1.1課程簡介

1.2智能機電產品設計流程與設計內容

1.3課程內容及結構1.1課程簡介近年來，隨著微電子技術、移動互聯網和大數據的迅速發展，以及這些技術向機械工程領域的逐漸滲透，機械工業的技術結構、產品結構、功能構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化。在機械裝置的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能的基礎上引進智能感知，將機械裝置、電子設備以及智能軟件等有機結合起來，便構成了智能機電產品。各種裝配有機械、傳感、電器、電子部件的產品，包括工業機器人、全自動生產線等工業裝備，智能臺燈、掃地機器人、全自動洗衣機和全自動洗碗機等家用電器，都可以稱為智能機電產品。同時，隨著計算機技術的迅猛發展及其在個人穿戴、交通出行、醫療健康和生產制造等智能領域的廣泛應用，智能機電技術得到了前所未有的發展，朝著智能化方向邁進。相應地，智能制造同樣發展迅速。智能制造系統是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，其能夠在制造過程中進行智能活動，如分析、推理、判斷、構思和決策等，通過人與智能機器的合作，擴大、延伸和部分取代了人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造將制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化，而智能機電產品是智能制造的基礎，具有相似的技術特征。以智能機器人為例，該產品是一個獨特的自我控制的“活物”，具備各種內部和外部信息傳感器，包括視覺、聽覺、觸覺和嗅覺感受器和效應器。效應器可使手、腳、鼻子、觸角等動起來，從而作用于周圍環境。智能機器人作為多種高新技術的集成體，至少具備三個要素：感覺、運動和思考，智能機器人的開發融合了機械、電子、傳感器、計算機硬件和軟件及人工智能等多學科知識，其發展代表著未來技術的發展方向。因此，本課程將兩輪移動機器人的創新設計過程作為設計實例融入各個章節，讓同學們能夠親自動手設計、制造該款機器人，達到智能機電產品創新設計實訓的目的。智能機電產品綜合應用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、傳感器與測控技術及電力電子技術，根據系統功能目標要求，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低功耗的意義上實現特定功能價值。機電類的產品設計、制造及維護是今后機械類專業學生從事相關工作的主要方向之一。前期理論基礎課程和專業基礎課程的學習使學生具備了智能機電產品設計所需的機械技術、微電子技術、傳感器與控制技術等方面的知識，但學生仍缺乏綜合應用這些知識的能力，無法獨立設計產品。本課程要求學生運用所學的知識，通過綜合應用創新實踐來達到以下目的：(1)掌握智能機電產品總體設計方案的擬定、分析和比較方法。(2)掌握典型傳動元件與動力元件的工作原理、計算方法和選用原則。(3)掌握典型硬件電路的設計方法、控制軟件的設計思路、控制系統MCU選擇、I/O電路擴展設計方法等。(4)掌握常用的智能傳感器的選型方法和通信接口調試方法。(5)培養學生在專業技術領域的工程設計能力和產品化設計能力，使學生掌握工程設計的基本方法和步驟，培養學生分析和解決實際工程設計問題的獨立工作能力，使其掌握各種適宜的設計思想，為以后的畢業設計工作打下良好的基礎。(6)使學生具備創造性的思維方式及創新能力，提高學生使用手冊與標準、檢索文獻資料以及撰寫科技論文的能力。1.2智能機電產品設計流程與設計內容本書以典型的智能機電產品為設計對象，遵循常用的機電產品的設計方法和流程，具體可分為以下幾個階段：1)產品規劃階段在產品規劃階段，要求對設計對象進行需求分析、市場預測、可行性分析和機理分析，確定設計參數及制約條件以及產品的規格、性能參數等，最后給出詳細的設計任務書，作為設計、評價和決策的依據。2)產品功能原理設計階段在產品功能原理設計階段，需對任務書提出的一系列設計指標，從機電產品的基本組成入手，按照系統功能和制造工藝進行產品功能模塊的劃分，即將產品劃分為機械本體、動力部分、檢測傳感部分、傳動系統與執行機構、信息處理與控制系統各部分。之后，提出實現各功能模塊的技術方案。3)產品詳細設計階段在產品詳細設計階段，需將產品功能原理方案轉化為具體的產品及其零部件的合理構型，完成產品的總體設計、零部件設計與選型以及控制系統設計與實現。之后，在完成所有機械、電氣與控制系統設計后，提供全部生產圖樣、設計說明書和相關技術文件。4)設計定型階段在設計定型階段，需對調試成功的系統進行工藝定型，整理出設計圖紙、軟件清單、零部件清單、元器件清單，編寫設計說明書，為產品投產的工藝設計、材料采購和銷售提供詳細的技術檔案資料。2.1市場需求分析2.2技術需求分析2.1市場需求分析2.1.1市場分析的相關知識1.市場分析概念關于市場分析的定義，學術界和企業界存在不同的看法。根據國際商會以及歐洲民意和市場研究協會關于市場的國際準則的定義，市場分析是市場信息領域的一個重要方面，包括將相應問題所需要的信息具體化，設計收集信息的方法，管理并實施數據收集的過程，分析研究結果，得出結論并確定含義。美國市場協會將市場分析定義為一種通過信息將消費者、客戶、公眾與營銷者聯系起來的研究過程或信息系統。該信息系統用來確定和定義市場機會與問題，生成、優化和評價市場行為，監控市場表現，加強公眾對市場的了解。市場分析的內容包括定義與問題相關的信息，設計方法并收集數據，管理監控數據收集過程，分析結果，交流結果與解決問題。2.市場分析的目的企業想要比其他競爭者更好地滿足消費者的需求，贏得競爭優勢，就必須進行市場調研或市場分析，預測市場未來的需求。產品的市場需求是什么？這是產品創新設計過程中需要回答的核心問題。需求是人們使自己從不滿意到滿意的愿望，能讓人們感受到滿足。當人們覺得不滿足時，需求就產生了。因此，市場的核心就是需求。那么，需求是什么？智能機電產品面向的客戶有什么需求？這些看似簡單的問題一直困擾著產品開發人員。如何發現需求、如何細分市場、如何把握產品周期、如何創新產品是產品設計的重要前提。產品市場分析是智能機電產品創新設計的起點，是信息準備分析和概念形成階段，是發現、定義和初步解決問題的過程，它決定了創新設計的概念和最后的設計目標。若沒有完整有效的產品市場分析，市場研究分析的一系列工作就沒有可以進一步發展的設計概念，設計過程也就無從開展。“工欲善其事，必先利其器”，設計前期的調研工作對后面的創新設計過程和結果具有十分重大且不可或缺的意義。3.市場分析活動的主要內容市場分析貫穿產品設計管理的整個過程，常見的市場分析活動主要是對客觀的市場信息進行整合分析，主要內容包括以下幾類。(1)消費者行為習慣研究。消費者行為習慣研究主要包括對消費者基本人文特征的研究和對其購買行為的研究。根據消費者購買行為研究的結果，可以估算市場需求。掌握消費者購買行為的基本模式及特點，有利于企業把握有利時機、制訂最佳的產品策略，從而進入有利可圖的目標市場。(2)品牌和市場定位研究。品牌和市場定位研究包括品牌知名度和廣告知名度、品牌滲透率、最常使用率、細分市場和市場定位等方面的研究。(3)產品價格測試研究。產品價格測試研究作為產品研發費用投入的重要參考因素之一，主要包括相關產品的比價研究、差價研究、消費者的價格敏感度研究和新產品定價研究等。在比價研究中要分析和確定同一市場和時間內相互關聯產品之間的價格關系，包括原料和半成品的比價、制成品與零配件的比價、進口產品與國內產品的比價、原產品與替代品的比價等。在產品差價研究中，要分析和研究產品之間的質量差價、地區差價、季節差價、購銷差價、批零差價和數量差價等。(4)廣告和媒體測試研究。廣告和媒體測試研究是為產品的未來推廣作準備，提前了解產品所在領域的廣告和媒體主要途徑和方式，從技術的角度提供未來推廣方案的設計思路。2.1.2數據收集方法市場研究的數據收集方法可以分為兩種形式：一手資料收集和二手資料收集(圖2-1)。一手資料收集主要是指根據研究目的，不能從現有的資料中獲得數據，只能為此進行市場調研，直接從市場中獲取數據資料的方法。二手資料收集則剛好相反，可以從現有的資料(如文獻、歷史銷售量、利潤及企業內部的一些資料)中獲得數據，該方法效率高、成本低，但是缺乏原創性。本書主要討論一手資料收集的方法。一手資料收集的方法包括觀察法、調查法和實驗法。1)觀察法觀察法是指調查者憑借自己的眼睛或攝像錄音工具等，在調查現場實地考察，記錄正在發生的市場行為或狀況，以獲取各種原始資料的一種調查方法。觀察法的主要特點是觀察者與被觀察者不直接接觸，由觀察者從側面直接或間接地借助儀器把被觀察者的實際情況記錄下來，避免讓被觀察者感覺正在被調查，從而提高調查結果的真實性和可靠性，使取得的資料更加貼近實際。觀察法是現代市場研究中一種基本的調查方法，同其他方法相比，獲得的原始資料更加真實、客觀。因而，在市場研究中比較普及，一般適用于對結果的準確性要求較高的場合。比如，要比較準確地得到顧客對某種新產品的反應，可在選擇的商店里陳設要試驗的產品，并記錄正常的購買條件下的產品的銷售量，這樣得到的數據結果較為客觀。

