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机电一体化创新设计实验一、概述及背景机电一体化创新设计(Mechanical&ElectricalIntegrationCreativeDesign，MEICD)是指在机构的主功能，动力功能，信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械设计与电子化设计及软件结合起来所构成系统的总称。机电一体化发展至今已经发展成一门有自身体系的新型学科，随着科学技术的不断发展，还将被赋予新的内容。但其基本的特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术，微电子技术，自动控制技术，计算机技术，信息技术，传感测控技术，电力电子技术，接口技术，信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置和布局各功能单元，在多功能，多质量，高可靠性，低能耗的意义上实现特定的功能价值，并使整修系统功能最优化的系统工程实验。针对学院测试及控制类课程《电工电子技术》、《测试技术》、《微机原理及接口技术》等课程涵盖了机械设备及加工过程测试控制相关的电子电路、传感器、信号处理、接口、控制原理、测控计算机软件等理论及技术，具有综合性、实践性强的特点，但目前各课程的实验教学存在着孤立、分散、缺乏系统性的问题。为促进机械工程学科学生对于计算机测控技术的工程创新设计能力、促进相关理论知识的理解和灵活应用，本机电一体化创新综合实验正是适应了机电一体化技术的要示，以丹麦乐高（LEGO）公司教育部开发的积木式教学组件－智力风暴(MINDSTORMS)为基础进行。采用LEGOMINDSTORMS为基础建立开放型创新实验室,并根据学院测试及控制类课程《电工电子技术》、《测试技术》、《微机原理及接口技术》等课程设计多层次的综合创新实验设计项目，具有技术综合性和趣味性以及挑战性，能有效激发学生的学习兴趣，使学生在实践项目的过程中激发和强化学生的创造力、动手能力、协作能力、综合能力和进取精神；可使学生在实施项目的过程中对材料、机械、电子、计算机硬件、软件均有直观的认知并掌握机械工程测试与控制的综合分析设计能力。机电一体化创新设计（MCD）的一般过程分为四个阶段，见图1.1所示。机电一体化创新实验的任务和要求选定感兴趣的课题，确定研究方向（考虑硬件的实现和软件的选择）根据功能要求选定适合软件，学习编程知识，进行算法研究机械结构类型及其优选调试改进机械结构，优化算法满足预定的目标？确定最优方案机械结构学计算机技术测试和接口技术改变软件类型？改变机械结构类型？是否是否否是图1.1机电一体化创新设计的一般过程1、确定（选定或发明）研究课题和方向它涉及机电学对象的不同层次、不同类型的机构组合，或不同学科知识、技术的问题。对机器人软硬件的认识，和控制类知识。2、根据功能要求选定适合软件，学习编程知识，进行算法研究Lego机器人提供了多种的编程平台，有官方的NXT，RABOLAB，和第三方的软件比如微软MicrosoftRoboticsStudio,Matlab中的Lejos-osek等等，同样也提供了多种编程的语言，有G语言（图形化语言），C#等等，还有模块化设计的理论等等，涉及到计算机和控制的综合。3、机械结构类型及其优选其难点在于求得完成预定任务的最佳机械结构方案，利用学到的机械结构，不断的优化，不断改进。引入优化法、代数消元法等数学方法分析机构学，使该问题有了突破性进展。4、调试机器人，优化机械结构和算法其中涉及到了计算机接口技术，数据处理等学科领域。其难点在于动力参数量大、参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解。完成上述课题选择、软件和算法研究、运动学、动力学分析与综合的四个阶段，便形成了机器人实现特定功能的优选方案。然后，即可进入机电一体化创新设计阶段，该阶段主要解决基于机器人灵活性、稳定性、精确性设计问题。