未来的机电技术产品，控制和执行系统有足够的冗余度，有较强的柔性，能较好地应付突发事件，被设计成自律分配系统。在自律分配系统中，各个子系统是独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的自律性，可根据不同的环境条件作出不同反应。
3.全息系统化——智能化
今后的机电技术产品全息特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单从上到下的形势而为复杂、有较多冗余度的双向联系。智能化是21世纪机电技术发展的重要发展方向。
4.生物软件化——仿生物系统化
今后的机电技术装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于静态时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物，机电技术产品虽然有向生物系统化的发展趋势，但还有一段漫长的道路要走。
5.微型机电化——微型化
目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以融合，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件，这种微型机械学是机电技术的重要发展方向。
6.系统化
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构，系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS（布式控制系统，Distributed Control System）。未来机电技术将更加注重产品与人的关系，机电技术的人格化有两层含义：一是机电技术产品的最终使用对象是人，如何赋予机电技术产品以人的智能、情感、人性越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化；另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实上，许多机电技术产品都是受动物的启发研制出来的。
机械电子技术正迅速与其他前沿技术相结合，并显示了巨大的生命力。主要有：
（1）与现代光学技术相结合
现代光学技术不断与机械电子技术相融合，形成光机电一体化系统。各种类型的激光加工机械，如激光切割机、激光焊接机等早已问世。在信息技术领域，激光打印机、激光照相机、光盘驱动器也已经普及。光传感器的发展，使数字相机和数字摄像机迅速更新换代，VCD和DVD早已进人千家万户。而光纤的大量应用，使通信手段更加多样化。可以预见，光机电一体化系统将以更快的步伐向前发展，并影响着人们的生活。
（2）面向现代医学
随着机械电子系统的发展，为医学诊断、治疗和康复提供了大量先进设备。CT(electronic computer X-ray tomography technique电子计算机X射线断层扫描技
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术)、NMR（Nuclear Magnetic Resonance核磁共振）已经成为医院常用的诊断设备。已开发了各种手术机器人，包括进行精细心脏手术的机器人。手术机器人不仅可以就地进行手术，还可以通过互联网远程监控实行。用于手术麻醉的麻醉浓度模糊控制系统，不需要麻醉师进行干预，其控制质量已经超过人工控制。为伤残人员设计制作的康复机器人已取得很大进展。已经设计和制作出包括假肢、矫形、遥控(利用四肢瘫痪病人仍然具有自身活动能力的部分，如舌、嘴、牙、眼等来控制机器人，从而协助他们进行某些活动)和引导盲人走路等技术。这将大大为伤残人员解除或减少痛苦，提高其生活自理能力，甚至重返劳动岗位。此外，护理机器人也正在开发之中，有报道称，日本已研制出世界上第一台仿真家庭机器人，它能够坐下或躺下，还可以自己站起来，能够照顾老人和病人，会操作复杂的机器。它有感情和知觉，还会说话，它的词汇库有6000个单词。它能在崎岖的路面上行走，摔倒后会自动站起来，听到呼唤还能应答。
（3）面向现代生物技术
现代生物技术研究的对象从微生物到各种动植物直到人类本身。现代生物技术主要研究和处理的是生物组织细胞、基因和各类生物分子。基因图谱的绘制，生物芯片的制造，基因的分离、修补和注入，以及细菌的捕获和分离等，都需要各类机械电子仪器或装备的支持。文献介绍了一种用于人类基因组DNA序列测绘的自动采样处理装置，它可以大大加快人类基因序列的测绘工作。文献则报告了一种利用激光扫描微操纵器来发现新菌种而不损害细菌所在母体的装置。这些例子从一个侧面说明机械电子技术与现代生物技术和工程相结合的情况。
（4）微/纳机械电子系统
