多學科交叉融合驅(qū)動下機器人導論課程實踐與思考

摘 要：機器人導論課程涉及多個學科的深度交叉融合，重點學習機器人關(guān)鍵共性技術(shù)，并啟發(fā)式介紹核心前沿技術(shù)。該文首先介紹機器人不同分類及關(guān)鍵技術(shù)，然后從教學目標、內(nèi)容與方法三個方面闡釋該課程實踐現(xiàn)狀，并對存在的矛盾問題進行總結(jié)分析。依托“三航特色”，根植“總師育人文化”，對課程在專業(yè)知識與思政教育兩個層面的改革措施進行深度思考，以期能培養(yǎng)出“專業(yè)精、系統(tǒng)強、重實踐、能擔當”的科研后備力量。

關(guān)鍵詞：機器人導論；機器人；多學科交叉融合；課程實踐與思考；總師育人文化

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

機器人導論（Introduction to Robotics）作為一門多學科交叉融合課程，以機器人關(guān)鍵技術(shù)為課程核心，重點介紹構(gòu)成、建模、感知、導航、規(guī)劃、控制、決策、前沿等內(nèi)容知識，涉及學科包括數(shù)學、力學、機械、材料、電氣、控制、計算機、人工智能、軟件、工藝設計等多個學科的深度交叉融合。機器人導論聚焦“四個面向”，以解決“卡脖子”問題為牽引，以培養(yǎng)多學科交叉融合科研人才為目標，以期引領(lǐng)我國機器人領(lǐng)域趕超世界一流水平。

我國在“中國制造2025”“新工科建設”“機器人+”應用行動實施方案等一系列規(guī)劃中已經(jīng)將機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提升到了戰(zhàn)略層面，特別是機器人與人工智能有機結(jié)合，已經(jīng)成功引發(fā)了第四次科技革命新浪潮[1]。機器人行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?，相關(guān)從業(yè)人員需求量激增，在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應用[2-6]。首先簡要介紹了機器人的不同分類形式與關(guān)鍵技術(shù)；然后介紹西北工業(yè)大學（以下簡稱“我?！保C器人導論課程實踐情況，包括課程教學目標、內(nèi)容與方法等；最后以多學科交叉融合驅(qū)動為大背景，對本課程實踐中遇到的矛盾問題進行總結(jié)，并對如何與我?！翱値熡宋幕鄙疃冉Y(jié)合進行深入思考。

一 機器人分類及關(guān)鍵技術(shù)

機器人技術(shù)具有高度集成性，其高速發(fā)展離不開傳感技術(shù)、控制技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)等關(guān)鍵共性技術(shù)，也離不開自主導航技術(shù)、人機交互技術(shù)、智能決策技術(shù)等核心前沿技術(shù)。機器人至今還未形成統(tǒng)一定義，狹義上講就是能靈活地完成特定的操作和運動任務，并可再編程序的多功能操作器[7-9]，其從驅(qū)動構(gòu)型、智能程度等方面可以劃分為不同類型。

（一） 從驅(qū)動構(gòu)型上劃分，機器人包括固定式、履帶式、輪式、足式、巡游式、混合式六大類

1）固定式機器人是指整體固定在底座上，只能移動部分關(guān)節(jié)的機器人，通常其執(zhí)行器末端裝備有特種機械手，常用于制造行業(yè)，代表性的有ABB機械臂、KUKA機械臂等。

2）履帶式機器人是指搭載履帶底盤機構(gòu)的機器人，越野機動性強，常用于野外偵察、設備搬運等，代表性的有iRobot機器人、Talon機器人等。

3）輪式機器人是指以輪子形式運動的機器人，結(jié)構(gòu)相對簡單，運動速度快，常用于現(xiàn)場巡檢、物流運輸?shù)?，代表性的有Husky無人車、Nuro無人車等。

4）足式機器人是指通過驅(qū)動類似于腿足的裝置來移動自身的機器人，環(huán)境適應能力強，常用于災后救援、家庭服務等，代表性的有Spot機器狗、Atlas機器人等。

5）巡游式機器人是指搭載推機器驅(qū)動機構(gòu)的機器人，可在空中、水中進行巡游，常用于監(jiān)控測繪、軍事對抗等，代表性的有彩虹-4無人機、Remus6000自主水下航行器等。

6）混合式機器人是指同時采用多種動力構(gòu)型進行混合驅(qū)動的機器人，可在不同驅(qū)動方式之間有效切換，屬于新概念意義上的機器人，代表性的有ANYmal輪足混合機器狗、我校自研水下六足機器人等。

