智能机械发展史.doc

智能机械发展史摘要：智能机械是机械发展的前沿领域,可以说它的出现使机械发展的历史跨越了一座里程碑。智能机械与传统机械的区别非常显著,有许多传统机械不具有的特性。由于是新兴事物,很多人对智能机械不是很了解,因此简要的介绍一下智能机械的有关情况是十分有益的。为此本文列举了智能机械的几种定义,介绍了智能机械的某些应用,阐释了制约其发展的瓶颈所在,并对智能机械的前景做出了展望。关键词：智能机械；应用；前景展望Intelligent mechanical developmentAbstract: Intelligent machine is the mechanical development frontier areas, say it appears the history of the development of the mechanical across a milestone. Intelligent mechanical and traditional mechanical difference is very significant, there are many traditional mechanical dont have characteristics. Because is emerging things, many people of intelligent machine is not very understanding, so briefly introduce intelligent mechanical relevant situation is very beneficial. This paper lists several definition of intelligent machines, introduces some applications of intelligent machines, explains the restrict its development, and the bottleneck is the prospect of intelligent machines made prospect.Key words: intelligent mechanical；adhibition；prospect forecast从交通红绿灯 到汽车制造设备 再到地球人造卫星，智能机械无处不在。1 智能机械1.1 智能百科名片中解释为：从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果就产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”，将感觉、去记、回忆、思维、语言、行为的整个过程称为智能过程，它是智力和能力的表现。它们分别又可以用“智商”和“能商”来描述其在个体中发挥智能的程度。“情商”可以调整智商和能商的正确发挥，或控制二者恰到好处地发挥它们的作用。1.2 机械1）中文概念：“机械” 词语由“机”与“械”两个汉字组成。“机”原指局部的关键机件；“械”在中国古代原指某一整体器械或器具。这两字连在一起，组成“机械” 一词，便构成一般性的机械概念。 “机” 在古汉语中原指某种、某类特定的装置，后来又泛指一般的机械。尚书太甲有“若虞机张，往省括于度，则释”。庄子齐物论：“其发若机括。”释文称：“机，弩牙；括，箭括。”说文解字对“机”的解释是“机，主发者也”，指弩机。庄子山林道：“丰狐，文豹不免于网罗机辟之患”即指夹子一类的装置。古代之“机抒”指织布机。淮南子泛论载“伯余之初作衣也，手经指挂，其成犹网罗。后世为之机抒胜复以便其用。”史记郦生传有“农夫释耒，二女下机”。由此可知，“机”之本义指机械装置中构成转动副的转动构件。 “械”在古代中国指器械、器物等实物。庄子天地载“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多”，其“械”在此为一般器械或器具；墨子公输：“公输般为楚造云梯之械”在此指兵器；汉书司马迁传载：“淮阴（韩信），王也，受械于陈”，在此 “械”指刑具。 庄子外篇天地第十二载“.子贡曰：有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多，夫子不欲乎？为圃者仰而视之曰：奈何？曰：凿木为机，后重前轻，挈水若抽，数如汤，其名曰槔。为圃者忿然作色而笑曰：吾闻之吾师，有机械者必有机事，有机事者必有机心。机心存于胸中，则纯白不备。纯白不备，则神生不定。神生不定者，道之所不载也。吾非不知，羞而不为也。子贡瞒然，俯而不对。”这段对话为子贡与老人的对话给出了机械的概念界定即“机械是能用力甚寡而见功多的器械”。韩非子卷十五难二中有类似的论述：“审于地形、舟车、机械之利，用力少，致功大，则入多。”