以機(jī)器人為例淺析計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械自動(dòng)化與智能化的推動(dòng)作用

胡詩(shī)洋

(河北省唐山市第二中學(xué),河北唐山 063000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械制造技術(shù)水平不斷提高,機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和信息技術(shù)的交叉融合,使自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)被廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)又一次展現(xiàn)了它的價(jià)值,在推動(dòng)機(jī)械自動(dòng)化、智能化中功不可沒(méi)。利用計(jì)算機(jī),讓一系列的人工勞動(dòng)變?yōu)闄C(jī)器的流水線生產(chǎn)。但是人們還是不滿足,既然人類可以思考,有沒(méi)有東西可以像人類一樣思考,就這樣,簡(jiǎn)單智能化的機(jī)械出現(xiàn)了,它們被賦予特定情況下的特定反應(yīng)以此來(lái)模擬人類,達(dá)到智能的目的,當(dāng)然被動(dòng)的學(xué)習(xí)始終不是主流,于是人工智能出現(xiàn)了,它們開(kāi)始有自己的學(xué)習(xí)方式,并且在擁有自己的思維邏輯方面不斷努力著。機(jī)械自動(dòng)化與智能化的發(fā)展中,計(jì)算機(jī)技術(shù)貫穿了機(jī)械的設(shè)計(jì)制造,運(yùn)行等,成為自動(dòng)化與智能化發(fā)展的一大基石。

1 機(jī)械自動(dòng)化智能化技術(shù)的發(fā)展歷程

機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展同機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)、不可分割的。機(jī)械制造業(yè)作為其他產(chǎn)業(yè)的支柱工業(yè),擔(dān)負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供更多物美價(jià)廉的先進(jìn)技術(shù)裝備的重任。機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展是和一定時(shí)期的科技、經(jīng)濟(jì)、文化等發(fā)展的水平緊密的聯(lián)系在一起的?？v觀機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程,大致可劃分為五個(gè)階段：剛性自動(dòng)化階段、數(shù)控加工階段、柔性制造階段、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)階段、智能制造系統(tǒng)階段。在這五個(gè)階段中,從數(shù)控加工階段開(kāi)始,計(jì)算機(jī)技術(shù)起到了越來(lái)越大的作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)大大推動(dòng)了機(jī)械自動(dòng)化與智能化。

2 計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械自動(dòng)化與智能化的推動(dòng)

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了機(jī)械的生產(chǎn)制造

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cad)是利用計(jì)算機(jī)及其圖形處理設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在在機(jī)器人設(shè)計(jì)中,計(jì)算機(jī)可以利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算、信息存儲(chǔ)、制圖、圖形編輯和檢索等工作,別小瞧這些,手工畫(huà)一張圖所需的時(shí)間也許只是一個(gè)熟練地計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工程師用計(jì)算機(jī)畫(huà)圖的十分之一。在計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(capp)中只要向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的圖形和加工工藝信息,計(jì)算機(jī)就可以自動(dòng)輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝過(guò)程。在機(jī)器的制造生產(chǎn)過(guò)程中,計(jì)算機(jī)輔助制造(cam)就派上用場(chǎng)了,它可以讓計(jì)算機(jī)將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息自動(dòng)轉(zhuǎn)換成制造信息,換言之,產(chǎn)品加工、裝配、檢驗(yàn)、裝備等全過(guò)程它全包了,甚至還包括了與這些過(guò)程有關(guān)的物流系統(tǒng)和初步的生產(chǎn)調(diào)度。其方便程度讓人們不得不感嘆,計(jì)算機(jī)技術(shù)真的好,畢竟誰(shuí)也想用最少的體力做最多的事,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化機(jī)械的制造,接下來(lái)的自動(dòng)化生產(chǎn)就更方便了,只要學(xué)習(xí)具體的機(jī)械操作就能完成生產(chǎn),不需要專業(yè)的計(jì)算機(jī)人才。因此說(shuō)計(jì)算機(jī)在機(jī)器的生產(chǎn)制造階段是不可或缺的。

