房立金 王 帥

(東北大學(xué) 機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110819)

與其他傳統(tǒng)工科專業(yè)相比,機(jī)器人工程作為新工科特點(diǎn)較為明顯的新專業(yè)總體上仍處于建設(shè)的初期階段,包括課程體系和課程內(nèi)涵等很多方面都還沒(méi)有完成定型。本文結(jié)合東北大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了思考,將相關(guān)的做法進(jìn)行梳理后整理成文,希望能為同類專業(yè)建設(shè)提供一定的參考。為了全面闡述機(jī)器人專業(yè)的特點(diǎn),文中首先給出了機(jī)器人的概念及分類,然后在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人的課程體系以及“機(jī)器人學(xué)”課程的建設(shè)給出了具體的闡述。

1 機(jī)器人工程專業(yè)的發(fā)展及其特點(diǎn)

自上世紀(jì)60年代工業(yè)機(jī)器人(機(jī)械臂)最早實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用以來(lái),如今各種各樣的機(jī)器人已走進(jìn)了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的方方面面,發(fā)揮著巨大的作用[1]。隨著機(jī)器人應(yīng)用的普及以及機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)器人專業(yè)的教育也被提上日程。2015年國(guó)家設(shè)立了首批機(jī)器人工程專業(yè),至今我國(guó)已有301家高校開(kāi)設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)[2],機(jī)器人專業(yè)教育迅速發(fā)展起來(lái),在機(jī)器人工程專業(yè)本科教育方面走在了世界的前列。

在此之前,國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人專業(yè)教育以研究生為主,主要目的是滿足機(jī)器人相關(guān)研究工作的需求,對(duì)本科生的培養(yǎng)和機(jī)器人專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)是十分有限的。

由于機(jī)器人具有典型的多學(xué)科交叉的特點(diǎn),機(jī)械系統(tǒng)和電系統(tǒng)又是機(jī)器人最重要的兩個(gè)組成部分,因此,機(jī)器人專業(yè)教育從一開(kāi)始就面臨著“機(jī)”和“電”如何合理組合的問(wèn)題。如何平衡“機(jī)械”和“電”兩個(gè)大類的知識(shí)比重成為了擺在機(jī)器人工程專業(yè)教育面前的首要問(wèn)題之一。

此外,在機(jī)器人工程專業(yè)知識(shí)體系建設(shè)中,還面臨著電工電子硬件系統(tǒng)和控制軟硬件系統(tǒng)之間的平衡問(wèn)題以及人工智能新知識(shí)和傳統(tǒng)自動(dòng)化知識(shí)之間的平衡問(wèn)題等多方面的具體問(wèn)題。上述多學(xué)科交叉問(wèn)題構(gòu)成了機(jī)器人工程專業(yè)有別于其他傳統(tǒng)專業(yè)的顯著區(qū)別特征。

2 機(jī)器人的概念及其內(nèi)涵

到目前,機(jī)器人并沒(méi)有形成統(tǒng)一的、公認(rèn)的定義,甚至未來(lái)這樣的定義也很難實(shí)現(xiàn)并得到公認(rèn)。從機(jī)器人的概念和內(nèi)涵來(lái)看,我們認(rèn)為機(jī)器人最為主要的特征是多自由度的聯(lián)動(dòng),這類似于數(shù)控機(jī)床中多軸聯(lián)動(dòng)的概念。除了多自由度的聯(lián)動(dòng),機(jī)器人還具有感知、動(dòng)作、控制相統(tǒng)一的特點(diǎn)。感知、動(dòng)作和控制三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了單體機(jī)器人最典型的組成部分。單體機(jī)器人可以是多自由度的機(jī)械臂,可以是移動(dòng)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(qū)動(dòng)的多種新型仿生機(jī)器人等等[3]。

