結合電氣工程及其自動化淺談機器人設計

結合電氣工程及其自動化淺談機器人設計

［摘要］近年來隨著電氣工程的迅猛發(fā)展，機器人的設計開發(fā)與電氣工程的結合也逐漸密切。將電氣自動化技術運用到機器人的開發(fā)中，使機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。［關鍵詞］電氣工程；自動化；機器人［作者簡介］榮淼，中國礦業(yè)大學信電學院本科生，江蘇徐州，221116［中圖分類號］TP24［文獻標識碼］A［文章編號］1007-7723（2011）-08-0010-0002近幾年來，很多高校都開展了對機器人的研究，機器人試驗室為在校學生提供了資源、技術以及自由發(fā)揮進行創(chuàng)新創(chuàng)造的機會，而國內外越來越多的機器人比賽也為機器人愛好者提供了交流與展示的平臺。我國的機器人創(chuàng)新技術水平相比于美國、日本、俄國及一些歐洲國家仍有很大差距，而所涉及到的技術領域也同樣落后于這些國家。不過，近幾年來的技術高速發(fā)展說明了我國的實力仍有很大發(fā)展空間。機器人的設計研究涉及到諸多領域，在本文中主要介紹電氣工程及其自動化領域對機器人設計的相關應用。一、電氣工程及其自動化專業(yè)介紹（一）什么是電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化是涉及電力電子技術、計算機技術、電機電器技術、信息與網絡控制技術、機電一體化技術等諸多領域的一門綜合性較強的學科，其主要特點是強弱電結合、機電結合、軟硬件結合、元件與系統(tǒng)相結合，其中又是以強電為主。該專業(yè)的主要學習課程包括電路原理、電工技術、電子技術、工程電磁場、控制理論、信息處理、系統(tǒng)工程、自動檢測與儀表、電力系統(tǒng)繼電保護、高電壓技術、計算機與應用、軟件技術基礎和計算機網絡技術等方面的基本理論和基本知識。該專業(yè)的學生具有工程技術基礎知識和相應的電氣工程專業(yè)知識。該專業(yè)對學生進行電工電子、系統(tǒng)控制及計算機技術方面的基本訓練，使得學生具有解決電氣工程技術分析與控制問題的基本能力，從事與電氣工程有關的系統(tǒng)運行、自動控制、電力電子技術、信號處理、試驗分析、研制開發(fā)、經濟管理、電子與計算機技術應用領域。（二）主干學科電氣工程、控制科學與工程、計算機科學與工程。（三）主要實踐性教學環(huán)節(jié)金工實習、電子工程實踐、電工測量與實驗技術、計算機軟硬件實踐、專業(yè)綜合實驗、專業(yè)課程設計、畢業(yè)實習、畢業(yè)設計。（四）專業(yè)基礎實驗專業(yè)基礎實驗教學以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為目的設置實驗課程和實驗內容，將專業(yè)基礎實驗分為由初級到高級五個訓練平臺，按照能力培養(yǎng)目的分為課程實驗（如電機實驗、微型計算機技術實驗、電力電子及計算機控制技術實驗等）和獨立開設的專業(yè)綜合試驗（電力系統(tǒng)繼電保護綜合實驗、電力系統(tǒng)綜合自動化實驗、電力系統(tǒng)檢測實驗、電力系統(tǒng)綜合設計、水電站運行仿真培訓等）。使學生接受到電子工程實踐、電工電子測量與實驗技術、電子線路設計和CPLD及電子CAD技術、單片機應用綜合技術、電子線路綜合設計等一系列的綜合性、涉及性訓練。（五）面向方向1.電力企業(yè)的運營與控制電力調度、繼電保護、遠動通信、電力規(guī)劃、電力市場、電力自動化設備運行管理、電力設施建設等。2.電力設備制造電力系統(tǒng)的一、二次設備（發(fā)電機、變壓器、繼電保護及安全自動裝置），電力電子設備（FACTS設備）。3.電力系統(tǒng)的培訓、教學及科研。4.非電力系統(tǒng)的相關行業(yè)。家電制造、機械自動化、煤礦自動化、建筑自動化（如樓宇電梯）、安防系統(tǒng)（如報警系統(tǒng)、監(jiān)控錄像）、通信（如移動、計算機網絡）、智能系統(tǒng)、數控類器械維修、鐵路機械維修、監(jiān)控系統(tǒng)維修等。（六）專業(yè)教育的歷史及現狀19世紀上半葉，安培發(fā)現電流的磁效應、法拉第發(fā)現電磁感應定律。19世紀下半葉，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。19世紀末到20世紀初，西方國家的大學陸續(xù)設置了電氣工程專業(yè)。我國電氣工程專業(yè)高等教育開始的時間并不晚。1908年，南洋大學堂（交通大學前身）設置了電機專科，這是我國大學最早的電氣工程專業(yè)，至今已有一個世紀。隨后，一部分大學設置了較為單一的電機電訊系。1949年后，我國出現了一批以工科為主的綜合性大學，也出現了一批機電學院。1977年后，大部分高校的電機工程系陸續(xù)改名為“電氣工程系”，之后又有部分學校將其改名為“電氣工程學院”。1998年頒布的專業(yè)目錄中，原電工類的電機電器及其控制、電力系統(tǒng)及其自動化、高電壓與絕緣技術、電氣技術等專業(yè)合并為目前的電氣工程及其自動化專業(yè)。