2)調查法調查法是為了獲得研究的數據，制訂某一計劃從而全面或比較全面地收集研究對象某幾個方面情況的材料，并作出分析，綜合得出某些觀點的研究方法。根據收集數據的特性，調查法可以分成定性的數據調研法(定性研究)和定量的數據調研法(定量研究)。定量研究是指可以提供數量性信息的研究，它的主要功能是解答“有多少”“是什么”“發生了什么”的問題。調查消費者對于某個產品的反應，通?？梢圆捎枚c的攔截訪問方法，即租用一個固定場所，約請消費者提供建議。網絡訪問中應注意被訪者必須使用網絡這個特殊的條件，如果不注意可能會導致樣本的偏差，缺少代表性。定性研究是對研究對象質的規定性進行科學抽象和理論分析的方法。它選定較小的樣本對象，憑借研究者的主觀經驗情感及有關技術進行深度、非正規的訪談，從而進一步弄清問題，發掘內涵，為隨后的進一步調查作好準備。在市場研究中，定性研究是指發掘消費者動機、態度和決策過程的研究。它的功能不是提供有關消費者的數據，而是解答“為什么”的問題。例如，為什么某些消費者會購買甲的新產品，而不購買乙的產品？它聚焦在一群小模型和精心挑選的樣本個體上，不要求具體的統計意義，但是要求憑借研究者的經驗、敏感度及有關的技術，能有效地洞察日常生活中消費者購買某些產品的動機，以及這些產品所帶來的影響。3)實驗法實驗法是從影響調研對象的若干因素中選出一個或幾個因素作為實驗變量(即自變量)，采用控制變量的方法，了解實驗因素的變化對調研對象(即因變量)的影響程度，是決定企業市場營銷策略的一種方法。所謂實驗，就是研究人員改變某些因素，比如價格、包裝、產品訴求等，然后觀察這些因素變化對其他因素的影響程度。實驗法的實質就是在測量某些變量的過程中，研究人員對研究環境進行人為操控，使實驗變量有不同水平或取值，而其他變量保持不變，再觀察因變量的變化，由此推斷自變量和因變量之間的關系。在實驗法中，對因變量的測量方式可以是訪問，也可以是觀察。實驗可以在實驗室中進行，也可以在現場環境中進行。在現場環境下受眾的反應更加符合現實情況。但是，實驗過程中研究人員沒有辦法控制現場環境中可能影響測量結果的其他因素，因而觀察到的因變量的變化未必都是實驗變量的變化引起的。在實驗室環境下，研究人員對實驗變量及其他變量的控制相對容易，可以更有效地排除其他因素對測量的影響，從而能更加明確地將觀察到的因變量的變化歸結為實驗變量的變化。2.1.3數據樣本容量確定1)樣本容量定義樣本容量又稱為“樣本數”，指一個樣本的必要抽樣單位數目。采用隨機抽樣的方法要比采用非隨機抽樣的方法更具代表性。樣本容量的確定要合理。如果樣本容量過大，會增加調查工作量，造成人力、物力、財力、時間的浪費；如果樣本容量過小，則樣本對總體來說缺乏足夠的代表性，從而難以保證推算結果的精確度和可靠性。確定科學合理的樣本容量，可以在既定的精確度和可靠性條件下，使調查費用盡可能少，保證抽樣推斷的精確效果。2)影響樣本容量的因素確定樣本容量的大小是比較復雜的問題，既要考慮定性問題，也要考慮定量問題，通常要考慮下列因素對樣本容量的影響。(1)總體各單位變異程度的大小?？傮w各單位變異程度越大，樣本越不均衡或不一致，需要的樣本容量也越大。反之，總體各單位差異程度越小，即總體越均衡，則需要抽取的樣本容量就越小。在樣本容量的計算中，常用的總體各單位變異程度指標主要是標準差。(2)允許誤差的大小。允許的誤差越小，抽樣的精確度越高，抽樣數目應當越多；反之，允許的誤差越大，抽樣的精確度越小，抽樣數目應越小。如果不允許有抽樣誤差，就必須進行普查，即全面調查。允許誤差的大小取決于研究的目的和要求、企業的實際經費和人力狀況。(3)抽樣方法和抽樣組織形式。在相同情況下，重復抽樣應多抽取一些樣本，不重復抽樣可以少抽取一些樣本。另外，抽樣組織形式不同，需要抽取的數目也不一樣。在系統抽樣時可以少抽取一些樣本，而進行簡單隨機抽樣時應多抽取一些樣本。3)樣本容量的確定樣本容量的確定通常取決于理論上的完整方案與實際可行方案之間的一個折中?？刹捎弥眯艆^間的方法來計算樣本容量，置信區間是指由樣本統計量所構造的總體參數的估計區間。在統計學中，一個概率樣本的置信區間是對這個樣本的某個總體參數的區間估計。置信區間展現的是這個參數的真實值有一定概率落在測量結果的周圍的程度。置信區間給出的是被測量參數的測量值的可信程度，即前面所要求的“一定概率”，這個概率被稱為置信水平。樣本容量的確定方法有以下兩種：(1)用百分率確定樣本容量。用百分率確定樣本容量的公式為其中，n為樣本容量；Z為與所選區間相關的樣本誤差；p為總體估計的差異性；e為可為接受誤差。(2)用平均數確定樣本容量。用平均數確定樣本容量為其中，n為樣本容量，Z為與所選區間相關的樣本誤差，σ為估計的差異性，e為可接受誤差。2.1.4數據調研法1.定量的數據調研法定量的數據調研法包括入戶訪問、攔截訪問、電話訪問、網絡訪問。(1)入戶訪問。入戶訪問是指調研者進入被調研者家中或單位進行調研的一種形式。這種訪問曾被認為是最佳的訪談方式，是唯一可以進行深度訪談和利用特定室內用品進行測試的有效訪談方式。首先，入戶訪問是一種私下的面對面訪談形式，能直接得到信息的反饋，可以對復雜的問題進行解釋。在需要使用書面材料加快訪談速度和提高訪談數據質量時，可以使用專門的問卷技術，對被訪問者進行相應的啟發。其次，入戶訪問能夠確保受訪者在熟悉、舒適、安全的環境里輕松愉快地接受訪談。(2)攔截訪問。在一個購物中心、超市、百貨商店或者其他交通便利、人流量大的地方隨機攔截路人所進行的個人訪問，被稱為攔截訪問，或街頭攔截訪問。訪問員一般在商場入口處或街頭人流集中的地方友善地攔住購物者或行人，然后就事先準備好的調研問題就地即時詢問被訪對象；或者邀請被訪者到附近一個固定的調研場所，品嘗食物新品種或觀賞廣告片段等。(3)電話訪問。電話訪問是指調查者根據調研要求，預先確定調查的問題，以打電話的方式向被調查者征詢有關意見和看法的一種調查方法。電話訪問通常是一種用于樣本數量多、調查內容簡單明了、易于讓人快速獲取有關事項信息的調查手段。電話訪問的抽樣通常屬于隨機抽樣，抽樣的關鍵是要建立樣本框。對于電話訪問來講，一般有兩種建立樣本框的方法：企業提供和隨機生成。(4)網絡訪問。網絡訪問作為一種非面對面的訪問方式，可借助海量的網絡資源，發放的調查問卷可面向更大數量或特定行業人群，且因網絡問卷制式更靈活，應用得越來越廣泛。2.定性的數據調研法定性的數據調研法包括焦點小組訪談法和深度訪談法：(1)焦點小組訪談法。焦點小組訪談法又稱為小組座談法，是市場研究技術中一種非常實用和有效的定性調研方法。它采用小型座談會的形式，從所要研究的目標市場中挑選一組具有同質性的消費者或客戶(8～12人)組成一個焦點小組，在一個裝有單向鏡和錄音錄像設備的場所，由一名經驗豐富、訓練有素的主持人以一種無結構的自由模式與小組成員交談，從而獲取被調查者對產品、服務、廣告、品牌的感知及看法。焦點小組訪談法的特點在于“群體動力”，群體動力所產生的互動作用是焦點小組訪談法成功的關鍵。焦點小組訪談過程是主持人與多個被調查者相互影響、相互作用的過程。焦點小組訪談不是一問一答式的面談而是同時對若干個被調查者的訪問。采用焦點小組訪談的一個關鍵假設是，一個人的反應會對其他人造成某種刺激，從而可以觀察到被調查者的相互作用，這種相互作用會比同樣數量的人單獨作陳述提供更多的信息。(2)深度訪談法。深度訪談法是一種無結構、直接、一對一的訪問方法。在這一過程中，由調查員與被調查者進行面對面的、一對一的深入訪談，以揭示對某個問題的潛在動機、態度、信念和感情等，從而獲得有關調研資料，它是一種探索性的調研形式。由于深度訪談是無結構的訪問，其調研走向依據受訪者的回答而定。在訪問過程中，調查員直接面對受訪者，能及時捕捉被調查者在探討某一問題時所表現出來的潛在動機、信念、態度和情感。