Research Center for Microsystem Technology, Dalian University of Technology
1 2
主 要 内 容
机械工程及学科总论 机械工程中的力学 机械设计 机械制造基础 先进制造技术 机电一体化技术 新材料及其工程应用
机械工程导论
罗 怡 机械学院东楼219-1室 大连理工大学微系统研究中心
3 4 5 6 7
2
Yi Luo, Research Center of Micro/Nano Electro-Mechanical Systems, DLUT
第六章 机电一体化技术
1
6.1 概述
以机械工程学和电子工程学为支柱，综合控制工程学、信息工 程学、材料学、光学等形成的多学科综合技术，就是机电一体 化技术。 Mechatronics = Mechanical + Electronics
概述 机电一体化系统 机电一体化产品分类 机电一体化学科与技术
2 3 4 5
机电一体化=机械工程学+电子工程学
微电子技术
机电一体化发展趋势 典型的机电一体化应用
机械技术 （机械学/机构学）
机电一体化 技术领域
（半导体技术 计算机技术）
6
3
Yi Luo, Research Center of Micro/Nano Electro-Mechanical Systems, DLUT
4
Yi Luo, Research Center of Micro/Nano Electro-Mechanical Systems, DLUT
机电一体化技术特点： 6.1 概述 体积小、重量轻、性价比高； 速度快、精度高； 可靠性高，柔性好。 机电一体化技术经历的三个发展阶段 “萌芽阶段” ——20世纪60年代以前为第一阶段 “蓬勃发展阶段” ——20世纪70-80年代为第二阶段 “智能化阶段” ——20世纪90年代后期开始为第三阶段
5
6.2 机电一体化系统
机电一体化系统的功能构成
6
Yi Luo, Research Center of Micro/Nano Electro-Mechanical Systems, DLUT
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构成系统的基本要素. 机械本体 动力部分 计算机系统 传感器 人的骨骼 内脏 大脑 感知和检测 五官和皮肤 完成各种动作 四肢 提供能量 发号施令
机电一体化系统的与人体的功能和要素对照
执行器
以数控车床为例，机电一体化产品组成部分的作用
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6.3 机电一体化产品分类
按产品的功能划分： 1. 数控机械类； 2. 电子设备类； 3. 机电结合类； 4. 电液伺服类； 5. 信息控制类。 按 产 品 应 用 领 域 分 类
机 电 一 体 化 产 品 与 系 统
生产用
数控机床、机器人、自动生产设备 柔性生产单元、自动组合生产单元设备 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输机具
运输、包装及工程用
数控包装机械及系统
储存销售用
数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 自动空调及制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公机械 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、
体育、娱乐用机电一体化产品
社会服务性
微机或数控型耐用消费品
家庭用
炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 控制设备 信息处理系统
科研及过程控制用 农、林、牧、渔及其它民用 航空、航天、国防用武器装备等
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机械学（M、D） 机械加工（O、S、D） 机械技术 精密技术（M、D） 液压气动技术（M、D） 系统技术（M、S、D） 伺服技术（M、S、D） 控制技术 其它（顺序控制、计算机控制）（M、S、D） 机 电 一 体 化 技 术 共性技术 控制论（O、S、D） 接口技术（M、D） 传感技术（M、D） 逻辑代数基础（M、S、D） 电子学概论（M、S、D） 硬件系统（M、D） 操作方法（O、M、S、D） 个人计算机 软件（O、M、S、D） 集成电路基础（M、D） 电子线路概要（M、S、D） 电动机及电磁装置技术（M、S、D） （注：O——操作员：M——维修技术员：S——系统工程师：D——开发工程师）
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机电一体化系统各单元技术构成
与 机 电 一 体 化 系 统 有 关 的 技 术 和 学 科
电工与电子技术
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机电一体化的关键技术 机械设计与制造技术 计算机与信息处理技术 自动控制技术 传感与检测技术 伺服传动技术 系统技术
6.5 机电一体化发展趋势
智能化 模块化 网络化 微型化 绿色化 人性化
1. 2. 3. 4. 5. 6.
