儒者伪辞
机械电子工程 ♦ 学科概况 本学科是学校211工程和上海市的重点学科建设点,2001年通过教育部评审,获准为国家重点学科建设点。本学科在“七五”、“八五”、“九五”十五年期间,连续获得上海市教委三期重点学科建设拨款资助,还有世界银行贷款支持、上海市科委的市重点实验室建设拨款资助、上海市经委的工程中心贷款支持以及学校的“211工程”学科建设的拨款资助。本学科的“机械自动化与机器人实验室”被认定为上海市重点实验室、“机电一体工程中心产学研基地”被认定为“国家863计划机器人主题产业化基地”。特别是“十五”期间,在“机械电子工程”国家重点学科和上海市重点学科建设、“先进机器人与现代制造系统”上海市优势重点学科和“仪电自动化”上海市特色重点学科建设上,得到了国家教育部和上海市的进一步支持,先后重点进行了“上海大学-华中科技大学快速制造中心”和“上海大学中瑞联合微系统集成技术中心”的建设,新建“上海大学警用装备与公共安全工程研究中心”,并与材料工程学院共建“新型显示技术与系统集成教育部重点实验室”。l ♦ 师资队伍 通过科学研究和基地建设的锻炼,本学科形成了一支老中青结合、学历结构合理、能团结拼搏的学术团队,其中:具有博士学位的,占了团队总人数的66%(“十五”是“九五”的2倍)。“十五”期间,本学科共有4位青年教师得到上海市科技启明星人才计划资助,有3位得到科技启明星跟踪计划资助,有5位青年教师得到上海市教委曙光学者计划资助,有1位得到曙光跟踪计划资助,有2位青年教师先后被评为人事部“百、千、万工程”(一、二层次)人才和教育部跨世纪优秀人才,本学科还有一位长江特聘讲座教授。 l ♦ 科研成果 在科学研究方面,依托上述基地,本学科在努力进行应用基础研究和高技术前沿探索的同时,积极面向国民经济建设主战场,以应用研究导向的自主创新能力不断增长。“十五”期间,科研总经费累计1.63亿,是“九五”期间的2.1倍。其中:国家和上海市各类科技计划科研经费(纵向科研经费)0.55亿,包括国家纵向科研经费0.18亿(“十五”是“九五”的2.1倍);在科研总经费中,经过招投标从企事业获得委托科研项目经费为1.08亿,占科研总经费的2/3,表明了本学科在应用工程研究方面见长的特色。“十五”期间,科研项目中,检索或鉴定意见认为达到国内先进或国际先进的项目32项,SCI和EI检索的论文155篇(“十五”是“九五”的4.3倍)。依托学术团队和研究基地,在本学科历年完成的科研项目中,获国家科技进步一等奖有1项、获国家科技进步二等奖2项、获国家科技进步三等奖1项、获省部级科技进步一等奖5项、获省部级科技进步二等奖38项。本学科根据国家、地方经济建设、社会发展和国家安全的需求,以及学科自身的发展规律,通过学科的交叉、技术的融合、内容的聚焦和具体的实践,逐步凝练形成的四个方向和研究内容如下:研究方向一:机器人技术及应用工程该方向在面向公共安全的服务机器人、面向助老助残的医疗康复机器人、家庭服务机器人以及面向机电自动化行业中工业机器人应用工程等方面重点开展工作。主要研究内容: (1)公共安全服务机器人技术研究根据“国家公共安全中长期科技发展规划”,从公安武警部队需求出发,通过适应低空或复杂地形地貌或江河浅水这三种非结构环境公共安全服务机器人系统和应用工程的研究开发,掌握以检测传感、信号处理、伺服控制和导航、执行机构的精密灵巧和系统集成等技术相融合为主线的机器人自主或局部自主作业这一核心技术,在特色鲜明的基础上,提升本学科这方面在国内同行中的学术地位,并增强在国际学术界中的知名度。近五年的工作重点规划如下:1)水域的水面、水下监测监控关键技术研究和应用工程系统开发。目前已经开展及计划开展的具体研究内容包括:监测监控潜水器系统设计和开发;近场处置潜水器系统设计和开发;超低空飞行小型无人侦察机系统设计和开发;立体监测监控显示系统设计和开发。重点攻关的关键核心技术包括:混浊水况中声纳图像和浓雾空况下光学图像的压缩增强技术;潜水器的水下抗涌流技术;小型无人机的抗风增稳自主悬空飞行技术;基于双目视觉导航的自主着陆飞行技术;高机动飞行的鲁棒自适应控制算法和联邦卡尔曼滤波控制算法;基于微型惯性测量组合的多源冗余信息融合技术和组合导航飞行技术;三轴精密平台的仿生运动控制技术;低空飞行的图像跟踪技术;基于VR的裸视显示技术和基于激光扫描的现场态势实时建模技术等。