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这是一本使用“卓越之星”进行智能硬件开发的实用实用型机电工程师速成指南，全书分为三篇，从基础、实战和创新三个层面进行了介绍，书中包含丰富的实例，可以引导读者快速实现相应的设备开发。书中介绍了使用“卓越之星”进行遥控厨用电器、自动窗、3D打印机等热门设备的开发过程，尤其对于智能家居领域有很多的探索和尝试，是一本可以边做边学的实用指南。
书名：自己动手做智能机器人
ISBN：978-7-115-43157-8
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• 著 李卫国 陈 巍 梁建宏 胡 涛
责任编辑 胡俊英
• 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
• 读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
随着嵌入式技术的不断发展，传统硬件已经逐渐变得更智能、更人性化、更方便大众使用。本书就是集理论和实践指导为一体的一本智能机器人开发指南。
本书内容分为3篇，共11章。基础篇包含6章内容，介绍了有关智能硬件开发的各类基础知识以及“卓越之星”平台的使用技巧。实战篇包含3章内容，介绍了多个实用案例，覆盖各个难度的项目类型。创新篇包含两章内容，介绍了两个大型综合智能系统的构建。
本书适合对机器人相关技术感兴趣的读者阅读，也适合作为普通高校相关专业的工程创新实训、课程设计、科技竞赛及实验指导教程。
智能机器人技术是现代信息技术和先进制造技术的典型代表，它代表着一个国家高新技术发展的综合水平。智能机器人已逐渐走进我们日常生活的各个应用领域，将在我国工业体系向“工业4.0”时代迈进中扮演重要角色。
智能机器人是通过各种传感器、测量器等来获取环境的信息，然后利用人工智能技术进行识别、理解、推理，并最后做出规划决策，能自主行动、实现预定目标的高级机器人。智能机器人技术是21世纪的核心科技，美日韩等国家开展机器人研究起步较早，一直引领国际机器人发展的潮流。
近年来，我国机器人教育开始得到普遍关注，组织大学生走出国门去参加多项国际机器人大赛，并取得了较好的成绩，但创新教育和机器人教育的整体水平还不高。由于各个学校的条件限制，机器人教育没有在国内大范围地开展，也没有明确的学科归属，各高校一般没有独立开设机器人学专业，机器人教育的形式主要还是在智能科学与技术、机械设计制造及其自动化等专业中或公共选修课中开设机器人课程。为提高我国机器人技术水平和应用能力，使机器人技术更好地为经济建设服务，必须大力发展机器人教育，普及机器人文化，培养我国机器人技术开发的后备力量，为我国经济的腾飞和可持续发展做准备。
机器人教育已经成为呼声很高的创新教育平台，并且正在大踏步地走向基础教育。但随着各高校机器人实验室的迅速发展，机器人基础教育课程面临的困境也日益突出，主要表现在：第一，竞赛活动商业化严重，教育发展方向偏移；第二，资金严重缺乏，配套组件及设施不够；第三，教育研究欠缺，教学活动随意性强；第四，相关机器人教材短缺，特别是能够进入课程或者参与学科整合的图书还很少，机器人教学研究成果非常缺乏。
“卓越之星”模块化工程套件，是博创尚和公司于2014年上半年推出的一套用于开展工程创新实践的模块化套件，融合了机电一体化技术及先进的传感器网络技术。北京博创尚和科技有限公司的前身是成立于2005年的北京博创兴盛科技有限公司的机器人事业部，长久以来立足教育，以智能机器人技术为核心，以工程创新教育和素质教育为理念，致力于为高等院校及科研院所提供机器人产品、服务及应用解决方案，已与全国500余所高等院校在科研、创新教学、机器人竞赛工程实践等方面进行合作，是国内教育机器人行业的佼佼者。该公司在继续保持中国高等院校教育机器人领域领先地位的基础上，结合自身优势，把先进的智能机器人技术和教育理念大力延伸到中小学领域，开发了适合中小学的模块化机器人套件和课程体系，为成为国内的机器人教育行业的领航者而不懈努力。
