工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程：創(chuàng)新設(shè)計(jì)及機(jī)器人實(shí)踐

吳波，男，1963年3月出生, 湖北監(jiān)利人。博士，現(xiàn)為華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，機(jī)械電子信息工程系主任。湖北省機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事、湖北省力學(xué)學(xué)會(huì)理事、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能制造專業(yè)委員會(huì)（籌）秘書(shū)長(zhǎng)。

人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步的歷史就是不斷創(chuàng)新的歷史。當(dāng)今社會(huì)進(jìn)入了知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，、知識(shí)經(jīng)濟(jì)在國(guó)民生產(chǎn)總值中的比重越來(lái)越大，世界各國(guó)都認(rèn)識(shí)到人才的重要性，尤其是具有創(chuàng)新意識(shí)、具備創(chuàng)造能力的綜合型、復(fù)合型人才。

創(chuàng)新型、復(fù)合型人才一直是社會(huì)人才需求的重點(diǎn)，也是各類高校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)與關(guān)注點(diǎn)，不同學(xué)校在人才培養(yǎng)過(guò)程中，各有側(cè)重，各有兼顧。這類人才必須具備深厚的多學(xué)科理論基礎(chǔ)知識(shí)、很強(qiáng)的實(shí)踐能力和自我意識(shí)體現(xiàn)。但深?yuàn)W的多學(xué)科理論知識(shí)讓不少學(xué)生忘而卻步，枯燥的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生興趣不高，加之大學(xué)生專業(yè)性的培養(yǎng)方式，這些都可能導(dǎo)致創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)培養(yǎng)的學(xué)生在知識(shí)與能力的掌握方面有一定的差距，特別是理論與實(shí)踐的脫節(jié)。

作者在多年從事學(xué)生的工程實(shí)踐教育，在深入研究有關(guān)創(chuàng)新理論、創(chuàng)新技法及創(chuàng)新規(guī)律的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合工程實(shí)踐訓(xùn)練，利用EIM工程創(chuàng)新組件和AS-UII能力風(fēng)暴機(jī)器人控制平臺(tái)這個(gè)載體，將理論與實(shí)踐相結(jié)合、興趣和創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合。讓學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)與實(shí)踐中，深刻體會(huì)到多學(xué)科知識(shí)的相關(guān)性和緊密性，了解工程實(shí)際絕非某一專業(yè)知識(shí)的生搬硬套。2100433B

叢書(shū)名：新編電氣與電子信息類本科規(guī)劃教材

《工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程:創(chuàng)新設(shè)計(jì)及機(jī)器人實(shí)踐》為北京市高等教育精品教材立項(xiàng)項(xiàng)目?！豆こ虅?chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程:創(chuàng)新設(shè)計(jì)及機(jī)器人實(shí)踐》結(jié)合高等學(xué)校工程創(chuàng)新實(shí)踐課程改革，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主創(chuàng)新、動(dòng)手實(shí)踐，將機(jī)器人控制與編程、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、傳感器等多項(xiàng)技術(shù)綜合，突出創(chuàng)意性和實(shí)用性?！豆こ虅?chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程:創(chuàng)新設(shè)計(jì)及機(jī)器人實(shí)踐》包括7章內(nèi)容，通過(guò)對(duì)創(chuàng)新理論基礎(chǔ)的闡述，系統(tǒng)介紹了能力風(fēng)暴機(jī)器人、機(jī)器人編程設(shè)計(jì)、VJC編程實(shí)例、EI創(chuàng)新組件設(shè)計(jì)和ROBEl機(jī)器人組件設(shè)計(jì)等，并配以相應(yīng)的思考與訓(xùn)練題和一些作品實(shí)例?！豆こ虅?chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程:創(chuàng)新設(shè)計(jì)及機(jī)器人實(shí)踐》的附錄介紹了中國(guó)智能機(jī)器人比賽的項(xiàng)目規(guī)則。

第1章 創(chuàng)新基本理論

1.1 創(chuàng)新的基本概念

1.2 創(chuàng)新的特性

1.3 創(chuàng)新與社會(huì)發(fā)展及創(chuàng)新人才培養(yǎng)

1.4 創(chuàng)新思維及方法

1.5 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的技法

思考與訓(xùn)練

第2章 產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)與創(chuàng)新平臺(tái)

思考與訓(xùn)練

第3章 能力風(fēng)暴機(jī)器人創(chuàng)新平臺(tái)

