哈工大专题讲座报告(9篇).doc

机电工程学院硕士研究生专题讲座报告题 目1：人类的太空旅行面临的挑战 题 目2：高技术领域中的摩擦学与可靠性问题研究 题 目3： 基于绝对结点坐标的多柔体系统动力学分析列式（ANCF）及其与B-spline、NURBS图形的整合技术 题 目4：高倍聚光器的超精加工技术 题 目5：仿生仿人机器人关键技术及研究进展 题 目6：我国机床产业现状及发展趋势，美国机械工程研究生教育杂谈 题 目7：Interest Driven Graduate study 题 目8：多模态模块化可重构机器人设计与控制 题 目9：如何撰写论文 学 科 姓 名 学 号 讲座五听课证贴于此处听课证粘贴页讲座四听课证贴于此处讲座九听课证贴于此处讲座一听课证贴于此处讲座三听课证贴于此处讲座二听课证贴于此处讲座六听课证贴于此处讲座七听课证贴于此处讲座八听课证贴于此处讲座一 人类的太空旅行面临的挑战Bjarni Tryggvason教授于2012年5月16日上午在新活动中心101报告厅为我们做了一场及其生动的报告，报告主要包括了人类太空旅行所面临的挑战，除了宏观上的讲解，教授还不时地穿插了讲述了令他印象深刻的太空之旅，演讲过程中不断爆发了多次热烈的掌声，给我留下了深刻的印象。 在当下的条件下，人类想要完成太空旅行仍是一项巨大的挑战，这需要庞大的工程师、科学家团队的通力合作及努力。自从1961年人类首次太空飞行成功，至今已有大约500人曾在宇宙中飞行，12人曾踏上过月球，而只有3个国家完成了人类太空飞行：俄罗斯、美国、中国。世界尤其是中国仍处于太空旅行的探索阶段。1997年的8月，Bjarni Tryggvason参与了为期12天的US太空飞船探索之旅，以7800m/s的速度飞行于300千米的高空，共绕地球189圈。这次飞行成为了Bjarni Tryggvason生涯最难忘的闪光点，他与我们共同分享了这次太空旅程，讲述了失重、俯瞰地球全景等经历。2009年2月22日，在另一个太空项目中，Bjarni Tryggvason登上了一架模拟Silver Dartf号的飞船，Silver Dartf号是加拿大第一架有能力完成太空动力飞行的宇宙飞船，为了纪念加拿大动力飞行100周年，Bjarni Tryggvason等人所乘坐的模拟飞船以20m/s的速度飞行在几米的高度。Silver Dart号与在1903年首次完成动力飞行的Wright Flyer号极其相似。Bjarni Tryggvason向我们讲述了这次体验带给他的关于新旧飞船不同的感悟。太空漫游已经向我们证明了探索太空例如月球、火星等星球以及了解生命起源的可行性及可靠性。从过去火星勘探任务的经验来看，最有勘测价值且最有科学意义的地区往往充满了困难与危险，例如火山口、深壑，或是像河床、山谷等满布岩石的地区。同样的，月球表面科学探测地位于北极，因为从NASA LCROSS任务来看，在那有可能发现冰块。另外月球中部的山峰以及大火山的火山口处，通过冲击可能会发现金属材料，它们能提供月球起源及行星等信息。然而，多数这些极富科学价值的区域位于火山口或深壑，对于宇航员甚至是机器人都很危险。在失去飞船的保护、零距离接触太空环境时，航天员除了要面对舱外太空特殊压力、真空和温度3大环境的挑战外，还要面对太空特有的空间辐射环境。地球周围的空间环境中，主要存在3种高能粒子辐射源：地球辐射带、银河宇宙线和太阳粒子事件。地球辐射带是高能带电粒子受到地球磁场捕获而形成的强辐射区域，包括内辐射带和外辐射带，主要由高能电子与高能质子构成，靠近地球的内辐射带中心位于距离地面30004000km左右。目前的载人航天活动主要集中离地面在500km以下的低地球轨道上，处于内辐射带底部。银河宇宙线是来自银河系超新星爆发时的高能粒子，能量很高，但通量较低。由于其通量很低，一般不会造成显著的短期效应，但长期暴露在银河宇宙线中会增加不育和癌症的风险。银河宇宙线是来自银河系超新星爆发时的高能粒子，能量很高，但通量较低。太阳粒子事件是太阳爆发活动产生的高能带粒子流，持续时间从几分钟到几天不等，主要成分是质子。太阳粒子事件是随机发生的，大的太阳粒子事件会产生较大的剂量，对载人航天是一个严重威胁。除此之外，过载也是一个问题。科学告诉我们，物体的重量源于地心的引力，飞船若要遨游太空，必须克服地心引力，脱离地心引力，必须使飞行器具有一定的速度，已知到达近地轨道其速度需要7910m/s，脱离近地轨道需要11180m/s，脱离太阳系需要16700m/s。为了使飞行器达到以上速度，需要一个加速过程，在这个加速过程中，重力条件发生了变化，物体的重量不再像静止于地面时那样仅仅取决于地心的引力，而是取决于地心引力及因为加速而形成的惯性力的合力。当重力环境超过地球重力环境时称之为超重，人便受到过载的作用。目前，载人航天飞船起飞和返回地球进入稠密大气层的加速与减速飞行中，其超重值一般在38G之间。作用时间在几十秒至数分钟之间。