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　　在機器創(chuàng)新發(fā)展中，機構與機器人學發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著人類生產(chǎn)生活方式的變 革性發(fā)展，機構學未來將主要研究 和構建行為機構學理論體系，機器人領域則將通過多學科交叉， 著重構建和發(fā)展共融機器人理論、技術和工程應用體系，為提升國家高端裝備設計水平和技術自主 可控做出貢獻。

　　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。基 于理想情況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。

　　圖 1 機構與機器人學發(fā)展趨勢

　　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婦，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、星球釆樣等工作的作業(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⑷。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眾]。機 構 與機器人學發(fā)展趨勢如圖 1 所示。

　　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⑺,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(diào)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