机构与机器人学发展思考
文:刘辛军 清华大学机械工程系北京2023年第3期
在机器创新发展中,机构与机器人学发挥着举足轻重的作用。随着人类生产生活方式的变 革性发展,机构学未来将主要研究 和构建行为机构学理论体系,机器人领域则将通过多学科交叉, 着重构建和发展共融机器人理论、技术和工程应用体系,为提升国家高端装备设计水平和技术自主 可控做出贡献。
1 引言
机构与机器人学承担着创新发明具有不同形 态和功能的 智能化装备的使命, 是机械工程领域的 基础学科, 在高端制造、 康复医疗、航空航天等 众多领域发挥着积极的作用,机构与 机器人学的 良好发展是提升国家高端装备设计水平的关键。
随着工程应用的发展,越来越复杂的作业任 务和环境对 机器的环境适应能力和交互特性等方 面提出了新的要求,机 构与机器人学的研究进入 多学科交叉的新阶段。机构学将面 向重大需求, 为高性能装备的研制提供基础理论,逐步从一 般机构学、真实机构学发展到行为机构学,与 生命、材料、 传感、控制等学科交叉,朝着柔 / 软体、刚 - 柔 - 软耦合、变 刚度、变形态等方向发 展。机器人学则面向未来,与信息、 计算、测量 等学科交叉,实现移动定位局部精细化作业、人 机协作和多机协同,为改善人类生活和生产方式 提供有效方 案。
2 内涵与意义
机构学是研究自然界中承载、传递、缩放运 动 / 力的复 杂系统组成原理的一门学科,其研究 的主要目的是根据功能 及性能要求发明和设计新 机构。机构创新充分体现了机械装 备发明的核心 特征。机器人是多输入、多输出、智能化的现 代 高端装备系统,集成了多学科交叉融合与技术创 新成果, 已成为衡量一个国家科技创新和高端制 造业综合竞争力的重 要指标。近三十年来,各国 学者在机构与机器人学领域进行 了系统深入的研 究。机构与机器人学在高端制造、工程机械、 康 复医疗、武器装备、航空航天等众多领域,发挥 了无可替代的积极作用。
作为机械工程领域的重要基础学科,传统机 构学的基础 理论与应用技术日渐成熟,相关研究 也越来越趋近于边界, 机构学的研究进入解决 重大工程应用需求的多学科交叉新阶 段,仿生 机构与机器人、折展机构与变形态机器人、智 能结 构与机械超材料等新形态机构与机器人层 出不穷,为机构与 机器人学的前沿研究注入了 不竭的动力。
3 研究现状与发展趋势
18 世纪下半叶,在力学的基础上,机构学 发展为一门独 立的学科,其主要任务是研究自然 界生命体和机器的机构组 成原理,形成了以揭示 “内在规律”的研究为主要目标的一 般机构学。 在该阶段,机构学促进了蒸汽机、挖掘机、抽油 机等机器的创新发明与应用。
随着机器(如机床、机器人等)性能要求的不 断提升, 以及机器应用范围的不断推广,以“内 在规律”研究为主的 一般机构学逐渐难以满足 设计需求。机构运动副的间隙、磨损、 迟滞、柔 性、突变等特性使机器性能的非线性和复杂度增 加, 给高速、高精度、高灵活性机构带来了不可 忽视的影响。基 于理想情况的机构学模型不能描 述上述特性,从而诞生了以 “行为属性”研究为 主要任务的真实机构学。对真实机构学 的研究, 促进了多轴联动机床、超精密定位平台、机器人 等 现代机器的创新发明、性能提升和工业应用。
图 1 机构与机器人学发展趋势
