工业机器人毕业论文精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇工业机器人毕业论文范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

关键词 毕业设计 机器人 本体设计 本科生

中图分类号：G642.477 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2017.04.019

Abstract Robots are the hot topic in graduation design of many undergraduates from engineering majors currently. Body is the most important part of a robot， and its design is the basis of other parts of the robot， such as control， vision and touch. In this paper， the common mistakes of graduation design of undergraduates about robot bodies are summarized and the corresponding solutions are provided. This work will help undergraduates to design robot bodies better， and to give some references to the relevant instructor to control the quality of graduation design.

Key words graduation design； robot； body design； undergraduates

0 引言

C器人作为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，是中国实现中国制造2025的关键。机器人已成为高校工科专业关心的热门主题，许多工科专业本科生的毕业论文主题与机器人有关。毕业设计是普通高等学校培养人才极为重要的教学环节，旨在煅炼学生综合应用所学的各种理论知识和技能进行全面、系统地解决实际问题的能力。然而，许多本科生在毕业设计中对机器人本体进行设计时，对一些重要的设计方法理解不到位，进行了错误的设计。

1 机器人本体运动学计算分析中的常见错误分析

机器人的运动学分析包含位置正反解、速度正反解和加速度正反解。运动分析是机器人力学分析、工作空间分析和控制系统设计的基础。因此，只要本科生的毕业设计中涉及机器人本体设计，必然包含运动学分析。运动学分析的核心是建立位置正反解、速度正反解、加速度正反解的数学模型。许多本科生在进行机器人的运动学计算分析时常出现如下错误。

1.1 位置分析中运用解析法和数值法的错误分析

位置求解的本质是求解一组有约束方程构成的非线性方程组。解析法是指从约束方程求解出描述机器人的驱动输入角（线）位移与末端执行器输出位姿之间关系的一个严格的函数表达式。这种函数表达式的重要特征是给出任意的自变量就可以求出其因变量。数值法是指在给定驱动输入位移（或末端执行器输出位姿）条件下对约束方程采用某些数学算法，如数值逼近法、插值法等获得一个近似于真实末端执行器输出位姿（或驱动输入位移）的解。一般而言，位置分析更希望得到解析解，因为有了解析解，后续的运动性能分析、力学性能分析和工作空间分析更加方便，但很多时候只能得到位置分析的数值解。

对于机器人位置分析，本科生在毕业设计中常见的错误如下：

（1）误判解析解和数值解。根据机器人中的几何限定关系列出约束方程后，仅仅从方程的形式上很难判断出它们是否能被解析法求解。由于有的解析求解过程较为复杂，许多本科生在求解过程遇到困难时就断定没有解析解，但实际上解析解却存在。

（2）把解析法误认为数值法。有的学生在毕业设计中求解机器人本体的位置正解和反解时，有时把平台参数和杆长参数指定为具体数值，能够方便得到求解结果，却称这是数值解。

（3）乱用数学算法方法求得数值解。对于解析解分析过程太过复杂或用现有的数学手段无法得到解析解时，数值解是必然选择。但数值算法有很多，许多本科生在毕业设计中不知该选择那种算法才有效，大多是凭感觉选择。

对于上述错误，本科生在进行相关的毕业设计时应该掌握的一个一般规律：串联机器人位置反解和并联机器人的位置正解一般很难得到解析解，大多数只能通过数学算法得到数值解。其次，应该注意解析法和数值法的内涵区别，只有用了数值逼近、迭加或搜索等算法才能称为数值法。目前较为有效的数值算法是牛顿-拉夫逊方法，其要点是把非线性方程求解过程变成反复地对相应的线性方程进行求解的过程。

1.2 用求导法建立速度和加速度模型的错误分析

如果求出的位置解表达式不复杂，对其直接求导能得到速度模型，对其求二次导就可以得到加速度模型。但当位置解表达式很复杂导致它的导数不能求出时，只能采用别的方法进行速度和加速度模型。

本科生在毕业设计中一般都采用求导法来分析机器人的速度和加速度。如确实能求导的他们就列出求导后的结果。如本来不能求导的他们就只列出表示求导的式子，只是形式上完成了速度和加速度分析，这种做法实质上是错误的。

对于不能用求导法进行速度和加速度分析的机器人，基于螺旋理论的影响系数法是一个很好的方法。该方法不需要求导，能极简单显示表达出机器人本体的正反速度和加速度模型。

2 仿真分析中的错误分析

为了证明已建立的机器人的运动学数学模型是否正确，往往需要用计算机软件建立机器人的仿真模型进行分析验证。常用来建立机器人仿真模型的软件有Solidworks、UG、Matlab、Adams、Ansys等。只有当仿真结果与计算结果一致时，数学模型才能被认为是正确的。进一步才能将数学模型用于控制算法中，或用来分析机器人的性能。只有在正确的数学模型上所开展的研究才是有意义的。

但是关于仿真分析，一些本科生在进行毕业设计中出现了如下错误：

（1）将Matlab计算结果误认为是仿真结果。由于运动学分析中涉及的约束方程一般需要借助Matlab 软件编程求解。在程序中给定输入值可以得到输出值，进一步根据这些值可以绘制出曲线。一些本科生在毕业设计中误认为这些值和曲线就是Matlab仿真得到的。