3.1 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 傳感器

3.3 能力風(fēng)暴機(jī)器人的硬件組成

3.4 硬件擴(kuò)展總線ASBUS

思考與訓(xùn)練

第4章 能力風(fēng)暴機(jī)器人編程

4.1 圖形化交互式C語(yǔ)言簡(jiǎn)介

4.1.1 VJC簡(jiǎn)介

4.1.2 安裝和運(yùn)行VJC1.6

4.1.3 VJC1.6 界面介紹

4.2 快速入門——走四邊形的機(jī)器人

4.2.1 編程思路

4.2.2 程序編寫(xiě)

4.3 流程圖編程方法

4.3.1 模塊的基本操作

4.3.2 模塊的功能和使用

4.3.3 多任務(wù)的編程方法

4.3.4 子程序調(diào)用的編程方法

4.3.5 變量

4.4 JC語(yǔ)言編程方法

4.4.1 交互式C語(yǔ)言快速指南

4.4.2 交互式C語(yǔ)言教程

4.4.3 能力風(fēng)暴庫(kù)函數(shù)

4.4.4 多任務(wù)

4.4.5 錯(cuò)誤處理

思考與訓(xùn)練

第5章 能力風(fēng)暴機(jī)器人編程實(shí)例

5.1 機(jī)器人走“∞”字形

5.2 機(jī)器人叫人起床

5.3 動(dòng)態(tài)字符顯示

5.4 地面灰度檢測(cè)

5.5 機(jī)器人避障

5.6 機(jī)器人追光

5.7 機(jī)器人跟人走

5.8 機(jī)器人邊唱邊跳

5.9 機(jī)器人滅火

思考與訓(xùn)練

第6章 EI組件設(shè)計(jì)與搭建基礎(chǔ)

6.1 創(chuàng)新思維與建構(gòu)主義

6.2 EI組件的基本結(jié)構(gòu)和搭建基礎(chǔ)

6.3 EI組件的控制核心——多功能擴(kuò)展卡

6.4 EI組件的軟件控制

6.5 EI組件創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

思考與訓(xùn)練

第7章 ROBEI組件的設(shè)計(jì)與搭建

7.1 伺服電機(jī)及控制

7.2 ROBEI組件的基本組件和搭建基礎(chǔ)

7.3 ROBEI組件的控制核心——高級(jí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡

7.4 ROBEI組件的軟件控制

7.5 ROBEI組件創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

思考與訓(xùn)練

附錄A 2008年RoboCup中國(guó)公開(kāi)賽項(xiàng)目規(guī)則（部分）

附錄B 2008年廣茂達(dá)杯中國(guó)智能機(jī)器人大賽項(xiàng)目規(guī)則（部分）

參考文獻(xiàn)

本書(shū)以培養(yǎng)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造及其相關(guān)綜合能力與素質(zhì)為主要目標(biāo)，針對(duì)學(xué)生參與機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的各個(gè)流程和技術(shù)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了細(xì)致而科學(xué)的歸納總結(jié)。

全書(shū)共分9章，第1章介紹機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽與綜合能力培養(yǎng)；第2章論述機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的組織、培訓(xùn)與管理；第3章重點(diǎn)講解機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)最優(yōu)方案分析與擬定，總結(jié)典型機(jī)構(gòu)和應(yīng)用；第4章講述機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真；第5章介紹機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)分析與仿真；第6章歸納和舉例分析機(jī)電控制系統(tǒng)常用電動(dòng)機(jī)選型和控制電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)；第7章總結(jié)產(chǎn)品數(shù)控加工與制造、裝配；第8章論述與競(jìng)賽相關(guān)的論文寫(xiě)作、答辯環(huán)節(jié)注意事項(xiàng)等；第9章以4個(gè)典型機(jī)械作品為例，介紹了機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容、主要步驟和方法。

本書(shū)可作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)械創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程的教材，也可作為有關(guān)教師和學(xué)生參與各級(jí)各類機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的參考書(shū)。

本書(shū)以電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)、電子競(jìng)賽為主線，介紹了現(xiàn)代電子線路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。鑒于當(dāng)代電子線路與系統(tǒng)經(jīng)常采用單片機(jī)、PLD等芯片，因此這些內(nèi)容必然成為本書(shū)的側(cè)重點(diǎn)。

