從消費(fèi)機(jī)器人的角度分析人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用

魏學(xué)倫

摘要：科幻電影中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一種與人類高度類似的消費(fèi)機(jī)器人，它們走入千家萬戶，掃地、醫(yī)療輔助、陪伴、益智學(xué)習(xí)等等，為人們的生活帶來很多的便利與幫助，根據(jù)GfK最新報(bào)告，中國消費(fèi)級(jí)機(jī)器人2018年零售規(guī)模將超100億元，而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，一部分是因?yàn)榭焐罟?jié)奏與高壓力的工作的影響，人們希望從繁重瑣碎的生活中得到娛樂和解放家務(wù)，另一方面，近些年人工智能的跨越式發(fā)展使消費(fèi)機(jī)器人越來越智能化。人工智能的快速發(fā)展促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展，而如何更好的應(yīng)用人工智能給人帶來更多的便利一直是研究的重點(diǎn)之一，人工智能與機(jī)械工程中的融合，不僅使機(jī)械工程技術(shù)不斷創(chuàng)新，也很大程度上提高了經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)量，使人工智能與機(jī)械工程技術(shù)相互促進(jìn)，共同發(fā)展。本文以消費(fèi)機(jī)器人為切入，淺析了人工智能技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)機(jī)器人；人工智能；機(jī)械工程

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0045-02

1 消費(fèi)機(jī)器人

古希臘哲學(xué)家亞里士多德曾寫道：“如果每一件工具被安排好甚或是自然而然地做那些適合于它們的工作……那么就沒必要再有師徒或主奴了。”近年來，機(jī)器人的發(fā)展可以說是日新月異，各類產(chǎn)品琳瑯滿目，這在曾經(jīng)只能算是一個(gè)并不能實(shí)現(xiàn)的想法，但現(xiàn)在這樣的想法漸漸在實(shí)現(xiàn)的路上。機(jī)器人按照用途可分為工業(yè)機(jī)器人、商用機(jī)器人、軍用機(jī)器人以及消費(fèi)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人，其被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、制造、檢測、物流等環(huán)節(jié)，軍用機(jī)器人被廣泛用于搜尋勘探、物資運(yùn)輸?shù)龋绫环Q為空中機(jī)器人的無人機(jī)，而消費(fèi)機(jī)器人則被廣泛用于家庭環(huán)境的家用機(jī)器人，如機(jī)器人管家、掃地機(jī)器人。

機(jī)器人是一種既可以通過人為的指令執(zhí)行工作，也可以通過預(yù)先在其系統(tǒng)中設(shè)定的程序協(xié)助或取代人類工作，而消費(fèi)機(jī)器人就是其中一種，它是主要應(yīng)用在消費(fèi)市場的機(jī)器人，包括早教學(xué)習(xí)機(jī)器人、掃地機(jī)器人、智能音箱等。消費(fèi)機(jī)器人出現(xiàn)的時(shí)間較晚，目前至少有25個(gè)國家在大力開發(fā)，主要用于陪護(hù)、保養(yǎng)、運(yùn)輸、清洗、教育等，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)就是人工智能的應(yīng)用，使它們能跑能跳，可以跟人智能化交流，如波士頓的新版機(jī)器狗可以主動(dòng)繞開障礙物，自如的上下樓梯，還可以自己開門，而亞馬遜推出的一款智能音箱可以向朋友一樣跟人交流，播放音樂、天氣預(yù)報(bào)、新聞，甚至叫車、點(diǎn)外賣等，這些得益于人工智能的語音識(shí)別技術(shù)。

消費(fèi)機(jī)器人是一種集人工智能、電子、機(jī)械于一體的復(fù)雜產(chǎn)品，其跟我們的生活息息相關(guān)。目前的消費(fèi)機(jī)器人都具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，即能夠利用大數(shù)據(jù)和人工智能進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)語音交互、路徑規(guī)劃、物體識(shí)別、定位導(dǎo)航等功能，從而為人類更好的服務(wù)。

2 人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用

人工智能是依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)誕生的一種學(xué)科，經(jīng)過研究智能的本質(zhì)，據(jù)此原理使智能機(jī)器從思維、感知和行為三方面，具有可以模仿人類的大腦以及集體活動(dòng)的能力，如語音識(shí)別、圖像辨認(rèn)、自然語言處理等，據(jù)悉我國人工智能的市場規(guī)模在2014年達(dá)到48.6億元，在2016年就發(fā)展為2014年的2倍，無疑人工智能的快速發(fā)展極大的促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。在機(jī)械工程中，人工智能的應(yīng)用使生產(chǎn)效率提高的同時(shí)也降低了成本，所以其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，尤其在工業(yè)4.0時(shí)代，這種優(yōu)勢(shì)更為突出。

