[摘要]经济全球化形势下，英语教学需求增长，尤其对于高校教育机构而言，传统英语教学模式的局限性弊端已逐渐显露，新型教学技术的引入与应用成为大势所趋。人工智能技术作为现代科技的重要产物，于近年来开始被尝试应用于教学工作当中，在语言类教学课堂中发挥着尤为重要的辅助作用。基于高校英语教学的现实需求，如何构建有益于提升教学实效性的教学模式，并由此实现人工智能技术在英语教学课堂中的有效利用，成为亟待解决的关键问题。现由人工智能视野出发，尝试在高校英语教学中拟建混合式课堂，以期实现教学效率及质量的优化。
[关键词]人工智能;高校英语;混合式教学;构建策略
从高校教育阶段的英语教学目的来看，其核心主要在于语言应用能力的培养，要达成这一目标，仅仅依靠单一的课堂内教学远远不够，在缺乏课外训练的情况下容易导致学生出现语义理解、口语表达方面的短板，不利于全面应用能力的构建。因此，以线上+线下为特征的混合式教学模式在高校英语课堂逐渐兴起，在很大程度上弥补了以往单一性教学模式的不足，也更有利于为人工智能等现代教学技术的引入与应用扩大空间。但由于长期受传统教学模式影响，人工智能与混合式教学模式在高校英语课堂中的融合构建容易受阻，需要以科学合理的策略加以推进，现提出相应方案。
一、人工智能与混合式教学模式的相关理论概述
(一)人工智能的概念及主要功能人工智能技术是建立在计算机信息处理基础上的一种智能化技术，能够对人类行为逻辑、方式及习惯做出相应的解析与模仿，使机器的运作能够在智能程序的驱使下更贴合人类的交互需求[1]。基于这一应用方向，人工智能技术主要由理论研究与工程研究两个方面共同推进完整体系的构建，其中，理论研究工作旨在为后续工程研究的实践奠定基础，重点一般放在对现有技术经验的总结探索、对相关理论体系的整合提炼等方向;工程研究工作则旨在利用现有人工智能技术独立完成产品的开发与设计，重点一般放在人工智能系统与设备的应用、新产品的研发实验与调整改进等。从人工智能目前的主要功能来看，大致可分为以下三类：一是通过智能系统完成信息的存储、提取及内部处理;二是通过智能化能力完成信息的符号化处理;三是建立与人类行为逻辑相近的程序逻辑，并利用这一能力对人类提出的问题予以解答或处理[2]。从语言学习的视角来看，人工智能的功能呈现更为具体，如语言解析技术、语言识别技术、语言翻译技术等均较为常见，随着人工智能普及率的增长，这些技术在语言教学课堂中的利用也更为广泛，且目前仍处于不断升级的进程当中，为语言教育方式的革新转变带来了巨大的契机。
(二)混合式教学模式的应用价值结合混合式教学模式在高校英语教学中的应用现状来看，其教学价值大致体现在以下两个方面：一是优势整合价值。语言学习中，传统课堂与网络信息课堂所能够提供的支持效果各不相同，且各有优势与短板。通过应用混合式教学模式能够有效提取并整合两种教学状态下的主要优势，使其相互补充、相互作用，进而发挥1+1>2的更优教学效果。二是范围拓展价值。语言类科目不仅对基础知识体系具有较高要求，同时也有着明显的实践需求，而单一的课堂教学模式很难将教学范围进行有效拓展[3]。在混合式教学模式支持下，这一问题得以解决，通过利用庞大的线上资源来突破线下教学范围的局限性，能够达到开辟新渠道、巩固认知结构的教学目的，有助于为学生跨文化交际能力的提升奠定基础。三是推进教学改革。混合式教学模式的深入开展，有助于实现教学方式的多元化和丰富性。充分借助于线上教学与线下教学的优势，综合运用多样化的教学手段，根据不同教学内容的要求来选择合适的混合式教学手法，这不仅可以为学生的学习活动提供良好的支持，同时还有助于调节课堂教学氛围，让教学实效性得以大大增强。
二、人工智能视野下高校英语混合式教学模式的应用路径
(一)听力训练———应用语料库完成自动化资源匹配及交互听力训练属于英语教学中的基础性部分，对于学生英语应用能力的构建有着决定性影响，且听力资源的广度及与学习需求的匹配度在很大程度上决定着学习效果。因此，在构建高校英语混合式教学模式时，可将人工智能技术作为打开听力训练资源广度的关键渠道，借助其特有的语料库储备来完成自动化匹配、交互，使学生能够快速在庞大的英语听力素材中获取与自身学习需求相符的听力资料，并根据资料内容，与人工智能设备展开具有针对性的自动化练习[4]。首先，学生可在线上人工智能系统中录入自己的年龄、学段、英语听力基础、重点训练方向等基本资料，由系统根据数据资料自动筛选、匹配相应的听力材料，从而省略手动搜集资料的繁琐工序。另外，为进一步增强线下课堂学习与情境的交互性，还可进一步利用人工智能的自动识别功能，由学生根据学习需求，随机选取某物体进行扫描，再由系统根据识别出的物品类别筛选出相关的听力练习资料，使学生能够在自动且随机的语言场景中获得更良好的学习体验。例如，当学生选择手机这一物品进行识别后，语料库便可自动筛选出与手机有关的听力材料，整理出类似主题：Therelevanceofmobilephonesandmodernlife，学生再根据听力内容展开自主练习，从而规避千篇1