在同時頒布的工科引導性專業(yè)目錄中，又把電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)中的部分（主要是原工業(yè)自動化專業(yè)）合并為電氣工程與自動化專業(yè)。目前，在發(fā)達國家的大學里，保留了“電氣工程系”的名稱，有的和計算機專業(yè)一起稱為“電氣工程與計算機科學系”。其中電氣工程所涉及的內容主要是電子、信息等，傳統(tǒng)的“電力工程”內容已不多見，已經很少有我國目前的“電氣工程”專業(yè)。其背景是發(fā)達國家的發(fā)電裝機容量已基本滿足社會發(fā)展需求，用電需求年增長率不超過2%，電力發(fā)展趨于飽和，所需傳統(tǒng)電氣工程人才數量大為減少。我國和發(fā)達國家所處的發(fā)展階段不同，國情差別很大，我國的電力工業(yè)還處在迅猛發(fā)展期。據統(tǒng)計，我國的年用電增長率超過10%，所以仍需要大量電氣工程人才。因此，各工科著名大學都把電氣工程專業(yè)作為支柱性專業(yè)。二、機器人設計（一）什么是機器人機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是一種可編程和多功能的操作機，或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)，是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物，在工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)、軍事等領域中均有重要用途。可以通過人的指揮執(zhí)行任務，也可以自動運行預先編好的程序，還可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。設計者最初的目的是用它協(xié)助或取代人類工作，是具有極度危險性的工作。機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)及復雜機械等組成?，F在，機器人已逐漸趨于人性化，很多設計者對傳統(tǒng)的機器進行改造，使之呈現出人的外貌，具有更多高級功能，并可像人類一樣工作。（二）機器人與電氣工程及其自動化專業(yè)的聯(lián)系從機器人的結構說起，執(zhí)行機構及機器人本體，一般來說，就是通過一定數目的電機（如步進電機、伺服電機等，這里以最簡單的舵機進行說明）和連接桿（這里也以最簡單的用鋁板鋁條做的卡口來說明）相連接搭建出一個機器人雛形，當然，這需要根據機器人設計圖紙進行。機器人的活動關節(jié)數及機器人的自由度數一般等于舵機數，但也有一個舵機帶動多個自由度數的情況，只是在該種情況下會對舵機造成較大損傷，導致機器人的壽命減少。驅動裝置是驅動執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。輸入電信號，即通過調試軟件進行的動作編排，使舵機進行一定角位移的轉動，從而帶動連接桿進行線位移的延伸和角位移的轉動。檢測裝置的進行保證了設定信息與實際反饋信息的一致。最簡單的做法就是通過使用調試軟件進行機器人的動作調試，如果出現結構上的限制問題，則可及時地優(yōu)化結構?，F在由于傳感技術的創(chuàng)新，很多機器人身上配置有傳感器，幫助機器人回收工作對象和工作環(huán)境的有關信息，傳感檢測裝置利用這些信息構成反饋回路，使機器人的工作精度大大提高?？刂葡到y(tǒng)實行功能的方式可分為集中式控制，即由一臺微機控制完成機器人的全部控制和分散式控制，由多臺微機分級進行機器人的控制?？刂乒δ芡ǔＪ峭ㄟ^單片機來實現的，而現在國內的一些高等院校的電氣工程及其自動化專業(yè)的學生學習的是傳統(tǒng)的51單片機，而很多功能強大、技術高端的單片機并未接觸到。計算機與單片機通過串口相接，運行調試后可將程序編寫到單片機上儲存，再將一連串的動作有序地連接，即編寫程序完成。再將單片機插在電路板上，由于單片機本身就是一臺結構簡單的微型計算機，所以可以在電路板上獨立運行，只需供電即可。由此可見，電氣工程及其自動化專業(yè)所學的知識與機器人的設計開發(fā)有著密切的聯(lián)系，但是機器人的設計開發(fā)只靠這一學科的知識是遠遠不能實現的。據報道，美國研制了一種“軍螺”機器人，可實現軍用武器的搬運，在山地平原都可迅速搬運。日本的諸多領域也已投入了機器人的使用。俄國的大塊頭機器人也在軍事等領域中得到功能的發(fā)揮?，F在，很多歐洲國家的機器人設計開發(fā)也遠超我國。我國作為世界大國之一，科技和創(chuàng)新領域需要更多鮮活力量的投入，而機器人的設計開發(fā)也被賦予更為重要的時代意義。［參考文獻］［1］徐科軍.電氣測試技術基礎［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2003.［2］孔慧芳.自動控制原理（學練考）［M］.北京:清華大學出版社,2004.［3］王孝武.現代控制理論基礎［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2006.［4］［美］GordonMcComb//Myke