劉辛軍

(清華大學(xué)機(jī)械工程系 北京 100084)

1 引 言

機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)承擔(dān)著創(chuàng)新發(fā)明具有不同形態(tài)和功能的智能化裝備的使命，是機(jī)械工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，在高端制造、康復(fù)醫(yī)療、航空航天等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著積極的作用，機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)的良好發(fā)展是提升國家高端裝備設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵。

隨著工程應(yīng)用的發(fā)展，越來越復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境對機(jī)器的環(huán)境適應(yīng)能力和交互特性等方面提出了新的要求，機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)的研究進(jìn)入多學(xué)科交叉的新階段。機(jī)構(gòu)學(xué)將面向重大需求，為高性能裝備的研制提供基礎(chǔ)理論，逐步從一般機(jī)構(gòu)學(xué)、真實(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展到行為機(jī)構(gòu)學(xué)，與生命、材料、傳感、控制等學(xué)科交叉，朝著柔/軟體、剛-柔-軟耦合、變剛度、變形態(tài)等方向發(fā)展。機(jī)器人學(xué)則面向未來，與信息、計(jì)算、測量等學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)移動定位局部精細(xì)化作業(yè)、人機(jī)協(xié)作和多機(jī)協(xié)同，為改善人類生活和生產(chǎn)方式提供有效方案。

2 內(nèi)涵與意義

機(jī)構(gòu)學(xué)是研究自然界中承載、傳遞、縮放運(yùn)動/力的復(fù)雜系統(tǒng)組成原理的一門學(xué)科，其研究的主要目的是根據(jù)功能及性能要求發(fā)明和設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新充分體現(xiàn)了機(jī)械裝備發(fā)明的核心特征。機(jī)器人是多輸入、多輸出、智能化的現(xiàn)代高端裝備系統(tǒng)，集成了多學(xué)科交叉融合與技術(shù)創(chuàng)新成果，已成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)綜合競爭力的重要指標(biāo)。近三十年來，各國學(xué)者在機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)在高端制造、工程機(jī)械、康復(fù)醫(yī)療、武器裝備、航空航天等眾多領(lǐng)域，發(fā)揮了無可替代的積極作用。

作為機(jī)械工程領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)日漸成熟，相關(guān)研究也越來越趨近于邊界，機(jī)構(gòu)學(xué)的研究進(jìn)入解決重大工程應(yīng)用需求的多學(xué)科交叉新階段，仿生機(jī)構(gòu)與機(jī)器人、折展機(jī)構(gòu)與變形態(tài)機(jī)器人、智能結(jié)構(gòu)與機(jī)械超材料等新形態(tài)機(jī)構(gòu)與機(jī)器人層出不窮，為機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)的前沿研究注入了不竭的動力。

3 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

18 世紀(jì)下半葉，在力學(xué)的基礎(chǔ)上，機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展為一門獨(dú)立的學(xué)科，其主要任務(wù)是研究自然界生命體和機(jī)器的機(jī)構(gòu)組成原理，形成了以揭示“內(nèi)在規(guī)律”的研究為主要目標(biāo)的一般機(jī)構(gòu)學(xué)。在該階段，機(jī)構(gòu)學(xué)促進(jìn)了蒸汽機(jī)、挖掘機(jī)、抽油機(jī)等機(jī)器的創(chuàng)新發(fā)明與應(yīng)用。

隨著機(jī)器(如機(jī)床、機(jī)器人等)性能要求的不斷提升，以及機(jī)器應(yīng)用范圍的不斷推廣，以“內(nèi)在規(guī)律”研究為主的一般機(jī)構(gòu)學(xué)逐漸難以滿足設(shè)計(jì)需求。機(jī)構(gòu)運(yùn)動副的間隙、磨損、遲滯、柔性、突變等特性使機(jī)器性能的非線性和復(fù)雜度增加，給高速、高精度、高靈活性機(jī)構(gòu)帶來了不可忽視的影響?；诶硐肭闆r的機(jī)構(gòu)學(xué)模型不能描述上述特性，從而誕生了以“行為屬性”研究為主要任務(wù)的真實(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)。對真實(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)的研究，促進(jìn)了多軸聯(lián)動機(jī)床、超精密定位平臺、機(jī)器人等現(xiàn)代機(jī)器的創(chuàng)新發(fā)明、性能提升和工業(yè)應(yīng)用。

近年來，機(jī)器人及其他復(fù)雜機(jī)器的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境復(fù)雜度急劇增加，對機(jī)器的環(huán)境適應(yīng)能力和交互特性等提出了新的要求，如運(yùn)動/力和能量的傳遞、變剛度、變形態(tài)、變拓?fù)涞葯C(jī)構(gòu)自身的行為，加工、行走、操作等接觸行為，機(jī)器與人的交互共融和機(jī)器與外界的交互行為[1-3]。以機(jī)器人為例，輪、足、履等類型的移動機(jī)器人與地面的強(qiáng)適應(yīng)；進(jìn)行物品抓取、障礙清除、醫(yī)療手術(shù)、病人護(hù)理、星球采樣等工作的作業(yè)機(jī)器人與環(huán)境/人的頻繁強(qiáng)非線性交互；在高端制造和國防領(lǐng)域，機(jī)器人集群化作業(yè)需求等，要求機(jī)器人不僅自身需要具備單體高性能，而且需要具有機(jī)-機(jī)、機(jī)-人、機(jī)-環(huán)境的交互與協(xié)作能力。這使得基于“交互特性”的行為機(jī)構(gòu)學(xué)研究迫在眉睫。