（2）缺少计算值与仿真值的对比。一些本科生在毕业设计中虽然完成了仿真分析并列出了仿真结果，却没有和计算分析的结果进行对比。

（3）误认为毫米级误差就可以算正确。一些本科生在毕业设计中虽然进行了仿真结果和计算结果的对比，但有的出现了毫米级的误差，就认为这样的误差是可以忽略的，认为建立的数学模型是正确的。

τ谏鲜龃砦螅本科生在进行相关的毕业设计中应该正确认识用Matlab软件进行计算和仿真的区别：编写程序求解约束方程是计算而非仿真，Matlab软件中用于机器人本体仿真的模块是SimMechanics。仅仅列出仿真结果和计算结果，而不进行对比分析，那么仿真是没有意义的。由于计算机软件的计算和仿真默认的数值精度是10～8毫米，考虑到截断误差和累积误差，计算结果和仿真结果的误差一般是微米级。出现毫米级误差说明计算结果和仿结果是不一致的，需要重新检查数学模型和仿真模型，直到误差很小。

3 基于雅克比矩阵进行性能评价的错误分析

早期，关于机器人的研究主要集中在串联机器人。雅克比矩阵的条件数被用来评价串联机器人的灵活性和可操作性。近几十年，并联机器人取得了蓬勃发展。许多本科生在毕业设计中进行并联机器人的本体设计时，也用雅克比矩阵的条件数来评价其性能。然而， 2006年法国著名机器人专家Merlet 教授论证了不能用条件数来评价含有转动和移动输出的并联机器人。究其原因是有混合输出的并联机构的雅可比矩阵量纲不一致，将导致条件数没有明确的物理意义。

2006年后，许多并联机器人的专家开始了新的性能评价指标研究，主要集中在基于螺旋理论的力传递指标与运动传递指标。近些年机器人领域的国际和国内权威期刊上的论文基本没有用条件数来评价有转动和移动输出的并联机器人。因此，对于毕业设计中涉及有转动和移动输出的并联机器人，用雅克比矩阵的条件数来评价其性能是错误的，建议从力传递性能和运动传递性能指标来进行评价。

4 结论

机器人已成为高校工科专业师生研究的热门主题，许多大学生毕业论文大多涉及机器人本体设计。本文对本科生毕业设计中涉及机器人本体运动学计算分析，仿真分析和性能评价中的常见错误进行了分析，并提供了解决办法。本文的工作有助于本科生正确地进行机器人本体设计，提高毕业设计的质量。

参考文献

[1] 张付祥，李文忠.现代设计方法在机械学科本科毕业设计中的应用[J].中国现代教学装备，2011（11）.

[2] 薛彩霞.本科毕业设计（论文）存在问题及质量控制措施[J].高教论坛，2011（11）.

[3] 熊有伦，丁汉，刘恩沧.机器人学[M].北京：机械工业出版社，1993.

[4] 黄真，赵铁石，赵永生.高等空间机构学[M].北京：高等教学出版社，2006.

篇(2)

论文摘要：基于FMS技术开发了模块化机电一体化教学培训系统，该系统有助于加深学生对机电一体化系统概念的理解，掌握车间柔性制造的方法，最后以作业计划与调度教学研究性、综合性实验为例，论述了该系统在培养学生理论与实践相结合的能力，提高学生学习兴趣和积极性的重要作用。

为使机械设计制造及其自动化专业学生在学习过程中，有机会将所学到的各门专业课的知识综合性地应用到接近于生产实际的过程中，为他们走上工作岗位后应用这种新的理念打下基础，学院除了建立适合于现代教学法模式的几个独立的专业实验室外，筹建了一个开放式自动化综合实验室。在这个综合实验室中，我们开发了一套完全接近于生产实际的模块化柔性制造系统，由省部共同投资。实验室的开放性主要体现在两个方面:一是系统组成具有开放性，系统中不同生产厂家的设备可相互兼容，便于以后扩展;二是实验室资源具有开放性，实验室可面向校内外各种层次的学生或培训学员，做到资源共享，扩大受益面。

1 FMS系统组成

柔性制造系统机电一体化训练设备，包含一条闭环柔性输送装置和六自由度并联加工中心(加工站)、三自由度数控雕刻机及其控制系统、四自由度上料检测站及其控制系统、搬运站、安装站、安装搬运站、智能分类站、现场总线、多层次立体原料库及其控制系统、多层立体成品库及其控制系统、自动化输送线及变频调速控制系统、PLC数据采集及物料监控系统、系统监控及管理控制软件。

工业控制计算机通过运动控制卡发送位置信号给旋转立体上料库电机驱动器，电机驱动器驱动步进电机旋转一定角度，实现零件位置对准，同时设置检测开关，通过PLC采集至计算机，判断托盘上相应位置是否存在零件。自动上料机器人将待加工物料送至加工位置后，系统驱动锁紧装置进行物料定位固定，上位机按指定程序控制六自由度并联机器人，进行零件前序的加工。在主界面中点击数控雕刻机控制按钮，进人数控雕刻机控制界面，三自由度数控雕刻机主要实现对工件端面的雕刻，通过用户编制G代码也可以用软件将模型转化为G代码，然后通过计算机的串口将G代码传到雕刻机，雕刻机执行G代码。

