第3章 機的基本特性及其感知系統(tǒng)設(shè)計

安全人機工程SafetyErgonomics章節(jié)導(dǎo)學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）掌握機可操作性及動力學(xué)特征，了解機的特性描述及可操作性分析；（2）掌握機的失效分析過程，理解機的不可靠度概念；（3）掌握機的本質(zhì)可靠性概念，理解系統(tǒng)可靠性方法論及實現(xiàn)過程；（4）了解機的感知系統(tǒng)框架，機的內(nèi)外部傳感器性能及分類；（5）了解機的感知系統(tǒng)設(shè)計方法，掌握機械設(shè)備故障分布類型及智能安全檢測概念。章節(jié)導(dǎo)學(xué)本章重點機的可操作性及動力學(xué)特征；機的失效類型、可靠度性分析過程；機的本質(zhì)可靠性基本概念，機的本質(zhì)可靠性實現(xiàn)過程；機的感知系統(tǒng)機構(gòu)及設(shè)計；機械設(shè)備的安全檢測及故障分布。本章難點機的可靠度及可靠度函數(shù)；機的不可靠度與故障率，機的基本維修性指標(biāo)；機的感知系統(tǒng)基本組成；機感知系統(tǒng)軟硬件模塊化設(shè)計方案。章節(jié)導(dǎo)學(xué)Chapter3機的基本特性及其感知系統(tǒng)設(shè)計AnalysisoftheOperabilityandDynamiccharacteristicsforMachines機的可操作性及機的動力學(xué)特征分析MaintainabilityofMachinesanditsbasicmaintainabilityindex機的易維護性及基本維修性指標(biāo)TheessentialreliabilityandkeytechnologyofMachines機的本質(zhì)可靠性及其關(guān)鍵技術(shù)OverviewandcompositionofperceptionsystemtechnologyforMachines機的感知系統(tǒng)技術(shù)概述及組成Chapter3機的基本特性及其感知系統(tǒng)設(shè)計ArchitectureofperceptionsystemforMachines機的感知系統(tǒng)架構(gòu)HardwaremoduleofperceptionsystemforMachines機的感知系統(tǒng)硬件模塊SoftwaremoduleofperceptionsystemforMachines機的感知系統(tǒng)軟件模塊Examplesoftheentirelifecycleofmachines:DetectionandSafety機全生命周期實例：檢測與安全3.1

機的可操作性及機的動力學(xué)特征分析AnalysisoftheOperabilityandDynamiccharacteristicsforMachines3.1.1可操作性的定義及特征機的可操作性是指在人—機—環(huán)境系統(tǒng)中，在特定環(huán)境中，作業(yè)人員通過操作或控制特定機體，能夠迅捷、準(zhǔn)確、無誤地完成特定任務(wù)的能力。3.1.1可操作性的定義及特征1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證人—機—環(huán)境系統(tǒng)正常工作的前提。2.快速性快速性是機體可操作性的重要保證。為更好完成人機環(huán)系統(tǒng)的預(yù)定任務(wù)，系統(tǒng)對外界環(huán)境的反應(yīng)速度極為重要。3.準(zhǔn)確性要使人機環(huán)系統(tǒng)進一步準(zhǔn)確無誤地完成其自身功能，系統(tǒng)自身要保證作業(yè)準(zhǔn)確無誤，倘若系統(tǒng)不能準(zhǔn)確無誤地完成預(yù)定的任務(wù)，那么這個系統(tǒng)也不是一個好系統(tǒng)。1.比例特性比例特性的傳遞函數(shù)為：G(S)=Y(S)/X(S)=K式中，K為常數(shù)，稱為放大系數(shù)。比例特性又稱作放大特性，這時它的輸出量與輸入量成比例，其傳遞函數(shù)是一個常數(shù)。特點：輸出與輸入量成正比，無失真和時間延誤。3.1.2