近年来,机器人及其他复杂机器的作业任务 和环境复杂 度急剧增加,对机器的环境适应能力 和交互特性等提出了新 的要求, 如运动 / 力和能量 的传递、变刚度、变形态、变拓扑等机构自身的 行为,加工、行走、操作等接触行为,机器与 人 的交互共融和机器与外界的交互行为妇,以机 器人为例,轮、 足、履等类型的移动机器人与地 面的强适应;进行物品抓取、 障碍清除、医疗手 术、病人护理、星球釆样等工作的作业机 器人与 环境 / 人的频繁强非线性交互;在高端制造和国防领域, 机器人集群化作业需求等,要求机器人 不仅自身需要具备单 体高性能,而且需要具有机 - 机、机 - 人、机 - 环境的交互与 协作能力。这使得 基于“交互特性 " 的行为机构学研究迫在 眉睫。
因此,机构学将面向战略需求,为高性能装 备研制提供 基础理论支持,构建并完善从一般机 构学、真实机构学到行 为机构学的理论体系, 由 刚性向柔性和软体、刚 - 柔 - 软耦合、 变刚度、变 形态、高灵活度等方向发展⑷。机器人领域则面 向未来,为改善人类生活和生产方式提供有效方 案,由单机 器人向人机协作再向多机协同和移动 定位局部精细化作业方 向发展,协作机器人、连 续体和软体机器人、仿生移动机器 人、结构 - 感 知 - 控制类生命机器人将成为研究热点眾]。机 构 与机器人学发展趋势如图 1 所示。
4 重点研究内容
4.1 行为机构学
行为机构学是以机构与机器的行为学研究为 基础,揭示 自然生命体和人造机器的机构组成原 理,研究运动 / 力和能 量传递机制,实现机器人 与自然界行为交互,具有特定功能 或性能且能完 成特定工程应用的机构分析与设计理论;研究 机 构与机器用以适应环境(任务)变化的各种系统反 应的组合, 在机构自身层面, 研究其变刚度、变 形态、变拓扑等行为; 在机器与外界交互层面, 研究加工、行走、操作等接触行为, 机器与人 / 机器交互共融等行为,探索以机器行为驱动的机 构设计方法。
4.2 共融机器人
面向作业、定位、避障等多元化任务需求, 提高机器人 与人、环境和其他机器人的交互适应 能力,通过任务驱动与 数据驱动建立相应的设 计、分析、控制方法与理论体系,形 成共融机器 人基础理论体系⑺,主要体现如下。
探索人 - 机器人 - 环境之间运动与力耦合作用 的多元系 统模型,探明基于自然交互的人 - 机器 人操作技能传授的有 效途径,突破人、机、物共 享资源的安全状态评估。
研究机器人对环境信息的获取与融合处理、 对人行为意 图的学习与准确判读、对人机交互协 作的决策与规划控制等, 实现人与机器人的深度 融合与高效协作。
探究机器人对人行为意图的理解机制,实现 机器人融入 人的正常生产、与人合作交互,使机 器人具备灵巧作业及智 能决策的能力,解决机器 人等高端装备与人、环境共融的核 心问题。
研究分布式通信、通讯协议与架构以及环境 感知机制、 多机器人协调协作与任务分配机制, 解决机器人间交互方法、 信息共享、群体智能表 现,实现复杂任务高效智能协作。
通过多种形式的人与机器人间以及机器人与 机器人间的 共驻空间、共享资源和协同作业,实 现人类智慧与机器人技 能的最大化,满足智能 制造、康复医疗和国防安全等国家战 略的重大 需求。
5 结语
当今世界,全球科技和产业竞争日趋激烈, 大国战略博 弈进一步聚焦高科技领域。机构与机 器人学领域正处于承前 启后、创新发展的关键时 期。我国机构与机器人学界应当直 面挑战、抓住 机遇, 继承学科发展的优良传统, 以求真为导 向, 以谋变为发展, 坚持做“面向世界科技前 沿、面向经济主战场、 面向国家重大需求、面向 人民生命健康”的研究,用务实的 科研成果为我 国的创新发展做出应有的贡献
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