本科機械控制畢業論文

　　機械控制工程基礎 是機械工程類學生一門重要的專業基礎課。下面是小編為大家整理的，供大家參考。

　　範文一：機械控制工程基礎教學研究

　　摘要：針對“機械控制工程基礎”教學過程中存在的學生積極性不足、教學效果差、理論偏離實際等問題，本文從教學手段和教學內容兩個方面提出了一些建議和舉措。從調動學生積極性、採用小組討論等多樣性教學手段、增加機械工程實際案例以及科研論文選讀等教學內容等角度給出了對“機械控制工程基礎”進行課程教學改革的初步探索。

　　關鍵詞：機械控制工程基礎;工程實際案例;小組討論;科研論文

　　0引言

　　“機械控制工程基礎”是機械類專業學生的一門專業理論基礎課及專業必修課，在機械工程學科的課程建設中具有舉足輕重的作用。該門課程以經典的控制理論知識及方法為基礎，旨在解決機械工程系統的動力學問題以及控制論問題;同時，該課程也是機械專業“測試技術”“機電一體化技術”“過程控制與裝備”以及“機器人技術”等後續課程的理論基礎。因此，該門課程的教學效果一方面關係著機械類專業學生後續技術課程的學習，另一方面直接關係著學生解決實際機械工程問題的能力。然而，在“機械控制工程基礎”該門課程的實際教學過程中，由於該課程具有理論性強、對數學基礎要求高、內容枯燥乏味、學科交叉明顯等諸多特點，使得該門課程的教學難度較大，學生學習的熱情及積極性不高。同時，目前國內該課程主要的教學還是以傳統的講授結合少量實驗的形式為主，在整個學習過程中學生都處於知識點的被動接收層面，學習主動性和自主性不高、學習效果極差。另外，大多數國內高校在“機械控制工程基礎”的教授過程中，理論脫離工程實際，使得學生嚴重缺乏利用控制理論知識解決實際工程問題的能力，學生在完成本門課的學習之後，所具備的能力往往只是停留在應試和解題的層面，大多數情況下並沒有掌握或是領悟學習這門課的目的是什麼，具體應用又如何，更難以利用所學知識合理有效地解決工程實際問題。為此，本文針對目前國內高校在“機械控制工程基礎”這門課教授方面存在的問題，提出以下幾點建議及措施。

　　1充分激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性

　　如前所述，“機械控制工程基礎”該門課具有理論性強、對數學基礎要求高、內容枯燥乏味等特點，因此學生在最初接觸該門課程時，通常表現出學習興趣不大，積極性不高等問題。同時，目前網路技術和計算機技術已經得到廣泛發展和普及，學生們可以較為容易地從網路上獲取大量的學習資源，甚至是國內外知名高校所釋出的該門課程的優秀教學視訊和資料，因此如果教師只是簡單地照本宣科，會使得學生感覺教師在課題上傳授的知識點簡單乏味，難以激發學生的學習興趣，使得學生學習熱情不高。因此，教師在教學過程中，如何充分調動學生學習的積極性，激發學生的學習興趣就成為能否順利達到該門課程既定教學效果和目的的關鍵。筆者認為要想培養學生的學習興趣和積極性，可以從以下幾個方面著手：一是重視首堂課教學內容和方案的設定。在首堂課中合理設定教學方案，介紹並講解該課程在工業、農業、航空航天等諸多方面的應用案例，使得學生充分認識到該門課的重要性;二是針對學生特點，合理選用教學案例。在實際的教學過程中切忌理論脫離實際，因此在知識點的講解過程中可以充分利用案例，首先通過引入對學生來說較為新穎且易於理解的案例吸引學生，在案例的講解過程中合理引導學生探尋、領悟並學習知識點。

