智能制造與新一代機(jī)器人技術(shù)的探討

王 慧

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.霍山職業(yè)學(xué)校，安徽 六安 237200）

智能制造與新一代機(jī)器人技術(shù)的探討

王 慧1，2

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.霍山職業(yè)學(xué)校，安徽 六安 237200）

在現(xiàn)代制造和信息技術(shù)領(lǐng)域，語言識別與理解、圖像識別與處理、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人規(guī)劃、多信息傳感與控制、知識表達(dá)獲取與處理、推理與決策、專家系統(tǒng)、智能優(yōu)化控制等智能技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，其智能化成果最終體現(xiàn)為新一代機(jī)器人——智能機(jī)器人的產(chǎn)生，智能機(jī)器人有相當(dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”。文章將對智能制造和新一代機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行簡單的探討。

科技時(shí)代；智能化；智能機(jī)器人；推動(dòng)作用；技術(shù)

21世紀(jì)是以信息化為基礎(chǔ)的科技時(shí)代，而智能化是信息化發(fā)展的高級階段。隨著基因、腦神經(jīng)、認(rèn)知等生命科學(xué)研究的逐步深入，生物科技不斷得到發(fā)展，智能科學(xué)正一步步成為21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)的推動(dòng)力。在現(xiàn)代制造和信息技術(shù)領(lǐng)域，語言識別與理解、圖像識別與處理、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人規(guī)劃、多信息傳感與控制、知識表達(dá)獲取與處理、推理與決策、專家系統(tǒng)、智能優(yōu)化控制等智能技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，其智能化成果最終體現(xiàn)為新一代機(jī)器人——智能機(jī)器人的產(chǎn)生，智能機(jī)器人有相當(dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”。在腦中起作用的是中央，這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接的聯(lián)系。

1 新一代智能技術(shù)對智能制造的推動(dòng)過程

當(dāng)今世界，新一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要新一輪工業(yè)革命的推動(dòng)，而新一輪工業(yè)革命的根本動(dòng)力在于新一輪科技革命。因此新一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展的四大根本要素即成為信息技術(shù)飛速增長、數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化的普及應(yīng)用、系統(tǒng)集成式創(chuàng)新和人工智能技術(shù)。

（1）信息技術(shù)飛速增長。50年來半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展促進(jìn)了整個(gè)信息行業(yè)的大飛躍，除了芯片之外，還有計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊等信息技術(shù)，也都有不同程度的發(fā)展。尤其是過去十幾年間，移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代的信息技術(shù)幾乎同時(shí)實(shí)現(xiàn)了巨大的突破，全都呈現(xiàn)出飛速增長的趨勢。

（2）數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的普及應(yīng)用。數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的范圍幾乎滲透到社會各領(lǐng)域，十分廣泛，使得信息服務(wù)進(jìn)入了普惠計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，真正引發(fā)了一場信息革命。

（3）系統(tǒng)集成式創(chuàng)新。系統(tǒng)集成式創(chuàng)新是一種全新的創(chuàng)新方法，集成創(chuàng)新是利用各種信息技術(shù)、管理技術(shù)與工具等，對各個(gè)創(chuàng)新要素和創(chuàng)新內(nèi)容進(jìn)行選擇、集成和優(yōu)化，形成優(yōu)勢互補(bǔ)的有機(jī)整體的動(dòng)態(tài)創(chuàng)新過程。集成創(chuàng)新強(qiáng)調(diào)靈活性，重視質(zhì)量和產(chǎn)品多樣化。集成創(chuàng)新的主體是企業(yè)，集成創(chuàng)新的目的是有效集成各種要素，更多地占有市場份額，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。蘋果智能手機(jī)、特拉斯電動(dòng)汽車就是系統(tǒng)集成式創(chuàng)新的成功典范。

（4）新一代人工智能技術(shù)。近十幾年來，人工智能在世界范圍內(nèi)得到指數(shù)式的發(fā)展，不僅在量上有巨大的突破，在質(zhì)上也有極大的飛躍。因?yàn)槟壳爸悄軝C(jī)器的學(xué)習(xí)能力不斷提高，執(zhí)行任務(wù)也在日趨復(fù)雜，所以人工智能新技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用速度將會大大超過前幾次科技革命的速度。新一代的人工智能技術(shù)，成為新的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)，將成為下一個(gè)數(shù)十年顛覆經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類社會的核心技術(shù)。

2 智能制造技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)

（1）智能制造技術(shù)的概念。智能制造技術(shù)利用計(jì)算機(jī)模擬制造業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业姆治?、判斷、推理、?gòu)思和決策等智能活動(dòng)，并將這些智能活動(dòng)和智能機(jī)器融合起來，貫穿應(yīng)用于整個(gè)制造企業(yè)的子系統(tǒng)(經(jīng)營決策、采購、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造裝配、質(zhì)量保證和市場銷售等)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造企業(yè)經(jīng)營運(yùn)作的高度柔性化和高度集成化，從而取代或延伸制造環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜业牟糠帜X力勞動(dòng)，并對制造業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业闹悄苄畔⑦M(jìn)行收集、存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展，是一種極大提高生產(chǎn)效率的先進(jìn)制造技術(shù)。

