產 學 研 用 一 體 化 機 器 人 學 科 建 設

吳峰華， 李婷雪, 李連德， 楊哲海， 尹競瑤， 王 昊， 金 鑫

(沈陽城市學院 智能工程學院，沈陽 110112)

0 引 言

我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段。建設現代化經濟體系，要以人工智能融合實體經濟培育出的增長點推動先進制造業加快發展[1]。人工智能的創新普及是我國實現后來居上、邁入制造強國的重大歷史機遇[2]。為搶抓人工智能發展的重大戰略機遇，構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國，2017年8月國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》(簡稱《規劃》)[3]，指出：“國家相關規劃計劃中部署的人工智能研發項目，重點是加強與新一代人工智能重大科技項目的銜接。加快智能制造與機器人研究，為人工智能重大技術突破提供支撐”，明確提出“支持開展形式多樣的人工智能科普活動，全面提高全社會對人工智能的整體認知和應用水平。實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程”。

以人類自身的形體結構和智力為原型參照的關節驅動型仿人機器人是人工智能領域的典型代表[4]。關節驅動型仿人機器人已成為衡量一個國家和地區機器人技術水平的重要標志，集中體現了基于深度學習的目標識別與追蹤、以高性能和強穩定性為目標的動力學建模與優化控制、云計算與智能語音交互、精密仿真與基于新材料的驅動器設計等人工智能領域的諸多方面研究成果，涵蓋了機械、電子、自動控制、計算機和人工智能的生物學、心理學、神經科學、行為科學和社會科學等學科分支，呈現出史無前例的跨學科態勢。

1 產學研用融合的機器人課程體系架構

21世紀是人類和機器人共處的時代。任何國家、任何職業、任何階層、任何年齡的人在其日常行為中，大部分時間要與機器人或人工智能產品打交道。民眾渴望更廣泛更深入地了解和接觸機器人，機器人行業迫切需要專業化應用型人才，機器人研究團隊也不斷推出技術水平更高的研究成果。社會發展對機器人學科的教育提出了緊迫要求：應該針對不同受眾群體提供有的放矢的機器人領域學習教育方案。為此，本文分別面向中小學生、高校機器人相關專業學生和機器人領域研究人員提出了3個層次的機器人課程體系。該課程體系面向機器人行業社會人才的崗位需求和具體工作內容和能力要求，結合機器人產業化項目所面臨的產品開發、普及教育課程體系形成、項目推廣及服務等課題和工作，提出了機器人學科建設需要培養機器人產品經理、機器人項目開發、機器人研發、機器人技術、機器人認證、機器人安裝調試與維護、機器人教師、機器人競賽等崗位人才。針對機器人行業人才的專業需求和技能要求，設置了9門核心專業課、10門方向專業課程以及8個方向的研修課程,如圖1所示。

2 產學研用融合的機器人教育系列化課程

2.1 機器人科普教育系列課程(第1層級)

2.1.1 國內外青少年機器人教育的現狀

人工智能的普及教育對于教育機器人的需求將形成巨大的市場。教育機器人作為新興領域在實踐應用中雖然存在課程管理平臺、學習內容和師資等缺乏等諸多困難，但是隨著教育機器人市場需求的日益增加，其發展前景及其廣闊和樂觀。在提倡素質教育、注重通識教育、推行研究型大學模式的當今時代，在教育機器人課程的推廣過程中，通過動手組裝和編程實踐，可以拓展青少年的工程實施能力和邏輯思維能力。這種寓教于樂的先進教育模式必將成為青少年人工智能教育的有效手段和工具。基于全球教育和機器人的相關市場調查報告及相似產品的發展歷程預測2016～2021年全球教育機器人的市場規模將達111億美元[5]。在機器人發展前景大好的大環境下，我國也非常重視教育機器人的應用發展，不僅開展了各種比賽，教育機器人還被用于課內外教學，如北京、上海、廣東、江蘇等地已經將教育機器人納入地方課程或校本課程，以促進學習者創新思維、設計思維和計算思維的培養。隨著機器人技術的逐步成熟，研究教育機器人已成為一種必然趨勢。