“卓越之星”模块化工程套件及教材，不但可以通过简单的搭建和编程快速实现工程样机原型，而且可以通过相关课程体系的建立，指导学生学习基础知识、促进理论结合实践，快速提高工程素质。它有助于培养大学生的创新设计意识、综合工程应用能力与团队协作精神，也特别适合理工科学生的创新实践。
以“卓越之星”工程套件的综合场景案例作为参考，进行场景研究或者拓展式技术讨论。在这套产品中，包含有智能建筑、智能家居、智慧化工、3D打印工厂、食品安全追溯系统等综合性系统性大型场景案例，通过对这些热点领域的技术探讨，能延伸出大量有价值的课题，学生可在这些基础上进行无限创新。
“卓越之星”模块化工程套件及教材通过对实际问题的解决，既可以作为大学生创新实训教具和实验器材，也可以作为大学生的课程设计或者毕业设计平台，还适合工科院系搭建大型模拟工业生产线场景、物联网模拟应用场景。教师可直接将其用于开展教学，它适合作为高等工程专业学校“机器人概论”和“智能机器人实训”等课程的教材，也可供开发机器人科技项目或参加机器人竞赛的人员参考。该套件是高校机器人教育改革中的一次很好的探索。
本书的第一作者李卫国老师是太原理工大学工程训练中心的副主任，中国机器人大赛知名专家，太原理工大学机器人团队指导教师，他多次带领该校机器人团队在大赛中获奖。李卫国老师从事机器人教育多年，他专门开设了机器人选修课，以课程带动学科，以竞赛检验课程，在机器人教育领域积累了丰富的经验。他的这本书以“卓越之星”模块化工程套件为依托，系统介绍了模块化套件的概念、产品特点、使用方法、学习方法等，内容深入浅出，适合高等院校的机械、电子、计算机等相关专业的学生作为工程实践能力培训教材，也可作为工程技术人员、娱乐创客和产业创客的参考书。
机器人教育具有趣味性、创新性和可操作性等特点，它的生命力是非常旺盛的。机器人教育的未来发展大有希望，是一个持续发展、革新的过程。真诚期待本书的出版，能够给机器人教育的内容和形式带来更多的惊喜与期待，而更多优秀图书的问世必将推动机器人教育事业取得长足的进步。
陈言俊
2016年6月
陈言俊
❖ 山东大学教授，山东大学教学名师
❖ 教育部高等学校创新教学方法指导委员会委员
❖ 教育部高等学校创客教育基地联盟咨询委员会委员
❖ 中国自动化学会机器人竞赛委员会委员
❖ 国际水中机器人联盟副主席
❖ 中国大学生iCAN创新创业大赛山东赛区秘书长
❖ 山东省高校物联信息工程联盟秘书长
❖ 全国大学生电子设计竞赛山东赛区专家
❖ 山东大学教学指导委员会委员
❖ 山东大学创新教育委员会委员
❖ 山东大学人工智能与机器人创新平台负责人
李卫国 高级工程师，教育部国家级实验教学示范中心、太原理工大学工程训练中心副主任。历任国际机器人竞技与创客教育联盟副主席，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会委员，华北五省（市、区）大学生机器人大赛专家委员，山西省大学生机器人大赛专家组组长等。
他长期从事大学生的创新实践和机器人教育、机器人竞赛工作，组建了太原理工大学机器人团队并带队参加国际国内各种机器人大赛并获得各类竞赛冠亚季奖杯二十余尊、省级以上一二三等奖近百项。
陈巍 南京工程学院创新学院副院长，副教授，香港科技大学访问学者。近5年来主持参与完成科研基金项目4项、出版教材2部，独立或作为第一作者公开发表学术论文10余篇（EI检索及中文核心多篇），指导国家级大学生竞赛获得全国冠军5项，亚军3项，季军2项，国家级及省级一等奖共30多项，二等奖30多项，三等奖及优胜奖若干项。指导毕业设计（论文）获江苏省三等奖，指导国家级大学生创新项目8项，省级大学生创新项目10项，结题6项。
梁建宏 北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授，智能技术与机器人中心副主任。主要研究方向为仿生水下机器人、微小型无人机。承担国家自然科学基金、国家863计划和国防基础科研项目多项。获得国防科技进步二等奖、三等奖各一项，获得武警科技进步二等奖一项，“吴文俊人工智能科学技术奖”三等奖一项。2011年获首届“中航工业杯—国际无人飞行器创新大奖赛”竞技二等奖，2014年参加中国第31次南极科考。