零件前序加工完毕后，计算机控制零件搬运机器人将加工完的零件搬运至下一工序的加工位置。

在主界面中点击立体仓库状态按钮，进人立体仓库状态界面。立体仓库状态是用来实时显示立体仓库仓位的占用情况，系统实时检测各个仓位的状态，然后系统给码垛机发指令决定码垛机下一次将装配的成品放人哪个仓位，操作者通过观察状态位的图标情况，操作者就可以知道哪个仓位是否为空，并且知道各个仓位物件的重量，通过生产统计还可以知道立体仓库一共有多少个成品，每一类成品的个数及总重量。

2系统特点

(1)包含多种关键技术及单元，使学生了解更多的知识;机器人技术;物流仓储自动控制系统;立体仓库;自动输送线;自动码垛机;物流仓储管理和监控;PLC控制系统;传感器技术;计算机网络通信技术和现场总线技术;计算机控制;网络化视频监控技术;数据库技术;多轴运动控制器;气动技术;步进电机及驱动;伺服电机及驱动;VC，VB等高级语言编程。

(2)结合机电教学，编制了的实验指导书，包含多个实验:为了方便教学实际使用，我们为系统提供了专门实验指导书，其内容涵盖机械、控制、机器人示教、插补、自动装配、码垛等多项实验，供本科生、专科生和研究生专业选开，教师也可以根据实际情况，在实验指导书的基础上增开设计性、综合性实验。

(3)交互式图形化操作界面:系统控制软件采用WINDOWS操作系统，具有交互式和图形化特点，操作简单易学，自动化程度高，使教师和学生在很短的时间之内就可以掌握对系统的操作。

(4)丰富的状态反馈功能:通过计算机与各单元及传感器的通讯，将系统中各环节的状态显示在操作界面上，使操作者通过计算机随时了解系统各环节的工况、状态、运行数据，掌握系统运行状态。

(5)完善的生产及物料存储统计功能:根据现代柔性制造系统的特点及仓储物流的发展动向，不但在工作过程和原理上仿真实际生产过程，而且开发了生产及物料存储数据库，根据系统的运行随时记录和分析生产和存储数据。

(6)开放式系统结构:为了增强学生的参与性，系统采用了开放式结构，提供了完善的控制功能动态链接库和二次开发函数，不用了解底层复杂的时序和操作过程，只需要在VC或VB中简单的几行代码，学生即可开发出自己的运动或控制功能，激发学生的学习兴趣。

(7)网络化视频监控:系统提供网络化视频监控模块，使操作者在操作系统的同时，也可通过电脑屏幕实时观看系统的实际运行状况。同时对于有条件的学校，可将控制计算机与校园网相连解，使更多的学生和老师通过网络观看现场实验过程，提高系统利用率，也可实现远程教学。

3如何应用FMS进行本科实验教学

由于近年来高校的扩招，学生人数大幅上升，而大型实验设备台套数少;而且大型实验设备的实验通常包括编程、上机、结果分析等，需要的时间较长。因此，大型设备开设的实验不能简单的照搬其它实验教学的模式。我们分别探索了以下几种模式:

3. 1开设综合设计性实验

本中心老师提出项目申请，参加学校实验室设备管理处组织的“工程实践”和机电工程学院组织的“机电一体化实训中心”项目。这些项目结合指导老师的科研项目，通过双向选择接受学校相关专业本科三年级以上的学生参加。学生分为2-4人一组;在教师的指导下，首先查阅文献和学习FMS的有关知识，编制程序，上机测试;实验的内容根据项目的研究内容而定，一般涉及多种设备;实验时间根据老师和学生双方商定，实行弹性制，不拘泥于课堂安排的时间。由于学生人数少，在实验过程中可以做到师生面对面的随时交流。

例如:作业计划与调度教学实验。

“作业计划与调度教学实验”的内容是让学生根据给定的加工工件信息，设计一个单件小批量零件加工的“作业计划与调度”的仿真系统，使目标函数“最长流程时间”的值最小，然后对仿真结果进行验证。实验的目标是:使学生加深对“作业计划与调度”概念的理解，掌握车间调度的方法，培养学生理论与实践相结合的能力，提高学生的学习兴趣和积极性。实验系统要具备以下功能:

(1)提供一个很好的、有代表性的研究对象，也就是使学生知道他们是在那个车间、那个环境为加工那些工件设计“作业计划与调度”的方案;

(2)提供一个很好的仿真环境及工具，用来建立仿真模型，使学生形象直观地看到车间调度的运行过程;

(3)提供实现“作业计划与调度”的算法和软件开发环境，使学生了解并掌握该算法的原理，并在仿真环境中实现算法，得到仿真结果;

(4)提供一个真实环境，如FMS车间或可真正运行的FMS车间模型，在此环境中对上面得到的仿真结果进行验证。

针对“FMS教学实验系统”只讨论一种特殊情况，即最长流程时间Fmax的计算先讨论n/m/P/Fmax问题，目标函数是使最长流程时间最短。最长流程时间又称作加工周期，它是从第一个工件在第一台机器开始加工时算起，到最后一个工件在最后一台机器上完成加工时为止所经过的时间，由于假设所有工件的到达时间都为零(Ri，I=1 ，2 ，3，…，n)，所以Fmax等于排在末位加工的工件在车间的停留时间，也等于一批工件的最长完工时间C max 。

