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机械设计的创新挑战
摘要
Bernard Roth教授一直是基于机械和机械科学的机器人设计先驱，为了纪念他85岁生日，本文希望强调机械设计对现代系统的进一步发展有多大影响。 本文讨论了创新问题和机制设计方面的挑战，因为它们仍然是机制和机械科学技术转移到现代系统新颖成功机械设计的基础。
关键词
机构与机械科学 设计 创新 机构设计
- 引言
在技术发展方面，对创新的要求无所不在。
但创新意味着什么？MMS（机构与机械科学）的创新意味着什么？
在当今的现代社会中，创新被理解为一种多学科活动，要求通过实际实施技术发展来实现其生产者和用户的利益。 在过去的几十年里，科学成就使得许多领域的新工程开发成为可能（反之亦然！），其演变速度比过去更快。 这种持续的要求/期望也对创新产生了一定的影响，甚至在开发具有特征的解决方案中产生了竞争，这些特征被认为是即使在结构良好的框架内进一步发展的基础。 当今创新多学科活动的方面和趋势已经从多学科创新内容的许多观点中被讨论和征求，并且由于创新参与者的特定经验和专业知识，有时某些方面被高估了其他方面。
丰富的文献甚至可以从创新活动的每个方面获得。参考文献由于它的一般特征和基于作者的个人经验的缘故不包括在本文中。
然而，值得注意的是，同样在IFToMM社区内，自1969年以来，通过宪法处方指示IFToMM活动以寻找新的方向和研究趋势的方法就一直被关注。例如，工作[1]是一个简短深思熟虑的讨论，讨论创新所需的内容来自不同的行动，但背景是作者在MMS方面的专业知识。Bernard Roth教授（1933年5月28日出生）业已将他的大部分活动都投入到探究如何在机械工程领域实现和激发创新的研究和教学，以及他最近出版的《成就习惯》一书中[2]。这是一本自传体笔记的手册摘要，专门用于促进独立于专业水平的创造力。
MMS的成就是在理论、数字和设计工作中发展起来的，因此一旦在工程实践或科学应用中实施，它们就有助于创新，甚至它们本身就是创新。在这篇论文中，试图以一种合成的演示来阐明创新主要涉及与MMS和IFToMM社区相关的技术方面。
科学家, 设计师
amp; 发明者 新兴设计
数据与要求
系统设计
新兴设计
市场价值 企业剥削
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用户 amp; |
企业家 |
|
公众 |
amp; 制造商 |
市场价值
IIP防御
企业剥削
产品
用户的接纳
a) b)
图1. 有关创新的概念方案:：(a) 一般性理解；(b) 在MMS 领域。
- MMS的创新和挑战活动
一般而言，创新活动可以理解为将知识和相应的解决方案转化为市场产品，以实现大规模的公共成果。图1(a)总结了与几个参与者的多学科活动相关的创新概念。创新不仅通过新颖的想法实现，而且主要是在知识转移成功地通过用户接受的公共世界时实现的。这种复杂的活动包括各种技能，当只有一种技能弱或失败时，整个转移过程将失败。当技术理念或解决方案具有潜在的实施内容时，可以开始创新。因此，创新的发起者是通过他们作为发明者的行为而具有工程技能的设计师或科学家，但总的来说，主要的剥削者是商业专家和企业领导者，他们在适当的水平上开发和产生创新理念，以便市场价值和用户接受。值得注意的是，不仅新的解决方案通过新产品进行创新，而且通常是开发计划通过新的销售提供创新，例如当产品在没有其他竞争对手的情况下达到市场销售时。因此，创新的成功需要充分了解可以通过企业的观点转移到市场销售中以适当征求/识别的用户。总结：科学和技术是基础，但经济和管理是发动机，教育和宣传是创新的最终工具。教育，同样是宣传，可以帮助潜在用户理解新奇事物及其实用特征。因此，在提及技术内容时，大学框架可以涉及基础和最终工具。实际上，教育和形成是构思新想法和让用户接受这些新想法的重要领域。
创新活动可以从不同的角度进行规划，但需要
- 技术新颖，这是来自新想法和解决方案的创新的第一个动力。
- 生产可行性，这与可用性水平的产品新颖性的实际可行性有关。
- 操作效率，与用户导向产品的实用可用性相关。
- 市场开发，与成功向大众提供的功能有关。
- 用户接受，这与潜在用户的成功有关。
技术方面通常被强调为由于设计创造力和独创性，知识产权的辩护被认为不仅通过专利发布而是创新价值的主要方面之一。.
