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［摘要］近年来随着电气工程的迅猛发展,机器人的设计开发与电气工程的结合也逐渐密切.将电气自动化技术运用到机器人的开发中,使机器人具有更多功能更加人性化,从而更好地满足人类的需求.

［关键词］电气工程；自动化；机器人

［作者简介］荣淼,中国矿业大学信电学院本科生,江苏徐州,221116

［中图分类号］ TP24［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2011）-08-0010-0002

近几年来,很多高校都开展了对机器人的研究,机器人试验室为在校学生提供了资源、技术以及自由发挥进行创新创造的机会,而国内外越来越多的机器人比赛也为机器人爱好者提供了交流与展示的平台.我国的机器人创新技术水平相比于美国、日本、俄国及一些欧洲国家仍有很大差距,而所涉及到的技术领域也同样落后于这些国家.不过,近几年来的技术高速发展说明了我国的实力仍有很大发展空间.机器人的设计研究涉及到诸多领域,在本文中主要介绍电气工程及其自动化领域对机器人设计的相关应用.

一、电气工程及其自动化专业介绍

(一)什么是电气工程及其自动化

电气工程及其自动化是涉及电力电子技术、计算机技术、电机电器技术、信息与网络控制技术、机电一体化技术等诸多领域的一门综合性较强的学科,其主要特点是强弱电结合、机电结合、软硬件结合、元件与系统相结合,其中又是以强电为主.

该专业的主要学习课程包括电路原理、电工技术、电子技术、工程电磁场、控制理论、信息处理、系统工程、自动检测与仪表、电力系统继电保护、高电压技术、计算机与应用、软件技术基础和计算机网络技术等方面的基本理论和基本知识.该专业的学生具有工程技术基础知识和相应的电气工程专业知识.该专业对学生进行电工电子、系统控制及计算机技术方面的基本训练,使得学生具有解决电气工程技术分析与控制问题的基本能力,从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信号处理、试验分析、研制开发、经济管理、电子与计算机技术应用领域.

(二)主干学科

电气工程、控制科学与工程、计算机科学与工程.

(三)主要实践性教学环节

金工实习、电子工程实践、电工测量与实验技术、计算机软硬件实践、专业综合实验、专业课程设计、毕业实习、毕业设计.

(四)专业基础实验

专业基础实验教学以培养学生实践能力和创新能力为目的设置实验课程和实验内容,将专业基础实验分为由初级到高级五个训练平台,按照能力培养目的分为课程实验（如电机实验、微型计算机技术实验、电力电子及计算机控制技术实验等）和独立开设的专业综合试验（电力系统继电保护综合实验、电力系统综合自动化实验、电力系统检测实验、电力系统综合设计、水电站运行仿真培训等）.使学生接受到电子工程实践、电工电子测量与实验技术、电子线路设计和CPLD及电子CAD技术、单片机应用综合技术、电子线路综合设计等一系列的综合性、涉及性训练.

(五)面向方向

1.电力企业的运营与控制

电力调度、继电保护、远动通信、电力规划、电力市场、电力自动化设备运行管理、电力设施建设等.

2.电力设备制造

电力系统的一、二次设备（发电机、变压器、继电保护及安全自动装置）,电力电子设备（FACTS设备）.

3.电力系统的培训、教学及科研.

4.非电力系统的相关行业.

家电制造、机械自动化、煤矿自动化、建筑自动化（如楼宇电梯）、安防系统（如报警系统、监控录像）、通信（如移动、计算机网络）、智能系统、数控类器械维修、铁路机械维修、监控系统维修等.

(六)专业教育的历史及现状

19世纪上半叶,安培发现电流的磁效应、法拉第发现电磁感应定律.19世纪下半叶,电磁理论的集大成者麦克斯韦的理论为电气工程奠定了基础.19世纪末到20世纪初,西方国家的大学陆续设置了电气工程专业.我国电气工程专业高等教育开始的时间并不晚.1908年,南洋大学堂（交通大学前身）设置了电机专科,这是我国大学最早的电气工程专业,至今已有一个世纪.随后,一部分大学设置了较为单一的电机电讯系.1949年后,我国出现了一批以工科为主的综合性大学,也出现了一批机电学院.1977年后,大部分高校的电机工程系陆续改名为“电气工程系”,之后又有部分学校将其改名为“电气工程学院”.1998年颁布的专业目录中,原电工类的电机电器及其控制、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电气技术等专业合并为目前的电气工程及其自动化专业.在同时颁布的工科引导性专业目录中,又把电气工程及其自动化专业和自动化专业中的部分（主要是原工业自动化专业）合并为电气工程与自动化专业.