機的動力學(xué)特征分析與操作性比較2.慣性特征慣性特征也稱作滯后特性或非周期特性，其傳遞函數(shù)為:G(S)=Y(S)/X(S)=K/(TS+1)式中，K為常數(shù)，稱放大系數(shù)；T為時間常數(shù)。特點：含一個儲能元件，對突變的輸入，其輸出不能立即復(fù)現(xiàn)，輸出無振蕩。3.1.2機的動力學(xué)特征分析與操作性比較人用車把控制車的方向3.一階積分特性一階積分特性的傳遞函數(shù)為：G(S)=Y(S)/X(S)=K/S式中，K為常數(shù)，稱為放大系數(shù)；一階積分特性的輸出量為輸入量的積分。輸出量與輸入量的積分成正比例，當(dāng)輸入消失，輸出具有記憶功能。3.1.2機的動力學(xué)特征分析與操作性比較用升降舵控制飛機的傾斜角4.一階慣性—積分特性一階慣性—積分特性的傳遞函數(shù)為:G(S)=Y(S)/X(S)=K/S(TS+1)式中，K為常數(shù)，稱為放大系數(shù)；T為時間常數(shù)。一階慣性—積分特性的輸出量為被滯后了的輸入量的積分。3.1.2機的動力學(xué)特征分析與操作性比較飛行員用副翼控制飛機的滾轉(zhuǎn)角3.1.2機的動力學(xué)特征分析與操作性比較5.二階積分特性二階積分特性的傳遞函數(shù)為G(S)=Y(S)/X(S)=K/S2式中，K為常數(shù)，稱為放大系數(shù)。二階積分特性的輸出量為輸入量的二次積分。6.不穩(wěn)定慣性-積分特性不穩(wěn)定慣性特性的傳遞函數(shù)為：G(S)=Y(S)/X(S)=K/S(TS-1)式中，K為常數(shù)，稱為放大系數(shù)；T為時間常數(shù)。這種特性一般都產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩，在機的設(shè)計時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這類特性。須注意的是，K與T的大小與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，并不是一個完全絕對的常數(shù)。3.1.2機的動力學(xué)特征分析與操作性比較可操作性的比較：比例特性>慣性特性>一階積分特性>一階慣性—積分特性>二階積分特性>不穩(wěn)定慣性—積分特性在進行人—機—環(huán)的安全設(shè)計時，單純的從“機”的因素考慮，應(yīng)該盡量降低控制系統(tǒng)的階次，改變傳統(tǒng)人機關(guān)系中“人適應(yīng)機器”的理念，保證人與機的最大功能匹配。3.2機的易維護性及基本維修性指標(biāo)MaintainabilityofMachinesanditsbasicmaintainabilityindex3.2.1機的易維護性設(shè)計原則1.便于維修和維護據(jù)操作的系統(tǒng)、設(shè)備、組件可靠性進行實時有效性分析，利用技術(shù)手段對其維護頻率進行預(yù)測。設(shè)備裝置的檢查窗口、測試點、檢查點等維護點都要布局在便于接近的位置。在進行機的總體布局設(shè)計時，應(yīng)保證拆裝設(shè)備、組件的維護空間充足、開闊。系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件布局應(yīng)滿足人機匹配性的基本要求。設(shè)備或裝置需保證有互換性物件，物件盡量保證標(biāo)準(zhǔn)、與原配件具有很高的匹配程度。設(shè)備、組件在設(shè)計時應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。3.3.1機的易維護性設(shè)計原則2.系統(tǒng)的模塊化設(shè)計與便捷維護始化設(shè)計時，盡量采用模塊化處理原則。設(shè)備組件的拆裝、連接、緊固、檢查窗口的開關(guān)等都要做到簡易、快速和牢靠。維護工作中所需的各種物質(zhì)補充等都應(yīng)盡量方便維護者。3.2.1機的易維護性設(shè)計原則3.設(shè)備維護費用低要盡量減少非必要的維護，降低維護成本。4.要有預(yù)防維護差錯的措施維護標(biāo)志、符號和技術(shù)數(shù)據(jù)要清晰準(zhǔn)確；保證維護作業(yè)安全、舒適、不單調(diào)特性。5.維護作業(yè)應(yīng)滿足人的要求維護作業(yè)空間的開口尺寸、方向、位置都要方便操作者。另外在系統(tǒng)、設(shè)備上進行維護時，其環(huán)境條件應(yīng)符合人的生理參數(shù)和能力。3.2.1機的易維護性設(shè)計原則6.滿足與維護有關(guān)的安全可靠性要求設(shè)計時必須注意系統(tǒng)、設(shè)備以及器件的可靠性要求，必要時要進行冗余設(shè)計。設(shè)備、設(shè)施有可能發(fā)生危險的部位都應(yīng)標(biāo)有醒目的標(biāo)記、符號和文字警告，以防止發(fā)生事故和危及人員與設(shè)備的安全。7.盡量降低對維護人員技能的要求對維護人員的操作和工作應(yīng)按邏輯和順序安排；維護程序和規(guī)程要簡單、明確、有效；對維護人員的專業(yè)要求應(yīng)盡量減少，對所需要的維護人員數(shù)目也應(yīng)盡量少。3.2.2機的基本維修性指標(biāo)1.機的維修性

3.2.2機的基本維修性指標(biāo)2.維修率函數(shù)維修率函數(shù)（又稱修復(fù)率）μ(t)，是在任意時刻t尚未修復(fù)的產(chǎn)品在單位時間內(nèi)被修復(fù)的概率。3.平均修復(fù)時間

3.2.2機的基本維修性指標(biāo)4.修復(fù)前平均時間

3.2.2

機的基本維修性指標(biāo)

例3.2.2機的基本維修性指標(biāo)

例3.3機的本質(zhì)可靠性及關(guān)鍵技術(shù)TheessentialreliabilityandkeytechnologyofMachines3.3.1本質(zhì)可靠性的基本概念機的本質(zhì)可靠性是指在人—機—環(huán)境系統(tǒng)中，為使設(shè)備達到本質(zhì)可靠而進行的研究、設(shè)計、改造和采取各種措施的最佳組合。機的本質(zhì)可靠性設(shè)計的根本任務(wù)，就是在機的可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)上，還要充分考慮人的操作失誤時可能產(chǎn)生的危險因素，在進行機的設(shè)計時，要從根本上防止人的操作失誤，從而確保人—機—環(huán)境系統(tǒng)的正常運行和人員安全。因此，對一個人—機—環(huán)境系統(tǒng)而言，機的本質(zhì)可靠性分析與設(shè)計就顯得極為關(guān)鍵。3.3.2本質(zhì)可靠性的設(shè)計方法1.連鎖設(shè)計當(dāng)機器狀態(tài)不允許采用某種操作時，可以采用適當(dāng)?shù)碾娐坊驒C構(gòu)進行控制，避免由于人的操作失誤導(dǎo)致的故障。2.“唯一性”設(shè)計“唯一性”設(shè)計是指機器的操作或連接只有一種狀態(tài)才能被接受，其他狀態(tài)都是排斥的，這就從根本上消除了人的操作失誤的可能性。3.“允許差錯”設(shè)計在人操作失誤中，相當(dāng)一部分是由于遺忘和失誤造成的，“允許差錯”設(shè)計是設(shè)備允許人員在操作過程種出現(xiàn)一定程度的不安全行為而不危及系統(tǒng)的安全。3.3.2本質(zhì)可靠性設(shè)計方法4.“自動化"設(shè)計機器的自動化程度越高，操作的數(shù)量和程序就越少、越簡單，對操作者的技能要求也就越低，因此出差錯的可能性也就越小。3.3.2本質(zhì)可靠性設(shè)計方法5.“差錯顯示"設(shè)計一旦出現(xiàn)了人的操作失誤，機器就會立即出現(xiàn)警告提示，通常有燈光顯示和語音警報兩種，顯然，這對防止人的操作失誤發(fā)生是十分有益。3.3.2本質(zhì)可靠性設(shè)計方法6.“保護性”設(shè)計“保護性”設(shè)計就是對裝備非常重要的操作部位加以保護，例如機炮、火箭、導(dǎo)彈等的發(fā)射按鈕，都會用一個紅色的保險蓋加以保護，顯然這種保護性設(shè)計是十分必要的。3.3.2本質(zhì)可靠性設(shè)計方法020301添加標(biāo)題添加標(biāo)題添加標(biāo)題04050607還有哪些本質(zhì)可靠性設(shè)計方法？3.3.3

機的失效與分析1.失效原因零件設(shè)計不合理零件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理會造成應(yīng)力集中。對工作時的過載估計不足或結(jié)構(gòu)尺寸計算錯誤，會造成零件不能承受一定的過載，另外對環(huán)境溫度、介質(zhì)狀況估計不足時，也會造成零件承載能力降低。3.3.3