摘要：智能自动绘图写字机器人可以完成写字、绘图、制作壁画等工作，简单改装后可以变为具有激光雕刻与CNC加工功能的工业机器人。经过市场调研，目前已有的写字机器人普遍体积较小，只能在A4纸上写字，效率低且功能单一，不适用于工业生产。针对市场需求，在已有产品的基础上进行创新，设计了多功能大型工业写字机器人，并开发了配套的人工智能应用软件。
关键词：人工智能;智能制造;文化创意;智慧生产
1作品简介
该绘图写字机器人是由人工智能神经网络结构自主生成可人工调节的图文内容，并由个人电脑将图文内容转化为机器动作指令，由自主设计的多自由度框架写字绘图机构执行命令的一体化全栈式机器。
2工作原理
此机器采用COREXY运动结构，通过2个57高速闭环步进电机带动GT2同步皮带传动，结构略复杂，但是精度较高。得益于稳定的框架和固定的不随横轴移动的步进电机，避免了平台XY轴移动带来的晃动和不稳。移动组件部分搭建在三根高精度线轨之上，以保证书写时的速度和精度。
电路部分使用AtmelATmega328P的主控芯片，围绕此芯片搭建了外围电路，电路线板采用光耦隔离，抗干扰能力强，精确度高，主控板既可板载驱动器，也可外接大功率驱动器。考虑到书写尺寸，两个步进电机采用外置的电机驱动器，驱动器与主控板连接，采用12V与24V双路大功率电源，满足一个电源驱动整个机器的需求。
在PC端需要三部分软件来完成整个系统的控制逻辑：
（1）与下位机（基于AtmelATmega328P的电路控制板）通信的控制软件，将控制命令（Gcode）和下位机交互，控制机械运动;
（2）通过软件将图案或文字转化为控制命令（Gcode）;
（3）通过人工智能与深度学习软件自主设计艺术画作或者模仿古今中外书法绘画名家进行全自动创作。
系统流程如图1所示。
3创新点
（1）该机器一改其他类型机器工作原理简单、工作能力单一、工业设计薄弱的缺点，创造性地使用工业级别的自动化零件，一方面可以极大地增加该机器的稳定性与寿命，另一方面也可使得该机器具有其他功能。
（2）该机器的框架庞大，可控性优良，且框架刚性优秀，因此该机器可以通过简单的改装来满足不同的工作需求。除可以在表面使用不同的涂料进行喷涂外，还可以用于平面液体固化等方面，例如制作异形薄煎饼、绘图巧克力，通过不同材料打印彩色标牌等，该机器在平面扩展方面存在极为优良的
性能。
（3）该机器的主要框架较为稳定，与市面上其他同类商品相比，其底面为一个完整的矩形，因此适合将该机器进行进一步扩展。在增加Z轴运动后，该机器可以成为一台精度极高的三维打印机，在增加密封箱或者其他类似的通风设施后，可以改造成为一台与专业机型无异的激光切割雕刻机，因此其在工业应用方面也存在极高的扩展性。
（4）由于其使用了直线导轨与闭环步进电机控制，其对干扰的排除能力远超其他同类产品，因此可以做一些负荷较大的工作。其本身扭矩支持将它改造成铣床或者浮雕制作机。该机器虽然自重较大，但体积较为紧凑，因此可以方便地将其置于需要制作浮雕等的平面上。
（5）该产品投产后不仅可以作为写字机器人使用，还可以将其框架经过简单改造与二次开发后作为喷绘机、雕刻机、食品打印机、三维打印机、铣床等多种工业设备出售。因此该机器对于公司而言可以有力降低开发成本，实现较高的经济收益。
4市场前景
我们根据调研，发现目前市场上还未出现类似该机器的产品，同时机器相关技术成熟度较高，市场前景广阔。相比传统的绘画创作方式，无论是AI设计师的设计效率，还是设计之后绘制成品的生产效率，均远高于现有方式。
（1）传统设计师在考虑一副壁画或艺术画内容时，往往需要较长的时间周期，而对于单个设计师而言，很容易出现灵感枯竭、内容风格单一等现象，同时设计师的水平也各有高低。相比之下，人工智能自主创作内容的方案不会存在上述情况，借助现代计算机高速的计算速度，神经网络能够在短时间内创作大量优异的画作，且内容完全可控，因此这是对传统设计行业的颠覆性挑战。
（2）传统人工绘制壁画艺术画等方式对工匠技术具有较高要求，不同人之间绘制效果略有差异，且人工速度较低。相比之下，自动化机器拥有由机械结构带来的高精度优势，效果堪比甚至超过人工。由于机械结构由大功率步进伺服系统驱动，绘画的效率也远远高于人工。
（3）机器硬件和软件的成本远远低于目前聘请设计师和工匠施工的费用，相同的投資资金下，使用机器带来的生产效率是人工无法比拟的。
各位小伙伴，你们听说过世界机器人大会吗2前不久，妈妈带我去参观了2019世界机器人大会。那里不仅是机器人的王国，还是像我这样机器人爱好者的乐园。在那里，我看到了许许多多有着超高本领的机器人，它们上天八地、能跑能跳、能工作、能舞蹈、能唱歌，真是让我大开眼界。我迫不及待地想带大家一起去看看，快跟我走吧！
这只可爱的机器狗名叫Anymal。它的本领可大了不但能在城市中为主人完成取送物品等简单任务，更能在极端温度下和极具挑战性的地形中爬行、跑步和跳跃。所以说，它能够帮助我们人类完成一些原本不可能完成的任务，因此也成为全场关注的明星狗狗哦。
这支交响乐团跟我们平时看到的可不一样，它们全由机器人组成，有钢琴、电子琴、架子鼓、吉他、贝斯我听它们演奏了一曲《五星红旗迎风飘扬》，非常动听，现场的好多小朋友都跟着一起唱呢！
在这支机器人交响乐团中，我要特别向大家介绍一位钢琴演奏家听妈妈说，去年来参加机器人大会的时候，它还有24根手指，今年就已经进化为10根手指了。这就是说，它的本领在一年内增长了好多。看来我要好好练习钢琴了，不然哪天被机器人超越了，我该多丢脸呀！
