“雙碳”目標(biāo)下應(yīng)用型本科高校機(jī)器人工程專業(yè)發(fā)展方向探索

郭霆 田澤宇 安少軍 徐莉 孫婧

（1.黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江工程學(xué)院測繪工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150050）

2020年9月22 日，第75 屆聯(lián)合國大會上，中國宣布將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，二氧化碳排放量力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的長遠(yuǎn)偉大目標(biāo)［1］。2021年，中華人民共和國第十三屆全國人民代表大會第四次會議上，首次將“碳達(dá)峰”和“碳中和”寫入國務(wù)院政府工作報告中，自此正式開啟“雙碳”元年［2-3］。

在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的今天，對傳統(tǒng)能源的需求與日俱增，并且仍然呈現(xiàn)出上升趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國碳排放量占全球碳排放總量的19.12%，位居全球第一。如何能夠既保證經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長，又能在規(guī)定時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，成為亟待解決的問題，對我國具有重大的政治、經(jīng)濟(jì)意義。短期內(nèi)，以能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等手段，優(yōu)化碳排放量。能源方面，以清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面，淘汰落后產(chǎn)能，調(diào)整高排放產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；提高新能源汽車使用率，實(shí)現(xiàn)綠色交通。新能源是國家可持續(xù)發(fā)展重要戰(zhàn)略之一。截至2019年，我國風(fēng)電占比為2.9%，光伏發(fā)電占比約為5.4%，大量的電能依然來自于煤電，在電能產(chǎn)生過程中仍然存在著較大的碳排放量，占全社會碳排放的40%左右。從機(jī)器人專業(yè)培養(yǎng)方面提高電能利用效率進(jìn)而降低能量損耗，從小的方面著手，助力我國“雙碳”目標(biāo)。

1 現(xiàn)階段機(jī)器人工程專業(yè)發(fā)展方向

現(xiàn)階段，機(jī)器人工程專業(yè)的隸屬主要分為電氣控制、自動化、計(jì)算機(jī)和機(jī)電控制四大類，不同的隸屬關(guān)系間接決定了機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方向的區(qū)別。機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)主要方向?yàn)獒槍C(jī)器人二次開發(fā)及底層開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件編程方向、機(jī)器人的電氣控制理論方向、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及控制理論等大的研究方向。課程的設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)編程C 語言、控制理論、機(jī)電一體化等傳統(tǒng)理論課程配合機(jī)器人運(yùn)動分析、機(jī)器人編程語言等專業(yè)課程組成機(jī)器人工程專業(yè)的課程群，輔以工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室作為課程實(shí)驗(yàn)基地，同時供學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)［4-6］。

就目前而言，我國對于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，并且機(jī)器人專業(yè)的設(shè)立及機(jī)器人工程方面的教學(xué)方式方法也相對滯后。早期機(jī)器人工程專業(yè)教育主要分為兩類：一是研究型高校組成的精英培養(yǎng)模式，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為主的機(jī)器人研發(fā)；另一類是以高職高專院校為代表的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。隨著《中國制造2025》［7］的提出，越來越多的高校設(shè)立機(jī)器人工程專業(yè)，并為國家培養(yǎng)相應(yīng)人才。機(jī)器人工程專業(yè)知識體系面廣，基礎(chǔ)理論課程對線性代數(shù)及概率論要求較高，專業(yè)教材種類有限，理論基礎(chǔ)知識內(nèi)容具有較高的一致性，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。目前，工業(yè)級機(jī)器人中仍以發(fā)那科、ABB等國外品牌為主，我國眾多機(jī)器人企業(yè)投入大量人力、物力進(jìn)行桌面級機(jī)器人開發(fā)并取得一定成果。然而，對于人才培養(yǎng)而言，不同的機(jī)器人廠商運(yùn)用的機(jī)器人編程語言不甚相同，使得諸多高校有目的地選用ABB及發(fā)那科機(jī)器人作為實(shí)踐教學(xué)使用，這樣的情況顯然不利于國產(chǎn)機(jī)器人廠商的持續(xù)發(fā)展。

2 “雙碳”目標(biāo)下機(jī)器人工程專業(yè)發(fā)展方向

目前，工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中多以工業(yè)級機(jī)器人為主。以黑龍江工程學(xué)院為例，現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室300m2，設(shè)備10 余臺，其中，ABB 品牌大型工業(yè)級機(jī)器人3 臺（打磨工作站、噴涂工作站和焊接工作站），如圖1 所示，桌面級機(jī)械臂兩套（江蘇匯博機(jī)器人），PLC控制搬運(yùn)機(jī)器人兩套（江蘇匯博機(jī)器人）。大型工作站通常采用350V電源供電，而小型桌面級機(jī)械臂為220V供電。眾所周知，碳排放的本質(zhì)就是能源的損耗。目前，風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電所產(chǎn)生的清潔能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以提供人們?nèi)粘Ｊ褂茫虼耍m然電能屬于清潔能源，但是產(chǎn)生電過程存在著大量的碳排放。基于此，將如何在機(jī)器人課程培養(yǎng)過程中降低碳排放作為探討方向，本著“善小而為”的態(tài)度從自身做起，為我國“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)微薄之力。