综上所述，机电一体化创新化设计有如下特点：1、涉及多学科，如机械、、电力、电子、信息、蓝牙及控制等多种科技的交叉、渗透与融合；2、设计过程中相当部分工作是非数据性、非计算性的，必须依靠在知识和经验积累基础上思考、推理、判断，以及创造性发散思维（灵感、形象的突发性思维）相结合的方法；3、尽可能在较多方案中进行方案优选。即在大的设计空间内，基于知识、经验、灵感与想象力的系统中搜索并优化设计方案；4、机电一体化创新设计是多次反复、多级筛选过程，每一设计阶段有其特定内容与方法、但各阶段之间又密切相关，形成一个整体的系统设计。机电一体化创新设计技术和机械系统设计(SD)、计算机辅助设计(CAD)、优化设计(OD)、可靠性设计(RD)、控制元设计（CD）等一起构成现代机电设计方法学库,并吸收邻近学科有益的设计思想与方法。随着认识科学、思维科学、人工智能、专家系统及人脑研究的发展，认识科学、思维科学、人工智能、设计方法学、科学技术哲学等已为MEICD提供了一定的理论基础及方法。可以说，机电一体化创新设计是建立在现有机械设计学和电子计算机理论基础上，吸收科技哲学、认识科学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关学科的有益成份，经过综合交叉而成的一种设计技术和方法。二、实验基础2.1LEGOMINDSTORMS控制器硬件要求认识和理解NXT的基本结构，输入输出设备及接口，DCP传感器及接口，并熟练进行连接与操作。2.2根据具体的实验要求选择适合的软件MicrosoftRoboticsStudio基础VPL编程MicrosoftRoboticsStudio软件Robolab软件NXT软件Matlab等等2.3授课方式及课时：课堂讲授6学时，编程以自学为主参考书：a)LEGO快速入门b)乐高组件和ROBOLAB软件在工程学中的应用c)MicrosoftRoboticsStudio指南d)各类有关乐高机器人的网站和论坛三、综合实验任务及要求Lego组件具有强大的灵活性，可根据学院测控课程设计分层次、分阶段的实验项目，根据涉及的技术层次以及难度拟分为指定项目实验(基础实验部分)以及竞赛项目实验(综合实验)两个层次，其中指定项目实验学生根据教师指定的参考项目设计方案完成指定对象的测试与控制的设计和实现；竞赛项目实验则仅给出某个测控主题及目标，由学生分组自行完成全部设计与构建，以竞赛的形式考核设计的优劣。3．1指定项目实验(基础实验部分已做)a)光电传感器自动跟踪小车b)光电传感器测距功能测试c)光电传感器位移传感应用d)超声波传感器测试e)超声波传感器位移传感器应用3．2综合课程设计（创新设计部分）a)双轮自平衡机器人；b)碰触传感机器人设计（基于MicrosoftRoboticsStudio平台）；c)寻线机器人的仿真和建模及实例（基于Lejos-Osek设计一个机器人的实例）；d)自己提出一个合理的项目四、课程设计说明书要求编写设计说明书是课程设计的一个重要组成部分，它反映学生在整个设计过程中的工作表现和能力，编写设计说明书也是培养学生科技写作能力的一次训练，设计说明书应力求简洁、文理通顺、字迹工整。设计说明书的内容应包括：1)课题题目、技术条件；2)拟定方案的理由，机器人机械结构部分工作原理，软件选择和算法选择的原因；3)附机械结构图，算法流程图，数据处理表等等；4)LEGO硬件结构的设计；5)测试与控制算法以及软件编程；6)实验结果，测试数据记录，分析；7)收获、体会，意见及建议；8)设计说明书使用学校统一印刷的“课程设计说明书”书写，使用练习本或原稿纸书写的设计说明书，均不符合要求。五、考核及时间安排《机电一体化创新综合实验》教学计划时间为4周，为使课程设计能按时完成，其时间安排如下：1)阅读课程设计指导书，了解设计任务和要求，查阅参考资料，2～3天；2)拟定方案，进行结构设计，拟定结构、选定软件，2～3天；3)设计机器人，学习编程，10～15天；4)调试，进行结构和算法的改进，6～8天；5)课程设计答辩，1天。