2.1 人工智能簡述

人工智能是于17世紀(jì)世界的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)面世后被提出的，人工智能的初始只能進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，應(yīng)用領(lǐng)域也比較單一，隨著科技的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展，人工智能得到不斷的發(fā)展與完善。人工智能是研究如何讓計(jì)算機(jī)從視覺、觸覺、感覺及思維模式等方面實(shí)現(xiàn)模擬人類的某些智能行為，如學(xué)習(xí)、思考、判斷、推理、分析等能力，甚至模擬人類處理問題的能力，如英國研發(fā)的一款具有語言學(xué)習(xí)能力的機(jī)器人，它可以通過感知周圍的環(huán)境向他人學(xué)習(xí)。 目前，人工智能涉及各個(gè)領(lǐng)域，在生活中我們常用的智能手機(jī)、電腦中的個(gè)人助理，這主要是利用語音識(shí)別技術(shù)；在電商零售中的智能導(dǎo)購、智能客服，如淘寶后臺(tái)根據(jù)個(gè)人的瀏覽記錄智能的推送你想買的東西；在工業(yè)中應(yīng)用較廣的機(jī)械臂，視覺檢測技術(shù)，能很大程度上提高工作效率，減少廢品率；生活中常見的陪伴機(jī)器人、早教機(jī)器人以及娛樂機(jī)器人······

說起人工智能，可能很多人的第一反應(yīng)是阿爾法狗，那個(gè)可以挑戰(zhàn)圍棋無敗績的機(jī)器人，但實(shí)際人工智能已經(jīng)融入我們生活的方方面面。

2.2 機(jī)械工程簡述

機(jī)械工程是一門以自然科學(xué)與技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，旨在解決機(jī)械生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、制造等實(shí)際問題而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，也是促成18世紀(jì)工業(yè)革命的主要因素。機(jī)械可以代替人完成需要用手、耳、眼睛等完成的工作或者人力所不能完成的工作，甚至完成得更快、更好。機(jī)械工程大致經(jīng)歷了手工加工、流水線生產(chǎn)以及集成生產(chǎn)三個(gè)階段，隨著時(shí)代的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)趨于更精細(xì)化、復(fù)雜化，這就不得不更多的依賴于機(jī)械來完成，而如何更好、更快的完成，就需要結(jié)合各項(xiàng)技術(shù)，如信息技術(shù)、生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等，相互促進(jìn)，共同發(fā)展，逐步形成了現(xiàn)代機(jī)械工程。曾有人把機(jī)械與人工智能比作人的四肢和大腦，可見在生產(chǎn)中二者是缺一不可的。

2.3 人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用

2.3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，也是機(jī)械工程的重要組成部分，設(shè)計(jì)過程中要考慮到用最好的材料、最低的成本、最可靠的性能和最少的環(huán)境污染，使設(shè)計(jì)最優(yōu)化，因此一個(gè)設(shè)計(jì)過程往往涉及到大量的數(shù)學(xué)計(jì)算、試驗(yàn)?zāi)M過程以及系統(tǒng)的分析。以前設(shè)計(jì)往往靠個(gè)人的工作經(jīng)驗(yàn)以及知識(shí)，但這樣的設(shè)計(jì)過程存在很多的弊端。隨著人工智能在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用，可以在短時(shí)間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，而CAD以及solidworks等軟件可以繪圖以及建立數(shù)學(xué)模型，智能的模擬實(shí)物，把人從繁瑣的計(jì)算與設(shè)計(jì)過程中解放，節(jié)省了時(shí)間[1]。

2.3.2 機(jī)械生產(chǎn)

在中國制造2025的背景下，工業(yè)制造朝著高效、高質(zhì)的方向發(fā)展，即在提高效率的同時(shí)也需要保證質(zhì)量，這離不開人工智能的參與。目前，人工智能在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要在有三個(gè)方向：機(jī)器人視覺定位、視覺缺陷檢測和故障預(yù)測。近年來，在人工智能的浪潮下，基于深度學(xué)習(xí)和人工智能的技術(shù)已經(jīng)長期應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如流水線生產(chǎn)檢測、汽車車身檢測、計(jì)量、對(duì)象跟蹤、拾取和放置等。工業(yè)生產(chǎn)中的很多工業(yè)，采用人工的效率緩慢且成本高，例如流水線的分揀，但采用應(yīng)用了人工智能的機(jī)器人，不僅效率高，且可以按照設(shè)定的位置有序擺放。例如國家首家機(jī)器人3D視覺引導(dǎo)系統(tǒng) - 埃爾森3D定位系統(tǒng)，對(duì)無序堆放、散亂的物件進(jìn)行外表輪廓的掃描與定位后，進(jìn)行識(shí)別，形成云點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過人工智能分析，加以機(jī)器人的自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)防碰撞技術(shù)，計(jì)算出物件的實(shí)時(shí)位置，然后傳達(dá)到機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取。人工智能在機(jī)械生產(chǎn)中的應(yīng)用，是一次技術(shù)的革新，也為未來的機(jī)械生產(chǎn)帶來更多可能。