2)城市环境下的侦查搜救机器人关键技术研究和应用工程系统开发。包括:单兵携带城市废墟侦查搜救机器人系统设计和开发;单兵携带城市巷道投扔式侦查机器人系统设计和开发;测爆/破爆地面移动机器人系统设计和开发;单兵携带飞行机器人系统设计和开发。重点研究的核心关键技术包括:狭小空间非结构环境下的伸缩式柔性灵巧机构设计技术;地面移动机器人的运动避障越障技术;基于传感器的地面移动机器人导航控制技术;投扔式侦查机器人的高耐冲击振动技术;复杂地形地貌中的地面移动机器人抗倾覆和自位技术;涵道式旋翼器变姿飞行机理的研究等。 (2)医疗康复智机器人和公共服务机器人1)在医疗康复智能系统与机器人方面,在掌握人机一体化系统动力学和肌电包容控制技术的基础上,开展步态康复减重训练智能机械系统的研究工作,完成助老助残康复机械手系统、轮足混合助步轮椅系统。重点攻关的核心技术包括神经康复人机一体动力学建模与控制技术;肌电信号与肌肉运动的映射关系在机器人控制中的应用技术等。2)在以公众服务,如家庭、保安等为目的的服务机器人方面,重点围绕服务机器人的光机电系统关键核心技术开展研究,并建立基于无线传感网络环境的移动机器人综合研究与测试平台。攻关的核心关键技术包括:非结构环境下多机器人协同工作与控制技术;无线传感网络的移动机器人导航控制技术;基于多传感器融合的服务机器人安全技术;移动机器人直接驱动和节能技术;服务机器人功能和机构的模块化、优化和总体集成技术;面向服务机器人的人眼盯视、语音、触觉、肌电等多通道人机交互关键技术;服务机器人“人-机-环境”多感知交互反馈工作机理等。(3)工业机器人应用工程关键技术和系统研究通过工业机器人应用工程关键技术和系统研究,使工业机器人工程系统能满足生产制造、装配、检测、包装各方面的高速,高精度,高质量要求,还可以在需要的场合下,适应高温、低温、粉尘、潮湿等等特殊环境,从而进一步拓宽其应用领域,并提高应用水平。关键核心技术有:1)机器人化自动装配技术研究,包括基于零件结构和装配特性分析的DFA技术、机器人化的特殊装配技术、装配机器人的模块化设计技术、末端操作器的smart化、基于机器人视觉和图像识别技术的零件精确认向、导向技术、基于动态特性分析的精密运动定位技术、机器人的自动装配规划技术、机器人组线集成的自动装配技术等。2)机器人化物流技术研究,包括零件或产品的机器人分类、筛选、理料、供料、搬运、存储、分流、包装技术;基于物流量、速度等要素的移载技术和交通网规划技术;零件或产品质量的在线检测技术。研究方向二:机电装备基础功能部件与制造系统集成关键技术机电装备基础功能部件的研发是国家“十一五”规划的一个重要方向,上海大学在机电基础功能部件的理论与技术研究方面已有多个国家级项目和上海市重点项目的支持,在高密度永磁电机、各类支承、磨擦和润滑等方面相应的理论与应用技术、机电控制专用芯片设计等方面已经获得技术突破,掌握核心技术并得到了成功应用。在上述各单项研究成果的基础上,本研究方向将瞄准高速高精多元轴系方向,以其在精密数控机床、机器人等装备中的应用为目标,对高速高精电主轴部件和直线驱动部件开展相关的研发工作。主要研究内容:(1)高速高精电主轴系统理论与关键技术研究研究高速高精电主轴系统的核心关键技术,提升自主生产电主轴系统中核心器件的能力,解决国内目前多采用进口国外的器件进行集成制造的局面。关键攻关的核心技术包括:高密度高效节能永磁同步伺服电机自主研发;高性能主轴数字伺服驱动系统自主研发;主轴部件专用控制芯片自主研发及其集成应用;高速高精支承、润滑、密封及其系统的自主研发及应用;高速高精电主轴机械结构及冷却系统的自主研发与系统集成技术;高速高精主轴部件台架测控技术的自主研发等。在此基础上,将构建二个达到国内先进水平的综合研发与测试平台,即:1)高速高精电机研发与测试平台,主要包括:电机系统设计与性能仿真分析平台、电机驱动系统实验研究平台与性能综合测试台架等;2)高速主轴部件研发与测试平台,主要包括:高精度机电装配调试平台、主轴系统综合性能测试台架、高速切削试验系统等。(2)直线电机驱动部件理论与关键技术研究高速高精直线驱动已成为机电装备驱动的发展趋势,该方面的研究将主要研究与解决以下几个关键技术问题:高速高精直线驱动部件机械结构、伺服控制、润滑、冷却等关键技术及其集成应用;基于近似行波驱动原理的双面驱动压电直线微电机及其控制方法;由多种振子组成的触觉显示器振子群的结构设计及控制方法;新型触觉提示控制模式的微执行器与控制算法等。