胡涛 国际机器人竞技与创客教育联盟执行秘书长，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会委员，中国人工智能学会智能产品与产业工作委员会委员，长期从事模块化机器人创新教学及机器人竞赛研究，国内教育机器人领域知名专家。
随着嵌入式技术的发展，以及处理器体积的缩小和处理能力的提高，将微计算机集成在传统硬件之中，通过整合智能算法、网络技术、大数据、云技术等相关技术，使传统硬件变得更智能、更人性化、更方便使用已经是大势所趋。
智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念，它通过软硬件结合的方式对传统设备进行改造，进而让其拥有智能化的功能。智能化之后，硬件将具备连接的能力，可实现互联网服务的加载，形成“云+端”的典型架构，具备了大数据等附加价值。
当前，我国正处于从“制造型大国”向“创新型强国”过渡的过程中，在国家政策的指导下，我国智能硬件技术和相关产业得到了飞速的发展，如智能家居、智能电视、智能手环、平衡车等，将具有高技术含量的智能硬件真正地推向了寻常百姓家。智能硬件已经不再只是实验室及科研单位的“宠儿”，而是已经在产业化的方向上越走越远，并已经被大众消费者广泛地认同。
“小而强”是智能硬件的特点，它的飞速发展，极大地颠覆了人们对传统产品和装置的认识。或许在5年前，绝大多数人还没有想到具有PC功能的智能手机会在今天装到每个人的口袋里，也不会想到今天能通过手机进行自动结算和一键支付。而智能硬件的应用前景远不止于此，除我们身边的衣食住行外，在自动化工业生产、智能农业、智能医疗、军警应用等领域也发挥着越来越大的作用，并在其他相关领域也有着很大的应用前景。
博创尚和科技有限公司生产的“卓越之星”模块化工程套件是一套用于开展工程创新实践的模块化套件，融合了机电一体化技术及先进的传感器网络技术。可以通过简单的搭建和编程，快速实现工程样机原型的搭建，特别适合作为理工科学生的创新实践平台。通过相关课程体系的建立，能系统地培养大学生的创新设计意识、综合工程应用能力与团队协作精神。透过实际问题的解决，引导学生研究基础知识，理论结合实践，快速提高工程素质。
这套产品可依照以下方法使用：首先根据本书第1篇的相关内容，对照平台零部件进行逐个功能的了解认知，达到熟悉使用的程度；其次，结合自己的创意进行创造性开放，也可以结合本书配套资源中的《FollowMeGo》教程，进行Demo的搭建训练，寻找灵感。
在内容上，本书以“卓越之星”模块工程套件平台为依托，介绍了模块化套件的概念、产品特点、使用方法，利用该套件的学习方法等，并在合适的地方讨论了相关技术的发展及本书内容的拓展空间。
本书内容共分为3篇，分别是基础篇、实战篇、创新篇。基础篇主要介绍了产品零部件的使用方法，依照机电一体化零部件的功能进行分类介绍。实战篇根据产品特点提供了一些小案例，展示了模块化零部件的常见应用场合，并结合实验说明了理论结合实践的相关机电一体化技术应用的内涵，其中实验是按照由浅入深、由易到难、由简到繁的顺序进行安排。读者可根据自己的实际情况进行选用。创新篇则以两个前沿热点场景的构建为例，系统地讨论了机电系统设计实现的基本过程，并对相关问题进行了引导式的探讨。
在内容上，本书的各章节实验项目配套有相应的示例源代码，可到博创尚和科技有限公司的网站下载。书中提到的所有配套资源均可在http://www.uptech-robot.com/down/new.php 下载到。读者只需在该链接对应页面的输入密码框内填写“uptech-robot2016”，即可成功查看并下载各项配套资源。
本书适合高等院校的机械、电子、计算机等相关专业的学生作为工程实践能力培训教材使用，也可以作为相关领域工程技术人员的参考工具书，同时也比较适合作为娱乐创客及产业创客的实践参考书。
如果你对本书的内容有任何疑问，可以将问题发送到lux@uptech-robot.com，或者加入QQ群（群号：428558643），我们将竭力为你解答。
第1章 概述
第2章 结构件
第3章 控制器
第4章 传感器
第5章 执行器
第6章 软件编程
