機器人工程專業課程建設的思考與實踐

房立金 王 帥

(東北大學 機器人科學與工程學院, 沈陽 110819)

與其他傳統工科專業相比,機器人工程作為新工科特點較為明顯的新專業總體上仍處于建設的初期階段,包括課程體系和課程內涵等很多方面都還沒有完成定型。本文結合東北大學機器人工程專業建設對上述問題進行了思考,將相關的做法進行梳理后整理成文,希望能為同類專業建設提供一定的參考。為了全面闡述機器人專業的特點,文中首先給出了機器人的概念及分類,然后在此基礎上對機器人的課程體系以及“機器人學”課程的建設給出了具體的闡述。

1 機器人工程專業的發展及其特點

自上世紀60年代工業機器人(機械臂)最早實現實際應用以來,如今各種各樣的機器人已走進了人們日常生產生活的方方面面,發揮著巨大的作用[1]。隨著機器人應用的普及以及機器人技術的快速發展,機器人專業的教育也被提上日程。2015年國家設立了首批機器人工程專業,至今我國已有301家高校開設了機器人工程專業[2],機器人專業教育迅速發展起來,在機器人工程專業本科教育方面走在了世界的前列。

在此之前,國內外的機器人專業教育以研究生為主,主要目的是滿足機器人相關研究工作的需求,對本科生的培養和機器人專業知識的系統學習是十分有限的。

由于機器人具有典型的多學科交叉的特點,機械系統和電系統又是機器人最重要的兩個組成部分,因此,機器人專業教育從一開始就面臨著“機”和“電”如何合理組合的問題。如何平衡“機械”和“電”兩個大類的知識比重成為了擺在機器人工程專業教育面前的首要問題之一。

此外,在機器人工程專業知識體系建設中,還面臨著電工電子硬件系統和控制軟硬件系統之間的平衡問題以及人工智能新知識和傳統自動化知識之間的平衡問題等多方面的具體問題。上述多學科交叉問題構成了機器人工程專業有別于其他傳統專業的顯著區別特征。

2 機器人的概念及其內涵

到目前,機器人并沒有形成統一的、公認的定義,甚至未來這樣的定義也很難實現并得到公認。從機器人的概念和內涵來看,我們認為機器人最為主要的特征是多自由度的聯動,這類似于數控機床中多軸聯動的概念。除了多自由度的聯動,機器人還具有感知、動作、控制相統一的特點。感知、動作和控制三個子系統構成了單體機器人最典型的組成部分。單體機器人可以是多自由度的機械臂,可以是移動的,包括腿足式、輪式、履帶式等具體形式,還可以是空中飛行的,包括旋翼、固定翼以及撲翼等多種飛行形式,也可以是生物仿生形式的,如仿生人工肌肉驅動的多種新型仿生機器人等等[3]。

機器人的種類和外在形式盡管多種多樣,但從本質上看,都可以以“關節+連桿”的組合單元對機器人進行剖析,即復雜的機器人分解為關節和連桿的組合,具體的組合形式主要有串聯和并聯兩種。比如,工業機器人(多自由度機械臂)即是由若干關節和連桿串聯組成的。仿人形機器人可以分解為四肢、軀干、頭頸和手足等幾個主要部分。四肢中的手臂也是典型的多關節和連桿的串聯形式,對應于人體手臂中的7個自由度。腿的結構與手臂相類似,但自由度的數量和形式略有不同。軀干部分是以腰部的運動為主,主要模仿人體腰部的三個自由度,可以等效成由串聯或并聯的關節和連桿所組成。人體中的軀干運動是由脊柱實現的,脊柱中包含的自由度數量更多。實際上,人體脊柱是由更多的關節和連桿構成的,屬于超多自由度的系統。頸部是脊柱的延伸,與腰部是相類似的,可以等效為三個自由度,用以支撐頭部的運動。但實際上,頭頸部位的自由度數量也是很多的。手和足分布有手指和腳趾,手指和腳趾也可以按類似的方法將其看成為縮小版的多自由度手臂。對于輪式機器人和旋翼機器人,則可以將輪子和旋翼等效看成為旋轉關節。上述關節和連桿的組合形式可以是多種多樣的,當連桿的桿長縮短為零時,即可形成兩軸或三軸復合的旋轉關節,如萬向節和球鉸鏈等等。

