機器人工程專業課程建設與探索

榮偉彬，李瑞峰，馮培連，張福海，王樂鋒

（哈爾濱工業大學 機器人研究所，哈爾濱 150080）

“中國制造2025”的主攻方向是智能制造，智能制造的關鍵是機器人與智能裝備。工業機器人、特種機器人和服務機器人等在智能制造中發揮著重要作用，具有廣泛的市場需求，其研發和應用需要大量的機器人專業技術人才。機器人專業人才基礎教育是制造強國的根本要求。教育部等部門聯合發布《制造業人才發展規劃指南》預測到2025 年我國高端數控機床與機器人相關領域的人才需求將達到900 萬人。目前我國提出新基建建設戰略，建設智慧型新基礎設施，從事智能服務的機器人社會需求更大，目前我國培養的機器人專業人才遠不能滿足國家與社會發展需要，面向人才需求，截至2021年，國內300 余所院校開設了機器人工程專業。機器人工程專業是機械、自動化及計算機等多學科交叉的新工科專業，也和其他新工科專業一樣，具有戰略型、創新性、系統化與開放式的特征。國內各高校的機器人工程專業的教育由于師資來源不同主要分為三個發展方向：以自動化為主，側重機器人的驅動與控制；以機電為主，側重機器人的機電一體化系統；以計算機為主，側重機器人的人工智能和軟件方面。哈爾濱工業大學設有機器人技術與系統國家重點實驗室，有責任發揮其在機器人領域長期積淀的科研優勢和研究型人才培養優勢，大力落實機器人工程新工科專業本科教育，做好專業建設，為推進中國制造轉型升級提供根本動力和智力支持。

哈爾濱工業大學機器人工程專業依托機器人研究所和機器人技術與系統國家重點實驗室。哈爾濱工業大學機器人研究所成立于1986 年，是國內最早開展機器人研究的單位之一，2007 年建立機器人技術與系統國家重點實驗室，是國內高校唯一的機器人國家重點實驗室。2017 年參與機器人國家創新中心建設，已建成集科研、教學及工程實踐于一體的人才培養體系，為國家培養了大批的機器人專門人才，很多成為國際知名的專家學者，是我國機器人方向人才的搖籃。為了發展我國機器人新工科專業，2014 年在哈爾濱工業大學機械電子工程專業設立機器人班，由機器人研究所負責機器人班的教學，是國內最早系統開展機器人方向本科教學的高校，充分發揮機器人學術人才優勢，組建了以“院士（2人）、國家高層次人才（4 人）、國家杰青（2 人）、國家科技領軍人才（3 人）、新世紀優秀人才（6 人）、龍江學者（1人）、省五一勞動獎章獲得者（2 人）”等一批優秀教師為核心的教學隊伍，為學生開設核心課程。2015 年以來，建設機器人方向核心課程18 門，形成以名師帶頭的課程建設體系，到2021 年已培養4 屆120 余名畢業生，在此基礎上，2018 年正式申請設立機器人工程專業，2020年在全國248 所高校“機器人工程”專業教育教學綜合實力排行榜中名列第1 名。2020 年設立智能機器人英才本碩博高端班，致力于培養機器人領域的杰出人才。強化“唯真唯實、創新發展”的理念，力求把雄厚的科研優勢轉化為高端人才培養優勢，為“中國制造2025”提供人才高地。

一、國外著名大學的機器人專業核心課程設置情況

通過不同途徑主要調研了卡內基梅隆大學、麻省理工學院、南加州理工大學、馬里蘭大學、巴黎第六大學等著名高校的機器人課程設置。

卡內基梅隆大學具有舉世公認的頂級機器人專業，其與計算機、認知科學結合，世界上最早開展機器人工智能研究，建立了世界著名的機器人技術學院。本科課程包括7 門必修課（選3 門）、24 門選修課（選2 門），涉及機器人導論、機器人機構、機器人運動學與動力學及機器人控制等基礎理論與應用課程，并結合該校計算機與控制的優勢專業，開設了機器人視覺、嵌入式系統、認知科學、人工智能、機器學習、并行計算、智能控制、微納米機器人與空間機器人技術等多學科交叉的選修課程。總之，該校的機器人本科課程設置特點為：夯實基礎、廣泛拓展和注重本科生在新型交叉學科領域的培養。麻省理工學院的機器人研究世界著名，研發出獵豹機器人、世界上第一個有人類感情的機器人Kismet 等享譽全球的成果。其本科生課程設置注重機器人基礎理論和工程實踐的培養，課程主要涉及機器人機構學、動力學和機器人智能等3 個方面的課程，本科生可以直接參與課題，鞏固強化所學知識。普渡大學本科課程以機器人結構設計、動力學、控制、計算機視覺和人工智能為主要內容，設置了20 門本科生課程。南加州理工大學以機器人人機交互為特色，開設了機器人機構設計、控制、人工智能和視覺等14 門課程。佐治亞大學開設了以機器人技術、人工智能和算法分析為核心的3 門必修課，以及以網絡技術、智能嵌入系統、機器人傳感與規劃和計算機視覺為特色的16 門選修課程。馬里蘭大學開設了以機器人優化算法、性能分析與設計方法和系統模擬與控制，以及計算機視覺與認知4 大板塊23 門課程，涉及機器人設計、控制與人工智能等廣泛內容。巴黎第六大學偏重于機器人建模與智能控制，開設了機器人數學、機器人建模、機器人實驗、模式識別與人工智能、遠程操作與虛擬現實等與機器人相關的17 門課程。