无论是发射段还是返回段，太空飞行器中的人员基本都受到超重作用的影响。而在纵向超重作用下，会引起全身血液分布改变，形成血液在下肢等人体下半身部位聚集停留，使回心血量减少，这样就会造成头部供血障碍，轻则引起视觉改变、重则导致意识丧失；在横向超重作用下，当视觉障碍和脑功能障碍还未发生时，载人航天飞船舱内人员就会感到呼吸困难、胸部疼痛。有的还可发生心脏节律失调及氧饱和度降低等。太空失重也是一个非常大的影响。怠倦、淡漠、思睡、无力，然后胃部不适、恶心、脸部苍白、出冷汗，产生飞船在倒飞和头朝下的错觉有不少宇航员步入太空后都出现过这样的一些反应，这就是“太空晕动病”。 航天员都经过严格选拔和训练，并在飞行前和飞行中服用抗太空晕动病药物或在飞行中采用了对抗措施，还有这么多人发病，这说明航天晕动病的发生率是很高的。步入太空遭受的健康风险来自方方面面，太空辐射威胁、过载引发疾病以及太空晕动病也并不是全部内容，并且有的还会对步入太空的人产生长时间的影响。例如进行太空旅行，首先要付出的代价就是骨钙的流失。由于骨钙流失，在从太空返回以后，航天员的骨骼将会变得更加容易折断，身体也会不断萎缩。在返回地球后，需要进行相当长时间的恢复性训练及相应的一些治疗，体质才会逐步恢复。因此，我们更需要一些漫游者机器人等代替人类完成早起的星球勘探等任务。微型漫步者机器人具有更小的质量、更低的能量耗散、更便宜的成本，并且运用到从长久的太空飞船发展历史中流传下来的科学技术，这可以帮助减少太空人和机器人的操作风险，同时获得高质量的科学数据。CSA （the Canadian Space Agency） 已经着手微型漫步者机器人的研发，作为一个独立的系统或是与大型机器人着陆器等相接的部分，微型漫步者机器人扮演了帮助人类勘探月球的角色，帮助传送月球样本、进行科学勘探，特别是在艰险地区及深坡处。微型漫步者机器人将会用于以下三种情况：初步勘探，样品传送及科学勘探。另外，微型漫步者机器人有三种操作模式：电波操作模式（teleoperation mode），监管自治模式（supervised autonomous mode），系缆-辅助下降攀爬模式（tether-aided descending and climbing mode）。它们的质量小于30kg，太阳能集成，航海系统，样本获取机构以及各种科学仪器。Bjarni Tryggvason详细地讲解了目前各项先进的系统装备，以及微型漫步者机器人的设计理念、操作思想和发展前景。演讲主要部分结束后，Bjarni Tryggvason教授还热心地回答了同学们的一些困惑，其中我有幸问了他一个问题，他也给了我比较专业的解答。他的演讲开阔了我们的眼界。不仅让我了解了载人太空旅行的世界先进水平所达到的高度，更让我了解了未来其大致的发展方向及挑战，载人太空旅行是一项伟大的工程，人类在未来将会付出更多的智慧和努力。讲座二 高技术领域中的摩擦学与可靠性问题研究王黎钦教授于2012年5月22日下午在诚意楼22教室为我们带来了一场精彩的学术演讲，演讲题目为“高技术领域中的摩擦学与可靠性问题研究”，这次演讲让我们受益匪浅，通过王老师的讲说，我对对摩擦学、可靠性有了深刻的认识。摩擦学是一门研究作相对运动的相互作用表面的科学和技术，它包括固体表面的物理学、化学、力学、冶金学，摩擦磨损机理和规律，流体和非流体润滑理论，特殊条件下的润滑问题，轴承和支承表面工程，润滑剂及减摩、耐磨材料，以及摩擦、磨损、润滑的试验、检测和监拉技术等方面内容。 可靠性是指产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性的评价可以使用概率指标或时间指标，这些指标有：可靠度、失效率、平均无故障工作时间、平均失效前时间、有效度等。典型的失效率曲线是浴盆曲线，其分为三个阶段：早期失效区、偶然失效区、耗损失效区。一、研究摩擦学的意义 当今世界节约能源和原材料的迫切要求和注意摩擦学的研究和应用所获得的巨大收益，促使工业发达国家不遗余力地去发展这方面的研究。自 60 年代中期形成“摩擦学”这门跨学科的新学科以来，使摩擦学的研究和应用在国际范围内得到一个有力的推动，在工农业生产中起了很大的作用。我国注意摩擦学的研究工作并不太晚，也做了一些工作。但多年来未受到足够的重视，进展不快，对机械产品质量的提高也尚未起到应有的作用。因此，应急起直追，以期赶上世界先进的行列。 摩擦现象在人类的生活和生产中普遍存在。摩擦是造成能量巨大消耗的原因。据估计，目前世界上能量约有 1/31/2 以各种方式最终消耗于摩擦。因摩擦导致的损坏又是机械失效的主要原因。为修复私更换因摩擦损坏的零部件，要花费很多资源和人力;特别是现代大型工业，因维修和失效停机造成的损失更为惊人。如果能很好应用摩擦学的知识，则在降低能量消耗、延长机器寿命、减少配换维修、避免失效事故等方面有可能节约出大量费用。 提高机械的可靠性和寿命已成为现代机械制造业的首要任务。