，该算法将它们映射到有限的痕迹中，而无需选择固定的离散步骤。痕量元素准确地描述了计划交叉约束边界何时模拟算术精度。我们使用我们最近提出的谷仓基准的方法评估了几个计划者，我们报告了方法可扩展性的证据。

当球体在平面上遵循直线路径时，本文涉及旋转轧制球体的运动规划。由于球体的运动受到直线的约束，因此球体的旋转运动的控制对于收敛到球体的期望配置是必不可少的。在本文中，我们展示了一种基于新的基于几何的规划方法，其基于该非线性系统的全状态描述。首先，提出了运动规划的问题陈述。接下来，我们通过使用Darboux帧运动学开发作为虚拟表面实现的几何控制器。该虚拟表面产生基于弧长的输入，用于控制球体的轨迹。然后，迭代算法旨在调整所需配置的这些输入。模拟验证了所提出的方法的可行性。

Despite recent progress on trajectory planning of multiple robots and path planning of a single tethered robot, planning of multiple tethered robots to reach their individual targets without entanglements remains a challenging problem. In this paper, we present a complete approach to address this problem. Firstly, we propose a multi-robot tether-aware representation of homotopy, using which we can efficiently evaluate the feasibility and safety of a potential path in terms of (1) the cable length required to reach a target following the path, and (2) the risk of entanglements with the cables of other robots. Then, the proposed representation is applied in a decentralized and online planning framework that includes a graph-based kinodynamic trajectory finder and an optimization-based trajectory refinement, to generate entanglement-free, collision-free and dynamically feasible trajectories. The efficiency of the proposed homotopy representation is compared against existing single and multiple tethered robot planning approaches. Simulations with up to 8 UAVs show the effectiveness of the approach in entanglement prevention and its real-time capabilities. Flight experiments using 3 tethered UAVs verify the practicality of the presented approach.

快速，可靠地找到准确的逆运动学（IK）解决方案仍然是机器人操纵的挑战性问题。现有的数值求解器广泛适用，但依赖于本地搜索技术来管理高度非关键目标函数。最近，基于学习的方法已显示出有望作为生成快速准确的IK结果的一种手段。可以轻松地将学习的求解器与端到端系统中的其他学习算法集成在一起。但是，基于学习的方法具有致命的脚跟：每个感兴趣的机器人都需要一个专门的模型，必须从头开始训练。为了解决这一关键缺点，我们研究了一种新颖的距离几何机器人表示，并与图形结构相结合，使我们能够利用图形神经网络（GNNS）的灵活性。我们使用这种方法来训练第一个学到的生成图形逆运动学（GGIK）求解器，它至关重要的是，“机器人 - 敏捷” - 单个模型能够为各种不同的机器人提供IK解决方案。此外，GGIK的生成性质使求解器可以同时生产大量不同的解决方案，并与最小的额外计算时间同行，使其适用于诸如基于采样的运动计划之类的应用。最后，GGIK可以通过提供可靠的初始化来补充本地IK求解器。这些优势以及使用与任务相关的先验并通过新数据不断改进的能力表明，GGIK有可能成为灵活的，基于学习的机器人操作系统的关键组成部分。

运动规划和导航，特别是对于在复杂导航环境中运行的移动机器人，自机器人启动以来一直是一个核心问题。一种解决它的启发式方法是构造基于图形的表示（路径），捕获配置空间的连接。概率路线图是机器人社区的常用方法，为导航移动机器人路径规划构建路径。在该研究中，提出了通过在障碍物的存在下从PRM获得路径之后的移动机器人路径规划的路径平坦化。所提出的方法以两个步骤运行;第一个在障碍物存在环境中生成初始状态之间的最短路径，其中通过连接中间节点来使用PRM来构造直线路径。第二步是通过节点存在引起的每个角落平滑。使用弧形圆角刮削角落确保移动机器人的光滑转弯。用不同的PRM功能模拟和测试了建议的方法。实验结果表明，构造的路径不仅仅是提供平稳的转动;在避免障碍时，它也更短且更快地完成机器人。