機的失效與分析選材錯誤其一是選材不當(dāng)，由于對材料性能指標(biāo)的實驗條件和應(yīng)用場合缺乏全面了解，材料的性能指標(biāo)不能滿足工作條件，材料缺口敏感性等因素，也會導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)生早期破壞；其二是材質(zhì)欠佳，如各種冶金缺陷（氣孔、疏松、夾雜物等）存在且超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)都會導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低。疏松夾雜物3.3.3

機的失效與分析加工工藝不合理產(chǎn)品在加工制造過程中，若不注意工藝質(zhì)量，則會留下各種冷、熱加工缺陷問題進而導(dǎo)致零件早期失效。如鑄造工藝不當(dāng)，在鑄件中會造成縮孔、氣孔；鍛造工藝不當(dāng)會造成過熱組織，甚至發(fā)生過燒；機加工工藝不當(dāng)，如造成深刀痕和磨削裂紋；熱處理工藝不當(dāng)，會造成過熱組織不合要求、脫碳、變形和開裂等問題，這些都是導(dǎo)致零件失效的重要原因。過燒磨削裂紋脫碳3.3.3

機的失效與分析安裝使用不當(dāng)零件安裝時對中不好、配合過緊或過松、違反操作規(guī)程、維修不及時等都可能導(dǎo)致零件失效。3.3.3

機的失效與分析2.失效分析的基本步驟與方法調(diào)查取證：調(diào)查并記錄失效現(xiàn)場的相關(guān)信息、收集失效殘骸或樣品。整理分析：對所收集的資料、證據(jù)進行整理分析，為后續(xù)試驗明確方向。斷口分析：對失效試樣進行宏觀與微觀斷口分析以及必要的金相分析確定失效的發(fā)源地與失效形式，進一步分析設(shè)備的失效原因。成分、組織性能的分析與測試：開展成分及均勻性分析、組織及均勻性觀察、與失效方式有關(guān)的各種性能指標(biāo)測試等，通過與設(shè)計要求進行比較，找出其不符合規(guī)范之處。綜合分析得出結(jié)論：綜合各方面的證據(jù)資料及分析測試結(jié)果，判斷并確定失效的具體原因，提出防止與改進措施，寫出分析報告。3.3.3

機的失效與分析3.機的失效形式零部件磨損—磨損的分類磨料磨損黏著磨損疲勞磨損腐蝕磨損3.3.3

機的失效與分析零部件磨損——磨損過程（1）階段Ⅰ——跑合磨合階段。接觸面波峰逐漸磨平，接觸面積逐漸增大。磨損減緩，間隙量增大到正常值。（2）階段Ⅱ——穩(wěn)定磨損階段。磨損趨于穩(wěn)定、平緩。該階段在整個磨損過程中所占的時間較長。時間越久，磨損量越大。（3）階段Ⅲ——事故磨損（劇烈磨損）階段。間隙量突變，超出正常范圍，潤滑油油膜局部被破壞，磨損速度加快，傳動效率下降，產(chǎn)生振動與噪聲等易發(fā)生事故。階段Ⅰ階段Ⅱ階段Ⅲ3.3.3

機的失效與分析零部件變形—變形的原因外載荷：當(dāng)外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力超過零件材料的屈服強度時，零件將會產(chǎn)生過應(yīng)力永久變形。溫度：設(shè)備長期處于高溫、重載環(huán)境下，更容易出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)變形。內(nèi)應(yīng)力：熱加工或熱處理方式不同，毛坯件的內(nèi)應(yīng)力程度也不同，這也會影響零件的靜強度和尺寸穩(wěn)定性。材料結(jié)構(gòu)缺陷：縮孔、氣孔、裂紋等。3.3.3

機的失效與分析零部件變形—防治措施設(shè)計方面：合理布局、改善受力狀況等以及新技術(shù)、新工藝、新材料。加工制作方面：在加工制作中應(yīng)采取一系列必要的工藝措施減少和防止變形。修理方面：修理前制定與變形相關(guān)的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，并在修理中和修理后進行檢測。設(shè)備使用方面：在設(shè)備運行維護上，推廣全員、全過程和全效率的"三全"管理模式，杜絕設(shè)備的違規(guī)操作，避免超負荷或過熱運行，減少或避免設(shè)備使用方面的變形。3.3.4機的可靠性與及度量指標(biāo)機器設(shè)備的可靠性是指機器、部件、零件在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，度量可靠性指標(biāo)的特征量稱為可靠度?？煽慷仁侵冈谝?guī)定時間內(nèi)，機器設(shè)備或部件能完成規(guī)定功能的概率。若把它視為時間的函數(shù)，就稱為可靠度函數(shù)。3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)1.可靠性度量指標(biāo)可靠度可靠度是設(shè)備可靠性的量化指標(biāo)，可靠度是時間的函數(shù)，常用R(t)表示，稱為可靠度函數(shù)?？煽慷群瘮?shù)與時間t的函數(shù)可表示為:R(t)=P(T>t)其中，t為規(guī)定的時間，T表示產(chǎn)品的壽命。由可靠度的定義可知，R(t)描述了產(chǎn)品在（0，t）時間內(nèi)完好的概率，且R(0)=1，R（+∞)=0。3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)不可靠度

3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)故障率

3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)早期失效（故障）期。產(chǎn)品在使用初期，由于材質(zhì)的缺陷或者設(shè)計、制造、安裝、調(diào)整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，一些固有的缺陷會陸續(xù)暴露出來，此期間故障率較高。偶然失效期。該期間內(nèi)故障率降到最低，且趨向于常數(shù)，表示產(chǎn)品處于正常工作狀態(tài)。該段時間持續(xù)較長，也是產(chǎn)品的最佳工作期。磨損故障期。該時期內(nèi)的故障率迅速上升，原因在于產(chǎn)品經(jīng)長期使用后，由于磨損、老化等，大部分零部件將接近或達到固定壽命期，故障率較高。故障率早期失效期偶然失效期磨損故障期3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)平均壽命（平均無故障工作時間）

3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)維修度維修度是指維修產(chǎn)品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件（條件儲備、維修工具、維修方法及維修技術(shù)水平等）和規(guī)定時間內(nèi)能修復(fù)的概率，它是維修時間τ的函數(shù)，用M(τ)表示，稱為維修度函數(shù)。由上述可靠度和維修度概念可知，對維修產(chǎn)品而言，可靠性應(yīng)包括不發(fā)生故障的狹義可靠度和發(fā)生故障后進行修復(fù)的維修度，即必須用這兩項指標(biāo)來評價維修產(chǎn)品的可靠性。3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)有效度

