結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化淺談機(jī)器人設(shè)計(jì)

結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化淺談機(jī)器人設(shè)計(jì)

［摘要］近年來(lái)隨著電氣工程的迅猛發(fā)展，機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)與電氣工程的結(jié)合也逐漸密切。將電氣自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用到機(jī)器人的開發(fā)中，使機(jī)器人具有更多功能更加人性化，從而更好地滿足人類的需求。［關(guān)鍵詞］電氣工程；自動(dòng)化；機(jī)器人［作者簡(jiǎn)介］榮淼，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院本科生，江蘇徐州，221116［中圖分類號(hào)］TP24［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1007-7723（2011）-08-0010-0002近幾年來(lái)，很多高校都開展了對(duì)機(jī)器人的研究，機(jī)器人試驗(yàn)室為在校學(xué)生提供了資源、技術(shù)以及自由發(fā)揮進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造的機(jī)會(huì)，而國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的機(jī)器人比賽也為機(jī)器人愛好者提供了交流與展示的平臺(tái)。我國(guó)的機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)水平相比于美國(guó)、日本、俄國(guó)及一些歐洲國(guó)家仍有很大差距，而所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域也同樣落后于這些國(guó)家。不過(guò)，近幾年來(lái)的技術(shù)高速發(fā)展說(shuō)明了我國(guó)的實(shí)力仍有很大發(fā)展空間。機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究涉及到諸多領(lǐng)域，在本文中主要介紹電氣工程及其自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)C(jī)器人設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用。一、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)介紹（一）什么是電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化是涉及電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)電器技術(shù)、信息與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等諸多領(lǐng)域的一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)弱電結(jié)合、機(jī)電結(jié)合、軟硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)相結(jié)合，其中又是以強(qiáng)電為主。該專業(yè)的主要學(xué)習(xí)課程包括電路原理、電工技術(shù)、電子技術(shù)、工程電磁場(chǎng)、控制理論、信息處理、系統(tǒng)工程、自動(dòng)檢測(cè)與儀表、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、高電壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)與應(yīng)用、軟件技術(shù)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面的基本理論和基本知識(shí)。該專業(yè)的學(xué)生具有工程技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)和相應(yīng)的電氣工程專業(yè)知識(shí)。該專業(yè)對(duì)學(xué)生進(jìn)行電工電子、系統(tǒng)控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的基本訓(xùn)練，使得學(xué)生具有解決電氣工程技術(shù)分析與控制問題的基本能力，從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行、自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、信號(hào)處理、試驗(yàn)分析、研制開發(fā)、經(jīng)濟(jì)管理、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。（二）主干學(xué)科電氣工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程。（三）主要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)金工實(shí)習(xí)、電子工程實(shí)踐、電工測(cè)量與實(shí)驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)踐、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)。（四）專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目的設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分為由初級(jí)到高級(jí)五個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)，按照能力培養(yǎng)目的分為課程實(shí)驗(yàn)（如電機(jī)實(shí)驗(yàn)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、電力電子及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)等）和獨(dú)立開設(shè)的專業(yè)綜合試驗(yàn)（電力系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、水電站運(yùn)行仿真培訓(xùn)等）。使學(xué)生接受到電子工程實(shí)踐、電工電子測(cè)量與實(shí)驗(yàn)技術(shù)、電子線路設(shè)計(jì)和CPLD及電子CAD技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用綜合技術(shù)、電子線路綜合設(shè)計(jì)等一系列的綜合性、涉及性訓(xùn)練。（五）面向方向1.電力企業(yè)的運(yùn)營(yíng)與控制電力調(diào)度、繼電保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)通信、電力規(guī)劃、電力市場(chǎng)、電力自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行管理、電力設(shè)施建設(shè)等。2.電力設(shè)備制造電力系統(tǒng)的一、二次設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置），電力電子設(shè)備（FACTS設(shè)備）。3.電力系統(tǒng)的培訓(xùn)、教學(xué)及科研。4.非電力系統(tǒng)的相關(guān)行業(yè)。家電制造、機(jī)械自動(dòng)化、煤礦自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化（如樓宇電梯）、安防系統(tǒng)（如報(bào)警系統(tǒng)、監(jiān)控錄像）、通信（如移動(dòng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）、智能系統(tǒng)、數(shù)控類器械維修、鐵路機(jī)械維修、監(jiān)控系統(tǒng)維修等。（六）專業(yè)教育的歷史及現(xiàn)狀19世紀(jì)上半葉，安培發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)、法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。19世紀(jì)下半葉，電磁理論的集大成者麥克斯韋的理論為電氣工程奠定了基礎(chǔ)。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，西方國(guó)家的大學(xué)陸續(xù)設(shè)置了電氣工程專業(yè)。我國(guó)電氣工程專業(yè)高等教育開始的時(shí)間并不晚。1908年，南洋大學(xué)堂（交通大學(xué)前身）設(shè)置了電機(jī)專科，這是我國(guó)大學(xué)最早的電氣工程專業(yè)，至今已有一個(gè)世紀(jì)。隨后，一部分大學(xué)設(shè)置了較為單一的電機(jī)電訊系。