其他大學包括美國賓西法尼亞大學、荷蘭代爾夫特理工大學、英國帝國理工學院、瑞士蘇黎世聯邦理工學院、新加坡國立大學、日本東京大學等，均根據各校學科特點，內容不求全、課程不求多，開設了與各校學科優勢緊密結合的本科生特色課程，但都偏重機器人基礎課程：機器人機構、運動學、動力學和控制等。哈爾濱工業大學開設了機器人學基礎等18 門機器人課程。按照機器人課程分類，各個大學開設的機器人課程可以分為機器人原理與技術基礎類、機器人控制基礎與技術類、機器人智能技術基礎類、機器人應用類、機器人實踐類及其他拓展類，各類課程見表1。

表1 部分著名高校機器人工程專業課程設置情況 門

二、專業課程體系的建立

按照建設一流專業的總體要求，面向“中國制造2025”對機器人人才需求和新工科建設要求，深入把握第四次工業革命的科技變革趨勢，圍繞哈爾濱工業大學在空間機器人、工業機器人、服務機器人、微納機器人、醫療康復機器人和外骨骼穿戴式機器人等方面的自身優勢與特色，梳理專業知識體系，優化專業課程設置，加強實踐環節和創新能力培養。機器人是一種復雜機電耦合系統，要求學生具有更深入系統的跨學科專業知識。本專業目標是使學生具有機器人的設計、建模、認知、實現與創新的專業能力，從而能夠解決機器人系統的研究開發、設計制造、工程應用與運行管理問題，成為在機器人工程及相關領域引領未來發展的一流杰出人才。為了實現培養目標，設置了5 個機器人專業課程群組成的課程體系，包括機器人技術基礎課程群、機器人感知與認知技術課程群、機器人交互與共融技術課程群、機器人系統集成與創新課程群和機器人創新實踐課程群。整個課程體系如圖1 所示。

圖1 哈爾濱工業大學機器人工程專業課程體系

1.機器人技術基礎課程群，主要介紹機器人建模、仿真與控制（構型、運動學、動力學、軌跡規劃及運動控制）、工業機器人設計與應用（機械關鍵部件與編程），在此基礎上，進行機器人驅動控制實驗。

2.機器人感知與認知技術課程群，主要介紹機器人傳感器、信號處理技術、智能控制理論、人工智能的基礎知識。

3.機器人交互與共融技術課程群，主要介紹機器人與人的交互（主從式）、機器人與人的物理集成和功能集成（穿戴式、植入式）、嵌入式系統及實驗（控制系統硬件）。

4.機器人系統集成與創新課程群，包括醫療機器人：醫療機器人充分體現了機器人關鍵技術的集成應用，通過手術機器人系統構建，達到機器人技術綜合集成視野拓展。特種移動機器人：這類機器人在室內外多種環境下具有廣泛應用，也是機器人技術研究開發的重要平臺，重點是特種移動機器人建模、越障及軌跡規劃和同步定位等方面的基礎理論和方法。并聯機器人技術：相對串聯型機器人，并聯機器人具有獨特優勢，主要強調面向高速重載高精度的復雜機構創新前沿。機器人仿生學基礎：重點強調仿生理念與專業化仿生、結合生物體特點的特種功能系統創新前沿，如軟體機器人、四足機器人和人工肌肉。空間機器人：這類機器人在航天探索上具有重要應用，空間特殊服役環境下機器人典型應用視野拓展、輕量化折疊機構、一體化關節、變剛度結構和自由漂浮運動控制等技術，設有專門的創新研討課。微納機器人：面向微觀環境的各種精密操作，微納米機器人是探索微觀世界的主要工具。主要強調微納米制造與微機電系統（MEMS）、精密操作機器人概述，設有專門的創新研討課。