3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)2.可靠性特征量之間的關(guān)系F(t)與R(t)之間的關(guān)系由概率的基本知識可知，兩個相互對立事件發(fā)生的概率之和等于1，所以F(t)與R(t)之間有如下關(guān)系：F(t)＋R(t)=1F(t)和R(r)與故障概率密度函數(shù)f(r)之間的關(guān)系

3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)R(t)與λ(t)之間的關(guān)系

F(t)及R(t)與λ(t)之間的關(guān)系3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)3.系統(tǒng)或產(chǎn)品的的可靠性

3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)1.由兩只規(guī)格一樣、可靠性相同的燈泡并聯(lián)組成的系統(tǒng)，R是0.9991，試求這兩只燈泡并聯(lián)組成系統(tǒng)的可靠度。解：系統(tǒng)的可靠性為1-(1-R)2=0.9991答：系統(tǒng)的可靠度為0.9991。2.3只不同規(guī)格的燈泡組成一個并聯(lián)的電路系統(tǒng)，這三只不同規(guī)格燈泡的1000h功能正常的可靠度分別是0.90、0.95、0.99。試求這個并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。解：可靠性R總=1-(1-0.90)(1-0.95)(1-0.99)=1-0.00005=0.99995答：這個并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性是0.99995。例3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)3.假設(shè)一臺個人計算機由處理單元、調(diào)制解調(diào)器和印刷電路板構(gòu)成，其可靠性分別為0.997、0.980和0.975,則該系統(tǒng)的可靠性Rs為多少？解：Rs=0.997×0.980×0.975=0.953答：該系統(tǒng)的可靠性Rs是0.953。4.如果已知N0，Ns(t)和Ns(t+△t)，其中N0為產(chǎn)品總數(shù)，Ns(t)為無故障工作到t時刻的產(chǎn)品數(shù)，Ns(t+△t)為繼續(xù)工作△t時間的產(chǎn)品數(shù)﹐問在△t時間里的可靠度是多少?解：R(t)=Ns(t)/N0；R(t+△t)=Ns(t+△t)/N0則在△t時間里的可靠度是：R(t+△t│t)=R(t+△t)/R(t)=Ns(t+△t)/Ns(t)3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)5.某批產(chǎn)品N0個中﹐已有88個正常工作到2400h，再繼續(xù)工作800h,還有66個能正常工作﹐問在這800h里的可靠度是多少?

解：Ns(t)=Ns(2400)=88Ns(t+△t)=Ns(2400+800)=Ns(3200)=66R(t+△t│t)=R(2400+800)/R(2400)=Ns(3200)/Ns(2400)=66/88=75%6.某產(chǎn)品,在觀測時間段△t內(nèi)，產(chǎn)品的工作時間為t1，試求該產(chǎn)品的有效度。解：由??

?=??/(??+??)則有：??

?=t1/△t3.3.4機的可靠性與度量指標(biāo)7.某批產(chǎn)品N0個中，已有116個正常工作到1600h，再繼續(xù)工作800h，這時還有88個能正常工作，問在[1600，2400]時間內(nèi)故障率是多少?

8.一組元件的故障密度函數(shù)為f(t)=0.25-(0.25/8)t，t為年，求F(t)，R(t)，λ(t)