本書(shū)以電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)、電子競(jìng)賽為主線，介紹了現(xiàn)代電子線路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。全書(shū)主要內(nèi)容包括常用模擬電路、高頻與無(wú)線發(fā)射、接收電路、遙控電路、基本數(shù)字電路、PLD器件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、數(shù)?；旌想娐贰㈦娫醇夹g(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電子電路設(shè)計(jì)范例以及科技寫(xiě)作基礎(chǔ)等。

本書(shū)編著的內(nèi)容主要考慮到高校學(xué)生的需求。首先，在開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生將充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，完成綜合性強(qiáng)的系統(tǒng)級(jí)電路設(shè)計(jì)與制作；其次，學(xué)生將參加各種電子賽事，要在“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”中演練水平、獲取佳績(jī)，這是本書(shū)編寫(xiě)的初衷。不僅如此，事實(shí)上，除大學(xué)生群體以外，尚有眾多的電子工程技術(shù)人員，需要加強(qiáng)相互之間的交流，這也是我們編寫(xiě)本書(shū)的重要目的。

第1章 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽與綜合能力培養(yǎng) 1

1.1 全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽簡(jiǎn)介 1

1.2 歷屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的命題與要求 1

1.3 作品的選評(píng) 4

1.4 綜合能力培養(yǎng)與科技制作 5

1.4.1 課外科技制作的內(nèi)容與作用 5

1.4.2 課外科技制作與綜合能力培養(yǎng) 6

1.4.3 做好大學(xué)階段學(xué)習(xí)規(guī)劃，積極參與科技制作 7

1.5 其他相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目申請(qǐng) 9

1.5.1 挑戰(zhàn)杯課外科技作品制作大賽 10

1.5.2 全國(guó)工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽 10

1.5.3 全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 11

1.5.4 全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽 12

第2章 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的組織、培訓(xùn)與管理 13

2.1 全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽流程 13

2.2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究團(tuán)隊(duì)建設(shè) 14

2.2.1 指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè) 15

2.2.2 科技制作學(xué)生團(tuán)隊(duì)建設(shè) 16

2.2.3 基于導(dǎo)師制和項(xiàng)目制培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì) 17

2.2.4 團(tuán)隊(duì)學(xué)生選拔與分工 17

2.3 大賽的組織與動(dòng)員 18

2.4 理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 19

2.5 管理過(guò)程注意事項(xiàng) 22

第3章 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)最優(yōu)方案分析與擬定 24

3.1 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)史 24

3.2 機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)流程 25

3.3 機(jī)械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力與素質(zhì) 26

3.4 機(jī)械產(chǎn)品選型與創(chuàng)新點(diǎn)提煉 27

3.5 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 31

3.6 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 31

3.7 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用 32

3.7.1 常用機(jī)構(gòu)功能 32

3.7.2 組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 35

3.7.3 機(jī)構(gòu)的變異與演化 36

3.8 基于功能元求解的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38

3.8.1 創(chuàng)新思維方法 38

3.8.2 功能元對(duì)應(yīng)基本機(jī)構(gòu) 39

3.9 基于桿組的結(jié)構(gòu)分解法 41

3.10 機(jī)械產(chǎn)品的可行性和綜合評(píng)價(jià) 46

3.11 先進(jìn)機(jī)構(gòu)學(xué)理論 47

3.11.1 受控機(jī)構(gòu) 47

3.11.2 變胞機(jī)構(gòu) 47

第4章 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真 49

4.1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì) 49

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 51

4.2.1 設(shè)計(jì)變量 51

4.2.2 目標(biāo)函數(shù) 52

4.2.3 約束條件 53

4.2.4 最優(yōu)解分析 53

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題分析舉例 54

4.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與程序設(shè)計(jì) 55

4.4.1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 55

4.4.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的目的和意義 56

4.5 基于Visual Basic.Net的四桿機(jī)構(gòu)仿真 57

4.5.1 Visual Basic.Net簡(jiǎn)介 57

4.5.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真編程基礎(chǔ) 58

4.6 全鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 61

4.6.1 變量定義 61

4.6.2 函數(shù)設(shè)計(jì) 62

第5章 機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)分析與仿真 65

5.1 Adams軟件簡(jiǎn)介 65

5.2 Adams入門 66

5.2.1 Adams/View的用戶界面簡(jiǎn)介 66

5.2.2 Adams/View的一般使用方法 68

5.2.3 Adams/PostProcessor的用戶界面簡(jiǎn)介 72

5.2.4 Adams/PostProcessor的一般使用方法 73

5.3 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真案例 76

5.3.1 問(wèn)題描述 76

5.3.2 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 77

5.3.3 仿真 81

5.3.4 后處理 81

第6章 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 84

6.1 電動(dòng)機(jī)的選型 84

6.1.1 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的選型原則、步驟及實(shí)例 86

6.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的選型原則、步驟及實(shí)例 90

6.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選型原則、步驟及實(shí)例 94

6.2 電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 100

6.2.1 永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速電路設(shè)計(jì)實(shí)例 100