機(jī)器人的種類和外在形式盡管多種多樣,但從本質(zhì)上看,都可以以“關(guān)節(jié)+連桿”的組合單元對(duì)機(jī)器人進(jìn)行剖析,即復(fù)雜的機(jī)器人分解為關(guān)節(jié)和連桿的組合,具體的組合形式主要有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。比如,工業(yè)機(jī)器人(多自由度機(jī)械臂)即是由若干關(guān)節(jié)和連桿串聯(lián)組成的。仿人形機(jī)器人可以分解為四肢、軀干、頭頸和手足等幾個(gè)主要部分。四肢中的手臂也是典型的多關(guān)節(jié)和連桿的串聯(lián)形式,對(duì)應(yīng)于人體手臂中的7個(gè)自由度。腿的結(jié)構(gòu)與手臂相類似,但自由度的數(shù)量和形式略有不同。軀干部分是以腰部的運(yùn)動(dòng)為主,主要模仿人體腰部的三個(gè)自由度,可以等效成由串聯(lián)或并聯(lián)的關(guān)節(jié)和連桿所組成。人體中的軀干運(yùn)動(dòng)是由脊柱實(shí)現(xiàn)的,脊柱中包含的自由度數(shù)量更多。實(shí)際上,人體脊柱是由更多的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成的,屬于超多自由度的系統(tǒng)。頸部是脊柱的延伸,與腰部是相類似的,可以等效為三個(gè)自由度,用以支撐頭部的運(yùn)動(dòng)。但實(shí)際上,頭頸部位的自由度數(shù)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(duì)于輪式機(jī)器人和旋翼機(jī)器人,則可以將輪子和旋翼等效看成為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。上述關(guān)節(jié)和連桿的組合形式可以是多種多樣的,當(dāng)連桿的桿長(zhǎng)縮短為零時(shí),即可形成兩軸或三軸復(fù)合的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),如萬(wàn)向節(jié)和球鉸鏈等等。

從以上的分析可以看出,不同的機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上是具有其相同的特征的,即都是由多個(gè)關(guān)節(jié)和連桿所構(gòu)成。如果按上述結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分解,對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床以及其他的機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)也是適用的?？梢哉f(shuō),從結(jié)構(gòu)組成上來(lái)看,機(jī)器人和傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備實(shí)際上是一致的,在結(jié)構(gòu)上,完全可以將傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備納入到機(jī)器人的體系中來(lái)。

不同形式的機(jī)器人盡管從結(jié)構(gòu)上看都是統(tǒng)一的,但從具體應(yīng)用上來(lái)看,還是存在很大的區(qū)別。按不同的應(yīng)用可將機(jī)器人劃分出很多的類型,如工業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人等等。從形態(tài)上,也可以分為仿人形機(jī)器人、仿動(dòng)物的大狗機(jī)器人、蜘蛛機(jī)器人等等。

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

當(dāng)然,上述分類中,機(jī)械臂的情況比較特殊,實(shí)際上它應(yīng)屬于第一類仿人形機(jī)器人中的一部分,即仿生手臂。

3 機(jī)器人工程專業(yè)核心課程體系建設(shè)

從上面的機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可以看出,機(jī)器人具有典型的多學(xué)科交叉特點(diǎn),具有顯著的機(jī)電一體化特征[4]。機(jī)器人的上述特點(diǎn)實(shí)際上也對(duì)機(jī)器人工程專業(yè)的課程組織帶來(lái)了重要的影響。

這些影響主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:①如何處理與機(jī)械學(xué)科相關(guān)基礎(chǔ)課程的問(wèn)題;②如何處理與自動(dòng)化學(xué)科主體課程之間關(guān)系的問(wèn)題;③與人工智能相關(guān)課程的平衡問(wèn)題。

自動(dòng)化類和機(jī)械類相關(guān)主要課程的層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)器人工程專業(yè)課程及其層次關(guān)系

機(jī)械類主要課程包括“機(jī)械原理”“運(yùn)動(dòng)學(xué)”“動(dòng)力學(xué)”等。如果機(jī)械類課程需要加強(qiáng)的話,還應(yīng)該包括“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造”等課程。但如果機(jī)械學(xué)科的課程講得過(guò)深的話,則自動(dòng)化和人工智能方面的課程勢(shì)必受到擠壓。因此,在課程體系建設(shè)過(guò)程中首先就需要解決機(jī)械類課程的平衡問(wèn)題。既要講透必要的機(jī)械類基礎(chǔ)知識(shí),又要盡量壓縮,減少機(jī)械學(xué)科課時(shí)的數(shù)量。