统计分析表明，导致机械失效的主要原因，并不是零部件的断裂，而是运动副的摩擦学损坏。我国机械产品质量不高，缺乏国际市场竟争能力，主要问题是许多基础件未过关，而其中很重要的一个原因就是忽视摩擦学的研究和应用。 对于我国，我们应该更加重视摩擦学的研究。1978 年，世界摩擦学会主席JOST 教授应遨来华访问，经调查研究后指出：中国在控制摩擦、应用摩擦学研究成果等方面还十分落后，如果科学合理的应用现有的理论、技术、产品，中国每年可节省 400 亿的资金。 2004 年，谢友柏院士指出：摩擦每年为我国造成1000 亿元的经济损失。 二、可靠性研究的意义 机械产品的可靠性是衡量机械产品质量的一个重要指标，随着科学技术的发展，对机械产品的可靠性要求也日益提高。要提高机械产品的可靠性，必须首先从设计上解决机械产品的固有可靠性要求，然后在制造中加以保证。所谓可靠性设计，就是“赋予产品可靠性为目的的设计技术”。即在产品设计阶段就能规定其可靠性指标，或估计、预测产品及其主要零部件在规定的工作条件下的工作能力状态或寿命，保证所设计的产品具有所需要的可靠度。 提高产品可靠性,可以防止故障和事故障的发生,尤其是避免灾难性的事故发生。1986 年 1 月 28 日,美航天飞机“挑战者号”由于 1 个密封圈失效,起飞76S 后爆炸，其中 7名宇航员丧生，造成 12亿美元的经济损失；1992年我国发射”澳星号”时由于一个小小零件的故障，发射失败，造成了巨大的经济损失和政治影响。. 提高产品的可靠性,能使产品总的费用降低。提高产品的可靠性，首先要增加费用，如选用好的元器件,研制部分冗余功能的电路及进行可靠性设计、分析、实验，这些都需要经费。然而，产品可靠性的提高使得维修费及停机检查损失费大大减小，使总费用降低。 提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率，一台设备可顶几台用，可以发挥几倍的效益。美国 GE 公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠性提高 1%，成本提高 10%也是合算的。 对于公司来讲，提高产品的可靠性，可以改善公司信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。总之，摩擦学和可靠性研究对于公司、社会、国家甚至世界都有深远的影响。通过对王老师的报告的学习，我更认识到了中国应该加强对摩擦学和可靠性研究的力度，尤其是在航空航天等国防领域，这样我们可以节约能源、材料等资源物质，更重要的是我们可以减少事故的发生率。作为一名机械专业硕士生，我们应该了解学习摩擦与可靠性方面的知识，在进行设计、制造、检测等工作时要本着认真谨慎负责的态度，节约资源、减少事故，最终让我国的机械行业在世界占有一席之地。讲座三 基于绝对结点坐标的多柔体系统动力学分析列式（ANCF）及其与B-spline、NURBS图形的整合技术兰朋教授于2012年5月24日下午在诚意楼22教室，为我们带来了一场精彩纷呈的讲座，他报告的题目为基于绝对节点坐标的多柔体系统动力学分析列式（ANCF）及其与B-spline、NURBS图形的整合分析。兰朋老师主要介绍了绝对结点坐标的多柔体系统动力学分析列式（ANCF）以及ANCF单元与B-spline、NURBS图形之间的关系，并且进而探讨采用ANCF整合计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助分析系统(CAA)的一种方法。多体系统动力学主要包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多体系统动力学是研究多体系统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学。多体系统动力学分析涵盖建模和求解两个阶段，其中建模包括从几何模型形成物理模型的物理建模、由物理模型形成数学模型的数学建模两个过程，求解阶段需要根据求解类型（运动学/动力学、静平衡、特征值分析等）选择相应的求解器进行数值运算和求解。B-spline曲线是於1946年首次由Schoenberg提出。B-spline曲线及曲面在电脑辅助设计应用上较Bezier及Cubic曲线广泛，因B-spline曲线是包含Bezier曲线的通用数学表示法。除了有Bezier曲线的优点，同时又具有其他独有的特性，例如具有局部控制(Local control)的能力，及可在不改变曲线阶数(order)下增加曲线的控制点等。事实上，工程力学也常利用B-spline曲线作机件的应力和位移分析。与Bezier曲线相较下，B-spline曲线的理论，可将曲线的阶数原本由控制点个数所决定下独立出来，因此由四个控制点定义之Bezier曲线只能建立出三次曲线，而B-spline曲线却可有一次至三次不同的曲线建立。