另外，由于深度訪談是一對一的訪問，所以受訪者有充足的時間和機會把自己的觀點淋漓盡致地表達出來。2.2技術需求分析2.2.1技術需求分析的意義與途徑1.獲取技術信息資源的意義現有產品技術分析是發現、定義和初步解答問題的過程，這必然需要多方面技術信息的支持，設計師在分析問題的時候也會從許多范圍尋找所需產品技術信息，從而更好地認知問題，綜合發展出一個可以呈現新產品核心價值、滿足用戶和企業需求的解決方案。因此，設計前期最重要的支持點就是技術信息的收集和分析，這主要通過技術文獻檢索來實現，獲得的技術信息也就成了產品創新設計最主要的創新來源。技術信息資源(這里主要指文獻資源)獲取有利于幫助研究人員繼承和借鑒前人的成果，避免重復研究。人員在開始著手研究一項課題前，必須利用科學的檢索方法來了解這個課題是如何提出的，前人在這方面做過什么工作，是如何做的，有何成果和經驗教訓，還存在什么問題，以及相關學科的發展對研究這項課題提供了哪些新的有利條件等，即獲取與研究課題有關的科技信息。2.獲取技術信息資源的途徑、步驟和方法1)文獻檢索途徑文獻檢索工具能夠在對大量的文獻進行分析以后，按照一定的特征分類組織得到文獻集合體。而檢索文獻就是根據一些既定的標志，從文獻的不同特征、不同角度來查找文獻。一般情況下，文獻外表特征途徑有書名、著者、序號等，內容特征途徑有分類、主題等。(1)書名途徑。書名途徑是根據書刊資料的名稱來著手查找文獻的途徑，如“圖書書名目錄”“期刊刊名目錄”等。檢索結果均按書刊資料的名稱順序排列。書名檢索的缺點是：由于文獻篇名較長，檢索者難以記憶，加之按名稱字順編排造成檢索到的相同內容文獻較為分散，篩選工作量較大。(2)著者途徑。著者途徑是指根據已知文獻著者姓名查找文獻的途徑。文獻著者包括個人著者、合作著者和團體著者。常用的索引工具有“著者索引”和“機構索引”等。這類索引均按著者姓名字順排列。由于編輯簡單、出版快速、內容集中、使用方便，國外許多檢索工具都有這種索引。因為從事某種科學技術研究的個人和團體都各有專長，同一著者發表的文章，其專業范圍大致相近或有密切的聯系。于是，在同一著者姓名下，往往集中了學科內容相近或者有著內在聯系的文獻，能在一定程度上集中同類文獻，滿足按類檢索的要求。(3)序號途徑。序號途徑是指以文獻號碼為特征，按號碼大小順序編排和檢索文獻的途徑。這類檢索工具有“報告號索引”“合同號索引”“入藏號索引”“專利號索引”“國家標準”等。這類索引編制簡單，查找方便迅速，但事先必須掌握文獻號碼。如果知道文獻號碼，利用相對應號碼索引，檢索文獻則既快又準。但是利用文獻序號途徑查找資料會受到很大的限制(難以有目標地獲得序號)，不能把它作為文獻檢索的主要途徑。(4)分類途徑。分類途徑是指按照文獻主題內容所屬的學科分類體系和事物性質分類編排文獻所形成的檢索途徑，常通過分類索引、分類號或類別來進行檢索。例如，我國編制的科技文獻檢索工具，主要按《中國圖書館分類法》或《中國圖書資料分類法》分類，以固定的號碼表示相應的學科門類。如“T”代表工業技術大類，“TH”表示機械、儀表工業類，“TK”表示動力工程類。這種檢索途徑實質上是以概念體系為中心分類排檢的，比較能體現學科的系統性，反映事物的派生、隸屬和平行關系，便于從學科專業角度來檢索。(5)主題途徑。主題途徑是指根據文獻主題內容編制主題索引，通過主題索引來檢索文獻的途徑。主題索引中用到的主題詞是指從文獻資料中抽取的能代表文獻實質內容的詞，一般對其按字順編排。檢索時，只要已知研究課題的主題概念，然后按字順查找主題詞，不必考慮學科體系。主題途徑是使用較多、比較方便的一種檢索途徑，也是最主要的檢索途徑。但主題途徑的缺點是，要求使用者必須具備較高的專業知識、檢索知識和外語水平。2)文獻檢索步驟文獻檢索全過程一般可分為以下幾個步驟。(1)分析研究課題。文獻檢索過程是一種邏輯推理過程，首先要對待查課題進行分析。明確課題的目的，明確課題對檢索范圍的要求，包括時間、地區和文獻類型等；明確課題對檢索深度的要求，明確是要求提供題錄、文摘，還是要求提供全文；明確待查課題學科性質、技術內容和其他有關情況。必須根據待查課題的學科性質和技術內容來選定相應的檢索工具，并從中選定合適的檢索關鍵詞。(2)制訂檢索策略。制訂檢索策略是指為完成檢索課題、實現檢索目的，對檢索的全過程進行謀劃之后制訂全盤檢索方案。具體內容包括以下幾方面：根據檢索手段的可能性以及課題的經費條件和時間等因素綜合考慮，選擇合適的檢索手段；根據檢索課題的多方面要求，在了解相關檢索工具、檢索系統及其數據庫的性質、內容和特點后，選擇一種或多種檢索工具或數據庫；根據檢索條件、檢索要求和檢索課題的特點選擇合適的檢索方法，比如追溯法、順查法等；選擇檢索途徑和檢索關鍵詞；在計算機檢索系統中構造檢索式，需要將檢索課題的標識用邏輯運算符進行組配，并選擇檢索字段和檢索提問的先后次序。(3)試驗性檢索。無論是選擇手工檢索還是計算機檢索，對于較大的檢索課題，一般應先進行快速、少量的試驗性檢索，以檢驗檢索策略是否合理和有效。根據試驗結果確認或修改原定的檢索策略。(4)正式檢索。按照預先制訂的檢索策略進行實際檢索，但仍要根據檢索的階段性成果或碰到的實際問題適當調整策略和進程。靈活運用檢索工具、檢索途徑和檢索方法是檢索成功的保證。(5)原文獲取。檢索結果有兩種可能性，一種是文獻線索，另一種是全文檢索。如果是文獻線索，要對文獻線索進行整理，分析其相關程度；之后可根據需要，通過館藏或文獻傳遞等途徑獲取原文。3)文獻調研方法文獻調研方法主要有3種：普查法、順藤摸瓜法和跟蹤法。(1)普查法。所謂普查法，就是全面查找相關的文獻。具體而言，就是利用各種檢索平臺和數據庫檢索所需要的文獻。檢索的順序一般是：先國內后國外(也就是先中文后外文)、先文獻綜述后研究論文、先文摘數據庫后全文數據庫。根據課題的研究領域，要選擇適當的檢索平臺、數據庫作為文獻檢索的主要對象。適用于各個學科的通用性數據庫包括：國內的中國知網CNKI、萬方、維普和超星等；國外的WebofScience、EI、Scopus和PQDT等。除此之外，也可以按照國外大型的出版集團數據進行檢索，如：ScienceDirect(Elsevier)、IEEE和Springer等。檢索專利時，可以選擇國家知識產權局、歐洲專利局等免費數據庫或德溫特(DI)、INCOPAT等非免費的專利文獻數據庫。另外，還可以利用網上豐富的免費學術資源，比如百度學術和Google學術等，補充相關專題文獻信息。(2)順藤摸瓜法。所謂順藤摸瓜法，就是根據已查到的文獻來查找相關的文獻。具體而言，就是通過閱讀已查到的文獻，根據文獻中提到的相關研究來發現、找到更多的相關文獻。一般可在參考文獻中查找所提到的研究的詳細信息。(3)跟蹤法。所謂跟蹤法，就是針對相關研究領域的主要專家學者、期刊和會議等，有針對性地查找這些專家學者、期刊和會議近些年發表或出版的論文，并篩選出相關的文獻。那么，這些主要的專家學者、期刊和會議信息，可以通過前期的文獻調研來找出，或者通過請教相關老師和同學得到。2.2.2文獻和專利檢索數據庫1.中文檢索數據庫(1)中國知網。中國知網(簡稱CNKI)是一個綜合性數據庫，以中文文獻為主，同時集成了多個外文數據庫的文摘檢索數據庫，幾乎包含了所有文獻類型和學科，大部分中文文獻提供全文下載?？梢栽谄涫醉撛O定單個字段的檢索條件以及跨庫檢索的范圍)后直接檢索(以上稱為簡單檢索)，也可進入單庫(圖書、學術輯刊、法律法規、政府文件、企業標準、科技報告、政府采購)、行業知識服務與知識管理平臺、研究學習平臺、“專題知識庫”平臺進行高級檢索、出版物檢索。知網檢索界面如圖2-2所示。對于學位論文、專利、標準文獻的檢索，可先使用主題等字段檢索，再在檢索結果界面設定其他檢索字段的檢索條件，也可以直接點擊首頁的“高級檢索”，進入高級檢索界面。①