早期的机电一体化技术主要以机械设备或装置为主体，实现机械设备的电气化。人们能够通过操作按钮来控制设备的运行，因而解放了一部分劳动力，使工厂环境变得更简洁。后期随着计算机技术的发展，机电一体化设备由“人控”转为“程控”，实现了自动化控制。在各种设备中，机电一体化技术被广泛应用，并出现在我们生活周边，如自动豆浆机、自动门、自动电梯等。
在互联网技术高速发展的今天，机电一体化技术和互联网结合到了一起，德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”、我国的“中国制造2025”无一不与其相关。这种情况出现的原因就在于互联网提供了互联互通和信息融合的工具及技术，使机电一体化设备的功能出现了无限的可能性，因此像智能硬件之类的产品出现了井喷式的发展，并无时无刻不在触动着人们的神经。智能硬件中的大多数都是我们身边常见并解决人类需求的个人消费品。除互联网技术外，CPU运算能力的发展和高度集成、语音与图像识别等人工智能技术的发展也为机电一体化的升级和变革提供了有力的支撑。
机电一体化技术涉及机械、传感器、控制器、驱动器及执行器的设计技术。其中机械设计中采用新材料、新工艺、新方法，如采用碳纤维材料、各种3D打印制造工艺、3D建模设计和有限元分析等，使机械设计过程变得简单快捷，样机研发成本降低，构型更具有想象力，产品质量更精准可靠。在传感器方面，随着微机电系统（MEMS）技术的发展和微处理器在传感器上的应用，软件矫正补偿技术正逐步提高传感器的性能，降低功耗和缩小体积。同时也是处理器技术的发展推动了控制器、驱动器的发展，小型化的强大嵌入式处理系统在大大小小的系统中得到了广泛的应用。
“卓越之星”模块化工程套件是一套主要用于构建机电一体化样机或者模型的套件，具有多种材料、多种形态的结构件，多种等级的控制器和多种通信方式。“卓越之星”结合当前时代技术特点进行设计，能满足多数创客及样机研发人员在快速搭建物理样机方面的使用需求，比如快速搭建常见的智能家居系统、智能建筑系统、智能农场等。例如，关于智能电梯的设计，本书提供了详细的步骤及方法。目标是设计一个智能电梯，该电梯能通过语音识别乘客的目标楼层，然后通过模块化控制器实现自动控制、自动升降、自动开关门。使用者可以按照以下6步实现这个样机。
（1）使用产品提供的铝型材搭建出电梯的支撑框架。
（2）使用结构件搭建出轿厢本体。
（3）通过植入总线式数字舵机配合连杆机构实现对轿厢的自动门驱动。
（4）通过卷扬机构实现对轿厢的升降驱动。
（5）连接多媒体控制器和STM32单片机控制器，实现对电梯的逻辑控制和语音控制。
（6）利用图形化编程软件，通过拖拽图标实现程序控制逻辑。
机电一体化产品就是采用机电一体化技术研发制造的产品，主要是在机械产品的基础上附加自动化、信息化、智能化的元素。机电一体化技术即结合机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术 、自动控制技术 、传感检测技术 、伺服传动技术和机械技术等学科并交叉发展的系统技术。随着嵌入式计算机的高度发展，具有移动计算能力的芯片体积越来越小巧，成本越来越低廉，功能越来越强大，电子技术正在飞速地改变传统机械的面貌，在国防、工业、医疗和消费类电子等各个领域，对机械系统产生深远的甚至是革命性的影响。
智能硬件是机电一体化技术发展到现阶段出现的典型应用，其通过软硬件结合的方式，对传统设备进行改造，进而让其拥有智能化的功能。得益于低成本强运算能力的芯片，以及各种传感器，传统机电设备智能化之后，甚至具备连接的能力，实现互联网服务的加载，形成“云+端”的典型架构，于是智能硬件的机电设备出现了各种新创意，激发了人们的购买欲望。改造的对象除了电子设备，例如手表、电视和电灯，也有以前纯机械的设备，例如门锁、和自行车。智能硬件已经从可穿戴设备延伸到智能电视、智能家居、智能汽车、智能医疗、智能玩具、机器人等领域。比较典型的智能硬件包括麦开水杯、Ninebot 两轮平衡车、小牛电动车等。
麦开水杯（见图1-1）可以在手机App上输入用户的身高、体重，进而测算推荐每天的饮水量，并且实现饮水的提醒。
图1-1 麦开水杯
Ninebot 两轮平衡车和Ninebot One独轮车（见图1-2）可以上传用户的累计行驶里程，并且为用户显示其在全世界范围内的排名情况，Ninebot One最厉害的玩家目前已经行驶了8 000 km以上。
