多学科交叉融合驱动下机器人导论课程实践与思考

摘  要：机器人导论课程涉及多个学科的深度交叉融合，重点学习机器人关键共性技术，并启发式介绍核心前沿技术。该文首先介绍机器人不同分类及关键技术，然后从教学目标、内容与方法三个方面阐释该课程实践现状，并对存在的矛盾问题进行总结分析。依托“三航特色”，根植“总师育人文化”，对课程在专业知识与思政教育两个层面的改革措施进行深度思考，以期能培养出“专业精、系统强、重实践、能担当”的科研后备力量。

关键词：机器人导论；机器人；多学科交叉融合；课程实践与思考；总师育人文化

中图分类号：G642      文献标志码：A            文章编号：2096-000X（2024）33-0034-04

Abstract： Introduction to Robotics involves multidisciplinary intersection and integration， which mainly focuses on key generic technologies and heuristically introduces core cutting-edge technologies. This paper introduces different classifications and key technologies of robots， and then presents the practice status in terms of teaching objectives， content and methodology， while it summarizes and analyzes the contradictory problems. In order to cultivate "specialized， systematic， practical and responsible" scientific research reserves， we deeply think over reform measures of this course from professional knowledge and ideological education， which considers"Features of Aeronautics， Astronautics， and Marine"and"Master Education Culture".

Keywords： Introduction to Robotics; robot; multidisciplinary intersection and integration; curriculum practice and thinking; master education culture

机器人导论（Introduction to Robotics）作为一门多学科交叉融合课程，以机器人关键技术为课程核心，重点介绍构成、建模、感知、导航、规划、控制、决策、前沿等内容知识，涉及学科包括数学、力学、机械、材料、电气、控制、计算机、人工智能、软件、工艺设计等多个学科的深度交叉融合。机器人导论聚焦“四个面向”，以解决“卡脖子”问题为牵引，以培养多学科交叉融合科研人才为目标，以期引领我国机器人领域赶超世界一流水平。

我国在“中国制造2025”“新工科建设”“机器人+”应用行动实施方案等一系列规划中已经将机器人产业发展提升到了战略层面，特别是机器人与人工智能有机结合，已经成功引发了第四次科技革命新浪潮[1]。机器人行业发展潜力巨大，相关从业人员需求量激增，在制造业、农业、物流、医疗、军事等领域已经得到了广泛应用[2-6]。首先简要介绍了机器人的不同分类形式与关键技术；然后介绍西北工业大学（以下简称“我校”）机器人导论课程实践情况，包括课程教学目标、内容与方法等；最后以多学科交叉融合驱动为大背景，对本课程实践中遇到的矛盾问题进行总结，并对如何与我校“总师育人文化”深度结合进行深入思考。

一  机器人分类及关键技术

机器人技术具有高度集成性，其高速发展离不开传感技术、控制技术、驱动技术等关键共性技术，也离不开自主导航技术、人机交互技术、智能决策技术等核心前沿技术。机器人至今还未形成统一定义，狭义上讲就是能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器[7-9]，其从驱动构型、智能程度等方面可以划分为不同类型。

（一）  从驱动构型上划分，机器人包括固定式、履带式、轮式、足式、巡游式、混合式六大类

1）固定式机器人是指整体固定在底座上，只能移动部分关节的机器人，通常其执行器末端装备有特种机械手，常用于制造行业，代表性的有ABB机械臂、KUKA机械臂等。

2）履带式机器人是指搭载履带底盘机构的机器人，越野机动性强，常用于野外侦察、设备搬运等，代表性的有iRobot机器人、Talon机器人等。

3）轮式机器人是指以轮子形式运动的机器人，结构相对简单，运动速度快，常用于现场巡检、物流运输等，代表性的有Husky无人车、Nuro无人车等。

4）足式机器人是指通过驱动类似于腿足的装置来移动自身的机器人，环境适应能力强，常用于灾后救援、家庭服务等，代表性的有Spot机器狗、Atlas机器人等。

5）巡游式机器人是指搭载推机器驱动机构的机器人，可在空中、水中进行巡游，常用于监控测绘、军事对抗等，代表性的有彩虹-4无人机、Remus6000自主水下航行器等。

6）混合式机器人是指同时采用多种动力构型进行混合驱动的机器人，可在不同驱动方式之间有效切换，属于新概念意义上的机器人，代表性的有ANYmal轮足混合机器狗、我校自研水下六足机器人等。

（二）  从智能程度上划分，机器人包括程序型、传感型、交互型、自主型四大类，智能化水平逐步提升

①程序型机器人是指按照预先编制流程进行作业的机器人。②传感型机器人是指能够利用传感数据进行信息处理，执行作业任务的机器人。③交互型机器人是指具有人机交互功能，能够在线实现人类意图的机器人。④自主型机器人是指具有学习功能，能够根据作业环境自主调整行为的机器人。

除此之外，还有多种其他划分形式，例如，从用途上划分为工业机器人、服务机器人以及特种机器人；从机构学上划分为串联机器人、并联机器人。不同类型的机器人既有关键共性技术，也有核心前沿技术，在机器人导论课程中，重点关注关键共性技术相关的基础知识内容，同时也对核心前沿技术进行启发式介绍。