簡單檢索。簡單檢索是指在首頁的檢索輸入框選擇合適的檢索字段，設定規定格式的檢索條件進行檢索，默認檢索的文獻類型包括學術期刊、學位論文、會議和報紙等。簡單檢索的規則：空格代表邏輯“與”，如AB即表示AANDB，其他邏輯算符不能識別。檢索結果頁面如圖2-3所示，可以從發表時間、數據庫(類型)、來源等多個角度進行進一步篩選，除此以外，還有題名、發表時間、被引(次數)和下載(次數)排序的功能。選中合適的文獻，點擊“導出與分析”按鈕，進入文獻題錄下載界面，可以下載多種格式的文獻題錄。點擊某篇文獻的題名，可以進入該文獻的詳細介紹頁面，包括摘要、知網節點及知識網絡，并提供全文下載按鈕。中國知網提供CAJ和PDF兩種格式的原文，閱覽前者需要下載并安裝中國知網提供的CAJView閱讀器。②

出版物檢索。出版物檢索可通過查找特定出版物或文獻來源來檢索所發表文獻，對于期刊類出版物，還可了解期刊的影響因子，所屬刊源目錄索引庫(包括SCI、SSCI、EI、CSSCI及中文核心期刊目錄等)的情況。點擊首頁上的“出版物檢索”即進入出版物檢索界面，默認的檢索字段有來源名稱(包括期刊名稱或圖書名稱)、主辦單位(主要針對期刊)、出版者(即出版社)、ISSN(國際標準連續出版物號)、ISBN(國際標準書號，一些會議論文集以專著形式出版，故也有ISBN編號)和CN(中國期刊的郵發代碼)。為了提高檢索效果，建議首先點擊“出版來源導航”選擇不同的出版來源，如學術期刊、學位論文、會議、年鑒、報紙等。③

