Материал: mekhatronika_UrGUPS

Лекция 2 Базовые определения и основные направления развития мехатроники и робототехники

Вначале лекции 1 было отмечено, что современный термин «мехатроника» (Mechatronics) был введен в 1969 году японским инженером Тецуро Мори, работавшем в фирме Yaska-

wa Electric. В 1972 году этот термин был зарегистрирован в качестве торговой марки. В 1984 году японское общество инженеров-механи- ков (Никон кикай гаккай) выпустило в издательстве «Гиходо» семитомное издание, посвященное мехатронике и, таким образом, термин «мехатроника» окончательно утвердился в научных кругах [4]. Название получено комбинацией слов:

«МЕХАТРОНИКА» = «МЕХАника» + «элекТРОНИКА».

Специальность «Мехатроника» впервые вошла в классификатор Государственного комитета по высшему образованию в 1994 году.

2.1. Основные понятия и определения

Во введении к данному курсу лекций даны определения понятий «мехатроника» и «робототехника» согласно Федеральному государственному стандарту высшего профессионального образования по направлению подготовки 221000 – «Мехатроника и робототехника» (степень «бакалавр»), 2009.

В работе [1] приведено несколько интерпретаций понятия «мехатроника» и «робототехника» со ссылкой на ведущих специалистов в данной области:

16

Мехатроника – это:

–«…область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями» (Государственный образовательный стандарт РФ по направлению «Мехатроника и робототехника», 2000).

–«…междисциплинарная инженерная область, связанная с проектированием изделий, функции которых основаны на интеграции механических и электронных компонентов, координируемых системой управления».

–«…синергетическое сочетание точной механики, электронных систем управления и информационных технологий для проектирования, производства и эксплуатации интеллектуальных автоматических систем».

–«…новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов» (Кулешов В. С. Образовательный стандарт 1995 г.).

–«…область науки о механических, энергетических и информационных процессах и их системном взаимодействии в машинах с компьютерным управлением, обеспечивающим получение новых свойств самой машины и качества исполнительных движений».

–«…область техники, обеспечивающая реализацию жизненного цикла мехатронных объектов, вплоть до интеллектуальных машин».

–«…область науки, которая сочетает основы механических, электронных и компьютерных инженерных наук».

–«…область науки, посвященная анализу исполнительных состояний мехатронных объектов и функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов между ними

ис внешней средой, а также синтезу мехатронных объектов».

–«…технология, которая объединяет механику с электронными

иинформационными технологиями для получения, как функционального объединения, так и пространственной интеграции в компонентах, модулях, изделиях и системах».

–«…философия проектирования, которая использует синергетическую интеграцию механики, электроники и компьютерных тех-

17

нологий для производства качественно новых изделий, процессов

исистем».

–«…метод принятия сложных решений для функционирования физических систем».

–«идеология пространственного и временного интегрирования функций в инженерных устройствах и технологических процессах».

Робототехника – это:

–«…область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, предназначенных для автоматизации сложных технологических процессов и операций, в том числе выполняемых в недетерминированных условиях, для замены человека при выполнении тяжелых, утомительных и опасных работ» (Государственный образовательный стандарт РФ по направлению «Мехатроника и робототехника», 2000).

–«…создание роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения» [3].

–«…система универсальных автоматов для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек…» [3].

–«…универсальная механическая система, в которой распознавание и действия соединены интеллектуальными связями…» [4].

–«…система, обладающая набором функций, объединяющим функции распознавания, действия, мышления…» [4].

–«…техническое устройство, способное самостоятельно функционировать в неизвестных заранее, изменяющихся условиях внешнего мира…» [5].

–«…интеллектуальная машина, выполняющая комплексные задачи в изменяющихся и неопределенных средах при минимально возможном взаимодействии с человеком-оператором (профессор Саридис Г. Н. – Saridis G. N.).

Приведенный список свидетельствует, что концептуальные идеи мехатроники и робототехники выходят далеко за рамки отдельных традиционных технических наук, таких, как «Теория механизмов

имеханика машин», «Теория автоматического управления», «Ин- формационно-измерительная техника». Прародительницей мехатроники и робототехники является кибернетика – наука об управлении, которая изучает всю совокупность процессов целенаправленного изменения форм вещества, энергии и информации, протекающих в фи- зико-технических системах.

18

Впоследнее время кибернетика разделилась на два направления. Первое теоретическое направление отнесено к информации, второе –

ктехнической кибернетике. Мехатроника и робототехника объединяют оба эти направления.

Приведенные выше разносторонние определения мехатронных и робототехнических систем нуждаются, на наш взгляд, в дополнительных комментариях.

I. Мехатроника и робототехника используют системный подход к исследованию, созданию и производству сложных технических систем.

Вшироком смысле системный подход – способ принятия решений в условиях, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы. В узком смысле принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает

всебя выявление функций и структуры системы, типизацию (группировку по характерным признакам) связей, определение свойств (атрибутов) системы, анализ влияния внешней среды, выбор системы управления.

Мехатроника и робототехника демонстрируют новый методологический подход к построению машин и систем с качественно новыми характеристиками. Например, разработка мехатронных систем и машин методом параллельного проектирования (одновременный и взаимосвязанный синтез всех компонентов системы), а сами интегрированные мехатронные компоненты выбираются еще на начальной стадии проектирования при разработке технических заданий и решений.

II. Базовыми объектами изучения мехатроники и робототехники являются мехатронные модули различного назначения. Проектирование современных мехатронных систем основано на модульных принципах и технологиях.

Общее определение модуля: «Модуль – это унифицированная функциональная часть машины (системы), конструктивно оформленная как самостоятельное изделие или подсистема».

Понятие мехатронного модуля (ММ) формулируется следующим образом: «Мехатронный модуль – это функционально и конструктивно самостоятельное синергетически, аппаратно и программно интегрированное изделие (или подсистема), состоящее из элементов различной физической природы и предназначенное для реализации определенных функций системы».

19

Модули могут состоять из отдельных мехатронных элементов (компонентов).

Мехатронные модули мехатронных систем по характеру выполняемых ими функций и по составу входящих в них устройств и элементов можно подразделить на три группы:

1.Исполнительные мехатронные модули движения.

2.Измерительно-информационные мехатронные модули.

3.Мехатронные модули систем управления различного уровня.

Исполнительные мехатронные модули движения по составу объединяемых устройств и элементов можно разделить:

a)на модули движения (МД);

b)мехатронные модули движения (ММД);

c)интеллектуальные мехатронные модули движения (ИММД). Следуя [6], введем понятия МД и ММД.

Модуль движения (МД) – конструктивно и функционально само-

стоятельное изделие, включающее в себя механическую (гидравлическую, пневматическую) и электротехническую части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Примерами МД являются мотор-редукторы, мотор-колесо, мо- тор-барабан, электрошпиндель.

Мехатронный модуль движения (ММД) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую (гидравлическую, пневматическую), электротехническую, электронную и информационную части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Вотличие от МД в ММД появились электронные и информационные устройства.

Впоследнее время наметилась реальная интеллектуализация исполнительных мехатронных модулей движения на приводном уровне машин и механизмов.

Интеллектуальный мехатронный модуль движения (ИММД) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие с синергетической интеграцией механической (гидравлической, пневматической), электрической, электротехнической, электронной и компьютерной (микропроцессорной) частей, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Таким образом, по сравнению с ММД в конструкцию ИММД дополнительно включены микропроцессорные вычислительные устройства и силовые электронные преобразователи, а также элементы,

20