2.2 計(jì)算機(jī)給機(jī)械的“五官”和“手腳”一個(gè)大腦

機(jī)械的“五官”和“手腳”和人類一樣執(zhí)行著感知、行動(dòng)的任務(wù)。通常我們把五官獲得的感知信息稱為模擬量,比如眼睛看到的光量、耳朵聽(tīng)到的音量……在機(jī)械中,各類傳感器就扮演了“五官”的角色,比如小米的米家掃地機(jī)器人,它有14個(gè)傳感器,包括激光測(cè)距、碰撞、里程計(jì)等,這些傳感器將測(cè)得的模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量輸入電腦,這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)能夠識(shí)別處理的數(shù)字信息,都是0或1組成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的。這樣我們就可以在計(jì)算機(jī)上直觀的看到傳感器測(cè)得的量,就像大腦接受眼睛看到的畫(huà)面一樣。同樣的,計(jì)算機(jī)也可以輸出數(shù)字量,通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為模擬量,輸出到電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥等驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件,用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械運(yùn)動(dòng),就像傳感器對(duì)應(yīng)人的五官,執(zhí)行元件就相當(dāng)于人的手腳。此時(shí)的計(jì)算機(jī)是不是像人的大腦,而大腦是身體的指揮官,當(dāng)然,我們想讓計(jì)算機(jī)控制機(jī)械還得給它編寫(xiě)程序,在多數(shù)情況下,程序語(yǔ)言選擇c語(yǔ)言類,由于模擬量輸入輸出設(shè)備因儀器廠商的不同具有獨(dú)自的函數(shù),需要以c語(yǔ)言為基礎(chǔ)融入獨(dú)自的函數(shù)進(jìn)行程序編寫(xiě)。如掃地機(jī)器人在眾多傳感器提供信息的基礎(chǔ)下,內(nèi)部處理器規(guī)劃路線,并控制機(jī)器人移動(dòng)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整……但是實(shí)際使用掃地機(jī)器人時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn),不同的掃地機(jī)器人在清掃路線規(guī)劃,清掃能力及障礙檢測(cè)方面有很大差異,根本原因還是機(jī)器人“大腦”(處理器)中的算法不同。于是編程時(shí)設(shè)計(jì)算法就變得尤為重要,優(yōu)秀的算法可以讓掃地機(jī)器人有條不紊的完成掃地任務(wù),這樣你就可以安心去上班,如果算法編的不完善,也許當(dāng)你回家時(shí)會(huì)看到?jīng)]有掃完地而且還被困在障礙物中的掃地機(jī)器人,無(wú)奈之下,你只能比買掃地機(jī)器人之前更努力的掃一遍地了。我們可以將計(jì)算機(jī)編程看成給機(jī)械一個(gè)大腦,有了大腦,五官和手腳才有意義。

2.3 計(jì)算機(jī)數(shù)控使多品種、小批量零件自動(dòng)化制造便捷快速

數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。在機(jī)械加工中,一些單件、小批量的零件約占機(jī)械加工總量的70%-80%,用專用的自動(dòng)機(jī)床加工這類零件就不太合理,為了解決這樣的問(wèn)題就出現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)。1952年,美國(guó)帕森斯公司和麻省理工學(xué)院合作,成功研制了世界上第一臺(tái)以數(shù)字計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制機(jī)床,從而使機(jī)械制造工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新階段。此后,數(shù)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展始終保持同步,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格急劇下降,小型計(jì)算機(jī)代替了專用硬件控制計(jì)算機(jī),這種數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。在以自動(dòng)化為目標(biāo)的機(jī)械生產(chǎn)中,數(shù)控機(jī)床作為典型的數(shù)控設(shè)備起到了非常大的作用,它不像傳統(tǒng)機(jī)床那樣需要工人操作,而是通過(guò)編制加工程序進(jìn)行控制,加工程序上儲(chǔ)存著加工零件所需要的全部操作信息和刀具相對(duì)于工件的位移信息等。成功解決了多品種小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化及降低成本和提高生產(chǎn)率的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)制造系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng),使單功能自動(dòng)的單能機(jī)向多功能自動(dòng)的多能機(jī)方向發(fā)展。

“尤尼梅特”是一臺(tái)將遙控操作器的連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來(lái)的設(shè)備,是一臺(tái)類似于人手和臂組合的設(shè)備,這也是現(xiàn)在很多工業(yè)機(jī)器人的雛形。當(dāng)中的數(shù)控技術(shù),直到現(xiàn)在,都是機(jī)械自動(dòng)化在機(jī)器人身上最基礎(chǔ)最強(qiáng)大的應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)——電子計(jì)算機(jī)與典型機(jī)械的完美融合,從最早單純的數(shù)字脈沖控制機(jī)床,到小型計(jì)算機(jī)控制的CNC系統(tǒng),再到PC機(jī)端Windows系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用,慢慢進(jìn)化為智能控制,計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,決定了的數(shù)控技術(shù)的逐步發(fā)展,從而一步步推動(dòng)了機(jī)器人自動(dòng)化的發(fā)展。自“尤尼梅特”后,機(jī)器人慢慢由最初簡(jiǎn)單的編程式機(jī)械臂進(jìn)化為可跑可跳的運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人,機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展有目共睹。

