以机器人为例浅析计算机技术对机械自动化与智能化的推动作用

2018-11-29胡诗洋

中国科技纵横 2018年2期

胡诗洋

(河北省唐山市第二中学,河北唐山 063000)

随着科学技术的发展,机械制造技术水平不断提高,机电一体化技术、计算机辅助技术和信息技术的交叉融合,使自动化技术在机械制造行业被广泛应用。计算机技术又一次展现了它的价值,在推动机械自动化、智能化中功不可没。利用计算机,让一系列的人工劳动变为机器的流水线生产。但是人们还是不满足,既然人类可以思考,有没有东西可以像人类一样思考,就这样,简单智能化的机械出现了,它们被赋予特定情况下的特定反应以此来模拟人类,达到智能的目的,当然被动的学习始终不是主流,于是人工智能出现了,它们开始有自己的学习方式,并且在拥有自己的思维逻辑方面不断努力着。机械自动化与智能化的发展中,计算机技术贯穿了机械的设计制造,运行等,成为自动化与智能化发展的一大基石。

1 机械自动化智能化技术的发展历程

机械制造自动化技术的发展同机械制造技术的发展是密切相关、不可分割的。机械制造业作为其他产业的支柱工业,担负着为国民经济提供更多物美价廉的先进技术装备的重任。机械制造自动化技术的发展是和一定时期的科技、经济、文化等发展的水平紧密的联系在一起的。纵观机械制造自动化技术的发展历程,大致可划分为五个阶段：刚性自动化阶段、数控加工阶段、柔性制造阶段、计算机集成制造系统阶段、智能制造系统阶段。在这五个阶段中,从数控加工阶段开始,计算机技术起到了越来越大的作用。计算机技术大大推动了机械自动化与智能化。

2 计算机技术对机械自动化与智能化的推动

2.1 计算机辅助设计简化了机械的生产制造

计算机辅助设计(cad)是利用计算机及其图形处理设备帮助设计人员进行设计工作。在在机器人设计中,计算机可以利用其强大的计算能力帮助设计人员担负计算、信息存储、制图、图形编辑和检索等工作,别小瞧这些,手工画一张图所需的时间也许只是一个熟练地计算机辅助设计工程师用计算机画图的十分之一。在计算机辅助工艺过程设计(capp)中只要向计算机输入被加工零件的图形和加工工艺信息,计算机就可以自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺过程。在机器的制造生产过程中,计算机辅助制造(cam)就派上用场了,它可以让计算机将产品的设计信息自动转换成制造信息,换言之,产品加工、装配、检验、装备等全过程它全包了,甚至还包括了与这些过程有关的物流系统和初步的生产调度。其方便程度让人们不得不感叹,计算机技术真的好,毕竟谁也想用最少的体力做最多的事,实现了自动化机械的制造,接下来的自动化生产就更方便了,只要学习具体的机械操作就能完成生产,不需要专业的计算机人才。因此说计算机在机器的生产制造阶段是不可或缺的。

2.2 计算机给机械的“五官”和“手脚”一个大脑

机械的“五官”和“手脚”和人类一样执行着感知、行动的任务。通常我们把五官获得的感知信息称为模拟量,比如眼睛看到的光量、耳朵听到的音量……在机械中,各类传感器就扮演了“五官”的角色,比如小米的米家扫地机器人,它有14个传感器,包括激光测距、碰撞、里程计等,这些传感器将测得的模拟量通过A/D转换器转成数字量输入电脑,这是因为计算机能够识别处理的数字信息,都是0或1组成的二进制数据表示的。这样我们就可以在计算机上直观的看到传感器测得的量,就像大脑接受眼睛看到的画面一样。同样的,计算机也可以输出数字量,通过DA转换器转为模拟量,输出到电动机或电动阀等驱动机械运动的执行元件,用来驱动各种机械运动,就像传感器对应人的五官,执行元件就相当于人的手脚。此时的计算机是不是像人的大脑,而大脑是身体的指挥官,当然,我们想让计算机控制机械还得给它编写程序,在多数情况下,程序语言选择c语言类,由于模拟量输入输出设备因仪器厂商的不同具有独自的函数,需要以c语言为基础融入独自的函数进行程序编写。如扫地机器人在众多传感器提供信息的基础下,内部处理器规划路线,并控制机器人移动、风机转速的调整……但是实际使用扫地机器人时,我们会发现,不同的扫地机器人在清扫路线规划,清扫能力及障碍检测方面有很大差异,根本原因还是机器人“大脑”(处理器)中的算法不同。于是编程时设计算法就变得尤为重要,优秀的算法可以让扫地机器人有条不紊的完成扫地任务,这样你就可以安心去上班,如果算法编的不完善,也许当你回家时会看到没有扫完地而且还被困在障碍物中的扫地机器人,无奈之下,你只能比买扫地机器人之前更努力的扫一遍地了。我们可以将计算机编程看成给机械一个大脑,有了大脑,五官和手脚才有意义。

