在機(jī)器創(chuàng)新發(fā)展中，機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)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(jī)構(gòu)學(xué)未來(lái)將主要研究 和構(gòu)建行為機(jī)構(gòu)學(xué)理論體系，機(jī)器人領(lǐng)域則將通過(guò)多學(xué)科交叉， 著重構(gòu)建和發(fā)展共融機(jī)器人理論、技術(shù)和工程應(yīng)用體系，為提升國(guó)家高端裝備設(shè)計(jì)水平和技術(shù)自主 可控做出貢獻(xiàn)。

　　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(guó)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(lái)越復(fù)雜的作業(yè)任 務(wù)和環(huán)境對(duì) 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(lái)，與信息、 計(jì)算、測(cè)量 等學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(dòng) / 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(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制 造業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重 要指標(biāo)。近三十年來(lái)，各國(guó) 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(wú)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(lái)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(dòng)力。

　　3 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

　　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(dòng)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(lái)了不可 忽視的影響?；? 于理想情況的機(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(duì)真實(shí)機(jī)構(gòu)學(xué) 的研究， 促進(jìn)了多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、超精密定位平臺(tái)、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。

　　圖 1 機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

　　近年來(lái)，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(duì)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(dòng) / 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婦，以機(jī) 器人為例，輪、 足、履等類型的移動(dòng)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、星球釆樣等工作的作業(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(guó)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⑷。機(jī)器人領(lǐng)域則面 向未來(lái)，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(dòng) 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(dòng)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)眾]。機(jī) 構(gòu) 與機(jī)器人學(xué)發(fā)展趨勢(shì)如圖 1 所示。

　　4 重點(diǎn)研究?jī)?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(dòng) / 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? 在機(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(dòng)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(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)與 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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⑺,主要體現(xiàn)如下。

　　探索人 - 機(jī)器人 - 環(huán)境之間運(yùn)動(dòng)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(píng)估。

　　研究機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息的獲取與融合處理、 對(duì)人行為意 圖的學(xué)習(xí)與準(zhǔn)確判讀、對(duì)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(duì)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(wèn)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(guò)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(guó)防安全等國(guó)家戰(zhàn) 略的重大 需求。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　當(dāng)今世界，全球科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈， 大國(guó)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(shí) 期。我國(guó)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(chǎng)、 面向國(guó)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(guó)的創(chuàng)新發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)