計(jì)算機(jī)技術(shù)在智能機(jī)械中的應(yīng)用分析

宋致遠(yuǎn)

摘 要：智能化是機(jī)械發(fā)展的必然趨勢(shì)，智能機(jī)械憑借其自動(dòng)化、智能化、自主化等特點(diǎn)在我們生活的方方面面扮演著越來(lái)越重要的角色，從學(xué)生課堂，到智能工廠，再到國(guó)家工程，都可以看到智能機(jī)械的身影。本文結(jié)合對(duì)智能機(jī)械的認(rèn)識(shí)，從智能機(jī)械概念、特點(diǎn)和應(yīng)用案例角度進(jìn)行了全方位的闡述，并重點(diǎn)分析了計(jì)算機(jī)技術(shù)為機(jī)械的智能化發(fā)展提供的包含設(shè)計(jì)、控制以及管理等方面的技術(shù)支持，通過分析可以知道計(jì)算機(jī)技術(shù)是智能機(jī)械突破性發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)械;計(jì)算機(jī)技術(shù);機(jī)器人;人工智能

中圖分類號(hào)：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0011-03

0 引言

以機(jī)器人為代表的智能機(jī)械正在掀起制造領(lǐng)域的變革，智能機(jī)械的技術(shù)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)。近些年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的不斷深入應(yīng)用，使得機(jī)械設(shè)備從傳統(tǒng)的手工操作到自動(dòng)操作，如今又已經(jīng)發(fā)展到具有自主學(xué)習(xí)能力的水平。智能機(jī)械的發(fā)展給傳統(tǒng)行業(yè)帶來(lái)巨大的生機(jī)與活力，通過智能機(jī)械的使用，在提高制造自動(dòng)化水平的同時(shí)，也給生產(chǎn)制造精度的提高提供了技術(shù)支持，同時(shí)也給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全管理提供了保障。不僅如此，智能機(jī)械在生活中也扮演重要角色，如商場(chǎng)的服務(wù)機(jī)器人等，讓生活充滿科技?xì)庀ⅰ?/p>

計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械設(shè)備裝置的結(jié)合是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)成功的典范，本文結(jié)合對(duì)智能機(jī)械的理解，對(duì)智能機(jī)械概念及其全過程中所使用的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，為智能機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 智能機(jī)械

1.1 智能機(jī)械概念

智能機(jī)械不同于需要人工操作的傳統(tǒng)機(jī)械，是具有一定計(jì)算處理能力的自動(dòng)化機(jī)械[1]。根據(jù)智力水平高低，可將智能機(jī)械分為交互型、傳感型以及自主型三類[2]。交互型智能機(jī)械多應(yīng)用于自動(dòng)化工廠，其通過計(jì)算機(jī)與操作員進(jìn)行“溝通”，可依照處理器中的程序進(jìn)行一定程度的自動(dòng)化操作。傳感型智能機(jī)械多應(yīng)用于各類機(jī)器人比賽中，如中國(guó)機(jī)器人大賽。相較于交互型智能機(jī)械，傳感型智能機(jī)械配備了大量傳感器，其可根據(jù)各類傳感信息進(jìn)行諸如避障、尋物、精確擊打等復(fù)雜操作。自主型智能機(jī)械的典型代表是智能機(jī)器人，智能機(jī)器人=人工智能（Artificial Intelligence，AI）+機(jī)器人技術(shù)（robot technology）[3-4]。人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是研究使計(jì)算機(jī)具有人類的某些行為特征的科學(xué)，它賦予了智能機(jī)器人“靈魂”，使其擁有了自主學(xué)習(xí)能力，極大程度提高其工作準(zhǔn)確度[5]。

智能機(jī)械具有緩解老齡化帶來(lái)的社會(huì)壓力、代替人工進(jìn)行高危工作等諸多優(yōu)勢(shì)，因此隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，人類對(duì)機(jī)械智能程度的要求越來(lái)越高。但AI的迅猛發(fā)展也引發(fā)了諸如“人工智能最終可能控制人類嗎”的討論[6]。如何使智能機(jī)械不想、不愿、不能控制人類，是智能機(jī)械發(fā)展人必須解決的問題。

1.2 智能機(jī)械的特點(diǎn)

傳統(tǒng)機(jī)械效率低、自動(dòng)化程度低、人機(jī)交互難度大，這些弊端促進(jìn)了智能機(jī)械的發(fā)展[7]。不同于傳統(tǒng)機(jī)械，智能機(jī)械具有自動(dòng)化、智能化、自主化等特點(diǎn)，符合社會(huì)進(jìn)化需求，具有良好發(fā)展前景。

隨著社會(huì)老齡化程度加深，勞動(dòng)人口減少，服務(wù)人力成本不斷提高。自動(dòng)化的智能機(jī)械可以有效減少人工成本投入，促使人力資源被更加合理、高效地使用。同時(shí)，自動(dòng)化智能機(jī)械還具有效率高、準(zhǔn)確度高、抗壓性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