在清华大学的展台前，大学生哥哥向我們介绍了脑控机器人。它的核心是一顶帽子上面有很多可以跟我们脑部神经元连接的节点;这些节点可以把我们的想法传输到电脑上，电脑就执行指令或者把指令传输给机器人。
这也太神奇了吧！这不就是想怎样就怎样的操作吗？大学生哥哥还告诉我，现在的脑控机器人主要应用在特殊人群中，比如已故大科学家霍金这样的‘渐冻人他因为生病，浑身上下只有眼球是可以动的，但是他通过眼睛与电脑交流，完成了很多科研工作，为人类做出了巨大的贡献。
我现在要向大家介绍一款超厉害的机器人，它能模仿人的笔迹自2写字！这项本领让你想到了什么？我想到的是，以后有人帮我写作业喽。我在现场的时候，用手把着它写了几个字接下来，它就自动地按我写的笔画又写了一遍，笔画的走向分毫不差，让我吃惊得下巴都要掉下来了！
不过，妈妈很快就识破了我的心思，笑眯眯地对我说：你还是不要想太多了，回家好好学习吧！以后发明更多的机器人，它们能做的事情会比帮你代写作业更有意义！
这个机器人叫Walker，是咱们中国自己研发的一款大型仿人形服务机器人。我看到它的时候它正在打开冰箱、取出饮料、打开瓶盖、倒入杯子、递给主人，灵活极了！
大家平时见到的机器人，大多是用类似轮子一样的腿走路的。Walker可不一样，它是用脚走路的，平衡性非常好。如果推它一下，它能够自2找到平衡而不摔倒。要知道对于人类来说，完成这个动作非常简单，但对于机器人来说，那可是机器人工程师相当不容易的技术突破呢！
好玩的机器人太多了，我真舍不得离开。好在妈妈答应我，明年还会带我来参加机器人大会。妈妈说，未来是属于我们和我们的机器人朋友的，相信我们会一起为人类开启一个更加奇幻的时代。也许在未来，我们如今在科幻电影中看到的机器人都会来到身边呢真期待那一天。
[摘要]随着机器人产业的发展,世界各国都认识到,培养机器人设计与操作人才的重要性。因此,纷纷出台政策加强对中小学生的机器人教育。科技馆作为重要的校外教育机构,也有必要在此领域发挥自己的作用。通过分析认为,科技馆的机器人教育应定位于中小学机器人校内教育的补充与提高,提出在建构主义教育理论的指导下,以项目学习的模式,开展机器人俱乐部、夏令营及机器人比赛等形式的中小学生机器人教育。
[关键词]科技馆中小学机器人教育建构主义项目学习
自上世纪50年代以来,随着人工智能技术的迅速发展,机器人产业也发生了日新月异的变化。虽然其初衷是为工业、农业、国防等领域服务,但随着技术的进步及社会需求的发展,它已对普通公众的生活产生了潜移默化的影响,在医疗、教育、娱乐、交通等领域都能看到机器人身影,这也使人们愈来愈认识到,培养机器人设计与操作人才对机器人产业发展的重要性。因此,目前很多中小学校和校外机构都开设了机器人教育及培训课程,这对机器人人才储备而言具有重大意义。而作为校外教育不可或缺的一个环节,科技馆在中小学机器人教育体系中理应占据一席之地,发挥出自己的作用。那么,如何发挥呢?笔者认为,应在明确机器人教育的概念、厘清其发展现状的基础上,结合科学教育理论,确定合适的教育模式并加以实施。
一、机器人教育的概念
1920年,当捷克斯洛伐克作家卡雷尔•恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中创造出机器人(Robot)这个词的时候,他肯定没料到在近一个世纪之后,其小说中让机器人代替人类劳动的情节已经变成了现实,并且它们还对公众生活产生了巨大的影响。
伴随着机器人这个词的诞生,社会各界一直对它的定义争论不已,但是一般说来,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
那么,什么是机器人教育呢?根据目前被广泛采用的彭绍东教授的定义,机器人教育就是学习、利用机器人,优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。
彭教授根据机器人在教学中扮演的角色,把机器人教育分为五大类:
(1)机器人学科教学(RobotSubjectInstruction,简称RSI);
(2)机器人辅助教学(Robot―AssistedInstruction,简称RAI);
(3)机器人管理教学(Robot――ManagedInstruction,简称RMI);
(4)机器人代理(师生)事务(Robot―RepresentedRoutine,简称RRR);
(5)机器人主持教学(Robot――DirectedInstruction,简称RDI)。
国内外目前所开展的主要是前两个类型,即机器人学科教学(RSI)和机器人辅助教学(RAI)。前者是指以机器人为对象进行学习,学习的内容是机器人学科;而后者指的是以机器人为工具进行学习,学习的内容是自然科学的各个学科。由于国内外情况的差异,我国中小学目前所开展的机器人教育以机器人学科教学为主,而国外则两种教育类型发展较为平均,并无特殊偏重。
二、国内外中小学机器人教育的现状