进入新世纪后，在微机电系统发展的同时，纳米机电系统也在发展。已研制出利用碳纳米管制作的齿轮传动模型。美国贝尔实验室发明了一种利用DNA分子制成的纳米机器，可以像剪刀那样开合。虽然这些还只是原理演示性的，但却是十分有意义的。由于系统尺寸正向微米和纳米级缩小，但微/纳机械电子系统的工作原理、制造方法和材料与传统机电系统有很大差异。因此除了研究新的制造方法外，对纳米机械学和纳米摩擦学也在大力研究。微/纳机械电子系统已经或将在以下一些领域得到广泛应用和有应用前景：信息产业、生物医学、环境监测、航空航天、汽车、化学测试系统等。
五、机电一体的代表：工业机器人（留作课后查阅）
机器人总体上分为制造业机器人和非制造业机器人。 制造业机器人又称工业机器人，用于制造领域；
非制造业机器人用于非制造业，例如医用机器人、农业机器人、军用机器人等。下面主要介绍一下工业机器人的具体分类。
1.1按照机械手的几何结构来分
1.1.1直角坐标机器人此种机器人外形接近三坐标测量仪或数控镗床、铣床。3个关节都是移动关节，可分别沿笛卡尔坐标系3个正交的坐标轴往复运动，没有转动关节。优点是各关节运动相对独立，没有耦合；结构刚度好，多做成大型龙门式或框架
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式机器人；运动学反解简单，操作较方便。缺点是占地面积大，工作空间小，操作灵活性较差，适合垂直面装配等。
1.1.2柱坐标机器人此种机器人由垂直的柱子、水平机械手和底座组成。水平机械手可沿垂直的柱子上下运动，同时可水平伸缩。垂直的柱子可带着机械手在底座上移动。结构刚度较高，操作较方便，特别适合搬运工作。缺点是占地大、移动副不易保护，平衡性较差。
1.1.3极坐标机器人此种机器人有些类似坦克的塔炮。机械手能够前后自由伸缩、在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面上转动。优点是占地面积小、工作空间大，缺点是结构刚度较小，移动副不易保护且运动控制比较复杂。
1.1.4 SCARA式机器人此种机器人有3个旋转关节和1个移动关节。3个旋转关节轴线互相平行，可在平面内进行定位和定向。移动关节用来完成末端执行器垂直与平面的运动。优点是结构刚度较大，响应快，适合精密装配及搬运等。
1.1.5关节式机器人此种机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，2个或3个腕关节进行定向。优点是占地面积小，工作空间大，运动灵活；缺点是运动学计算量大。适合立体操作。
1.2按照机器人的控制方式分
1.2.1非伺服机器人（non-servo robots）这种机器人按预先编好的程序进行工作。接通电源（或其他能源）后，驱动装置带动机器人的手臂、腕部和机械手等部件运动，当运动到限位开关所设定的位置时，限位开关发出信号，制动器动作，切断电源，机械手停止动作。
1.2.2伺服控制机器人（servo-controlled robots）这种机器人的工作能力比非伺服机器人强，但是价格较高，某些情况下可靠性要差一些。工作原理是由传感器测出机器人被控制量（如速度、加速度、位置、力等），由比较器对检测值与原始设定值进行比较，得出二者的误差。误差信号经放大器放大后驱动机械手动作，进行误差补偿，以实现更加精确的速度和位置。 第四章 机械设计及理论要点： 一、机械设计发展概述 二、现代机械设计方法分类 三、全生命周期设计
四、绿色设计在煤矿机械中的应用 推荐阅读书目
1. 刘志峰编著.绿色设计.机械工业出版社 1999.12 2. 黄靖远编著.优势设计.机械工业出版社 1999.12 3. 陈立周编著.稳健设计.机械工业出版社 2000.5 4. 芮延年编著.协同设计.机械工业出版社 2003 5. 孟明辰编著.并行设计.机械工业出版社 1999.12 6. 刘宏增编著.虚拟设计.机械工业出版社 1999 7. 黄洪钟编著.模糊设计.机械工业出版社 1999.12
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8. 檀润华编著.创新设计:TRIZ:发明问题解决理论.机械工业出版社 2002 9. 闻邦椿编著.产品的主辅功能及功能优化设计.机械工业出版社 2008 10. 闻邦椿著.面向产品广义质量的综合设计理论与方法.科学出版社 2007 一、机械设计发展概述
随着人类文明的进步，人们制作了各种各样的机械和机器，并加以使用，但专为工业生产所运用、具有明显的技术特征，而又形成体系的机械设计，则是在18世纪工业革命以后的一段时间才被确立起来的。
人类在自己的生产活动中，不断地总结经验和采用最新的科学技术来推动生产向前发展；同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。
工业发达国家，即欧美和日本各国机械设计的发展，大致经历了以下四个阶段。 第一阶段，摇篮期，由设计公式进行的经典设计