3.3.5系統(tǒng)控制方法論1.系統(tǒng)控制論的基本概念事故的發(fā)生不是單一要素決定的，而是多個要素共同作用的，因此實現(xiàn)本質(zhì)安全化的過程中，要綜合考慮人與機構(gòu)成的系統(tǒng)特征，而不應(yīng)考慮單純的人或機械設(shè)備。系統(tǒng)論認為：一個問題的產(chǎn)生往往不是一個孤立的現(xiàn)象，而是系統(tǒng)內(nèi)某部分出現(xiàn)問題，產(chǎn)生相互作用的結(jié)果?？刂普撜J為：當(dāng)輸出某個信號時，總會在某個方面或某個時候得到反饋，為了使輸出總能夠或者極大部分產(chǎn)生正面的、積極的回應(yīng)，我們總要或者說時時刻刻檢查自己輸出的正確性和有益性。3.3.5系統(tǒng)控制方法論2.系統(tǒng)控制論的基本原理根據(jù)系統(tǒng)的輸入—輸出來刻畫系統(tǒng)的行為通過負反饋進行自穩(wěn)控制通過正反饋進行自組控制用一組分別表示輸人和輸出的時間函數(shù)的有序?qū)砻枋龌蚩坍嬒到y(tǒng)的行為及其變化規(guī)律的。系統(tǒng)達到對環(huán)境干擾的適應(yīng)，需根據(jù)反饋回路探索出新的穩(wěn)定態(tài)點位置根據(jù)系統(tǒng)實際狀態(tài)與穩(wěn)定態(tài)偏離的信息反饋對系統(tǒng)的行為進行控制，使它達到或恢復(fù)到原來的穩(wěn)定態(tài)。3.3.5系統(tǒng)控制方法論3.系統(tǒng)控制論的基本特性目的性。任何控制系統(tǒng)都是由控制者與被控制對象控制論系統(tǒng)組成，控制者向控制論系統(tǒng)施加控制作用，以實現(xiàn)所需的控制過程。閉環(huán)性。由控制者與被控制對象構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，控制者施加控制作用，被控制對象接收控制作用，從控制者到被控制對象傳遞控制信息。3.3.5系統(tǒng)控制方法論相對性?？刂葡到y(tǒng)是相對于其環(huán)境而獨立存在的，因此，控制系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間是相互影響的，其間存在系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出、干擾三種信息交換形式。時效性。系統(tǒng)控制的時效性主要是指系統(tǒng)在實現(xiàn)本質(zhì)安全化的過程中，能及時對外部環(huán)境的反饋信息有效處理，進而實現(xiàn)安全控制的目的。3.3.6安全控制系統(tǒng)設(shè)計1.安全控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則系統(tǒng)的目的性原則系統(tǒng)必須有安全目標(biāo)，這是設(shè)計和實施安全控制的前提。系統(tǒng)的可控性原則在設(shè)計各類技術(shù)與社會系統(tǒng)時，要分析系統(tǒng)的各種狀態(tài)及輸出變量，設(shè)計合適的系統(tǒng)控制變量，使系統(tǒng)的狀態(tài)及輸出變量可以隨著控制變量的變化而變化。系統(tǒng)的可觀測性原則在設(shè)計各類技術(shù)與社會系統(tǒng)時，需要在系統(tǒng)中設(shè)置必要的監(jiān)測儀表或安全檢查人員，以及時了解系統(tǒng)的狀態(tài)。3.3.6安全控制系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性原則在設(shè)計各類技術(shù)與社會系統(tǒng)時，在系統(tǒng)可控的前提下，通過給系統(tǒng)施加安全約束、監(jiān)測系統(tǒng)及時識別出危險因素、控制器及時采取有效的控制動作等，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)控制的協(xié)調(diào)性原則系統(tǒng)的控制應(yīng)當(dāng)基于合理的控制模型，即控制的作用應(yīng)有利于安全目標(biāo)的實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)存在多個控制器時，它們的控制動作應(yīng)協(xié)調(diào)一致。3.3.6安全控制系統(tǒng)設(shè)計2.安全控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法設(shè)立系統(tǒng)的安全控制目標(biāo)安全控制目標(biāo)不僅與系統(tǒng)構(gòu)建的成本密切相關(guān)，而且受當(dāng)前的社會、經(jīng)濟和技術(shù)條件的限制。因此，確定系統(tǒng)安全控制目標(biāo)要綜合考慮多種因素，是一個復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化決策過程。識別可能引發(fā)事故的各種危險因素安全控制的實質(zhì)是對系統(tǒng)的各種危險因素施加適當(dāng)?shù)陌踩s。因此，在系統(tǒng)設(shè)計階段就應(yīng)識別系統(tǒng)中可能引發(fā)事故的各種危險因素。3.3.6安全控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計限制危險因素所需的安全約束對危險因素的限制措施、提高系統(tǒng)的安全可靠性、消除人的不安全因素。設(shè)計施加安全約束的安全控制方法及其結(jié)構(gòu)在設(shè)計系統(tǒng)的安全控制方法和結(jié)構(gòu)時，應(yīng)遵守前述安全系統(tǒng)設(shè)計的控制目的性、可控性、可觀測性、穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性等基本原則。3.3.6安全控制系統(tǒng)設(shè)計3.安全控制系統(tǒng)設(shè)計的控制策略自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)：由參考模型、被控對象、常規(guī)反饋控制器和自適應(yīng)控制回路(自適應(yīng)律)幾部分組成。系統(tǒng)辨識與最優(yōu)控制結(jié)合的自適應(yīng)系統(tǒng)：這類自適應(yīng)系統(tǒng)的一個主要特點是具有被控對象數(shù)學(xué)模型的在線辨識環(huán)節(jié)。預(yù)測控制預(yù)測模型：能夠根據(jù)系統(tǒng)的歷史信息和選定的未來輸預(yù)測出未來的輸出值。滾動優(yōu)化：最優(yōu)控制對于對象的環(huán)境不確定性的妥協(xié)。反饋校正：所有的預(yù)測控制算法在進行滾動優(yōu)化時，都強調(diào)了優(yōu)化的基點應(yīng)與系統(tǒng)實際一致。3.3.6安全控制系統(tǒng)設(shè)計魯棒控制容錯控制所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大小）的參數(shù)攝動下，維持某些性能的特性。魯棒控制方法，是對時間域或頻率域來說，一般要假設(shè)過程動態(tài)特性的信息和它的變化范圍。容錯是指系統(tǒng)雖然遭受到內(nèi)部環(huán)節(jié)的局部故障或失效，但仍可繼續(xù)正常運行的一種特性。雖然無法保證構(gòu)成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的絕對可靠性，但若把容錯的概念引入到控制系統(tǒng)，從而構(gòu)成容錯控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)中的各個故障因素對控制性能的影響顯著削弱。3.4機的感知系統(tǒng)技術(shù)概述及組成OverviewandcompositionofperceptionsystemtechnologyforMachines3.4.1機的感知系統(tǒng)技術(shù)概述感知系統(tǒng)的組成包括各種專用傳感器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器構(gòu)成的硬件部分和傳感識別、校準(zhǔn)、信息融合與傳感器數(shù)據(jù)庫所構(gòu)成的軟件部分。機器感知系統(tǒng)的本質(zhì)是將機器內(nèi)部狀態(tài)信息(位移、機器姿勢、速度、肢體旋轉(zhuǎn)角速度、運行加速度、角加速度、平衡狀態(tài)信息)和外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器系統(tǒng)自身、機器相互之間能夠理和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息和知識。腦神經(jīng)系統(tǒng)味覺神經(jīng)系統(tǒng)聽覺神經(jīng)系統(tǒng)嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)觸覺神經(jīng)系統(tǒng)視覺神經(jīng)系統(tǒng)3.4.2機的感知系統(tǒng)的組成視覺感知系統(tǒng)機器視覺系統(tǒng)是通過機器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。視覺感知一般包括三個過程:圖像獲取、圖像處理和圖像理解。3.4.2機的感知系統(tǒng)的組成聽覺感知系統(tǒng)主要是通過辨識聲波性能轉(zhuǎn)化成電信號進行感知。嗅覺感知系統(tǒng)氣味跟蹤機器人用于檢測空氣中的化學(xué)成分、濃度等，主要采用氣體傳感器（氣體成分分析儀）及射線傳感器等。3.4.2機的感知系統(tǒng)的組成味覺感知系統(tǒng)觸覺感知系統(tǒng)實現(xiàn)味覺的傳感有PH計、化學(xué)成分分析等。作為視覺的補充，觸覺能感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性，包括柔軟性、硬度、粗糙度和導(dǎo)熱性等。迪士尼研發(fā)觸覺臨場感機器人3.4.2機的感知系統(tǒng)的組成力覺感知系統(tǒng)接近覺感知系統(tǒng)機器力感知系統(tǒng)就安裝部位來講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。使機器在移動或操作過程中獲取目標(biāo)(障礙)物的接近速度過快造成的沖擊。排爆機器人3.4.2機的感知系統(tǒng)的組成