圖1 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有大型工業(yè)機(jī)器人工作站

將清潔能源工程教育理念融入機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)中來，清潔能源工程教育融合了生態(tài)文明、人文理念、哲學(xué)思想及社會科學(xué)等多學(xué)科，培養(yǎng)具有清潔能源工程能力的機(jī)器人工程專業(yè)人才是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的前提基礎(chǔ)，能夠有效應(yīng)對全球新一輪科技產(chǎn)業(yè)革命帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)［8］。基于以上思路，要求新時代清潔能源工程教育具有下列特征：首先，應(yīng)培養(yǎng)具有生態(tài)文明和清潔能源循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)理念；其次，將清潔能源工程理念融入教學(xué)工作中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中打開思路，尋求清潔能源循環(huán)利用的方法；最后，要求秉持著可持續(xù)發(fā)展的理念，培養(yǎng)人與自然和諧發(fā)展的生態(tài)觀［9］。

2.1 清潔能源工程課程體系設(shè)置

基于清潔能源工程理念，進(jìn)行機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案的設(shè)置，將清潔能源理論融入課程體系中，以社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展為己任，培養(yǎng)學(xué)生清潔能源工程意識。同時，掌握如何提高清潔能源的循環(huán)利用，進(jìn)而提升能源效率降低能源損耗，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。在課程建設(shè)過程中，需要解決清潔能源工程與傳統(tǒng)機(jī)器人工程難以相容的問題，實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)結(jié)合至關(guān)重要。初期階段，擬在第一學(xué)期《機(jī)器人工程概論》基礎(chǔ)理論課中加入清潔能源在機(jī)器人工程中應(yīng)用章節(jié)內(nèi)容，著重介紹未來能源發(fā)展方向，并啟發(fā)學(xué)生如何在機(jī)器人行業(yè)中有效運(yùn)用清潔能源；在第五學(xué)期，《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程中將清潔能源運(yùn)用貫穿課程始終，通過課堂小組討論、項(xiàng)目化方案引入的形式，讓學(xué)生以項(xiàng)目為依托，分組討論清潔能源在機(jī)器人行業(yè)中的應(yīng)用前景和優(yōu)化解決方案。經(jīng)過第一學(xué)期的理論引導(dǎo)，通過之后兩年的基礎(chǔ)理論課程學(xué)習(xí)及對生態(tài)觀自我認(rèn)知的基礎(chǔ)上，在第五學(xué)期，讓學(xué)生進(jìn)行自主討論并形成討論報告，以此種方式將清潔能源工程在機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用深入骨髓，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能減排的意識，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 培養(yǎng)教師清潔能源工程意識

立足機(jī)器人工程專業(yè)教育，注重引導(dǎo)授課教師清潔能源工程意識，堅(jiān)持將清潔能源理念融入課程，在授課過程中，潛移默化地將該理念傳達(dá)給學(xué)生，具體可從以下方面著手。

（1）時刻關(guān)注國家關(guān)于節(jié)能減排、清潔能源運(yùn)用的相關(guān)法律法規(guī)，熟悉國家綠色環(huán)保理念，及時將獲取的信息進(jìn)行梳理并傳達(dá)給學(xué)生［10-11］。

（2）對知識體系進(jìn)行更新完善。對于清潔能源的研究和探索，高校及科研院所都已展開大量研究，在此階段，要求教師對自身知識體系及時進(jìn)行更新完善、對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整、對教學(xué)方式方法進(jìn)行改革，與時俱進(jìn)，將最新知識理念傳達(dá)給學(xué)生，幫助學(xué)生培養(yǎng)清潔能源工程理念，并將此運(yùn)用在機(jī)器人工程行業(yè)領(lǐng)域。

（3）在具體教學(xué)過程中，將清潔能源工程理念貫穿課程始終，提高學(xué)生對清潔能源的認(rèn)識，分析清潔能源在機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用前景及面臨的問題和挑戰(zhàn)，討論清潔能源的應(yīng)用對人文社會及可持續(xù)發(fā)展的影響。

2.3 教學(xué)方式方法的改革探索

對于機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生而言，高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理是基礎(chǔ)必修課程，將基礎(chǔ)理論課程所學(xué)內(nèi)容與后續(xù)專業(yè)課程實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。動量定理、能量守恒定律、熱量傳遞、能量傳遞過程中的熱能損耗等問題往往停留在書本上，將這些晦澀的定理、定律與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，在課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)實(shí)踐等環(huán)節(jié)。為學(xué)生切身講授能力傳遞過程中的熱能損耗是如何產(chǎn)生的，提示學(xué)生們開動腦筋。討論如何有效降低能量傳遞過程中的熱能損耗問題，有效提高能量傳遞效率。間接降低能源損耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成。