这个阶段是指从工业革命起到第二次世界大战(1940年)以前的漫长时期。当时，机械工业生产主要在欧美各国进行，他们的设计是依据经典设计公式的组合进行的。
1852—1870年间，德国人韦勒(A·Wohler)在由他发明的试验机上进行了许多重复变应力下的疲劳试验，对疲劳向题进行系统研究，提出疲劳曲线图(S—N图)和疲劳极限概念。他的疲劳试验机的基本原理和S—N图至今还在沿用。
在计算齿轮齿根弯曲疲劳强度时，所使用的“齿形系数”的数据图表，自1893年由美国人刘易斯(Lewis，W)首次发表以来，虽然齿轮材料和制造方法己有很大变化，但至今仍被沿用，而且变动很小，等等。这些工作至今仍是机械设计教学的主要内容。
第二阶段，成长期，以经验为主的实验设计
这个阶段是在第二次世界大战中和战后(1940—1960年)，主要是在美国，这是机械工业在数量方面扩大生产的时代。这一阶段的机械设计，主要是通过样机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。日本的机械工业在这个阶段(主要是50年代)，屡次从美国引进技术。可以说在这期间，日本生产的机械几乎是欧美各国机械的妙本，所以他们自称为“模仿设计”阶段。
经典设计的理论和方法在这个阶段得以完备，极大地适应和促进了当时机械工业的发展。另一方面，在工业发达国家，各种现代机械设计的理论也在孕育之中。
以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容:1、以弹性力学为基础的弹性设计；2、以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；3、基于安全寿命预测、许用损伤限度等的疲劳设计。在这一时期均已完成。但对于结构复杂的零件或机器，在经典设计的范围内，是无法用解析法求出其上各点应力值的。因此，人们就应用模型或样机的试验设计来完成这一任务。
第三阶段，发展期，以静态解析为主的理论设计
这个阶段(1960—1980年)是机械设计由实验设计转入理论设计的发展阶段。1960年以后，在机械生产数量增加的同时，要求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。在进行机械设计时，机械性能的确认，不再是实验验证，而是应用理论推导的方法完成。由于运用了电子计算机技术，经典设计方法
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不能解析的静态和动态问题变得清楚明确了。
这个阶段由于电子计算机的广泛应用，使各种现代机械设计的理论和方法得到发展，并日臻完善，形成体系。
(1)人们不满足经典近似粗略的应力分析，而提出有限元法、差分法和边界元法的精确分析，对复杂结构的强度、刚度、润滑、振动、传热等问题进行数值计算。
(2)不满足经典“合格设计”的观念，提出最优化设计的要求和方法。 (3)不满足经典强度、刚度的设计观点和把设计量当作常量的观点，提出可靠性设计和概率设计。
(4)不满足经典繁琐、孤立、粗略的设计方法，提出设计方法学。 (5)不满足经典的断裂理论，提出机械零件设计的断裂力学方法。 第四阶段，成熟期，以动态解析为主的理论设计
由静态解析为主的设计开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性和低振动、低噪声的要求。
在经典设计中，一般是用静载荷乘以动载系数Kv，作为作用于构件的载荷来进地设计的，这个载荷叫做等效动载荷。但是，要正确地确定动载系数Kv却是困难的。因此，人们就提出了机械动态设计的现代设计方法。
机械动态设计，是根据机械结构和所应具备的性能，进行动力学建模，由此得到反映实际机械系统的动态特性数学模型。目前较为成熟的有如下几种方法。
(1)机械的机能解析建模法
(2)机械结构动力分析的有限元建模法 (3)传递矩阵建模法 (4)试验模态分析建模法
(5)机械结构动力学混合建模法 二、现代机械设计方法分类 第四章 车辆工程要点： 一、21世纪汽车的发展趋势 二、高速铁路的未来
三、我国军用特种车辆现状及发展 四、矿用车辆
一、21世纪汽车的发展趋势
汽车自1886年诞生至今只有一百多年的历史，但它的发展速度极快，已成为集机、电、液、气于一体，并能及时、广泛地采用世界最先进技术的交通工具。汽车的发展不仅依赖汽车行业本身的技术进步，且取决于科技、经济、社会等因素。本文从环保、节能、安全和个性化等方面探究未来汽车的发展趋势。
一、降低排放是汽车发展的必然
汽车工业的发展，给人们带来舒适便捷“汽车文明”的同时，也带来了日益严重的环境问题。在世界环境日益恶化的社会背景下，各国政府针对汽车排放制定更加严格的控制标准，因此，研究环保型汽车是未来发展的必然选择。
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