计算机技术在智能机械中的应用分析

宋致远

摘 要：智能化是机械发展的必然趋势，智能机械凭借其自动化、智能化、自主化等特点在我们生活的方方面面扮演着越来越重要的角色，从学生课堂，到智能工厂，再到国家工程，都可以看到智能机械的身影。本文结合对智能机械的认识，从智能机械概念、特点和应用案例角度进行了全方位的阐述，并重点分析了计算机技术为机械的智能化发展提供的包含设计、控制以及管理等方面的技术支持，通过分析可以知道计算机技术是智能机械突破性发展的关键技术。

关键词：智能机械;计算机技术;机器人;人工智能

中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0011-03

0 引言

以机器人为代表的智能机械正在掀起制造领域的变革，智能机械的技术基础是计算机技术。近些年随着计算机技术在机械领域的不断深入应用，使得机械设备从传统的手工操作到自动操作，如今又已经发展到具有自主学习能力的水平。智能机械的发展给传统行业带来巨大的生机与活力，通过智能机械的使用，在提高制造自动化水平的同时，也给生产制造精度的提高提供了技术支持，同时也给生产现场的安全管理提供了保障。不仅如此，智能机械在生活中也扮演重要角色，如商场的服务机器人等，让生活充满科技气息。

计算机技术与机械设备装置的结合是计算机应用技术的一个成功的典范，本文结合对智能机械的理解，对智能机械概念及其全过程中所使用的計算机技术进行归纳总结，为智能机械的进一步发展奠定基础。

1 智能机械

1.1 智能机械概念

智能机械不同于需要人工操作的传统机械，是具有一定计算处理能力的自动化机械[1]。根据智力水平高低，可将智能机械分为交互型、传感型以及自主型三类[2]。交互型智能机械多应用于自动化工厂，其通过计算机与操作员进行“沟通”，可依照处理器中的程序进行一定程度的自动化操作。传感型智能机械多应用于各类机器人比赛中，如中国机器人大赛。相较于交互型智能机械，传感型智能机械配备了大量传感器，其可根据各类传感信息进行诸如避障、寻物、精确击打等复杂操作。自主型智能机械的典型代表是智能机器人，智能机器人=人工智能（Artificial Intelligence，AI）+机器人技术（robot technology）[3-4]。人工智能作为计算机科学的一个分支，是研究使计算机具有人类的某些行为特征的科学，它赋予了智能机器人“灵魂”，使其拥有了自主学习能力，极大程度提高其工作准确度[5]。

智能机械具有缓解老龄化带来的社会压力、代替人工进行高危工作等诸多优势，因此随着社会不断进步，人类对机械智能程度的要求越来越高。但AI的迅猛发展也引发了诸如“人工智能最终可能控制人类吗”的讨论[6]。如何使智能机械不想、不愿、不能控制人类，是智能机械发展人必须解决的问题。

1.2 智能机械的特点

传统机械效率低、自动化程度低、人机交互难度大，这些弊端促进了智能机械的发展[7]。不同于传统机械，智能机械具有自动化、智能化、自主化等特点，符合社会进化需求，具有良好发展前景。

随着社会老龄化程度加深，劳动人口减少，服务人力成本不断提高。自动化的智能机械可以有效减少人工成本投入，促使人力资源被更加合理、高效地使用。同时，自动化智能机械还具有效率高、准确度高、抗压性强等优势。

自动化是智能机械最基本的特点，随着以人工智能为代表的计算机科学的发展，智能机械的智能化和自主化等更具潜力的特点逐渐显现[8]。相较于自动化，智能化、自主化更为高级，相应的智能机械具备自主学习能力，能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务，是智能机械的发展趋势。

1.3 智能机械的案例

智能机械在我们生活中扮演着重要的角色。编程不再遥远而神秘，单片机也走进小学创新课堂，机器人让小朋友们切实体会到智能机械的魅力。随着智能机械的发展，以智能机器人为代表的智能机械与学生的学习结合愈加紧密，各类智能机器人课程不断充实着学生们的生活。

图1展示的是中国机器人大赛的一款仿人型机器人，这是一款传感型机器人，其处理器可根据各类传感信息做出最佳判断，保证机器人在擂台上安全漫游的同时可以击倒检测到的敌人。

课堂、竞赛只是智能机械在我们生活中的发光发热的一小部分，工程、国家层次才是智能机械大展拳脚的主战场。2014年，我国政府提出“中国制造2025”。首要目标就是开发智能制造技术，使机器制造业向着智能化的方向发展，从而推进我国社会经济的快速进步，并使我国制造业跻身世界先进领域，充分肯定了发展智能机械对我国的重要意义。

2 智能机械全过程中的计算机技术

2.1 智能机械的设计技术

智能机械全过程中的计算机技术包含设计技术、控制技术以及管理技术，而其中最为基础的便是设计技术。随着计算机技术的发展，各类设计技术层出不穷，其中最常见的智能机械设计技术是计算机辅助设计（CAD-Computer Aided Design）。计算机辅助设计的主要功能是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，其基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。

实际设计应用中，AutoCAD（Autodesk Computer Aided Design）和SolidWorks是最受欢迎的两款计算机辅助设计软件。其中AutoCAD主要用于绘制二维制图和基本三维设计，SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，主要用于三维建模设计。智能机械设计过程中，通常需要两款软件互补使用，二维制图与三维建模相辅相成，已取得最佳设计效果。