我們?cè)趯?shí)際中的處理方法是,將機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)整合,合成為一門綜合性的機(jī)械基礎(chǔ)課程,以實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容和課時(shí)的優(yōu)化。

自動(dòng)化類課程主要包括了電機(jī)、電工電子、計(jì)算機(jī)硬件和軟件、自動(dòng)控制以及機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理等方面的課程。同樣地,為了強(qiáng)化人工智能新學(xué)科的相關(guān)知識(shí),我們對(duì)自動(dòng)化類相關(guān)的課程也進(jìn)行了必要的壓縮,主要保留了“電機(jī)拖動(dòng)”“微機(jī)原理”“電子學(xué)”“自動(dòng)控制原理”等核心課程,其他的課程盡量壓縮,但增加了計(jì)算機(jī)軟件和程序設(shè)計(jì)方面的課程,如C語(yǔ)言和Python等。在壓縮機(jī)械類和自動(dòng)化類相關(guān)課程的基礎(chǔ)上,增加了人工智能相關(guān)課程的比重。

此外,在對(duì)理論課程進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上,提高了實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐類課程的比重。設(shè)計(jì)了“機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)”“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”“機(jī)器人技術(shù)高級(jí)實(shí)驗(yàn)以及移動(dòng)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)”等四個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)課程,以豐富機(jī)器人工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容,使學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論知識(shí)的理解,提高學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

總體上,在機(jī)器人工程課程體系建設(shè)中,突出了人工智能課程的比重。并以此為目標(biāo),保留了自動(dòng)化類課程中必要的基礎(chǔ)和核心課程,使機(jī)器人工程培養(yǎng)方向向人工智能學(xué)科適度傾斜。對(duì)于機(jī)械類課程,則縮減至最少,使其滿足機(jī)器人工程專業(yè)最基本的機(jī)械類知識(shí)體系需求即可。

4 機(jī)器人學(xué)課程建設(shè)

眾所周知,“機(jī)器人學(xué)”課程是機(jī)器人工程專業(yè)最為典型的標(biāo)志性課程,是必修的基礎(chǔ)性主干課程。但在課程建設(shè)實(shí)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(jī)器人學(xué)”課程都是面向研究生開(kāi)設(shè)的,傳統(tǒng)的“機(jī)器人學(xué)”課程內(nèi)容組織并不適合本科生階段的講授和學(xué)習(xí)。如果將“機(jī)器人學(xué)”課程放在本科高年級(jí)講授,則會(huì)削弱人工智能相關(guān)課程的內(nèi)容組織。為解決上述矛盾,我們將“機(jī)器人學(xué)”課程知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行了梳理和劃分,將其拆分為機(jī)器人基礎(chǔ)和機(jī)器人控制兩個(gè)部分,如圖2所示,形成了“機(jī)器人基礎(chǔ)原理”和“機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制”兩門課程,分別安排在兩個(gè)學(xué)期進(jìn)行講授。在“機(jī)器人基礎(chǔ)原理”課程中,除了“機(jī)器人學(xué)”中的坐標(biāo)變換基礎(chǔ)內(nèi)容之外,主要解決機(jī)器人的建模問(wèn)題,包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)建模以及機(jī)器人軌跡規(guī)劃等內(nèi)容。“機(jī)器人基礎(chǔ)原理”課程安排在大二下學(xué)期講授。而“機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制”主要講授機(jī)器人控制方面的相關(guān)問(wèn)題,安排在大三年級(jí)進(jìn)行。由于“自動(dòng)控制原理”課程也是安排在大三的上學(xué)期,因此,“機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制”課程也基本實(shí)現(xiàn)了與“自動(dòng)控制理論”課程之間所需的必要的銜接。

圖2 機(jī)器人學(xué)課程及其層次關(guān)系

不過(guò),理想的處理方式是,將“機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制”安排在大三年級(jí)的下學(xué)期來(lái)開(kāi)設(shè),這樣就可以使學(xué)生在完全學(xué)完“自動(dòng)控制原理”之后再學(xué)習(xí)機(jī)器人控制方面的相關(guān)內(nèi)容。但實(shí)踐中,由于學(xué)期課程數(shù)量方面的限制,目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)理想的課程安排,還需等待后續(xù)時(shí)機(jī)成熟時(shí)再做適當(dāng)調(diào)整。