故此中国最迟在战国时期已形成了与现代机械工程学之“机械”涵义较相近的概念。 2）西方概念:西方最早的“机械”定义为古罗马建筑师维特鲁威（Vitruvii）在其着作建筑十书给定为“机械是把木材结合起来的装置，主要对于搬运重物发挥效力”，机械和工具作了区别：“机械（machane）和工具（organon）之间似乎有着以下的区别。即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果的，如重弩炮和葡萄压榨机。而工具则是一名操纵人员慎重地处理来达到目的的，如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。因此工具和机械都是利用上不可缺少的东西。”亚历山大利亚希罗（Heron of Alexandria）在1世纪最早讨论了机械的基本要素，他认为机械的要素有五类：轮与轴，杠杆，滑车，尖劈，螺旋。希罗的论述反映了古典机械的特征。 1724年德国莱比锡机械士廖波尔特（Leopold）给出的定义为“机械或工具是一种人造的设备，用它来产生有利的运动；同时在不能用其他方法节省时间和力量的地方，它能做到节省”。英国机械学家威利斯（R.Willis）在其机构学原理（The Principle of Mechanism，1841年）所给的定义是：“任何机械（machine）都是由用各种不同方式连接起来的一组构件组成，使其一个构件运动，其余构件将发生一定的运动，这些构件与最初运动之构件的相对运动关系取决于它们之间连接的性质。”德国机械学家勒洛（F.Reuleaux ）在其理论运动学（TheoretischeKinematik ,Grundzge einer Theorie des Maschienenwesens ,1875年）中的定义为“机械是多个具有抵抗力之物体的组合体，其配置方式使得能够借助它们强迫自然界的机械力做功，同时伴随着一定的确定运动。” 2 智能机械简介机械结构的振动、噪声、疲劳、损伤、断裂、破坏以及环境的自适应性,影响机械及运载器的安全、可靠、舒适、节能、省料,这是机械设计的主要问题。自有机械以来,机械都是按照力学原理设计的,没有生命、没有智能,因此环境变化与人为因素会使机械的运行难以预测,可能导致机械损坏,使人民生命财产受到严重威胁。为了尽可能保证机械的运行安全,设计者往往采用保守设计,比如增大尺寸与重量,从而增加了能耗,减小了机械的有效载荷1。因此,为了减少上述不利影响,即减小尺寸与重量来降低能耗,增加机械的有效载荷,必须对机械的构造做出重大改进,或者是附加一些设备(可以不是机械或机构)，由此智能机械应运而生。智能机械是相对于传统机械定义的,目前还没有智能机械的严格统一的定义,但各类说法大体相同。下面列出三种对智能机械所具有的基本结构的解读:1)智能结构,就是在基体中嵌人或粘贴传感器和致动器,并具有对致动器有控制作用的控制装置,从而能感知外界环境的变化及自身的实际状态,并能通过自身的感知,做出判断,发出指令,执行和完成动作,实现动态或在线状态下的自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能2。2)智能机械和结构主要由驱动元件、传感元件、信息处理方法和控制系统等组成,系统等组成,目前的应用主要是在智能控制、智能诊断和智能修复等方面,尤其是在减振降噪,智能机械结构,智能表层结构特性控制,智能自适应机械等方面的研究很活跃3。3)传感器、致动器和控制器是智能机械结构重要的三个组成部分。传感器要求具有高度感受结构力学状态的能力,能够将应变或位移直接转换成电信号输出,它担负着感知外界环境变化,收集外界信息的任务。用作传感器有光纤传感器、电阻应变片传感器、压电材料传感器等。致动器的功能是执行信息处理单元发出的控制指令,并按照规定的方式对外界或内部状态与特性变化做出合理的反应,能直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移,具有改变智能结构形状、刚度、位置、固有频率、阻尼及其它机械特性的能力。致动器有压电材料致动器、电致伸缩材料致动器、磁致伸缩材料致动器、形状记忆合金致动器、电流变体致动器等。控制器是智能结构的神经中枢,智能结构的控制器集成于结构之中,其控制对象是结构本身。控制器应具有很强的鲁棒性、实时性和在线性。可以看出,智能机械与传统机械的区别非常显著,有许多传统机械不具有的某些特性。而恰恰是这些特性使智能机械在高科技领域中占有一席之地,成为众人瞩目的焦点。智能机械是机械发展的前沿领域,可以说它的出现使机械发展的历史跨越了一座里程碑。 3 应用举例根据青年科学家论坛讨论的结果,21世纪初,我国在自然科学基金的各类项目,在国防预研项目等国家级科研项目中都对智能材料、智能机械与结构这一学科的研究和发展给予了相当大的投入,在这方面的研究也取得了相当的成果和进展。