在一些发达国家,机器人教育已经成为中小学教育的热点。在美国,一般通过机器人技术课程、机器人辅助教学课程、课外活动及机器人主题夏令营等定期活动来对中小学生进行机器人教育。比如,美国加利福尼亚州高中工程与技术联盟在为高中生开设的工程与技术选修课程中,提供了ROBOTICS课程,主要介绍机器人技术历史,基础,术语,微控制,传感器,程序控制等方面的知识;美国国家自然基金支持的项目K―12教育中的机器人技术,目的是帮助K―12教师以及其他教育者开发或改进以机器人作为一种工具,来教授STEM的课程和开发机器人技术课程;印地安那州的Purdue大学与LAFAYETTE学校合作,在5至8年级学生课外活动中开展的ROBOTICS项目;CarnegieMellon大学提供的针对高中生的ROBOCAMP暑期机器人计划,通过八星期的课程,使学生懂得一些基本的与机器人有关的电子,机械和计算机科学知识。
在日本,其机器人产业的发展已经超过了欧美各国,这与他们对机器人教育的高度重视密不可分。他们不光在各个大学设立了机器人研究专业,并且在中小学的教学大纲中也加进了机器人课程。每年定期举办针对不同层次学生的机器人设计和制作大赛,各个学校也会在假期举办机器人研习营,从而形成了一个多角度、全覆盖的机器人教育体系。
此外,英国、俄罗斯、巴西、新加坡等国也早已出台了多项措施推进本国的中小学机器人教育发展。
而我国的中小学机器人教育则起步较晚,且覆盖面较小。2000年,北京景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年,上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以校本课程的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年,哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学,在哈尔滨师大附小、60中、省实验中学等41所学校开设了人工智能与机器人课程,用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。
除了这些进行正规课堂教学的学校外,有些中小学则采用兴趣班、培训班的形式开展机器人教育。
庆幸的是,我国政府已经意识到中小学机器人教育的重要性,并在课标中有所体现。如教育部在2003年4月正式颁布的《普通高中技术课程(实验)标准》中,首次在通用技术科目中设立了简易机器人制作模块,它是基于计算机技术的学习的平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。现在,新的高中课程标准在信息技术科目中也已设立了人工智能初步选修模块,这是我国高中阶段开展人工智能教育迈出的第一步。
不过值得注意的是,在我国中小学机器人教育体系中,科技馆所占比例几可忽略。我们认为作为青少年科普的重要阵地,科技馆理应在中小学机器人教育中发挥更大的作用。
三、科技馆与中小学机器人教育
1.科技馆在中小学机器人教育中的定位
作为校外科普机构,科技馆不可能将完成课标为己任,而是应定位于中小学机器人校内教育的补充与提高。就中国的情况而言,我们认为,补充的内容应该是校内教育极少涉及的机器人辅助教学(RAI),而提高的内容是校内教育已有一定基础的机器人学科教学(RSI)。
2.科技馆在中小学机器人教育中可采用的指导理论
在杜威做中学、皮亚杰的发生认识论以及维果斯基心理发展的文化历史学说基础上发展起来的建构主义教育理论(本文的讨论范围不包括激进的建构主义〈radicalconstructionism〉),近年来已经在科学教育领域中产生了巨大影响。
建构主义认为,世界是客观存在的,但世界的意义却是由人建构的。它强调知识的动态发展性,并认为知识不是通过教师传授得到的,而是学习者在一定的情境(即社会文化背景下),借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构的方式而获得。由于学习是在一定的情境(即社会文化背景下),借助其他人的帮助(即通过人际间的协作活动)而实现的意义建构过程,因此建构主义学习理论认为情境、协作、交流和意义建构是学习环境中的四大要素。
在学习过程中,学习者处于中心地位,是信息加工的主体,要主动对意义进行建构;而教师则是意义建构的帮助者,而非知识的灌输者。故在此理念下,整个学习过程中,学生要充分发挥自己的主动性,使用探究的方式,以自己已有的知识和经验为基础,努力构建属于自己的新知识;他们需要主动搜集、分析相关信息、资料,并对要学习的问题提出假设并加以验证。而教师的任务则是激发学生的学习兴趣,创设符合学习内容的情境,提示新旧知识之间联系,引导学生之间的协作、对话,从而帮助学生完成新知识的构建。
建构主义教育理论与科技馆教育的教育特点非常契合。因为科技馆教育的本质特点在于它模拟再现了科研和生产活动的实践过程,并且不是简单地模拟再现,而是以学习为目的、经过改造的模拟再现,创造了引导观众进入探索与发现科学过程的条件。科技馆提供的‘从实践中学习的途径不仅成为它与其他教育、传播机构及传统博物馆的最大区别,而且是科技馆生存与发展的价值所在。也就是说,科技馆的教育需要创设学习情境,引导观众自己进行意义建构,并且在此过程中,可能伴有观众与科技馆员工或观众之间的交流,这恰恰正是一个完整的建构主义者所提倡的教育过程。