上述課程體系的設(shè)置已經(jīng)經(jīng)過(guò)了2016級(jí)至2019級(jí)四個(gè)年級(jí)的實(shí)踐檢驗(yàn)。實(shí)際授課情況和學(xué)習(xí)效果表明,機(jī)器人工程專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容組織是成功的、可行的。2016級(jí)畢業(yè)生已于2020年夏季畢業(yè),其中有超過(guò)70%的學(xué)生選擇進(jìn)入研究生階段繼續(xù)深造,取得了較好的教學(xué)效果。

5 線上課程建設(shè)

除了線下課程教學(xué)之外,我們也積極開(kāi)展了“機(jī)器人學(xué)”線上課程的相關(guān)教學(xué)工作?！皺C(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)原理”慕課于2018年秋季在中國(guó)大學(xué)慕課平臺(tái)上線運(yùn)行,至今已開(kāi)設(shè)了7個(gè)學(xué)期,超過(guò)3萬(wàn)名校內(nèi)外學(xué)生選課參與了課程的學(xué)習(xí),2020年5月,基于該課程出版了機(jī)器人基礎(chǔ)原理數(shù)字課程一部[5],取得了一定的效果和社會(huì)影響,并為后續(xù)線上課程的建設(shè)和完善奠定了必要的基礎(chǔ)[6]。

同時(shí),三年來(lái)的線上教學(xué)實(shí)踐也暴露了一些實(shí)際問(wèn)題,如社會(huì)學(xué)生的參與度還不夠高、課程學(xué)習(xí)效果還不夠理想等等。特別是,機(jī)器人學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課程,具有明顯的多學(xué)科交叉的特點(diǎn),對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的要求較高,在理解和學(xué)習(xí)上都具有較大的難度。另外,慕課的授課形式主要是以知識(shí)點(diǎn)來(lái)組織的,雖然增加了靈活性,但難以像課堂教學(xué)那樣嚴(yán)格按知識(shí)的先后順序進(jìn)行遞進(jìn),內(nèi)容組織上是比較零散的。因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)往往比較隨意,難以仔細(xì)認(rèn)真思考,當(dāng)前面的基礎(chǔ)內(nèi)容掌握得不夠好時(shí),后續(xù)課程內(nèi)容往往難以開(kāi)展。因此,很多學(xué)生僅僅是學(xué)習(xí)了一部分概述內(nèi)容后就停止了,僅有少數(shù)學(xué)生能夠完成課程主要內(nèi)容的學(xué)習(xí)。后續(xù),擬針對(duì)上述實(shí)際情況,適度增加重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的詳細(xì)講解環(huán)節(jié),以進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

東北大學(xué)于2015年9月聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司成立了機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院,開(kāi)始機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)工作進(jìn)程。除本科生之外,還依托控制科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科設(shè)立了機(jī)器人科學(xué)與工程二級(jí)學(xué)科,同步開(kāi)始碩士生和博士生的招生培養(yǎng)工作,從而建立了“本、碩、博”貫通式人才培養(yǎng)體系。通過(guò)東北大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)2016、2017和2018三個(gè)年級(jí)的本科教學(xué)實(shí)踐,表明學(xué)校機(jī)器人工程專業(yè)的課程體系設(shè)置和內(nèi)容組織方式是合理可行的,為后續(xù)機(jī)器人工程專業(yè)課程建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。本文將東北大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)課程體系建設(shè)、課程設(shè)置以及機(jī)器人學(xué)課程的具體處理方法加以總結(jié)并進(jìn)行分享,希望能為兄弟院校的機(jī)器人工程專業(yè)課程體系建設(shè)提供一些有益的參考。當(dāng)然,我們也需要在后續(xù)的建設(shè)中結(jié)合實(shí)際效果對(duì)暴露的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化,本文內(nèi)容和觀點(diǎn)僅供大家參考,不足之處還請(qǐng)各位同行不吝賜教為盼。