图1-2 Ninebot 平衡车及独轮车
小牛电动车拥有“活塞液压双碟刹+EBS（电子刹车）+动能回收”系统，锰钢碟刹车片配合前220 mm后180 mm的液压刹车卡钳，主打制动性能，在全天候各种路况下都有良好的适应性。“双碟刹+EBS”系统，20 km/h的速度下制动距离仅1.37 m，相比传统的无EBS鼓式刹车系统，缩短了21%。
此外，小牛电动车并没有迎合这个时代，“为了智能化而智能化”，而是选择先集中突破电动车的防盗痛点：封闭集成GPS模块，随时追踪车辆位置，并且第一年流量免费。
用户可以通过App 的远程控制 来实现对车辆的管控，App集成了包括车况检测、位置记录、报警提示、综合信息显示四大功能。在手机上可以进行整车情况检测，看到剩余电量信息、天气信息、附近维修点地理信息，自动获得充电提醒、电池提出报警、非法位移提醒，查询到车辆行驶轨迹记录，以及进行社区线上交流。
图1-3 小牛电动车
在“大众创新，万众创业”的时代，我们新一代的机电工程师必须具备电子化、信息化的思想和互联网思维，才可能设计出更具竞争力的产品。
世界因为互联计算变得更加精彩，而传统机电设备因为获得智能而焕发生机，不断涌现出拥有众多粉丝的耀眼明星。下面我们将介绍几款非常优秀的机器人产品，它们已经在各自的领域发挥着举足轻重的作用，并不断地挑战着新高度。
传统装甲运兵车（见图1-4）可以在野战道路上输送人员和装备，但是却无法支援山区、丛林和前沿阵地的步兵，但是随着“机-电-液”技术的发展，单位面积推力巨大的液压腿式机器人已经研发成功，即将成为紧跟步兵承载装备的“木牛流马”。
图1-4 传统步兵运兵车
大狗军用机器人（见图1-5）由波士顿 动力公司（Boston Dynamics）专门为美国军队研究设计，它不仅仅可以爬山涉水，还可以承载较重的货物，而且这种机械狗可能比人类都跑得快。“大狗”机器人可根据环境的变化调整行进步态，被称为“当前世界上最先进的适应崎岖地形的机器人”，它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人装备一部输出液压动力的汽油发动机，四条腿完全模仿动物的四肢设计，内部安装有特制的减震装置。机器人的长度为1 m，高70 cm，重量为75 kg，行进速度可达到7 km/ h，能够攀越35°的斜坡。它可携带重量超过150 kg的武器和其他物资，具有很强的野战实用性。
大狗机器人的内部安装有一台计算机，可根据环境的变化调整行进姿态。而大量的传感器则能够保障操作人员实时地跟踪“大狗”的位置并监测其系统状况。据称，“大狗”机器人能够获得成功是由于采用了战斗机上采用的数字液压伺服系统，这种系统每平方厘米上能产生160～250 kg的液压力，当然也离不开先进的控制芯片和军用数据总线，使得机器腿能做出快速精准的调整。相比之下，传统步兵车辆运动系统的控制功能单一，仅在自动变速箱中有微计算机，有一些车辆甚至还在使用手动变速箱。
图1-5 大狗机器人结构图
传统外科手术受限于医生的视野，必须要使用传统的外科手术器械（见图1-6）在人体上打开足够大的口子，才能让外科医生看见里面的情况，从而开展手术，特别是胸腔和腹腔手术，往往令人想起“开膛破肚”的血腥场面，这种手术方法，患者是痛苦的，外科医生的压力也是巨大的。
图1-6 传统外科手术器械
现在，最先进的微创手术机器人，已经利用机器人技术，实现了机器人的眼睛代替人眼进入腹腔、胸腔里看，机器人的微型机械手代替人手进入人体实施手术，而只需要在患者手术部位附近打几个小孔，这种微创手术机器人系统就是达芬奇外科手术系统。
图1-7 达芬奇手术机器人的前端器械
图1-8 达芬奇手术机器人完整系统
达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇机器人由三部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。
（1）外科医生控制台。主刀医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手（通过操作两个主控制器）及脚（通过脚踏板）来控制器械和一个三维高清内窥镜。手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。