3.科技馆在中小学机器人教育中可采用的模式
1918年,著名教育学家克伯屈(WilliamHeardKilpatrick)在他名为《项目(设计)教学法:在教育过程中有目的活动的应用》的文章中,首次提出了项目学习(Project-basedLearning)的概念,用以说明有目的的设计行为对教育的重要性及其在教育过程中的应用。它让学生自己计划、运用已有的知识经验,通过自己的操作,在具体的情境中解决实际问题。它是一套能使教师指导儿童对真实世界进行深入研究的课程活动,它在真实世界中让学生借助多种资源开展探究活动,并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性的学习,具体表现为构想、验证、完善、制造出某种东西,它可以是有形的由学生制作的物体,如书、剧本或一项发明等。20世纪二三十年代,项目教学法已经在美国一些学校的低年级中得到了运用,到20世纪八九十年代,则在广大中小学中得到了普遍推广。
我们认为,项目学习法正是在科技馆中进行机器人教育所可以采用的模式。不论是机器人学科教学(RSI),还是机器人辅助教学(RAI),都可以项目学习的模式开展。而可采用的活动形式有机器人俱乐部、夏令营、机器人比赛等。
选定项目后,就需要组织学生对主题的探究活动。这一阶段一般都以学习小组或团队的形式进行。学生首先要对项目的主题进行调查、讨论,提出解决问题的假设;然后收集相关信息,对它们进行处理和分析,再验证或推翻之前的假设,最终得出问题的解决方案。在整个探究过程中,为有利于学生自我知识的建构,应对他们的一切探索和决定都持鼓励态度,而毋须规定出唯一正确的答案。
四、结论
科技馆作为重要的校外教育机构,也有必要在此领域发挥自己的作用。本文通过分析认为,科技馆的机器人教育应定位于中小学机器人校内教育的补充与提高,补充的内容应该是校内教育极少涉及的机器人辅助教学(RAI),而提高的内容是校内教育已有一定基础的机器人学科教学(RSI)。具体应在建构主义教育理论的指导下,以项目学习的模式,开展机器人俱乐部、夏令营及机器人比赛等形式的中小学生机器人教育。
参考文献:
[1]彭绍东.论机器人教育(上)[J].电化教育研究,2002,(6):4.
[2]王益,张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术,2007,(11):109.
[3]教育新闻网[EB/OL].
[4]刘文利.学校科学教育需要科技馆积极支持[J].中国教育学刊,2008,(3):45.
[5]杨洁.多元智能理论视野下的项目学习[D].2004.5.
摘要：随着社会的飞速发展,科学技术不断进步,工业领域生产模式发生变化,人工智能时代势不可挡,尤其是机器人得到更大范围的推广与应用。工业机器人的突出优势是精准度较高,工作效率高,能够承受较大工作强度,为整个工业领域产量的提升以及质量的提高创造更加优质的条件。由此可见,工业机器人已成为现代工业发展的趋势与方向。文章基于行业发展,详细阐述了工业机器人的特征,探讨其未来发展趋势与方向,以期为整个工业行业的持续性发展提供更大的技术支撑。
关键词：人工智能时代;工业机器人;趋势;
Abstract：
Withtherapiddevelopmentofsociety,thecontinuousprogressofscienceandtechnology,industrialproductionmodechanges,theeraofartificialintelligenceisunstoppable,especiallytherobothasbeenmorewidelypromotedandapplied.Theoutstandingadvantagesofindustrialrobotsarehighaccuracy,highworkefficiency,abletowithstandagreaterintensityofwork,fortheentireindustrialfieldofproductionandqualityimprovementtocreatemorehigh-qualityconditions.Thusitcanbeseenthatindustrialrobothasbecomethetrendanddirectionofmodernindustrialdevelopment.Basedonthedevelopmentoftheindustry,thispaperexpoundsthecharacteristicsoftheindustrialrobotindetail,anddiscussesitsfuturedevelopmenttrendanddirection,inordertoprovidegreatertechnicalsupportforthesustainabledevelopmentoftheentireindustrialindustry.