六、课程设计成绩的评定1)课程设计完成后，要求进行课程设计答辩。课程设计说明书应有设计者和指导教师的签名，设计说明书未经指导教师审阅，不能参加答辩。答辩及考核以小组为单位进行。2)由教研室的教师组成答辩小组负责答辩工作。学生先就自己的设计作5～7分钟的简要介绍，再由答辩小组提问，学生答辩。每组学生的总答辩时间为15～20分钟。3)课程设计成绩的评定，根据学生在整个设计过程中的表现、设计和制作水平，动手操作能力，设计说明书的编写质量，答辩情况等项目的评分综合评定。4)答辩成绩分优秀、良好、中等、合格和不合格五级。七、课题简介1.双轮自平衡机器人搭建一个双轮自平衡的机器人，选定一种可以实现机器人自平衡的算法（PID算法），确定适用的传感器（建议用光电传感器），选定实现这种算法的编程平台和编程语言（RobotC）.2.碰触传感机器人设计（基于MicrosoftRoboticsStudio）建议在MicrosoftRoboticsStudio1.5版（2008技术预览版已经推出，有兴趣可以试着使用）平台上，充分利用网上资源，在这里推荐1个（）其实在Google搜MicrosoftRoboticsStudio这个关键词会得到所要的资料。入门最重要一点是看安装软件随带的教程。这个平台提供的实例，认识模块化设计理论，设计出一个基于建模控制机器人的实例。MicrosoftRoboticsStudio是微软一个战略性计划，它不拘于硬件平台，是一个通用的设计平台，甚至可以自己设计硬件，而使用MicrosoftRoboticsStudio编程，在这里，使用的硬件是LEGO的NXT系列，要求使用NXT与MicrosoftRoboticsStudio（当然还可以结合其它软件，这就突出了MicrosoftRoboticsStudio的兼容性）设计出属于自己的东西。例如走迷宫机器人。3.寻线机器人的仿真和建模及实例（基于Lejos-Osek设计一个机器人的实例）；nxtOSEK、ECRobotNXT与MATLAB简介：nxtOSEK是一个提供给NXT的RTOS(实时操作系统)和C/C++编程环境。不仅如此，nxtOSEK也可以被用作图形化编程和仿真模拟环境平台，它由设备驱动、C汇编源代码、实时操作系统代码构成。NXTOSKE可提供：i.使用GCC系列工具的ANSIC/C++语言开发环境ii.NXT电机，传感器和其他装置的实时控制的C语言的API与C++语言的APIiii.符合汽车电子控制系统标准的（TOPPERS）OSEK提供的实时多任务调度NXT的一些其他编程语言是通过一个虚拟机解释执行的，而nxtOSEK的应用程序是于本地运行的。并且NXTOSEK固件消耗的ROM存储器空间共仅占约10kb。EmbeddedCoderRobotNXT是一个为LEGOMINDSTORMSNXT设计的基于MATLAB和Simulink的开发环境。EmbeddedCoderRobotNXT提供了一个编程建模功能，用来完成NXT的控制策略、设备的动态特性和在3D图形虚拟环境中模拟呈现这些模型部件。它也提供了nxtOSEK对于真实NXT硬件的对象调度，它是基于Real-TimeWorkshopEmbeddedCode的。这意味着可以完全体会LEGO的建模、仿真、代码生成、目标对象的建立以及在真实的NXT上进行测试。MATLAB和Simulink是由TheMathWorks生产的专有软件，目前主要被广泛地应用在控制工程中。MATLAB是一个高性能的科学计算软件，一种简单、高效、功能极强的高级语言，具有强大的矩阵运算能力和极高的编程效率，这一方面使得MATLAB程序可以被高度向量化，另一方面使得程序易读易懂。它广泛应用于数学计算、算法开发、数学建模、系统仿真、数据分析处理及可视化、科学和工程绘图、应用系统开发（包括建立用户界面）等。当前它的使用范围涵盖了工业、电子。医疗、建筑等领域。附件为四个课题的入门指导及实现简介：附件1：双轮自平衡机器人附件2：碰触传感机器人设计（基于MicrosoftRoboticsS