人機智能技術在機械設計專業中的應用

摘 要： 文章對人工智能理論進行了簡要的闡述，分析人工智能（AI）在各種智能控制技術領域的應用。最后展望人工智能在機械控制設計中的未來發展。和智能控制的發展趨勢。

關鍵詞： 人工智能;智能技術;機械控制;發展前景

人工智能是指可以利用符號、語言和知識表達等方式，用來模擬、延伸、擴展人類智力的智能機器或智能系統。人工智能技術是當前社會科技發展的重要方向，其影響力滲透到社會眾多領域，在機械行業它的主要應用是遠程控制、故障診斷、以及非線性設計等方面，可以說人工智能技術為傳統機械行業指明了發展方向。

一、人機智能技術在機械設計中的應用

1.1機械設計是一個機械構件的綜合模擬和分析研究的過程，在這個過程中需要應用到大量的數據分析和工程圖繪制，同時還要進行方案選擇優化、以及結構的合理化設計。目前行業內通行的設計方式是引入CAD/CAM系統進行輔助設計和分析，隨著人工智能技術在CAD/CAM系統中的應用，它可以將傳統的邏輯化、模塊化的數據處理方式提升為非數值處理，力圖使機械設計過程自動化，減少人類專家在設計過程中由于個人因素造成的不足。同時它還可以長期穩定的工作，從而降低研發成本。因此設計智能化已成為機械設計中非常熱門的研究課題之一。

1.2 智能控制理論及研究領域

所謂智能機械控制是指通過定性與定量相結合的方式，針對環境和任務的復雜性與不確定性，機械設備能自主地實現復雜信息的處理及優化決策，并進行有效控制操作的功能。智能控制是在人工智能在機械行業中又一項新興的技術應用。它的應用領域非常廣泛，如智能機器人控制、智能過程控制等方面。

二、人機智能技術在人機交互設計中的應用

2.1 人機交互的智能控制

傳統的人機交互控制包括手柄、按鈕等機械化控制方式，隨著技術的發展逐步過渡到電子操作方式，但他們都存在則控制界面大、操作精度低的問題，同時隨著使用時間的加長，老式的控制方式都會發生操作反應慢、控制不靈敏的問題。

因此，需將人工智能引入控制系統，從而實現系統的智能化，減少人的不確定操作。即通過采用語音合成、手寫識別、語音識別等智能人機交互技術，將人的指令有效地、準確的傳達給機器，從而驅動智能機器實現其目標。它是自動控制的最新發展階段，對智能控制系統的研究和設計，重點放在對人的生理特征描述——人臉和語音的識別以及判斷識別機制的設計開發上。

2.2 人機智能學習功能

傳統機器設備的控制依據現代控制理論和設計者的主觀設計思想來完成，它們的主要特征是由設計師通過精確的系統數學模型來實現控制功能，并推廣給客服使用。在這個過程中因為缺乏客戶的需求參與，因此在面對不同客戶時，特別是在面對一些復雜應用問題時會遇到不少諸如操作不方便、過程控制復雜等難題。

人機智能技術中的機器學習研究，是基于數據的收集分析和學習。即研究如何使計算機能夠模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能。通過學習不同操作者的行為習慣、問題解決方式等特征，重新組織已有的知識結構使之不斷改善自身的性能。研究從觀測數據（樣本）出發尋找規律，利用這些規律對未來數據或無法觀測的數據進行預測。根據學習模式、學習方法以及算法的不同，機器學習存在不同的分類方法。

2.3 智能視覺功能

計算機視覺是使用計算機模仿人類視覺系統的科學，讓計算機擁有類似于人類提取、處理、理解和分析圖像以及圖像序列的能力。機器視覺在工業領域中的應用主要歸為四大類：識別、檢測、測量、定位與引導。

2.3.1. 識別

機器視覺系統通過讀取一維碼、二維碼、部件標識碼、元件標簽、字符內容來進行識別。以外，機器視覺系統還可以通過定位獨特的圖案來識別元件，或者基于顏色、形狀或尺寸來識別元件。目前，機器視覺在識別領域已經用于產品外形和表面缺陷檢驗，如木材加工檢測、金屬表面視覺檢測、焊縫缺陷自動識別等。

2.3.2. 檢測

機器視覺系統通過檢測產品是否存在缺陷、污染物、功能性瑕疵和其他不合規之處，來確認產品是否滿足品質要求。機器視覺還能夠檢測產品的完整性，比如在食品和醫藥行業，機器視覺用于確保產品與包裝的匹配性，以及檢查包裝瓶上的安全密封墊、封蓋和安全環是否存在等等。

2.3.3. 測量

機器視覺系統通過計算被測物幾何位置之間的距離來進行測量，然后確定這些測量結果是否符合規格。如果不符合，視覺系統將向機器控制器發送一個未通過信號，進而觸發生產線上的不合格產品剔除裝置，將該物品從生產線上剔除。機器視覺所提供的非接觸式測量功能避免了許多傳統的接觸式測量帶來的二次損傷。

2.3.4. 定位和引導

從簡單的裝配檢測，到復雜的機器人應用，都需要采用圖案匹配技術來定位相機視場內的目標物品或特征。機器視覺系統可以定位元件的位置和方向，將元件與規定的公差進行比較，確保元件處于正確的角度，以此來驗證元件裝配是否正確。

引導則是使用機器視覺來報告元件的位置和方向。引導可用于在二維或三維空間內將元件的位置和方向報告給機器或機器控制器，讓機器能夠定位元件或機器，以便將元件對位。

三、結語

綜上所述，人工智能系統其最大的優勢是本身的邏輯性和強大的計算能力，而這種優勢在較為復雜系統的操作工程中能夠發揮重要作用。機械設計制造是十分復雜煩瑣的系統的工程，在操作方面存在著較大的難度，但是如果能將人工智能系統很好地應用到這個過程當中，就能夠簡化操作。在操作時，人工智能系統能夠根據操作的要求和目標來選擇最適合最簡捷的方法。達到最佳的效果。因此，如果我們能夠將人工智能系統廣泛地且有效地應用到實際生產中，定會為機械設計制造行業帶了不少便利，而且，在新時期加強人工智能技術的應用也會對我們的生活質量的提高和社會的進步發展起著極其重要的作用。

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作者簡介：

第一作者：陳亮，1979-10，男，漢，湖北武漢，碩士，武漢輕工大學 副教授，包裝設計方向