【摘 要】互動設(shè)計(jì)在任何的人工設(shè)計(jì)和制作過程里面都是不可以避免的，之所以會在近幾年受到重視，就是因?yàn)樗郊夹g(shù)性，以人的需求和經(jīng)驗(yàn)為中心考慮，創(chuàng)造出科技與人類之間完美的連結(jié)。在這種背景下，本文首先探討了機(jī)電系統(tǒng)互動設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與價(jià)值，進(jìn)而分析了機(jī)電整合的互動設(shè)計(jì)與開發(fā)，并探討了機(jī)電整合系統(tǒng)互動設(shè)計(jì)的主要組件。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電系統(tǒng)；互動；設(shè)計(jì)

1.機(jī)電系統(tǒng)互動設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與價(jià)值

機(jī)械工程的技術(shù)自工業(yè)革命后，迅速發(fā)展，在微電子、微電腦的技術(shù)發(fā)展成熟后，產(chǎn)業(yè)自動化的意識抬頭，開始了機(jī)電整合技術(shù)發(fā)展。在工廠自動領(lǐng)域中，受到機(jī)械和其它設(shè)備多種整合快速變化的影響，設(shè)計(jì)省時省力自動化的控制是必然的趨勢。而科技的進(jìn)步，人類越來越注重生活自動化的概念。因此，機(jī)器人正逐漸從傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用走進(jìn)人類家庭，參與各項(xiàng)活動，提升生活質(zhì)量。所以，在技術(shù)及需求兩股力量的推動下，智能機(jī)器人正朝向產(chǎn)業(yè)化的路程邁進(jìn)。

在生產(chǎn)在線，常被采用的控制器包含有CNC、PLC、個人計(jì)算機(jī)或是單芯片控制系統(tǒng)。而PLC可以通過通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)整合，更能引入友好的圖形控制界面，以達(dá)到智能控制境界。PLC 可以取代一般以傳統(tǒng)電機(jī)為主的低壓工業(yè)配線電路，因?yàn)槠渚邆淞梭w積小、功能強(qiáng)、配線容易、維修簡單、可視需要更改程序等特性，因此被廣泛運(yùn)用在工業(yè)界的自動控制領(lǐng)域。自動化系統(tǒng)若控制器采用PLC，則在功能的設(shè)計(jì)方面必能事半功倍。

2.機(jī)電整合的互動設(shè)計(jì)與開發(fā)

機(jī)電整合是一門整合多種學(xué)科的工程科學(xué)，主要包含機(jī)械、電機(jī)和計(jì)算器工程。其中：機(jī)械工程包含機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械組件、機(jī)構(gòu)與傳動設(shè)計(jì)等；電機(jī)工程包括微電子學(xué)、電力電子、工業(yè)儀表、控制理論、信號處理等；計(jì)算器工程包括操作系統(tǒng)、軟件工程、人工智能等。

機(jī)電整合系統(tǒng)的互動設(shè)計(jì)通常包含中央處理單元、致動器、工業(yè)儀表、控制系統(tǒng)、操作接口、及其它組件，如通訊單元、電源供應(yīng)單元、微操作系統(tǒng)等。然而機(jī)電整合系統(tǒng)所涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域相當(dāng)廣，但是主要的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)屬機(jī)械、電機(jī)電子及信息等三種，這三種主要關(guān)鍵技術(shù)從機(jī)電整合系統(tǒng)的架構(gòu)上大致可分為六大部分：控制器（Controller）、傳感器（Sensor）、致動器（Actuator）與機(jī)構(gòu)組件（Machine Elements）、信號處理（Signals Processing）、人機(jī)接口（Human Machine Interface）。其中：機(jī)構(gòu)（Mechanism）是物理系統(tǒng)模型化（Physical System Modeling）；傳感器（Sensors）感測模擬訊號或數(shù)字訊號；致動器（Actuators）將電能轉(zhuǎn)換成物理量的裝置；控制器（Controller）包括軟件和數(shù)據(jù)收集功能（Software and Data Acquisition）與計(jì)算器和邏輯系統(tǒng)（Computers and Logic System）；信號處理（Signals Processing）包括信號處理摘?。⊿ignals Processing Acquisition）與信號處理輸出功能；操作接口（Operation Interface）涵蓋觸控式人機(jī)界面（Touch panel Human Machine Interface）與圖控式人機(jī)界面（Graphics Human Machine Interface）。

由以上的說明可看出，機(jī)電整合系統(tǒng)的互動設(shè)計(jì)與開發(fā)是一項(xiàng)包含機(jī)械、電機(jī)電子、軟件、自動化及使用者接口等領(lǐng)域的系統(tǒng)整合工程，故整合各領(lǐng)域的軟件及硬件環(huán)境對系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)而言，關(guān)系著后續(xù)系統(tǒng)測試、原形機(jī)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證的成功與否相當(dāng)重要。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，需求、環(huán)境、系統(tǒng)目標(biāo)、應(yīng)用層面、功能、實(shí)體結(jié)構(gòu)、外觀形狀及行為都必須考慮，故在設(shè)計(jì)階段，各領(lǐng)域在系統(tǒng)中的任務(wù)、傳感器與致動器的選擇、軟硬件架構(gòu)規(guī)劃、控制器規(guī)劃等，都會影響系統(tǒng)開發(fā)后性能。因此，機(jī)電整合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的規(guī)劃應(yīng)十分嚴(yán)謹(jǐn)，常見的V-模式開發(fā)流程，適用于機(jī)電整合系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)上，在此流程中，機(jī)電整合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)整合是系統(tǒng)開發(fā)成敗的關(guān)鍵。