B-spline曲线具有这些特性的主因就在於B-spline所选择的基底函数(Basis function)与Bezier曲线选择不同。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写，是非统一有理B样条的意思。具体解释是：（1）Non-Uniform(非统一）：是指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。当创建一个不规则曲面的时候这一点非常有用。同样，统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的，对于交互的3D建模来说这是一个严重的缺陷。（2）Rational(有理）：是指每个NURBS物体都可以用数学表达式来定义。（3）B-Spline(B样条）：是指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之间以内插值替换的。简单地说，NURBS就是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS造型总是由曲线和曲面来定义的，所以要在NURBS表面里生成一条有棱角的边是很困难的。就是因为这一特点，我们可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果，如人的皮肤，面貌或流线型的跑车等。计算机辅助设计(CAD)和以有限元分析为代表的计算机辅助分析系统(CAA)采用不同的方式定义几何形状，CAD系统中广泛采用Bezier, B-spline描述复杂的几何形状，而传统有限元则采用完全不同的插值函数来描述分析模型，这种对几何形状的不同描述导致由CAD模型转换为有限元模型非常困难，且带来模型上的不一致。Bezier和B-spline曲线可以精确地离散为ANCF(Absolute Nodal Coordinate Formulation)单元，通过建立Bezier和B-spline曲线与ANCF索单元之间的线性转换关系，实现两者之间的自动转换，从而为整合CAD和CAA系统提供一种方法，同时阐述B-spline曲线的连续性与ANCF单元结点之间的连续性关系，由B-spline表达得到不同连续性要求的ANCF单元网格的方法。说明了不同的连续性要求对有限元分析的影响。通过对兰朋老师报告的学习，我更进一步了解了CAD及CAA等绘图、分析软件建模的原理，这对我以后学习这些软件打下了理论基础，并能够深入分析建模中遇到的一些问题，成为一名合格的机械工程师。讲座四 高倍聚光器的超精密加工技术赵清亮教授于2012年5月25日下午在诚意楼22教室，为我们带来了一场精彩纷呈的讲座，他报告的题目为高倍聚光器的超精密加工技术。通过赵老师的讲座，我了解到：聚光器的几何聚光率高于100称为高倍聚光器。高倍聚光器的设计方法可分为成像设计方法和非成像设计方法。如设计菲涅耳透镜作为聚光器就是采用成像设计方法，但成像方法设计的聚光器在较高倍数聚光（500倍以上）时，存在高宽比大、电池表面光照均匀性差等问题。设计聚光器的非成像方法一般可分为: WelfordWin-ston方法、Flowline方法、Poisson bracket 方法和SMS（ the Simultaneous Multiple Surface）方法。与其他非成像设计方法相比，SMS方法可以实现更小高宽比和更高光学效率的聚光器。在1000倍左右聚光器的设计中，一般采用反射镜作为聚光器的一部分，降低聚光器的高宽比和增加电池表面的光照均匀性。但是，以金属为材料的反射镜致使聚光器的质量很大，另外由反射引起的光学损失也将在一定程度上降低聚光器的光学效率。随着光伏市场需求的激增和聚光光伏技术的迅猛发展，高效、低廉、可靠、稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化。高倍聚光太阳能光伏发电技术应运而生。该技术在大幅度降低太阳能电站成本和迅速实现大规模生产方面具有很大的优势。目前，太阳能光伏发电技术面临的最大问题是成本太高，传统的光伏发电系统，半导体材料的成本约占整个系统成本的 50%。减少产生单位电能所需的半导体材料的使用量是大幅降低光伏发电成本最有效、最快捷的途径。其中较为可行的方法是将聚光技术引入到光伏发电系统，即聚光光伏系统，它主要由聚光器和太阳能电池组成。近年来，随着III-V 多结太阳能电池制造技术的成熟，高倍聚光光伏系统的发展成为可能。与低倍聚光光伏系统相比，高倍聚光的聚光器可以进一步减少单位面积光伏系统中太阳能电池的使用量及进一步降低光伏系统的单位功率发电成本。热压成型的方法能够较好地满足高倍太阳能聚光器件（副镜）的生产要求，并实现了产品的产业化。