从人工智能的角度浅析力学设计在机器人上的应用

张金溥

(德州市第一中学,山东德州 253000)

1 前言

随着科学技术的不断发展进步,机器人的研发异常迅猛,与人类社会的联系日益紧密,在生产生活中,利用机器人代替人工作业的现象越来越普遍,比如送餐机器人、勘探机器人、交通机器人等等。目前,人工智能与机器人领域有机结合,融合了电子信息学、物理学、通讯学、机械学等相关领域的知识,发展成为了我国最前沿科技----智能机器人技术,通过采集周围环境信息,进行分析判断,反馈给核心控制系统,从而做出反应。当今社会,智能机器人的地位越来越重要,人类生产生活中的许多领域和岗位都能看见机器人的身影,这使得智能机器人技术的开发与研究更加重要,所以我们应该加大对智能机器人的研究力度,从而使我们的生活更加舒适和健康。

2 人工智能简介

近年来,人工智能技术发展迅速,使人类生产生活的方方面面均受到了一定的影响,包括通讯、医疗、交通、航天、工农业生产等领域,人工智能的出现帮助人们完成了许多危险且复杂的工作。可以设想,随着人工智能领域的不断扩大,最终将出现更多的智能科技产品,从而使人类的生活更加舒适、方便、健康。

2.1 人工智能的概念

人工智能是计算机科学的一个重要分支,主要研究利用机器模拟人的思维、延伸人的智能,是一门新的技术科学。人工智能通过核心控制技术对周围环境因素进行分析判断,进而对人的意识和思维的信息过程进行“模仿”,主要目的就是通过机器代替人类完成一些复杂、危险的工作,实现人类生产实践的高效化、智能化等。

2.2 人工智能的发展现状

“人工智能”概念最早出现于1956年,是申农、明斯基等科学家在一起探讨如何利用机器模拟智能的相关问题时提出的,属于社会学和自然学的交叉学科,在科技产品上的应用十分广泛,经过50多年的长足发展,人工智能技术已经与很多领域深度融合且成为了一门前沿科学。目前,人工智能技术主要应用于世界领先科技的机器视觉(人脸、视网膜、指纹、虹膜识别等技术),智能控制,机器人学等领域,采用传统编程技术,利用人类的思维方式,提升了机器人的自主创造性思维能力。

2.3 人工智能发展方向

在下一个十年,人工智能在智能医疗和智能汽车等领域将会有更加广阔的发展前景。以人工智能辅助医疗为例,其主要包括影像识别技术,远程医疗技术,智能诊断技术,生物工程技术等等,人工智能的应用改善了传统的医疗模式,降低了医疗人员的工作强度和难度。在智能汽车方面,在未来3到5年,人工智能技术通过开发和创新,无人驾驶系统将被大规模推广应用,有望代替人类驾驶,以降低事故发生率,确保给驾驶人提供一个安全、舒适、智能的控制环境。未来,人工智能将深入到人类生产生活的各个方面,给人类构建一个智能化的生产生活环境。

3 力学知识及机器人简介

3.1 力学知识的简介

众所周知,力是两个物体之间作用的具体表现。因此,“抛开”物体谈力是没有任何意义的。由此我们不难明白,力学是一门独立的基础学科,主要研究的是宏观物质的机械运动规律,在内容上可以分成动力学、静力学和运动学三部分,从不同角度来分析力学和物质运动的关系。

人类对力学的最早认识出现于生产中对自然现象的观察,包括在工农业生产的灌溉、建筑等活动中对力的认知,知道了一些简单的运动规律、力和运动之间的关系。直到17世纪中期,人们才把力学归纳为一门独立、系统的学科。牛顿提出的惯性定律、万有引力定律,欧拉提出的刚体、理想流体的运动方程,汉密尔顿提出的经典力学规律等科学内容,都为力学发展奠定了坚实的基础。目前,科学技术的发展,例如天文学、机械学、建筑学、航天科技等的设计都必须以经典力学为基础。从机器人发明到神舟九号的发射,都应用了力学的知识。

3.2 机器人

机器人是一种能够自动控制或者移动控制的机械,是高级的电子信息技术、仿生学和智能控制理论综合产物,主要用于工农业、医疗、建筑、通讯、军事等领域。人类历史上第一台机器人出现在1939年,由美国西屋电气公司生产,名为Elekbota,可以说77个字,自主行走,但是距离为人类生产劳动服务还有很大的差距。随着互联网技术的不断发展,目前的机器人功能和技术层次都有了很大提高,处于世界领先水平的移动机器人、机器人感知技术都是典型的代表,随着技术的不断深入,水下机器人、空中机器人、软件机器人相继问世,未来,机器人将成为人类生产生活中不可或缺的伙伴。

3.3 力学与共融机器人

共融机器人是指在复杂动态环境下,能够与人、作业环境或其他机器人进行自然交互的机器人。2017年7月14日,由我国自然科学基金委员会与材料科学部、数学与物理科学部共同举办的“力与共融机器人”研讨会,在同济大学召开,研讨会的目的是促进国家自然科学与力学学科在共融机器人领域的融合,加强对机器人技术的认知与理解。特别指出了共融机器人在机器人前沿领域的地位,包括柔体机器人、群体智能和人机交互等前沿技术,为共融机器人的研究提供了明确的方向,推动了智能技术和机器人的共同发展,提升了我国机器人研究的整体创新能力。