如今世界各國的青少年科學教育都在發生劇烈、深刻的變革。美國的K-12科學教育框架和2014年提出的新一代美國科學教育標準[6],英國經過3年修訂后于2014年實施的小學國家課程學習綱要[7],日本6次修訂小學科學課程標準[8],新加坡2014年頒布的以“為明天做準備”為目標的小學科學課程大綱，無不面向各自國家和地區的內在教育需求、努力讓小學生適應未來的科技社會、提升本國的國際教育排名。

我國《全日制義務教育科學(3～6年級)課程標準(實驗稿)》已經頒布15年，修改版三易其稿爭議猶存[9]。2017年2月，教育部印發《義務教育小學科學課程標準》(簡稱《標準》)[10]，指出“小學科學課程對培養學生科學素養發揮了重要作用”，但在實踐中存在時代性有待增強的問題：課程內容選擇缺乏現代科學的宏觀視野、活動設計不能充分體現科學實踐的基本特征、目標定位與兒童認知特點和發展需求不相適應。

《標準》強調：小學科學課被列為與語文、數學同等重要的“基礎性課程”，將科學課起始年級從小學三年級提前到一年級，科學課在九年制義務教育階段的高度前所未有。科學課程追求的目標，并不僅僅是要孩子們掌握碎片化的知識，更重要的是應該讓孩子們了解科學家的工作、學習像科學家那樣實踐和思考。科學教育必須將科學家做科學的方法融入到科學課程中去。在信息爆炸、知識呈指數級增長的未來社會，這項能力的重要性已無需贅述。

依據國務院《規劃》和教育部《標準》，人工智能的普及教育要從娃娃抓起。本文將人工智能以科學研究的方式引入小學課堂，將深刻的科學原理以通俗易懂的方式進行科普化體現和科研式實操，是保證小學科學課程的時代性、提高人民對教育滿意度的強有力措施。

2.1.2 青少年機器人教育的方法與內容

將機器人作為引發興趣容易上手且科技含量較高的教具，通過觀察、比對、測量、記錄、組裝、搜索、體驗、思考、研討、編程、調試、創作等課堂行為完成機器人通識、機器人搭建、機器人感知、機器人學習、機器人控制等課程模塊，傳播機器人的無線遙感、語音交互、目標識別、路徑規劃、軌跡跟蹤、運動控制等科學道理與實現方法，設計機器人踢足球、跳舞、救援、搬運、競速、尋跡、答題等項目賽事，有效培養和充分發揮青少年的科技創新潛力，全面實現《標準》和《規劃》提出的人工智能普及教育和科普創作目標。

機器人科普教育系列課程將設置6大學習模塊。

(1) “玩”機器人。該模塊包括控制軟件在內的仿人機器人成品提供給青少年，按照基本操作方法運行機器人。完成走路、拐彎、歡迎、鞠躬、跳舞、踢球、倒地起身等動作，并回答學生提出的幾個設定好的簡單問題。例如，觀察機器人在做每個動作的時候，哪些位置是活動的？嘗試用控制軟件將幾個動作組合起來完成。

(2) “拆”機器人。通過拆解機器人，使青少年了解與思考機器人是怎樣做出來的。提供拆卸步驟，邊拆邊觀察機器人的結構組成。深刻理解每一個零部件的位置連接關系和作用。觀察機器人舵機、電池、開關等與控制器的連接。將某一舵機與控制器連接，上電后用控制軟件調節舵機主軸旋轉，觀察轉向和幅度跟控制軟件設置量的關系,思考如何組裝機器人。

(3) “裝”機器人。機器人拆解后，按照原樣組裝起來。思考組裝步驟。提供答案供進行不下去時參考。

(4) “調”機器人。機器人重新安裝后，需要對舵機進行微調，才可恢復出廠狀態。在微調過程中，觀察調節量與舵機轉角的關系。

(5) “編”機器人。通過可視化編程軟件給機器人編寫程序，讓機器人執行規定的或自己構想的工作。可以嘗試難度較大的動作。比如：上下樓梯、跑步、跳高等。編程實現機器人回答更多的問題。

(6) “比”機器人。設計并開展機器人各項競賽。

2.1.3 積極在青少年中開展機器人競賽

根據其他學校的經驗，孩子們對機器人課程的喜愛是難以想象的。他們不僅在課上積極地接觸機器人，在課后也主動研究，這種喜歡是發自內心的。當孩子的積極性被自發調動起來的時候，機器人教育的核心價值已經在孩子們身上充分體現出來了。這是其他課程很少能做到的，但機器人課程完全能夠做到[11]。