3.機(jī)電整合系統(tǒng)互動設(shè)計(jì)的主要組件

3.1智能型控制器（Intelligent Controller）

傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，多屬于回路控制式設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是架構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、反應(yīng)時間快、誤差小，但系統(tǒng)適應(yīng)性差。現(xiàn)今的控制器設(shè)計(jì)逐漸舍棄傳統(tǒng)式控制器，而采用具有學(xué)習(xí)能力的智能型控制器，雖智能型控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜，但其系統(tǒng)適應(yīng)性極好，且可經(jīng)由機(jī)器學(xué)習(xí)達(dá)到參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，故在精密控制上，智能型控制器已成關(guān)鍵性組件。常見的智能型控制器的關(guān)鍵技術(shù)都采用人工智能作為機(jī)器學(xué)習(xí)演算法，如類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network）、模糊理論（Fuzzy Theory）、基因算法（Genetic Algorithm）等，這些人工智能算法已十分廣泛應(yīng)用于機(jī)電整合系統(tǒng)中，如機(jī)器人、精密加工、航天工業(yè)、汽車工業(yè)、家電工業(yè)等。

3.2傳感器與致動器

人類借助視覺、聽覺、味覺、嗅覺及觸覺獲得外界環(huán)境的實(shí)時感知信息，人類的五覺相對于機(jī)電整合系統(tǒng)而言，即是它所配置的感測組件，傳感器性能的優(yōu)劣，決定系統(tǒng)信息收集的能力，直接影響系統(tǒng)的性能。近二十年來，感知裝置如光感測器、壓力計(jì)、化學(xué)傳感器等有相當(dāng)大的突破發(fā)展，尤其在微機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域。機(jī)電整合系統(tǒng)需借助各式傳感器以獲得外在環(huán)境的信息，如視覺傳感器提供機(jī)電整合系統(tǒng)最重要的周遭環(huán)境信息，但是機(jī)器視覺的識別能力仍遠(yuǎn)低于人類。機(jī)電整合系統(tǒng)中，另一重要組件——致動器屬于電子式能量轉(zhuǎn)換器，其功能是將電能轉(zhuǎn)換成物理量，傳統(tǒng)的致動器如步進(jìn)電機(jī)、線性電機(jī)、壓電致動器、電磁閥等，對于機(jī)電整合系統(tǒng)的驅(qū)動是相當(dāng)關(guān)鍵的組件。因微納米技術(shù)的發(fā)展，至今已經(jīng)有許多的微致動器的相關(guān)研究及產(chǎn)品問世，如立體微熱致動器、微數(shù)組熱致動器、超音波電機(jī)等。采用微納米制程技術(shù)研制體積微小化的致動器，將會是研發(fā)許多機(jī)電整合系統(tǒng)的關(guān)鍵性的組件，如機(jī)器人手關(guān)節(jié)與足關(guān)節(jié)、人工肌肉等。

3.3資料融合（Data Fusion）

近年來，多傳感器融合法（Multisensor Fusion Method）在智能型應(yīng)用上扮演重要的角色，例如移動式機(jī)器人的導(dǎo)航、多目標(biāo)追蹤及航空導(dǎo)航等。目前應(yīng)用于多感測器系統(tǒng)中，幾種較常見的多傳感器融合法，如權(quán)重平均（Weight Average）、卡爾曼濾波器（Kalman Filter）、貝式估測（Bayesian Estimate）及模糊邏輯（Fuzzy Logic）等，都可有效率將感測數(shù)據(jù)整合及融合反饋給系統(tǒng)。另一方面，感測數(shù)據(jù)的信號處理與有效數(shù)據(jù)的摘取也是相當(dāng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)今信號處理（Signal Processing）技術(shù)與數(shù)據(jù)探勘（Data Mining）技術(shù)也日漸成熟，雖足以解決目前多傳感器的應(yīng)用，但未來機(jī)電整合應(yīng)用于更精密的系統(tǒng)中，該關(guān)鍵技術(shù)仍有提升空間。

3.4人機(jī)互助與互動（Human-Machine Cooperation and Interaction）技術(shù)

大部分的智能機(jī)器人都得具備人機(jī)互助及群體工作的能力，其為未來十年間的主要發(fā)展趨勢。機(jī)電整合或機(jī)器人下一個未來發(fā)展趨勢為人類與機(jī)器能夠以自然語言、動作進(jìn)行互動溝通，機(jī)器人具備經(jīng)由觀察及模仿人類的自主學(xué)習(xí)能力，其涉及到機(jī)器人能否了解及表達(dá)情感，意味著機(jī)器人能夠去感受與了解身體語言、臉部表情、語氣、動作、及其它情感的表達(dá)。未來人類與機(jī)器人溝通，除了自然語言外，情感的表達(dá)與理解是重要的一部分，換而言之，未來極可能發(fā)展出具有思考能力與情感的機(jī)器人。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蘇紹娟，劉寅東，劉曉明.基于集成平臺的船舶三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2011（02）.

[2]王勇.三維設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)平臺在核電設(shè)計(jì)院的應(yīng)用[J].核動力工程，2010（03）.