6.2.2 混合式兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)例 105

6.2.3 三相交流異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)實(shí)例 106

第7章 產(chǎn)品數(shù)控加工與制造、裝配 112

7.1 各種數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)加工范圍 112

7.2 數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì) 113

7.2.1 數(shù)控加工工藝內(nèi)容的選擇 114

7.2.2 零件的數(shù)控加工工藝性分析 114

7.2.3 數(shù)控加工的工藝過(guò)程設(shè)計(jì) 116

7.2.4 數(shù)控機(jī)床加工工序和加工路線的設(shè)計(jì) 117

7.2.5 數(shù)控加工專用技術(shù)文件的編寫(xiě) 122

7.2.6 數(shù)控加工綜合舉例 125

7.3 零件加工制造過(guò)程中的注意事項(xiàng) 128

7.4 產(chǎn)品調(diào)試與問(wèn)題分析 129

第8章 后期參賽準(zhǔn)備工作 131

8.1 視頻與海報(bào)制作 131

8.2 申報(bào)書(shū)寫(xiě)作 132

8.2.1 立項(xiàng)背景 133

8.2.2 研究?jī)?nèi)容和研究意義 134

8.2.3 項(xiàng)目的科學(xué)性和可行性論證 134

8.2.4 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)與重難點(diǎn)總結(jié) 134

8.3 如何寫(xiě)說(shuō)明書(shū)或論文 135

8.4 陳述與答辯 137

8.4.1 答辯的PPT設(shè)計(jì)與制作 138

8.4.2 作品陳述內(nèi)容及注意事項(xiàng) 138

8.4.3 答辯的注意事項(xiàng)及技巧 139

第9章 機(jī)械創(chuàng)新作品案例 142

9.1 概述 142

9.2 創(chuàng)新作品一：救援變形金剛 142

9.2.1 摘要與關(guān)鍵詞 142

9.2.2 多功能傷病員輸送裝置市場(chǎng)調(diào)查研究 143

9.2.3 救援變形金剛的設(shè)計(jì)理念 143

9.2.4 機(jī)械系統(tǒng)功能分析與實(shí)現(xiàn) 144

9.2.5 結(jié)束語(yǔ) 148

9.2.6 總結(jié) 148

9.3 創(chuàng)新作品二：斗牛士健身車 149

9.3.1 摘要和關(guān)鍵詞 149

9.3.2 健身車市場(chǎng)調(diào)查研究 149

9.3.3 斗牛士健身車的設(shè)計(jì)理念 150

9.3.4 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與功能實(shí)現(xiàn) 152

9.3.5 基于機(jī)構(gòu)分析的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì) 154

9.3.6 結(jié)束語(yǔ) 155

9.3.7 總結(jié) 156

9.4 創(chuàng)新作品三：節(jié)能劃船健身器 156

9.4.1 摘要和關(guān)鍵詞 156

9.4.2 市場(chǎng)現(xiàn)有劃船健身器的調(diào)查研究 156

9.4.3 劃船健身器方案設(shè)計(jì) 157

9.4.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 160

9.4.5 儲(chǔ)能部分設(shè)計(jì) 161

9.4.6 系統(tǒng)安裝 162

9.4.7 結(jié)論 162

9.4.8 總結(jié) 162

9.5 創(chuàng)新作品四：酷跑雙輪車 163

9.5.1 摘要和關(guān)鍵詞 163

9.5.2 現(xiàn)有產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)查研究 163

9.5.3 酷跑雙輪車設(shè)計(jì)思路 164

9.5.4 酷跑雙輪車功能分析 165

9.5.5 結(jié)論 170

9.5.6 總結(jié) 170

附錄 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書(shū)——斗牛士健身車 171

參考文獻(xiàn) 178

后記 180