机器人工程专业课程建设与探索

摘  要：该文介绍机器人工程的专业背景和哈尔滨工业大学机器人工程专业的建设情况，对国外著名大学的机器人工程专业课程设置进行分析和总结。在此基础上，建立具有自身特色的机器人工程专业课程体系，进一步梳理课程知识结构，并对机器人工程专业的教材建设提出建议，通过该文的研究，能够为机器人工程专业建设提供可以借鉴的实践经验，促进机器人工程专业的人才培养。

关键词：新工科;机器人工程;课程体系;知识结构;专业建设

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）28-0027-04

Abstract： This paper introduces the background of robot engineering specialty and the specialty construction in Harbin Institute of Technology， and it analyzes and summarizes the curriculum in some famous universities abroad. Based on this， this paper constructs the curriculum system with self-features， combings the knowledge structure and gives the specific advice for the robot textbook construction. The work of this paper will provide practical experience for the specialty construction of robot engineering and promote the talent training of robot engineering.

Keywords： emerging engineering education; robot engineering; curriculum system; knowledge structure; specialty constrution

“中国制造2025”的主攻方向是智能制造[1]，智能制造的关键是机器人与智能装备。工业机器人、特种机器人和服务机器人等在智能制造中发挥着重要作用，具有广泛的市场需求，其研发和应用需要大量的机器人专业技术人才。机器人专业人才基础教育是制造强国的根本要求。教育部等部门联合发布《制造业人才发展规划指南》预测到2025年我国高端数控机床与机器人相关领域的人才需求将达到900万人。目前我国提出新基建建设战略，建设智慧型新基础设施，从事智能服务的机器人社会需求更大，目前我国培养的机器人专业人才远不能满足国家与社会发展需要，面向人才需求，截至2021年，国内300余所院校开设了机器人工程专业。机器人工程专业是机械、自动化及计算机等多学科交叉的新工科专业，也和其他新工科专业一样，具有战略型、创新性、系统化与开放式的特征[2]。国内各高校的机器人工程专业的教育由于师资来源不同主要分为三个发展方向：以自动化为主，侧重机器人的驱动与控制;以机电为主，侧重机器人的机电一体化系统;以计算机为主，侧重机器人的人工智能和软件方面[3]。哈尔滨工业大学设有机器人技术与系统国家重点实验室，有责任发挥其在机器人领域长期积淀的科研优势和研究型人才培养优势，大力落实机器人工程新工科专业本科教育，做好专业建设，为推进中国制造转型升级提供根本动力和智力支持。

哈尔滨工业大学机器人工程专业依托机器人研究所和机器人技术与系统国家重点实验室。哈尔滨工业大学机器人研究所成立于1986年，是国内最早开展机器人研究的单位之一，2007年建立机器人技术与系统国家重点实验室，是国内高校唯一的机器人国家重点实验室。2017年参与机器人国家创新中心建设，已建成集科研、教学及工程实践于一体的人才培养体系，为国家培养了大批的机器人专门人才，很多成为国际知名的专家学者，是我国机器人方向人才的摇篮。为了发展我国机器人新工科专业，2014年在哈尔滨工业大学机械电子工程专业设立机器人班，由机器人研究所负责机器人班的教学，是国内最早系统开展机器人方向本科教学的高校，充分发挥机器人学术人才优势，组建了以“院士（2人）、国家高层次人才（4人）、国家杰青（2人）、国家科技领军人才（3人）、新世纪优秀人才（6人）、龙江学者（1人）、省五一劳动奖章获得者（2人）”等一批优秀教师为核心的教学队伍，为学生开设核心课程。2015年以来，建设机器人方向核心课程18门，形成以名师带头的课程建设体系，到2021年已培养4届120余名毕业生，在此基础上，2018年正式申请设立机器人工程专业，2020年在全国248所高校“机器人工程”专业教育教学综合实力排行榜中名列第1名。2020年设立智能机器人英才本硕博高端班，致力于培养机器人领域的杰出人才。强化“唯真唯实、创新发展”的理念，力求把雄厚的科研优势转化为高端人才培养优势，为“中国制造2025”提供人才高地。