（2）智能制造系統(tǒng)架構(gòu)。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)主要包括三個(gè)方面，即生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能。智能制造系統(tǒng)主要用來對智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架進(jìn)行建模研究。生命周期是由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的鏈?zhǔn)郊?。系統(tǒng)層級包括設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層，共五層。智能制造的系統(tǒng)層級體現(xiàn)了裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）化，以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢。智能功能包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)五層。

3 新一代機(jī)器人技術(shù)

新一代機(jī)器人區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)器人，是一種可以進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并且具備一定適應(yīng)環(huán)境能力的智能設(shè)備，它主要的工作原理是憑借自身攜帶的傳感器去感知和熟悉已知或未知的環(huán)境，執(zhí)行分配好的任務(wù)，進(jìn)行作業(yè)。如下圖1所示。

圖1 新一代機(jī)器人示意圖

一般來說，智能機(jī)器人應(yīng)當(dāng)至少具備以下三個(gè)要素：一是感覺要素，用來認(rèn)識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動(dòng)要素，對外界做出反應(yīng)性動(dòng)作；三是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動(dòng)作。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等接觸型傳感器。這些要素實(shí)質(zhì)上就是相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機(jī)、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動(dòng)元件、行程開關(guān)等機(jī)電元器件來實(shí)現(xiàn)。對運(yùn)動(dòng)要素來說，智能機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成。在運(yùn)動(dòng)過程中要對移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動(dòng)。這些智力活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程，而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段。在國內(nèi)外，智能機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀如下表1所示。

表1 智能機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

智能機(jī)器人根據(jù)智能程度可分為傳感型機(jī)器人、交互型機(jī)器人和自主型機(jī)器人。傳感型機(jī)器人的本體上沒有智能單元，只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)，它具有利用傳感信息（包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等）進(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機(jī)器人的動(dòng)作。目前機(jī)器人世界杯的小型組比賽使用的機(jī)器人就屬于這樣的類型。交互型機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作員或程序員進(jìn)行人——機(jī)對話，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能，能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。自主型機(jī)器人在設(shè)計(jì)制作之后，無需人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自動(dòng)完成各項(xiàng)擬人任務(wù)，其本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問題。全自主移動(dòng)機(jī)器人最重要的特點(diǎn)在于它的自主性和適應(yīng)性，自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù)。適應(yīng)性是指它可以實(shí)時(shí)識別和測量周圍的物體，根據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，調(diào)整動(dòng)作策略以及處理緊急情況。

新一代機(jī)器人核心技術(shù)主要有：①傳感器技術(shù)。機(jī)器人利用傳感器感知和了解自身情況和外部環(huán)境；②伺服技術(shù)。智能機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)單元是伺服系統(tǒng)，伺服技術(shù)主要指伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、精密減速器、液壓泵、伺服閥、運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)；③控制技術(shù)?？刂萍夹g(shù)是在復(fù)雜的環(huán)境中，把分配的任務(wù)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。目前我國重點(diǎn)發(fā)展的是自主控制技術(shù)；④交互技術(shù)。以計(jì)算機(jī)為核心的人機(jī)界面交互技術(shù)；腦機(jī)遠(yuǎn)程交互與通訊技術(shù)；大量采用虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)。⑤網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)。將各機(jī)器人互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，促進(jìn)智能機(jī)器人的分工協(xié)作能力，從而提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

目前我國的智能制造不斷發(fā)展，初步形成了以新一代機(jī)器人、傳感器、自動(dòng)化生產(chǎn)線為代表的智能制造裝備體系。但目前依舊存在一定的問題，比如創(chuàng)新技術(shù)的能力相對較弱、智能制造的產(chǎn)業(yè)缺乏基礎(chǔ)和核心競爭力以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模比較小等。智能制造是未來制造的發(fā)展趨勢，必須大力發(fā)展新一代智能機(jī)器人技術(shù)，從而加快我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，減少能源的消耗，提高產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，既要實(shí)現(xiàn)量的突破，也要追求質(zhì)的飛躍，最終實(shí)現(xiàn)由“中國制造”向“中國智造”的重要轉(zhuǎn)變。

[1]管超，馬巖，郝先人．新一代超高頻RFID技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015，（12）.

[2]談杰．淺談智能制造與機(jī)器人技術(shù)發(fā)展新趨勢[J].小作家選刊，2016，（7）.

[3]曹根基．互聯(lián)網(wǎng)+智能制造深度融合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈分析[J].無線互聯(lián)科技，2015，(24) ：42-44.

[4]董志學(xué)，劉英驥．我國主要省市智能制造能力綜合評價(jià)與研究——基于因子分析法的實(shí)證分析[J].現(xiàn)代制造工程，2016，（1）：151-158.

[5]向曉梅．推動(dòng)發(fā)展智能制造的四大戰(zhàn)略取向[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2016，（5）：24.

[6]常建永．淺談智能制造的核心價(jià)值與新特點(diǎn)[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016，3（5）.

王慧（1985-），女，安徽霍山人，大學(xué)本科，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電專業(yè)課教學(xué)教研。