热压成型高次非球面光学玻璃太阳能聚能透镜的技术要求如下：非球面面形精度0.1mm；非球面表面质量80/50，非球面表面划痕和麻点要求（划痕0.06mm，麻点0.04mm）；点状缺陷（要求直径0.30mm的最多允许5个；直径0.300.50mm的最多允许2个；直径0.50mm的不允许存在；线状缺陷(暗晕细痕长度20mm 的最多允许2个）；边缘破损（宽度0.30mm的最多不超过5个；宽度0.3mm的不允许存在）。非球面太阳能聚能透镜镀内反射膜和保护膜，反射率95%（3501700nm），对膜层的详细要求略。热压成型工艺主要有一下3道：1.加热工序。首先将热压成型光学玻璃非球面太阳能聚能透镜用精密高温软化炉加热到1200， 再用200500s对非球面太阳能聚能透镜光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，直至达到成型要求，每台软化炉加温时自动完成对光学元件光学玻璃原料的进料、加热、出料。这种成型法的优点是将光学玻璃软化功能分配到成型机外的装置中去完成，改变了过去光学玻璃软化功能只能在成型机装置内进行的做法，大大提高了热压成型机的工作效率。2.成型工序。将已软化的非球面太阳能聚能透镜的光学玻璃原料，放至保温的金属模具内(将模具预先安装到热压成型机的上加热底座盘和下加热底座盘上，上下加热底座盘同时加温达到8001000)， 温度范围在300800，进行压制成型，压力在15t。根据被加工元件的材料、 尺寸、 重量和熔点的不同要求， 确定该坯料支承台的最高位置及系统的工作参数(包括成型和脱模)。 光学玻璃高次非球面元件精密热压成型的自动控制系统，应能精确地控制光学玻璃非球面太阳能聚能透镜精密热压成型和脱模时的准确位置、速度、成型时间、压力等工艺参数，保证热压成型光学零件的尺寸精度和重复精度，解决玻璃与模具的粘连问题，系统控制方便、响应快、稳定性好，确保光学玻璃高次非球面元件的尺寸精度、面形精度和重复精度。3.缓冷工序。利用隧道式退火炉，在温度700400，进行约4h降温、退火。退火炉包含6个区段，每段工作区长1.4m，可控工作区1为载荷区和运输传送带，可控工作区2为均匀退火，可控工作区37为不同温度的退火，可控工作区8为强风冷却，可控工作区9完成退火。根据特殊光学元件光学玻璃坯料的种类和要求，选择不同的退火温度和时间。聚能透镜和高效太阳电池(InGaP/InGaAs/Ge)组成光伏组件，使太阳能利用率大大提高，显著降低了光伏发电的成本，使太阳能发电在价格上比传统发电更具竞争力。我国正处于快速发展阶段，需要大量的材料和能源，如果我们能开发出稳定可用清洁能源，这将节约大量的不可再生资源，并且大大改善环境质量造福下一代，作为一名工科硕士以及未来的机械工程师，我们要尽量减少工业活动带来的环境污染，保护环境，既完成必须的工业生产活动，又保护我们的环境，未来这将成为工程师必须要考虑的问题。讲座五 仿人机器人的研究历史现状与展望吴伟国教授于2012年5月29日下午在诚意楼22教室，为我们带来了一场精彩纷呈的讲座，他报告的题目为仿人机器人的研究历史现状与展望。机器人是近年来发展起来的综合学科，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果。代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。自从70年代工业机器人应用于工业生产以来，机器人对工业生产的发展-劳动生产率-劳动市场、环境工程都产生了深远的影响1仿人机器人不同于一般的工业机器人1因为它不再固定在一个位置上。这种机器人具有灵活的行走系统，以便随时走到需要的地方，包括一些对普通人来说不易到达的地方和角落，完成人或智能系统预先设置指定的工作。自然界的事实、仿生学以及力学分析表明：仿人机器与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。它的特性主要体现以下方面：仿人机器人能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动盲区很小。仿人机器人的能耗很小，因为该机器人可具有独立的能源装置。因此在设计时就应充分考虑其能耗问题，机器人力学计算也表明，足式机器人的能耗通常低于轮式和履带式。仿人机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统的占地面积小，而活动范围很大，所以为其配置的机械手提供了更大的活动空间，同时也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。所以，仿人机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化同时有力推进机器人学及其它相关学科的发展，仿人机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求0这将导致传统机械的重大变革。仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台，在对其研究的过程中，很可能导致力学及控制领域中新理论、新方法的产生。