從以上的分析可以看出,不同的機器人在結構上是具有其相同的特征的,即都是由多個關節和連桿所構成。如果按上述結構特征進行分解,對于傳統的數控機床以及其他的機械設備來說也是適用的。可以說,從結構組成上來看,機器人和傳統數控機床等自動化設備實際上是一致的,在結構上,完全可以將傳統的機械設備納入到機器人的體系中來。

不同形式的機器人盡管從結構上看都是統一的,但從具體應用上來看,還是存在很大的區別。按不同的應用可將機器人劃分出很多的類型,如工業機器人、水下機器人、醫療機器人、軍用機器人等等。從形態上,也可以分為仿人形機器人、仿動物的大狗機器人、蜘蛛機器人等等。

綜合起來,單從形態特征上進行分類的話,我們可以將機器人劃分為以下三大類,即仿人形的機器人、模仿其他生物的仿生型機器人,以及其他各種形式的自動化機器設備。仿人形的機器人是第一類的,也是最為典型的機器人類型。此外,是模仿動物或其他生物的仿生機器人。第三類是其他多種形式的自動化設備,如輪式移動機器人或數控機床等等。總體上,基于以上分類方法,可以將機器人劃分為仿人形機器人、其他仿生型機器人,以及機器人化的自動化設備三個大類,從而得到更廣義的機器人概念,將所有的自動化設備都納入機器人的體系之中。

當然,上述分類中,機械臂的情況比較特殊,實際上它應屬于第一類仿人形機器人中的一部分,即仿生手臂。

3 機器人工程專業核心課程體系建設

從上面的機器人結構特點分析可以看出,機器人具有典型的多學科交叉特點,具有顯著的機電一體化特征[4]。機器人的上述特點實際上也對機器人工程專業的課程組織帶來了重要的影響。

這些影響主要體現在以下三個方面:①如何處理與機械學科相關基礎課程的問題;②如何處理與自動化學科主體課程之間關系的問題;③與人工智能相關課程的平衡問題。

自動化類和機械類相關主要課程的層次關系如圖1所示。

圖1 機器人工程專業課程及其層次關系

機械類主要課程包括“機械原理”“運動學”“動力學”等。如果機械類課程需要加強的話,還應該包括“機械設計”“機械制造”等課程。但如果機械學科的課程講得過深的話,則自動化和人工智能方面的課程勢必受到擠壓。因此,在課程體系建設過程中首先就需要解決機械類課程的平衡問題。既要講透必要的機械類基礎知識,又要盡量壓縮,減少機械學科課時的數量。

我們在實際中的處理方法是,將機構學、機械原理和機械設計的基礎知識進行適當整合,合成為一門綜合性的機械基礎課程,以實現課程內容和課時的優化。

自動化類課程主要包括了電機、電工電子、計算機硬件和軟件、自動控制以及機器學習、圖像處理等方面的課程。同樣地,為了強化人工智能新學科的相關知識,我們對自動化類相關的課程也進行了必要的壓縮,主要保留了“電機拖動”“微機原理”“電子學”“自動控制原理”等核心課程,其他的課程盡量壓縮,但增加了計算機軟件和程序設計方面的課程,如C語言和Python等。在壓縮機械類和自動化類相關課程的基礎上,增加了人工智能相關課程的比重。

此外,在對理論課程進行調整的基礎上,提高了實驗和實踐類課程的比重。設計了“機器人運動控制實驗”“機器人技術基礎實驗”“機器人技術高級實驗以及移動機器人控制實驗”等四個主要的實驗課程,以豐富機器人工程專業的實驗課內容,使學生可以通過實驗加深對理論知識的理解,提高學生的動手能力和分析問題、解決問題的能力。

總體上,在機器人工程課程體系建設中,突出了人工智能課程的比重。并以此為目標,保留了自動化類課程中必要的基礎和核心課程,使機器人工程培養方向向人工智能學科適度傾斜。對于機械類課程,則縮減至最少,使其滿足機器人工程專業最基本的機械類知識體系需求即可。