一、国外著名大学的机器人专业核心课程设置情况

通过不同途径主要调研了卡内基梅隆大学、麻省理工学院、南加州理工大学、马里兰大学、巴黎第六大学等著名高校的机器人课程设置。

卡内基梅隆大学具有举世公认的顶级机器人专业，其与计算机、认知科学结合，世界上最早开展机器人工智能研究，建立了世界著名的机器人技术学院。本科课程包括7门必修课（选3门）、24门选修课（选2门），涉及机器人导论、机器人机构、机器人运动学与动力学及机器人控制等基础理论与应用课程，并结合该校计算机与控制的优势专业，开设了机器人视觉、嵌入式系统、认知科学、人工智能、机器学习、并行计算、智能控制、微纳米机器人与空间机器人技术等多学科交叉的选修课程。总之，该校的机器人本科课程设置特点为：夯实基础、广泛拓展和注重本科生在新型交叉学科领域的培养。麻省理工学院的机器人研究世界著名，研发出猎豹机器人、世界上第一个有人类感情的机器人Kismet等享誉全球的成果。其本科生课程设置注重机器人基础理论和工程实践的培养，课程主要涉及机器人机构学、动力学和机器人智能等3个方面的课程，本科生可以直接参与课题，巩固强化所学知识。普渡大学本科课程以机器人结构设计、动力学、控制、计算机视觉和人工智能为主要内容，设置了20门本科生课程。南加州理工大学以机器人人机交互为特色，开设了机器人机构设计、控制、人工智能和视觉等14门课程。佐治亚大学开设了以机器人技术、人工智能和算法分析为核心的3门必修课，以及以网络技术、智能嵌入系统、机器人传感与规划和计算机视觉为特色的16门选修课程。马里兰大学开设了以机器人优化算法、性能分析与设计方法和系统模拟与控制，以及计算机视觉与认知4大板块23门课程，涉及机器人设计、控制与人工智能等广泛内容。巴黎第六大学偏重于机器人建模与智能控制，开设了机器人数学、机器人建模、机器人实验、模式识别与人工智能、远程操作与虚拟现实等与机器人相关的17门课程。

其他大学包括美国宾西法尼亚大学、荷兰代尔夫特理工大学、英国帝国理工学院、瑞士苏黎世联邦理工学院、新加坡国立大学、日本东京大学等，均根据各校学科特点，内容不求全、课程不求多，开设了与各校学科优势紧密结合的本科生特色课程，但都偏重机器人基础课程：机器人机构、运动学、动力学和控制等。哈尔滨工业大学开设了机器人学基础等18门机器人课程。按照机器人课程分类，各个大学开设的机器人课程可以分为机器人原理与技术基础类、机器人控制基础与技术类、机器人智能技术基础类、机器人应用类、机器人实践类及其他拓展类，各类课程见表1。

二、专业课程体系的建立

按照建设一流专业的总体要求，面向“中国制造2025”对机器人人才需求和新工科建设要求，深入把握第四次工业革命的科技变革趋势，围绕哈尔滨工业大学在空间机器人、工业机器人、服务机器人、微纳机器人、医疗康复机器人和外骨骼穿戴式机器人等方面的自身优势与特色，梳理专业知识体系，优化专业课程设置，加强实践环节和创新能力培养。机器人是一种复杂机电耦合系统，要求学生具有更深入系统的跨学科专业知识。本专业目标是使学生具有机器人的设计、建模、认知、实现与创新的专业能力，从而能够解决机器人系统的研究开发、设计制造、工程应用与运行管理问题，成为在机器人工程及相关领域引领未来发展的一流杰出人才。为了实现培养目标，设置了5个机器人专业课程群组成的课程体系，包括机器人技术基础课程群、机器人感知与认知技术课程群、机器人交互与共融技术课程群、机器人系统集成与创新课程群和机器人创新实践课程群。整个课程体系如图1所示。