另外，仿人机器人的研究还可以推动仿生学、人工智能、计算机图形、通信等相关学科的发展、因此。仿人步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。仿人机器人的研制开始于本世纪60年代末，只有三十多年的历史。然而，仿人机器人的研究工作进展迅速，国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。1968年，美国的通用电气公司试制了一台叫“Rig”的操纵型双足步行机器人机械，从而揭开了仿人机器人研制的序幕。1968年，日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了双足机器人的研制工作。1969年研制出WAP-1平面自由度步行机。1971年，加藤一郎又研制出了JKLMV型双足机器人，仍采用人造肌肉驱动，能在平地、斜坡和阶梯上行走，具有11个自由度。1971;年，加藤实验室研制出WL-5双足步行机器人。1973年，加藤等人在WL-5的基础上配置机械手及人工视觉、听觉装置组成自主式机器人WAROT-1。加藤等人于1980年又推出WL-9DR双足机器人。1984年，加藤实验室又研制出采用踝关节力矩控制的WL-10RD双足机器人，实现了步幅40cm，每步1.5s的平稳动态步行。1986年，加藤实验室又研制成功了WL-129(R)步行机器人。日本机械学院的S.Kajita等针对一台具有4台前向驱动电机且完全安装在机器人的上体的五连杆平面型双足步行机器人Meltran研究其动态行走的控制方法。他根据机器人机构质量几乎完全集中在上体的事实，为使双足步行机器人实现稳定的周期性的动态行走，对机器人上体采用了约束控制方法，提了一种理想的线性倒立摆模型，同时又提出了机构轨道能量守恒的概念来求解各个关节的运动轨迹及输入力矩，实现了在已知不平整地面下的稳定动态步行。1996年他们又在此样机的基础上加载了超声波视觉传感器以实现实时地提供地面信息的功能，将视觉传感器系统与针对线性倒立摆所提出的控制模式相结合构成自适应步态控制系统，可使Meltran成功地实现在未知路面上的动态行走。日本东京大学研制了67869型仿人型双足步行机器人。日本本田公司从1986年至今已经推出了P系列1、2、3型机器人本田的研究工作，尤其是P3和ASIMO的推出将仿人机器人的研制工作推上了一个新的台阶,使仿人机器人的研制和生产正式走向实用化、工程化和市场化。日本索尼于2000年11月20日推出了人型娱乐型机器人SDR-3X。日本还有许多其它科研机构和高等院校从事仿人机器人的研制和理论研究工作(如松下电工、富士通、川琦重工、法拉科、日立制作所等单位)他们都在仿人机器人的研制和理论研究方面作了大量的工作，并取得了一定的成就。法国BIP2000计划是由法国de Mecanique des Soloder de Poitiers实验室和INRIA机构共同开发的一种具有15个自由度的双足步行机器。其目的就是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。美国Ohio大学的Y.F.Zheng等人于1990年提出用神经网络来实现双足步行机器人动态步行。并在SD-1双足步行机器人中得以实现。MIT的G.A.Pratt和J.E.Pratt等人在Spring Turkey和Spring Flamingo双足机器人的控制中提出了虚模型控制策略。此外，日本的有本卓、广濑茂男、小川清、美籍华人郑元芳博士等人也在双足步行机器人的理论研究和工程实践方面作出了不少的贡献。美国、英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利、德国、韩国等国家。许多学者在行走机器人的力学模型和型号研制方面也作出了相应的工作。如英国于1970年研制成功的“Witt”型双足机器人在苏联则研制出两轮双足行走机器人。世界诸多研究机构纷纷推出了新的研究计划，其中日本的投入最大。国内仿人机器人的研制工作起步较晚，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人。基于控制理论曾经获得自然科学基金和国家“863”计划的支持，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作，分别为HIT-1型，HIT-2型，HIT-3型。目前，哈尔滨工业大学机器人研究所与机械电子工程教研室合作，正在致力于功能齐全的仿人机器人HIT-4的研制工作，该机器人包括行走机构、上身及臂部执行机构、初步设定32个自由度。国防科技大学也进行了这方面的研究。在1989年研制成功了一台双足行走机器人。这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行、动态步行。