但也存在着低水平重复研究、材料研究和应用研究相脱节的问题。总体看来,我国学者在这一方面的应用研究在国际上占有一席之地,但仍有一定差距4。为了具体说明国内外智能机械的研究现状,下面具体举一些例子。通过这些例子来了解什么是智能机械、智能机械大致有哪几类、智能机械在现阶段的应用有哪些等等。3.1智能机械脚图1 智能机械脚美国麻省理工学院的科学家休赫尔和他的研究小组发明了全球第一只智能机械脚（如图1所示）。传统的假脚只能在人走路的时候提供一种被动的弹簧反应,它们迫使截肢病人呈现一种不自然的步态,而且要比正常人在走路时多消耗. 30%的能量。而这种机械脚重量轻、行动灵活,它有肌腱一样的弹簧,可将使用者向前移动时产生的动力储存在弹簧中,然后在使用者做抬脚动作时将其释放。机械脚上安装的电动机可推动使用者向前自然移动。此外,机械脚内还装有一个微型电脑,可以对使用者的行动进行预测和计算,让机械脚做出合理的反应,使使用者能够以一种更自然更舒适的方式行走或奔跑,这是传统的假肢所做不到的5。3.2农业机械智能化图2 无人驾驶拖拉机英国科学家研制出一种激光拖拉机（图2为一辆无人驾驶拖拉机）,利用激光计算机导航装置,不仅能够准确无误地测定其所在位置及其运行方向,使误差不超过. 25厘米,而且能够根据送人农场计算机中的电子图表,查出该处土地的湿度、化学成分、排水沟位置和其他一些特点,并能够准确计算出最佳种植方案及所需种子、肥料和农药数量等。只需一人在室内荧屏前便可操纵多台激光拖拉机耕作,耕作速度快,且可减少种子、化肥和农药消耗,可节约生产成本. 50%,提高作物产量. 20%。法国科学家开发出的一种摘苹果机器人,能够辨出苹果是否成熟,摘一只苹果仅需6秒钟的时间,比人工节省一半时间。美国科学家还发明了一种采蘑菇的机器人,可按蘑菇伞最小直径进行采摘,平均每6秒钟采摘一个蘑菇,还不会使蘑菇受损6。3.3基于人工智能的机械系统多学科优化 图3 全智能计算式点钞机作为人工智能科学和认知科学领域的最新发展,计算智能(ComputationalIntelligence,简称CI)如今正日益受到重视,它包括人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork,简称ANN)、模糊系统. (Fuzzy System,简称FS)、进化计算(Evolutionary Computation,简称EC)和专家系统(Expert System,简称ES)等,这些新方法的优越性给复杂机械系统多学科优化设计的发展带来了可能。人工神经网络具有拟人化的智能特性,不需要精确的数学模型,很适合多学科优化中经验性强、信息不足等特点,训练成功后的. ANN具有自学习能力和并行计算能力,且推理速度快,有联想功能,能滤去输入的噪声,但缺乏透明性,不能解释推理过程;而专家系统有明确的知识表示和解释推理过程,但不能从实例中学习,知识获取十分困难。因此,在多学科优化中,将人工神经网络、专家系统、模糊决策等人工智能技术结合起来,构成互补系统,可以取长补短,克服目前难以处理的混合(离散)变量优化问题、对不同问题适应性差、难以进行方案优选等优化方法的不足7。3.4用于深潜救生艇水下对接的智能机械手图4手关节机械手用于深潜救生艇水下对接的智能机械手（图4为手关节机械手）拥有开合和缓冲、手臂主动伸缩和被动柔顺等功能,在深潜救生艇水下对接过程中,四只机械手通过自主作业和上位机的协调控制,完成与失事艇目标环的初联接、救生艇对接裙与失事艇对接平台的自动对中和精确对接等作业。机械手的主动伸缩和被动柔顺功能,为协调控制机械手、实现对接创造了条件;机械手的缓冲和柔顺功能,可以保护机械手、缓冲惯性力,避免机械手因冲击而损坏。该智能机械手能够在失事艇有纵横倾的条件下,完成救生艇与失事艇的对接8。4 前景展望由前面的几个例子可以看出,智能机械(相对于传统机械)的发展有以下几个趋势:柔性化使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要,能适用于迅速更换工艺、更换产品的需要;灵捷化使生产推向市场准备时间缩为最短,使机械制造厂机制能灵活转向;智能化柔性自动化的重要组成部分,它是柔性自动化的新发展和延伸;信息化机械制造业将不再是由物质和能量借助于信息的力量生产出价值,而是由信息借助于物质和能量的力量生产出价值9。尽管智能机械与传统机械相比有一些不足之处,但这并不影响智能机械的发展步伐,反而会促进智能机械的发展。认识到不足是好事,因为这至少为我们指明了前进的方向。不足越多,说明改进的潜力越大。作为非传统的机械,在日新月异的电子设备的支持下,智能机械一定会逐步取代传统机械,占领机械市场,并在大部分领域得到广泛的应用。然而,虽然前途一片光明,但道路并不平坦。要实现上述宏图伟业,还需从脚下做起。具体地讲,就是逐步降低生产成本,最终降到与传统机械持平或更低;增加设备系统运行的稳定性,在不增加