机电一体化课程报告

1、考核科目： 学生所在院（系）: 学生所在专业: 学生姓名: 学号：考核结果20XX年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）机电一体化技术基础X X X X学院X X X XX X阅卷人智能控制技术在机电一体化系统中应用综述姓名学号摘要：机电一体化技术是将机械技术、微电子技术、传感技术等多种技术 进行有机融合，并综合应用到实际中去的一项综合技术。目前随着微电子技 术、信息技术以及精密制造等新型技术的出现与进一步发展，机电一体化系 统逐渐向智能化方向迈进。本文简述了智能控制与机电一体化技术概要，智 能控制在机电一体化中的主要应用领域，并指出其发展方向。Abstract:Mechatronic

2、s technology is a comprehensive technology thatintegrates mechanical technology, microelectronics technology, sensor technology and other technologies and applies them to practice. At present, with the emergence and further development of new technologies such as microelectronics, information techno

3、logy and precision manufacturing, mechatronicssystemis graduallymoving towardsthe directio nof intelligence.This paperbrieflyintroducesthe technology of intelligent control andmechatronics, the main application fields of intelligent control in mechatronics, and points out its development direction.关

4、键字：机电一体化；智能控制；机械工程前言随着科技的不断进步，越来越多的行业开始利用智能化控制技术。控制 技术的发展促进了机电一体化产品的更新，使机电一体化技术在机械工程、 食品医药以及建筑工程等领域的应用不断广泛，而在目前如何更好地结合工 业生产与智能控制进行研究，将智能控制技术应用到机电一体化系统中十分 必要，机电一体化系统的智能化是其发展的必然趋势。下文将对从智能控制 与机电一体化技术概要、智能控制在机电一体化系统中的主要应用领域以及 机电一体化智能化方向的发展前景三方面进行详细阐述。智能控制与机电一体化技术概要机电一体化技术又称机械电子工程，是将机械技术、微电子技术、信息 技术、传感技术

5、等多种技术进行有机融合，并综合应用到实际中去的一项综 合技术1-2，其系统构成如图1所示，它通过在机械装置中附加电子器件信 息处理和控制功能，使工业技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及 管理体系发生了巨大变化，广泛应用于机床加工、钢铁、汽车、食品以及各 类包装行业领域，尤其推动了现代机械工业的发展3。由于传感、计算机、 自动控制等技术的迅速发展以及向机械工业领域的不断渗透，机械工业生产 经历了由机械电气化向机电一体化的转化，而目前随着微电子技术、信息技 术以及精密制造等新型技术的出现与进一步发展，机电一体化系统逐渐向智 能化方向迈进4。图1机电一体化系统构成智能控制是具有智能信息处理、智

6、能信息反馈和智能控制决策的控制方 式5，在机电一体化系统中，智能控制就是指在没有人员操作的情况下，机 器能够自主地进行控制指令发出，让生产工作完全实现无人的智能工作。智 能控制，是机电一体化产品提高效率，实现高精度化、安全化生产的必然选 择。主要应用领域相比传统的控制系统而言，智能化的控制体系进一步完善了机电一体化 原本的功能，由于系统柔性的工作方式，使得机器在工作时可以依据周围环 境对自己的动作实时进行调整，改善机电一体化系统原有的缺点和漏洞，增强机电一体化系统的工作稳定性。智能控制在机电一体化系统中的应用广泛， 下面主要从机器人6、微操作与微装配、智能汽车三个领域介绍智能控制技 术在其生产

7、过程以及产品中的应用。2.1机器人机器人是一种依靠自身动力和控制能力来实现各种功能的机器装置，这 种控制既可以是人类实时地对其发出各种操作指令，也可以通过运行体内预 先编定完成的程序，甚至通过对外部环境的感知机器人自身主动地采取相关 行动7。机器人控制方式的转变与发展是智能控制在机电一体化领域应用的 典型代表，在机器人四大主要组成部分执行机构、驱动装置、控制系统 及感知反馈系统中，后两者的不断更新是机器人智能化发展的关键，图2所 示为采用模糊PID控制的机器人控制原理图，在现有各类如PID控制、鲁棒 控制、专家控制、自适应控制、模糊控制等控制方式上，神经网络、深度学 习等人工智能相关技术正不断