Keyword：
eraofartificialintelligence;industrialrobot;trend;
随着人工智能时代的到来,互联网技术取得巨大突破,大数据技术成为核心,为工业机器人产品性能的提升提供更加先进的技术支持。在工业机器人发展进程中,其操作趋于简易化,精准度更高,能够广泛应用在诸多领域,投入成本呈现不断降低的趋势。立足工业领域,机器人应用于产品检测、焊接以及搬运等环节。工业机器人的出现强化对人力应用的缓解,在优势上主要体现为较高的生产效率与较高品质的操作,同时,操作持久性更加突出。
1工业机器人的构成以及类型
从构成上分析,工业机器人主要包含三个部分,即本体、驱动以及控制三个系统。从功能上分析,一种机器人的作用体现在对人类手、手臂的模仿。另外一种更具智能化,有效发挥仿生学的特征,能力更显多样化,自由度更高。在当前的工业领域,之所以选择工业机器人,主要源于其较低的单机价格,便于维修,应用效率较高。
2人工智能时代工业机器人核心技术分析
2.1工业机器人以高精度减速机为核心构成,涉及多种技术类型,要求较高
在工业机器人中,关键性结构组成为高精度减速机,涉及多种技术类型。首先,材料成型控制技术十分关键,尤其对减速机减速齿轮的耐磨性与刚性提出更高要求,目的是保证运行的高精度标准。在材料构成方面,要强化对金相组织、材料化学元素以及含量的科学控制。其次,加工技术不容忽视。在减速器中,非标特殊轴承是必不可少的组成部分,结构极具特殊性,需要减速器零件加工尺寸来确认间隙标准,工人技术要求更高。
2.2以电机与高精度伺服驱动器为核心,实现对工业机器人的全方位控制
对于工业机器人的控制,电机与高精度伺服驱动器作用突出,强化对控制系统的管理,尤其是在瞬间力、功率输出方面面临更高的标准。首先,快响应伺服控制技术能实现对位置环、电流环以及速度的有序控制,合理运用干扰观测以及前馈补偿算法。具体讲,要采用指标预测法来构建内部预测模型,达到闭环优化的目的。其次,为了保证工业机器人能够有效发挥识别功能,要依托在线参数自整定技术,强化转动惯量以及PID参数的在线优化,达到参数的精准判定。另外,在线惯量辨识算法明确伺服驱动器的实际工况,强化参数的智能化控制,以现场实际为要求,合理进行参数的调整。
2.3以实时性为要求,强化控制操作系统的稳定性与精确性
在工业机器人中,运动学控制系统对实时性要求较高。目前,机器人运动控制卡以定制方式为主,同时,强调与操作系统的密切配合,强化数据传输、数据精确性以及稳定性的实现,尤其是对于操作系统的消息处理机制,更要关注稳定性与快速响应的需要,增强实时性,为机器人产业化道路的发展创造条件。
3结合工业机器人应用实际准确掌握发展趋势与方向
3.1工业机器人的发展更显系统性特征,整体性能增强,适用范围更广
立足新时期的发展,工业领域的机器人更显多样性,如焊接机器人、清洁机器人等逐渐投入使用,工程自动化程度显著增强。随着技术水平的不断提升,机器人的造价呈现下降的趋势,但是,性能却不断增强。例如,对于工业领域的机械手,其主要原理是进行人手及手臂的模仿,实现灵活抓取以及搬运的功能,满足自动化操作的目标。纵观当前,机械手应用最为广泛的领域是工业制造业、包装业等。机械手能够在既定的时间内较为准确与高效地完成操作动作,这也成为工业机器人发展的主要方向。目前,信息技术发展迅速,尤其是人工智能技术影响力不断扩大,加之互联网技术的支持,工业机器人发展更显系统性特征,强化在控制系统、诊断系统以及维护系统功能的提升。同时,依托仿真模拟化程序设计,切实增强智能化与自动化水平,整体性能不断提升,在应用方面更显可靠性,适用范围更广。
3.2以工业发展需求为基础,更显生物性与仿生性特点,强化不良工作环境生产效率的提升
立足工业生产,很多环节与环境保护相矛盾,对从业者身心健康产生不利影响,有些操作人类很难完成,这也成为工业机器人得以推广应用的重要因素。例如,对于真空机器人,其之所以在工业中应用,主要原因是半导体工业中,真空传输晶圆这一环节人类无法完成,而真空机器人的引进实现这一问题的解决。另外,在一些恶劣环境中,如适应无阻运动的蛇形机器人,满足水下作业的仿生鱼机器人等,都处于不断研发之中,备受瞩目。也就是说,在工业机器人的发展进程中,更加关注其仿生性与生物性的特征,能够有效实现对人类行为的模仿与替代,成为新时期工业机器人研发的新动向。