2.3.3 機(jī)械故障診斷

在機(jī)械生產(chǎn)中難免會(huì)遇到某些機(jī)器因老化、使用不當(dāng)或其他原因出現(xiàn)機(jī)器故障，當(dāng)人感知到機(jī)器故障時(shí)，可能已經(jīng)造成大量的不合格品，帶來不小的損失，而且往往檢查需要花費(fèi)大量的時(shí)間去找出故障原因，由現(xiàn)象推定原因是一個(gè)復(fù)雜的推理過程，它需要檢修人員有多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，才會(huì)快速的得出正確的結(jié)論，這樣無疑會(huì)大大降低生產(chǎn)效率。而人工智能在機(jī)械診斷中使用，可以在故障發(fā)生前對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測，有效地預(yù)防，例如在工廠各個(gè)設(shè)備上加裝傳感器，對(duì)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)生異常，通過預(yù)警或發(fā)送短信等及時(shí)告知，及時(shí)止損；或是利用人工智能診斷方法及理論，如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，快速找出故障點(diǎn)。富士康iPhone8的生產(chǎn)線上，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，預(yù)先判斷何時(shí)需要換刀，將產(chǎn)線的停工時(shí)間從幾十分鐘縮短為幾分鐘。人工智能在機(jī)械故障診斷中應(yīng)用，能有效地幫助改善生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)可靠性。

2.4 人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用方法

目前人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用，主要在專家系統(tǒng)、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)以及啟發(fā)式搜索這幾方面。專家系統(tǒng)是一個(gè)含有大量的某個(gè)領(lǐng)域的專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，也可以看作是一個(gè)具有某一領(lǐng)域的專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，當(dāng)它進(jìn)行工作時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)中的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、推理，找出最優(yōu)的解決方法。人在對(duì)某一事物進(jìn)行認(rèn)知時(shí)，會(huì)有很多的不確定信息，但通過對(duì)信息的模糊化處理，使問題由復(fù)雜轉(zhuǎn)為簡易。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的處理單元連成非線性的 、自適應(yīng)的處理系統(tǒng)，通過模擬人的大腦記憶、處理信息的方式進(jìn)行信息處理。深度學(xué)習(xí)就是機(jī)器自發(fā)的從周圍的環(huán)境中獲取知識(shí)，并轉(zhuǎn)化為自身的知識(shí)和能力，它能向人一樣不斷的獲取知識(shí)補(bǔ)充知識(shí)庫，即用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)周圍的聲音、文字、人物自動(dòng)識(shí)別，是對(duì)人的學(xué)習(xí)能力、思維方式的一種有效模擬。啟發(fā)式搜索包括遺傳算法和模擬退火式算法，即通過隨機(jī)生成新的解決方案，同時(shí)保留最好的結(jié)果，以達(dá)到全局最優(yōu)解或最優(yōu)解附近。這些方法都是人工智能的重要支持，也是實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)械的重要手段[2]。

3 人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用趨勢(shì)

從智能手機(jī)、智能機(jī)器人到自動(dòng)駕駛，人工智能的時(shí)代已經(jīng)來臨，智能化也是機(jī)械工程的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械智能化可以大大的提高生產(chǎn)效率是有目共睹的，它解放了生產(chǎn)力，為人類的生活與工作帶來了很多的便利，需求量正在不斷地?cái)U(kuò)大。目前很多企業(yè)已經(jīng)在轉(zhuǎn)變，機(jī)械智能化大有可為，實(shí)現(xiàn)中國制造到中國智造的轉(zhuǎn)變離不開人工智能的參與[3]。

4 結(jié)語

從18世紀(jì)60年代第一次工業(yè)革命到現(xiàn)在，歷經(jīng)兩百余年，人類生活隨著時(shí)代的發(fā)展，發(fā)生了深刻改變。人工智能在機(jī)械工程中的應(yīng)用，不在僅限于效率的提高，還會(huì)在很多方面改變我們的生產(chǎn)、生活方式，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。當(dāng)然，目前人工智能在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛開始，還有更多的潛在應(yīng)用場景等著我們?nèi)ネ诰颉?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]曹承志.人工智能技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：38-40.

[2]陳超.人工智能在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006，（1）：161-163.

[3]周利.余愚.機(jī)械故障診斷中人工智能的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2007，（1）：36-40.