機器人教學或者比賽，通常是以小組的形式通過任務來展開。雖然任務固定，但完成任務的方法和途徑卻是多樣化的，或者說解決問題的方案是開放性的。這種開放性的任務環境可以極大地發揮學生想象力、調動學生積極思考，挖掘每個人的想法，設計方案。對學生創造力和創新能力的培養都大有裨益。以小組的形式則強調了合作精神，通過各種比賽的經驗來看，最終取得好成績的小組，組員之間的合作一定是非常密切的。因此教學中小組成員常常被安排在一起，經過長時間的磨合來培養他們之間的默契和團結。

方案確定后，機器人的教學可分為相輔相成的3部分:① 建模。建模需要學生對現實情況(或者物體)進行分解，然后抽象出其基本共通點，進行建模，搭建機器人。搭建前期的分解，抽象，建模是計算思維的核心內容，同時搭建后期的組裝不僅鍛煉了學生的動手能力，還融合了諸如物理、數學等多學科的知識。② 編程。編程過程中學生的算法意識、邏輯思維得到了充分鍛煉，這也是計算思維的重要的內容。③ 調試運行。這一階段需要系統、綜合考慮所有問題，進行反思，哪里出了問題，為什么出問題，原因在哪里，是機器人搭建結構的問題還是程序編寫的問題，反復修改，反復調試，以達到最后能夠可靠執行任務的目的。這一系列的過程涉及科學、技術、工程、數學等學科，因此機器人教育還是STEM教育的主陣地。目前國內外對于“如何通過教育機器人課程促進STEM學科整合及學生STEM素養提升”這一主題已逐步展開內容廣泛的研究。例如美國卡耐基梅隆大學機器人學院(Robotics Academy)是隸屬于美國卡耐基梅隆大學的機器人教育機構，致力于研究教師如何在課堂教學中使用機器人，講授計算機科學并借助機器人技術媒介，提升學習者在交叉學科技術領域中的學習興趣，推廣機器人與教育的整合性應用。目前該學院以ROBOTC[12]平臺為基礎，已發布近20門教育機器人相關課程，構成了一個覆蓋K-12義務教育階段到大學階段的課程體系[13]。

機器人是學無止境的學科。因此在教學過程中，應強調經驗的積累和反思。這集中體現在對機器人結構、程序調試的要求中。只有在成功與失敗的經驗或教訓的總結中，一些工程學的設計理念才會漸漸地在孩子的腦海中明晰起來。機器人教育應當重視制作、調試過程中的質疑和反思。調試的過程就是不斷自我質疑和假定驗證的過程，也是反復思辨、自我挑戰的過程。在機器人教學中往往有些學校急功近利地購買現成的機器人方案，追求比賽成績過人一等，這是違反教育規律的。因為放棄了設計調試的過程，等于放棄了機器人教育的核心能力培養。學生雖然短期內成績突出，但懷疑、批判能力的缺失，將使其在未來的高精尖人才的競爭中無法占據有利的地位。在機器人教學中，應經常向學生灌輸“創新思維，工匠作風”的理念。永遠不滿足于現狀，永遠在腦海中思考如何推翻、改進設計，如何扎實地調試和摸索規律。

科學的批判與探究能力，是科學發展的不竭動力。信息技術日新月異，其本身就是在不斷地批判與探究中發展的。機器人教育應更加看重學生的思維能力，尤其是分析問題、解決問題的能力及批判、探究能力的提高[14]。

2.2 機器人高等教育系列課程(第2層級)

2.2.1 國內高校機器人教育的現狀

目前我國機器人的研究和人才培養主要集中在一些重點高校和科研院所的自動化專業、機械制造及其自動化專業、電氣工程及其自動化等專業。國內部分高職大專院校相關專業也開設工業機器人操作與維護的課程，主要定位于部分固定品牌和型號的工業機器人的操作與維護，遠遠不能滿足市場一線技術人才的缺口。

