人們曾一度認(rèn)為，機(jī)電一體化的概念不過是“曇花一現(xiàn)”，但是現(xiàn)在，這個(gè)概念已經(jīng)履行了當(dāng)初的承諾：創(chuàng)建智能的自主式機(jī)電系統(tǒng)。目前，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)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(xiàn)代汽車領(lǐng)域也已經(jīng)利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù)是主動式安全電子學(xué)(ASE)合乎邏輯的發(fā)展方向。在ASE中，通過傳感器和算法來預(yù)測事故，并在車輛的物理和動力限制內(nèi)主動避免事故。”GartnerDataquest公司負(fù)責(zé)半導(dǎo)體、汽車和遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)的研究副總裁MichaelWilliams表示，“在早期的無人駕駛客車應(yīng)用方面，我們期望能率先出現(xiàn)一些給人們帶來方便的應(yīng)用，如能自動泊車、自動提車等。”

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

不過，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的巔峰之作恐怕要數(shù)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手。當(dāng)然，我們也確信車載機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)終將實(shí)現(xiàn)汽車的自行駕駛。

“幾家機(jī)器人公司已經(jīng)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(chuàng)建自己的機(jī)械手。”美國田納西大學(xué)教授WilliamHamel表示，“這個(gè)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(jī)電一體化與自動化國際會議上，Hamel就機(jī)械手中的機(jī)電一體化技術(shù)做了主題演講。

起源與應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)電一體化技術(shù)起源于日本。在日本，該技術(shù)為現(xiàn)實(shí)中的科技發(fā)展和科幻小說都帶來了靈感，前者從使用機(jī)電一體化機(jī)械手中萌生了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，后者則為我們帶來了《變形金剛》。對于現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)來說，《變形金剛》是份再適合不過的禮物，因?yàn)橛捌杏嘘P(guān)節(jié)的機(jī)器手和自行駕駛的汽車，都折射出當(dāng)今最為引人注目的應(yīng)用。

“在機(jī)械手的設(shè)計(jì)和控制中，機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步尤為重要，因?yàn)槟闶窃谂c結(jié)構(gòu)非常緊湊的有關(guān)節(jié)的機(jī)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(xué)方面，需要在每個(gè)連接點(diǎn)上配置有源伺服電機(jī)。”Hamel指出。

有趣的是，生產(chǎn)汽車的機(jī)器人們，正在利用這些機(jī)電一體化機(jī)械手制造機(jī)電一體化汽車。航空領(lǐng)域已經(jīng)從當(dāng)初的輔助飛行(如自動高度調(diào)整系統(tǒng))，發(fā)展到今天在無人干預(yù)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(yù)測到汽車中機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展方向。其目標(biāo)與飛機(jī)的自動駕駛儀類似，你可以對“OnStar”汽車安全和通訊系統(tǒng)說：“我有點(diǎn)犯困，你來開車好嗎？”

Williams指出，“自主式車輛需要部署多個(gè)傳感器和電子子系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)啟動、駕駛、操縱、導(dǎo)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(shù)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(jī)的角色。

從純機(jī)械到智能化

把“愚笨”的機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成智能的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其關(guān)鍵之處，在于用閉環(huán)伺服系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)。這種智能的機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用電子反饋提供控制信號。其支持者聲稱，靠連續(xù)的自我校準(zhǔn)，新系統(tǒng)不僅比精密的機(jī)械部件更為精確，而且實(shí)現(xiàn)成本更低。

同過去的機(jī)械系統(tǒng)相比，使用計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)只需要更少、更便宜的元件，就能達(dá)到比機(jī)械校準(zhǔn)元件更為嚴(yán)格的性能指標(biāo)。

機(jī)電一體化有個(gè)開創(chuàng)性的范例，那便是硬盤驅(qū)動器。在硬盤驅(qū)動器誕生之前，計(jì)算機(jī)的大容量存儲是由計(jì)算機(jī)處理過的磁帶驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的，這種驅(qū)動器只是實(shí)現(xiàn)了手工磁帶驅(qū)動開環(huán)功能的自動化，所以并沒有構(gòu)成機(jī)電一體化的系統(tǒng)。

通過把閉環(huán)控制用于一種新型的機(jī)械設(shè)備上，硬盤驅(qū)動器提供的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其器件總和。而這種新型的機(jī)械設(shè)備必須加入電子線路才能實(shí)現(xiàn)，這正符合機(jī)電一體化定義。磁盤驅(qū)動器使用旋轉(zhuǎn)的磁盤而不是磁帶卷，通過隨機(jī)訪問盤上的任何扇區(qū)，從機(jī)械存儲介質(zhì)上獲得了新的性能等級。

驅(qū)動器的機(jī)電一體化也對其它機(jī)械設(shè)備的自動化產(chǎn)生了長遠(yuǎn)影響。依靠電子、機(jī)械、材料等各學(xué)科工程師的共同努力，硬盤的尺寸從轂蓋那么大，發(fā)展到了迷你小型，以至微小型。通過設(shè)計(jì)出速度更快的電子系統(tǒng)、尺寸更小的磁頭定位裝置，以及更密集的存儲材料，我們現(xiàn)在可以買到數(shù)碼相機(jī)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(yīng)用

今天，在每個(gè)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化已成為全球化的浪潮。盡管如此，現(xiàn)代汽車依然是該技術(shù)最好的應(yīng)用范例。率先實(shí)現(xiàn)自動化的子系統(tǒng)之一是以前完全機(jī)械化的汽化器，現(xiàn)在已經(jīng)采用了計(jì)算機(jī)控制的燃料噴射器。

當(dāng)冷的發(fā)動機(jī)啟動時(shí)，自動燃料噴射器能實(shí)時(shí)調(diào)整燃料和空氣的混和比。機(jī)電一體化不是僅向汽化器(類似于自動化的磁帶驅(qū)動器)中增加機(jī)電化控制器，而且使用新設(shè)備(燃料噴射器)來更好地完成以前的功能。

今天，幾乎每種機(jī)械設(shè)備都通過不同程度的機(jī)電一體化方式為自己增加現(xiàn)代元素，這些設(shè)備通常會在系統(tǒng)中嵌入微控制器來讀取傳感器信號，然后由預(yù)先編制的程序進(jìn)行處理，并通過啟動伺服系統(tǒng)(以前由機(jī)械時(shí)序信號驅(qū)動)進(jìn)行響應(yīng)。

在汽車應(yīng)用中，最新的前沿技術(shù)是“線控驅(qū)動(drivebywire)”。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動操縱，讓計(jì)算機(jī)來駕駛汽車。

“許多駕駛員甚至沒有意識到汽車中已經(jīng)內(nèi)置了線控驅(qū)動技術(shù)。例如，由于需要混合協(xié)同驅(qū)動，幾乎所有的混合動力汽車都使用了線控驅(qū)動技術(shù)。”Williams表示。

包括寶馬、奔馳、奧迪、保時(shí)捷、藍(lán)博基尼、法拉利、美洲虎、沃爾沃、斯巴魯、凌志、大眾和豐田在內(nèi)，許多汽車OEM都已推出了線控驅(qū)動技術(shù)。

除了在性能上高于純機(jī)械的元件和子系統(tǒng)之外，機(jī)電一體化還具有易用的重新編程能力，來實(shí)現(xiàn)純機(jī)械系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的功能和性能，例如自動并行泊車。機(jī)電一體化也創(chuàng)建了新的產(chǎn)品類別，包括開創(chuàng)性的磁盤驅(qū)動器、數(shù)字光處理器(DLP)、以及微機(jī)電系統(tǒng)。