　　2採用多樣化教學方式與手段，使學生成為教學過程的主體

　　目前，“機械控制工程基礎”這門課普遍存在著教師灌輸、學生被動接收的教學現狀，大多數情況下教師才是教學過程的主體，而學生只是知識的被動接收者。為此，可以採用多樣化的教學方式和手段，改革傳統的教師講授加少量實驗的教學形式，增加學生的參與性，使得學生成為教學學習過程的主體。例如教師可以選取合適的章節或知識點，設定適當的教學主題或工程題目，將教師教授改變為學生小組討論的形式或者目前較為新穎的對分課堂的形式，在這一過程中教師首先安排學生查閱拓展材料或文獻，自主學習獲取知識;隨後，教師合理地組織學生進行小組討論，引導學生主動獲取知識點，增加學生的積極性。這種形式的教學方式一方面可以充分調動學生學習的主動性和學習興趣、增加學生思維的靈活性，另一方面可以使學生成為知識的發現者和探索者，成為教學過程的主體。但是需要指出的是，在採取小組討論或對分課堂這樣多樣化的教學手段中，教師的作用同樣重要，教師需要在小組討論或對分課堂過程中合理設定題目或主題，使其難度適中。同時，要合理引導學生進行討論，完成對知識點的探索，並保證學生注意力的集中，而不是信馬由韁。

　　3改革教學內容，增加工程實際案例的講解

　　“機械控制工程基礎”最終的教學目的是為了培養學生利用控制理論知識解決機械工程實際問題的能力，如果只是泛泛地學習或者傳授理論知識，而不能很好的做到理論聯絡實際，那麼學習效果會很差，所能達到的教學目標也會很低。而目前在大多數情況下，學生學習完“機械控制工程基礎”這門課程之後，往往表現出對課程的茫然，不明白也不能領悟學習這門課有什麼用，學習的目的是什麼，這門課又能解決什麼樣的工程實際問題，更談不上利用理論知識解決實際問題。因此要想通過“機械控制工程基礎”這門課的教授真正培養學生解決機械工程實際問題的能力、達到培養工程型人才的目標，需要對傳統的教學內容進行必要的改革，而筆者認為“機械控制工程基礎”教學內容改革的一個重要方面是在教學內容或是教材中增加與“機械控制工程基礎”這門課知識點相關聯的機械工程實際問題。通過講解這些工程實際問題以及控制理論知識在這些實際工程問題中的應用，使得學生一方面可以充分認識到課程的重要性，培養學生學習的熱情;更重要的是讓學生了解“機械控制工程基礎”這門課有什麼用，用什麼知識點解決問題以及怎麼用的問題。使得學生通過課程的本門課程的學習真正做到理論聯絡實際，培養學生解決工程實際問題的能力。另外，教師可以充分鼓勵和指導學生參加相關的機電產品創新大賽等活動，一方面可以通過參加該類競賽等相關活動讓學生檢驗自己的學習成果，培養自己利用所學知識解決實際問題的能力;另一方面還可以培養學習的積極性和主動性，增強學生學習的自信心和成就感。

　　4增加科研論文選讀，幫助學生了解課程發展最新的動態

　　此外，在具體的教學過程中，筆者認為教師可以選取並提供給學生一些較為新穎或經典的有關“機械控制工程基礎”這門課程工程應用的科研論文，指導學生閱讀並學習這些文獻，同時要求學生課下檢索並增加相關拓展材料的閱讀，讓學生們通過“機械控制工程基礎”相關科技論文的瞭解和學習，加深對這門課程重要性及其在工程實際中應用的認識，讓學生們瞭解哪些領域在應用所學課程的知識點、在應用哪些知識點、解決什麼樣的工程實際問題以及如何解決這些工程實際問題。通過科研論文的選讀，一方面可以使學生領悟課程的重要性，把握最新的課程發展動態;另一方面可以激發學生自我學習的主動性和積極性，充分激發學生的學習興趣。

　　5結語

　　本文針對目前“機械控制工程基礎”教學過程中存在的學生積極性不高、被動接收以及理論脫離工程實際等一些問題，從激發學生興趣、改革教手段以及優化教學內容等方面提出了一些“機械控制工程基礎”課程教學改革的措施和意見。具體舉措上，要求教學過程中應採用小組討論或對分課堂等形式實現教學過程的主體由教師轉變為學生;而在教學內容方面應增加機械工程實際案例，並指導學生閱讀學習最新的相關科研論文及成果。以此調動學生學習的主動性、積極性，並能夠真正做到學以致用，實現理論與實際的結合，培養學生解決實際工程問題的能力。

　　參考文獻

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　　[6]張學新.對分課堂:大學課堂教學改革的新探索[J].復旦教育論壇,20145:5-10.