2015年經教育部批復，東南大學開設國內本科階段首個“機器人工程”專業，以自動化大類的形式招生。學生到大三開始區分專業方向，其中之一為智能機器人方向。開設的主要課程有機器人學(2學分),多機器人系統建模與分析(1.5學分),機器人動力學與控制(2學分),服務機器人(1.5學分),工業機器人系統(2學分),特種機器人(研討課)(1.5學分),智能機器人系統綜合設計(研討課)(2.5學分)，共13學分。主要學習內容為機器人學基本概況,機器人空間描述和變換,機器人正逆運動學及建模,機器人路徑規劃,機器人本體設計,機器人多平臺編程,多機器人系統建模方法,基于一致協議和剛性圖的多機器人編隊控制系統分析,基于微分幾何的多機器人尋跡編隊控制系統分析,機器人控制方法及實現,服務機器人、工業機器人和特種機器人基礎知識以及基于自主性能實現、高級應用等。東南大學機器人工程專業的特點是涉及面比較廣，注重研討，學生自主查閱資料，課上共同討論、學習和實踐，但并未針對機器人產業化進行人才培養,學生動手實操的機會偏少。

到2016年，東北大學、湖南大學、北京信息科技大學、遼寧科技學院、沈陽科技學院、吉林工程技術師范學院、哈爾濱遠東理工學院、哈爾濱華德學院、常熟理工學院、南京工程學院、三江學院、安徽工程大學、安徽三聯學院、南昌理工學院、山東管理學院、武漢商學院、廣州大學、廣東白云學院、廣東工業大學華立學院、北京理工大學珠海學院、華南理工大學廣州學院、廣西科技大學、重慶文理學院、西安文理學院、西安航空學院等25所高校新增備案“機器人工程”本科專業,足見機器人專業的受重視程度。

2.2.2 部分高校機器人專業課程體系設置狀況

資料表明，東北大學的機器人工程專業主要以控制科學與工程、機械工程、計算機科學與技術、材料科學與工程、生物醫學工程和認知科學等學科中涉及的機器人科學技術問題為研究對象，開設的主要課程包括機器人技術基礎、自動控制原理、機械學基礎、機器人操作系統、機器人動力學控制、機器學習、人機交互與人機接口技術等。培養目標是部分畢業生通過更高層次人才培養過程，在高校、科研院所從事科學研究工作；部分畢業生從事機器人工程設計、技術研發、機器人系統運行與維護和工程應用等方面的工作；部分畢業生在企業或其他相關部門從事各類管理工作；部分畢業生走上自主創業的道路[15]。

湖南大學機器人工程專業設置的專業課有機器人概論、機器人入門、機器人學、機器人控制基礎、機器人動力學及控制、機器人及其控制、機器人技術、微型機器人、機器人與現代社會[16],并開展了機器人學科課程體系的系統性和實用性方面的研究。

遼寧科技學院機器人工程專業主要培養FANUC/ABB等知名品牌工業機器人方向應用人才。設置課程有：機器人技術基礎,工業機器人離線編程仿真技術,工業機器人編程設計與實現,工業機器人系統集成設計,工業機器人典型應用實訓,智能制造技術與應用,工業機器人系統二次開發,工業機器人技術綜合實訓(操作、編程、視覺),工業機器人離線編程與仿真實訓(離線編程應用、工作站仿真),工業機器人工作站安裝與調試實訓(本體及外圍設備),工業機器人典型應用實訓(弧焊、打磨、上下料),工業機器人系統集成設計實訓(工作站方案),智能制造生產線實訓(各單元模塊實訓)[17]。

南京工程學院自動化學院機器人專業方向主要規劃了機器人機械基礎與機構學、機器人傳感器與檢測技術、機器人控制技術、機器人編程與操作等4門專業課程，其他大部分課程仍沿用自動化專業課[18]。

三江學院機器人工程本科專業由機械與電氣工程學院開設，設置機器人軟件、服務機器人和工業機器人3個專業方向[19]。

廣東工業大學華立學院機器人工程專業設置了機器人學、工業機器人及零部件結構設計、機器人控制與應用、機器人傳感器與檢測技術、機器人綜合實踐、機器人現場編程、機器人系統集成技術等課程[20]。

武漢商學院機器人工程專業核心課程綜合了機械與自動化專業主干課，并增加了工業機器人方向的專業課，值得借鑒。具體包括：機械設計基礎,機械制造基礎,電路原理與分析,高級語言程序設計,電子技術,單片機原理及其應用,嵌入式控制系統及應用,現場總線控制技術,自動控制原理,運動控制系統,電機與電氣控制技術,機器人傳感器技術及應用,PLC原理與應用,工業機器人控制系統,計算機視覺,工業機器人計算機編程,工業機器人仿真技術,工業機器人系統集成技術,生產運作管理[21]。

