機器人工程專業(yè)課程建設(shè)的思考與實踐

房立金 王 帥

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

與其他傳統(tǒng)工科專業(yè)相比,機器人工程作為新工科特點較為明顯的新專業(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有完成定型。本文結(jié)合東北大學(xué)機器人工程專業(yè)建設(shè)對上述問題進行了思考,將相關(guān)的做法進行梳理后整理成文,希望能為同類專業(yè)建設(shè)提供一定的參考。為了全面闡述機器人專業(yè)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(chǔ)上對機器人的課程體系以及“機器人學(xué)”課程的建設(shè)給出了具體的闡述。

1 機器人工程專業(yè)的發(fā)展及其特點

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

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

由于機器人具有典型的多學(xué)科交叉的特點,機械系統(tǒng)和電系統(tǒng)又是機器人最重要的兩個組成部分,因此,機器人專業(yè)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(yè)教育面前的首要問題之一。

此外,在機器人工程專業(yè)知識體系建設(shè)中,還面臨著電工電子硬件系統(tǒng)和控制軟硬件系統(tǒng)之間的平衡問題以及人工智能新知識和傳統(tǒng)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(xué)科交叉問題構(gòu)成了機器人工程專業(yè)有別于其他傳統(tǒng)專業(yè)的顯著區(qū)別特征。

2 機器人的概念及其內(nèi)涵

到目前,機器人并沒有形成統(tǒng)一的、公認的定義,甚至未來這樣的定義也很難實現(xiàn)并得到公認。從機器人的概念和內(nèi)涵來看,我們認為機器人最為主要的特征是多自由度的聯(lián)動,這類似于數(shù)控機床中多軸聯(lián)動的概念。除了多自由度的聯(lián)動,機器人還具有感知、動作、控制相統(tǒng)一的特點。感知、動作和控制三個子系統(tǒng)構(gòu)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(qū)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(zhì)上看,都可以以“關(guān)節(jié)+連桿”的組合單元對機器人進行剖析,即復(fù)雜的機器人分解為關(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)機器人(多自由度機械臂)即是由若干關(guān)節(jié)和連桿串聯(lián)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(guān)節(jié)和連桿的串聯(lián)形式,對應(yīng)于人體手臂中的7個自由度。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(lián)或并聯(lián)的關(guān)節(jié)和連桿所組成。人體中的軀干運動是由脊柱實現(xiàn)的,脊柱中包含的自由度數(shù)量更多。實際上,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(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(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)連桿的桿長縮短為零時,即可形成兩軸或三軸復(fù)合的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),如萬向節(jié)和球鉸鏈等等。

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

不同形式的機器人盡管從結(jié)構(gòu)上看都是統(tǒng)一的,但從具體應(yīng)用上來看,還是存在很大的區(qū)別。按不同的應(yīng)用可將機器人劃分出很多的類型,如工業(yè)機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人等等。從形態(tài)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(tài)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(shè)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(shè)備,如輪式移動機器人或數(shù)控機床等等?？傮w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(shè)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(shè)備都納入機器人的體系之中。

當(dāng)然,上述分類中,機械臂的情況比較特殊,實際上它應(yīng)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(yè)核心課程體系建設(shè)

從上面的機器人結(jié)構(gòu)特點分析可以看出,機器人具有典型的多學(xué)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(yè)的課程組織帶來了重要的影響。

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

自動化類和機械類相關(guān)主要課程的層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 機器人工程專業(yè)課程及其層次關(guān)系

機械類主要課程包括“機械原理”“運動學(xué)”“動力學(xué)”等。如果機械類課程需要加強的話,還應(yīng)該包括“機械設(shè)計”“機械制造”等課程。但如果機械學(xué)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(shè)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(chǔ)知識,又要盡量壓縮,減少機械學(xué)科課時的數(shù)量。

我們在實際中的處理方法是,將機構(gòu)學(xué)、機械原理和機械設(shè)計的基礎(chǔ)知識進行適當(dāng)整合,合成為一門綜合性的機械基礎(chǔ)課程,以實現(xiàn)課程內(nèi)容和課時的優(yōu)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(xué)習(xí)、圖像處理等方面的課程。同樣地,為了強化人工智能新學(xué)科的相關(guān)知識,我們對自動化類相關(guān)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(xué)”“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(shè)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(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,在對理論課程進行調(diào)整的基礎(chǔ)上,提高了實驗和實踐類課程的比重。設(shè)計了“機器人運動控制實驗”“機器人技術(shù)基礎(chǔ)實驗”“機器人技術(shù)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(yè)的實驗課內(nèi)容,使學(xué)生可以通過實驗加深對理論知識的理解,提高學(xué)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(shè)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(chǔ)和核心課程,使機器人工程培養(yǎng)方向向人工智能學(xué)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(yè)最基本的機械類知識體系需求即可。

