机电一体化与机器人设计课程论文_机电一体化课程论文

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机电一体化与机器人设计课程论文

撰写人：周晶

11A11117 一、对机电一体化系统的认识

1、学科简介

机电一体化技术是将机械技术、电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。中国机电设计迈入PLM全新阶段，正面临着前所未有的、不可预测的难题，科技精英们正携手共同开拓机电设计领域的新篇章。

CAMEL VIEW作为机电一体化设计系统，从产品的概念设计到产品性能的测试、验证、通过都是一体化的，流程化的、规范化的，在满足用户设计的前提下，数值实验的仿真与结果的验证无不精确化，支持复杂环境下，多工况，多耦合场设计．

机电一体化技术的目标和功能主要是实现物质流、能量流、信息流的时空互换（处理、传递、移动、存储、记录），物质是能量和信息的载体。因此地球表面上各种运输设备和升降装卸设备以及自动化仓库等储藏设备都有机电一体化技术的用武之地，太空探索更是非机电一体化技术不行。

机电一体化技术发展终极目标就是实现柔性化与智能化，像动物一样动作灵活，象人一样思考判断。人就是现代机电一体化技术最好的参考模仿物。通俗一点，以人作参照，机电一体化监测与控制系统由传感器（五官）、控制器（大脑神经系统）、执行器（四肢肌肉）、支撑器（躯干骨架）和动力源（内脏消化呼吸）以及一些附属可选反馈装置和安全保障装置（排泄）等部分组成。

对人而言，在人体外壳与运动表象下，内部的能量流是人体血液循环，信息流是人体神经循环。机电一体化系统各个部分之间存在电流、磁流、液流、气流、力流循环，存在满足各种流幅度、速度协调转换适配用机械接口、电气接口、信息接口、机电接口、人机接口和环境接口。

机电一体化系统一般有五大组成要素：机械结构单元、动力单元、执行单元、传感测试单元以及信息控制单元。这五个基本组成要素可以与人体的五大要素进行对比。

1）机械结构单元的作用类似于人体的骨骼，一般包括工作模块以及装备所有功能元素的机械支持结构以及机身、框架、连接等。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械机构要在结构、材料、加工装配检测工艺性以及几何尺寸等方面适应机电一体化产品高效、多功能、可靠、节能、小型、轻量、美观等要求。

2）传感测试单元的作用相当于人体的五官（眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤）（视觉、听觉、嗅觉、味觉、力觉、触觉、动觉、温度觉、痛觉等），对装备本身和外界环境的各种参数及状态信息进行检测，并将其变换成可识别光电声信号，传输到信息处理单元。它由各种类型的传感器和信号处理变送电路与测试仪表构成。传感测试单元的主要问题在于提高传感检测的可靠性、灵敏度和精密度。提高可靠性的关键在于提高传感器的抗干扰能力。

3）执行单元相当于人体的手和足和肌肉。它根据控制单元的指令，高速度高精度地完成要求的动作。目前常用的执行机构分光电式、电磁式、液压式和气动式机构，如继电器、电磁伐、液压缸、丝杠螺母、电机等。动作方式有开关式、脉冲式、绝对式、相对式、断续式、连续式等。此外，还有一些新型的执行机构如超声波驱动器、形状记忆合金驱动器等。执行机构需要根据机电一体化系统机电匹配性要求，考虑改善性能，提高精度和快速性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体的可靠性。

4）动力驱动单元相当于人体的内脏。它在控制单元作用下，提供动力能量（原动机），使得各种执行机构完成要求的动作和功能。机电一体化系统一方面要求提高驱动的高效率和快速反应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境具有适应性和可靠性。由于电力电子技术的高度发展，高性能步进驱动电机、直流和交流伺服驱动电机大量应用于机电一体化装备。

5）信息控制单元相当于人体的头脑。将来自传感测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。一般它由计算机控制器和外部设备等组成。目前常用工控机（IPC）、单片机(DSP)和可编程逻辑控制(PLC)、嵌入式计算机(ARM)等等。机电一体化系统对信息控制单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自诊断自适应自学习功能，实现信息处理智能化，满足可靠、小型、轻量、标准化等要求。

2、专业培养目标

本专业培养从事机电一体化产品设计和制造加工、调试、运行、维护、营销和售后服务的高级技能型、应用型人才。学生在获取毕业证书的同时还可以取得相应的职业资格证书。

3、主要核心课程与核心技能

机械制图、电工与电子技术基础、液压与气动技术、电气控制与PLC、机械制造基础、机械设计基础；机械制图测绘、金工实习、CAD实训、电工、电子实训、数控实训、机床电器控制实训。

二、电脑鼠运行原理

所谓“电脑鼠”，英文名叫做Micromouse，是一种具有人工智能的轮式机器人，是由嵌入式微控制器，传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置。

俗称

“电脑鼠走迷宫”的竞赛今年在国际和国内上都很流行，依照新制的比赛规则，当电脑鼠放入起点，按下启动键之后，它就必须自行决定搜寻法则并且在迷宫中前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径、搜寻终点等功能电脑鼠结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技知识

人类在科技的发展史上，一直在尝试着想要创造出一个具有肢体、感官、脑力等综合一体的智能机器人，而电脑鼠就是一个很能够用来诠释肢体、感官及脑力综合工作的基本实例，这也是当初电脑鼠被发明的理由，希望能够借助电脑鼠的创作来进而研究与发明更加复杂的机械电脑鼠走迷宫竞赛具有一定难度，是一项富有挑战性和趣味性的比赛此外，它还是一个很好的教学工具。