高級檢索。點擊首頁上的“高級檢索”即可進入高級檢索界面，如圖2-4所示。在高級檢索界面上，點擊“專業檢索”“作者發文檢索”“句子檢索”，可以分別進入相應的檢索界面。系統默認可以同時檢索期刊、碩博士學位論文和會議論文等多種類型文獻，在檢索結果界面左側點擊“外文文獻”，可篩選來自Emerald、Tailor等著名出版社的文獻的摘要。除作者、作者單位和文獻來源外，每個檢索字段可設定兩個檢索詞、檢索詞間的關系、檢索詞的頻率以及匹配方式，但在檢索詞輸入框內不能使用任何邏輯算符。系統會提供基于出版年、文獻來源、出版物和相關詞等的分類統計功能，點擊相應的統計條目可查看相應條目對應的相關文獻。輸入新的檢索條件后，點擊“在結果中檢索”將對上一次檢索結果增加新的條件進行再次檢索，進而命中主題更為集中的文獻。除了上述使用菜單選擇檢索字段的表單式簡單檢索或高級檢索界面外，中國知網還提供直接輸入復雜檢索式的檢索界面，稱為專業檢索，如圖2-5所示。中國知網的專業檢索式需要注意以下幾點：第一，檢索字段代碼必須大寫；第二，檢索詞和*、+、-(分別表示同一個檢索字段的檢索詞之間的邏輯與、或、非)之間沒有空格，字段和AND、OR、NOT(分別設定不同檢索字段之間的邏輯與、或、非)之間須空一格；第三，如果檢索詞中含有*或+或-，或檢索詞為詞組、短語，則使用單引號括起來，如‘4-智能小車’。(2)萬方數據。與中國知網相似，萬方數據是一個綜合性的中文文獻檢索工具，也提供全文下載。萬方數據首頁提供的“一框式檢索”與中國知網的“一框式檢索”略有不同，默認檢索的文獻類型為期刊論文、會議論文和學位論文。可重新設定檢索文獻類型范圍：當光標移到輸入框內時，系統彈出檢索字段下拉框，可選擇檢索字段；如果忽略檢索字段，系統默認的檢索字段為主題、關鍵詞、題名3個檢索字段。萬方數據的高級檢索界面如圖2-6所示，可以設定檢索的文獻類型范圍，但無法事先限定檢索的學科范圍。萬方數據的檢索規則與知網的檢索規則差別較大，AND、OR、NOT和*、+、-(分別表示邏輯與、或、非)可以混合使用，在高級檢索界面的檢索條件輸入框中使用邏輯算符；檢索詞為詞組、短語時，應使用雙引號括起來。萬方數據的檢索結果界面，可以同時勾選多篇相關文獻，批量導出題錄；顯示每篇題錄的同時，也提供了“導出”“在線閱讀”及“下載”等快捷導出或閱讀單篇文獻的按鈕。點擊文獻的題名，可進入單篇文獻詳細信息界面。提供的相關文獻包括專利、中外標準、科技成果等文獻，以及新方志、視頻等特色資源。(3)讀秀(搜索)。讀秀搜索的優點如下：①

