メカトロニクス

メカトロニクス工学は、メカトロニクスとも呼ばれ、機械工学、電気工学、電子工学、ソフトウェア工学の統合に重点を置いた学際的な工学分野であり、^[1]ロボット工学、コンピューターサイエンス、電気通信、システム、制御、自動化、製品工学の組み合わせも含まれます。^{[2] [3]}

技術が時とともに進歩するにつれ、工学のさまざまなサブフィールドが適応と増殖の両方に成功しました。メカトロニクスの目的は、これらのさまざまなサブフィールドをそれぞれ統合する設計ソリューションを生み出すことです。もともと、メカトロニクスの分野は、機械、電気、電子の組み合わせに過ぎないことを意図していたため、その名前は「メカニクス」と「電子工学」という言葉を組み合わせた造語でした。しかし、技術システムの複雑さが進化し続けるにつれて、定義はより技術的な領域を含むように拡大されました。

メカトロニクスという言葉は、安川電機の技術者であった森哲郎によって作られた和製英語に由来しています。メカトロニクスという言葉は、1971年に同社によって日本で商標登録され、登録番号は「46-32714」でした。その後、同社はこの言葉の使用権を一般に開放し、この言葉は世界的に使用されるようになりました。現在、この言葉は多くの言語に翻訳されており、高度な自動化産業に不可欠な用語と見なされています。^[4]

多くの人々は、メカトロニクスを自動化、ロボット工学、電気機械工学と同義の現代の流行語として扱っています。^[5]

フランス規格NF E 01-010では、「製品の設計と製造において、機械工学、電子工学、制御理論、コンピュータサイエンスを相乗的に統合し、製品の機能性を向上および/または最適化することを目指すアプローチ」と定義されています。^[6]

「メカトロニクス」という言葉は、1971年に同社が日本で商標登録し、登録番号は「46-32714」。その後、同社が使用権を一般に開放し、世界的に使われるようになった。

1980 年代の情報技術の出現により、マイクロプロセッサが機械システムに導入され、パフォーマンスが大幅に向上しました。1990 年代までには、計算知能の進歩がメカトロニクスに適用され、この分野に革命をもたらしました。

メカトロニクスエンジニアは、機械、電気、電子、コンピューティングの原理を統合して、よりシンプルで経済的で信頼性の高いシステムを生み出します。^[7]

工学サイバネティクスは、メカトロニクスシステムの制御工学の問題を扱います。これは、そのようなシステムを制御または調整するために使用されます（制御理論を参照）。コラボレーションを通じて、メカトロニクスモジュールは生産目標を実行し、生産スキームにおける柔軟で機敏な製造特性を引き継ぎます。現代の生産設備は、制御アーキテクチャに従って統合されたメカトロニクスモジュールで構成されています。最もよく知られているアーキテクチャには、階層、ポリアーキー、ヘテロアーキ、およびハイブリッドが含まれます。技術的効果を達成する方法は、設計に形式手法を使用する場合と使用しない場合があります。メカトロニクスにとって重要なハイブリッドシステムには、生産システム、シナジードライブ、 探査ローバー、アンチロックブレーキシステムやスピンアシストなどの自動車サブシステム、オートフォーカスカメラ、ビデオ、ハードディスク、CDプレーヤー、電話などの日常的な機器があります。

機械工学は、メカトロニクス工学の重要な部分です。物体がどのように機能するかという機械的性質の研究が含まれます。機械要素とは、メカトロニクス システムの機械的構造、メカニズム、熱流体、油圧の側面を指します。熱力学、動力学、流体力学、空気圧、油圧の研究です。メカトロニクス エンジニアは、油圧および空気圧システムに特化することができ、自動車業界で働いています。メカトロニクス エンジニアは、強力な機械的および電子的背景を持っているため、車両を設計することもできます。コンピュータ支援設計やコンピュータ支援製造などのソフトウェア アプリケーションの知識は、製品の設計に不可欠です。メカトロニクスは、自動車業界で広く適用されている機械のカリキュラムの一部をカバーしています。