最上層可用計算機作為高層決策節(jié)點，經(jīng)信號搜集與處理，完成工作決策。中間層負責(zé)對底層信息的搜集與信號轉(zhuǎn)換、上層傳感系統(tǒng)節(jié)點模塊決策信息的傳達、節(jié)點附近信息的收集以及本層節(jié)點信息向上層節(jié)點的高速實時傳輸。底層節(jié)點相當(dāng)于外部的感知系統(tǒng)，通常采用嵌入式處理器架構(gòu)實現(xiàn)對外部環(huán)境信號的采集。3.5機的感知系統(tǒng)架構(gòu)ArchitectureofperceptionsystemforMachines3.5.1機的信息融合與處理工具—傳感器1.傳感器的定義傳感器是一種以一定精度測量出物體的物理、化學(xué)變化（如位移、力、加速度、溫度等），并將這些變化變換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種電信號（如電壓、電流和頻率）的檢測部件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源四部分組成。3.5.1機的信息融合與處理工具—傳感器2.傳感器的分類按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型：直接將被測量轉(zhuǎn)換為電信號（電壓等）。例如：熱電偶傳感器，壓電式傳感器。能量控制型：先將被測量轉(zhuǎn)換為電參量（電阻等），在（電參量型）外部輔助電源作用下才能輸出電信號。例如：應(yīng)變式傳感器，電容式傳感器。熱電偶傳感器壓電式傳感器應(yīng)變式傳感器電容式傳感器3.5.1機的信息融合與處理工具—傳感器按工作機理分類結(jié)構(gòu)型傳感器：基于某種敏感元件的結(jié)構(gòu)形狀或幾何尺寸的變化來感受被測量。例如電容式壓力傳感器。物性型傳感器:是利用某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)來感受被測量。例如利用石英晶體的壓電效應(yīng)而實現(xiàn)壓力測量的壓電式壓力傳感器。電容式壓力傳感器壓電式壓力傳感器3.5.1機的信息融合與處理工具—傳感器按輸出信號分類模擬型傳感器:輸出連續(xù)變化的模擬信號。如感應(yīng)同步器的滑尺相對定尺移動時，定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為周期性模擬信號。數(shù)字型傳感器:輸出“1”或“0”兩種信號電平。如用光電式接近開關(guān)檢測不透明的物體，當(dāng)物體位于光源和光電器件之間時，光路阻斷，光電器件截止輸出高電平“1”;當(dāng)物體離開后，光電器件導(dǎo)通輸出低電平“0”。感應(yīng)同步器數(shù)字型傳感器3.5.2傳感器性能指標(biāo)1.靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出信號達到穩(wěn)定時，輸出信號變化與輸入信號變化的比值。假如傳感器的輸出和輸入呈線性關(guān)系，其靈敏度可表示為：S=△y/△x式中：S為傳感器的靈敏度；?y為傳感器輸出信號的增量；?x為傳感器輸入信號的增量。一般來說，傳感器的靈敏度越大越好，這樣可以使傳感器的輸出信號精確度更高、線性程度更好。但是過高的靈敏度有時會導(dǎo)致傳感器的輸出穩(wěn)定性下降，所以應(yīng)根據(jù)機器的要求選擇大小適中的傳感器靈敏度。3.5.2傳感器性能指標(biāo)2.線性度線性度反映傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性程度。假設(shè)傳感器的輸出信號為y，輸入信號為x，則輸出信號與輸入信號之間的線性關(guān)系可表示為：y=kx若k為常數(shù)，或者近似為常數(shù)，則傳感器的線性度較高；如果k是一個變化較大的量，則傳感器的線性度較差。機器的控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。實際上，只有在少數(shù)情況下，傳感器的輸出和輸入才呈線性關(guān)系。3.5.2傳感器性能指標(biāo)3.測量范圍測量范圍是指被測量的最大允許值和最小允許值之差。4.精度精度是指傳感器的測量輸出值與實際被測量值之間的誤差。5.重復(fù)性在相同測量條件下，對同一被測量指標(biāo)進行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。若一致性好，傳感器的測量誤差就越小，重復(fù)性越好。6.分辨率分辨率是指傳感器在整個測量范圍內(nèi)所能識別的被測量的最小變化量，或者所能辨別的不同被測量的個數(shù)。3.5.2傳感器性能指標(biāo)7.響應(yīng)時間響應(yīng)時間是傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)，是指傳感器的輸入信號變化后，其輸出信號隨之變化并達到一個穩(wěn)定值所需要的時間，一般來說，傳感器的響應(yīng)時間越短越好8.抗干擾能力由于傳感器輸出信號的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，為防止機器的系統(tǒng)的意外動作或發(fā)生故障，設(shè)計傳感器系統(tǒng)時必須采用可靠性設(shè)計技術(shù)。通?？垢蓴_能力是通過單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義的，因此它是一個統(tǒng)計指標(biāo)。3.5.3機感知系統(tǒng)的內(nèi)部傳感器1.位置和位移傳感器位移傳感器是通過電位器元件將機械裝置的位移量轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。直線型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器的工作臺與其滑動觸點相連，當(dāng)工作臺左、右移動時，滑動觸點也隨之左、右移動，從而改變與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓的變化量，確定以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動距離。3.5.3機感知系統(tǒng)的內(nèi)部傳感器旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器由于電阻值隨著回轉(zhuǎn)角而改變（如滑動變阻器），因此基于上述同樣的理論可構(gòu)成具有一定角度的角度傳感器。2.光電編碼器光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字代碼的傳感器，它可以高精度地測量轉(zhuǎn)角或直線位移。光電編碼器具有測量范圍大、檢測精度高、價格便宜等優(yōu)點，在數(shù)控機床和機器的位置檢測及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。3.5.3機感知系統(tǒng)的內(nèi)部傳感器絕對式編碼器絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件，是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器，它可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼。增量式光電編碼器增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。3.5.3機感知系統(tǒng)的內(nèi)部傳感器3.速度傳感器目前廣泛使用的角速度傳感器有測速發(fā)電動機和增量式光電編碼器兩種。測速發(fā)電動機能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好實時性的一種速度測量傳感器。測速發(fā)動機4.力覺傳感器力覺傳感器是用來檢測機械裝置的手臂和手腕所產(chǎn)生的力或其所受反力的傳感器。力覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同，可分為應(yīng)變片式傳感器、利用壓電元件式及差動變壓器、電容位移計式傳感器。3.5.4機感知系統(tǒng)的外部傳感器1.觸覺傳感器觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能。觸覺傳感器按功能大致可分為接觸覺傳感器、力—力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。微動開關(guān)導(dǎo)電橡膠式傳感器碳素纖維式傳感器3.5.4機感知系統(tǒng)的外部傳感器應(yīng)力傳感器當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出，輸出的電量大小反映被測量即受力的大小。接近度傳感器接近度傳感器，檢測物體接近程度的傳感器。接近度可表示物體的來臨、靠近或出現(xiàn)、離去或失蹤等。磁感應(yīng)器式傳感器電感式接近度傳感器霍耳式傳感器3.5.4機感知系統(tǒng)的外部傳感器2.其他外部傳感器聲覺傳感器主要用于感受和解釋在氣體（非接觸式感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器的復(fù)雜程度可從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析和對連續(xù)自然語言中單獨語音和詞匯的辨識。3.5.4機感知系統(tǒng)的外部傳感器溫度傳感器溫度傳感器指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，可分為接觸式和非接觸式兩種。常用的溫度傳感器為熱敏電阻和熱電偶，這兩種傳感器必須和被測物體保持實際接觸。各類溫度傳感器3.5.4機感知系統(tǒng)的外部傳感器滑覺傳感器滑覺傳感器是一種用來檢測機械裝置與抓握對象間滑移程度的傳感器?；X傳感器按被測物體滑動方向可分為三類：無方向性、單方向性和全方向性傳感器。機器的視覺技術(shù)機器視覺系統(tǒng)是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統(tǒng)，同時集成軟硬件，綜合現(xiàn)代計算機、光學(xué)、電子技術(shù)，能夠自動地從所采集到的圖像中獲取信息或者產(chǎn)生控制動作。3.6機的感知系統(tǒng)硬件模塊HardwaremoduleofperceptionsystemforMachines3.6.1硬件模塊化設(shè)計基本原則1.結(jié)構(gòu)分離原則（軟硬件分離原則）首先應(yīng)該完成機器感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分離，將軟件與硬件系統(tǒng)分離開來以便于進行獨立設(shè)計開發(fā)。機器感知系統(tǒng)軟件即處理程序化語言的裝備，往往存在與機械裝置的“內(nèi)在”，硬件即儲存軟件或開展實際操作的本體結(jié)構(gòu)化的物質(zhì)構(gòu)成。2.功能分離原則（軟硬件分離原則）功能分離，是指將機械裝置感知系統(tǒng)模塊中具體代表的功能進行分離，如聽覺感知模塊，該模塊中的所有軟硬件都與聲音信號相關(guān)等。由于功能是模塊或單元所能夠重復(fù)表現(xiàn)出來的一種外在性質(zhì)，因此功能分離首先必須基于模塊的功能性質(zhì)的確定和穩(wěn)定。3.6.1硬件模塊化設(shè)計基本原則3.復(fù)合原則由于感知系統(tǒng)是一個整體，因此在完成感知系統(tǒng)分離后，需要將原有分離化模塊重新耦合。4.開放原則（可擴展性）對機器的本身構(gòu)造來講，為了提高機器的軟件的復(fù)用性，應(yīng)實現(xiàn)源碼開放，資源共享。感知系統(tǒng)本身也應(yīng)該作為一個具有良好的開放性可擴展的單元，以便可以很容易融入到一個智能網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，成為原有環(huán)境的一個重要補充。3.6.2機的感知系統(tǒng)硬件模塊架構(gòu)1.構(gòu)件設(shè)計構(gòu)件是一個封裝了一系列類元（classifiers）的狀態(tài)和行為的自包含單元，通常代表系統(tǒng)中的一部分物理實施，包括軟件代碼（源代碼、二進制代碼或可執(zhí)行代碼）或其等價物（如腳本或命令文件）。2.端口設(shè)計端口是指接口電路中的一些寄存器，這些寄存器分別用來存放數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，端口代表了類元和環(huán)境之間的交互點，可以認為是設(shè)備與外界通訊交流的出口。3.6.2機的感知系統(tǒng)硬件模塊架構(gòu)3.接口設(shè)計接口泛指實體把自己提供給外界的一種抽象化物（可以為另一實體），用以實現(xiàn)機械裝置的內(nèi)部操作與外部功能展現(xiàn)的一種聯(lián)動。構(gòu)件可以直接實現(xiàn)提供接口，構(gòu)件的子構(gòu)件也可以實現(xiàn)提供接口。實現(xiàn)接口的構(gòu)件支持由該接口所擁有的特征。此外，構(gòu)件必須與接口擁有的約束相容。構(gòu)件使用的接口被稱為請求接口，即構(gòu)件向其它構(gòu)件請求服務(wù)時要遵循的接口。機器感知系統(tǒng)的UML組件描述3.6.3機器感知系統(tǒng)底層節(jié)點模塊機器感知系統(tǒng)節(jié)點是傳感器與計算機或傳感器網(wǎng)絡(luò)之間連接的橋梁。其作用是解決傳感器的異構(gòu)性帶來的諸多問題，完成從原始信號到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流過程，一般是指傳感器與計算機或傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的硬件連接設(shè)備，主要包括傳感器信號的轉(zhuǎn)換、調(diào)理電路，有時還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)通訊的總線接口。