自動(dòng)化是智能機(jī)械最基本的特點(diǎn)，隨著以人工智能為代表的計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，智能機(jī)械的智能化和自主化等更具潛力的特點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)[8]。相較于自動(dòng)化，智能化、自主化更為高級(jí)，相應(yīng)的智能機(jī)械具備自主學(xué)習(xí)能力，能夠在各類環(huán)境中自主地或交互地執(zhí)行各種擬人任務(wù)，是智能機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 智能機(jī)械的案例

智能機(jī)械在我們生活中扮演著重要的角色。編程不再遙遠(yuǎn)而神秘，單片機(jī)也走進(jìn)小學(xué)創(chuàng)新課堂，機(jī)器人讓小朋友們切實(shí)體會(huì)到智能機(jī)械的魅力。隨著智能機(jī)械的發(fā)展，以智能機(jī)器人為代表的智能機(jī)械與學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)合愈加緊密，各類智能機(jī)器人課程不斷充實(shí)著學(xué)生們的生活。

圖1展示的是中國(guó)機(jī)器人大賽的一款仿人型機(jī)器人，這是一款傳感型機(jī)器人，其處理器可根據(jù)各類傳感信息做出最佳判斷，保證機(jī)器人在擂臺(tái)上安全漫游的同時(shí)可以擊倒檢測(cè)到的敵人。

課堂、競(jìng)賽只是智能機(jī)械在我們生活中的發(fā)光發(fā)熱的一小部分，工程、國(guó)家層次才是智能機(jī)械大展拳腳的主戰(zhàn)場(chǎng)。2014年，我國(guó)政府提出“中國(guó)制造2025”。首要目標(biāo)就是開發(fā)智能制造技術(shù)，使機(jī)器制造業(yè)向著智能化的方向發(fā)展，從而推進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)步，并使我國(guó)制造業(yè)躋身世界先進(jìn)領(lǐng)域，充分肯定了發(fā)展智能機(jī)械對(duì)我國(guó)的重要意義。

2 智能機(jī)械全過程中的計(jì)算機(jī)技術(shù)

2.1 智能機(jī)械的設(shè)計(jì)技術(shù)

智能機(jī)械全過程中的計(jì)算機(jī)技術(shù)包含設(shè)計(jì)技術(shù)、控制技術(shù)以及管理技術(shù)，而其中最為基礎(chǔ)的便是設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各類設(shè)計(jì)技術(shù)層出不窮，其中最常見的智能機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD-Computer Aided Design）。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要功能是利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，其基本技術(shù)主要包括交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、曲面造型和實(shí)體造型技術(shù)等。

實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，AutoCAD（Autodesk Computer Aided Design）和SolidWorks是最受歡迎的兩款計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。其中AutoCAD主要用于繪制二維制圖和基本三維設(shè)計(jì)，SolidWorks是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，主要用于三維建模設(shè)計(jì)。智能機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，通常需要兩款軟件互補(bǔ)使用，二維制圖與三維建模相輔相成，已取得最佳設(shè)計(jì)效果。

如圖3所示，目前，中學(xué)生接觸的智能設(shè)計(jì)更多的是硬件組裝，即充分發(fā)揮自己的想象力，利用模塊化零件搭建自己需要的智能機(jī)械。這些智能機(jī)械或許不足夠高端、智能，但很大程度上培養(yǎng)了中學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)以及機(jī)械制造的熱愛。

下面以圖4中的仿人型機(jī)器人為例，介紹一般模塊化機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)。

圖4展示了模塊化仿人型機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)。其中圖4（a）展示了機(jī)器人的“腳”，它由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，為機(jī)器人提供充足動(dòng)力。機(jī)器人一般需要一定高度來(lái)滿足自己的控制需求，如圖4（b）展示的機(jī)器人“腿部”。圖4（c）展示了機(jī)器人的“眼睛”，它由多個(gè)紅外測(cè)距傳感器組成，機(jī)器人依靠這些傳感信息來(lái)判斷周圍環(huán)境以及自己的位置。圖4（d）展示了機(jī)器人的“大腦”——控制器，以及由舵機(jī)組成的“胳膊”。其中，控制器是整個(gè)機(jī)器人架構(gòu)中最重要的部分，是機(jī)器人執(zhí)行一切行動(dòng)的前提，同時(shí)它也決定了機(jī)器人智能程度的上限。

2.2 智能機(jī)械的控制技術(shù)

智能控制是具有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。近年來(lái)，隨著仿真技術(shù)、建模技術(shù)以及人工智能計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，智能控制技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。與此同時(shí)，人們對(duì)機(jī)器人的性能以及智能化程度也提出了更高的要求。將智能控制技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為智能機(jī)械控制發(fā)展的主流。