メカトロニクスシステムは自動車の機能の大部分を占めています。センサー、情報処理、アクチュエータ、機械的（物理的）変化によって形成される制御ループは多くのシステムに見られます。システムのサイズは大きく異なる場合があります。アンチロックブレーキシステム（ABS）はメカトロニクスシステムです。ブレーキ自体もメカトロニクスシステムです。また、運転制御（クルーズコントロールなど）、エンジン、実際の車両走行速度、速度測定によって形成される制御ループもメカトロニクスシステムです。^[8]自動車工学におけるメカトロニクスの重要性は、自動車メーカーが「メカトロニクス」という名前を持つ開発部門を持っていることが多いという事実からも明らかです。

電子工学および電気通信工学は、メカトロニクス システムの電子デバイスと電気通信デバイスを専門としています。電子工学および電気通信を専門とするメカトロニクス エンジニアは、コンピューター ハードウェア デバイスに関する知識を持っています。信号の伝送は、メカトロニクスのこのサブフィールドの主な用途です。デジタル システムとアナログ システムも、メカトロニクス システムの重要な部分を形成します。電気通信工学は、媒体を介した 情報の伝送を扱います。

電子工学は、コンピュータ工学および電気工学に関連しています。制御工学は、民間航空機の飛行および推進システムから、多くの現代の自動車に搭載されているクルーズコントロールまで、幅広い電子アプリケーションを扱っています。VLSI設計は、集積回路を作成するために重要です。メカトロニクス エンジニアは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロチップ、半導体に関する深い知識を持っています。電子機器製造業界におけるメカトロニクスの応用により、携帯電話、コンピュータ、カメラなどの消費者向け電子機器の研究開発を行うことができます。メカトロニクス エンジニアは、電子製品の設計と開発のために、 MATLABやSimulinkなどのコンピュータ アプリケーションの操作方法を学ぶ必要があります。

メカトロニクス工学は学際的なコースであり、電気システムと機械システムの両方の概念が含まれます。メカトロニクスエンジニアは、高出力変圧器や無線周波数モジュール送信機の設計に従事します。

アビオニクスは、電子工学や電気通信などのいくつかの分野と航空宇宙工学を組み合わせたものであるため、メカトロニクスの一種とも考えられています。これは、航空機の電子システムに焦点を当てた工学分野であるメカトロニクス工学と航空宇宙工学のサブ分野です。アビオニクスという言葉は、航空と電子工学を組み合わせたものです。航空機の電子システムには、航空機通信アドレス指定および報告システム、航空航法、航空機飛行制御システム、航空機衝突回避システム、フライトレコーダー、気象レーダー、雷探知機が含まれます。これらは、警察のヘリコプターのサーチライトのように単純なものから、空中早期警戒プラットフォームの戦術システムのように複雑なものまであります。

もう一つのバリエーションは、現在メカトロニクスの主要技術として認識されている、高度なメカトロニクスのためのモーションコントロールです。モーションコントロールの堅牢性は剛性の関数として表され、実用化の基礎となります。モーションのターゲットは、タスクの参照に応じて可変である可能性がある制御剛性によってパラメータ化されます。モーションのシステム堅牢性には、常にコントローラの非常に高い剛性が必要です。^[9]

工業エンジニアの分野には、さまざまな製造業の機械、組み立て、およびプロセス ラインの設計が含まれます。この分野は、オートメーションやロボット工学に多少似ていると言えます。工業エンジニアとして働くメカトロニクス エンジニアは、製造工場のインフラストラクチャを設計および開発します。また、彼らは機械の設計者であるとも言えます。工業デザイナーとして働いて、工業レイアウトを設計し、製造業の設立を計画したり、工業技術者として働いて、特定の工場の技術要件や修理を監督したりすることができます。

