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机电一体化技术的发展方向与机器人理论
作者：张新才
[摘要]
机电一体化是现代科学技术发展的必然结果，本文简述了机电一体化技术的基本原理和发展方向，综述了国内外机电一体化技术的现状，分析了机电一体化技术的终极产物——机器人的理论。
[关键词]
机电一体化 技术 自适应性 发展方向 机械人
一、机电一体化技术总论
机电一体化就是“利用电子、信息（包括传感器、控制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化”的技术。“机电一体化”（mechatronics）一词起源于日本，是由机械（mechanism）和电子（electronics）的两个英语单词合成的一个新的专用名词顾名思义，机电一体化技术的目标就是将机械技术与电子技术相结合，充分发挥各自的长处，弥补各项技术的不足。由于机械的强度较高，输出功率大，可以承受较大的载荷，但实现微小运动比较困难。而在电子领域，利用传感器和计算机可以实现复杂的检测和控制，但只利用电子技术无法实现重载运动。因而将机械技术与电子技术相结合，可以在重载条件下实现微小运动和复杂运动，使机械产品既能够像动物那样灵活动作——柔性化，也能够像人类那样会思考判断——智能化。于是一门新的科学——机电一体化产生了。
机电一体化技术的本质是将电子技术引入机械控制中，也就是“利用传感器检测机械运动，将检测信息输入计算机，经计算得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置”，其中最为关键的是“经计算得到能够实现预期运动的控制信号”，这项工作的实质就是开发计算机软件。软件开发是指研究计算机程序的内容，并通过键盘将程序输入计算机，不需要用螺栓和螺母来重新组装机械，只用电烙铁焊接电子线路或者修改程序就可灵活地改变机械的运动。在计算机上利用适当的软件进行控制，无论如何复杂的运动都可以实现，而且软件开发所需的时间也比较短，设计也比较灵活，改变软件的功能也比较容易。
机电一体化技术的主要目标是实现机械自动化（FA）。机械自动化或称为工厂自动化，即对螺钉、螺母、电阻器、电容器等固体进行操作的系统的自动化。采用了机电一体化技术的产品可以达到如下效果：⑴使产品具有原来所不具备的功能。⑵产品的柔性（flexibility）增强。⑶操作性能改善。⑷容易满足多样性的需求。⑸扩大设计的灵活性。⑹生产工艺性改善。⑺使产品的体积小、重量轻。⑻减少产品的零部件数。⑼可靠性提高。⑽质量提高。⑾节能省力。⑿成本降低。
二、 机电一体化系统的构成与相关技术
机电一体化技术从20世纪60年代开始出现，发展到今天已朝向智能化方向迈进，且逐步建立起了完整的基础和完整的科学体系。机电一体化系统与灵活性和智能性最强的人体相对应，由5个要素构成，如图1所示：
1、机械装置：能够实现某种运动的机构（相当于人体的骨骼）。
2、执行装置：驱动机械装置运动的部分（相当于人类的肌肉）。
3、能源：为执行装置提供能量的部分（相当于人类的内脏）。
4、传感器：检测机械运动的传感器（相当于人类的五官）。
5、计算机：运动控制的计算和判断部分（相当于人类的神经和大脑）。
机器人是典型的机电一体化产品，是一种综合性的机电一体化技术，包括传动机构、伺服控制、数据处理、人机对话以及与机器人工作性质对应的控制功能等，其系统的构成与实现可按上述的五个要素分述如下：
1、机械装置 机器人的手指、手臂、手臂的连接部分和机座等是使机器人能够运动的机械结构。
2、执行装置 驱动机座上的机体、手臂、手指等运动的电机和电磁铁等。
3、能源 驱动电机的电源和驱动液压系统、气压系统的液压源和气压源。
4、传感器 检测旋转角度和摆动角度的旋转编码器和旋转变压器等，用于监视机器人的运动。
5、计算机 根据来自旋转编码器或测速发电机的信号，判断机器人的当前状态，并计算和判断要达到所希望的状态或者移动到某一目标应该如何动作。

机器人是实现人类一部分技能的机械，很容易由上述5个要素与人体相对应。对于其它的机电一体化系统，如微机控制型缝纫机、自动变焦照相机、自动变焦防颤型摄像机等，只要存在机械运动就必然包含上述这5个要素。
三、机电一体化技术的发展方向
在21世纪，机电一体化技术将得到更大的发展。传感器的性能将进一步提高，对传感器信号的处理和判断的智能化程度将达到更高的水平，出现更高柔性和自适应性的机电一体化系统。
3.1传感器性能的提高
高性能传感器具有如下性能之一。
⑴高精度传感器 自身的检测精度高，对温度变化不敏感，抗噪声干扰。
⑵智能传感器 在传感器内部装有微型计算机，可以进行智能化处理。
⑶组合传感器 将几个传感器组合成一体，形成能够检测单个传感器无法检测的高性能信息的传感器系统。
3.2高智能化处理
高智能化处理就是像人的大脑一样，能够在一些基本知识的基础上对其进行合理的组合和判断。能够进行这种处理的软件称为人工智能软件。智能化处理过程就是将基本知识以知识库的形式存储在计算机的存储器中。自动提取与某一知识关联的知识数据，再将这些知识进行合理的推理组合。研究这一智能化处理的学科被称为智能工程学。
3.3微型机械
随着微细加工技术的发展,也出现了超小型的机械结构。例如，1mm大小的电动机就是其中的一个例子.在必须进行微小运动的工作中，就需要利用这种超小型的机械来开发机电一体化系统。
3.4自适应性
机械在启动以后，不需要人的干预，能够自动的完成指定的各项任务，并且在整个过程中能够自动适应所处的状态和环境的变化。机械一边适应各种变化一边做出新的判断，决定进一步的动作。图2所示的是一个移动机器人的例子。在这个系统中包括传感器、移动机构、决策路径的计算机、移动控制器等部分，构成了完整的机电一体化系统。这种机器人被设计成智能型机器人，其中在计算机内部实现的知识库、路径规划、导向指令、移动导向等路径决策处理部分占了整个系统的一大半。
自适应移动机器人通过自己的眼睛来观察所处的状态和环境，自动寻找目标路线，并沿着路线移动。在自适应方面最先遇到的问题就是如何能够掌握周围状态和环境的变化。要了解环境的变化，就需要传感器。而且了解环境需要考虑多种因素，所以只用一个传感器往往无法正确检测环境变化，必须用多个传感器从多方位进行检测，互相配合，并将各传感器的信号进行综合才能够获得确切的环境变化信息。这样，就要用到传感器组合技术。
在适应环境的同时还要控制机械运动，因此必须有能够完成高智能化处理的计算机及其软件。这就需要有按人工智能原理设计的、能够代替人类进行思考的计算机系统。
图2所示是一个移动机器人的例子。在这个系统中包括传感器、移动机构、决策路径的计算机、移动控制器等部分，构成了完整的机电一体化系统。这种机器人被设计成智能型机器人，其中在计算机内部实现的知识库、路径规划、导向指令、移动导向等路径决策处理部分占了整个系统的一大半。21世纪的机电一体化系统将向这种“头脑发达”的方向发展。

四、结语
机电一体化是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求，机器人技术则是机电一体化技术的集中表现。随着科学技术的进一步发展，凝结了机电一体化技术的产品将朝着更高智能更高人性化的方向发展。

[参考文献]
[日]三浦宏文 《机电一体化实用手册》 科学出版社（北京）OHM社 2001