设n个工件的加工顺序为S=(S1 ，.S2 ， ……，，Sn)，其中Si为排第i位加工的工件的代号。以CK(Si)表示工件Si在机器Mk上的完工时间，Pk表示工件Si在Mk上的加工时间，K=1，2，3，……，m；i=1 ，2， ……，n，

式(1)是一个递推公式，当由式(1)得出Cm(sn)时，Fmax、就求得了。在熟悉以上公式之后，可以直接在加工时间矩阵上从左向右计算完工时间。对于某一工作地，在给定的一段时间内，顺次决定下一个被加工的工件。

3. 2开设选修课

由于学习FMS的有关知识，需要学生们具有一定的专业知识;而且大型设备一般只有一套设备，要面向学生人数众多的本科生开设实验课有一定的难度。因此，我们首先开设了FMS的选修课。在讲授FMS技术的理论知识的基础上，开设FMS的上机实验课，学生分为3 -5人一组。由于课堂讲授FMS的时间有限，加之是选修课;因此，在实验课之前，面对设备再介绍一次设备的原理、结构和用途等，以加深学生的印象;然后指导学生编制程序、适当的上机操作，辅导学生处理实验结果。

3. 3为本科毕业设计提供实验

本科生的毕业论文是进行专业基本技能培养的重要环节，同时也是培养学生创造性思维方法、提高动手和解决问题能力的不可缺少的过程。参加本科毕业论文的学生，有充分的时间利用所掌握的专业基础知识，解决具体的问题;因此毕业论文是本科生学习和掌握大型实验设备的一个非常好的机会。

4 FMS进行本科教学的体会和希望

4. 1 FMS进行本科教学的效果

通过上述三种方式向本科生开放大型实验设备，对学生选择专业有一定的帮助，也增加了学生参加推荐免试研究生和就业等的竞争力。例如，一名机电学院的学生参加了“FMS研究”项目后，对数控技术有关知识和应用有了一定的了解和兴趣，报考研究生时选择数控技术专业。另一名机电学院的学生参加“开放式数控系统的研究”，学习了切削图形设计、数控雕刻机及其控制系统等一系列操作，在老师的指导下自己操作选择刀具和切削参数，观察不同的切削过程，加深了所学的理论知识，熟悉了作业计划与调度的原理、立体仓库的基本操作;该生通过面试后顺利地被华中科技大学录取为研究生。

近年来为了适应地方经济和社会发展的需要，拓宽人才培养领域，在开设综合性实验项目和选修课时，也接受其他学院的学生。学生结束项目后，对所参加的研究工作非常有兴趣。

相比较而言，综合设计性实验效果明显好于选修课的实验。前者由于有充分的时间，我们摒弃了传统的验证实验的模式，采取了“双向互动”，教师以更多的精力启发学生的创造力，调动其主动性和积极性，发挥他们运用所学的知识去解决实际问题。对这种实验模式，学生表现出极大的兴趣。这种实验教学模式，不仅拓展了学生现代科学技能的理论和知识;在实验方法，应用技能方面也得到了提高，为他们今后走上社会，服务于社会，缩短理论与实践的差距奠定了良好的基础。