3.6.3機器感知系統(tǒng)底層節(jié)點模塊1.傳感器模塊傳感器模塊總體來說包括執(zhí)行器、模擬傳感器和數(shù)字傳感器，該模塊是直接與物理世界連接的裝備，通過將外部不同類型的信號進行轉(zhuǎn)換實現(xiàn)物理信號到數(shù)字信息的互通互達。2.模擬傳感器接口模擬傳感器接口部分包括信號調(diào)理模塊和片上ADC或者由處理器外擴的ADC轉(zhuǎn)換芯片，處理多路模擬傳感器輸入的情況。3.數(shù)字通訊接口模塊數(shù)字通訊接口是設(shè)備用于信號傳輸?shù)耐ǖ溃渲饕饔檬欠奖銛?shù)字傳感器的接入。3.6.3機器感知系統(tǒng)底層節(jié)點模塊4.存儲單元儲存單元是多個存儲元的集合，一般應(yīng)具有存儲數(shù)據(jù)和讀寫數(shù)據(jù)的功能。存儲單元模塊是為節(jié)點的數(shù)據(jù)描述服務(wù)的，一般應(yīng)具有存儲數(shù)據(jù)和讀寫數(shù)據(jù)的功能，大多數(shù)情況以8位二進制作為一個存儲單元。5.處理器模塊處理器模塊是機器感知系統(tǒng)節(jié)點的指揮中心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元，設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲都將在這個模塊的支持下完成。3.6.4機器感知系統(tǒng)中間節(jié)點模塊底層節(jié)點完成信號到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換之后，需要進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息甚至知識的過渡，而機器感知系統(tǒng)的中間層節(jié)點模塊就是用來實現(xiàn)該功能的。其基本特征與黑箱類似，即在研究過程中無需考慮中間節(jié)點模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。中間節(jié)點模塊內(nèi)部的各個構(gòu)件之間完全獨立，其內(nèi)部子模塊之間可以任意組合，而無需考慮是否兼容的問題。連接“input”和“output”，控制數(shù)據(jù)處理流程，即實現(xiàn)外部環(huán)境信息輸入，內(nèi)部環(huán)境知識流出；設(shè)定中間層節(jié)點相關(guān)的屬性。3.7機的感知系統(tǒng)軟件模塊SoftwaremoduleofperceptionsystemforMachines3.7.1節(jié)點數(shù)據(jù)描述節(jié)點數(shù)據(jù)描述分為三個模塊，分別為基本數(shù)據(jù)模塊、通道數(shù)據(jù)描述模塊和用戶自定義模塊，其中一個節(jié)點可以有多個通道數(shù)據(jù)描述，虛線代表該模塊是可選部分。3.7.1節(jié)點數(shù)據(jù)描述基本數(shù)據(jù)模塊用來描述節(jié)點的總體信息，包括基本數(shù)據(jù)描述的長度、標(biāo)識號、通道數(shù)、通信握手時間、最大傳輸速率、預(yù)熱時間、命令響應(yīng)時間等。3.7.1節(jié)點數(shù)據(jù)描述通道數(shù)據(jù)描述模塊用來描述每個通道的具體信息，包括通道數(shù)據(jù)描述的長度、通道類型、通道采樣周期、通道預(yù)熱時間、通道寫建立時間和通道讀建立時間。用戶自定義模塊，主要用于包含上面幾個模塊沒有覆蓋的信息，通常是在軟件書寫過程中所需要的特殊額外信息，如維護人員的姓名、聯(lián)系方式、維護時間等。3.7.2用戶接口組件1.API函數(shù)的作用API函數(shù)是一些預(yù)先定義的函數(shù)，主要目的是讓應(yīng)用程序開發(fā)人員得以調(diào)用一組例程功能，而無須考慮其底層的源代碼為何、或理解其內(nèi)部工作機制的細節(jié)。在機器的感知系統(tǒng)設(shè)計過程中，定義API函數(shù)主要是為了對外提供一致的表達方式，以使傳感器的更換盡量小地影響測試軟件。3.7.2用戶接口組件2.IDL概述IDL是用來描述軟件組件接口的一種計算機語言。IDL通過一種中立的方式來描述接口，使得在不同平臺上運行的對象和用不同語言編寫的程序可以相互通信交流。IDL采用ASCII字符集構(gòu)成接口定義的所有標(biāo)識符，其數(shù)據(jù)類型如下：基本數(shù)據(jù)類型：

