機電一體化的發展之路 從純機械到智能化

　　人們曾一度認為，機電一體化的概念不過是“曇花一現”，但是現在，這個概念已經履行了當初的承諾：創建智能的自主式機電系統。目前，這樣的系統已經被用于美國航空航天局(NSNA)的火星探測器用來在火星尋找生命跡象;現代汽車領域也已經利用該技術實現了“自動操作”車輛，操作范圍從防抱死剎車、防滑控制、防碰撞，到最終的無人駕駛汽車。

　　“自動駕駛技術是主動式安全電子學(ASE)合乎邏輯的發展方向。在ASE中，通過傳感器和算法來預測事故，并在車輛的物理和動力限制內主動避免事故。”GartnerDataquest公司負責半導體、汽車和遠程信息處理技術的研究副總裁MichaelWilliams表示，“在早期的無人駕駛客車應用方面，我們期望能率先出現一些給人們帶來方便的應用，如能自動泊車、自動提車等。”

　　雖然當今最為超前的應用(如火星探測)很多都是通過機電一體化來實現的，但機電一體化最為多見的場合，卻出現在我們的日常生活中。例如常見的洗衣機，會利用傳感器測量負載，而不是詢問用戶負載有多大。

　　不過，機電一體化設計的巔峰之作恐怕要數工業機器人的機械手。當然，我們也確信車載機電一體化伺服系統終將實現汽車的自行駕駛。

　　“幾家機器人公司已經在試圖建造類似于變形金剛的模塊，你可以從中挑選一些模塊來創建自己的機械手。”美國田納西大學教授WilliamHamel表示，“這個非常高明的工具箱方法距變形金剛只有一步之遙。”在8月于哈爾濱市召開的IEEE機電一體化與自動化國際會議上，Hamel就機械手中的機電一體化技術做了主題演講。

　　起源與應用現狀

　　機電一體化技術起源于日本。在日本，該技術為現實中的科技發展和科幻小說都帶來了靈感，前者從使用機電一體化機械手中萌生了機器人產業，后者則為我們帶來了《變形金剛》。對于現代機電一體化技術來說，《變形金剛》是份再適合不過的禮物，因為影片中有關節的機器手和自行駕駛的汽車，都折射出當今最為引人注目的應用。

　　“在機械手的設計和控制中，機電一體化技術的進步尤為重要，因為你是在與結構非常緊湊的有關節的機械裝置打交道，這種裝置對有效載荷的要求非常高。在電子學方面，需要在每個連接點上配置有源伺服電機。”Hamel指出。

　　有趣的是，生產汽車的機器人們，正在利用這些機電一體化機械手制造機電一體化汽車。航空領域已經從當初的輔助飛行(如自動高度調整系統)，發展到今天在無人干預情況下能夠起飛和著陸的自動駕駛儀，借鑒這些，我們可以預測到汽車中機電一體化系統的發展方向。其目標與飛機的自動駕駛儀類似，你可以對“OnStar”汽車安全和通訊系統說：“我有點犯困，你來開車好嗎?”

　　Williams指出，“自主式車輛需要部署多個傳感器和電子子系統，用來實現啟動、駕駛、操縱、導航、剎車和停車等。在主流客車市場上，我們期望看到這種技術被作為安全特性而得到廣泛使用，例如作為駕駛者助手以及為駕駛者提供一些功能支持，而不是完全替代司機的角色。

　　從純機械到智能化

　　把“愚笨”的機械系統轉變成智能的機電一體化系統，其關鍵之處，在于用閉環伺服系統代替傳統的開環校準系統。這種智能的機電一體化伺服系統，實現了利用電子反饋提供控制信號。其支持者聲稱，靠連續的自我校準，新系統不僅比精密的機械部件更為精確，而且實現成本更低。

　　同過去的機械系統相比，使用計算機控制的系統只需要更少、更便宜的元件，就能達到比機械校準元件更為嚴格的性能指標。

　　機電一體化有個開創性的范例，那便是硬盤驅動器。在硬盤驅動器誕生之前，計算機的大容量存儲是由計算機處理過的磁帶驅動器實現的，這種驅動器只是實現了手工磁帶驅動開環功能的自動化，所以并沒有構成機電一體化的系統。

　　通過把閉環控制用于一種新型的機械設備上，硬盤驅動器提供的功能遠遠超過了其器件總和。而這種新型的機械設備必須加入電子線路才能實現，這正符合機電一體化定義。磁盤驅動器使用旋轉的磁盤而不是磁帶卷，通過隨機訪問盤上的任何扇區，從機械存儲介質上獲得了新的性能等級。

　　驅動器的機電一體化也對其它機械設備的自動化產生了長遠影響。依靠電子、機械、材料等各學科工程師的共同努力，硬盤的尺寸從轂蓋那么大，發展到了迷你小型，以至微小型。通過設計出速度更快的電子系統、尺寸更小的磁頭定位裝置，以及更密集的存儲材料，我們現在可以買到數碼相機所用的CF卡。而且，這種卡比純粹的電子卡還要便宜。

　　汽車之外的應用

　　今天，在每個設計中實現機電一體化已成為全球化的浪潮。盡管如此，現代汽車依然是該技術最好的應用范例。率先實現自動化的子系統之一是以前完全機械化的汽化器，現在已經采用了計算機控制的燃料噴射器。

　　當冷的發動機啟動時，自動燃料噴射器能實時調整燃料和空氣的混和比。機電一體化不是僅向汽化器(類似于自動化的磁帶驅動器)中增加機電化控制器，而且使用新設備(燃料噴射器)來更好地完成以前的功能。

　　今天，幾乎每種機械設備都通過不同程度的機電一體化方式為自己增加現代元素，這些設備通常會在系統中嵌入微控制器來讀取傳感器信號，然后由預先編制的程序進行處理，并通過啟動伺服系統(以前由機械時序信號驅動)進行響應。

　　在汽車應用中，最新的前沿技術是“線控驅動(drivebywire)”。該技術可實現自動操縱，讓計算機來駕駛汽車。

　　“許多駕駛員甚至沒有意識到汽車中已經內置了線控驅動技術。例如，由于需要混合協同驅動，幾乎所有的混合動力汽車都使用了線控驅動技術。”Williams表示。

　　包括寶馬、奔馳、奧迪、保時捷、藍博基尼、法拉利、美洲虎、沃爾沃、斯巴魯、凌志、大眾和豐田在內，許多汽車OEM都已推出了線控驅動技術。

　　除了在性能上高于純機械的元件和子系統之外，機電一體化還具有易用的重新編程能力，來實現純機械系統所無法實現的功能和性能，例如自動并行泊車。機電一體化也創建了新的產品類別，包括開創性的磁盤驅動器、數字光處理器(DLP)、以及微機電系統。