在電影《變形金剛》中，來(lái)自塞伯頓星球的機(jī)器人闖入地球，尋找能量方塊；而在現(xiàn)實(shí)世界，地球上的機(jī)器人也曾闖入火星，去尋找人類賴以生存的能源。在這兩種機(jī)器人身上，融合電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)和控制工程的機(jī)電一體化技術(shù)扮演著重要角色，正是該技術(shù)孕育了能夠行走而且具有自主智能的類人機(jī)器人。 人們?cè)欢日J(rèn)為，機(jī)電一體化的概念不過(guò)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(guó)航空航天局（NSNA）的火星探測(cè)器用來(lái)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(dòng)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(wú)人駕駛汽車。 “你可以叫我們‘汽車人’。”《變形金剛》中代表正義的“博派”機(jī)器人首領(lǐng)擎天柱說(shuō)。事實(shí)上，對(duì)于汽車機(jī)電一體化的終極目標(biāo)——無(wú)人駕駛汽車來(lái)說(shuō)，汽車人也是一個(gè)非常合適的綽號(hào)。 “自動(dòng)駕駛技術(shù)是主動(dòng)式安全電子學(xué)（ASE）合乎邏輯的發(fā)展方向。在ASE中，通過(guò)傳感器和算法來(lái)預(yù)測(cè)事故，并在車輛的物理和動(dòng)力限制內(nèi)主動(dòng)避免事故?！盙artner Dataquest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Michael Williams表示，“在早期的無(wú)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(lái)方便的應(yīng)用，如能自動(dòng)泊車、自動(dòng)提車等?！? 雖然當(dāng)今最為超前的應(yīng)用（如火星探測(cè)）很多都是通過(guò)機(jī)電一體化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但機(jī)電一體化最為多見(jiàn)的場(chǎng)合，卻出現(xiàn)在我們的日常生活中。例如常見(jiàn)的洗衣機(jī)，會(huì)利用傳感器測(cè)量負(fù)載，而不是詢問(wèn)用戶負(fù)載有多大。 不過(guò)，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(lái)創(chuàng)建自己的機(jī)械手?！泵绹?guó)田納西大學(xué)教授William Hamel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?！痹?月于哈爾濱市召開(kāi)的IEEE機(jī)電一體化與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)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(shuō)都帶來(lái)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(lái)了《變形金剛》。對(duì)于現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)來(lái)說(shuō)，《變形金剛》是份再適合不過(guò)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(duì)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)?！盚amel指出。 　 [align=center] 圖2：《變形金剛》中有關(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。[/align] 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(dòng)高度調(diào)整系統(tǒng)），發(fā)展到今天在無(wú)人干預(yù)情況下能夠起飛和著陸的自動(dòng)駕駛儀，借鑒這些，我們可以預(yù)測(cè)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(dòng)駕駛儀類似，你可以對(duì)“OnStar”汽車安全和通訊系統(tǒng)說(shuō)：“我有點(diǎn)犯困，你來(lái)開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、駕駛、操縱、導(dǎo)航、剎車和停車等。在主流客車市場(chǎng)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(kāi)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(hào)。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(guò)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(kāi)創(chuàng)性的范例，那便是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器誕生之前，計(jì)算機(jī)的大容量存儲(chǔ)是由計(jì)算機(jī)處理過(guò)的磁帶驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的，這種驅(qū)動(dòng)器只是實(shí)現(xiàn)了手工磁帶驅(qū)動(dòng)開(kāi)環(huán)功能的自動(dòng)化，所以并沒(méi)有構(gòu)成機(jī)電一體化的系統(tǒng)。 通過(guò)把閉環(huán)控制用于一種新型的機(jī)械設(shè)備上，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器提供的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(pán)驅(qū)動(dòng)器使用旋轉(zhuǎn)的磁盤(pán)而不是磁帶卷，通過(guò)隨機(jī)訪問(wèn)盤(pán)上的任何扇區(qū)，從機(jī)械存儲(chǔ)介質(zhì)上獲得了新的性能等級(jí)。 驅(qū)動(dòng)器的機(jī)電一體化也對(duì)其它機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化產(chǎn)生了長(zhǎng)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(pán)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(guò)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(chǔ)材料，我們現(xiàn)在可以買(mǎi)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(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)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(dòng)化的磁帶驅(qū)動(dòng)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(lái)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(guò)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(huì)在系統(tǒng)中嵌入微控制器來(lái)讀取傳感器信號(hào)，然后由預(yù)先編制的程序進(jìn)行處理，并通過(guò)啟動(dòng)伺服系統(tǒng)（以前由機(jī)械時(shí)序信號(hào)驅(qū)動(dòng)）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(dòng)（drive by wire）”。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操縱，讓計(jì)算機(jī)來(lái)駕駛汽車。 “許多駕駛員甚至沒(méi)有意識(shí)到汽車中已經(jīng)內(nèi)置了線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)。例如，由于需要混合協(xié)同驅(qū)動(dòng)，幾乎所有的混合動(dòng)力汽車都使用了線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)?！盬illiams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(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)純機(jī)械系統(tǒng)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和性能，例如自動(dòng)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(kāi)創(chuàng)性的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字光處理器（DLP）、以及微機(jī)電系統(tǒng)。