从消费机器人的角度分析人工智能在机械工程中的应用

魏学伦

摘要：科幻电影中经常会出现一种与人类高度类似的消费机器人，它们走入千家万户，扫地、医疗辅助、陪伴、益智学习等等，为人们的生活带来很多的便利与帮助，根据GfK最新报告，中国消费级机器人2018年零售规模将超100亿元，而导致这一现象的原因，一部分是因为快生活节奏与高压力的工作的影响，人们希望从繁重琐碎的生活中得到娱乐和解放家务，另一方面，近些年人工智能的跨越式发展使消费机器人越来越智能化。人工智能的快速发展促进了科学的发展，而如何更好的应用人工智能给人带来更多的便利一直是研究的重点之一，人工智能与机械工程中的融合，不仅使机械工程技术不断创新，也很大程度上提高了经济效益和产量，使人工智能与机械工程技术相互促进，共同发展。本文以消费机器人为切入，浅析了人工智能技术在机械工程中的应用及其发展趋势。

关键词：消费机器人；人工智能；机械工程

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0045-02

1 消费机器人

古希腊哲学家亚里士多德曾写道：“如果每一件工具被安排好甚或是自然而然地做那些适合于它们的工作……那么就没必要再有师徒或主奴了。”近年来，机器人的发展可以说是日新月异，各类产品琳琅满目，这在曾经只能算是一个并不能实现的想法，但现在这样的想法渐渐在实现的路上。机器人按照用途可分为工业机器人、商用机器人、军用机器人以及消费机器人，工业机器人是面向工业领域的机器人，其被广泛应用在生产、制造、检测、物流等环节，军用机器人被广泛用于搜寻勘探、物资运输等，如被称为空中机器人的无人机，而消费机器人则被广泛用于家庭环境的家用机器人，如机器人管家、扫地机器人。

机器人是一种既可以通过人为的指令执行工作，也可以通过预先在其系统中设定的程序协助或取代人类工作，而消费机器人就是其中一种，它是主要应用在消费市场的机器人，包括早教学习机器人、扫地机器人、智能音箱等。消费机器人出现的时间较晚，目前至少有25个国家在大力开发，主要用于陪护、保养、运输、清洗、教育等，实现消费机器人的关键技术就是人工智能的应用，使它们能跑能跳，可以跟人智能化交流，如波士顿的新版机器狗可以主动绕开障碍物，自如的上下楼梯，还可以自己开门，而亚马逊推出的一款智能音箱可以向朋友一样跟人交流，播放音乐、天气预报、新闻，甚至叫车、点外卖等，这些得益于人工智能的语音识别技术。

消费机器人是一种集人工智能、电子、机械于一体的复杂产品，其跟我们的生活息息相关。目前的消费机器人都具有强大的运算能力，即能够利用大数据和人工智能进行深度学习，实现人机语音交互、路径规划、物体识别、定位导航等功能，从而为人类更好的服务。

2 人工智能在机械工程中的应用

人工智能是依托于计算机技术诞生的一种学科，经过研究智能的本质，据此原理使智能机器从思维、感知和行为三方面，具有可以模仿人类的大脑以及集体活动的能力，如语音识别、图像辨认、自然语言处理等，据悉我国人工智能的市场规模在2014年达到48.6亿元，在2016年就发展为2014年的2倍，无疑人工智能的快速发展极大的促进了社会的发展。在机械工程中，人工智能的应用使生产效率提高的同时也降低了成本，所以其在工业生产中应用越来越广泛，尤其在工业4.0时代，这种优势更为突出。

2.1 人工智能简述

人工智能是于17世纪世界的第一台计算机面世后被提出的，人工智能的初始只能进行简单的数学运算，应用领域也比较单一，随着科技的发展，尤其是计算机技术、信息技术等的发展，人工智能得到不断的发展与完善。人工智能是研究如何让计算机从视觉、触觉、感觉及思维模式等方面实现模拟人类的某些智能行为，如学习、思考、判断、推理、分析等能力，甚至模拟人类处理问题的能力，如英国研发的一款具有语言学习能力的机器人，它可以通过感知周围的环境向他人学习。 目前，人工智能涉及各个领域，在生活中我们常用的智能手机、电脑中的个人助理，这主要是利用语音识别技术；在电商零售中的智能导购、智能客服，如淘宝后台根据个人的浏览记录智能的推送你想买的东西；在工业中应用较广的机械臂，视觉检测技术，能很大程度上提高工作效率，减少废品率；生活中常见的陪伴机器人、早教机器人以及娱乐机器人······

说起人工智能，可能很多人的第一反应是阿尔法狗，那个可以挑战围棋无败绩的机器人，但实际人工智能已经融入我们生活的方方面面。

2.2 机械工程简述

机械工程是一门以自然科学与技术科学为理论基础，结合生产实践，旨在解决机械生产、设计、制造等实际问题而提高劳动生产率和经济效益，也是促成18世纪工业革命的主要因素。机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。机械工程大致經历了手工加工、流水线生产以及集成生产三个阶段，随着时代的发展，工业生产趋于更精细化、复杂化，这就不得不更多的依赖于机械来完成，而如何更好、更快的完成，就需要结合各项技术，如信息技术、生物技术、计算机技术、人工智能等，相互促进，共同发展，逐步形成了现代机械工程。曾有人把机械与人工智能比作人的四肢和大脑，可见在生产中二者是缺一不可的。