因此，機(jī)構(gòu)學(xué)將面向戰(zhàn)略需求，為高性能裝備研制提供基礎(chǔ)理論支持，構(gòu)建并完善從一般機(jī)構(gòu)學(xué)、真實(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)到行為機(jī)構(gòu)學(xué)的理論體系，由剛性向柔性和軟體、剛-柔-軟耦合、變剛度、變形態(tài)、高靈活度等方向發(fā)展[4]。機(jī)器人領(lǐng)域則面向未來，為改善人類生活和生產(chǎn)方式提供有效方案，由單機(jī)器人向人機(jī)協(xié)作再向多機(jī)協(xié)同和移動定位局部精細(xì)化作業(yè)方向發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人、連續(xù)體和軟體機(jī)器人、仿生移動機(jī)器人、結(jié)構(gòu)-感知-控制類生命機(jī)器人將成為研究熱點(diǎn)[5-6]。機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)發(fā)展趨勢如圖 1 所示。

圖1 機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)發(fā)展趨勢Fig. 1 The developing trend of mechanisms and robotics

4 重點(diǎn)研究內(nèi)容

4.1 行為機(jī)構(gòu)學(xué)

行為機(jī)構(gòu)學(xué)是以機(jī)構(gòu)與機(jī)器的行為學(xué)研究為基礎(chǔ)，揭示自然生命體和人造機(jī)器的機(jī)構(gòu)組成原理，研究運(yùn)動/力和能量傳遞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與自然界行為交互，具有特定功能或性能且能完成特定工程應(yīng)用的機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)理論；研究機(jī)構(gòu)與機(jī)器用以適應(yīng)環(huán)境(任務(wù))變化的各種系統(tǒng)反應(yīng)的組合，在機(jī)構(gòu)自身層面，研究其變剛度、變形態(tài)、變拓?fù)涞刃袨椋辉跈C(jī)器與外界交互層面，研究加工、行走、操作等接觸行為，機(jī)器與人/機(jī)器交互共融等行為，探索以機(jī)器行為驅(qū)動的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

4.2 共融機(jī)器人

面向作業(yè)、定位、避障等多元化任務(wù)需求，提高機(jī)器人與人、環(huán)境和其他機(jī)器人的交互適應(yīng)能力，通過任務(wù)驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)、分析、控制方法與理論體系，形成共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論體系[7]，主要體現(xiàn)如下。

探索人-機(jī)器人-環(huán)境之間運(yùn)動與力耦合作用的多元系統(tǒng)模型，探明基于自然交互的人-機(jī)器人操作技能傳授的有效途徑，突破人、機(jī)、物共享資源的安全狀態(tài)評估。

研究機(jī)器人對環(huán)境信息的獲取與融合處理、對人行為意圖的學(xué)習(xí)與準(zhǔn)確判讀、對人機(jī)交互協(xié)作的決策與規(guī)劃控制等，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的深度融合與高效協(xié)作。

探究機(jī)器人對人行為意圖的理解機(jī)制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人融入人的正常生產(chǎn)、與人合作交互，使機(jī)器人具備靈巧作業(yè)及智能決策的能力，解決機(jī)器人等高端裝備與人、環(huán)境共融的核心問題。

研究分布式通信、通訊協(xié)議與架構(gòu)以及環(huán)境感知機(jī)制、多機(jī)器人協(xié)調(diào)協(xié)作與任務(wù)分配機(jī)制，解決機(jī)器人間交互方法、信息共享、群體智能表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)高效智能協(xié)作。

通過多種形式的人與機(jī)器人間以及機(jī)器人與機(jī)器人間的共駐空間、共享資源和協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)人類智慧與機(jī)器人技能的最大化，滿足智能制造、康復(fù)醫(yī)療和國防安全等國家戰(zhàn)略的重大需求。

5 結(jié) 語

當(dāng)今世界，全球科技和產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈，大國戰(zhàn)略博弈進(jìn)一步聚焦高科技領(lǐng)域。機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域正處于承前啟后、創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵時期。我國機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)界應(yīng)當(dāng)直面挑戰(zhàn)、抓住機(jī)遇，繼承學(xué)科發(fā)展的優(yōu)良傳統(tǒng)，以求真為導(dǎo)向，以謀變?yōu)榘l(fā)展，堅(jiān)持做“面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康”的研究，用務(wù)實(shí)的科研成果為我國的創(chuàng)新發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。