機構與機器人學發(fā)展思考

劉辛軍

(清華大學機械工程系 北京 100084)

1 引 言

機構與機器人學承擔著創(chuàng)新發(fā)明具有不同形態(tài)和功能的智能化裝備的使命，是機械工程領域的基礎學科，在高端制造、康復醫(yī)療、航空航天等眾多領域發(fā)揮著積極的作用，機構與機器人學的良好發(fā)展是提升國家高端裝備設計水平的關鍵。

隨著工程應用的發(fā)展，越來越復雜的作業(yè)任務和環(huán)境對機器的環(huán)境適應能力和交互特性等方面提出了新的要求，機構與機器人學的研究進入多學科交叉的新階段。機構學將面向重大需求，為高性能裝備的研制提供基礎理論，逐步從一般機構學、真實機構學發(fā)展到行為機構學，與生命、材料、傳感、控制等學科交叉，朝著柔/軟體、剛-柔-軟耦合、變剛度、變形態(tài)等方向發(fā)展。機器人學則面向未來，與信息、計算、測量等學科交叉，實現(xiàn)移動定位局部精細化作業(yè)、人機協(xié)作和多機協(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

機構學是研究自然界中承載、傳遞、縮放運動/力的復雜系統(tǒng)組成原理的一門學科，其研究的主要目的是根據(jù)功能及性能要求發(fā)明和設計新機構。機構創(chuàng)新充分體現(xiàn)了機械裝備發(fā)明的核心特征。機器人是多輸入、多輸出、智能化的現(xiàn)代高端裝備系統(tǒng)，集成了多學科交叉融合與技術創(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。近三十年來，各國學者在機構與機器人學領域進行了系統(tǒng)深入的研究。機構與機器人學在高端制造、工程機械、康復醫(yī)療、武器裝備、航空航天等眾多領域，發(fā)揮了無可替代的積極作用。

作為機械工程領域的重要基礎學科，傳統(tǒng)機構學的基礎理論與應用技術日漸成熟，相關研究也越來越趨近于邊界，機構學的研究進入解決重大工程應用需求的多學科交叉新階段，仿生機構與機器人、折展機構與變形態(tài)機器人、智能結構與機械超材料等新形態(tài)機構與機器人層出不窮，為機構與機器人學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 世紀下半葉，在力學的基礎上，機構學發(fā)展為一門獨立的學科，其主要任務是研究自然界生命體和機器的機構組成原理，形成了以揭示“內(nèi)在規(guī)律”的研究為主要目標的一般機構學。在該階段，機構學促進了蒸汽機、挖掘機、抽油機等機器的創(chuàng)新發(fā)明與應用。

隨著機器(如機床、機器人等)性能要求的不斷提升，以及機器應用范圍的不斷推廣，以“內(nèi)在規(guī)律”研究為主的一般機構學逐漸難以滿足設計需求。機構運動副的間隙、磨損、遲滯、柔性、突變等特性使機器性能的非線性和復雜度增加，給高速、高精度、高靈活性機構帶來了不可忽視的影響?；诶硐肭闆r的機構學模型不能描述上述特性，從而誕生了以“行為屬性”研究為主要任務的真實機構學。對真實機構學的研究，促進了多軸聯(lián)動機床、超精密定位平臺、機器人等現(xiàn)代機器的創(chuàng)新發(fā)明、性能提升和工業(yè)應用。

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

因此，機構學將面向戰(zhàn)略需求，為高性能裝備研制提供基礎理論支持，構建并完善從一般機構學、真實機構學到行為機構學的理論體系，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]。機器人領域則面向未來，為改善人類生活和生產(chǎn)方式提供有效方案，由單機器人向人機協(xié)作再向多機協(xié)同和移動定位局部精細化作業(yè)方向發(fā)展，協(xié)作機器人、連續(xù)體和軟體機器人、仿生移動機器人、結構-感知-控制類生命機器人將成為研究熱點[5-6]。機構與機器人學發(fā)展趨勢如圖 1 所示。

圖1 機構與機器人學發(fā)展趨勢Fig. 1 The developing trend of mechanisms and robotics

4 重點研究內(nèi)容

4.1 行為機構學

行為機構學是以機構與機器的行為學研究為基礎，揭示自然生命體和人造機器的機構組成原理，研究運動/力和能量傳遞機制，實現(xiàn)機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用的機構分析與設計理論；研究機構與機器用以適應環(huán)境(任務)變化的各種系統(tǒng)反應的組合，在機構自身層面，研究其變剛度、變形態(tài)、變拓撲等行為；在機器與外界交互層面，研究加工、行走、操作等接觸行為，機器與人/機器交互共融等行為，探索以機器行為驅動的機構設計方法。

4.2 共融機器人

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

探索人-機器人-環(huán)境之間運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-機器人操作技能傳授的有效途徑，突破人、機、物共享資源的安全狀態(tài)評估。

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

探究機器人對人行為意圖的理解機制，實現(xiàn)機器人融入人的正常生產(chǎn)、與人合作交互，使機器人具備靈巧作業(yè)及智能決策的能力，解決機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)議與架構以及環(huán)境感知機制、多機器人協(xié)調協(xié)作與任務分配機制，解決機器人間交互方法、信息共享、群體智能表現(xiàn)，實現(xiàn)復雜任務高效智能協(xié)作。

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

5 結 語

當今世界，全球科技和產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈，大國戰(zhàn)略博弈進一步聚焦高科技領域。機構與機器人學領域正處于承前啟后、創(chuàng)新發(fā)展的關鍵時期。我國機構與機器人學界應當直面挑戰(zhàn)、抓住機遇，繼承學科發(fā)展的優(yōu)良傳統(tǒng)，以求真為導向，以謀變?yōu)榘l(fā)展，堅持做“面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康”的研究，用務實的科研成果為我國的創(chuàng)新發(fā)展做出應有的貢獻。