海量學術資源庫。讀者能夠通過讀秀搜索獲得關于檢索點的最全面的學術資料，避免了反復搜集、檢索的困擾。②

整合館藏學術資源。讀秀搜索將檢索結果與各種館藏資源庫對接，讀者檢索任意一個知識點，都可以直接獲取圖書館內與其相關的紙質圖書、電子圖書全文、期刊論文等，不需要再對各種資源逐一登錄檢索查找。③

參考咨詢服務。讀秀提供的參考咨詢服務，通過文獻傳遞直接將相關學術資料發送到讀者郵箱，使讀者零距離獲取珍稀學術資源。讀秀的中文搜索提供知識、圖書、期刊、報紙、學位論文、會議論文、音視頻、文檔、電子書9個主要搜索頻道，讀秀搜索界面如圖2-7所示。當設定檢索的文獻范圍為讀秀的“知識”時，系統僅提供“一框式檢索”界面，沒有高級檢索、專業檢索等功能。當選擇其他文獻類型但非外文搜索時，才能使用高級檢索、專業檢索等功能。(4)超星電子圖書數據庫。超星電子圖書數據庫與前述幾種檢索工具不同的是，超星電子圖書數據庫是一個電子圖書全文數據庫，提供閱讀器閱讀和網頁閱讀兩種閱讀方式。在該工具的簡單檢索界面上輸入檢索條件時，兩個檢索詞之間以空格分割，表示邏輯“與”，不能使用邏輯“或”和邏輯“非”。高級檢索界面上，同一個檢索字段內不能使用邏輯算符，不同輸入框的檢索條件之間是邏輯“與”關系，且只能精確匹配，檢索詞前后順序不可顛倒。因此，若檢索條件的邏輯關系復雜，建議使用二次檢索功能。2.外文檢索數據庫(1)?WebofScience數據庫。WebofScience是一個集檢索、分析、管理與評價于一體的平臺(檢索界面見圖2-8)，其中首頁左上角是平臺提供的數據子庫或文獻管理軟件，默認的是WebofScience核心合集數據庫(簡稱WOS核心合集)，提供文獻檢索和分析功能。此外，IncitesJournalCitationReports、EssentialScienceIndications均為評價型數據庫，用于對作者、期刊、機構國家等進行評價。需要特別注意的是，選擇“所有數據庫”檢索是對多個數據庫進行跨庫檢索，盡管不同數據庫需提供的檢索字段差異較大，但系統僅提供不同數據庫中的共有檢索字段，只有當選擇單一數據庫時，才能選擇一些特色檢索字段。因此，如果需要使用特色檢索字段，建議避免使用“所有數據庫”，而是根據課題所屬學科選擇相應的數據庫，自動控制、物理及相關學科選擇INSPEC數據庫；醫學及相關學科選擇MEDLINE數據庫；生命科學及相關學科選擇BIOSISPreviews數據庫；專利文獻則選擇DerwentInnovationsIndex數據庫。WebofScience核心合集(簡稱WOS核心合集)僅收錄了全球優秀期刊、會議和圖書等類型的文獻。在系統默認的WOS核心合集檢索界面上，點擊“更多設置”可見引文索引選擇項，即ScienceCitationIndexExpanded(科學引文索引擴展版，簡稱SCIE)、SocialScienceCitationIndex(社會科學引文索引，簡稱SSCI)、ConferenceProceedingsCitationIndex-Science(國際會議自然科學工程技術領域引文索引，簡稱CPCI-S)。SCIE收錄高水平自然科學、工程技術類期刊，SSCI收錄高水平社會科學領域期刊，A&HCI收錄高水平藝術和人文學科領域期刊，SCPCI-S收錄社會科學類高水平會議文獻，對于這些高水平學術論文的索引，可以根據需要單獨購買使用權，因此不同機構用戶的WOS核心合集中涉及的索引庫不盡相同。在基本檢索界面上，點擊“添加行”按鈕，可增加一條文本框，與前面的文本框構成邏輯組配關系，多次點擊該按鈕，可增加多條文本框。(2)?EngineeringVillage數據庫。EngineeringVillage數據庫創辦于1884年，由美國工程信息公司(簡稱EI)編輯出版，現由著名出版商Elsevier經營。它是世界上著名的有關工程技術方面的文摘性、綜合性的檢索工具，也是世界上鑒定、評價科研人員、工程技術人員學術成果的權威工具?？梢詸z索1969年至今的文獻，可檢索的數據庫有EiCompendex、Inspec、GEOBASE、GeoRef、EnCompassLIT&PAT、USPTO&EPO、NTIS、PaperChem、CBCN、Chimica，文獻類型包括期刊、會議、報告、學位論文、專利等。EngineeringVillage數據庫首頁Search標簽中，可選擇QuickSearch(快速檢索，最多可同時輸入12條檢索條件)、ExpertSearch(高級檢索)、BrowseIndexes(瀏覽檢索)、ThesaurusSearch(主題詞表檢索)以及SearchHistory(檢索歷史，用于回顧檢索過程或對不同的檢索過程進行進一步的組合操作、訂閱)。在檢索結果界面提供了出版商原文鏈接，方便獲取原文。注意：論文的DOI稱為數字對象唯一標識符，是國際通用、終身不變的數字資源標識符，已成為科技期刊的“標準配置”以及論文的“身份證”。全球4萬余種期刊為論文注冊DOI，并使用DOI鏈接。全球的數字出版行業通過DOI進行跨出版商、跨系統、跨語言的資源鏈接。也就是說，絕大部分期刊論文都會有一個DOI號，我們根據DOI號可以精確查找相應的論文。例如：網站SCI-HUB可以根據DOI號免費下載期刊全文(見圖2-9)。3.專利檢索平臺專利檢索可借助的平臺較多，這里介紹幾種常見的平臺：(1)國家知識產權局的專利檢索及分析系統。國家知識產權局(簡稱國知局)的專利檢索及分析系統(其界面見圖2-10)，可以檢索1985年以來的所有專利及其法律狀態，收錄了103個國家、地區和組織的專利數據，包括引文、法律狀態等數據信息。用申請號中的申請年后的第一位數字或公開公告號中的第一位數字區分專利類型，該數字稱為專利類型標識數字：發明的類型標識數字為1或8，其中8表示PCT發明申請；實用新型的類型標識數字為2或9，其中，9表示PCT實用新型申請，外觀設計的類型標識數字為3。在檢索框的左邊可以對檢索范圍進行篩選，包括專利類型和專利號等。當鼠標停留在任一輸入框時，會提示該字段的輸入格式和輸入規則，檢索時根據已知條件選擇相應的字段，按照規定的格式輸入檢索條件，常用的檢索字段如下：①