5.機器人創新實踐課程群，包括機器人綜合實驗、創新研討與創新創業課程、創新實踐與專家講座、生產實習與實訓競技及綜合課程設計與畢業設計。鼓勵教師結合自身科研方向開設創新研討課程和創新創業課程，邀請外校專家開設線上線下講座，開闊學生視野。機器人工程專業的工科本質決定了工程實踐能力在人才培養中的重要作用，以項目驅動方式開展實踐，實現多層次、全方位的新工科人才“新素質”“新能力”的培養。哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室和國家機器人創新中心每年承擔大量國家和企業科研項目，吸引和招收學生參與實際項目研發。哈爾濱工業大學競技機器人隊每年招收實踐能力強的隊員參與國內國際高水平機器人比賽。高端裝備制造國家級虛擬仿真實驗教學中心為學生提供了解空間機器人和微納機器人的平臺，與實體實驗實現互補教學。在生產實習方面，針對機器人交叉學科的特點以及機器人中小微創業企業較多的特點，與埃夫特智能裝備股份有限公司、山東棟梁科技設備有限公司及哈工大機器人集團等多家相關企業建立學生實習實踐合作關系，自主靈活開展生產實習。在課程設計方面，通過機器人本體的設計和機器人控制器的設計，力求使課程設計更貼近課程。畢業設計鼓勵與科研結合，真題真做，掌握具體科研方法。同時，加強國內國際專業培訓與交流平臺建設，不斷擴大國內國際影響力，自2016 年以來，每年開設智能機器人國際暑期學校，由機器人技術與系統國家重點實驗室專家和國外知名機器人專家一起授課，國內985 院校學生參加踴躍，也包含一些國外高校學生參加。

三、專業知識結構與教材建議

根據以上課程體系的內容，對知識點進行梳理，總結出以下知識結構。（1）機器人運動學、靜力學、動力學及軌跡規劃基礎及實例。（2）工業機器人的設計、關鍵部件選型、操作方法、編程、測試、應用及維護實例。（3）機器人機構創新理論，包括螺旋理論、串聯機器人機構拓撲結構學、閉鏈機器人拓撲結構學和移動機器人機構學。（4）并聯機器人的設計與分析方法及實例。（5）機器人感知技術基礎，包括傳感器靜態特性與動態特性、標定技術及技術指標、傳感器選用與數據處理、智能傳感器典型實例。（6）機器人運動控制原理、設計方法及控制仿真。關節機器人運動控制、移動機器人運動控制。（7）以嵌入式系統的思維解決機器人的智能控制與計算，掌握ARM 嵌入式微處理器、嵌入式操作系統的基礎知識及應用。（8）機器人認知理論基礎。通過信號處理的基本分析方法和分析工具，實現對數字信號系統的設計。對時域離散信號和系統的頻域進行分析，掌握數字濾波器的設計方法。（9）機器人認知理論。包括模糊控制論、人工神經網絡控制、模糊神經網絡控制、進化算法、遺傳算法和專家控制。理解智能控制的理論基礎及其在機器人中的應用。（10）機器人圖形仿真、機器人交互技術的常用方法和基本理論。基于手柄、數據手套的交互，基于語音、手勢、表情及環境的交互。空間機器人與服務機器人交互實例。（11）生機電一體化系統及生機接口的基本原理和設計方法，典型仿生手的操作感知功能一體化設計方法、雙向生機接口設計方法和人體運動模式解碼方法。（12）醫療機器人系統中傳感器技術、信息提取技術、交互技術和遠程操控技術的系統集成。典型醫療機器人系統的結構、關鍵技術和開發設計。（13）特種移動機器人的行駛動力學建模、越障動作規劃及穩定性分析、移動機械臂軌跡規劃技術和特種機器人同步定位及地圖構建等方面的基礎理論和方法。（14）基于空間環境適應性的空間機器人建模、自由漂浮控制、地面測試及標定等相關理論和試驗模擬。典型空間機器人機構、傳感、驅動及控制的工程特點。（15）微納機器人的概述，微型機器人原理、微納操作機器人技術、納米定位技術、MEMS 及微驅動技術。（16）結構仿生及生物運動學、感覺系統模型及仿生系統感知器與生物神經控制，典型仿生實例。

此外，機器人工程專業是新工科專業，反映著新興產業的發展，在教材上也應該創新設計，大力發展新形態教材，并融入特色科研。新形態教材以教學設計為主導，充分發揮紙質教材和數字化資源各自優勢的基礎上，豐富其資源的內容和技術，加強數字化資源與紙質教材的關聯性和互動性，從而提高教學資源的競爭力與黏著度。利用現有機器人科研和產業資源，重點建設機器人學基礎、機器人機構學、機器人運動控制技術、工業機器人技術和機器人交互技術等新形態教材。

四、結束語

我國制造業企業的自動化技術改造、科研院所項目的研究、機器人企業的研發與維護都需要大量的機器人專業人才，滿足國家中長期發展需要。哈爾濱工業大學依托機器人技術與系統國家重點實驗室的強大科研與人才優勢，在國內較早開展了機器人教學，積累了機器人工程專業建設的一些經驗，建立了具有自身特色的機器人課程體系，總結了機器人工程專業的知識結構、實踐課程建設經驗和做法，并對教材建設提出了建議。目前，國內各類高校對機器人工程專業的建設不盡相同，但都處于不斷發展階段，希望本文的研究能夠為機器人工程專業人才培養提供可以借鑒的實踐經驗，提高我國機器人工程專業的人才培養水平。