　　範文二：仿生雙足機器人機械控制研究

　　摘要：基於嵌入式設計的仿生直立雙足機器人的機械控制系統設計和實現。該機器人已有的仿造人類基本動作成果是以32位Cortex-M3架構的STM32F013ZET6控制晶片為系統處理資料核心，以機械控制系統為控制中樞。結合記憶系統匯入的人類動作資料，基層平臺支撐的機械結構，硬體部分的模擬與數位電子電路及程式控制部分的直接與多平衡演算法間接反饋控制等。實際應用成果表明，該機器人系統調理清晰、操作簡便。

　　關鍵詞：仿生雙足機器人;動作姿態採集;機械控制;控制

　　1概述

　　機器人技術被認為是對未來新興產業發展具有重要意義的高新技術之一[1]。仿生機器人作為一種特殊的服務科技產品因其安全、高效、作業時間長，越來越受到人們的關注[2]。隨著科學技術和生活經濟水平的不斷提高，社會上仍有不少行走困難的患者主要依靠輪椅或柺杖活動，生活上不能自理，在社會的活動範圍及心理感受上都受到一定程度的負面影響。該專案設計的初衷是解決上述問題：通過各種相關技術設計一個仿生直立雙足機器人，達到模仿人的動作的效果，為患者設計出更加理想的假肢。縱觀我國假肢發展的趨勢，控制方面趨向於智慧控制[3]。因此，在協助人類生活的仿生機器人裝置發展有良好的前景。該仿生雙足機器人研發中融合計算機、電子、機械、醫學、仿生學等多門技術於一體，因此在整個系統的設計上統籌考慮確定完整可控的前提下保持不設計冗餘。其程式控制系統主要是由機械控制系統，無線通訊系統和電腦監控上位機等部分獨立且又相互滿棧配合執行，其中機械控制系統是本系統的設計核心。此外該機器人設計使用以STM32F013ZET6晶片為核心的系統主控制器，攜帶數字陀螺儀MPU6050感測器單元。並且採用HC-05無線藍芽模組作為機器人控制和監控上位機的通訊橋樑，負責將採集到的資訊傳輸到監控上位機並傳達監控上位機的控制指令，使機器人執行相應的控制動作。

　　2程式控制系統詳解

　　2.1機械控制系統思路分析

　　本專案所研究的機器人需要仿生完成機器人的資訊接收、資訊處理、資訊輸出的功能，實現人性化、智慧化[6]。在結構、感知、控制、智慧等方面給出新方法以適應新環境、新任務、新需求[7]。其仿生是重點所在，如讓該機器人類人行走，在相對平整的路面上行走時的動作是一個迴圈的過程，若在行走動作除錯得精準的狀態下平衡使用的必要性低。而機器人在走相對不平整的路面時，若僅依靠動記憶系統中匯入的動作姿態來控制各伺服機顯然不能滿足仍正常行走的目的。因此在平衡演算法控制何時干預動作問題中專門設計了一套適合該機器人的機械控制系統。該機械控制系統主要包括兩個控制：動作姿態控制，平衡控制。在整個機械控制系統中動作姿態控制及平衡控制產生雙通道聯合響應，動作姿態控制起基礎的作用，平衡控制起調整作用。當機器人通電執行時，兩個控制都處於運作的狀態，當機器人接收到操控者傳送的資料時，動作姿態控制主導執行記憶系統搜尋呼叫24c02儲存器中的記憶動作資料，傳送給PWM脈衝處理程式。當各伺服機轉動到目標角度時，若機器人的狀態採集模組MPU6050傳入不正常資料當一般動作執行後機器人狀態對比實際狀態有不正常時，這時的平衡控制程式會產生主導控制，通過PID演算法計算出添補調整角度併發送給PWM脈衝處理程式執行後再次對比採集模組資料，若不正常則從復執行，反之完成本次動作指令。