將傳統(tǒng)的師生關(guān)系進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)變。對于工科學(xué)生而言，用實(shí)踐來代替理論授課，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，課程未必要在教室去上，只有讓學(xué)生更多接觸實(shí)際工程、接觸社會，才能更有效地培養(yǎng)創(chuàng)新思維，而不是被課程固化思維。課程可以在實(shí)驗(yàn)室上，也可以在工廠車間上，讓學(xué)生課后學(xué)習(xí)理論知識，在實(shí)訓(xùn)實(shí)踐的過程中獲取知識，將工程實(shí)際應(yīng)用與理論學(xué)習(xí)相融合，整理成每個人獨(dú)特的學(xué)習(xí)筆記，并在課堂上將學(xué)習(xí)心得講授給其他學(xué)生。在這個過程中，學(xué)生不但可以有自己獨(dú)特的見解，還可以在分享心得的過程中了解其他學(xué)生對同樣問題的不同理解和分析角度，拓寬視野，積累全新的知識儲備。

2.4 實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化改造工程

以往實(shí)驗(yàn)室搭建是以用人方為本，培養(yǎng)專機(jī)專用人員。企業(yè)用ABB 的機(jī)器人，就采購ABB 的機(jī)器人，培養(yǎng)學(xué)生熟練使用ABB的機(jī)器人，使學(xué)生達(dá)到熟練運(yùn)用的程度，為企業(yè)輸送“即插即用”型人才。然而，現(xiàn)階段，隨著我國機(jī)器人研發(fā)精力的大量投入，越來越多的國產(chǎn)機(jī)器人進(jìn)入不同領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)工作。不同廠商之間機(jī)器人編程語言不盡相同，以往的“專機(jī)專用”人才培養(yǎng)模式并不適合未來的發(fā)展趨勢，并且也不符合低碳環(huán)保的理念，傳統(tǒng)的大型機(jī)器人采用350V電源進(jìn)行供電，這無疑增大電能的消耗。據(jù)此，第一階段，用小型化桌面級機(jī)器人來代替機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中工業(yè)級大型機(jī)器人（見圖2），這將有效降低能源損耗，同時也為實(shí)訓(xùn)實(shí)踐的學(xué)生提供更多的安全性保護(hù)，在有限的空間內(nèi)布置更多的設(shè)備以供學(xué)生進(jìn)行熟練操作。雖然不同廠商機(jī)器人語言不同，但是其語言本質(zhì)都是C 語言，在學(xué)習(xí)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力，實(shí)現(xiàn)基于一種機(jī)器人的學(xué)習(xí)掌握一系列機(jī)器人編程技術(shù)的能力。第二階段，將大學(xué)生創(chuàng)新型創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)融入機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。運(yùn)用增材制造技術(shù)，運(yùn)用環(huán)保材料打印機(jī)器人模塊，對現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升電機(jī)傳動效率，進(jìn)而降低能源損耗。第三階段，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為補(bǔ)充（見圖3），搭建虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。大型機(jī)器人不便于拆裝維護(hù)，然而，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的完善可以有效彌補(bǔ)這一問題。通過機(jī)器人模型化配合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使學(xué)生可以在虛擬世界中進(jìn)行大型機(jī)器人的安裝、維護(hù)、調(diào)試等工作，既保證了安全性，又能達(dá)到動手操作的能力，在這一過程中，幫助學(xué)生更深入理解機(jī)械原理課程。

圖2 桌面級工業(yè)機(jī)器人

圖3 3D 打印教學(xué)機(jī)械臂

綜上所述，要想建設(shè)以新能源為主體的數(shù)字化、智能化機(jī)器人實(shí)訓(xùn)實(shí)踐基地，需要基于能源互聯(lián)網(wǎng)，并有效結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用、云計(jì)算、人工智能及移動物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)數(shù)智轉(zhuǎn)型技術(shù)，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動過程中的能量損耗問題，增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換效率、可靠性等基本指標(biāo)。

3 結(jié)語

隨著國際社會對碳排放的嚴(yán)格要求，我國即時提出“雙碳”目標(biāo)。構(gòu)建以新能源為主體的機(jī)器人實(shí)訓(xùn)實(shí)踐基地，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、遏制氣候變暖的必然要求。隨著發(fā)電側(cè)清潔能源替代程度的深化、運(yùn)行方式靈活化、供電需求品質(zhì)化、市場機(jī)制多元化、能源利用高效化及能源生態(tài)數(shù)字化與運(yùn)營管控智能化等趨勢，本著“善小而為”的態(tài)度，從小事出發(fā)，從自身出發(fā)，從機(jī)器人工程專業(yè)發(fā)展方向出發(fā)，基于“雙碳”目標(biāo)，重新設(shè)置培養(yǎng)目標(biāo)、優(yōu)化師資隊(duì)伍建設(shè)、完善知識體系更新、對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行優(yōu)化改造等方向，助力我國“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。