目前,在发达国家的大学里,保留了“电气工程系”的名称,有的和计算机专业一起称为“电气工程与计算机科学系”.其中电气工程所涉及的内容主要是电子、信息等,传统的“电力工程”内容已不多见,已经很少有我国目前的“电气工程”专业.其背景是发达国家的发电装机容量已基本满足社会发展需求,用电需求年增长率不超过2%,电力发展趋于饱和,所需传统电气工程人才数量大为减少.

我国和发达国家所处的发展阶段不同,国情差别很大,我国的电力工业还处在迅猛发展期.据统计,我国的年用电增长率超过10%,所以仍需要大量电气工程人才.因此,各工科著名大学都把电气工程专业作为支柱性专业.

二、机器人设计

(一)什么是机器人

机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置,是一种可编程和多功能的操作机,或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统,是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物,在工业、医学、农业、建筑业、军事等领域中均有重要用途.可以通过人的指挥执行任务,也可以自动运行预先编好的程序,还可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动.设计者最初的目的是用它协助或取代人类工作,是具有极度危险性的工作.

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统及复杂机械等组成.

现在,机器人已逐渐趋于人性化,很多设计者对传统的机器进行改造,使之呈现出人的外貌,具有更多高级功能,并可像人类一样工作.

（二）机器人与电气工程及其自动化专业的联系

从机器人的结构说起,执行机构及机器人本体,一般来说,就是通过一定数目的电机（如步进电机、伺服电机等,这里以最简单的舵机进行说明）和连接杆（这里也以最简单的用铝板铝条做的卡口来说明）相连接搭建出一个机器人雏形,当然,这需要根据机器人设计图纸进行.机器人的活动关节数及机器人的自由度数一般等于舵机数,但也有一个舵机带动多个自由度数的情况,只是在该种情况下会对舵机造成较大损伤,导致机器人的寿命减少.

驱动装置是驱动执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机器人进行动作.输入电信号,即通过调试软件进行的动作编排,使舵机进行一定角位移的转动,从而带动连接杆进行线位移的延伸和角位移的转动.

检测装置的进行保证了设定信息与实际反馈信息的一致.最简单的做法就是通过使用调试软件进行机器人的动作调试,如果出现结构上的限制问题,则可及时地优化结构.现在由于传感技术的创新,很多机器人身上配置有传感器,帮助机器人回收工作对象和工作环境的有关信息,传感检测装置利用这些信息构成反馈回路,使机器人的工作精度大大提高.

控制系统实行功能的方式可分为集中式控制,即由一台微机控制完成机器人的全部控制和分散式控制,由多台微机分级进行机器人的控制.控制功能通常是通过单片机来实现的,而现在国内的一些高等院校的电气工程及其自动化专业的学生学习的是传统的51单片机,而很多功能强大、技术高端的单片机并未接触到.计算机与单片机通过串口相接,运行调试后可将程序编写到单片机上储存,再将一连串的动作有序地连接,即编写程序完成.再将单片机插在电路板上,由于单片机本身就是一台结构简单的微型计算机,所以可以在电路板上独立运行,只需供电即可.

由此可见,电气工程及其自动化专业所学的知识与机器人的设计开发有着密切的联系,但是机器人的设计开发只靠这一学科的知识是远远不能实现的.据报道,美国研制了一种“军螺”机器人,可实现军用武器的搬运,在山地平原都可迅速搬运.日本的诸多领域也已投入了机器人的使用.俄国的大块头机器人也在军事等领域中得到功能的发挥.现在,很多欧洲国家的机器人设计开发也远超我国.我国作为世界大国之一,科技和创新领域需要更多鲜活力量的投入,而机器人的设计开发也被赋予更为重要的时代意义.

［参考文献］

［1］徐科军.电气测试技术基础［M］.北京:机械工业出版社,2003.

［2］孔慧芳.自动控制原理（学练考）［M］.北京:清华大学出版社,2004.

［3］王孝武.现代控制理论基础［M］.北京:机械工业出版社,2006.

［4］［美］GordonMcComb//MykePredkol.机器人设计与实现［M］.北京:科学出版社,2008.

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