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6.6 典型的机电一体化应用
数控机床 工业机器人 数码相机 全自动洗衣机 新型的微机电（MEMS ）系统
Robots a 60-y e a r j o u r n e y
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1921：捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》，出现 Robota， 本意为苦力。 1942：Issac的机器人三定律。 1946：G. Devol基于可编程关节型搬运装置的专利。 1948：美国橡树岭国家实验室搬运核原料的遥控操作手。 1960： G. Devol组建了Unimation公司，Unimate工业机器人问世。 1962-63:传感器的应用提高了机器人的可操作性。 1968：第一台智能机器人shakey在斯坦福问世。 1969：日本加藤一朗研制双脚步行机器人。 1973：机器人编程语言Wave出现。 1978：PUMA机器人问世，标志工业机器人技术已经成熟。 1979：SCARA机器人问世。
1981：CMU发明直接驱动机器人 1984：英格博格推出HELPMATE机器人为病人
服务 1990：美国拥有40,000台机器人，日本拥有 274,000台机器人 1994：CMU Dante II移动机器人采集了火山灰和气体 1997：NASA Sojourner在火星着陆 1999： SONY的AIBO机器狗问世，娱乐机器人迈入家庭 2000：Honda拟人机器人Asimo 2002：丹麦irobot推出吸尘器机器人roomba， 成为世界上最商 业化的家用机器人 2006：微软推出microsoft robotics studio，机器人模块化平台化 趋势明显，盖茨预言：家用机器人很快要席卷全球。
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工业机器人发展趋势 Issac的机器人三定律： （1）机器人不可伤害人； （2）机器人必须服从人给它的但是和（1）不矛盾的指令； （3）在和（1）（2）不矛盾的情况下，机器人也可以维护 自身不受伤害。 (1) 国际标准化组织（ISO） 工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多 功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程操作 来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
Why robot？！
制造业 空间探险 危险环境 极限环境 简单的重复劳动
示教再现 智能
数控
固定程序
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（1） 连杆机构 工业机器人包括一系列的由关节相连的刚性连杆机构。
功能用途
堆垛机器人 焊接机器人 装配机器人 喷漆机器人 磨削机器人 黏胶机器人
典型的关节是旋转关节和移动关节。
气压传动机器人 液压传动机器人 电动传动机器人 复合传动机器人
驱动方式 控制方式
最后一个连杆通常叫做末端执行器（The End Effector)，因为 它通常和工具相连。
固定程序控制机器人 示教再现机器人 可编程控制机器人
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(2) 驱动和转换机构 驱动机构用来驱动机器人关节，分为线性驱动器和旋转驱动器。 可以是电机驱动，也可以是气压或液压驱动。 电机驱动的优点在于速度较快，但是负载较低； 液压驱动与电机驱动正好相反； 气压驱动类似于液压驱动，但是负载不如液压。可用于防爆、 洁净等特殊领域。 转换机构是驱动机构和关节之间的连接元件，当驱动机构的输 出不适合于直接驱动连杆，或者驱动器的输出和关节运动轨迹 不符合需要转换机构。 驱动器通常较笨重，安装在基座部位，由齿轮链等将功率传递 到关节。
23
（3）传感器 机器人需要感知其各关节所在的位置，需要位置传感器、 速度传感器和加
速度传感器。 末端执行器需要感知力和力矩，需要力和力矩传感器。 气压和液压驱动机器人需要压力传感器。 触觉传感器 视觉传感器
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FANUC 机器人－智能 intelligence
三维激光视觉传感器： 工件可以任意堆叠
力传感器：精密地寻找位置并插入零件
高灵敏度碰撞检测：末端执 行器感知周围世界
点焊生 产线
多关节协调工作：处理重物的搬 运等特殊任务
工件箱
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力传感器 力传感器－离合器装配应用
通过力传感控制检测 齿轮中心 通过相位匹配插入多 层（4－6）齿轮
圆柱零件装配