2.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)接管機(jī)械制造自動(dòng)化的新階段

機(jī)械自動(dòng)化的進(jìn)程從未停止,計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CI MS)既可看作是機(jī)械制造自動(dòng)化的一個(gè)新階段,同時(shí)也可看作是包含機(jī)械制造自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)更高層次的系統(tǒng),具有計(jì)算機(jī)化、信息化、智能化的特點(diǎn)。C I M S不僅把技術(shù)系統(tǒng)和經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)系統(tǒng)集成在一起,而且把人(人的思想、理念及智能小型計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))也集成在一起,使整個(gè)企業(yè)的工作流程,物流和信息流都保持通暢和相互有機(jī)聯(lián)系。因此,C I M S是人、經(jīng)營(yíng)和技術(shù)三者集成的產(chǎn)物。CIM S在20世紀(jì)80年代以來(lái)得到了迅速發(fā)展,而今方興未艾,市場(chǎng)潛力巨大。在智能制造系統(tǒng)階段,有高性能自控機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、無(wú)人運(yùn)輸車等智能元件組成的智能制造系統(tǒng),更是集大成的機(jī)械自動(dòng)化智能化方案,是機(jī)械制造自動(dòng)化在本世紀(jì)的發(fā)展方向。組成這個(gè)系統(tǒng)的智能元件都少不了計(jì)算機(jī)的編程,計(jì)算能力等的支持。

2.5 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力是機(jī)械自動(dòng)化智能化不可或缺的

智能化是自動(dòng)化工程的發(fā)展方向,現(xiàn)代生產(chǎn)中愈來(lái)愈多的使用了各種個(gè)樣的智能化系統(tǒng)和技術(shù)。二十一世紀(jì),進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后,計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,人機(jī)交互技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、還有大數(shù)據(jù)云計(jì)算等科技的出現(xiàn),使得機(jī)器人也進(jìn)入了一個(gè)全新的紀(jì)元：人工智能時(shí)代。1950年,阿蘭·圖靈提出的“圖靈測(cè)試”是檢測(cè)人工智能機(jī)器人的依據(jù)。2014年,聊天程序“尤金·古斯特曼”(Eugene Goostman)首次通過(guò)了圖靈測(cè)試。這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)開(kāi)啟了嶄新的篇章。2017年5月,人工智能Alphago挑戰(zhàn)世界圍棋積分第一的中國(guó)棋手柯潔時(shí),以3：0的戰(zhàn)績(jī)輕松完勝柯潔;2017年的雙十一,有四億張海報(bào)由阿里的A I美工設(shè)計(jì)師“魯班”完成。這些逐步成熟的計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù),同時(shí)也意味著第三代機(jī)器人——智能機(jī)器人也逐步開(kāi)啟真正的人工智能的進(jìn)化程序。2017年10月26日,沙特阿拉伯授予美國(guó)漢森機(jī)器人公司生產(chǎn)的“女性”機(jī)器人索菲亞公民身份。作為史上首個(gè)獲得公民身份的機(jī)器人,索菲亞不僅具有學(xué)習(xí)功能,在最新一次的更新后,她甚至能夠根據(jù)對(duì)話者的情緒,來(lái)調(diào)整說(shuō)話方式。2017年全球網(wǎng)絡(luò)峰會(huì)上,索菲亞被問(wèn)到是否能感知情緒時(shí)回答道：“令人興奮,是的,人工智能和機(jī)器人是未來(lái)?！边@些機(jī)器人之所以能達(dá)到一定程度的智能,還是得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)今大數(shù)據(jù)的背景下,搜集整合數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,然后一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索通常情況下問(wèn)題的解,如手機(jī)上的語(yǔ)言助手,聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下可識(shí)別一些簡(jiǎn)單指令或完成特點(diǎn)語(yǔ)境下的對(duì)話,另一方面是更加高級(jí)的“學(xué)習(xí)”能力,如AlphaGo的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng),用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬大腦,擁有了強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力。計(jì)算機(jī)用它強(qiáng)大的計(jì)算能力完成大量的數(shù)據(jù)處理,其計(jì)算速度是人類的成千上萬(wàn)倍,人工智能是算法、數(shù)據(jù)和硬件三個(gè)要素綜合的結(jié)果。一旦涉及到算法、數(shù)據(jù),就離不開(kāi)計(jì)算。在這個(gè)領(lǐng)域,用來(lái)計(jì)算的硬件主要是T P U、G P U和CP U,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,其硬件水平的上升,最終帶來(lái)的是機(jī)械智能化的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械自動(dòng)化與智能化的發(fā)展中,人類用智慧規(guī)劃?rùn)C(jī)械,省去體力勞動(dòng),更是在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上嘗試為機(jī)械賦予思想,計(jì)算機(jī)作為人類與機(jī)器對(duì)話的工具起了不可忽視的作用,也許在未來(lái),人類腦中所想會(huì)交由機(jī)械自主完成,真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化。

[1] 于海生,等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[2] 陳子銀,陳為華.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2006.

[3] 王尊策,等.機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社,2013.