上述院校機器人工程專業課程體系設置還都處于邊實踐邊探索的階段。但都體現了專業融合和人才培養應用化路線。面對機器人行業巨大又缺乏邊界的人才缺口，如何結合學校自身的研究方向進行本科生培養，形成產(產業化)、學(學業)、研(研究)、用(用人單位)一體化互促式發展，是值得研究的課題[22]。

我校秉承“打好理論基礎-重視實踐應用-對接工作崗位”的課程設置思路，面向世界級機器人比賽和仿人教育機器人研究、開發與推廣，建設機器人概論、機器人結構原理與設計、機器人運動學與動力學仿真分析、機器人造型與視覺傳達設計、機器人控制原理與仿真分析、仿人機器人控制系統、機器人感知與辨識、機器人智能決策與規劃、教育機器人培訓等9門機器人方向核心專業課程,以及機器人前沿技術解讀、仿人機器人開發、機器人制造技術、仿人機器人工藝仿真、仿人機器人本體設計、機器人電氣設計、機器人控制器與操作系統、機器人調試與保養、機器人故障診斷與處理、仿人機器人賽事研究等10門方向課程。課程體系中涉及的理論教學、項目實踐、實訓演練、畢業設計等基本環節都體現機器人應用技術和解決實際問題的本科專業定位，并能與實際工作崗位的工作內容對接，培養機器人應用型高素質人才。

2.2.3 機器人專業課程的設置依據、建設目標、主要內容和相互支撐關系

根據機器人職位人才市場需求，機器人產品經理、機器人項目開發、機器人研發、機器人技術、機器人認證、機器人安裝調試與維護、機器人教師、機器人競賽等崗位人才缺口較大。且這些崗位可以對應于自研機器人的崗位設置。

(1) 機器人項目開發崗位。主要負責機器人項目的市場調研、客戶需求分析、前期技術溝通、基本方案編寫、及時把握新技術、掌握機器人的基本操作。對此，設置了1門核心課機器人概論(4學分),2門專業課：機器人前沿技術解讀(2學分)、仿人機器人開發(4學分)等課程。這幾門課是其他所有崗位工作都涵蓋的最基礎課程。

“機器人概論”的目標是對機器人有整體了解。具體內容包括機器人的基本發展歷程、各種機器人的基本結構和原理、機器人總體情況和服務社會的宗旨、同行業其他機器人的基本情況以及自研機器人的對比優勢等。

“機器人前沿技術解讀”的目標是及時捕捉和了解機器人行業最新動態。因為機器人屬于日新月異的學科，新技術、新工藝、新產品、新政策層出不窮。本課程引導學生以機器人設計結構、加工工藝材料、新的仿真技術與仿真軟件、先進智能算法、先進控制方法、近期出現的新型機器人等各種視角實時收集相關知識、資訊和文獻，特別是與自研機器人相關的最新信息，并在課堂上研討,作為師生長期研究的課題。

“仿人機器人開發”的目標是自研機器人的廣泛宣傳與推廣。本課程在學習我校自研機器人使用手冊和了解中小學情況的前提下，組織實訓項目，深入中小學宣傳機器人。研究學生、家長、老師、管理層等對于仿人教育機器人引入科學課堂的反映，收集并分析客戶需求并形成報告，據此提出產品技術要求。可以把客戶心理學等作為研究方向。

(2) 機器人研發崗位。主要工作包括關鍵技術研究、產品結構設計與外觀設計、圖紙審核；根據產品規劃、系統構架和功能需求完成控制程序開發及文檔編寫、設計并實現機器人系統軟件架構、系統軟件的定制和實時性優化、器人運動控制算法的開發與實現、機器人運動軌跡規劃算法和優化。仿真驗證方案可行性、工藝布局合理性、工藝流程優化等；機器人生產過程模擬仿真研究、機電聯合仿真試驗等。為使學生畢業后能夠勝任此崗位，設置了機器人結構原理與設計(6學分)、機器人運動學與動力學仿真分析(6學分)、機器人智能決策與規劃(6學分)、機器人造型與視覺傳達設計(6學分)等核心課程,以及仿人機器人本體設計(4學分)、仿人機器人工藝仿真(4學分)、機器人感知與辨識(4學分)等專業方向課程。