为了能支撑该方面的研究工作,计划完成具有国内先进水平的直线驱动部件关键技术与控制方面的研发与测控台架建设,其目标为高速高精度直线驱动部件的研发。(3)机电装备系统集成关键技术及应用研究以汽车零部件制造装备为主要应用背景,开展机电装备集成关键技术和系统研发工作。开展的关键技术研究内容包括:数字化协同研发关键技术;机电装备与汽车电子制造工艺的匹配技术、特别是自动化机电装备与系统、机器人的集成应用技术;高精度快节拍机电装备系统关键技术,包括高速高精定位控制、高速机电系统动态特性研究等;机电装备运作过程信息化及管控一体化技术;机电系统过程智能测控技术;面向行为、面向对象的机器视觉关键技术研究;汽车NVH(静音、舒适性和声品质)关键技术研究等。研究方向三:机电系统控制技术和先进检测方法该研究方向以先进检测技术、网络技术、计算机控制技术为基础, 开展机电系统先进控制理论和应用技术研究,并重点基于工程光学理论,针对工程中的相关检测问题,开展先进检测方法和应用技术的研究工作。主要研究内容:(1)机械传动系统的变频控制单元技术针对机械传动系统非线性、强耦合、多变量、量大面广耗能大的特点,基于新型电力电器件及处理器技术,主要开展以下研究:(1)通过对PWM变频技术、软开关电力变换、电磁能量转换机理的研究,从节能、谐波抑制、电磁兼容角度出发提出新型电路拓扑结构,重点突破以软开关PWM变频、无传感器高功率因数变频为基础的高性能变频器设计理论;(2)通过对电机矢量控制和直接转矩控制理论的研究,提出按定子磁场定向的连续控制及传动系统非线性解耦控制技术路线,重点突破交流电机高性能控制与实时算法理论难题。(2)分布式多单元机电系统的现场总线控制技术针对工业现场制造流水线系统多单元、分布式、协同控制的特点,主要开展以下研究:(1)通过对目前主流现场总线技术和工业以太网技术的研究,重点突破实时测控现场总线协议、多协议转换模型及评价技术、实时监控的可视化虚拟交互技术难题,建立开放式现场总线体系结构;以中央空调为应用对象,研究动态负荷下多任务调度及多子系统综合节能技术,重点突破不确定环境下多任务运筹优化理论难题,建立基于总线的中央空调大系统节能控制平台;(2)针对当前有线/无线总线大量并存的现状,研究符合制造业实时要求和开放数据通信的异构有线/无线现场总线无缝集成技术,重点提出一种兼容最新IEEE802.15.4a标准的WICN-Z无线网络协议及其与有线总线协议的通用转换构架,构建一个面向制造业的有线/无线异构现场总线控制系统,使得现场智能设备易于接入该系统中。(3)广域机电大系统的网络控制技术针对现代制造环境下执行单元具有广域化、网络化的趋势,在已提出的两层网络单变量学习控制系统的基础上,进一步提出两层网络多变量学习控制系统架构,重点突破的关键问题有:开展学习收敛性和系统稳定性、鲁棒性理论分析,以及利用收敛性条件提出消除或降低多回路网络不确定性影响的学习控制策略;探索利用低成本网格计算,降低网格的随机性影响,实现学习控制策略的实时计算;构建基于Web的两层网络多变量学习控制系统的软硬件开放实验平台。(4)工程中先进检测方法和应用技术研究针对工程检测中的相关问题开展研究工作,主要基于工程光学理论,研究测试方法和应用技术,主要包括:(1)管道管线探测技术和系统:主要研究面向核工业应用的细小管道探测技术和系统、面向城市建设的非开挖地下管道探测技术和系统、管道管线振动检测与主动控制、基于时频分析与多传感信息融合的管道探伤技术等。(2)多尺度轮廓测量技术,包括宏观大尺寸到微纳米尺度的各种特种物体的三维轮廓测量技术,主要为逆向工程和微纳加工服务。(3)宏微驱动高速高精度定位系统的研究。(4)短波段光机系统设计理论和方法研究。研究方向四:光电显示及装备和微纳制造技术结合国家、上海市发展集成电路装备与工艺、半导体照明新能源、平板显示技术的重大战略,以有机电致发光(OLED)、半导体照明(LED)等光电显示技术及于平板显示中的应用技术的研发为主线,开展包括设计和优化在内的,从材料、器件、系统集成到装备的关联技术研发。