4. 2存在的问题

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我国本科生教育质量的实证调查分析

关于本科毕业论文开题工作的几点思考

中国高校师资队伍建设现状的调查研究

西部高师毕业班学生教师职业道德调查研究——以重庆师范大学为例

近年来我国高职院校内涵建设研究述评

试析高职院校学生职业道德教育之实践锻炼法

试论新时期井冈山精神

自我认识与大学生职业生涯规划

信息化环境下的大学生思想政治教育创新探索

试论“基本原理概论”课中的案例教学法

增强高校思想政治理论课课堂教学实效性策略探析

高校思想政治课教学实施惩戒教育探析

“海西”发展战略背景下的福建省高校思想政治理论课教学研究

地方高校大学生听说学习障碍性因素及其对策的分析研究——以丽水学院为例

西南科技大学地质工程专业毕业设计的教学实践与思考

环境工程微生物学实验教学新探——污水生物处理过程中微生物的简单分析

“现场总线控制技术”课程教学的实践与探索

数控加工技术课程教学改革的探索与实践

关于网页设计课程的改革探索和实践

以知识失业现象的视角反思我国高校文科建设——兼论文科招生规模与教育教学质量的统一

高等教育自身规律与社会经济制约性关系探析

独立学院创业教育的实施策略研究

体现职业特色的高职人文教育问题研究

高校女教师职业价值观调查分析——以重庆市为例

论大学精品课程建设

以转化高校“问题学生”为路径的教育公平研究

从“孝心”与“孝行”说开去

以科学发展观为指导打造高校服务型机关

积极学习理念在高等教育中的应用研究

语境策略在古代诗歌教学中的价值功能探微

西部高校生物类双语教学师资队伍建设途径

听力教学改革新思路:元认知策略培训

完善高校思想政治理论课社会实践教学保障机制的思考

大众化与高校政治课教学研究

虚拟样机软件ADAMS在工业机器人教学中的应用

构建“植物学”课程自主学习教学模式的探索与实践

普通本科院校化学专业实验教学新体系的构建

对农学类大学生暑期社会实践活动特点的调查分析——以广西大学农学院为例

解放思想艰苦奋斗开拓创新——西南科技大学30年改革发展回顾与展望

欲穷千里目更上一层楼——30年的回顾与思考“纪念改革开放30周年专题”研讨

学术何以道德——论大学学术道德建设的三大路径

大学合法性危机:大学治理的原因探究

论基于信任的教学

教学交往的修辞互动——重构教者与受者的权力关系

我国高等教育自学考试管理体制创新的思考

我国高等教育投资体制政策历史回顾、价值分析及启示

中国高等教育大众化阶段的师生关系探讨

对外汉语中级阶段词语辨析方法的探讨

大学英语教学与双语教学的比较分析

网络环境下大学英语自主听力教学探究

非英语专业大学生的翻译教学探讨

信息光学与设计性实验探索

开展设计性物理实验课程的探讨

化学实验教学与学生能力培养

大学生实验成绩评定方法与问题探讨

高校德育课堂如何走向主体性

生物制药工艺学和中药制药工艺学融合教学初探

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关键词：创新教育；创客空间；跨学科

【中图分类号】G40-057文献标识码】A【论文编号】1009-8097（2015）05-0027-06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.05.004

引言

创客来源于英文单词“Maker”，是指努力把各种创意转变为现实的人.其共同特质是创新、实践与分享。近年来，创客运动在国际上蓬勃发展，改变了人们的学习方式和社会生产方式，并形成了新的校园文化。着眼于了解美国在创新教育及创客空间方面的最新进展和实施策略，为建设清华大学交叉融合创客空间提供参考，2014年8月，清华大学一行六人前往美国高校创新教育实验室及社会创客空间进行考察。考察团先后考察了麻省理工学院、帕森设计学院、纽约大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学的创新教育实验室以及波士顿Artisan's Asylum创客空间、奥克兰The Crucible创客空间、欧特克公司、皮克斯公司等，与相关创新教育实验室和创客空间的负责人进行了深入的交流，详细了解了他们的建设理念、运行机制、课程体系和物理空间等情况。美国高校创新教育实验室

l 麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）

麻省理工学院媒体实验室由Nicholas Negroponte和前校长Jerome Wiesner[2]于1985年共同创建，隶属于麻省理工学院建筑与设计学院，致力于科学、多媒体、技术、艺术及设计等领域成果转化的研究，鼓励打破学科界限，实现不同研究领域非传统的融合。该实验室创造了许多颠覆性的前沿技术，包括可穿戴技术、可触摸用户界面和情感计算等，研发出许多技术发明（如电子墨水、NEXI类人机器人、Scratch图形化编程语言、玩具式学习工具等）。目前拥有25个研究团队，包括生物力学、摄影文化、认知机器、流动媒体、信息生态学、个人机器人、社交计算等，研究项目超过350个，其创新研究强调“以人为本”、“跨学科”、“原创性”和“开放性”。

（1）人员组成

媒体实验室主要从事研究生教育，队伍组成包括近40名资深研究人员、48名合作企业研究人员、75名客座科学家及博士后、80名技术及行政人员。研究生共计146名，其中硕士研究生80名、博士研究生66名，分别来自不同专业并通常具有工作经历，其中一半左右来自计算机专业。同时，每年还有200多名本科生通过本科生研究机会项目（UROP）来实验室工作。

（2）运行机制

作为一个纯学术研究机构，媒体实验室每年的运行经费约4500万美元，主要从70多个联盟会员获得资助。会员包括微软、谷歌、三星、松下、英特尔、思科、诺基亚、高通、乐高等世界知名企业，合作年费至少为20万美元。联盟会员一般不要求实验室从事特定研究，多数研究项目由团队独立向媒体实验室提出申请并获得资助，以保证研究内容的前瞻和原创。联盟会员有权分享媒体实验室该年的知识产权和研究成果，获得技术咨询而无需支付授权费用，同时可以派遣研究人员常驻媒体实验室。

（3）物理空间

媒体实验室拥有两座大楼（E15）和（E14），其中新大楼面积为15100平方米，是一个开放的、工作室式、自适应的六层楼建筑。整个建筑内部高度透明，能够看到正在进行的研究项目，从而鼓励研究人员之间的联系和协作。

为了配合研究项目中的样机试制，在大楼中建有一个小型制造实验室，加工设备包括木工锯床、焊接设备、钣金设备、工业级3D打印机、激光切割机、木工加工中心、数控车床、数控铣床、数控水切割机床、线切割机床等。车间布局非常紧凑，由3名全职技术人员维护，面向媒体实验室成员24小时开放，但要求用户必须接受相关设备的操作培训并且不能单独工作。

2 纽约大学ITP项目

ITP是纽约大学Tisch艺术学院为期两年的研究生教育项目，其主要任务是探索如何富有想象力地使用通讯技术，从而有效提升、改善和愉悦人们的生活。该项目始于1979年，已经发展为技术专家、工程师、设计师和艺术家打破真实与数字空间界限的活跃社区，在多媒体和交互性专业领域贡献的新创意和人才得到国际广泛公认。

（1）课程设置

ITP的课程分为基础课和专业课两种，其中基础课有7门，包括新媒体应用技术、动画设计、视频与声音、可视化语言、网站设计、可计算媒体和物理计算；专业课有100多门，包括3D打印奢饰品、高级动画工作室、交互式设计的生物力学等。取得研究生学历的学分要求为：基础课16分、专业课40分、毕业论文项目4分。