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（4）控制器 控制器是机器人的大脑。通常包括： 记忆并存储传感器的型号 CPU处理信号并发出控制指令 相应的硬件界面 （5）用户界面 允许操作员控制并操作机器人。 通常由相应的软件、示教盒以及计算机组成。
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主 要 内 容
机械工程及学科总论 机械工程中的力学 机械设计 机械制造基础 先进制造技术 机电一体化技术 新材料及其工程应用
机械工程导论
罗 怡 机械学院东楼219-1室 大连理工大学微系统研究中心
3 4 5 6 7
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第六章 机电一体化技术
1
6.1 概述
以机械工程学和电子工程学为支柱，综合控制工程学、信息工 程学、材料学、光学等形成的多学科综合技术，就是机电一体 化技术。 Mechatronics = Mechanical + Electronics
概述 机电一体化系统 机电一体化产品分类 机电一体化学科与技术
2 3 4 5
机电一体化=机械工程学+电子工程学
微电子技术
机电一体化发展趋势 典型的机电一体化应用
机械技术 （机械学/机构学）
机电一体化 技术领域
（半导体技术 计算机技术）
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机电一体化技术特点： 6.1 概述 体积小、重量轻、性价比高； 速度快、精度高； 可靠性高，柔性好。 机电一体化技术经历的三个发展阶段 “萌芽阶段” ——20世纪60年代以前为第一阶段 “蓬勃发展阶段” ——20世纪70-80年代为第二阶段 “智能化阶段” ——20世纪90年代后期开始为第三阶段
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6.2 机电一体化系统
机电一体化系统的功能构成
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构成系统的基本要素. 机械本体 动力部分 计算机系统 传感器 人的骨骼 内脏 大脑 感知和检测 五官和皮肤 完成各种动作 四肢 提供能量 发号施令
机电一体化系统的与人体的功能和要素对照
执行器
以数控车床为例，机电一体化产品组成部分的作用
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6.3 机电一体化产品分类
按产品的功能划分： 1. 数控机械类； 2. 电子设备类； 3. 机电结合类； 4. 电液伺服类； 5. 信息控制类。 按 产 品 应 用 领 域 分 类
机 电 一 体 化 产 品 与 系 统
生产用
数控机床、机器人、自动生产设备 柔性生产单元、自动组合生产单元设备 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等交通运输机具
运输、包装及工程用
数控包装机械及系统
储存销售用
数控运输机械及工程机械设备 自动仓库 自动空调及制冷系统及设备 自动称量、分选、销售及现金处理系统 自动化办公机械 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、
体育、娱乐用机电一体化产品
社会服务性
微机或数控型耐用消费品
家庭用
炊事自动化机械 家庭用信息、服务设备 测试设备 控制设备 信息处理系统
科研及过程控制用 农、林、牧、渔及其它民用 航空、航天、国防用武器装备等
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机械学（M、D） 机械加工（O、S、D） 机械技术 精密技术（M、D） 液压气动技术（M、D） 系统技术（M、S、D） 伺服技术（M、S、D） 控制技术 其它（顺序控制、计算机控制）（M、S、D） 机 电 一 体 化 技 术 共性技术 控制论（O、S、D） 接口技术（M、D） 传感技术（M、D） 逻辑代数基础（M、S、D） 电子学概论（M、S、D） 硬件系统（M、D） 操作方法（O、M、S、D） 个人计算机 软件（O、M、S、D） 集成电路基础（M、D） 电子线路概要（M、S、D） 电动机及电磁装置技术（M、S、D） （注：O——操作员：M——维修技术员：S——系统工程师：D——开发工程师）
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机电一体化系统各单元技术构成
与 机 电 一 体 化 系 统 有 关 的 技 术 和 学 科
电工与电子技术
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机电一体化的关键技术 机械设计与制造技术 计算机与信息处理技术 自动控制技术 传感与检测技术 伺服传动技术 系统技术
6.5 机电一体化发展趋势
智能化 模块化 网络化 微型化 绿色化 人性化
1. 2. 3. 4. 5. 6.