“機器人結構原理與設計”的目標是通過直觀的設計和調研，為機器人整體設計打好理論基礎。課程內容要掌握構成機器人的基本結構和常用機構的原理、設計、選型等。包括齒輪、聯軸器、軸、舵機等，以及常用產品的調研。以開發機器人的舵機齒輪為案例，通過SW、UG等三維設計軟件平臺完成設計計算。研究方向和內容可以涉及先進設計理念、精密加工工藝等。

“機器人運動學與動力學仿真分析”的目標是利用等力學分析軟件，分析機器人設計方案的合理性，并對于薄弱環節提出改進方案。主要學習Adams軟件與Matlab軟件的基本使用方法以及機器人運動學與動力學模型。通過兩個軟件平臺完成機器人整機的運動學仿真分析，得出機器人的運動范圍仿真結果；以及機器人動力學仿真分析，以自研機器人為課堂案例，得出機器人極端情況下受力情況，用于舵機選型和結構件的優化設計。為形成系列化產品做好鋪墊。同時可將仿真的條件、分析過程、數據擬合等作為研究方向或研究內容。

“機器人感知與辨識”開設目標是實現機器人接受視覺圖像、遙感信號、內部傳感信號后，完成目標位置和狀態等信息等的識別。主要學習并研究信號檢測方法和識別算法，特別是我校機器人已有的算法，并理解對應軟件程序代碼。有創新思維的學生可以修改更新算法，并通過實際機器人平臺實現算法和軟件的驗證。課程以自研機器人為課堂案例和項目平臺。學生可以同步掌握Linux操作系統、C/C++、Python、Matlab等軟件使用。

“機器人智能決策與規劃”課程目標是在“機器人感知與辨識”后，制定行為策略，例如，向目標方向前進、向目標方向踢球等，以及對路徑足跡和姿態等做出規劃，實現機器人的決策。主要學習并研究決策與規劃策略及主流算法，特別是自研機器人已有的算法，并理解對應軟件程序代碼。有創新思維的學生可以修改更新算法，并通過實際機器人平臺實現算法和軟件的驗證。課程以自研機器人為課堂案例和項目平臺。學生可以同步精通Linux操作系統、C/C++、Python、Matlab等軟件使用。

“仿人機器人本體設計”課程在“機器人結構原理與設計”的基礎上，對自研機器人的各個部件進行三維仿真建模以及裝配建模，并生成標準化的工程圖用以加工零件。設計水平和標準要達到商用和產業化水平，學生作品經過整改后直接用于零部件生產。設計過程中，可形成系列化和對比性的產品，可進行創新設計。還可利用“機器人運動學與動力學仿真分析”課程內容進行優化設計。

“機器人造型與視覺傳達設計”課程主要完成自研機器人的造型和外觀設計以及操作軟件上的各個功能圖標設計。可借鑒但要區別于市面已有的機器人，將美觀和實用性統一、具備獨特的設計風格，形成自主知識產權的作品。培養較高的審美能力和表現能力。精通3D Max、Photoshop等軟件。設計水平和標準要達到商用和產業化水平，學生作品經過整改后直接用于機器人產品。設計過程中，可形成系列化和對比性的產品，可進行創新設計。

“仿人機器人工藝仿真” 學習并借助Tecnomatix Robcad等通用的工作單元仿真工具，開發、仿真、優化、驗證和離線設計機器人和自動制造流程。一方面用于產生機器人裝配過程的指導視頻，另一方面用于機器人零部件加工工藝的選擇和標準制定。學生作品經過整改后直接用于仿人機器人裝配和外協加工(或自行加工的設備選型與工藝過程制定)。還可拓展工業生產的工藝仿真。此項工作研究意義重大。