智能機(jī)械領(lǐng)域常見的智能控制技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊邏輯技術(shù)、遺傳算法技術(shù)等等。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用大量的神經(jīng)元，按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整的自適應(yīng)控制方法。模糊邏輯用模糊語(yǔ)言描述系統(tǒng)，既可以描述應(yīng)用系統(tǒng)的定量模型，也可以描述其定性模型，因此模糊邏輯可適用于任意復(fù)雜的對(duì)象控制。遺傳算法作為一種非確定的擬自然隨機(jī)優(yōu)化工具，具有并行計(jì)算、快速尋找全局最優(yōu)解等特點(diǎn)。通常一個(gè)智能機(jī)械集成了多種智能控制技術(shù)，與傳統(tǒng)控制技術(shù)有效結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械的各項(xiàng)功能。

智能控制效果優(yōu)異，但過于復(fù)雜。目前中學(xué)生接觸更多的是模塊化編程或C語(yǔ)言編程，其極大鍛煉了中學(xué)生的邏輯思維能力。圖5展示了上文提到的仿人機(jī)器人的控制程序，主要分為三部分。首先是傾倒檢測(cè)程序，機(jī)器人的一切正?；顒?dòng)都是在自身直立的前提下進(jìn)行的，因此控制程序?qū)z測(cè)機(jī)器人自身是否傾倒置于最高優(yōu)先級(jí)。控制器通過檢測(cè)置于機(jī)器人底部的傾角傳感器反饋的信息判斷自身是否傾倒，若傾倒，則執(zhí)行起立程序，否則繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。其次，御敵程序具有第二優(yōu)先級(jí)，當(dāng)機(jī)器人控制器通過測(cè)距傳感器檢測(cè)到敵機(jī)時(shí)，將執(zhí)行御敵程序。最后，則是擂臺(tái)漫游程序，當(dāng)機(jī)器人正常直立且周圍無(wú)敵機(jī)時(shí)，控制器將控制機(jī)器人在擂臺(tái)上漫游，保證自己不掉擂臺(tái)的同時(shí)尋找敵機(jī)。

2.3 智能機(jī)械的管理技術(shù)

近年來(lái)，人工智能迅猛發(fā)展對(duì)智能機(jī)械提出了更高定義：智能機(jī)械=人工智能+機(jī)械技術(shù)。人工智能賦予了智能機(jī)械“靈魂”，使其可以自主學(xué)習(xí)、管理。學(xué)習(xí)的本質(zhì)是指系統(tǒng)能根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)提升自身性能。以智能機(jī)器人學(xué)習(xí)識(shí)別人臉為例，機(jī)器人通過自己的“眼睛”（攝像頭）不斷觀察呈現(xiàn)在它面前的人臉圖像，最終形成能正確識(shí)別人臉的策略。而且這一過程是增量式的，即智能機(jī)器人的性能會(huì)隨著觀察的增多而不斷提升。之前大火的人工智能AlphaGo便具有深度學(xué)習(xí)能力，可謂是自學(xué)成才。它結(jié)合了數(shù)百萬(wàn)人類圍棋專家的棋譜，以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)的監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行了自我訓(xùn)練，最終成為頂尖“圍棋大師”。

人工智能賦予了智能機(jī)械“靈魂”，使其擁有了自主學(xué)習(xí)、管理能力，但同時(shí)也引發(fā)了“人工智能最終可能控制人類嗎”的討論。研究智能機(jī)械的根本目的歸根結(jié)底是使其在實(shí)際生活中更好地為人類服務(wù)，如何使智能機(jī)械將“為人類服務(wù)”作為根本宗旨，是發(fā)展智能機(jī)械必須解決的問題。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械智能化是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，智能機(jī)械在我們生活的方方面面扮演著越來(lái)越重要的角色，為我們的生產(chǎn)、生活提供著不可或缺的幫助，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。?jì)算機(jī)科學(xué)以及其分支人工智能的發(fā)展為智能機(jī)械的突破性發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支持，使機(jī)械更智能成為可能。本文結(jié)合對(duì)智能機(jī)械的理解，對(duì)智能機(jī)械概念、特點(diǎn)及其全過程中所使用的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行歸納了總結(jié)，為智能機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張弦.智能自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2018，9（18）：158-159.

[2] 雷扎N.賈扎爾（RezaN.Jazar）.應(yīng)用機(jī)器人學(xué)：運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3] 王田苗，陶永.智能機(jī)器人+人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的思考及建議[J].科技導(dǎo)報(bào)，2018，36（17）：97-101.

[4] 龍慧，朱定局，田娟.深度學(xué)習(xí)在智能機(jī)器人中的應(yīng)用研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2018，45（S2）：43-47+52.

[5] 王田苗，陳殿生，陶永，李劍.改變世界的智能機(jī)器——智能機(jī)器人發(fā)展思考[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（21）：16-22.

[6] 中央黨校（國(guó)家行政學(xué)院）公共管理教研部教授 何哲.人工智能最終可能控制人類嗎[N].北京日?qǐng)?bào)，2018-12-03（015）.

[7] 楊華勇.工程機(jī)械智能化進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)（二）[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2018，31（01）：38-39

[8] 朱劍英.機(jī)械工程智能化的發(fā)展思路與對(duì)策[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2001（04）：1-6.