從人工智能的角度淺析力學設(shè)計在機器人上的應(yīng)用

張金溥

(德州市第一中學,山東德州 253000)

1 前言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展進步,機器人的研發(fā)異常迅猛,與人類社會的聯(lián)系日益緊密,在生產(chǎn)生活中,利用機器人代替人工作業(yè)的現(xiàn)象越來越普遍,比如送餐機器人、勘探機器人、交通機器人等等。目前,人工智能與機器人領(lǐng)域有機結(jié)合,融合了電子信息學、物理學、通訊學、機械學等相關(guān)領(lǐng)域的知識,發(fā)展成為了我國最前沿科技----智能機器人技術(shù),通過采集周圍環(huán)境信息,進行分析判斷,反饋給核心控制系統(tǒng),從而做出反應(yīng)。當今社會,智能機器人的地位越來越重要,人類生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域和崗位都能看見機器人的身影,這使得智能機器人技術(shù)的開發(fā)與研究更加重要,所以我們應(yīng)該加大對智能機器人的研究力度,從而使我們的生活更加舒適和健康。

2 人工智能簡介

近年來,人工智能技術(shù)發(fā)展迅速,使人類生產(chǎn)生活的方方面面均受到了一定的影響,包括通訊、醫(yī)療、交通、航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域,人工智能的出現(xiàn)幫助人們完成了許多危險且復(fù)雜的工作。可以設(shè)想,隨著人工智能領(lǐng)域的不斷擴大,最終將出現(xiàn)更多的智能科技產(chǎn)品,從而使人類的生活更加舒適、方便、健康。

2.1 人工智能的概念

人工智能是計算機科學的一個重要分支,主要研究利用機器模擬人的思維、延伸人的智能,是一門新的技術(shù)科學。人工智能通過核心控制技術(shù)對周圍環(huán)境因素進行分析判斷,進而對人的意識和思維的信息過程進行“模仿”,主要目的就是通過機器代替人類完成一些復(fù)雜、危險的工作,實現(xiàn)人類生產(chǎn)實踐的高效化、智能化等。

2.2 人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀

“人工智能”概念最早出現(xiàn)于1956年,是申農(nóng)、明斯基等科學家在一起探討如何利用機器模擬智能的相關(guān)問題時提出的,屬于社會學和自然學的交叉學科,在科技產(chǎn)品上的應(yīng)用十分廣泛,經(jīng)過50多年的長足發(fā)展,人工智能技術(shù)已經(jīng)與很多領(lǐng)域深度融合且成為了一門前沿科學。目前,人工智能技術(shù)主要應(yīng)用于世界領(lǐng)先科技的機器視覺(人臉、視網(wǎng)膜、指紋、虹膜識別等技術(shù)),智能控制,機器人學等領(lǐng)域,采用傳統(tǒng)編程技術(shù),利用人類的思維方式,提升了機器人的自主創(chuàng)造性思維能力。

2.3 人工智能發(fā)展方向

在下一個十年,人工智能在智能醫(yī)療和智能汽車等領(lǐng)域?qū)懈訌V闊的發(fā)展前景。以人工智能輔助醫(yī)療為例,其主要包括影像識別技術(shù),遠程醫(yī)療技術(shù),智能診斷技術(shù),生物工程技術(shù)等等,人工智能的應(yīng)用改善了傳統(tǒng)的醫(yī)療模式,降低了醫(yī)療人員的工作強度和難度。在智能汽車方面,在未來3到5年,人工智能技術(shù)通過開發(fā)和創(chuàng)新,無人駕駛系統(tǒng)將被大規(guī)模推廣應(yīng)用,有望代替人類駕駛,以降低事故發(fā)生率,確保給駕駛?cè)颂峁┮粋€安全、舒適、智能的控制環(huán)境。未來,人工智能將深入到人類生產(chǎn)生活的各個方面,給人類構(gòu)建一個智能化的生產(chǎn)生活環(huán)境。

3 力學知識及機器人簡介

3.1 力學知識的簡介

眾所周知,力是兩個物體之間作用的具體表現(xiàn)。因此,“拋開”物體談力是沒有任何意義的。由此我們不難明白,力學是一門獨立的基礎(chǔ)學科,主要研究的是宏觀物質(zhì)的機械運動規(guī)律,在內(nèi)容上可以分成動力學、靜力學和運動學三部分,從不同角度來分析力學和物質(zhì)運動的關(guān)系。