1949年后，我國(guó)出現(xiàn)了一批以工科為主的綜合性大學(xué)，也出現(xiàn)了一批機(jī)電學(xué)院。1977年后，大部分高校的電機(jī)工程系陸續(xù)改名為“電氣工程系”，之后又有部分學(xué)校將其改名為“電氣工程學(xué)院”。1998年頒布的專業(yè)目錄中，原電工類的電機(jī)電器及其控制、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓與絕緣技術(shù)、電氣技術(shù)等專業(yè)合并為目前的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。在同時(shí)頒布的工科引導(dǎo)性專業(yè)目錄中，又把電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)中的部分（主要是原工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)）合并為電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)里，保留了“電氣工程系”的名稱，有的和計(jì)算機(jī)專業(yè)一起稱為“電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系”。其中電氣工程所涉及的內(nèi)容主要是電子、信息等，傳統(tǒng)的“電力工程”內(nèi)容已不多見，已經(jīng)很少有我國(guó)目前的“電氣工程”專業(yè)。其背景是發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)電裝機(jī)容量已基本滿足社會(huì)發(fā)展需求，用電需求年增長(zhǎng)率不超過(guò)2%，電力發(fā)展趨于飽和，所需傳統(tǒng)電氣工程人才數(shù)量大為減少。我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家所處的發(fā)展階段不同，國(guó)情差別很大，我國(guó)的電力工業(yè)還處在迅猛發(fā)展期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的年用電增長(zhǎng)率超過(guò)10%，所以仍需要大量電氣工程人才。因此，各工科著名大學(xué)都把電氣工程專業(yè)作為支柱性專業(yè)。二、機(jī)器人設(shè)計(jì)（一）什么是機(jī)器人機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是一種可編程和多功能的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)，是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、軍事等領(lǐng)域中均有重要用途?？梢酝ㄟ^(guò)人的指揮執(zhí)行任務(wù)，也可以自動(dòng)運(yùn)行預(yù)先編好的程序，還可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。設(shè)計(jì)者最初的目的是用它協(xié)助或取代人類工作，是具有極度危險(xiǎn)性的工作。機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)及復(fù)雜機(jī)械等組成?，F(xiàn)在，機(jī)器人已逐漸趨于人性化，很多設(shè)計(jì)者對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)器進(jìn)行改造，使之呈現(xiàn)出人的外貌，具有更多高級(jí)功能，并可像人類一樣工作。（二）機(jī)器人與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的聯(lián)系從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)說(shuō)起，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及機(jī)器人本體，一般來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)一定數(shù)目的電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，這里以最簡(jiǎn)單的舵機(jī)進(jìn)行說(shuō)明）和連接桿（這里也以最簡(jiǎn)單的用鋁板鋁條做的卡口來(lái)說(shuō)明）相連接搭建出一個(gè)機(jī)器人雛形，當(dāng)然，這需要根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行。機(jī)器人的活動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)及機(jī)器人的自由度數(shù)一般等于舵機(jī)數(shù)，但也有一個(gè)舵機(jī)帶動(dòng)多個(gè)自由度數(shù)的情況，只是在該種情況下會(huì)對(duì)舵機(jī)造成較大損傷，導(dǎo)致機(jī)器人的壽命減少。驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。輸入電信號(hào)，即通過(guò)調(diào)試軟件進(jìn)行的動(dòng)作編排，使舵機(jī)進(jìn)行一定角位移的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接桿進(jìn)行線位移的延伸和角位移的轉(zhuǎn)動(dòng)。檢測(cè)裝置的進(jìn)行保證了設(shè)定信息與實(shí)際反饋信息的一致。最簡(jiǎn)單的做法就是通過(guò)使用調(diào)試軟件進(jìn)行機(jī)器人的動(dòng)作調(diào)試，如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的限制問題，則可及時(shí)地優(yōu)化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在由于傳感技術(shù)的創(chuàng)新，很多機(jī)器人身上配置有傳感器，幫助機(jī)器人回收工作對(duì)象和工作環(huán)境的有關(guān)信息，傳感檢測(cè)裝置利用這些信息構(gòu)成反饋回路，使機(jī)器人的工作精度大大提高?？刂葡到y(tǒng)實(shí)行功能的方式可分為集中式控制，即由一臺(tái)微機(jī)控制完成機(jī)器人的全部控制和分散式控制，由多臺(tái)微機(jī)分級(jí)進(jìn)行機(jī)器人的控制?？刂乒δ芡ǔＪ峭ㄟ^(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的一些高等院校的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)的是傳統(tǒng)的51單片機(jī)，而很多功能強(qiáng)大、技術(shù)高端的單片機(jī)并未接觸到。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通過(guò)串口相接，運(yùn)行調(diào)試后可將程序編寫到單片機(jī)上儲(chǔ)存，再將一連串的動(dòng)作有序地連接，即編寫程序完成。再將單片機(jī)插在電路板上，由于單片機(jī)本身就是一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)，所以可以在電路板上獨(dú)立運(yùn)行，只需供電即可。由此可見，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)所學(xué)的知識(shí)與機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)有著密切的聯(lián)系，但是機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)只靠這一學(xué)科的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)的。據(jù)報(bào)道，美國(guó)研制了一種“軍螺”機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)軍用武器的搬運(yùn)，在山地平原都可迅速搬運(yùn)。日本的諸多領(lǐng)域也已投入了機(jī)器人的使用。俄國(guó)的大塊頭機(jī)器人也在軍事等領(lǐng)域中得到功能的發(fā)揮?，F(xiàn)在，很多歐洲國(guó)家的機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)也遠(yuǎn)超我國(guó)。我國(guó)作為世界大國(guó)之一，科技和創(chuàng)新領(lǐng)域需要更多鮮活力量的投入，而機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)也被賦予更為重要的時(shí)代意義。［參考文獻(xiàn)］［1］徐科軍.電氣測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.［2］孔慧芳.自動(dòng)控制原理（學(xué)練考）［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2004.［3］王孝武.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.［4］［美］GordonMcComb//Myke