（二） 從智能程度上劃分，機器人包括程序型、傳感型、交互型、自主型四大類，智能化水平逐步提升

①程序型機器人是指按照預先編制流程進行作業(yè)的機器人。②傳感型機器人是指能夠利用傳感數(shù)據(jù)進行信息處理，執(zhí)行作業(yè)任務的機器人。③交互型機器人是指具有人機交互功能，能夠在線實現(xiàn)人類意圖的機器人。④自主型機器人是指具有學習功能，能夠根據(jù)作業(yè)環(huán)境自主調(diào)整行為的機器人。

除此之外，還有多種其他劃分形式，例如，從用途上劃分為工業(yè)機器人、服務機器人以及特種機器人；從機構(gòu)學上劃分為串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人。不同類型的機器人既有關(guān)鍵共性技術(shù)，也有核心前沿技術(shù)，在機器人導論課程中，重點關(guān)注關(guān)鍵共性技術(shù)相關(guān)的基礎知識內(nèi)容，同時也對核心前沿技術(shù)進行啟發(fā)式介紹。

機器人技術(shù)涉及到多個學科的深度交叉融合，從設計到實現(xiàn)再到應用，各項關(guān)鍵技術(shù)的飛速發(fā)展，為機器人領(lǐng)域注入了創(chuàng)新活力。例如，如何研發(fā)新型材料解決機器人輕量化問題；如何設計精巧機械結(jié)構(gòu)解決機器人多模態(tài)運動問題等。為了保證機器人能夠有效作業(yè)，可從觀察、定位、決策、行動四個環(huán)節(jié)分別對關(guān)鍵技術(shù)進行分析總結(jié)。

在觀察環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)主要是態(tài)勢感知，主要包括①智能感知：收集機器人作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，利用深度學習，建立局部或全局環(huán)境模型，例如，深度學習在同時定位與地圖構(gòu)建中的應用、多模態(tài)約束下的數(shù)據(jù)融合、具有抗干擾性能的模型信息提取、機器學習在環(huán)境搜索中的應用等；②目標識別：物體識別、姿態(tài)識別等，明確機器人的作業(yè)目標信息，例如，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的物體識別、復雜環(huán)境中的目標識別等；③協(xié)同感知：多個機器人組成探測網(wǎng)絡，如何用最少的機器人探測最大作業(yè)區(qū)域，例如，合作博弈在區(qū)域監(jiān)測中的應用、異構(gòu)傳感器的信息融合、任務分配等。

在定位環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)主要是信息處理，主要包括①信息融合：收集機器人作業(yè)數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)挖掘，不同信息的端到端特征提取，滿足在線實時性需求，例如，聲光等傳感器的數(shù)據(jù)挖掘、機器學習在特征提取中的應用等；②目標意圖：推測作業(yè)場景態(tài)勢變化，判斷動態(tài)目標動作意圖，例如，機器學習在目標運動預測中的應用、智能化推理方法等。

在決策環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)主要是決策生成，主要包括①路徑規(guī)劃：根據(jù)機器人運動目的，生成優(yōu)化軌跡，例如，機器學習與傳統(tǒng)規(guī)劃方法相結(jié)合、優(yōu)化方法與運動目的分解相結(jié)合、崎嶇地形中的高效避障等；②智能指揮：綜合分析態(tài)勢信息，確定多機器人系統(tǒng)運動目的，明確各個機器人目的，例如，協(xié)同對抗與任務分配相結(jié)合、機電約束與功能異構(gòu)相結(jié)合、人機交互等；③微分博弈：考慮實際機器人微分模型約束，重點關(guān)注博弈對抗領(lǐng)域中的微分博弈理論，例如，非結(jié)構(gòu)化對抗場景下博弈、跨域協(xié)同對抗等。

在行動環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)主要是精準控制，主要包括①學習控制：機器人模型無法完全已知，利用學習方法對傳統(tǒng)控制方法在控制輸入受限條件下進行改進，拓展控制方法的適用范圍，例如，強化學習在跟蹤控制中的應用、安全學習與機電約束相結(jié)合等；②協(xié)同控制：單個機器人多控制目標下的協(xié)同，多機器人系統(tǒng)之間的控制協(xié)同，例如，多目標優(yōu)化控制、分布式協(xié)同等；③模型與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動：傳統(tǒng)機理分析與機器學習相結(jié)合，例如，將模型機理信息融入到神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設計、神經(jīng)網(wǎng)絡初始權(quán)重的選取等，增強數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的可解釋性，拓展模型機理方法應用范圍等。