8、向机器人行业渗透8，而各种新型传感器的出 现则进一步加速了机器人的智能化。| d/dt -*-DqL模糊规则库图2机器人模糊PID控制原理图自上世纪初卡雷尔第一次提出“机器人”的概念以来，机器人行业的发展 已历经半个多世纪，目前，关节机械手、多指灵巧手以及类人形机器人等已 并不罕见，能够模仿人类动作、甚至同人类语音交流的机器人亦层出不穷， 这些在一定程度上均可视为智能控制在机器人行业中的成功应用。随着微电 子、微纳制造与人工智能等技术的发展，机器人领域正在发生新一轮的技术 改造与技术革命，在未来，智能控制在机器人领域的应用仍然广泛，主要表 现在以下几类机器人中：1）仿生型机器人顾名思义，仿生机

9、器人即是模仿生物、从事生物特点工作的机器人。随 着微加工、微机电技术的不断成熟、新型智能材料广泛应用，以及生物学与 机械电子学科的信息交叉，仿生机器人应运而生，除仿生四足机器人、爬壁 机器人等已较为成熟的仿生机器人类型外，新型仿生机器人还有仿生鱼、仿 生水母、仿生蝙蝠机器人、机器蜘蛛以及其他微型仿生昆虫等。图3是斯坦 福大学开发的一种仿壁虎机器人Stickybot，可以借助范德华力攀爬玻璃等光 滑表面。在未来，相关研究人员对于新型仿生机器人的研发主要集中在形态 学以及新型智能材料两大领域9。图3仿壁虎机器人Sti ckyb ot2）极端特种环境机器人广义上的特种机器人是指除工业机器人之外的、用

10、于非制造业并服务于 人类的各种先进机器，主要有军用和民用两大类，而极端特种环境机器人则 指主要在各类极端恶劣环境下进行作业的机器装置，它可以从事众多人类由 于种种原因难以完成的高危或特殊环境作业，如救灾救援、燃料运输、气象 搜集等工作10，而机器人技术向国防军事领域的渗透，则反向促进了特种机 器人的进一步发展，无人机是特种机器人在军事领域的典型代表，在空中目 标搜索、战场侦查、电子干扰甚至炮火轰炸等方面拥有传统载人飞机不可替 代的作用11。除无人机外，一些新型特种环境机器人在军事中逐渐拥有一席立足之地，美国波士顿动力学工程公司研制的“大狗（Bigdog ） ”机器人12由 于其卓越的奔跑性能及

11、平衡性为世人所知。图 4 Bo ston Dyn ami cs 研制 的 “ Bi gdo g3）微纳机器人微机电技术的进一步发展催使了各种新型微纳机器人的产生，微纳机器 人的驱动方式也由最初的磁驱动逐步发展为磁电驱动、声压驱动、化学驱动、 智能材料驱动13等多种驱动方式结合，常见的微纳机器人有液体环境中运动 的螺旋推进式机器人14、直立行走式微机器人、机器水黾、自组装机器人等。 图5为微机器人Spermbots，它由一个微型金属螺旋构成，可包裹住一颗精 子并在磁场的控制下将其推向卵子，提高受孕率。微纳机器人在医学领域的 应用前景十分可观，随着智能控制在机电系统中的进一步发展应用，微纳机 器人

12、有望在靶向药物传送与释放、疾病诊断与治疗等方面大展身手15。图5微机器人Sp ermb ot s2.2微操作与微装配随着各类新型材料的研发以及人们对于微观领域的进一步探索，微纳制 造在现代机械制造行业的重要性与日俱增，微型电子零件加工已成为一个国 家精密制造行业发展水平的重要衡量指标，当前全球芯片的加工精度最高可 控制在0.7呻 以内，正在向0.4呻 精度级别方向研发，而微小零件的精度除 受到加工技术影响外，其装配过程中产生的形变量将直接关系到零件的最终 精度，因此微操作与微装配技术同微纳制造技术在提高零件精度方面同样重 要，二者均是微机电系统（MEMS）的主要研究方向16。微操作与微装配技术