ロボティクスは、メカトロニクスの最も新しいサブフィールドの 1 つです。ロボットとその製造および操作方法を研究する分野です。2000 年以降、このメカトロニクスの分野は多くの志望者を惹きつけています。ロボティクスは自動化と相互に関連しています。ここでも人間の介入はあまり必要ないためです。多くの工場、特に自動車工場では、ロボットが組み立てラインで使用されており、穴あけ、設置、取り付けなどの作業を行っています。ロボティクスを専門にするには、プログラミング スキルが必要です。ロボットを機能させるには、プログラミング言語ROBOTCの知識が重要です。産業用ロボットは、メカトロニクス システムの代表的な例です。産業用ロボットには、日常の作業を行うための電子工学、機械工学、コンピューティングの側面が含まれています。

モノのインターネット（IoT）は、電子機器、ソフトウェア、センサー、アクチュエーター、ネットワーク接続が組み込まれた物理デバイスの相互ネットワーク化であり、これらのオブジェクトがデータを収集および交換できるようにします。IoTとメカトロニクスは補完的です。モノのインターネットに関連するスマートコンポーネントの多くは、本質的にメカトロニクスです。IoTの発展により、メカトロニクスのエンジニア、設計者、実務家、教育者は、メカトロニクスシステムとコンポーネントがどのように認識され、設計され、製造されるかを研究せざるを得なくなりました。これにより、データセキュリティ、機械倫理、ヒューマンマシンインターフェースなどの新しい問題に取り組むことができます。^[10]

プログラミングの知識は非常に重要です。メカトロニクス エンジニアは、PLC プログラミング、ドローン プログラミング、ハードウェア プログラミング、CNC プログラミングなど、さまざまなレベルでプログラミングを行う必要があります。電子工学と組み合わせるため、コンピューター側のソフト スキルが重要です。メカトロニクス エンジニアが習得すべき重要なプログラミング言語は、 Java、Python、Rust、C++、C プログラミング言語です。

• 自動化エンジニアリング
• サイバネティクス
• 制御理論
• エコメカトロニクス
• 電気機械
• 材料工学
• 機械工学技術
• ロボット工学
• システムエンジニアリング
• バイオメカトロニクス

• Bradley、Dawson他著『メカトロニクス、製品とプロセスにおけるエレクトロニクス』Chapman and Hall Verlag、ロンドン、1991年。
• Karnopp, Dean C.、Donald L. Margolis、Ronald C. Rosenberg、『System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronic Systems』、第 4 版、Wiley、2006 年。ISBN 0-471-70965-4ボンド グラフ アプローチを使用したシステム ダイナミクスのベストセラー本。 
• Cetinkunt, Sabri, Mechatronics、John Wiley & Sons, Inc、2007 ISBN 978-0-471-47987-1 
• James J. Nutaro (2010)。シミュレーション用ソフトウェアの構築: 理論とアルゴリズム、C++ でのアプリケーション。Wiley。
• Zhang, Jianhua.メカトロニクスとオートメーションエンジニアリング。国際メカトロニクスおよびオートメーションエンジニアリング会議 (ICMAE2016) の議事録。中国、厦門、2016 年。

• ビショップ、ロバート H.、「メカトロニクス：入門」CRC プレス、2006 年。
• デ・シルバ、クラレンス・W.、メカトロニクス：統合アプローチ。CRC プレス、2005 年
• Onwubolu, Godfrey C.、「メカトロニクス：原理と応用」、Butterworth-Heinemann、2005 年。
• ランカーズ、エイドリアン M.、メカトロニックシステムにおける機械力学。トゥエンテ大学、1997 年

• IEEE/ASME メカトロニクス トランザクション。
• メカトロニクスジャーナル – エルゼビア
• メカトロニクスの応用と実現例に関する出版物のリスト
• 機械技術者協会 - メカトロニクス、情報科学、制御グループ (MICG)
• NF E 01-010 2008 – AFNOR (フランス規格 NF E 01-010)
• XP E 01-013 2009 – AFNOR (フランス規格 NF E 01-013)