1. 机器人技术基础课程群，主要介绍机器人建模、仿真与控制（构型、运动学、动力学、轨迹规划及运动控制）、工业机器人设计与应用（机械关键部件与编程），在此基础上，进行机器人驱动控制实验。

2. 机器人感知与认知技术课程群，主要介绍机器人传感器、信号处理技术、智能控制理论、人工智能的基础知识。

3. 机器人交互与共融技术课程群，主要介绍机器人与人的交互（主从式）、机器人与人的物理集成和功能集成（穿戴式、植入式）、嵌入式系统及实验（控制系统硬件）。

4. 机器人系统集成与创新课程群，包括医疗机器人：医疗机器人充分体现了机器人关键技术的集成应用，通过手术机器人系统构建，达到机器人技术综合集成视野拓展。特种移动机器人：这类机器人在室内外多种环境下具有广泛应用，也是机器人技术研究开发的重要平台，重点是特种移动机器人建模、越障及轨迹规划和同步定位等方面的基础理论和方法。并联机器人技术：相对串联型机器人，并联机器人具有独特优势，主要强调面向高速重载高精度的复杂机构创新前沿。机器人仿生学基础：重点强调仿生理念与专业化仿生、结合生物体特点的特种功能系统创新前沿，如软体机器人、四足机器人和人工肌肉。空间机器人：这类机器人在航天探索上具有重要应用，空间特殊服役环境下机器人典型应用视野拓展、轻量化折叠机构、一体化关节、变刚度结构和自由漂浮运动控制等技术，设有专门的创新研讨课。微纳机器人：面向微观环境的各种精密操作，微纳米机器人是探索微观世界的主要工具。主要强调微纳米制造与微机电系统（MEMS）、精密操作机器人概述，设有专门的创新研讨课。

5. 机器人创新实践课程群，包括机器人综合实验、创新研讨与创新创业课程、创新实践与专家讲座、生产实习与实训竞技及综合课程设计与毕业设计。鼓励教师结合自身科研方向开设创新研讨课程和创新创业课程，邀请外校专家开设线上线下讲座，开阔学生视野。机器人工程专业的工科本质决定了工程实践能力在人才培养中的重要作用，以项目驱动方式开展实践，实现多层次、全方位的新工科人才“新素质”“新能力”的培养[4]。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室和国家机器人创新中心每年承担大量国家和企业科研项目，吸引和招收学生参与实际项目研发。哈尔滨工业大学竞技机器人队每年招收实践能力强的队员参与国内国际高水平机器人比赛。高端装备制造国家级虚拟仿真实验教学中心为学生提供了解空间机器人和微纳机器人的平台，与实体实验实现互补教学。在生产实习方面，针对机器人交叉学科的特点以及机器人中小微创业企业较多的特点，与埃夫特智能装备股份有限公司、山东栋梁科技设备有限公司及哈工大机器人集团等多家相关企业建立学生实习实践合作关系，自主灵活开展生产实习。在课程设计方面，通过机器人本体的设计和机器人控制器的设计，力求使课程设计更贴近课程。毕业设计鼓励与科研结合，真题真做，掌握具体科研方法。同时，加强国内国际专业培训与交流平台建设，不断扩大国内国际影响力，自2016年以来，每年开设智能机器人国际暑期学校，由机器人技术与系统国家重点实验室专家和国外知名机器人专家一起授课，国内985院校学生参加踊跃，也包含一些国外高校学生参加。