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6.6 典型的机电一体化应用
数控机床 工业机器人 数码相机 全自动洗衣机 新型的微机电（MEMS ）系统
Robots a 60-y e a r j o u r n e y
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1921：捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》，出现 Robota， 本意为苦力。 1942：Issac的机器人三定律。 1946：G. Devol基于可编程关节型搬运装置的专利。 1948：美国橡树岭国家实验室搬运核原料的遥控操作手。 1960： G. Devol组建了Unimation公司，Unimate工业机器人问世。 1962-63:传感器的应用提高了机器人的可操作性。 1968：第一台智能机器人shakey在斯坦福问世。 1969：日本加藤一朗研制双脚步行机器人。 1973：机器人编程语言Wave出现。 1978：PUMA机器人问世，标志工业机器人技术已经成熟。 1979：SCARA机器人问世。
1981：CMU发明直接驱动机器人 1984：英格博格推出HELPMATE机器人为病人
服务 1990：美国拥有40,000台机器人，日本拥有 274,000台机器人 1994：CMU Dante II移动机器人采集了火山灰和气体 1997：NASA Sojourner在火星着陆 1999： SONY的AIBO机器狗问世，娱乐机器人迈入家庭 2000：Honda拟人机器人Asimo 2002：丹麦irobot推出吸尘器机器人roomba， 成为世界上最商 业化的家用机器人 2006：微软推出microsoft robotics studio，机器人模块化平台化 趋势明显，盖茨预言：家用机器人很快要席卷全球。
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工业机器人发展趋势 Issac的机器人三定律： （1）机器人不可伤害人； （2）机器人必须服从人给它的但是和（1）不矛盾的指令； （3）在和（1）（2）不矛盾的情况下，机器人也可以维护 自身不受伤害。 (1) 国际标准化组织（ISO） 工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多 功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程操作 来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
Why robot？！
制造业 空间探险 危险环境 极限环境 简单的重复劳动
示教再现 智能
数控
固定程序
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（1） 连杆机构 工业机器人包括一系列的由关节相连的刚性连杆机构。
功能用途
堆垛机器人 焊接机器人 装配机器人 喷漆机器人 磨削机器人 黏胶机器人
典型的关节是旋转关节和移动关节。
气压传动机器人 液压传动机器人 电动传动机器人 复合传动机器人
驱动方式 控制方式
最后一个连杆通常叫做末端执行器（The End Effector)，因为 它通常和工具相连。
固定程序控制机器人 示教再现机器人 可编程控制机器人
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(2) 驱动和转换机构 驱动机构用来驱动机器人关节，分为线性驱动器和旋转驱动器。 可以是电机驱动，也可以是气压或液压驱动。 电机驱动的优点在于速度较快，但是负载较低； 液压驱动与电机驱动正好相反； 气压驱动类似于液压驱动，但是负载不如液压。可用于防爆、 洁净等特殊领域。 转换机构是驱动机构和关节之间的连接元件，当驱动机构的输 出不适合于直接驱动连杆，或者驱动器的输出和关节运动轨迹 不符合需要转换机构。 驱动器通常较笨重，安装在基座部位，由齿轮链等将功率传递 到关节。
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（3）传感器 机器人需要感知其各关节所在的位置，需要位置传感器、 速度传感器和加
速度传感器。 末端执行器需要感知力和力矩，需要力和力矩传感器。 气压和液压驱动机器人需要压力传感器。 触觉传感器 视觉传感器
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FANUC 机器人－智能 intelligence
三维激光视觉传感器： 工件可以任意堆叠
力传感器：精密地寻找位置并插入零件
高灵敏度碰撞检测：末端执 行器感知周围世界
点焊生 产线
多关节协调工作：处理重物的搬 运等特殊任务
工件箱
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力传感器 力传感器－离合器装配应用
通过力传感控制检测 齿轮中心 通过相位匹配插入多 层（4－6）齿轮
圆柱零件装配
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Yi Luo, Research Center of Micro/Nano Electro-Mechanical Systems, DLUT
（4）控制器 控制器是机器人的大脑。通常包括： 记忆并存储传感器的型号 CPU处理信号并发出控制指令 相应的硬件界面 （5）用户界面 允许操作员控制并操作机器人。 通常由相应的软件、示教盒以及计算机组成。
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