(3) 機器人技術崗位。主要工作包括各種知名品牌機器人編程、非標自動化設備程序設計、機器人電氣圖紙設計、機器人配置選型及操作和示教、編寫技術方案、出具電氣原理圖、部件選型、樣機制作、樣機調試。整理和歸檔電氣設計圖、BOM表、使用手冊，實現產品設計的規范化，并對項目進行技術總結。 配合產品試制、安裝調試、測評與技術改進工作，配合質檢、工藝等技術指導及產品標準化推動工作等。為使學生畢業后能夠勝任此崗位，設置了機器人控制原理與仿真分析(6學分)、機器人控制器與操作系統(6學分)、機器人電氣設計(6學分)等核心課程,以及仿人機器人控制系統(4學分)、機器人制造技術(4學分)等專業方向課程。

“機器人控制原理與仿真分析”課程以“機器人運動學與動力學仿真分析”課程的模型和仿真結果為基礎，計算正向和逆向模型解，計算給定姿態下的每個舵機角度以及給定舵機角度集下的機器人姿態，學習穩定性判據并應用于機器人控制模型，做出機器人不同行進速度的穩態動態仿真結果，結合舵機技術參數模擬極限速度，為加速機器人行進步伐和設計機器人動作奠定堅實的基礎。可以研究不同類型的機器人抽象模型以及不同的求解算法。

“機器人控制器與操作系統”課程根據“仿人機器人開發”課程的機器人技術要求和“仿人機器人本體設計”課程的整機結構條件約束，進行機器人的控制器選型。學習掌握Arduino、樹莓派、ARM等主流控制器的適用條件和編程環境，了解ROS、Linux等操作系統。學習并掌握RoboCup類人機器人和RoboMan教育機器人的控制器程序和開發環境，并理解對應軟件程序代碼。有創新思維的學生可以修改更新算法，并通過實際機器人平臺實現算法和軟件的驗證。課程以自研機器人為課堂案例和項目平臺。學生可以同步精通Linux操作系統、C/C++、Python、Matlab等軟件使用。

“機器人電氣設計”課程完成機器人電氣系統的選型配置。包括識別決策軟件和控制軟件的硬件載體、電源配置、舵機、傳感器等的配置以及相互之間的連接，保證系統優化運行。學會機器人行業日益流行的Eplan軟件繪制電氣圖紙。

“仿人機器人控制系統”利用“機器人控制原理與仿真分析”課程產生的仿真結果，完成機器人動作庫編制和設計并在自研機器人平臺進行調試。盡可能完成最快速的機器人步行或跑步速度。學會Unity3D軟件，借用“機器人造型與視覺傳達設計”課程生成的圖標圖樣完成APP與PC上位機和控制器下位機軟件開發。實現用戶利用機器人無線遙控完成各個動作和動作組合編程，以及PC機軟件的動作編程。

“機器人制造技術”的宗旨是產生“仿人機器人本體設計”課程設計的自研機器人的各個構件，以及保證制造的機器人成品符合國家標準并取得相關認證。學習使用或熟悉相關設備并掌握加工制造技能，配合“機器人安裝調試與保養”課程形成加工制造標準和驗收標準。另外，機器人認證崗位主要負責取得機器人產品上市前必須取得的3C等認證。需要熟知認證的意義、了解認證機構和認證流程、熟悉機器人認證所采用的標準以及認證測試項目和測試方案等。因此，本課程需要學生掌握這方面內容。機器人關鍵部件的精密加工以及相關標準都是值得研究的方向。

(4) 機器人的安裝、調試和維護。該崗位人才缺口最嚴重，也是我校自研機器人產業化過程中至關重要的工作環節。因此設置了“機器人安裝調試與保養”(4學分)和“機器人故障診斷與處理”(4學分)兩門專業課，前者可以培養學生學習、實踐并改進優化安裝調試規程，從中主動學習和積極探索機器人的奧秘、產生出高標準高質量的機器人成品；后者主要負責維修從客戶處返回的機器人，并對機器人設計、用戶培訓等提出改進意見。學習、實踐并不斷充實故障處理手冊，總結形成報告。這兩門課程能夠很好地鍛煉學生的動手能力、動腦能力、處理各種問題的能力、責任心等。這些都是相關工作崗位的能力要求。

(5) 機器人教師。隨著機器人的普及化發展，培訓教師的需求量連年增加。自研機器人產業化項目一方面培養面向中小學和培訓機構的培訓講師，另一方面學生們畢業后可以直接到社會上的對應崗位任職。要求師生深入一線，綜合其他課程提供的資源，共同研究和編制培訓教程和培訓方案。將機器人教學內容以機器人實例的形式展現，引導學生先模仿后創造在實踐中獲得知識和技能，使學生對于機器人的基本原理有很好的把握，培養學生實踐應用和創新能力；模塊化、層次化的教學資源支持教學創新和學生個性化自主學習；注重學生機器人基礎知識技能和教學能力的培養。