如图3所示，目前，中学生接触的智能设计更多的是硬件组装，即充分发挥自己的想象力，利用模块化零件搭建自己需要的智能机械。这些智能机械或许不足够高端、智能，但很大程度上培养了中学生对计算机设计以及机械制造的热爱。

下面以图4中的仿人型机器人为例，介绍一般模块化机器人的硬件结构。

图4展示了模块化仿人型机器人的硬件结构。其中图4（a）展示了机器人的“脚”，它由电机及其驱动器构成，为机器人提供充足动力。机器人一般需要一定高度来满足自己的控制需求，如图4（b）展示的机器人“腿部”。图4（c）展示了机器人的“眼睛”，它由多个红外测距传感器组成，機器人依靠这些传感信息来判断周围环境以及自己的位置。图4（d）展示了机器人的“大脑”——控制器，以及由舵机组成的“胳膊”。其中，控制器是整个机器人架构中最重要的部分，是机器人执行一切行动的前提，同时它也决定了机器人智能程度的上限。

2.2 智能机械的控制技术

智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。近年来，随着仿真技术、建模技术以及人工智能计算机技术等的发展，智能控制技术获得了飞速的发展。与此同时，人们对机器人的性能以及智能化程度也提出了更高的要求。将智能控制技术与机器人技术结合已经成为智能机械控制发展的主流。

智能机械领域常见的智能控制技术包括神经网络技术、模糊逻辑技术、遗传算法技术等等。其中神经网络是利用大量的神经元，按一定的拓扑结构进行学习和调整的自适应控制方法。模糊逻辑用模糊语言描述系统，既可以描述应用系统的定量模型，也可以描述其定性模型，因此模糊逻辑可适用于任意复杂的对象控制。遗传算法作为一种非确定的拟自然随机优化工具，具有并行计算、快速寻找全局最优解等特点。通常一个智能机械集成了多种智能控制技术，与传统控制技术有效结合，最终实现智能机械的各项功能。

智能控制效果优异，但过于复杂。目前中学生接触更多的是模块化编程或C语言编程，其极大锻炼了中学生的逻辑思维能力。图5展示了上文提到的仿人机器人的控制程序，主要分为三部分。首先是倾倒检测程序，机器人的一切正常活动都是在自身直立的前提下进行的，因此控制程序将检测机器人自身是否倾倒置于最高优先级。控制器通过检测置于机器人底部的倾角传感器反馈的信息判断自身是否倾倒，若倾倒，则执行起立程序，否则继续执行后面的程序。其次，御敌程序具有第二优先级，当机器人控制器通过测距传感器检测到敌机时，将执行御敌程序。最后，则是擂台漫游程序，当机器人正常直立且周围无敌机时，控制器将控制机器人在擂台上漫游，保证自己不掉擂台的同时寻找敌机。

2.3 智能机械的管理技术

近年来，人工智能迅猛发展对智能机械提出了更高定义：智能机械=人工智能+机械技术。人工智能赋予了智能机械“灵魂”，使其可以自主学习、管理。学习的本质是指系统能根据过往经验提升自身性能。以智能机器人学习识别人脸为例，机器人通过自己的“眼睛”（摄像头）不断观察呈现在它面前的人脸图像，最终形成能正确识别人脸的策略。而且这一过程是增量式的，即智能机器人的性能会随着观察的增多而不断提升。之前大火的人工智能AlphaGo便具有深度学习能力，可谓是自学成才。它结合了数百万人类围棋专家的棋谱，以及强化学习的监督学习进行了自我训练，最终成为顶尖“围棋大师”。

人工智能赋予了智能机械“灵魂”，使其拥有了自主学习、管理能力，但同时也引发了“人工智能最终可能控制人类吗”的讨论。研究智能机械的根本目的归根结底是使其在实际生活中更好地为人类服务，如何使智能机械将“为人类服务”作为根本宗旨，是发展智能机械必须解决的问题。

3 结语

机械智能化是社会发展的必然趋势，智能机械在我们生活的方方面面扮演着越来越重要的角色，为我们的生产、生活提供着不可或缺的帮助，具有巨大的发展潜力。计算机科学以及其分支人工智能的发展为智能机械的突破性发展提供了关键技术支持，使机械更智能成为可能。本文结合对智能机械的理解，对智能机械概念、特点及其全过程中所使用的计算机技术进行归纳了总结，为智能机械的进一步发展奠定了基础。

参考文献

[1] 张弦.智能自动化技术在机械设计中的应用[J].黑龙江科学，2018，9（18）：158-159.

[2] 雷扎N.贾扎尔（RezaN.Jazar）.应用机器人学：运动学、动力学与控制技术[M].机械工业出版社，2018.

[3] 王田苗，陶永.智能机器人+人工智能创新创业的思考及建议[J].科技导报，2018，36（17）：97-101.

[4] 龙慧，朱定局，田娟.深度学习在智能机器人中的应用研究综述[J].计算机科学，2018，45（S2）：43-47+52.

[5] 王田苗，陈殿生，陶永，李剑.改变世界的智能机器——智能机器人发展思考[J].科技导报，2015，33（21）：16-22.

[6] 中央党校（国家行政学院）公共管理教研部教授 何哲.人工智能最终可能控制人类吗[N].北京日报，2018-12-03（015）.

[7] 杨华勇.工程机械智能化进展与发展趋势（二）[J].建设机械技术与管理，2018，31（01）：38-39

[8] 朱剑英.机械工程智能化的发展思路与对策[J].南京师范大学学报（工程技术版），2001（04）：1-6.