從消費機器人的角度分析人工智能在機械工程中的應用

魏學倫

摘要：科幻電影中經(jīng)常會出現(xiàn)一種與人類高度類似的消費機器人，它們走入千家萬戶，掃地、醫(yī)療輔助、陪伴、益智學習等等，為人們的生活帶來很多的便利與幫助，根據(jù)GfK最新報告，中國消費級機器人2018年零售規(guī)模將超100億元，而導致這一現(xiàn)象的原因，一部分是因為快生活節(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)展使消費機器人越來越智能化。人工智能的快速發(fā)展促進了科學的發(fā)展，而如何更好的應用人工智能給人帶來更多的便利一直是研究的重點之一，人工智能與機械工程中的融合，不僅使機械工程技術(shù)不斷創(chuàng)新，也很大程度上提高了經(jīng)濟效益和產(chǎn)量，使人工智能與機械工程技術(shù)相互促進，共同發(fā)展。本文以消費機器人為切入，淺析了人工智能技術(shù)在機械工程中的應用及其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：消費機器人；人工智能；機械工程

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0045-02

1 消費機器人

古希臘哲學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?！苯陙?，機器人的發(fā)展可以說是日新月異，各類產(chǎn)品琳瑯滿目，這在曾經(jīng)只能算是一個并不能實現(xiàn)的想法，但現(xiàn)在這樣的想法漸漸在實現(xiàn)的路上。機器人按照用途可分為工業(yè)機器人、商用機器人、軍用機器人以及消費機器人，工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的機器人，其被廣泛應用在生產(chǎn)、制造、檢測、物流等環(huán)節(jié)，軍用機器人被廣泛用于搜尋勘探、物資運輸?shù)?，如被稱為空中機器人的無人機，而消費機器人則被廣泛用于家庭環(huán)境的家用機器人，如機器人管家、掃地機器人。

機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，而消費機器人就是其中一種，它是主要應用在消費市場的機器人，包括早教學習機器人、掃地機器人、智能音箱等。消費機器人出現(xiàn)的時間較晚，目前至少有25個國家在大力開發(fā)，主要用于陪護、保養(yǎng)、運輸、清洗、教育等，實現(xiàn)消費機器人的關(guān)鍵技術(shù)就是人工智能的應用，使它們能跑能跳，可以跟人智能化交流，如波士頓的新版機器狗可以主動繞開障礙物，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、天氣預報、新聞，甚至叫車、點外賣等，這些得益于人工智能的語音識別技術(shù)。

消費機器人是一種集人工智能、電子、機械于一體的復雜產(chǎn)品，其跟我們的生活息息相關(guān)。目前的消費機器人都具有強大的運算能力，即能夠利用大數(shù)據(jù)和人工智能進行深度學習，實現(xiàn)人機語音交互、路徑規(guī)劃、物體識別、定位導航等功能，從而為人類更好的服務(wù)。

2 人工智能在機械工程中的應用

人工智能是依托于計算機技術(shù)誕生的一種學科，經(jīng)過研究智能的本質(zhì)，據(jù)此原理使智能機器從思維、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的能力，如語音識別、圖像辨認、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)展極大的促進了社會的發(fā)展。在機械工程中，人工智能的應用使生產(chǎn)效率提高的同時也降低了成本，所以其在工業(yè)生產(chǎn)中應用越來越廣泛，尤其在工業(yè)4.0時代，這種優(yōu)勢更為突出。

2.1 人工智能簡述

人工智能是于17世紀世界的第一臺計算機面世后被提出的，人工智能的初始只能進行簡單的數(shù)學運算，應用領(lǐng)域也比較單一，隨著科技的發(fā)展，尤其是計算機技術(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算機從視覺、觸覺、感覺及思維模式等方面實現(xiàn)模擬人類的某些智能行為，如學習、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)的一款具有語言學習能力的機器人，它可以通過感知周圍的環(huán)境向他人學習。 目前，人工智能涉及各個領(lǐng)域，在生活中我們常用的智能手機、電腦中的個人助理，這主要是利用語音識別技術(shù)；在電商零售中的智能導購、智能客服，如淘寶后臺根據(jù)個人的瀏覽記錄智能的推送你想買的東西；在工業(yè)中應用較廣的機械臂，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器人、早教機器人以及娛樂機器人······

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

2.2 機械工程簡述

機械工程是一門以自然科學與技術(shù)科學為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實踐，旨在解決機械生產(chǎn)、設(shè)計、制造等實際問題而提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，也是促成18世紀工業(yè)革命的主要因素。機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)三個階段，隨著時代的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)趨于更精細化、復雜化，這就不得不更多的依賴于機械來完成，而如何更好、更快的完成，就需要結(jié)合各項技術(shù)，如信息技術(shù)、生物技術(shù)、計算機技術(shù)、人工智能等，相互促進，共同發(fā)展，逐步形成了現(xiàn)代機械工程。曾有人把機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 人工智能在機械工程中的應用

