淺談機電系統的互動設計

【摘 要】互動設計在任何的人工設計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，就是因為它超越技術性，以人的需求和經驗為中心考慮，創造出科技與人類之間完美的連結。在這種背景下，本文首先探討了機電系統互動設計的現狀與價值，進而分析了機電整合的互動設計與開發，并探討了機電整合系統互動設計的主要組件。

【關鍵詞】機電系統；互動；設計

1.機電系統互動設計的現狀與價值

機械工程的技術自工業革命后，迅速發展，在微電子、微電腦的技術發展成熟后，產業自動化的意識抬頭，開始了機電整合技術發展。在工廠自動領域中，受到機械和其它設備多種整合快速變化的影響，設計省時省力自動化的控制是必然的趨勢。而科技的進步，人類越來越注重生活自動化的概念。因此，機器人正逐漸從傳統工業應用走進人類家庭，參與各項活動，提升生活質量。所以，在技術及需求兩股力量的推動下，智能機器人正朝向產業化的路程邁進。

在生產在線，常被采用的控制器包含有CNC、PLC、個人計算機或是單芯片控制系統。而PLC可以通過通信網絡與計算機整合，更能引入友好的圖形控制界面，以達到智能控制境界。PLC 可以取代一般以傳統電機為主的低壓工業配線電路，因為其具備了體積小、功能強、配線容易、維修簡單、可視需要更改程序等特性，因此被廣泛運用在工業界的自動控制領域。自動化系統若控制器采用PLC，則在功能的設計方面必能事半功倍。

2.機電整合的互動設計與開發

機電整合是一門整合多種學科的工程科學，主要包含機械、電機和計算器工程。其中：機械工程包含機械設計、機械組件、機構與傳動設計等；電機工程包括微電子學、電力電子、工業儀表、控制理論、信號處理等；計算器工程包括操作系統、軟件工程、人工智能等。

機電整合系統的互動設計通常包含中央處理單元、致動器、工業儀表、控制系統、操作接口、及其它組件，如通訊單元、電源供應單元、微操作系統等。然而機電整合系統所涵蓋的技術領域相當廣，但是主要的關鍵技術應屬機械、電機電子及信息等三種，這三種主要關鍵技術從機電整合系統的架構上大致可分為六大部分：控制器（Controller）、傳感器（Sensor）、致動器（Actuator）與機構組件（Machine Elements）、信號處理（Signals Processing）、人機接口（Human Machine Interface）。其中：機構（Mechanism）是物理系統模型化（Physical System Modeling）；傳感器（Sensors）感測模擬訊號或數字訊號；致動器（Actuators）將電能轉換成物理量的裝置；控制器（Controller）包括軟件和數據收集功能（Software and Data Acquisition）與計算器和邏輯系統（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）涵蓋觸控式人機界面（Touch panel Human Machine Interface）與圖控式人機界面（Graphics Human Machine Interface）。

由以上的說明可看出，機電整合系統的互動設計與開發是一項包含機械、電機電子、軟件、自動化及使用者接口等領域的系統整合工程，故整合各領域的軟件及硬件環境對系統設計與開發而言，關系著后續系統測試、原形機、實現、驗證的成功與否相當重要。從設計的觀點來看，需求、環境、系統目標、應用層面、功能、實體結構、外觀形狀及行為都必須考慮，故在設計階段，各領域在系統中的任務、傳感器與致動器的選擇、軟硬件架構規劃、控制器規劃等，都會影響系統開發后性能。因此，機電整合系統的設計與開發的規劃應十分嚴謹，常見的V-模式開發流程，適用于機電整合系統的開發與設計實務上，在此流程中，機電整合系統的設計與系統整合是系統開發成敗的關鍵。

3.機電整合系統互動設計的主要組件

3.1智能型控制器（Intelligent Controller）

傳統的控制器設計，多屬于回路控制式設計，其優點是架構設計簡單、反應時間快、誤差小，但系統適應性差?，F今的控制器設計逐漸舍棄傳統式控制器，而采用具有學習能力的智能型控制器，雖智能型控制器的設計復雜，但其系統適應性極好，且可經由機器學習達到參數可調的優點，故在精密控制上，智能型控制器已成關鍵性組件。常見的智能型控制器的關鍵技術都采用人工智能作為機器學習演算法，如類神經網絡（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用于機電整合系統中，如機器人、精密加工、航天工業、汽車工業、家電工業等。

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境的實時感知信息，人類的五覺相對于機電整合系統而言，即是它所配置的感測組件，傳感器性能的優劣，決定系統信息收集的能力，直接影響系統的性能。近二十年來，感知裝置如光感測器、壓力計、化學傳感器等有相當大的突破發展，尤其在微機電系統相關領域。機電整合系統需借助各式傳感器以獲得外在環境的信息，如視覺傳感器提供機電整合系統最重要的周遭環境信息，但是機器視覺的識別能力仍遠低于人類。機電整合系統中，另一重要組件——致動器屬于電子式能量轉換器，其功能是將電能轉換成物理量，傳統的致動器如步進電機、線性電機、壓電致動器、電磁閥等，對于機電整合系統的驅動是相當關鍵的組件。因微納米技術的發展，至今已經有許多的微致動器的相關研究及產品問世，如立體微熱致動器、微數組熱致動器、超音波電機等。采用微納米制程技術研制體積微小化的致動器，將會是研發許多機電整合系統的關鍵性的組件，如機器人手關節與足關節、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）在智能型應用上扮演重要的角色，例如移動式機器人的導航、多目標追蹤及航空導航等。目前應用于多感測器系統中，幾種較常見的多傳感器融合法，如權重平均（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據整合及融合反饋給系統。另一方面，感測數據的信號處理與有效數據的摘取也是相當重要的關鍵技術，現今信號處理（Signal Processing）技術與數據探勘（Data Mining）技術也日漸成熟，雖足以解決目前多傳感器的應用，但未來機電整合應用于更精密的系統中，該關鍵技術仍有提升空間。

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

大部分的智能機器人都得具備人機互助及群體工作的能力，其為未來十年間的主要發展趨勢。機電整合或機器人下一個未來發展趨勢為人類與機器能夠以自然語言、動作進行互動溝通，機器人具備經由觀察及模仿人類的自主學習能力，其涉及到機器人能否了解及表達情感，意味著機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。未來人類與機器人溝通，除了自然語言外，情感的表達與理解是重要的一部分，換而言之，未來極可能發展出具有思考能力與情感的機器人。

【參考文獻】

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