电脑鼠可看作是一个集多项工程学科知识于一体的小型系统成功的设计者通常都是合作团体，他们必须考虑电子，电气，机械以及计算机各方面的问题重量，速度，功耗，传感技术，重心以及程序各方面都是设计中需要决定和综合考虑的因素电脑鼠是一个多学科的综合体，与多各精密学科关系紧密：

(1)机械工程：首先电脑鼠必须是个实实在在的机器人，而对于在迷宫中高速穿梭的电脑鼠，“身材”的好坏极其重要大多数使用步进电机的电脑鼠可以直接将车轮安装在电机轴上，而使用直流电机驱动的电脑鼠往往许多添加减速和传动装置，如何既使轮子安装稳定不颤动，保证高传动效率，又使车体轻巧美观是机械设计时需要解决的问题

(2)电子工程：电脑鼠是一个嵌入式系统，需要广泛的涉及信号处理，通信，微处理器应用和电机控制等

(3)自动控制：控制电脑鼠在迷宫中快速而准确的行走属于自动控制技术范畴测距传感器获取距离信息并将其反馈给微处理器，微处理器对距离值分析处理获得墙壁信息并根据墙壁信息控制电机动作以带动轮子产生相应的动作，这整个构成一个大自动控制系统而在这个大系统内还可以包含其他的自动控制系统

(4)人工智能：电脑鼠走迷宫竞赛的整个过程可大体分为两个部分：一，搜索迷宫从起点出发，找到终点并找出一条最短路径：二，冲刺，从起点开始，在最短时间内到达终点搜索迷宫过程是电脑鼠学习过程冲刺过程前需要在所有走过的通路中依据自己的原则选择一条路径作为最短路径，这是一个决策过程。

(5)程序设计：电脑鼠程序具有嵌入式软件的一般特征并有更高要求电脑鼠程序 必须高效率和高实时性才能保证电脑鼠的控制性和灵敏度。

(6)传感与测试技术电脑鼠需要有众多信息的反馈，如墙壁信息等需要用到许多传感器，如测试墙壁信息红外传感器测量距离，使用霍尔传感器测试车轮转速以控制转速和测量路程等电脑鼠是一个精密控制体，足够的控制精度才能保证在高速行走的时候不撞墙和迷失自我不但要求能够准确测量，还必须有足够快的响应速度

算法是电脑鼠的灵魂

电脑鼠必须采用一定的算法才能找到终点，才能找到一条最短的路径，在最短的时间内到达终点算法的效率决定了解迷宫的效率，优良的电机控制算法能让电脑鼠走得更快更平稳，降低微处理器负荷

电脑鼠具有精确的定位能力，快速的行走能力和优秀的避障能力等特点对电脑鼠进行升级后可以应用在许多场合电脑鼠技术可以应用在工业机器人和特种机器人设计中，并可以将电脑鼠技术说涉及的各学科知识分别应用在各相关领域。

三．软件程序编程

程序员软件开发的几个阶段：

1、分析设计：分析设计的前提是充分理解需求说明文档，然后分析如何实现它们，并形成设计文档。分析设计的目的是明晰软件架构，软件算法和功能的逻辑，得出必要的设计文档，奠定后面编码的基础。合理的设计可以节省后面编码的时间，不合理甚至错误的设计将导致工作的重新开始，没有设计贸然开始编程会导致一些难以预见的逻辑错误，总之，较好的设计事半功倍。

2、程序编码：依照语法、设计文档编码。

3、程序测试：测试的目的是检测程序有没有问题，一旦发现问题，问题的定位越准，效率就越高。因此，程序中需要输出必要的提示信息。

4、软件调试：测试时发现程序有BUG，自然需要调试、显然，遇到的问题越少调试的时间就越少，没有什么比一次性写好，不用调试更快的方法了

时间虽然无法具体分配到各个阶段，但是第一和第二阶段的质晕决定了后面两阶段的时间花费，质量越高，测试和调试时间花费越少，反过来，质量越差，测试和调试时间越长。

四、实验中心得体会

在课程即将结束的时候，我们组也报名参加了电脑鼠的比赛，我们选择的是中心算法，将步速设置到200，连续转动，步数设置到25，超过步数即全搜索。在比赛前一晚，我们对电脑鼠进行了最后的演练，结果很成功。第二天中午我们和全体参赛同学照了合影，这是在大学首次竞赛项目，觉得格外有纪念意义。但是比赛的结果不尽如人意，原本试好的程序出现了bug，碰触了3次才正确搜索到终点，未免让我们有些失望和不甘心。

经历了这次课程和比赛，让我更加认识到小组协作的意义还有不断尝试、不怕失败的意志力的重要性。在这次活动中，我们组长，大二的学长，发挥了积极的组织作用，并在程序调试中也起到了比我更大的作用。在这里正式的感谢他，同时他也积极地鼓励到了我，让我在以后的学习生活会更加努力，也要知识面更广阔。

机电一体化在整个的自然科学类课程中让我增加了机电和编程方面的知识，它紧跟机电专业的发展趋势，并以机电一体化技术核心应用能力形成为主线，使我在收获了知识的同时，开拓眼界，增强了辩证思考能力和动手能力。

实践是大学生活的第二课堂，一个人的知识和能力只有在实践中才能发挥作用，才能得到丰富、完善和发展。作为大学生，更是要摆脱中学传统应试的学习方法，勤于实践，将所学的理论知识与实践相结合一起，在实践中继续学习，不断总结，逐步完善，有所创新。而且我认为，学有所成，学以致用才是学习的最终目的。能力的体现不仅在于成绩，更在于他能做出的成果。

最后，感谢老师的授课和对我们的悉心指导，是我受益匪浅。

2012.05.06