2.3 计算机数控使多品种、小批量零件自动化制造便捷快速

数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。在机械加工中,一些单件、小批量的零件约占机械加工总量的70%-80%,用专用的自动机床加工这类零件就不太合理,为了解决这样的问题就出现了数控技术。1952年,美国帕森斯公司和麻省理工学院合作,成功研制了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制机床,从而使机械制造工业进入了一个新阶段。此后,数控系统和计算机技术的发展始终保持同步,随着计算机技术的发展,小型计算机的价格急剧下降,小型计算机代替了专用硬件控制计算机,这种数控系统称为计算机数控。在以自动化为目标的机械生产中,数控机床作为典型的数控设备起到了非常大的作用,它不像传统机床那样需要工人操作,而是通过编制加工程序进行控制,加工程序上储存着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对于工件的位移信息等。成功解决了多品种小批量生产的自动化及降低成本和提高生产率的问题。计算机控制的全自动制造系统和数控机床的计算机数控系统,使单功能自动的单能机向多功能自动的多能机方向发展。

“尤尼梅特”是一台将遥控操作器的连杆机构与数控技术结合起来的设备,是一台类似于人手和臂组合的设备,这也是现在很多工业机器人的雏形。当中的数控技术,直到现在,都是机械自动化在机器人身上最基础最强大的应用。数控技术——电子计算机与典型机械的完美融合,从最早单纯的数字脉冲控制机床,到小型计算机控制的CNC系统,再到PC机端Windows系统在各个领域的广泛运用,慢慢进化为智能控制,计算机技术的不断进步,决定了的数控技术的逐步发展,从而一步步推动了机器人自动化的发展。自“尤尼梅特”后,机器人慢慢由最初简单的编程式机械臂进化为可跑可跳的运动型机器人,机械自动化的发展有目共睹。

2.4 计算机技术接管机械制造自动化的新阶段

机械自动化的进程从未停止,计算机集成制造系统(简称CI MS)既可看作是机械制造自动化的一个新阶段,同时也可看作是包含机械制造自动化系统的一个更高层次的系统,具有计算机化、信息化、智能化的特点。C I M S不仅把技术系统和经营生产系统集成在一起,而且把人(人的思想、理念及智能小型计算机集成制造系统)也集成在一起,使整个企业的工作流程,物流和信息流都保持通畅和相互有机联系。因此,C I M S是人、经营和技术三者集成的产物。CIM S在20世纪80年代以来得到了迅速发展,而今方兴未艾,市场潜力巨大。在智能制造系统阶段,有高性能自控机器人、数控机床、无人运输车等智能元件组成的智能制造系统,更是集大成的机械自动化智能化方案,是机械制造自动化在本世纪的发展方向。组成这个系统的智能元件都少不了计算机的编程,计算能力等的支持。

2.5 计算机强大的计算能力是机械自动化智能化不可或缺的

智能化是自动化工程的发展方向,现代生产中愈来愈多的使用了各种个样的智能化系统和技术。二十一世纪,进入互联网时代后,计算机技术飞速发展,人机交互技术、嵌入式系统、还有大数据云计算等科技的出现,使得机器人也进入了一个全新的纪元：人工智能时代。1950年,阿兰·图灵提出的“图灵测试”是检测人工智能机器人的依据。2014年,聊天程序“尤金·古斯特曼”(Eugene Goostman)首次通过了图灵测试。这标志着计算机人工智能技术开启了崭新的篇章。2017年5月,人工智能Alphago挑战世界围棋积分第一的中国棋手柯洁时,以3：0的战绩轻松完胜柯洁;2017年的双十一,有四亿张海报由阿里的A I美工设计师“鲁班”完成。这些逐步成熟的计算机人工智能技术,同时也意味着第三代机器人——智能机器人也逐步开启真正的人工智能的进化程序。2017年10月26日,沙特阿拉伯授予美国汉森机器人公司生产的“女性”机器人索菲亚公民身份。作为史上首个获得公民身份的机器人,索菲亚不仅具有学习功能,在最新一次的更新后,她甚至能够根据对话者的情绪,来调整说话方式。2017年全球网络峰会上,索菲亚被问到是否能感知情绪时回答道：“令人兴奋,是的,人工智能和机器人是未来。”这些机器人之所以能达到一定程度的智能,还是得益于计算机技术的发展,在现今大数据的背景下,搜集整合数据,建立数学模型,然后一方面通过网络搜索通常情况下问题的解,如手机上的语言助手,联网状态下可识别一些简单指令或完成特点语境下的对话,另一方面是更加高级的“学习”能力,如AlphaGo的深度学习系统,用人工神经网络模拟大脑,拥有了强大的学习能力。计算机用它强大的计算能力完成大量的数据处理,其计算速度是人类的成千上万倍,人工智能是算法、数据和硬件三个要素综合的结果。一旦涉及到算法、数据,就离不开计算。在这个领域,用来计算的硬件主要是T P U、G P U和CP U,计算机技术的发展,其硬件水平的上升,最终带来的是机械智能化的发展。