　　2.2動作姿態控制的採集及量化過程

　　仿生基礎動作的實現有以下4個步驟：採集、分析處理整合、除錯、記錄。採集人類日常動作資料的過程是使用攝像頭對動作進行連續拍攝，在同一個動作上採用多個方位的拍攝。分析採集動作資料結合了拍攝的人類動作取幀以及人類骨架結構節點對應。對上一步所取得的多個角度拍攝的連貫動作並獲得該相同迴圈動作的圖片幀，對比、計算並記錄前後兩幀的動作對應的人類骨架的節點，這時每個拍攝角度都有一套完整的動作幀資料。其中涉及到一個模糊的演算法計算，在同一角度的迴圈動作分析計算上植入模糊演算法用於模糊其中的由於人類自然抖動產生的不可預測的細微改變。當動作的採集分析封裝完成後，將該動作封裝匯入到該仿生雙足機器人的記憶系統中，該記憶系統在成型的程式體系中是以相對獨立的呼叫形式存在。在機器人有動作指令接收到時，選擇EEPROM地址段，尋找到該具體動作型別的實體地址並讀取該動作資料，完成一個讀取EEPROM的操作。

　　2.3PID平衡控制演算法作用機理

　　平衡控制演算法是該仿生雙足機器人能夠在實際的平整程度對比人類可不過於費力按比例縮減的動作發生平臺上能夠順利地完成指定動作的保障。其中最主要使用的平衡演算法是PID演算法，在不同的路面情況下通過該演算法給出相對應的反饋響應，給不同的需要使用的伺服機訊號源傳送即時的PWM訊號脈衝，以保證該機器人的平衡維持在可控的範圍內。該平衡控制程式是建立在感測器MPU6050及STM32F103ZET6平臺上的演算法。當感測器MPU6050採集到的資料經MCU計算後定位為不正常資料時，PID演算法啟動，計算偏差角度、添補調整角度，傳送給PWM脈衝發生函式進行下一步的脈衝傳送。本演算法在原來的平衡演算法PID的反饋程式的PWM訊號脈衝的給定訊號模式中使用了“同時”與“同速”兩種模式。“同時”代表在相同或相差不會超過200ms的時間內完成所有PWM脈衝，“同速”表示所有PWM脈衝在單位時間內給定的脈衝數相同。

　　2.4MPU6050模組使用方法

　　由於陀螺儀在長時間平衡採集的情況下會出現採集資料不準確，而加速度計的工作機理正好相反，從而兩種感測器恰好形成在時間長度上互補採集的關係，所以使用融合陀螺儀及加速度計兩種感測器於一體的感測器模組mpu6050對平衡狀態進行採集是較為可靠的。在MPU6050感測器中採集到的機器人平衡以及其他各項狀態是以間隔為50ms的工作狀態通過UART串列埠傳輸到MCU晶片中進行資料處理。

　　3結論

　　本專案所研發作品基於機械結構，硬體電路及機械控制等多模組設計共同協調統一。目前成果已可達到模仿人類基本動作的目的，但在解決動作僵硬及仿生程度使用到方法仍有大空間可繼續改進，在更深層次的仿生效果上仍然不足。在基於目前已完成的機器人平臺上，可進行縱向研發，整體往更加智慧化，條理化，自動化進一步開發。這需要進一步完善機械結構至靠攏類人類下肢骨架結構，精確採集人類日常動作，增加感應器模組，深化反饋調節的演算法環境及改進機械控制系統流程，實現自動掃描目標路徑並完成包括自動避障的目標動作。

　　參考文獻

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　　[2]付莊,付為,殷曉光,曹其新,趙正言.基於藍芽模組的導診服務機器人無線通訊系統設計[J].中國康復醫學雜誌,2003.

　　[3]張更林,金寶士,張宇光.人體下肢假肢發展概況[Z].佳木斯大學學報自然科學版,2002.

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　　[7]譚民,王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報,2013.