ITP的学生来自艺术、科技、经济、政治等多个领域，彼此背景不同，所有专业的人一起参加课程，最大的挑战就是让他们互相沟通，进行自由分享。ITP所传授的不仅是用技术来做产品，更是用它来学会思考和表达自己。在ITP教学过程中，强调自己动手和应用技术，不受现有软件和硬件工具的束缚，开发出自己想要做的产品。

（2）物理空间

篇(5)

关键词：机电一体化 发展趋势 机械工业

1前言

现代科学技术的不断发展．极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域．由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化．使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化。使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。论文 毕业论文

2机电一体化的优点

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术．将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称 其涵盖“技术”和“产品”两个方面．是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术．而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑．这是机电一体化与机械+电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别机械工程技术由纯机械发展到机械电气化．仍属传统机械．其主要功能依然是代替和放大的体力 但是发展到机电一体化后．其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外．还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等 即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸．还是人的感官与头脑的眼神。机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别是智能化 机电一体化产品的典型例子有：数控加工中心、机器人以及具有检测控制性能的数码相机等。总之．一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这五个要素构成。

3 机电一体化的发展历史

2O世纪6O年代以来．人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能后．刺激了机械产品与电子技术的结合，再后来计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展更进一步奠定了技术基础 大约到20世纪8O年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认：机电一体化技术和产品得到了极大发展：各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持：2O世纪9O年代后期．开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段．机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化．微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚．出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法．机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。

我国是从20世纪8O年代初才开始在这方面研究和应用。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作．取得了一定成果，但与欧美、日本等先进国家相比仍有相当差距机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合。它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。

机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科．随着科学技术的不但发展．还将被赋予新的内容。

4 机电一体化发展趋势的分析

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：

4．1 智能化

智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然使机电一体化产品具有与人完全相同的智能是不可能的，也是不必要的。但是高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。

4．2 模块化

模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

4．3 网络化

20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等人们日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem，CIAS)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

4．4 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS)，泛指几何尺寸不超过1cm。的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

4．5 绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。

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随着科学和技术的不断进步、计算机技术日新月异的发展，计算机软件的知识体系变得越来越庞大。与此同时，现代企业对软件工程师的项目实践能力、团队工作与交流能力提出了更高的要求。因此，基于项目开发应用的工程教育，促使学生进行更多更深的理论知识和更高的能力与素质的培养。所以，我们需要对传统的课程体系、教学理念和学习方法作出重大变革以应对这样的挑战。为了更好地培养学生的能力，必须对传统的教学模式进行改革。因此，针对传统教学模式下计算机相关专业日常教学中学生主动性和积极性不强、缺少综合能力训练内容、作业抄袭、新知识与新进展反映不理想等问题，为了解决这些问题将工程教育理念引入实际教学中，可以通过设定合理题目，将课程设计与项目开发紧密结合，利用学生的好胜心理、竞争性和成就感等，提出了新的教学模式。也可以将实践动手能力强的同学组织起来，承担一些项目和课题。教学实践证明，新的教学模式能够充分调动学生学习的积极性和主动性，提高学生对专业知识的综合应用能力、工程实践能力，同时也避免了作业抄袭现象的发生，强化了学生的自信心。另外，也对新模式中存在的问题进行了思考与建议。

一、工程教育理念与方法

工程教育包含构想（conceive）、设计（design）、实施（im－plement）、操作（operate），教育深入到工业产品从构思、设计、实施、运行到结束生产周期整个过程，是麻省理工学院和和几所瑞典大学在瓦伦堡基金会的资助下，经过4年的跨国研究和探索后于2004年提出的一个工程教育理念。工程教育首先定位培养什么人和如何培养人这两个方面出发探索工程教育问题。工程教育的是为让学生尽快进入企业工程环境而将学生置身于在企业真实产品生产周期中，在产品的构思、设计、实施和运行过程的工业环境中接受工程教育，将学生在工程环境下，快速掌握工程应用的实际的技术、深入研发新产品和新系统的开发和运行、理解技术的研究发展周期。工程教育工程是教育改革一种较好的思路，能够掌握现代工业系统开发的主要技术的现代工程师所需要具备的知识、能力，以工程实际开发设计为背景环境，建立的课程体系相互联系、相互支撑，让学生在实际工程应用的实践环境中取得丰富的设计、制作和主动学习的经验，促进学生能力和素质的综合成长。CDIO工程教育模式可以在课堂上有效建立互动的、启发式的和探究式的学习方式，能引导学生提出问题，找到解决问题的方法。实践教学课程的教学改革既要遵循该课程的传统理论知识，又要符合CDIO工程教育模式对项目支撑课程的要求。