理解创新可以被认为是通过意识清晰的计划来创造创新的基础，并且它对于新想法和系统的设计开发的适当计划也是有帮助的。
理解创新的所有上述考虑因素也可以解释为当创新思想与机器及其操作相关时，特别是MMS，并且用户不仅在一般用户中被识别，而且甚至在利益相关者和技术开发者/推动者中被识别。 因此，图1（a）中的一般概念可以如图1（b）所示，当它们涉及旨在帮助或维护人类操作员工作任务或日记的（服务）机器的一般现代概念生活时。
在图1（b）中，传统的工程过程在图的“系统设计”块中综合表示为机器开发的核心技术活动，其中包括从设计到原型测试的技术程序，并考虑数据和要求。 创新的多学科方面可以被认为对机器的设计开发具有非常大的影响，因为它来自涉及企业开发和市场价值的许多不同方面，因为它由两个相应的横向块表示。市场问题以及生产限制可能会通过影响系统最终开发来为设计解决方案及其性能提出替代或不同的解决方案。
将机器设计作为创新提案所必需的许多方面将需要专家的合作形成许多学科，甚至可以认为这些学科与创新设计没有直接关联，例如心理学和潜在用户的普通教育。
“知识产权保护”活动（知识产权保护）不仅可以被认为与通过专利和法律行为对创新的知识产权的明确保护有关，而且也可以通过传播来实现。 通过出版或宣传甚至向大众提供明确的亲子关系的创新。 这项活动将需要来自不同领域的合作，即使没有技术内容，例如法律专业知识和财务分析。 明确的知识产权保护可能需要仔细识别和解释新颖性，以便它们可能影响创新解决方案的设计及其用于开发的表达。
“生产”活动与从创新理念和系统设计在适当的制造业绩和市场价值水平上制造产品的过程有关，因此它可以为创新者的实际利用做好准备并取得成功。 由大量用户组成。 在这个阶段，关键是来自业务领域和商业化的各个方面，因此可以认为创新已经成为现实，因为产品具有适当的商业化功能。
最后一步是证明创新产品成为目标的潜在用户，可以真正欣赏和使用创新产品。最后一步通常是创新过程中最难以预测的一步，因为它取决于随意性方面和公共潜在用户的多样性。
MMS区域的创新特性可以概括为上述用于具有MMS开发目标的服务机器的概念，其最终被完成以改进和/或解决用户在日记生活和技术任务中的活动中的新的或演变的需求。机制设计在现代系统中的重要作用可以通过注意人类在机械性质的作用下运行和与环境相互作用以及通过系统进行交互来强调，因此机械设计作为现代系统的核心，是机械设计的重要组成部分。系统。此外，今天不断要求更新技术中的问题和解决方案，因为社会在寻找新的或更好的产品时不断发展新的和更新的需求和要求。因此，甚至机械系统也需要新的和更新的问题，这些问题需要不断发展和更新现代系统的机械设计。
机构设计在创新方面的挑战可以在上述方面得到认可，为新问题提供新的解决方案，以及更新或改进现有的新的或更新的需求和任务的解决方案。因此，主要的要求是设计解决方案需要独创性，但也需要通过更好的计算算法和新的搜索策略来改进设计程序。即使没有知识背景或技术专长，至少在第一个创新提案的层面上，即使没有知识背景或技术专业知识，这种独创性也能够提供解决方案和想法。然而，当它与独创性相结合时，基于适当专业知识的创新活动更加多产和成功。在MMS中，这提出了不同的方法来搜索新机制，甚至独立于特定的设计问题或任务。机械设计的挑战已经被确定为能够提供所有可能的解决方案，其中设计者/发明者或甚至用户可以选择被认为适合于解决方案需求的解决方案。与设计问题相关的还要求分析方法对新的预期性能提供适当的新评估。
3. 实例
以下实施例见图2–4 通过参考机制设计的专业知识如何成为成功解决方案的来源，阐明了MMS领域中创新意义和价值的上述方面。