主要研究内容:(1)新一代有源矩阵有机电致发光(AM-OLED)的显示技术研究及其配套装备研制主要开展(1)基于薄膜晶体管(TFT)的新一代有源矩阵有机电致发光(OLED)显示前沿技术的研究与开发,包括多种新颖OLED微纳光电器件(如微显示、TFT-OLED、OTFT、有机激光)的前沿探索;TFT平板显示设计、专用芯片与电路开发。(2)具有自主知识产权的关键配套装备的设计与研制,包括OLED加速寿命老化测试仪、功函数测试仪等的研制;OLED薄膜封装用离子源及其控制系统的研制.(3)OLED低成本、工艺流程标准化的产业化关键技术攻关等。(2)高亮度LED白光器件及其配套装备研制将从芯片、器件、模块、系统多个层次系统提升LED的出光与散热,开发具有新型结构的高性能半导体照明器件,突破目前阻碍高亮度LED技术突破的提高出光与散热效率的瓶颈问题,使其发光效率达到90 lm/W以上,满足通用照明、大屏背光源的需求。同时,结合LED器件制造新工艺,开展具有自主知识产权的关键配套装备的设计与研制。关键的研究包括:倒装LED芯片、多芯片LED模组、LED散热系统方案、LED热学测试设备、纳米压印提升LED出光效率、LED纳米散热反光复合薄膜制备、LED高效恒流驱动技术、基于太阳能的LED照明系统技术等。LED白光器件关键配套装备/部件的设计与研制内容还包括:LED热阻测试仪、多功能LED点胶/共晶机等的研制。(3)先进封装与微纳制造技术当前微纳制造技术与系统的发展趋势是器件/系统的多功能、高密度、高可靠性化,以及纳米新材料技术于微纳系统的光、电、磁、热等功能强化提升实现。在先进封装技术方面,将重点开展倒装芯片技术、晶圆级封装技术、三维系统封装技术、嵌入式封装技术、高频封装技术及其可靠性研究,以及纳米互联材料与技术(其中包括纳米无铅焊料、纳米导电胶、纳米散热材料和纳米炭管作为互联材料)研发。在微系统集成方面,重点开展碳纳米管微纳制造技术攻关,将碳纳米管微纳制造技术与微流体控制技术联合,应用于碳纳米管微冷却器。该方向的研究平台基础包括:“新型显示技术及应用集成”教育部重点实验室、“上海大学-广电电子平板显示联合工程技术中心”(筹建)、中瑞联合微系统集成技术研究中心。上述研究方向和研究内容跟国家、地方经济建设、社会发展和国家安全有关的科技规划或计划一致,为本学科的持续发展提供了广阔的空间。l ♦ 人才培养 本学科在上述研究方向和研究内容上积极培养人才。“十五”期间,本学科共招收硕士研究生423名(“十五”是“九五”的1.7倍)、博士研究生165名(“十五”是“九五”的3.3倍),并接受了博士后12人。有3位获博士生获上海市优秀博士论文作者的称号。为鼓励新概念、新构思、新技术的预研,本学科设有“上海大学机械电子工程学科快速反应研究基金”,供青年研究人员申请。l ♦ 学术交流 本学科在上述研究方向和研究内容上的国内外学术交流活跃,活动形式包括:举办国内外学术会议、开展国际合作研究、派遣出访和邀请来访等。“十五”期间,举办的重要国际学术会议有7次(“十五”是“九五”的3.5倍),重要的国内学术会议有6次(“十五”是“九五”的2倍),重要国际合作研究项目有10项(“十五”是“九五”的10倍),有44人次到美国、日本、德国、英国、法国、加拿大、奥地利、希腊、瑞典、波兰、捷克和香港等12个国家和地区参加国际学术会议(“十五”是“九五”的2倍)、讲学和合作研究(其中包括博士后、博士生和硕士生12人次),有38位来自美国、日本、英国、法国、加拿大、瑞士、瑞典、比利时、波兰和香港等国家和地区的教授和专家来访讲学或合作研究(“十五”是“九五”的1.4倍)。为加强国内外的学术交流,本学科设有“上海大学机械电子工程学科开放研究基金”,供非本校研究人员申请。l ♦ 展 望 今后建设的主要目标和思路是:根据国家、地方经济建设、社会发展和国家安全的需求,并考虑学科自身的发展规律,进一步注重学科方向的凝练,进一步注重杰出拔尖人才的引进和培养,进一步注重应用基础研究和高技术前沿探索,进一步注重国际学术交流和合作。在保持应用工程研究见长特色的同时,通过进一步的学术团队建设、研究基地建设,进一步上水平、见效益,使上海大学的机械电子工程学科成为国内外公认的、有特色的、先进的工科学科。参考资料:http://www.shu.e.cn/Default.aspx?tabid=5713