申請號、公開(公告)號，輸入框后有一個問號的超鏈接，可以查詢專利的國別代碼。②?IPC分類號，國際專利分類號輸入框后的問號鏈接可以查詢分類體系，特定的分類號有對應的含義，特定的主題被歸在各自的分類號中。③

發明人、申請(專利權)人。發明人一般為個人，申請人則視情況而定，所以這里要引入一個概念，即職務發明。職務發明是指企業、事業單位、社會團體、國家機關等的工作人員執行本單位的任務或者主要利用本單位的物質條件所完成的職務發明創造。在專利法中，這種關系集中體現為職工完成的發明創造的權利歸屬問題，即職工完成的發明創造是職務發明還是非職務發明創造的問題。原則上，這一問題的解決應當遵從“合同優于法律”的原則，即有關發明創造成果權歸屬問題首先應當按照勞動合同中的約定來解決。(2)?CNKI專利數據庫。CNKI專利數據庫收錄1985年中國專利法實施以來公開的中國發明、實用新型、外觀設計專利的題錄、文摘信息。登錄CNKI鏡像站的中國專利數據庫，數據庫提供初級檢索、高級檢索兩種檢索方法。初級檢索界面左側的檢索字段選擇的下拉式菜單中提供16個檢索字段，分別是發明名稱、發明人、法律狀態、通訊地址、文摘等。在檢索對話框中輸入相應的檢索詞即可獲得相應專利的文摘信息。高級檢索界面提供6個檢索對話框，各對話框之間可進行“與”“或”“非”的布爾邏輯運算。(3)萬方數據資源系統專利數據庫。萬方數據資源系統專利數據庫收錄1985年中國專利法實施以來公開的中國發明、實用新型、外觀設計專利的題錄、文摘信息。數據庫提供3個檢索對話框，每個對話框提供包括全文、專利名稱、申請人、發明人、通訊地址、申請號、申請日期、審定公告號、審定公告日、分類號、主權項、文摘、代理機構、機構地址、代理人15個檢索字段選擇，各對話框之間可進行“與”“或”“非”的布爾邏輯運算。(4)中國專利信息網。中國專利信息網

由國家知識產權局專利檢索咨詢中心于1997年10月開發建立，是國內最早通過互聯網向公眾提供專利信息服務的網站。該網站的中國專利數據庫收錄了1985年以來公開的全部中國發明、實用新型和外觀設計的題錄和文摘信息。(5)中國知識產權網。中國知識產權網

是由國家知識產權局專利文獻出版社于1999年10月創建的知識產權信息與服務網站。該網站的專利數據來源于每周出版的電子版《專利公報》。(6)中國專利全文打包下載網站。中國專利全文打包下載網站

基本可以下載已經公開的絕大部分專利全文，檢索時輸入專利申請號或者公開(公告)號，可直接下載。因此，檢索下載專利的通常做法是，先通過其他專利檢索網站根據關鍵詞查詢到專利申請號或公開(公告)號，再用該打包下載網站進行全文下載，下載界面如圖2-11所示。(7)歐洲專利局網站。歐洲專利局網站

是由歐洲專利局、歐洲專利組織成員國及歐洲委員會共同研究開發的專利信息網上免費檢索系統。該網站提供了自1920年以來世界上80多個國家公開的專利題錄數據庫及20多個國家的專利說明書。該網站是檢索世界范圍內專利信息的重要平臺。該系統中各數據庫所收錄的專利來源國家的范圍不同，各國收錄專利數據的范圍、類型也不同。通過網址進入檢索頁面(見圖2-12)。該頁面左側列出了以下幾種檢索方法：快速檢索、高級檢索、號碼檢索和歐洲專利分類檢索?？蓹z索以下3個數據庫收錄的專利信息：世界范圍專利(數據庫)、歐洲專利(數據庫)和世界知識產權組織(數據庫)。在快速檢索界面上可選擇在世界范圍專利、歐洲專利局、世界知識產權組織3個數據庫中檢索。檢索結果列出命中專利的名稱、發明人、申請人、公開日期、公開號、IPC及EC分類號等信息。選中專利名稱右側的“inmypatentlist”，所選記錄將保存在“mypatentlist”中。3.1智能機電產品系統方案設計步驟

3.2核心功能可行性驗證3.1智能機電產品系統方案設計步驟

智能機電產品開發的一般過程包括：產品需求分析、項目規劃、產品功能劃分、原理方案設計、產品詳細設計、產品支持這6個階段。產品需求分析已在上章涉及，本章將對后5個設計步驟進行簡要介紹。3.1.1項目規劃項目規劃是指在找到需求之后，對產品的設計過程進行規劃，具體包括建立團隊、任務分析和時間安排等。