3.1. 过去的创新
图 2 涉及非常着名的瓦特机构的设计，由于活塞导向的精度更高，用于提高蒸汽马达的效率[3]。 这一成功导致蒸汽马达在运输和其他工业应用的新机器中得到广泛应用。 技术新颖性与时间的MMS有关，并且可以使用耦合器曲线来识别运动引导目的。 这是过去的一个典型例子，其中知识，专业知识和独创性产生了机械创新，不仅在技术发展方面，而且在社会和经济演变中都产生了强烈影响，[6]。 值得注意的是，商业计划和企业开发也提升了技术价值，其中包括在工业革命期间甚至由其他人开发的几个版本。
3.2. 来自现代机器人
虽然过去技术内容在MMS值创新方面表现突出，但今天商业开发似乎降低了技术价值的优点。 只有部分限制了专利保护，即使有MMS概念，也有助于对设计技术方面给予适当的重视。
图3 通过指示创新成功的若干解决方案的示例来指代可部署机制。可部署机制的MMS理论仍然是一个密集的研究活动的主题，并且新的设计解决方案在有或没有实际应用目的的情况下不断构思，作为一个标志性的例子，即使在技术成就即使在一定程度上没有特定应用的解决方案也可以成为一项完整的创新。图3 中的示例涉及相同机构设计的不同应用领域，其具有不同领域中的特定创新方面。 不同的应用领域可以表明机制设计如何通过不同的应用促进创新和技术成就，展示机制的丰富性和巨大潜力。
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图2. Watt机制的过去创新： (a) Lanz和Betancourt在1808年的书中对运动特性的早期运动学研究，[4]; (b) G.A.机器组成一书中关于机车（顶部）和工业设备（底部）的应用 博尔尼斯于1818年，[5].
图 3. 创新应用中的可部署机制：(a) 在玩具设计; (b) 用于空间天线结构; (c) 在土木工程的负载升降机。
3.3. LARM的经验
在过去的二十年里，Cassino的LARM活动产生了几个基于机械设计的新系统。 作为这种体验的一个例子，Heritagebot平台在图4中显示为设计活动的结果，该活动计划为在服务/监督下在文化遗产框架中工作的服务系统的请求提供解决方案。 /文化遗产经营者，[7]。该系统的设计理念是利用LARM设计的移动机器人背景，并结合与经济学家和文化遗产运营商合作时提出的解决方案，以满足预期的大范围应用中的移动性和传感需求。该设计采用模块化设计，如图4（a）所示，带有用于腿部运动，无人机飞行和机器人服务功能的设备模块。 通过图4（b）中的解决方案，还研究了整体设计的适当形状和尺寸，以供潜在用户接受作为餐馆老板。 主要将腿部运动与无人机飞行相结合的设计创新，需要专利保护，指的是文化遗产框架创新的项目活动中的基本活动，这些活动是按照图 1（b）中的方案制定的。
图 4. 在卡西诺的LAM设计的Heritagebot平台，[6]: (a) 模块的概念设计; (b) CAD面向用户的机械设计解决方案。
4. IFToMM在MMS创新中的作用
创新的重要性由相应的社区产生和支持，尤其重要的是IFToMM的作用，[8,9]，不仅在国际框架中。
IFToMM的结构在图5 中根据IFToMM机构进行了总结，该机构是在IFToMM制定的全球活动流程（www.iftomm.net）中建立的。 根据IFToMM使命，如同构成的第1条，IFToMM活动最终确定，通过协助和加强国际合作，为机制和机器科学的现代成果的合作和发展提供领导。
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