4 浅析力学设计在机器人上的应用：以人工智能为切入点

在现代机器结构设计中,传统陈旧的经验设计方式已经无法满足人类工农业生产及人类生活的需要。因此,有效提高机器动力学、优化结构设计势在必行。智能化机器仿真技术是现代机器化设计的一门新生科学,是现代机器设计的核心技术,而该技术的成熟与发展离不开力学知识的应用。目前,力学设计在机器人上的应用主要有以下几个方面：

4.1 机器人弹性力学设计

智能抓握技术是机器人劳动的基础,通过机器人的受力反馈和触觉感知系统,机器人能够顺利、快速地抓起物体,从而达到利用机器人为人类服务的目的。智能机器控制系统通过视觉、触觉感知系统把所需物体的位置、大小、形状等条件因素迅速转换成多维复杂的信号,传递给抓握控制系统,通过机器人关节处的力觉传感器中的弹性体变形情况来检测判断内在、外在的施力情况,再把采集到的低等、原始数据,转化成高等、复杂的信息,通过智能系统分析、判断物体是否要滑出,在此基础上预测成功抓取物体的可能性,进而使机器人具有良好的抓握能力和操作物体的能力。2017年由Chanto厂家生产制造的气动并联爪和空气爪,广泛地应用于所有类型和各种尺寸的机器人上。2016年由美国Robotiq机器人供应商生产的智能空气爪,兼容插口和U R机器人,成功地研制了对偶机器爪,应用一个支架上的两个对偶独立抓手,使机器人工作的速度和质量都有了很大提升。

4.2 机器人动力控制系统

机器人动力学是研究力和运动之间平衡关系的科学,主要研究机器人的控制系统和动力学模型,采用严谨科学的系统方法来论证机器人的动力学特征。目前,最热门的研究课题是并联机器人的结构及运动学分析,研究人员通过提高机器人的精准度和灵敏度来提升并联机器人的工作能力,使并联机器人在加工机床、重型及精密操作上得到了更好的发展。2015年Chanto厂家生产制造Stewart智能机器人,通过减小连杆的惯性和关节的摩擦力,进一步减弱机器人关节处的约束反作用力,从理想状态出发,假定关节处无摩擦,推导出来了机器人的完整逆动力学lagranian方程,充分发挥了并联机器人的结构特点。机器人动力控制系统从最大程度上实现了机器人的灵活性,便于其在工业生产中的应用。

4.3 机器人系统中的摩擦力设计

力是物理学中的一门基础学科,主要研究运动与形变的关系。其中摩擦力学是力学重要的一部分,是固体力学的重要分支。2000年由美国凯拉奥特姆小组研制的壁虎机器人,采用壁虎脚刚毛结构,研究出来具有壁虎脚吸力的机器人,研究人员采用真空吸附、磁吸附等装置,使机器爪具有强大的摩擦力,机器爪上安装有智能感知器,采集周围环境信息,传递给智能控制系统进行分析判断,使机器爪上的吸附装置自动提供足够的摩擦力,从而让机器人完成在各种复杂的墙面上攀爬、行走等任务。人造智能攀爬机器人可以代替人工作业,比如大厦外壁玻璃窗清洗、高空作业、船舶建造、航天舱外维修等任务,还可代替人进行各种侦查、救援以及高空狭小空间的作业,降低了人工作业的危险性,给人类提供了许多的方便。

4.4 机器人系统中压力传感器的应用

随着社会科技的发展,机器人走进了人类的生活。目前,研究人员设计了一种多功能餐厅智能服务机器人,应用处于世界领先水平的ST M3 2作为核心控制系统(包括视觉传感器,压力传感器,语音控制系统等),同时控制多个机器人的运动位置和行走路径,实现快速、准确的送餐或回收垃圾等,在餐饮机器人的送餐托盘上安装有智能压力传感器,根据机器人在行走过程中,餐盘上压力传感器感受到的数值变化,判断机器人的行走路线及工作状态,压力传感器的数值变大时,证明餐盘上放有食物,机器人控制系统通过接收到的信息,控制机器人进行送餐,智能语音播报“祝您用餐愉快”;在压力传感器检测到的压力为零时,智能控制系统安排机器人收拾餐桌上的空盘,进行原路返回,完成一次送餐任务。应用机器人代替服务员为顾客点菜、送餐,提高了工作速率,降低了劳动成本,同时也为我国人工智能技术提供了发展依据。

5 结语

综上所述,随着计算机技术的发展,人工智能技术也在不断进步,其应用的领域也在不断扩大,比如汽车、医疗、食品生产等领域。以机器人为代表的人工智能技术大力地提高了生产效率,解放了劳动力。与此同时,物理学等基础学科的发展与应用,推动了机器人设计技术的进步。从力学设计的角度来看,弹性力学、动力控制系统、摩擦力设计以及压力传感器的应用等推动了机器人的智能化和灵活性。笔者相信,随着力学设计等基础学科在人工智能机器人方面的应用,将给人工智能的发展提供重要的基础性保障。

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