清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力、进行智能仿人机器人的研制工作。仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。但是由于受到构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制的阶段。尤其是双足行走的速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理想，只有在走稳走好之后再加上臂部执行机构和智能结构，才谈得上真正的仿人。当然，仿人不能仅仅局限于这些还应该模仿人类的视觉、触觉、语言、甚至情感等功能。仿人机器人是许多技术的综合、集成和提高。目前，主要的攻关项目还是行走功能的进一步提高。日本本田公司生产的$%仿人机器人虽已走向市场化。但是，它的功能还很有限，离实际意义上的拟人化还有相当的一段距离。所以仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战。同时也促进了许多相关学科的发展，导致了一些新理论、新方法的出现。越来越多的科研工作者投入了这一新兴的前沿学科。未来仿人机器人的研制方向主要有一下几条：仿人机器人本体结构的改进、运动学和动力学求解理论和方法的发展、驱动源的改进、人体医学、生物学和仿生学的发展、传感器技术的发展、控制技术和集成技术的发展、智能技术和软件技术的发展、良好的人机接口设计、网络机器人技术和虚拟机器人技术、良好的群体协作及与人类协作。自然界中的人经过一个漫长的优化过程，成为万物之主，经过了数万年进化成步行生物，这是由于双足行走最能适应自然环境，可以肯定，仿人机器人一定会有一个持续优化和研制的前景，仿人机器人必然会有一个辉煌的明天。讲座六 我国机床产业现状及发展趋势，美国机械工程研究生教育杂谈韩振宇老师于2012年6月4日上午在诚意楼22教室，为我们带来了一场精彩纷呈的讲座，他报告的题目为我国机床产业现状及发展趋势，美国机械工程研究生教育杂谈。通过对报告的学习，对我国机床产业的现状和发展趋势有了个初步的了解，并对美国机械研究生的教育状况有了一定的认识，更明确了自己未来的方向。进入新世纪，我国制造技术飞速发展，机床制造业在近年取得数控机床快速增长业绩下也面临着新的机遇与挑战。因此，对制造业发展动向的分析将有助于推进数控机床技术实现跨越式发展的目标。上世纪末面对激烈的全球化市场竞争，一些欧美工业强国纷纷提出了制造业的发展对策。1998年美国的国家标准与技术研究院(NIST)、国家科学基金会(NSF)、能源部(DOE)和国防高级研究计划局(DARPA)等单位制订了“集成制造技术计划及其路线图计划(IMTI及IMTR)”，在此基础上制订了美国的“国家先进制造计划”以振兴美国制造业的基础建设。机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，是发展机器制造业以至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产力要素，又是重要商品机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋势。随着微电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及微型计算机技术、人工智能技术等新技术的发展，致使数控机床不断升级而逐渐成为评价现代工业发展的重要指标。数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日木的OSEC 计划等。开发研究成果已得到应用，如Cincinnati-Milacron 公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100 系统。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的一次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用。 新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，具体说来表现为以下几个方面：（1）高速、高效、高精度、高可靠性。机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表而加工质量和精度；要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间。（2）模块化、智能化、柔性化和集成化。