(6) 機器人競賽和會展。這是近年來世界各國機器人愛好者極力追捧的活動，也是推廣機器人產品、學習同行的先進技術以提高自身的水平和把握機器人未來開發走向以及提高學校知名度的重要渠道，也是極具研究價值的領域之一。但目前的狀況是大多數師生意識水平尚未達到應有的高度，對研究比賽的重視程度遠遠不夠。因此擬開設專門的核心課程“仿人機器人賽事研究”(6學分)以彌補這方面的不足，并培養賽事組織和策劃工作者、比賽評委、比賽技術委員會成員、組委會成員、主辦方干事等崗位從業者。主要學習世界和國內主流機器人比賽，尤其是涉及到仿人機器人的項目、參賽要求、比賽規則及規則演化趨勢、歷年參賽隊伍、歷年比賽成績、學術會議、技術委員會日常交流情況、跟進機器人比賽的實時動態信息。主要研究機器人課堂級、學年級、校級、省市級、國家級和國際比賽項目設置和規則要求、比賽策劃和組織等。

(7) 留學生教育。該教育是國際交流和國家教育的重要組成部分，如何結合留學生的特點制定相應的教學方案是保障留學生課程教學質量、提升國際化辦學水平的關鍵[23]。留學生來源區域分布跨度較大，留學生之間的個體差異性較為明顯。要把機器人本身吸引人之處與留學生自身的文化習慣結合起來設置既能讓學生感興趣又能讓他們聽得懂的課程。

“Fundamentals of Robotics”和“Robot Theory”是面向留學生開設的機器人專業課，主要教授機器人基本常識，包括機器人種類和基本發展歷程、各國機器人研究水平、世界先進機器人形態等，以及基本原理，涉及機器人的結構和驅動部件、機器人傳感器、機器人控制器、機器人基本操作等。全部英文教學。教學過程穿插關鍵詞的中英文雙語理解，讓留學生在科學與文化方面都得到充分熏陶。

2.3機器人高級研修系列課程(第3層級)

在國家政策大力支持和創新驅動科技進步的大趨勢下，機器人和人工智能發展迅猛，新理念、新技術、新成果層出不窮。發展機器人事業必須開放邊界，著眼未來，拓展思維。因此我校設置機器人高級研修系列課程定期邀請知名專家學者，組織機器人與人工智能領域專題研修。涉及機器人生產線全流程優化、機器人控制系統干擾補償理論及應用、機器人軌跡優化及控制技術、機器人的安全可靠性標準及測試方法、移動機器人定位及環境感知技術、中國十大標志性機器人的機遇與挑戰、國家機器人產業發展規劃、機器人國際化標準、機器人的安全可靠性標準及測試方法等主題，吸納機器人領域前沿技術與思維、引進先進技術提高機器人世界比賽水平、宣傳與推廣機器人研究成果，與國內外先進科研成果和管理理念接軌。

3 結 語

本文提出的機器人學科課程設置與內容安排將課堂教學與科學研究、產業化項目、學生就業有機結合、融為一體，通過機器人科普教育系列課程、高等教育系列課程和高級研修系列課程培養人才，既能夠使學校機器人項目真正切實可行地服務社會，又能從中培養出用人單位急需的專業化應用型人才，還滋生出一系列具有深遠意義的科學研究方向以培養和提升教師隊伍的科研能力。依托沈陽市仿人機器人重點實驗室、沈陽城市學院智能工程學院，將機器人學科建設成區域乃至國家仿人和教育機器人研發的源頭、解決方案的專業集成領地、機器人行業人才培養基地。向中小學生和科普愛好者提供完善的人工智能和機器人科學教育平臺和教育方案、在實踐中不斷滋生具有自主知識產權的機器人學科各研究方向的科研成果、源源不斷地為遼沈地區和東三省乃至全國各地輸送機器人、人工智能等方向的中國制造2025戰略實施中的緊缺人才。同時孵化特種機器人、智能制造相關產業，為區域經濟的發展和振興提供強有力的技術和人才保障。