3.3基于不断升级与更新的计算机信息技术,工业机器人控制系统更加完善,加快统一化与标准化的实现
在机器人内部,核心构成为控制系统,是发挥功能的重要保障,强化对记忆、示教、通信连接以及坐标设置功能的支持。当前,计算机技术不断升级更新,为工业机器人控制系统的优化与完善提供强大动力,整体控制水平显著提升。具体讲,在控制器方面,由专用封闭式发展为开放式。也就是说,计算机水平的提升使得工业机器人的控制系统突破专供的束缚,更显统一化与标准化的趋势,网络化特征明显。基于此,工业机器人的操作更显便捷性,具备简单的操作常识即可,无需投入人力物力进行培训,在很短的时间内就可以对机器人进行模块功能调整,在根本上使机器人的使用更加方便与快捷,维护管理工作也易于进行。
3.4综合传感器融合配置技术日趋成熟与完善,实现对人类思维与神经的多功能仿生
立足信息时代,人工智能的发展势不可挡,智能化成为工业机器人在未来的发展方向。智能化的机器人,即强调机器人对人类模仿的更高层次,需要具备更高层级的仿生,既要能够模仿人类的动作行为,同时,还需要具有人类的思维与神经。基于此,传感器成为智能工业机器人的重要构成部分,尤其是视觉、力觉、触觉传感器的出现,加快工业机器人智能化的发展速度。例如,对于从事电弧焊接的机器人,采用多传感器融合配置,融电弧传感器、视觉传感器以及机器传感器于一体。在视觉传感器的支持下,机器人能够凭借激光视觉扫描功能,获取焊接过程中所需要的焊炬等数据信息,保证电弧焊接的精准性。另外,远距离遥控机器人的出现代表了综合性传感器融合配置技术上了新的台阶。这种技术在机器人未来发展中将得到更大范围的推广与应用,处于不断完善与成熟中。
4我国工业机器人发展存在的不足与凸显的问题
首先,我国工业机器人起步较晚,发展时间较短,资金投入方面彰显不足,在技术与经验方面彰显无力性,处于不断摸索与提升阶段,研发力度亟待增强。其次,对于我国机器人的发展,在生产技术与可靠性方面相对薄弱,尤其是机器人很多关键部件需要进口,生产成本大幅增加,机器人市场仍需不断扩大,尤其是过高的成本支出,使得工业机器人在生产研发方面缺乏较高的积极性。再次,工业机器人标准化生产的实现需要以规模优势为前提,但是,我国在生产与研发方面的投入尚未达标,给推广与应用造成巨大阻力。
5如何推动人工智能时代工业机器人的快速发展
随着时代的不断进步,智能机器人技术处于不断创新升级中,因此,工业智能机器人在未来的发展要集中做好如下几个方面的工作。首先,从理论研究方面分析,要重视加强指挥制造技术的探究,尤其是针对机器人中相关零部件的生产,要切实提升产品生产质量,有效应对生产难题,借助新型制造技术与制造模式,缩短机器人生产与推广时间。其次,要结合社会需求,合理增加智能机器人科研项目资金投入,设置专项资金,尤其是面对工业转型发展的新阶段,要扩大对机器人及相关产业的投资量,在根本上为工业智能机器人技术的进步创造条件。再次,立足新时期,要对工业机器人相关条例、规则等进行完善,加快核心技术研发速度,同时,做好研发技术与成功经验的总结分析,推动智能机器人工业化发展进程的加快,构建更加完善的标准体系,强化对人机交互准则的合理优化。
6结束语
综上,工业机器人是多学科相互融合与发展的产物,对工业行业的发展意义巨大。因此,要立足信息时代,在人工智能技术的支撑下,准确掌握工业机器人发展趋势,明确技术特征,促使工业机器人生产制造成本的不断降低,性能逐步增强。同时,要重视仿生学在工业机器人领域的研究与应用,强化控制系统功能的不断升级改造,加快多传感器融合配置技术的发展,大幅提升工业机器人的智能化水平,推动整个行业标准化与统一化建设,拓展机器人应用领域,以便更好发挥工业机器人在人工智能时代的价值。
参考文献
[1]谭文君,董桂才,张斌儒.我国工业机器人行业的发展现状及启示[J].宏观经济管理,2018(04):42-47.
[2]王浩.工业机器人技术的发展与应用综述[J].中国新技术新产品,2018(03):109-110.
[3]蔡济云.工业机器人在自动化控制中的应用研究[J].科技与创新,2018(01):144-145.