4 機器人學課程建設

眾所周知,“機器人學”課程是機器人工程專業最為典型的標志性課程,是必修的基礎性主干課程。但在課程建設實踐中,同樣面臨著一些矛盾之處需要加以處理。由于以往的“機器人學”課程都是面向研究生開設的,傳統的“機器人學”課程內容組織并不適合本科生階段的講授和學習。如果將“機器人學”課程放在本科高年級講授,則會削弱人工智能相關課程的內容組織。為解決上述矛盾,我們將“機器人學”課程知識內容進行了梳理和劃分,將其拆分為機器人基礎和機器人控制兩個部分,如圖2所示,形成了“機器人基礎原理”和“機器人動力學控制”兩門課程,分別安排在兩個學期進行講授。在“機器人基礎原理”課程中,除了“機器人學”中的坐標變換基礎內容之外,主要解決機器人的建模問題,包括機器人運動學建模、動力學建模以及機器人軌跡規劃等內容。“機器人基礎原理”課程安排在大二下學期講授。而“機器人動力學控制”主要講授機器人控制方面的相關問題,安排在大三年級進行。由于“自動控制原理”課程也是安排在大三的上學期,因此,“機器人動力學控制”課程也基本實現了與“自動控制理論”課程之間所需的必要的銜接。

圖2 機器人學課程及其層次關系

不過,理想的處理方式是,將“機器人動力學控制”安排在大三年級的下學期來開設,這樣就可以使學生在完全學完“自動控制原理”之后再學習機器人控制方面的相關內容。但實踐中,由于學期課程數量方面的限制,目前還沒有實現理想的課程安排,還需等待后續時機成熟時再做適當調整。

上述課程體系的設置已經經過了2016級至2019級四個年級的實踐檢驗。實際授課情況和學習效果表明,機器人工程專業的課程體系和課程內容組織是成功的、可行的。2016級畢業生已于2020年夏季畢業,其中有超過70%的學生選擇進入研究生階段繼續深造,取得了較好的教學效果。

5 線上課程建設

除了線下課程教學之外,我們也積極開展了“機器人學”線上課程的相關教學工作。“機器人學基礎原理”慕課于2018年秋季在中國大學慕課平臺上線運行,至今已開設了7個學期,超過3萬名校內外學生選課參與了課程的學習,2020年5月,基于該課程出版了機器人基礎原理數字課程一部[5],取得了一定的效果和社會影響,并為后續線上課程的建設和完善奠定了必要的基礎[6]。

同時,三年來的線上教學實踐也暴露了一些實際問題,如社會學生的參與度還不夠高、課程學習效果還不夠理想等等。特別是,機器人學作為專業基礎課程,具有明顯的多學科交叉的特點,對學生基礎知識的要求較高,在理解和學習上都具有較大的難度。另外,慕課的授課形式主要是以知識點來組織的,雖然增加了靈活性,但難以像課堂教學那樣嚴格按知識的先后順序進行遞進,內容組織上是比較零散的。因此學生在學習時往往比較隨意,難以仔細認真思考,當前面的基礎內容掌握得不夠好時,后續課程內容往往難以開展。因此,很多學生僅僅是學習了一部分概述內容后就停止了,僅有少數學生能夠完成課程主要內容的學習。后續,擬針對上述實際情況,適度增加重點知識點的詳細講解環節,以進一步提高學習效果。

6 結語

東北大學于2015年9月聯合中國科學院沈陽自動化研究所和新松機器人自動化股份有限公司成立了機器人科學與工程學院,開始機器人工程專業人才培養工作進程。除本科生之外,還依托控制科學與工程一級學科設立了機器人科學與工程二級學科,同步開始碩士生和博士生的招生培養工作,從而建立了“本、碩、博”貫通式人才培養體系。通過東北大學機器人工程專業2016、2017和2018三個年級的本科教學實踐,表明學校機器人工程專業的課程體系設置和內容組織方式是合理可行的,為后續機器人工程專業課程建設打下了良好的基礎。本文將東北大學機器人工程專業課程體系建設、課程設置以及機器人學課程的具體處理方法加以總結并進行分享,希望能為兄弟院校的機器人工程專業課程體系建設提供一些有益的參考。當然,我們也需要在后續的建設中結合實際效果對暴露的問題進行進一步的調整和優化,本文內容和觀點僅供大家參考,不足之處還請各位同行不吝賜教為盼。