（2）床旁机械臂系统。床旁机械臂系统是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高的控制权。
（3）成像系统。成像系统内装有外科手术机器人的核心处理器以及图像处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。
机器人技术的介入，使手术器械能以不同角度在手术部位操作，能够在有限狭窄空间工作，使得主刀医生在轻松的工作环境中工作，减少疲劳，提高精确度，从而使手术更完美。
传统的航空模型运动（见图1-9）是一种锻炼动手制作能力、操纵感觉与反应，兼有传播空气动力学知识功能的体育运动。
图1-9 传统航模运动
随着机电控制技术和无人机技术的进步，航空模型已经最先进入了“无人机+”时代，也就是无人机技术极大地改变了航空模型的产品形态、玩法和体验。以我国最大的航拍无人机出口产品——大疆“精灵3”无人机（见图1-10）为例，在一台1300 g左右的“精灵”四旋翼航拍无人机身上，集成了至少9颗嵌入式计算机芯片。它们在以下几方面发挥作用：（1）摄像头处理计算机，主要用于CCD（电荷耦合器件）感光器件成像后的编码压缩处理等；（2）三轴云台控制计算机，它通过获取摄像头后面的陀螺仪、姿态传感器信息，驱动三轴无刷电机实现飞行中摄像头的稳定；（3）导航计算机，通过获取磁场、GPS、加速度计和陀螺的数据，分析计算机体的位置、速度、角速度和航向等导航信息；（4）飞行控制计算机，它根据导航计算机的导航数据，给四个驱动螺旋桨的无刷电机发出复杂的调整指令，从而实现悬停、抗风、机动飞行等复杂动作；（5）无刷电机驱动微处理器，它感知电机转子的相位，以400 Hz的频率控制电机的转速，从而实现升力的变化；（6）智能电池管理芯片，它采集每一片锂电池的电压和电流，从而估算容量，对电池进行保护。
图1-10 “精灵”航拍无人机
传统的航空模型内部几乎没有高性能的处理器，因此飞行水平主要靠操纵者的训练和现场反应。而航拍无人机上的9枚嵌入式计算机，其平均运算能力要远高于早期的苹果个人台式计算机，从而大大降低了飞行器的控制难度，既可以兼顾飞行，还能够完成空中拍摄，同时还有微计算机监管电池安全。这些极大的进步，已经大大拓展了民用无人机的市场，实现了增量创新。
和别人打交道，就要学会语言表达，和外国人打交道，就要学会外语。同样的，当我们的研究对象是机电系统时，我们就需要学习“机”的语言和“电”的语言，这些专门的语言，是不会发出声音的，甚至看不到它们的存在，但是在每一个机电系统里却真实存在，并且时时刻刻发挥作用。比如机械系统尺寸精度的传递、强度的传递、运动的传递、能量的传递，都可以在机械原理、机械设计、材料力学和理论力学等课程里找到答案；又如控制系统里精度的传递、检测信息的传递、动态响应特性的传递等，又可以在数字电路、微机原理、检测技术、自动控制和机电控制工程等课程里找到答案。
初学者往往不能从实际出发，从机电产品的各项指标来推导其采用的方案和关键指标实现过程，从而也就无法带着问题开展课堂理论学习。机电一体化产品本是非常有趣动感的产品，如果不掌握理论联系实际、实际工程项目反过来考问课本知识的学习方法，就容易失去学习兴趣和动力。这里给本书的读者提一些实用的建议：
作为一名优秀的机电工程师，首先要知道机械工程是站在前人肩膀上缓慢前进的一门学科，每一次原理或者结构上的重大创新、发明，都会带来翻天覆地的变化和商机。对于初学者来说，最好的方法就是针对具体的案例进行横向类比，引发思考、调研，从而迅速地扩充自己的认知。简单来讲，机械结构里优秀的设计太多了，只有比较再比较，才会发现其中的奥妙，才会联系课本知识，提高自己的理论运用水平。
比如，高速列车的电力牵引系统和数控机床的一个数控轴，同样都是一维的伺服控制系统，他们的机械结构有何异同呢？表1-1列出了比较学习的要点。
表1-1 机电系统的比较学习
| 机电系统名称 |
关键特色指标 |
主要机械结构 |
主要指标的检测传感器 |
定位精度要求 |
承载能力 |