13、与智能控制的发展十分紧密，由微装配技术组装的 微机电产品不断集成化、复杂化，要实现微机械产品的理想性能，须利用现 代先进设计、加工和信息处理技术，以及并行、虚拟制造等先进的制造技术， 而这些技术与系统的智能化控制难以分离。微装配技术与方法复杂多样，但 均不是十分成熟，常见的微装配方法有堆装技术、键合技术、微型工厂技术、 微机器人及微装配站技术和基于传统装配的微装配技术17，在这其中同智能 控制联系密切的具体方面有微型零件的多源微力觉信息感知、零件变形最优 控制分配方法、多微操作器协调装配等。图6展示了一种基于显微视觉和微 力觉混合控制的细胞夹持器，可实现细胞拾取与夹持，并将细胞与夹持器间 的相

14、互作用力维持在2nN 18。图6 一种基于显微视觉和微力觉混合控制的细胞夹持器2.3智能汽车智能汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体 的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能 及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体，也是机电一体化系统同智能 控制技术发展的产物19，在一定程度上，智能汽车可看作是机器人向智能化 方向发展的产物之一。智能汽车在普通车辆的基础上增加了先进传感器、执行器、控制器等装 置，通过车载传感系统和信息终端实现与人、车、路等的智能信息交换，使 车辆具备智能环境感知能力20，能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态， 并使车辆按照人的

15、意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的，目前热 门的无人驾驶技术是智能汽车发展的中间阶段21。从具体和现实的方面来 看，智能汽车较为成熟的和可预期的功能和系统主要是包括智能驾驶系统、 生活服务系统、安全防护系统、位置服务系统以及用车服务系统等，而各系 统具体又包括一些细分的子系统和功能。微电子装置的进一步发展赋予的机 电一体化产品许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、 自动调节与控制自动诊断与保护等，这些功能在智能汽车中得到了良好体现。 2.4其他领域当前微电子技术的迅猛发展及集成电路规模的持续更新使得机电一体 化技术不断成熟，其应用领域也因系统逐渐的高精度化、轻量化等趋势

16、不断 扩大。基于数字信息技术对机械运动和工作进行控制的数控技术22、引入智 能控制的交流伺服技术是智能控制在机电一体化系统中的早期应用，而上文 所述现代智能机器人、智能汽车和微操作与微装配技术是智能控制在当前较 为热门的机电一体化产品中的主要应用表现，除此之外，应用智能控制的机 电一体化产品还有自动化生产设备23、激光手术台、数显量具、智能手机等， 应用领域也不仅限于机械行业，食品医药工程24、建筑工程以及众多互联网 企业的生产中均有智能化的机电一体化技术的体现。发展前景机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交 叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。当前机

17、电一体 化系统的控制方式多样化，但涉及到多变量协调控制系统、复杂系统以及实 时控制、非线性控制等方面，现有的控制技术存在一定局限性。随着光学、 通信技术等在机电一体化领域的渗入，微细加工技术逐渐在机电一体化中崭 露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；同时对于机电一体 化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都 进行了深入研究。而人工智能、神经网络、深度学习及光纤技术等领域取得 的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。例如人工智能控制 方式，由于其优越的信息并行处理能力、自适应能力和信息融合能力，使得 其在大规模复杂多变量系统中优势明显，另外，由于自

18、身的非线性特性，将 为非线性控制带来新的希望。在未来，智能化是机电一体化技术的重要发展方向之一。目前智能控制 技术的发展尚不成熟，大部分机械产品如工业机器人的控制方式仍然是传统 的关节模糊控制，然而随着运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理 学等新思想、新方法的交流促进，越来越多的新的智能控制方式将伴随着众 多学科的深度融合发展而产生，由此机电一体化产品将逐渐模拟人类智能， 拥有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，在多数行业中能够代替或近似 代替人类工作，在功能表现上更加集成化、复杂化、高精度化，在多种复杂 环境中表现为机器柔性进一步增强。此外，机电一体化系统将随着控制方式 的智能化进一步

19、向轻量化、节能化等方向发展。结论综上所述，随着科学技术日新月异的发展，不同学科的知识相互渗透交 融，促进了工程领域内的技术革新，智能控制对于机电一体化技术发展的推 动与日俱增。在今后机电一体化技术的发展中，智能控制在机电一体化系统 中的应用也会更加广泛，从而为机械工业的发展做出重要贡献。参考文献熊春贵.机电一体化技术及发展方向综述J.南方农机,2015,46(09):55-56.李正吾.关于机电一体化技术交流及几个学术问题的讨论(综述)J.电工 技术杂志,1988(06):28-30.卢峻爽，张力.机电一体化技术在机械工程中的应用与走向J.现代工业经 济和信息化,2017,7(06):69-7

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