机构与机器人学——现代机器与装备的创新利器
编者按
建立现代机器与装备的原始创新能力是现代产业获取自有知识产权、提升国际市场竞争力的核心手段，是我国实现由制造大国向制造强国顺利转变的必然要求。对于以机械运动作为功能实现手段的现代机器与装备来说，其原创研发的核心问题是其功能机理的探究及其机械运动过程的构思、规划与实现问题，这正是现代机构学与机器人学的核心研究议题。为推进理论与应用深度互动，促进现代机器与装备原始创新与研发相关理论、方法、技术和应用的进步，特邀请上海交通大学郭为忠教授、中科院深圳先进院何凯老师担任客座编辑组织“机构与机器人学——现代机器与装备的创新利器”专题，分两期刊出，以期读者了解和关注该领域的研究进展与发展趋势。
本期客座编辑
郭为忠 教授
上海交通大学
研究方向为机构与机器人学、并联机器人和重大装备创新设计等。
何凯 正高级工程师
中国科学院深圳先进技术研究院
研究方向为精密制造及自动化技术、工业/特种机器人、生物制造自动化技术、金属成形技术及装备等。
文章列表
2022, 11(4):3-18.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20220224001
摘要:
轮子是人类的一项伟大发明，轮式移动系统为人类的生产和生活带来了极大便利，机器人采用轮式移动系统是一个十分重要的发展方向。为克服普通轮子对复杂地形适应性不足的问题，研究者们在轮子与行驶表面的吸附方式、轮子自身的几何形态、行驶过程中的转向方式等方面进行了探索。在轮子将滑动摩擦转变为滚动摩擦这一移动机理的基础上，针对崎岖地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移动等场景要求，该文提出了三模式变形轮、磁吸附轮、变参数全向轮等 3 类新型轮子结构，及其相应的轮式移动结构；通过连杆机构实现了三模式变形轮在圆轮模式、爪模式、勾模式之间的切换和机器人的向越障；通过磁吸附轮结构和被动三自由度悬架，使全部轮子始终贴合壁面，实现了机器人的壁面行驶；通过空间机构调节辊子安装角参数，使轮子摩擦力方向受控，保障了机器人的全向行驶；通过样机搭建和实验研究，验证了该文所提创新设计的可行性。
轮子是人类的一项伟大发明，轮式移动系统为人类的生产和生活带来了极大便利，机器人采用轮式移动系统是一个十分重要的发展方向。为克服普通轮子对复杂地形适应性不足的问题，研究者们在轮子与行驶表面的吸附方式、轮子自身的几何形态、行驶过程中的转向方式等方面进行了探索。在轮子将滑动摩擦转变为滚动摩擦这一移动机理的基础上，针对崎岖地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移动等场景要求，该文提出了三模式变形轮、磁吸附轮、变参数全向轮等 3 类新型轮子结构，及其相应的轮式移动结构；通过连杆机构实现了三模式变形轮在圆轮模式、爪模式、勾模式之间的切换和机器人的向越障；通过磁吸附轮结构和被动三自由度悬架，使全部轮子始终贴合壁面，实现了机器人的壁面行驶；通过空间机构调节辊子安装角参数，使轮子摩擦力方向受控，保障了机器人的全向行驶；通过样机搭建和实验研究，验证了该文所提创新设计的可行性。
2022, 11(4):19-30.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20211228001
摘要:
为解决爬壁机器人在船舶货舱清洗过程中多壁面过渡的问题，该文设计了一种具有壁面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其包括磁吸附机构、自适应清洗机构和行走机构。该文首先通过建立机器人壁面过渡时的力学模型，得到机器人磁吸附力的分布特点，并据此设计出一种弧形磁吸附机构。然后利用 ANSYS Maxwell 3D 软件对该机构磁吸附力的分布进行优化，以满足壁面过渡的需要；此外，还在机器人前端设计了一种自适应清洗机构，通过对该机构的结构原理进行分析和实验，验证了清洗机构也具有壁面过渡能力。最后通过模拟船舶货舱壁面的实际特点，对机器人样机进行壁面过渡综合实验，完成了机器人舱底过渡行走实验和舱顶过渡行走实验，验证了该机器人的壁面自适应和舱内行走的能力。