机器人技术涉及到多个学科的深度交叉融合，从设计到实现再到应用，各项关键技术的飞速发展，为机器人领域注入了创新活力。例如，如何研发新型材料解决机器人轻量化问题；如何设计精巧机械结构解决机器人多模态运动问题等。为了保证机器人能够有效作业，可从观察、定位、决策、行动四个环节分别对关键技术进行分析总结。

在观察环节，关键技术主要是态势感知，主要包括①智能感知：收集机器人作业环境数据，利用深度学习，建立局部或全局环境模型，例如，深度学习在同时定位与地图构建中的应用、多模态约束下的数据融合、具有抗干扰性能的模型信息提取、机器学习在环境搜索中的应用等；②目标识别：物体识别、姿态识别等，明确机器人的作业目标信息，例如，非结构化环境中的物体识别、复杂环境中的目标识别等；③协同感知：多个机器人组成探测网络，如何用最少的机器人探测最大作业区域，例如，合作博弈在区域监测中的应用、异构传感器的信息融合、任务分配等。

在定位环节，关键技术主要是信息处理，主要包括①信息融合：收集机器人作业数据，进行大数据挖掘，不同信息的端到端特征提取，满足在线实时性需求，例如，声光等传感器的数据挖掘、机器学习在特征提取中的应用等；②目标意图：推测作业场景态势变化，判断动态目标动作意图，例如，机器学习在目标运动预测中的应用、智能化推理方法等。

在决策环节，关键技术主要是决策生成，主要包括①路径规划：根据机器人运动目的，生成优化轨迹，例如，机器学习与传统规划方法相结合、优化方法与运动目的分解相结合、崎岖地形中的高效避障等；②智能指挥：综合分析态势信息，确定多机器人系统运动目的，明确各个机器人目的，例如，协同对抗与任务分配相结合、机电约束与功能异构相结合、人机交互等；③微分博弈：考虑实际机器人微分模型约束，重点关注博弈对抗领域中的微分博弈理论，例如，非结构化对抗场景下博弈、跨域协同对抗等。

在行动环节，关键技术主要是精准控制，主要包括①学习控制：机器人模型无法完全已知，利用学习方法对传统控制方法在控制输入受限条件下进行改进，拓展控制方法的适用范围，例如，强化学习在跟踪控制中的应用、安全学习与机电约束相结合等；②协同控制：单个机器人多控制目标下的协同，多机器人系统之间的控制协同，例如，多目标优化控制、分布式协同等；③模型与数据混合驱动：传统机理分析与机器学习相结合，例如，将模型机理信息融入到神经网络结构的设计、神经网络初始权重的选取等，增强数据驱动方法的可解释性，拓展模型机理方法应用范围等。

机器人导论作为多学科交叉融合下的专业课程，通过介绍机器人基础理论，能够掌握关键技术核心内容，把握机器人未来发展趋势。另外，通过了解机器人关键技术最新前沿，进一步加深对本课程的学习。

二  我校机器人导论课程实践情况

我校依托航空、航天、航海的“三航特色”，始终以“育国之栋梁、铸国之重器”为使命，以“低调务实、兼收并蓄、厚积薄发、为国铸剑”为特质的“总师育人文化”引领人才培养，旨在培养出“专业精、系统强、重实践、能担当”的科研后备力量[10]。

目前，斯坦福大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、剑桥大学等一众全球知名高校均开设有机器人相关课程。我校开设的机器人导课程侧重于国防装备领域机器人教学，以无人机、航天器、水下航行器等系列化装备为案例，讲授机器人关键技术涵盖的基本内容知识，以小组合作形式熟悉机器人项目研发流程，以期达到使学生掌握机器人相关知识理论并具有独立解决机器人关键技术问题潜力的教学目标。同时，在思政教育教学方面深度融合“三航特色”，引导学生爱党爱国、献身国防，用赤诚的爱国之心、强烈的报国之志，履行人才强国、科技报国的职责。

我校机器人导论课程共32学时，2学分，主要面向我校航海学院信息工程、水声工程、船舶与海洋工程等专业学生，辐射全校信息类专业学生，此外针对我校留学生还特别开设有英语授课的机器人导论（英）。本课程已经形成了稳定的教学团队梯队，教学内容在保证机器人基础知识内容的前提下，在前沿部分紧跟当前最新技术发展，对相应内容进行不断迭代更新。目前现有机器人导论教学内容主要包含八个部分，分别为①机器人简介；②机器人建模；③机器人感知；④机器人导航；⑤机器人路径规划；⑥机器人控制；⑦机器人决策；⑧机器人技术前沿，其中第八部分的技术前沿主要介绍人工智能在机器人领域中的应用。

为了进一步提升本课程教学效果，教学团队根据教学内容的不同，采用多种教学方法。

传统课堂授课：在学生还未构建起机器人理论体系框架前提下，传统课堂授课能够帮助学生快速掌握基础理论知识，串联新老知识，形成对机器人技术的初步概念，并且通过传道-授业-解惑式的师生互动，鼓励学生参与到课堂学习中来，提高主动学习积极性。

案例任务驱动：借鉴国内外知名高校的教学案例，再结合我校“三航特色”，充分利用科研项目资源，将科研案例引入课堂，教学与科研相结合，结合教学团队所研究的不同类型机器人，以其应用为主线，讲述理论教学内容，既能培养独立思考的能力，也能体现出案例研讨式教学的真正价值，同时培养学生的写作和交流能力。