三、专业知识结构与教材建议

根据以上课程体系的内容，对知识点进行梳理，总结出以下知识结构。（1）机器人运动学、静力学、动力学及轨迹规划基础及实例。（2）工业机器人的设计、关键部件选型、操作方法、编程、测试、应用及维护实例。（3）机器人机构创新理论，包括螺旋理论、串联机器人机构拓扑结构学、闭链机器人拓扑结构学和移动机器人机构学。（4）并联机器人的设计与分析方法及实例。（5）机器人感知技术基础，包括传感器静态特性与动态特性、标定技术及技术指标、传感器选用与数据处理、智能传感器典型实例。（6）机器人运动控制原理、设计方法及控制仿真。关节机器人运动控制、移动机器人运动控制。（7）以嵌入式系统的思维解决机器人的智能控制与计算，掌握ARM嵌入式微处理器、嵌入式操作系统的基础知识及应用。（8）机器人认知理论基础。通过信号处理的基本分析方法和分析工具，实现对数字信号系统的设计。对时域离散信号和系统的频域进行分析，掌握数字滤波器的设计方法。（9）机器人认知理论。包括模糊控制论、人工神经网络控制、模糊神经网络控制、进化算法、遗传算法和专家控制。理解智能控制的理论基础及其在机器人中的应用。（10）机器人图形仿真、机器人交互技术的常用方法和基本理论。基于手柄、数据手套的交互，基于语音、手势、表情及环境的交互。空间机器人与服务机器人交互实例。（11）生机电一体化系统及生机接口的基本原理和设计方法，典型仿生手的操作感知功能一体化设计方法、双向生机接口设计方法和人体运动模式解码方法。（12）医疗机器人系统中传感器技术、信息提取技术、交互技术和远程操控技术的系统集成。典型医疗机器人系统的结构、关键技术和开发设计。（13）特种移动机器人的行驶动力学建模、越障动作规划及稳定性分析、移动机械臂轨迹规划技术和特种机器人同步定位及地图构建等方面的基础理论和方法。（14）基于空间环境适应性的空间机器人建模、自由漂浮控制、地面测试及标定等相关理论和试验模拟。典型空间机器人机构、传感、驱动及控制的工程特点。（15）微纳机器人的概述，微型机器人原理、微纳操作机器人技术、纳米定位技术、MEMS及微驱动技术。（16）结构仿生及生物运动学、感觉系统模型及仿生系统感知器与生物神经控制，典型仿生实例。

此外，机器人工程专业是新工科专业，反映着新兴产业的发展，在教材上也应该创新设计，大力发展新形态教材，并融入特色科研。新形态教材以教学设计为主导，充分发挥纸质教材和数字化资源各自优势的基础上，丰富其资源的内容和技术，加强数字化资源与纸质教材的关联性和互动性，从而提高教学资源的竞争力与黏着度。利用现有机器人科研和产业资源，重点建设机器人学基础、机器人机构学、机器人运动控制技术、工业机器人技术和机器人交互技术等新形态教材。

四、结束语

我国制造业企业的自动化技术改造、科研院所项目的研究、机器人企业的研发与维护都需要大量的机器人专业人才，满足国家中长期发展需要。哈尔滨工业大学依托机器人技术与系统国家重点实验室的强大科研与人才优势，在国内较早开展了机器人教学，积累了机器人工程专业建设的一些经验，建立了具有自身特色的机器人课程体系，总结了机器人工程专业的知识结构、实践课程建设经验和做法，并对教材建设提出了建议。目前，国内各类高校对机器人工程专业的建设不尽相同，但都处于不断发展阶段，希望本文的研究能够为机器人工程专业人才培养提供可以借鉴的实践经验，提高我国机器人工程专业的人才培养水平。

参考文献：

[1] 周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[2] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3] 朱银龙，马晨波，杨青，等.新工科背景下机器人工程专业人才培养体系建设思考[J].高教学刊，2021（4）：25-28，32.

[4] 龙迎春，韩竺秦，曾祥锋，等.新工科背景下机器人工程专业人才培养课程体系构建的探索[J].高教学刊，2021（30）：147-150，155.

基金项目：黑龙江省高等教育教学改革研究项目“机器人工程专业知识结构与课程体系研究”（SJGY20190182）

第一作者简介：荣伟彬（1972-），男，汉族，黑龙江兰西人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为微纳机器人技术。