为解决爬壁机器人在船舶货舱清洗过程中多壁面过渡的问题，该文设计了一种具有壁面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其包括磁吸附机构、自适应清洗机构和行走机构。该文首先通过建立机器人壁面过渡时的力学模型，得到机器人磁吸附力的分布特点，并据此设计出一种弧形磁吸附机构。然后利用 ANSYS Maxwell 3D 软件对该机构磁吸附力的分布进行优化，以满足壁面过渡的需要；此外，还在机器人前端设计了一种自适应清洗机构，通过对该机构的结构原理进行分析和实验，验证了清洗机构也具有壁面过渡能力。最后通过模拟船舶货舱壁面的实际特点，对机器人样机进行壁面过渡综合实验，完成了机器人舱底过渡行走实验和舱顶过渡行走实验，验证了该机器人的壁面自适应和舱内行走的能力。
2022, 11(4):31-43.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20220128001
摘要:
假肢手的动作数量与轻量化之间存在矛盾关系，为兼顾两者之间的平衡，满足假肢手多动作和轻量化的要求，该研究通过分析人手的16种日常抓取动作，设计了一种合理的电机驱动结构。该结构在四指中应用了多关节同时屈曲传动，在拇指中应用了定轨迹适应性传动，掌骨使用可自动切换为弧面和平面的对称弹性串联驱动式传动，以及配置五指的自动伸展，将这些机能融合在假肢手中，仅用3个电机实现了11 种假肢手动作，达到了132.1 g的轻量化设计。该文还通过肌电信号结合神经网络算法，实现了假肢手直觉控制，并验证了其具有良好的抓取稳定性和操作性。
假肢手的动作数量与轻量化之间存在矛盾关系，为兼顾两者之间的平衡，满足假肢手多动作和轻量化的要求，该研究通过分析人手的16种日常抓取动作，设计了一种合理的电机驱动结构。该结构在四指中应用了多关节同时屈曲传动，在拇指中应用了定轨迹适应性传动，掌骨使用可自动切换为弧面和平面的对称弹性串联驱动式传动，以及配置五指的自动伸展，将这些机能融合在假肢手中，仅用3个电机实现了11 种假肢手动作，达到了132.1 g的轻量化设计。该文还通过肌电信号结合神经网络算法，实现了假肢手直觉控制，并验证了其具有良好的抓取稳定性和操作性。
2022, 11(4):44-55.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20211226001
摘要:
水下仿生机器人具有高效率、高机动性、低噪声等优点，针对仿生机器鳗鱼存在设计复杂、控制难度大等问题，该文提出了一种新型欠驱动机器鳗鱼的控制方法。首先，基于主动加被动的仿生机构推进原理，设计了两段主动体与两段被动顺从体相结合的机器鳗鱼仿生机构；然后，在仿真环境中进行建模，利用深度强化学习算法进行数据收集和训练，选择表现良好的神经网络在仿真环境中进行控制测试，从而得到机器鳗鱼的控制函数；最后，通过对比实验，验证了该文设计方法的可行性以及控制函数的有效性，实现了对机器鳗鱼的控制。
水下仿生机器人具有高效率、高机动性、低噪声等优点，针对仿生机器鳗鱼存在设计复杂、控制难度大等问题，该文提出了一种新型欠驱动机器鳗鱼的控制方法。首先，基于主动加被动的仿生机构推进原理，设计了两段主动体与两段被动顺从体相结合的机器鳗鱼仿生机构；然后，在仿真环境中进行建模，利用深度强化学习算法进行数据收集和训练，选择表现良好的神经网络在仿真环境中进行控制测试，从而得到机器鳗鱼的控制函数；最后，通过对比实验，验证了该文设计方法的可行性以及控制函数的有效性，实现了对机器鳗鱼的控制。
2022, 11(4):56-69.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20211221001
摘要:
该文以空间直立桁架结构的人-机协作装配流程为研究对象，提出一种适用于径向快装桁架模块单元的创新构型，建立了基于状态矩阵和邻接矩阵的桁架结构装配序列、装配模式和装配过程的数学模型。该文还对空间环境下桁架装配的人-机能力约束进行分析，提出基于动素分析的装配任务层级化分解方法，利用比较分配原则制定了适用编程的人-机协作装配任务流程和分配方案。基于所提出方案，通过开展人穿戴模拟宇航服与机械臂协作装配 5 m 长直立桁架结构的地面演示试验，验证了该方案的合理性和组装流程的可行性，为空间大型设施在轨构建提供了技术原理支撑。
该文以空间直立桁架结构的人-机协作装配流程为研究对象，提出一种适用于径向快装桁架模块单元的创新构型，建立了基于状态矩阵和邻接矩阵的桁架结构装配序列、装配模式和装配过程的数学模型。该文还对空间环境下桁架装配的人-机能力约束进行分析，提出基于动素分析的装配任务层级化分解方法，利用比较分配原则制定了适用编程的人-机协作装配任务流程和分配方案。基于所提出方案，通过开展人穿戴模拟宇航服与机械臂协作装配 5 m 长直立桁架结构的地面演示试验，验证了该方案的合理性和组装流程的可行性，为空间大型设施在轨构建提供了技术原理支撑。