共同点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 高速列车的电力牵引系统 |
大功率点位控制 |
轮轨机构 |
霍尔位置传感器、车轮速度传感器 |
0.1 m量级 |
几十到几百t |
牛顿第二定律，刚体动力学 |
| 数控机床的一个数控轴 |
低速高精度的速度和位置控制（插补运动） |
丝杠导轨机构 |
光电码盘、光栅尺、霍尔位置传感器 |
1 μm量级 |
几十到几百kg |
|
我们要知道，机器是不长嘴巴的，绝对不是靠声音来传递情报和下达命令。为此，人类发明了二进制，从而可以用晶体管的“0”和“1”两个状态来表达信息，进而就有了数字电路里的十六进制和“字节”的概念。尽管现在有了32位、64位的计算机，但是我们在用数字表达整个世界的时候，仍然是以8位二进制数组成的字节为基础。为了基于字节来表达世界，来沟通机器和人类，就有了很多的翻译。例如，计算机和英文之间的编码叫作ASC II编码，大写字母“A”的编码是十进制的65；而古老的汉字要走进计算机里，就有了GB2312—1980字符集，即国家标准字符集，这个编码收入汉字6763个，符号682个，总计7445个字符，这是中国大陆普遍使用的简体字字符集，楷体_GB2312、仿宋_GB2312、华文行楷等市面上绝大多数字体支持显示这个字符集 ，它也是大多数输入法所采用的字符集。
机器能听懂的话太少了，所以我们必须把复杂的事情分解为很简单的程序，这样就有了编程的语言，从最早的晦涩的汇编语言，到现在个人计算机和嵌入式计算机普遍流行的C语言，再到图形化的高级语言，这些都是人类自然语言和计算机之间的翻译。
一个优秀的机电工程师，必须理解从人类自然语言到字符再到二进制信号的传递过程，以及最后在不同的总线之间转换，向下一个机器传递的过程。
一个好的时装设计师会把新的布料和最新的时尚元素、文化创意加入他的作品当中。同理，一个“时髦”的机电工程师，或者所谓“创客”，他们总是在最新的芯片、传感器，新的算法或者高性能的机械零部件上寻找商业机会。谁最先发现并且验证了“时髦”的组合，谁就有可能取得成功。著名的特斯拉电动汽车就是一个很好的例子，特斯拉汽车的成功，并不是汽车业的成功，从技术上来看，它是笔记本计算机电池的成功。
1996年末，通用汽车研发出EV1，并作为第一款量产电动汽车投放市场，这款车其貌不扬，续航里程140 km，由于投入与产出比不高，在生产了2000多辆之后，通用汽车于2002年宣布放弃，此事让通用汽车背上了骂名。事后，参与EV1项目的工程师艾尔·科科尼（Al Cocconi），在加州创建了一家电动汽车公司AC Propulsion，并生产出仅供一人使用的铅酸电池车T-Zero。
AC Propulsion公司的经营陷入困境时，一名来自硅谷的叫作马丁·艾伯哈德 （Martin Eberhard）的工程师为之投资了15万美元。作为交换，他希望科科尼尝试用数千块笔记本计算机的锂电池作为T-Zero的动力。换用锂电池后，T-Zero行驶里程超过了480 km。马丁·艾伯哈德在寻找创业投资时发现，美国很多停放超级跑车 的私家车道上经常还会出现些丰田混合动力 汽车普锐斯 （Toyota Prius）的身影。他认为，这些人不是为了省油才买普锐斯，普锐斯只是这群人表达对环境问题不满的方式。于是，他有了将跑车 和新能源结合的想法，而客户群就是这群有环保意识的高收入人士和社会名流。
2003年7月1日，马丁·艾伯哈德 在美国加州的硅谷成立了特斯拉汽车公司，并得到了大富豪埃隆·马斯克 的投资，很快成功研发出行驶里程达到480 km的T-Zero原型车。特斯拉电动车引以为傲的续航能力，来自由7000多颗电池组成的电池包，即使短路也不会着火，个别电池损坏不会影响其他。
在这样一个成功的创业故事里，我们可以看到马丁·艾伯哈德对新器件的敏感性和对汽车行业本质的认识，这才是他战胜通用、丰田，取得电动车成功的原因。首先，他认识到电动机的爆发力和功率密度大于内燃机，更适合作为跑车的动力，同时跑车较高的价格定位足以抵消电池带来的成本增加；其次，他认识到笔记本电池具有最大化的重量比能量，而分布式电池管理是一个需要尝试但是风险不大的技术。有了技术和产品定位上契合的方案，马丁·艾伯哈德第一个让纯电动汽车得到了世界人民的认可。