二、工程教育培养模式的探索

工程教育培养模式是一种建立在架构教学理论基础上的新方法。架构理论认为：传统的教育模式是通过教师传授得到，工程教育模式是让学习者在一定的工程情境下，利用必要的学习资料，借助他人的帮助，自主学习快速成长的经历。在企业提供工程环境下，获得的充分实践的探究式学习模式。在这种环境下，企业安排的项目，驱动着学生，在遇到不懂的知识需要通过查询资料文档和上级领导进行沟通，这种方式极大地激发学生的学习兴趣和求知欲望和调动了学生的积极性和主动性，从而培养学生自主分析问题、解决问题的能力，以及团队协作能力和探索、创新的精神。同时还可以提出了导师负责制的项目开发驱动教学模式，根据企业对软件技术人才的需求，以教师承担的项目为教学课题，以分组团队协作的模式，由带队导师负责学生的项目任务的安排，技术培训和监督管理。此外，还可以通过校外软件实习基地为教学研发场所，委托师资力量强的教学机构以专题培训、技术讲座、实战项目辅导等多种教学模式相组合的方式为教学手段，使得学生在项目的驱动的环境下进行学习和开发。以上的工程教育教学模式是在项目开发为主线的情况下，鼓励学生自主学习，相互学习，培养团队协作，让学生学会与项目主管沟通，使得学生在工程环境下快速成长。CDIO工程教育改革是一个系统、全面的改革。它具有明确的培养定位、详细的培养目标和全面、系统的培养方法指南。众所周知，教育改革绝不可能一蹴而就，需要长期努力、逐步提高。有明确目标的系统性的改革为改革少走弯路、提高效率、持续改进提供了重要的基础。

1．构建完善课程体系

根据工程化思想，从专业知识的结构和所需能力培养入手，建立科学的工程化的课程体系是十分必要的。课程体系大纲包括专业知识、职业能力、团队合作和工程综合能力四个层面，对现代企业工程师应该具备的知识和能力，以课程体系的方式逐级细化设置，形成具体对教师和学生都具有明确意义的课程体系，提高实践教学的比重。比如可以在计算机相关专业的教学计划中，设置以下的编程语言的教学计划。对于大一、大二的低年级新生，设置《C语言程序设计》课程、《C＋＋面向对象程序设计》、《高级C＋＋应用程序设计》（包括WIN32SDK和MFC框架应用的高级应用设计），在大三、大四高年级的学生根据个人的爱好可以就多个工程应用级的C＋＋学习方向进行学习，可以是游戏DirectX方向、GDI图形图像设计、dotnet框架的管理信息系统、驱动程序的开发等企业级应用开发，和企业进一步沟通，确定订单式培养计划，将企业应用需求引入到培养计划中来。因此，为每一门课程（包括每一个项目）制定课程教学大纲，课程大纲明确学生应掌握的知识和能力，规划如何使学生学到这些知识和能力，如何考查学生的知识和能力，并明确教学、实验、作业／项目的安排。大纲中除了列出本门课程的知识点之外，还根据本课程所承担的能力目标。以教学大纲的形式具体细化专业培养目标，将培养目标根据专业的知识、能力和素质的培养分配到每门课程，各门课程根据自身特点承担相应的知识、能力和素质的培养。通过改革教学方法给予学生一体化的学习经验、构建他们的知识和能力体系。

2．教学方法的转变

在教学方法上，引导教师更新教学观念，从以教师为中心转向以学生为中心，引导学生自主学习，摆脱对老师的依赖，提高自我思考能力，突出通过实践动手来分析问题和解决问题，增强创新意识，巩固知识概念。鼓励老师进行教学改革，增加实践环节的比重，将课程设计和实验课并入相关的课程内，使得代课老师承担一定比重的实验课，任课老师也成为了实验课的教师之一，对于实验课的内容要认真规划和企业工程实践尽量结合，让学生在校园里就处在工程教育氛围中，教师尽可能统筹安排课程内的实验，做到大纲详尽，实验细节细致入微。从大一开始就注重对缺少实践动手能力学生的培养，针对课程安排丰富的综合性实验和课程设计，让每一位学生自己动手、自主完成并全身心投入。适当的压缩教师授课学时，改革教学方法，设立场景教学，鼓励学生采用一边听一边实验一边讨论的方式，让学生成为课堂上的主角。设置丰富的设计－实现项目，利用课堂和现代学习场所或实验室加强学生学习的主动性、实践性和团队合作精神。

3．课程设计与项目开发紧密结合

针对一些专业课程，增加课程设计环节，可以巩固学生的理论知识，培养学生科研和自主学习的能力。基于CDIO培养模式是将所学知识和实际的工程项目相结合，对于核心课和专业选修课的的课程设计中引入工程教育的理念，通过贴近工程应用的课程设计可以让学生接触实际工程应用开发的方法，尽量提高学生对所学知识的综合应用能力。因此，从教师的角度，搞好课程设计的关键，应设计好题目并做好课程设计的准备工作，引导学生自主学习，积累储备知识，跟踪主流技术。教师出课程设计题目的时候，选择贴近企业实际工程项目，同时结合所学课程、学生掌握的知识情况，为了提高课程设计的质量，总结以往学生的课程设计的过程中常出现的问题，提出循序渐进式的课程设计指导教学方法，将往届学生中课程设计中的优秀作品和设计思路去启发应届学生，本届学生在往届学生的基础上进一步深入设计开发。