2022, 11(6):1-4.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20220703001
摘要:
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。
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。
2022, 11(6):5-22.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20220224002
摘要:
3D 打印技术在航天、军工、机器人等领域应用广泛，但也存在诸多问题，如阶梯效应所带来的叠层误差、2.5D 制造原理导致的打印零件各向异性、支撑结构的打印及后处理导致的耗时和耗能等问题。针对上述不足，该文提出一种回转式曲面分层 3D 打印方法，对多自由度回转式 3D 打印设备的设计方法进行研究，通过构型综合和尺度综合确定了打印机构型及结构参数，提出了曲面打印路径规划方法。通过联合仿真与样机实验，验证了 3D 打印设备构型综合与尺度设计的有效性，为打印装备创新设计、曲面打印过程规划策略及相关实验研究提供了新思路。
3D 打印技术在航天、军工、机器人等领域应用广泛，但也存在诸多问题，如阶梯效应所带来的叠层误差、2.5D 制造原理导致的打印零件各向异性、支撑结构的打印及后处理导致的耗时和耗能等问题。针对上述不足，该文提出一种回转式曲面分层 3D 打印方法，对多自由度回转式 3D 打印设备的设计方法进行研究，通过构型综合和尺度综合确定了打印机构型及结构参数，提出了曲面打印路径规划方法。通过联合仿真与样机实验，验证了 3D 打印设备构型综合与尺度设计的有效性，为打印装备创新设计、曲面打印过程规划策略及相关实验研究提供了新思路。
2022, 11(6):23-35.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20220510001
摘要:
着陆器是深空软着陆探测的核心装备，但现有着陆器不具备行走移位功能，一次发射任务探测范围有限。针对上述问题，该文研究了一种集着陆和行走移位功能于一体的腿式移动着陆器，建立腿式移动着陆器单腿的完整运动学模型，并阐述其工作模式。针对星体表面的复杂环境，提出一种周期步态和自由步态的规划方法，解决了稳定判据、落足点评价函数和足端轨迹规划等问题。此外，该文还通过仿真实验，验证了该方法的可行性和稳定性。
着陆器是深空软着陆探测的核心装备，但现有着陆器不具备行走移位功能，一次发射任务探测范围有限。针对上述问题，该文研究了一种集着陆和行走移位功能于一体的腿式移动着陆器，建立腿式移动着陆器单腿的完整运动学模型，并阐述其工作模式。针对星体表面的复杂环境，提出一种周期步态和自由步态的规划方法，解决了稳定判据、落足点评价函数和足端轨迹规划等问题。此外，该文还通过仿真实验，验证了该方法的可行性和稳定性。
2022, 11(6):36-47.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20211229002
摘要:
协作型机器人被广泛应用于自动化和物料搬运。为承载有效载荷并实现精确运动，协作型机器人需要具备足够的刚性。此外，为满足人机交互的安全性，协作型机器人还需要具备足够的灵活性，变刚度机器人则同时满足了安全性与刚性的要求。该文首先介绍了变刚度机器人的相关研究和几种基于机械结构的可变刚度方法，并对其工作原理进行分类；然后根据刚度范围、刚度比和响应时间等标准，对现有方法进行定量比较，简单总结各种方法的优缺点，并介绍了相关变刚度机构在协作型机械臂和抓手中的应用。
协作型机器人被广泛应用于自动化和物料搬运。为承载有效载荷并实现精确运动，协作型机器人需要具备足够的刚性。此外，为满足人机交互的安全性，协作型机器人还需要具备足够的灵活性，变刚度机器人则同时满足了安全性与刚性的要求。该文首先介绍了变刚度机器人的相关研究和几种基于机械结构的可变刚度方法，并对其工作原理进行分类；然后根据刚度范围、刚度比和响应时间等标准，对现有方法进行定量比较，简单总结各种方法的优缺点，并介绍了相关变刚度机构在协作型机械臂和抓手中的应用。