人類對力學的最早認識出現(xiàn)于生產(chǎn)中對自然現(xiàn)象的觀察,包括在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉、建筑等活動中對力的認知,知道了一些簡單的運動規(guī)律、力和運動之間的關(guān)系。直到17世紀中期,人們才把力學歸納為一門獨立、系統(tǒng)的學科。牛頓提出的慣性定律、萬有引力定律,歐拉提出的剛體、理想流體的運動方程,漢密爾頓提出的經(jīng)典力學規(guī)律等科學內(nèi)容,都為力學發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。目前,科學技術(shù)的發(fā)展,例如天文學、機械學、建筑學、航天科技等的設(shè)計都必須以經(jīng)典力學為基礎(chǔ)。從機器人發(fā)明到神舟九號的發(fā)射,都應(yīng)用了力學的知識。

3.2 機器人

機器人是一種能夠自動控制或者移動控制的機械,是高級的電子信息技術(shù)、仿生學和智能控制理論綜合產(chǎn)物,主要用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、建筑、通訊、軍事等領(lǐng)域。人類歷史上第一臺機器人出現(xiàn)在1939年,由美國西屋電氣公司生產(chǎn),名為Elekbota,可以說77個字,自主行走,但是距離為人類生產(chǎn)勞動服務(wù)還有很大的差距。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,目前的機器人功能和技術(shù)層次都有了很大提高,處于世界領(lǐng)先水平的移動機器人、機器人感知技術(shù)都是典型的代表,隨著技術(shù)的不斷深入,水下機器人、空中機器人、軟件機器人相繼問世,未來,機器人將成為人類生產(chǎn)生活中不可或缺的伙伴。

3.3 力學與共融機器人

共融機器人是指在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下,能夠與人、作業(yè)環(huán)境或其他機器人進行自然交互的機器人。2017年7月14日,由我國自然科學基金委員會與材料科學部、數(shù)學與物理科學部共同舉辦的“力與共融機器人”研討會,在同濟大學召開,研討會的目的是促進國家自然科學與力學學科在共融機器人領(lǐng)域的融合,加強對機器人技術(shù)的認知與理解。特別指出了共融機器人在機器人前沿領(lǐng)域的地位,包括柔體機器人、群體智能和人機交互等前沿技術(shù),為共融機器人的研究提供了明確的方向,推動了智能技術(shù)和機器人的共同發(fā)展,提升了我國機器人研究的整體創(chuàng)新能力。

4 淺析力學設(shè)計在機器人上的應(yīng)用：以人工智能為切入點

在現(xiàn)代機器結(jié)構(gòu)設(shè)計中,傳統(tǒng)陳舊的經(jīng)驗設(shè)計方式已經(jīng)無法滿足人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生活的需要。因此,有效提高機器動力學、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計勢在必行。智能化機器仿真技術(shù)是現(xiàn)代機器化設(shè)計的一門新生科學,是現(xiàn)代機器設(shè)計的核心技術(shù),而該技術(shù)的成熟與發(fā)展離不開力學知識的應(yīng)用。目前,力學設(shè)計在機器人上的應(yīng)用主要有以下幾個方面：

4.1 機器人彈性力學設(shè)計

智能抓握技術(shù)是機器人勞動的基礎(chǔ),通過機器人的受力反饋和觸覺感知系統(tǒng),機器人能夠順利、快速地抓起物體,從而達到利用機器人為人類服務(wù)的目的。智能機器控制系統(tǒng)通過視覺、觸覺感知系統(tǒng)把所需物體的位置、大小、形狀等條件因素迅速轉(zhuǎn)換成多維復(fù)雜的信號,傳遞給抓握控制系統(tǒng),通過機器人關(guān)節(jié)處的力覺傳感器中的彈性體變形情況來檢測判斷內(nèi)在、外在的施力情況,再把采集到的低等、原始數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化成高等、復(fù)雜的信息,通過智能系統(tǒng)分析、判斷物體是否要滑出,在此基礎(chǔ)上預(yù)測成功抓取物體的可能性,進而使機器人具有良好的抓握能力和操作物體的能力。2017年由Chanto廠家生產(chǎn)制造的氣動并聯(lián)爪和空氣爪,廣泛地應(yīng)用于所有類型和各種尺寸的機器人上。2016年由美國Robotiq機器人供應(yīng)商生產(chǎn)的智能空氣爪,兼容插口和U R機器人,成功地研制了對偶機器爪,應(yīng)用一個支架上的兩個對偶獨立抓手,使機器人工作的速度和質(zhì)量都有了很大提升。

4.2 機器人動力控制系統(tǒng)

機器人動力學是研究力和運動之間平衡關(guān)系的科學,主要研究機器人的控制系統(tǒng)和動力學模型,采用嚴謹科學的系統(tǒng)方法來論證機器人的動力學特征。目前,最熱門的研究課題是并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)及運動學分析,研究人員通過提高機器人的精準度和靈敏度來提升并聯(lián)機器人的工作能力,使并聯(lián)機器人在加工機床、重型及精密操作上得到了更好的發(fā)展。2015年Chanto廠家生產(chǎn)制造Stewart智能機器人,通過減小連桿的慣性和關(guān)節(jié)的摩擦力,進一步減弱機器人關(guān)節(jié)處的約束反作用力,從理想狀態(tài)出發(fā),假定關(guān)節(jié)處無摩擦,推導(dǎo)出來了機器人的完整逆動力學lagranian方程,充分發(fā)揮了并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)特點。機器人動力控制系統(tǒng)從最大程度上實現(xiàn)了機器人的靈活性,便于其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