4 機器人學(xué)課程建設(shè)

眾所周知,“機器人學(xué)”課程是機器人工程專業(yè)最為典型的標志性課程,是必修的基礎(chǔ)性主干課程。但在課程建設(shè)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(xué)”課程都是面向研究生開設(shè)的,傳統(tǒng)的“機器人學(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“機器人學(xué)”課程放在本科高年級講授,則會削弱人工智能相關(guān)課程的內(nèi)容組織。為解決上述矛盾,我們將“機器人學(xué)”課程知識內(nèi)容進行了梳理和劃分,將其拆分為機器人基礎(chǔ)和機器人控制兩個部分,如圖2所示,形成了“機器人基礎(chǔ)原理”和“機器人動力學(xué)控制”兩門課程,分別安排在兩個學(xué)期進行講授。在“機器人基礎(chǔ)原理”課程中,除了“機器人學(xué)”中的坐標變換基礎(chǔ)內(nèi)容之外,主要解決機器人的建模問題,包括機器人運動學(xué)建模、動力學(xué)建模以及機器人軌跡規(guī)劃等內(nèi)容?！皺C器人基礎(chǔ)原理”課程安排在大二下學(xué)期講授。而“機器人動力學(xué)控制”主要講授機器人控制方面的相關(guān)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(xué)期,因此,“機器人動力學(xué)控制”課程也基本實現(xiàn)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(xué)課程及其層次關(guān)系

不過,理想的處理方式是,將“機器人動力學(xué)控制”安排在大三年級的下學(xué)期來開設(shè),這樣就可以使學(xué)生在完全學(xué)完“自動控制原理”之后再學(xué)習(xí)機器人控制方面的相關(guān)內(nèi)容。但實踐中,由于學(xué)期課程數(shù)量方面的限制,目前還沒有實現(xiàn)理想的課程安排,還需等待后續(xù)時機成熟時再做適當(dāng)調(diào)整。

上述課程體系的設(shè)置已經(jīng)經(jīng)過了2016級至2019級四個年級的實踐檢驗。實際授課情況和學(xué)習(xí)效果表明,機器人工程專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容組織是成功的、可行的。2016級畢業(yè)生已于2020年夏季畢業(yè),其中有超過70%的學(xué)生選擇進入研究生階段繼續(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,我們也積極開展了“機器人學(xué)”線上課程的相關(guān)教學(xué)工作?！皺C器人學(xué)基礎(chǔ)原理”慕課于2018年秋季在中國大學(xué)慕課平臺上線運行,至今已開設(shè)了7個學(xué)期,超過3萬名校內(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,三年來的線上教學(xué)實踐也暴露了一些實際問題,如社會學(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,對學(xué)生基礎(chǔ)知識的要求較高,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點來組織的,雖然增加了靈活性,但難以像課堂教學(xué)那樣嚴格按知識的先后順序進行遞進,內(nèi)容組織上是比較零散的。因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時往往比較隨意,難以仔細認真思考,當(dāng)前面的基礎(chǔ)內(nèi)容掌握得不夠好時,后續(xù)課程內(nèi)容往往難以開展。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),擬針對上述實際情況,適度增加重點知識點的詳細講解環(huán)節(jié),以進一步提高學(xué)習(xí)效果。

6 結(jié)語

東北大學(xué)于2015年9月聯(lián)合中國科學(xué)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(xué)與工程學(xué)院,開始機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)工作進程。除本科生之外,還依托控制科學(xué)與工程一級學(xué)科設(shè)立了機器人科學(xué)與工程二級學(xué)科,同步開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。通過東北大學(xué)機器人工程專業(yè)2016、2017和2018三個年級的本科教學(xué)實踐,表明學(xué)校機器人工程專業(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)機器人工程專業(yè)課程體系建設(shè)、課程設(shè)置以及機器人學(xué)課程的具體處理方法加以總結(jié)并進行分享,希望能為兄弟院校的機器人工程專業(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)合實際效果對暴露的問題進行進一步的調(diào)整和優(yōu)化,本文內(nèi)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。