【摘要】文章介绍了机器人的定义，阐述了智能机器人研究领域的关键技术，最后展望了智能机器人今后的发展趋势。
【关键词】智能机器人;信息融合;智能控制
一、机器人的定义
自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械;日本学者认为机器人就是任何高级的自动机械，我国科学家对机器人的定义是：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会(RIA：RobotInstituteofAmerica)于1979年给机器人下的定义：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。概括说来，机器人是靠自身动和控制能力来实现各种功能的一种机器。
二、智能机器人关键技术
随着社会发展的需要和机器人应用领域的扩大，人们对智能机器人的要求也越来越高。智能机器人所处的环境往往是未知的、难以预测的，在研究这类机器人的过程中，主要涉及到以下关键技术：
(1)多传感器信息融合。多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题，它与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合，为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了一种技术解决途径。机器人所用的传感器有很多种，根据不同用途分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类。内部测量传感器用来检测机器人组成部件的内部状态，包括：特定位置、角度传感器;任意位置、角度传感器;速度、角度传感器;加速度传感器;倾斜角传感器;方位角传感器等。外部传感器包括：视觉(测量、认识传感器)、触觉(接触、压觉、滑动觉传感器)、力觉(力、力矩传感器)、接近觉(接近觉、距离传感器)以及角度传感器(倾斜、方向、姿式传感器)。多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性，消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。融合后的多传感器信息具有以下特性：冗余性、互补性、实时性和低成本性。目前多传感器信息融合方法主要有贝叶斯估计、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等。
(2)导航与定位。在机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。导航的基本任务有3点：一是基于环境理解的全局定位：通过环境中景物的理解，识别人为路标或具体的实物，以完成对机器人的定位，为路径规划提供素材;二是目标识别和障碍物检测：实时对障碍物或特定目标进行检测和识别，提高控制系统的稳定性;三是安全保护：能对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体作出分析并避免对机器人造成的损伤。机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型等因素的不同，可以分为基于地图的导航、基于创建地图的导航和无地图的导航3类。根据导航采用的硬件的不同，可将导航系统分为视觉导航和非视觉传感器组合导航。视觉导航是利用摄像头进行环境探测和辨识，以获取场景中绝大部分信息。目前视觉导航信息处理的内容主要包括：视觉信息的压缩和滤波、路面检测和障碍物检测、环境特定标志的识别、三维信息感知与处理。非视觉传感器导航是指采用多种传感器共同工作，如探针式、电容式、电感式、力学传感器、雷达传感器、光电传感器等，用来探测环境，对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控，感知机器人所处工作环境的静态和动态信息，使得机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化，有效地获取内外部信息。
(3)路径规划。路径规划技术是机器人研究领域的一个重要分支。最优路径规划就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等)，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法两种。传统路径规划方法主要有以下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法。大部分机器人路径规划中的全局规划都是基于上述几种方法进行的，但这些方法在路径搜索效率及路径优化方面有待于进一步改善。人工势场法是传统算法中较成熟且高效的规划方法，它通过环境势场模型进行路径规划，但是没有考察路径是否最优。智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中，来提高机器人路径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的需要。其中应用较多的算法主要有模糊方法、神经网络、遗传算法、Q学习及混合算法等，这些方法在障碍物环境已知或未知情况下均已取得一定的研究成果。
(4)机器人视觉。视觉系统是自主机器人的重要组成部分，一般由摄像机、图像采集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示，核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识。而如何精确高效的处理视觉信息是视觉系统的关键问题。目前视觉信息处理逐步细化，包括视觉信息的压缩和滤波、环境和障碍物检测、特定环境标志的识别、三维信息感知与处理等。其中环境和障碍物检测是视觉信息处理中最重要、也是最困难的过程。机器人视觉是其智能化最重要的标志之一，对机器人智能及控制都具有非常重要的意义。目前国内外都在大力研究，并且已经有一些系统投入使用。
(5)智能控制。随着机器人技术的发展，对于无法精确解析建模的物理对象以及信息不足的病态过程，传统控制理论暴露出缺点，近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能控制系统。机器人的智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、智能控制技术的融合(模糊控制和变结构控制的融合;神经网络和变结构控制的融合;模糊控制和神经网络控制的融合;智能融合技术还包括基于遗传算法的模糊控制方法)等。近几年，机器人智能控制在理论和应用方面都有较大的进展。在模糊控制方面，J.J.Buckley等人论证了模糊系统的逼近特性，E.H.Mamdan首次将模糊理论用于一台实际机器人。模糊系统在机器人的建模控制、对柔性臂的控制、模糊补偿控制以及移动机器人路径规划等各个领域都得到了广泛的应用。在机器人神经网络控制方面，CMCA(Cere-bellaModelControllerArticulation)应用较早的一种控制方法，其最大特点是实时性强，尤其适用于多自由度操作臂的控制。
(6)人机接口技术。智能机器人的研究目标并不是完全取代人，复杂的智能机器人系统仅仅依靠计算机来控制目前是有一定困难的，即使可以做到，也由于缺乏对环境的适应能力而并不实用。智能机器人系统还不能完全排斥人的作用，而是需要借助人机协调来实现系统控制。因此，设计良好的人机接口就成为智能机器人研究的重点问题之一。人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标，除了最基本的要求机器人控制器有1个友好的、灵活方便的人机界面之外，还要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间的翻译，而这些功能的实现又依赖于知识表示方法的研究。因此，研究人机接口技术既有巨大的应用价值，又有基础理论意义。目前，人机接口技术已经取得了显著成果，文字识别、语音合成与识别、图像识别与处理、机器翻译等技术已经开始实用化。另外，人机接口装置和交互技术、监控技术、远程操作技术、通讯技术等也是人机接口技术的重要组成部分，其中远程操作技术是一个重要的研究方向。
三、总结与展望
机器人是自动化领域的主题之一，人们几十年来对机器人的开发和研究，使机器人技术取得了巨大的进步。随着人工智能、智能控制和计算机技术的发展，机器人的应用领域必将不断扩大，性能不断提高，在未来的生产、生活、科研当中会发挥更重要的作用。
参考文献
[1]孙华，陈俊风，吴林.多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用[J].传感器技术.2003，22(9)：1～4
[2]王灏，毛宗源.机器人的智能控制方法[M].北京：国防工业出版社，2002
[3]金周英.关于我国智能机器人发展的几点思考[J].机器人技术与应用.2001(4)：5～7