(1)建立團隊。根據產品功能需要，對技術人員進行合理的分配，指定項目總負責人和各模塊的負責人，項目總負責人負責整個項目的管理、各模塊的協調和資源分配等。(2)任務分析。從需求分析中提煉任務目標，確定設計參數及制約條件，給出詳細的設計任務書，作為項目實施過程和結果的評價和決策依據。(3)時間安排。時間安排指明，在規定的時間內完成規定的任務，可通過甘特(Gantt)圖來實現(圖3-1)。項目規劃是決定后期設計能否順利開展的關鍵。項目規劃一般需要在產品詳細設計之前完成，首先請相關專業技術人員對用戶或市場要求的產品功能進行評定，確定產品的技術參數指標；然后再計算成本，以實現最優設計方案。為了實現產品設計一致性，需要將產品創新、市場推動等的目標轉化為可量化的參數指標。即通過理論分析和邏輯推理，用工程語言描述設計要求，形成產品的規格和性能參數。智能機電產品一般需要的技術參數包括：①

運動參數：表征產品工作部件運動軌跡、行程、速度、加速度等。②

動力參數：表征產品為完成加工動作應輸出的力、力矩、功率等。③

品質參數：表征產品工作的運動精度、動力精度、穩定性、靈敏度、可靠性等。④

智能參數：表征產品的智能程度，即所能感知的物理量種類、數量和智能算法的層次。⑤

環境參數：表征產品工作的環境，如溫度、濕度、輸入電源等。⑥

結構參數：表征產品的空間幾何尺寸、結構、外觀造型等。⑦

界面參數：表征產品的人機對話方式和功能。3.1.2產品功能劃分在獲得詳細的設計任務書后，需進一步對設計任務進行分解得到產品的各功能模塊。功能與產品設計間存在因果關系。具體來說，根據系統的總功能要求和構成系統的功能要素，進行總功能分解，劃分出各功能模塊，確定它們之間的邏輯關系；在此基礎上，對各功能模塊輸入/輸出關系進行分析，確定功能模塊的技術參數和控制策略、系統的外觀造型和總體結構；最后，以技術文件的形式交付設計組討論、審定。產品功能劃分是為了對產品的功能進行深入、細致的分析，設計人員需要按照系統分解的方法分解產品的功能。把產品總功能根據優先級劃分為主功能(即系統功能)和輔助功能(包括各個功能單元)，再將各個功能單元進一步分解為各個子功能。因為產品的各個功能之間有明確的遞進關系，可以利用這種關系建立“產品功能結構圖”。這樣既可顯示各功能單元與總功能之間的關系，又可以通過逆向求解的方法將各功能單元的解進行有機組合，從而求得系統功能的解，即實現產品總體功能方案。進行產品功能劃分可采用繪制產品功能樹的方法。功能樹的頂端起于產品，向下分解為主功能和輔助功能，再分解為子功能。例如掃地機器人的功能樹如圖3-2所示。掃地機器人的主功能是清掃和行走，輔助功能包括自充電、路徑規劃、虛擬墻和碰撞保護等。其中，清掃功能一般包括刷掃、真空吸塵、擦地等功能，行走功能主要采用輪式機構；自充電功能包括充電元器件(即充電電池和充電座)和自動返航充電原理的設計，自動返航充電有多種技術原理，有紅外線定位、藍牙定位和雷達定位等幾種方案；路徑規劃功能包括激光導航和規劃算法等。3.1.3原理方案設計原理方案設計是整個設計過程中最重要的一步，通過產生多個產品的原型，確定出最優原型，設計原理方案。首先還是要分析該產品要實現哪些功能，每個功能要怎樣來實現，實現這些功能的方法都有哪些。比如要實現分選電池，可以根據幾何尺寸形狀分選，也可以根據圖像分選，還可以根據電量分選。對每一個功能進行上述分析步驟，列出每個功能可能的實現方法，最后綜合考慮成本、性能和實現難易程度等因素來選出最佳的設計方案。完整的智能機電產品主要包括機械結構、傳動與執行機構、智能感知、控制系統和動力源五個方面組成，上述組成要素之間通過運動、力和信息等相互關聯，形成一個有機融合的完整系統，如圖3-3所示。上述五個部分是智能機電產品設計的主要內容，也是本書章節安排的主要依據。針對智能機電產品的某一功能可以提出多種設計方案，譬如，要實現智能小車的移動功能，可以采用輪式行走、履帶式行走和足式行走等多種方式；要實現金屬元件的檢測，可以采用光電傳感器、霍爾傳感器、電容傳感器、電感傳感器和攝像頭等多種檢測設備。但若要將產品的多種功能結合在同一個智能機電產品中，則需要綜合考慮哪個功能是整個產品的主要功能，該功能可以用哪些方式實現，不同方式的實現成本差距多少，不同方式對產品的性能有哪些影響等；綜合考量不同方案的難度、成本、精度和時間進程等各方面因素后確定整個智能機電產品的主體功能的實現方案。最后，針對具體子功能的實現進行優化分析?？v觀系統的設計流程，設計過程的各階段均貫穿于圍繞產品設計的目標所進行的“基本原理—總體布局—細部結構”三次循環設計的各個步驟中。每一個階段均構成一個循環體，即以產品的規劃和討論為中心的可行性設計循環；以產品的最佳方案為中心的概念性設計循環；以產品性能和結構優化為中心的技術性設計循環。循環設計使產品設計在可行性規劃和論證的基礎上求得概念上的最佳方案，再在最佳方案的基礎上求得技術上的優化，使系統設計的效率和質量大大提高。3.1.4產品詳細設計產品詳細設計階段根據設計目標，將原理方案具體化、參數化、實物化。對于硬件產品的設計，主要表現為具體的設備、裝置或電路板的設計；對于軟件產品的設計，主要表現為具體的應用子程序或軟件包的設計。這個階段的工作量較大，包括機械、電氣、電子、控制與計算機軟件甚至算法等系統的設計，又包括總裝圖和零件圖的繪制。應盡量應用各種設計工具以提高工效，但要注意各種軟件之間的兼容性。設計應盡量模塊化和結構化，以利于改進產品或作為