数控机床向柔性化和集成化发展表现为从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC，FMS，FMI，)向而(工段车间独立制造岛、FA)、体(Curls、分布式网络集成制造系统)的方向发展。（3）开放性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统。世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。 为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。多功能化配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心配有自动换刀机构的各类加工中心可实现在同一台机床上同时进行铣削、镗削、钻削、车削、铰削、扩孔、攻螺纹等多道工序，现代数控机床可采用多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU（计算机中心处理装置）结构和分级中断控制方式，即可在同一台机床上同时进行加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。 为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可直接对多台数控机床进行控制。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量、又便于组织生产和质量把关。还可通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀具损坏、干扰、断电等各种意外发生时，自动进行相应的保护。 CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多应用。 这是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别是其编程所需加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获取。 控制系统和数控系统小型化。 控制系统与数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。 高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。 通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1m，进入亚微米超精加工时代。 技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。我国应大力发展数控技术，尤其是基于PC的数控机床的研制，尽快赶上发达国家的水平。对国外基于PC平台的数控技术应加以重视，将其视为研究的主要动向。努力增强铲平的市场竞争力。除了关于机床的知识，韩老师还结合自身留学经历讲述了美国机械工程研究生教育的现状和国外求学的一些基本知识。一般说来，美国大学可分为研究型、教学研究型、教学型和社区大学等几类。衡量大学办学水平的一项重要指标是研究生和本科生的比例，这成为驱动各大学扩大研究生招生规模的内在动因。统计显示，如今在美国许多研究型大学中，研究生和本科生的比例已经达到 1：1，一些名校的研究生数量甚至比本科生还要多。研究生教育的目标是培养高水平的专业人才。正因为如此，许多国家在招收研究生时，都要专门考查考生对专业基础知识的掌握情况。只有那些在报考专业方面学有所长的考生才可能被录取。相比之下，美国研究生院对专业基础知识似乎并不看重。美国在招收硕士研究生甚至博士研究生时均采取通用考试，重点考查学生的基础知识和培养潜力。譬如，研究生入学考试(GRE)主要考查的是学生运用英语语言、数学和逻辑的能力，即使是商学院要求的GMAT考试和法学院要求的LSAT考试也都不涉及专业基础知识的考查。进入研究生院不算太难，并非意味着入学后就可以高枕无忧。美国研究生院通常对学生要求很严，学业负担很重。许多课程虽然是零起点，但教学进度很快，一个星期的教学内容往往相当于本科阶段同样课程一两个月的教学内容。老师除了给学生布置大量的阅读任务外，还隔三差五地考试或是要求学生提交论文。归国留学生陈某在美国留学时曾选修过一门研究方法课，大大小小的考试竟有6次，还交过2篇论文。在如此繁重的课业负担面前，学生自然不敢掉以轻心。由于学费昂贵，不少研究生都要靠做研究助理或教学助理来赚取学费。研究和教学助理工作是研究生学习的重要方面。他们既要看书和写论文，还要帮导师做项目和改作业。不少研究生终日忙忙碌碌，甚至不得不以实验室和办公室为家。在美国，硕士生和博士生的培养定位完全不同。硕士重在培养各行各业的高级应用型人才，博士则侧重于培养专门从事科学研究的人才。相对来说，要取得博士学位更为不易。博士生不仅要在权威学术期刊上发表一定数量的