short、long和相應(yīng)的無符號（unsigned）類型浮點數(shù)類型：IDL浮點數(shù)類型包括float、double和longdouble類型。字符和超大字符類型：IDL定義字符類型char單字節(jié)字符，定義類型wchar為超大字符邏輯類型：用boolean關(guān)鍵字定義的一個變量八進制類型：用octet關(guān)鍵字定義，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中不進行高低位轉(zhuǎn)換的位元序列。any數(shù)據(jù)類型：引入該類型用于表示IDL中任意數(shù)據(jù)類型。3.8機全生命周期實例：檢測與安全Examplesoftheentirelifecycleofmachines:DetectionandSafety3.8.1機械設(shè)備的安全檢測設(shè)備檢測技術(shù)又稱為設(shè)備診斷技術(shù)，是指為準(zhǔn)確掌握設(shè)備的磨損、腐蝕等情況和及時進行維修，通過儀器、儀表和科學(xué)方法對正在運轉(zhuǎn)中的設(shè)備進行一系列的檢查和測定方面的技術(shù)。3.8.1機械設(shè)備的安全檢測超聲檢測是指利用超聲波對金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷進行檢查的一種無損探傷方法。用發(fā)射探頭向構(gòu)件表面通過耦合劑發(fā)射超聲波，超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳播時遇到不同界面將有不同的反射信號（回波），利用不同反射信號傳遞到探頭的時間差，可以檢查到構(gòu)件內(nèi)部的缺陷。1.超聲波檢測技術(shù)超聲波探傷儀超聲波無損傷檢測過程超聲波無損傷檢測過程超聲波無損傷檢測過程3.8.1機械設(shè)備的安全檢測磁粉檢測技術(shù)又稱磁粉檢驗或磁粉探傷，其基本原理是在鐵磁性材料工件被磁化后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，在合適的光照下形成目視可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴重程度。2.磁粉檢測技術(shù)磁粉探傷儀3.8.1機械設(shè)備的安全檢測滲透檢測技術(shù)是一種以毛細管作用原理為基礎(chǔ)的無損檢測技術(shù)，主要用于檢測非疏孔性的金屬或非金屬零部件的表面開口缺陷。滲透檢測主要的應(yīng)用是檢查金屬（鋼、鋁合金、鎂合金、銅合金、耐熱合金等）和非金屬（塑料、陶瓷等）工件的表面開口缺陷，例如表面裂紋等。3.滲透檢測技術(shù)3.8.2機械設(shè)備的故障分布1.指數(shù)分布

3.8.2機械設(shè)備的故障分布2.正態(tài)分布

3.8.2機械設(shè)備的故障分布3.韋布爾分布

3.8.2機械設(shè)備的故障分布1.噴氣式飛機有3臺發(fā)動機，至少需2臺發(fā)動機正常才能安全飛行和起落，假定飛機事故僅由發(fā)動機引起，假定發(fā)動機失效率為常數(shù)（2×10-3）。求飛機飛行10h和100h的可靠度。解：已知λ=2×10-3，T1=10，T2=100R(T)=1-F(T)=e