2.3.1 機械設(shè)計

機械設(shè)計是機械生產(chǎn)的第一步，也是機械工程的重要組成部分，設(shè)計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)計最優(yōu)化，因此一個設(shè)計過程往往涉及到大量的數(shù)學計算、試驗模擬過程以及系統(tǒng)的分析。以前設(shè)計往往靠個人的工作經(jīng)驗以及知識，但這樣的設(shè)計過程存在很多的弊端。隨著人工智能在機械設(shè)計的應用，可以在短時間進行大量的數(shù)據(jù)運算，而CAD以及solidworks等軟件可以繪圖以及建立數(shù)學模型，智能的模擬實物，把人從繁瑣的計算與設(shè)計過程中解放，節(jié)省了時間[1]。

2.3.2 機械生產(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)域的應用主要在有三個方向：機器人視覺定位、視覺缺陷檢測和故障預測。近年來，在人工智能的浪潮下，基于深度學習和人工智能的技術(shù)已經(jīng)長期應用于工業(yè)生產(chǎn)中，如流水線生產(chǎn)檢測、汽車車身檢測、計量、對象跟蹤、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，但采用應用了人工智能的機器人，不僅效率高，且可以按照設(shè)定的位置有序擺放。例如國家首家機器人3D視覺引導系統(tǒng) - 埃爾森3D定位系統(tǒng)，對無序堆放、散亂的物件進行外表輪廓的掃描與定位后，進行識別，形成云點數(shù)據(jù)，通過人工智能分析，加以機器人的自動路徑規(guī)劃、自動防碰撞技術(shù)，計算出物件的實時位置，然后傳達到機器人實現(xiàn)自動抓取。人工智能在機械生產(chǎn)中的應用，是一次技術(shù)的革新，也為未來的機械生產(chǎn)帶來更多可能。

2.3.3 機械故障診斷

在機械生產(chǎn)中難免會遇到某些機器因老化、使用不當或其他原因出現(xiàn)機器故障，當人感知到機器故障時，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大量的時間去找出故障原因，由現(xiàn)象推定原因是一個復雜的推理過程，它需要檢修人員有多年的實際經(jīng)驗，才會快速的得出正確的結(jié)論，這樣無疑會大大降低生產(chǎn)效率。而人工智能在機械診斷中使用，可以在故障發(fā)生前對故障進行預測，有效地預防，例如在工廠各個設(shè)備上加裝傳感器，對設(shè)備狀態(tài)實時進行監(jiān)控，一旦發(fā)生異常，通過預警或發(fā)送短信等及時告知，及時止損；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。富士康iPhone8的生產(chǎn)線上，通過機器學習，預先判斷何時需要換刀，將產(chǎn)線的停工時間從幾十分鐘縮短為幾分鐘。人工智能在機械故障診斷中應用，能有效地幫助改善生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)可靠性。

2.4 人工智能在機械工程中的應用方法

目前人工智能在機械工程中的應用，主要在專家系統(tǒng)、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學習以及啟發(fā)式搜索這幾方面。專家系統(tǒng)是一個含有大量的某個領(lǐng)域的專家的知識和經(jīng)驗，也可以看作是一個具有某一領(lǐng)域的專門知識和經(jīng)驗的智能計算機程序系統(tǒng)，當它進行工作時，可以根據(jù)系統(tǒng)中的知識和經(jīng)驗進行分析、推理，找出最優(yōu)的解決方法。人在對某一事物進行認知時，會有很多的不確定信息，但通過對信息的模糊化處理，使問題由復雜轉(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 、自適應的處理系統(tǒng)，通過模擬人的大腦記憶、處理信息的方式進行信息處理。深度學習就是機器自發(fā)的從周圍的環(huán)境中獲取知識，并轉(zhuǎn)化為自身的知識和能力，它能向人一樣不斷的獲取知識補充知識庫，即用計算機系統(tǒng)對周圍的聲音、文字、人物自動識別，是對人的學習能力、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，即通過隨機生成新的解決方案，同時保留最好的結(jié)果，以達到全局最優(yōu)解或最優(yōu)解附近。這些方法都是人工智能的重要支持，也是實現(xiàn)智能化機械的重要手段[2]。

3 人工智能在機械工程中的應用趨勢

從智能手機、智能機器人到自動駕駛，人工智能的時代已經(jīng)來臨，智能化也是機械工程的發(fā)展趨勢。機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，需求量正在不斷地擴大。目前很多企業(yè)已經(jīng)在轉(zhuǎn)變，機械智能化大有可為，實現(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，人類生活隨著時代的發(fā)展，發(fā)生了深刻改變。人工智能在機械工程中的應用，不在僅限于效率的提高，還會在很多方面改變我們的生產(chǎn)、生活方式，推動社會發(fā)展。當然，目前人工智能在機械領(lǐng)域的應用才剛剛開始，還有更多的潛在應用場景等著我們?nèi)ネ诰颉?/p>

參考文獻

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

[2]陳超.人工智能在制造業(yè)中的應用[J].機械設(shè)計與制造，2006，（1）：161-163.

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