4.3 機器人系統(tǒng)中的摩擦力設(shè)計

力是物理學中的一門基礎(chǔ)學科,主要研究運動與形變的關(guān)系。其中摩擦力學是力學重要的一部分,是固體力學的重要分支。2000年由美國凱拉奧特姆小組研制的壁虎機器人,采用壁虎腳剛毛結(jié)構(gòu),研究出來具有壁虎腳吸力的機器人,研究人員采用真空吸附、磁吸附等裝置,使機器爪具有強大的摩擦力,機器爪上安裝有智能感知器,采集周圍環(huán)境信息,傳遞給智能控制系統(tǒng)進行分析判斷,使機器爪上的吸附裝置自動提供足夠的摩擦力,從而讓機器人完成在各種復(fù)雜的墻面上攀爬、行走等任務(wù)。人造智能攀爬機器人可以代替人工作業(yè),比如大廈外壁玻璃窗清洗、高空作業(yè)、船舶建造、航天艙外維修等任務(wù),還可代替人進行各種偵查、救援以及高空狹小空間的作業(yè),降低了人工作業(yè)的危險性,給人類提供了許多的方便。

4.4 機器人系統(tǒng)中壓力傳感器的應(yīng)用

隨著社會科技的發(fā)展,機器人走進了人類的生活。目前,研究人員設(shè)計了一種多功能餐廳智能服務(wù)機器人,應(yīng)用處于世界領(lǐng)先水平的ST M3 2作為核心控制系統(tǒng)(包括視覺傳感器,壓力傳感器,語音控制系統(tǒng)等),同時控制多個機器人的運動位置和行走路徑,實現(xiàn)快速、準確的送餐或回收垃圾等,在餐飲機器人的送餐托盤上安裝有智能壓力傳感器,根據(jù)機器人在行走過程中,餐盤上壓力傳感器感受到的數(shù)值變化,判斷機器人的行走路線及工作狀態(tài),壓力傳感器的數(shù)值變大時,證明餐盤上放有食物,機器人控制系統(tǒng)通過接收到的信息,控制機器人進行送餐,智能語音播報“祝您用餐愉快”;在壓力傳感器檢測到的壓力為零時,智能控制系統(tǒng)安排機器人收拾餐桌上的空盤,進行原路返回,完成一次送餐任務(wù)。應(yīng)用機器人代替服務(wù)員為顧客點菜、送餐,提高了工作速率,降低了勞動成本,同時也為我國人工智能技術(shù)提供了發(fā)展依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,人工智能技術(shù)也在不斷進步,其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴大,比如汽車、醫(yī)療、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域。以機器人為代表的人工智能技術(shù)大力地提高了生產(chǎn)效率,解放了勞動力。與此同時,物理學等基礎(chǔ)學科的發(fā)展與應(yīng)用,推動了機器人設(shè)計技術(shù)的進步。從力學設(shè)計的角度來看,彈性力學、動力控制系統(tǒng)、摩擦力設(shè)計以及壓力傳感器的應(yīng)用等推動了機器人的智能化和靈活性。筆者相信,隨著力學設(shè)計等基礎(chǔ)學科在人工智能機器人方面的應(yīng)用,將給人工智能的發(fā)展提供重要的基礎(chǔ)性保障。

[1] 崔冰艷,陳麗文,王志軍,等.下肢康復(fù)機器人的靜力學分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計[J].機械傳動,2015(8)：63-67.

[2] 崔冰艷,金振林.基于正交機構(gòu)的機器人肩關(guān)節(jié)靜力學分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計[J].光學精密工程,2011,19(1)：77-82.

[3] 李雨潭,朱華,高志軍,等.履帶機器人通用地面力學模型分析與底盤設(shè)計[J].哈爾濱工程大學學報,2015,(8)：1126-1130.

[4] 吳孟麗,王立文.一種新型并聯(lián)機器人的靜力學優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程,2010,(19)：2308-2312.

[5] 尹光才.混合驅(qū)動腰部康復(fù)機器人設(shè)計與力學分析[D].合肥工業(yè)大學,2017,(4).

[6] 毛航天.人工智能中智能概念的發(fā)展研究[D].華東師范大學,2016,(3).

[7] 王雪玉.人工智能不是未來派概念[J].金融科技時代,2016,(12)：96-97.