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

本文着重于影响弹性的移动机器人的碰撞运动计划和控制的新兴范式转移，并开发了一个统一的层次结构框架，用于在未知和部分观察的杂物空间中导航。在较低级别上，我们开发了一种变形恢复控制和轨迹重新启动策略，该策略处理可能在本地运行时发生的碰撞。低级系统会积极检测碰撞（通过内部内置的移动机器人上的嵌入式霍尔效应传感器），使机器人能够从其内部恢复，并在本地调整后影响后的轨迹。然后，在高层，我们提出了一种基于搜索的计划算法，以确定如何最好地利用潜在的碰撞来改善某些指标，例如控制能量和计算时间。我们的方法建立在A*带有跳跃点的基础上。我们生成了一种新颖的启发式功能，并进行了碰撞检查和调整技术，从而使A*算法通过利用和利用可能的碰撞来更快地收敛到达目标。通过将全局A*算法和局部变形恢复和重新融合策略以及该框架的各个组件相结合而生成的整体分层框架在模拟和实验中都经过了广泛的测试。一项消融研究借鉴了与基于搜索的最先进的避免碰撞计划者（用于整体框架）的链接，以及基于搜索的避免碰撞和基于采样的碰撞 - 碰撞 - 全球规划师（对于更高的较高的碰撞 - 等级）。结果证明了我们的方法在未知环境中具有碰撞的运动计划和控制的功效，在2D中运行的一类撞击弹性机器人具有孤立的障碍物。

人类和机器人的动态运动是由姿势依赖性的非线性相互作用在自由程度之间广泛驱动的。但是，在研究人类运动产生的机制时，这些动力学效应仍被忽略。受最近作品的启发，我们假设人类运动计划为地球协同序列，因此对应于用分段最小能量实现的协调关节运动。基础计算模型建立在Riemannian几何形状上，以说明身体的惯性特征。通过对各种人类手臂运动的分析，我们发现我们的模型片段运动转化为测量协同作用，并成功预测了观察到的手臂姿势，手动轨迹及其各自的速度曲线。此外，我们表明我们的分析可以进一步利用，以通过将单个人类协同作用作为机器人配置空间中的地球途径转移到机器人中。

本文提出了一种有效的算法来解决$ k $最短的非副总体路径计划（$ k $ -snpp）问题。通过加速对2D环境的同拷贝增强空间的效率低下的探索，我们的基本思想是尽早确定非最佳路径拓扑，并终止沿它们的路径。这是一种非平凡的做法，因为当局部最短路径尚未完全构造时，必须在路径计划过程的中间状态下完成。换句话说，要比较的路径尚未在目标位置上进行划分，这使得同义理论，对具有相同端点的路径之间的空间关系建模，而不是适用。本文是开发基于系统的基于距离的拓扑简化机制来解决$ k $ -SNPP任务的第一份工作，其核心贡献是在构造它们之前主张基于距离的本地最短路径的基于距离的顺序。如果可以预测该订单，则证明具有超过$ K $的那些路径拓扑被证明没有所需的$ K $路径，因此可以在路径计划过程中安全丢弃。为此，提出了一棵层次拓扑树作为该机制的实现，其节点被证明可以在非副主导方向和边缘（无碰撞路径段）中扩展，在局部最短。有了有效的标准，可以观察到将部分构造的本地最短路径之间的顺序关系赋予树，将不会扩展以非 - $ k $最佳拓扑扩展的树节点。结果，解决$ K $ -SNPP问题的计算时间减少了两个数量级。

在此备忘录中，我们开发了一般框架，它允许同时研究$ \ MathBB R ^ D $和惠特尼在$ \ Mathbb r的离散和非离散子集附近的insoctry扩展问题附近的标签和未标记的近对准数据问题。^ d $与某些几何形状。此外，我们调查了与集群，维度减少，流形学习，视觉以及最小的能量分区，差异和最小最大优化的相关工作。给出了谐波分析，计算机视觉，歧管学习和与我们工作的信号处理中的众多开放问题。本发明内容中的一部分工作基于纸张中查尔斯Fefferman的联合研究[48]，[49]，[50]，[51]。