4．通过竞赛提高学生的实际应用能力

每年举办各种大学生应用技能竞赛包括“创新杯计算机应用能力大赛”、“CAD计算机辅助设计大赛”、“全国大学生数学建模比赛”、“全国大学生电子设计大赛”和“全国大学生机器人大赛”等竞赛，提供了培养学生应用能力的一个舞台。比赛的题目注重实际问题的解决和实践动手能力的提高，旨在培养学生分析问题解决问题的能力和参赛团队协作精神。竞赛给学生提供了充分的自我发挥平台，对于学生个人综合实力的全方位考核，同时挖掘学生的个人潜质。针对比赛各二级学院积极组织、认真准备，分别进行赛前培训、集中训练和赛前选拔工作。同时，根据大赛的项目和内容，对于现有的教学计划进行修订，对于课程内容也要不断优化，改进教学手段和教学方法，使得教学内容贴近工程应用，对于日常考核方法进行改革，采取灵活多样的考试方法，积极申请专项资金建设特色实验室，通过加强实践动手能力的培养，对现有课程体系进行改革和优化，为培养学生的实际应用能力创造良好条件。通过参加比赛，不仅培养了大学生对科技活动的参与兴趣，锻炼了学生根据已经掌握的知识解决实际问题的综合能力，也培养学生的团队协作精神和创新能力。教师在指导学生参加竞赛时，积极做好赛前准备，进行赛前训练和选拔工作，在指导过程中善于激发学生的创新意识，努力提高学生的自主学习能力，同时营造宽松的研讨氛围，使学生在良好的学术氛围中，共同提高，互相促进，团结协作，争取取得好的成绩。

5．毕业实习实践环节对学生的培养

校外教学实习基地选择的代表着应用工程教育理念培养学生的工程实践场所，毕业实习实践环节的选择和建设采用不同的合作方式，选择有一定实力的企业和师资良好的校外实习基地，建立广泛的多种多样的校企合作关系，以便让学生学习和体验软件产品的从需求、规划、设计和测试整个产品的生命周期。校外实习基地是工程实践场所，它提供了一系列广泛的设施，包括企业的职场工作环境、团队协助开发项目的工作环境和工程化的任务实施管理方式。基于工程教育的的工程实践场所的包括以下基本特征：学生动手学习和自主学习产品的开发和设计、通过学习掌握系统的开发过程和熟悉企业工程产品的设计流程，为学生们提供了学习多学科知识的平台；同时也促进了学生个人人际交往能力提高；学会与小组的交流，也引导学生逐步适应社会交往和学习社会知识。此外，学校将毕业实践环节变成直接走出校门走入订单企业中去，提前到企业的环境去锻炼，使他们从择业观念、就业技能进一步的改变，完成其从学生到职业人角色转换，以及从学校到社会的人生环境的自然过渡。根据学生在企业工作的岗位设定毕业论文题目，让他们在锻炼的同时，完成毕业论文的设计。这样间接的促进学校工程教育模式的发展，为教育模式的转变积累经验。他们的课程设计的方向和题目也在进一步的影响教学方式的转变。学院制定详尽的管理方法和实施细则，在政策上给予倾斜，这样可以避免学生就业找工作和毕业论文的相互影响。

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关键词：计算机应用; 装配规划; 综述; 虚拟现实; 软计算; 协同装配

装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。毕业论文 装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。

较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。

随着计算机集成制造CIMS 和并行工程CE技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80 年代初，出现了对计算机辅助装配规划(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技术的研究。到目前为止，CAAP 经历了几个不同的发展阶段，出现了4 种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。

1 经典装配规划方法

早期CAAP 的研究侧重于装配序列的规划，以产品CAD 装配模型为基础，硕士论文 一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1 所示。

1.1产品装配建模

产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct 提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3 种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。

矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。

1.2装配序列推理和表达

基于联系图模型，Bourjauct 采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，医学论文 随后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR 图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N) (N为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。

1.3装配序列评价和选择

装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，职称论文 而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间 (包括子装配体的操作时间、运输时间等 )、整个装配成本 (包括劳动成本、夹紧和加工成本 )、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。

更多的经典装配规划方法研究文献可以参见Texas A&M 大学Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。

2虚拟装配规划方法

虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2 为虚拟装配规划的工作步骤。

国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)为代表，英语论文 通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的CAD 系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。

国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面

向装配设计系统（VirDFA）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（VIRDAS）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3 个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（VAT），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。

应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。

3 装配规划软计算方法

1994 年，Zadeh 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（soft computing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。

3.1 装配规划神经网络方法

神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，留学生论文 单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。

转贴于 Hong 和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled 神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。

3.2 装配规划模拟退火算法

模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。

Saeid 等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。Hong 和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。

模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。

3.3 装配规划遗传算法

在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。工作总结 遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3 为装配规划遗传算法的一般流程。

装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3 段编码，第1 段表示参与装配的零件编号，第2 段表示零件的可行装配方向，第3 段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；Guan 等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5 种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith 等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。

理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限

多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。

4 协同装配规划方法

装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison 大学[31]提出网络环境下的电子化装配（ e-Assembly ），探讨在Internet/Intranet 上利用3D 模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3D 交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D 系统，利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，Visualizer 模块为用户在Web 平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ATS 项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用VRML 作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的VRML 仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。

Web 环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以VRML 为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web 环境下3D 交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于VRML-Java 实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。

5 结论与展望

CAAP 的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。

跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。 参考文献

[1] 苏强， 林志航. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 机械科学与技术， 1999， 18(6): 1006~1012.

[2] 石淼， 唐朔飞， 李明树. 装配序列规划研究综述[J]. 计算机研究与发展， 1994， 31(6): 30~34.

[3] 牛新文， 丁汉， 熊有伦. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 中国机械工程， 2001， 12(12):1440~1443.