2.3 人工智能在机械工程中的应用

2.3.1 机械设计

机械设计是机械生产的第一步，也是机械工程的重要组成部分，设计过程中要考虑到用最好的材料、最低的成本、最可靠的性能和最少的环境污染，使设计最优化，因此一个设计过程往往涉及到大量的数学计算、试验模拟过程以及系统的分析。以前设计往往靠个人的工作经验以及知识，但这样的设计过程存在很多的弊端。随着人工智能在机械设计的应用，可以在短时间进行大量的数据运算，而CAD以及solidworks等软件可以绘图以及建立数学模型，智能的模拟实物，把人从繁琐的计算与设计过程中解放，节省了时间[1]。

2.3.2 机械生产

在中国制造2025的背景下，工业制造朝着高效、高质的方向发展，即在提高效率的同时也需要保证质量，这离不开人工智能的参与。目前，人工智能在制造业领域的应用主要在有三个方向：机器人视觉定位、视觉缺陷检测和故障预测。近年来，在人工智能的浪潮下，基于深度学习和人工智能的技术已经长期应用于工业生产中，如流水线生产检测、汽车车身检测、计量、对象跟踪、拾取和放置等。工业生产中的很多工业，采用人工的效率缓慢且成本高，例如流水线的分拣，但采用应用了人工智能的机器人，不仅效率高，且可以按照设定的位置有序摆放。例如国家首家机器人3D视觉引导系统 - 埃尔森3D定位系统，对无序堆放、散乱的物件进行外表轮廓的扫描与定位后，進行识别，形成云点数据，通过人工智能分析，加以机器人的自动路径规划、自动防碰撞技术，计算出物件的实时位置，然后传达到机器人实现自动抓取。人工智能在机械生产中的应用，是一次技术的革新，也为未来的机械生产带来更多可能。

2.3.3 机械故障诊断

在机械生产中难免会遇到某些机器因老化、使用不当或其他原因出现机器故障，当人感知到机器故障时，可能已经造成大量的不合格品，带来不小的损失，而且往往检查需要花费大量的时间去找出故障原因，由现象推定原因是一个复杂的推理过程，它需要检修人员有多年的实际经验，才会快速的得出正确的结论，这样无疑会大大降低生产效率。而人工智能在机械诊断中使用，可以在故障发生前对故障进行预测，有效地预防，例如在工厂各个设备上加装传感器，对设备状态实时进行监控，一旦发生异常，通过预警或发送短信等及时告知，及时止损；或是利用人工智能诊断方法及理论，如专家系统、人工神经网络等，快速找出故障点。富士康iPhone8的生产线上，通过机器学习，预先判断何时需要换刀，将产线的停工时间从几十分钟缩短为几分钟。人工智能在机械故障诊断中应用，能有效地帮助改善生产力，提高生产可靠性。

2.4 人工智能在机械工程中的应用方法

目前人工智能在机械工程中的应用，主要在专家系统、模糊集理论、人工神经网络、深度学习以及启发式搜索这几方面。专家系统是一个含有大量的某个领域的专家的知识和经验，也可以看作是一个具有某一领域的专门知识和经验的智能计算机程序系统，当它进行工作时，可以根据系统中的知识和经验进行分析、推理，找出最优的解决方法。人在对某一事物进行认知时，会有很多的不确定信息，但通过对信息的模糊化处理，使问题由复杂转为简易。人工神经网络是由大量的处理单元连成非线性的 、自适应的处理系统，通过模拟人的大脑记忆、处理信息的方式进行信息处理。深度学习就是机器自发的从周围的环境中获取知识，并转化为自身的知识和能力，它能向人一样不断的获取知识补充知识库，即用计算机系统对周围的声音、文字、人物自动识别，是对人的学习能力、思维方式的一种有效模拟。启发式搜索包括遗传算法和模拟退火式算法，即通过随机生成新的解决方案，同时保留最好的结果，以达到全局最优解或最优解附近。这些方法都是人工智能的重要支持，也是实现智能化机械的重要手段[2]。

3 人工智能在机械工程中的应用趋势

从智能手机、智能机器人到自动驾驶，人工智能的时代已经来临，智能化也是机械工程的发展趋势。机械智能化可以大大的提高生产效率是有目共睹的，它解放了生产力，为人类的生活与工作带来了很多的便利，需求量正在不断地扩大。目前很多企业已经在转变，机械智能化大有可为，实现中国制造到中国智造的转变离不开人工智能的参与[3]。

4 结语

从18世纪60年代第一次工业革命到现在，历经两百余年，人类生活随着时代的发展，发生了深刻改变。人工智能在机械工程中的应用，不在仅限于效率的提高，还会在很多方面改变我们的生产、生活方式，推动社会发展。当然，目前人工智能在机械领域的应用才刚刚开始，还有更多的潜在应用场景等着我们去挖掘。

参考文献

[1]曹承志.人工智能技术[M].北京：清华大学出版社，2010：38-40.

[2]陈超.人工智能在制造业中的应用[J].机械设计与制造，2006，（1）：161-163.

[3]周利.余愚.机械故障诊断中人工智能的应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2007，（1）：36-40.