機器人導論作為多學科交叉融合下的專業(yè)課程，通過介紹機器人基礎理論，能夠掌握關(guān)鍵技術(shù)核心內(nèi)容，把握機器人未來發(fā)展趨勢。另外，通過了解機器人關(guān)鍵技術(shù)最新前沿，進一步加深對本課程的學習。

二 我校機器人導論課程實踐情況

我校依托航空、航天、航海的“三航特色”，始終以“育國之棟梁、鑄國之重器”為使命，以“低調(diào)務實、兼收并蓄、厚積薄發(fā)、為國鑄劍”為特質(zhì)的“總師育人文化”引領(lǐng)人才培養(yǎng)，旨在培養(yǎng)出“專業(yè)精、系統(tǒng)強、重實踐、能擔當”的科研后備力量[10]。

目前，斯坦福大學、麻省理工學院、普林斯頓大學、加州大學伯克利分校、劍橋大學等一眾全球知名高校均開設有機器人相關(guān)課程。我校開設的機器人導課程側(cè)重于國防裝備領(lǐng)域機器人教學，以無人機、航天器、水下航行器等系列化裝備為案例，講授機器人關(guān)鍵技術(shù)涵蓋的基本內(nèi)容知識，以小組合作形式熟悉機器人項目研發(fā)流程，以期達到使學生掌握機器人相關(guān)知識理論并具有獨立解決機器人關(guān)鍵技術(shù)問題潛力的教學目標。同時，在思政教育教學方面深度融合“三航特色”，引導學生愛黨愛國、獻身國防，用赤誠的愛國之心、強烈的報國之志，履行人才強國、科技報國的職責。

我校機器人導論課程共32學時，2學分，主要面向我校航海學院信息工程、水聲工程、船舶與海洋工程等專業(yè)學生，輻射全校信息類專業(yè)學生，此外針對我校留學生還特別開設有英語授課的機器人導論（英）。本課程已經(jīng)形成了穩(wěn)定的教學團隊梯隊，教學內(nèi)容在保證機器人基礎知識內(nèi)容的前提下，在前沿部分緊跟當前最新技術(shù)發(fā)展，對相應內(nèi)容進行不斷迭代更新。目前現(xiàn)有機器人導論教學內(nèi)容主要包含八個部分，分別為①機器人簡介；②機器人建模；③機器人感知；④機器人導航；⑤機器人路徑規(guī)劃；⑥機器人控制；⑦機器人決策；⑧機器人技術(shù)前沿，其中第八部分的技術(shù)前沿主要介紹人工智能在機器人領(lǐng)域中的應用。

為了進一步提升本課程教學效果，教學團隊根據(jù)教學內(nèi)容的不同，采用多種教學方法。

傳統(tǒng)課堂授課：在學生還未構(gòu)建起機器人理論體系框架前提下，傳統(tǒng)課堂授課能夠幫助學生快速掌握基礎理論知識，串聯(lián)新老知識，形成對機器人技術(shù)的初步概念，并且通過傳道-授業(yè)-解惑式的師生互動，鼓勵學生參與到課堂學習中來，提高主動學習積極性。

案例任務驅(qū)動：借鑒國內(nèi)外知名高校的教學案例，再結(jié)合我?！叭教厣保浞掷每蒲许椖抠Y源，將科研案例引入課堂，教學與科研相結(jié)合，結(jié)合教學團隊所研究的不同類型機器人，以其應用為主線，講述理論教學內(nèi)容，既能培養(yǎng)獨立思考的能力，也能體現(xiàn)出案例研討式教學的真正價值，同時培養(yǎng)學生的寫作和交流能力。

同時，還可以將思政元素巧妙地融入嵌入到案例任務中，機器人產(chǎn)業(yè)已在國家戰(zhàn)略層面進行全方位部署，取得了豐碩成果，正極大改變著人類生產(chǎn)和生活方式，為經(jīng)濟社會發(fā)展注入強勁動能，涌現(xiàn)出了一大批攻堅克難、勇攀高峰、開拓創(chuàng)新的典型事例，結(jié)合我?！叭教厣?，介紹前輩們?yōu)殍T造國之重器做出的不懈努力，激發(fā)學生家國情懷，理解團隊合作的重要性，增強科技強國、科技報國的責任感與使命感。

線下教學與線上專題講座相結(jié)合：本課程目的是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，拓展學生專業(yè)視野，體現(xiàn)不同學科交叉滲透，提升個性發(fā)展能力。教學團隊在課后安排國內(nèi)外知名學者開展線上交流講座，講座主題從課程涉及的各方向的關(guān)鍵技術(shù)展開，同時鼓勵學生積極互動，了解機器人科研一線所需的必備知識。

文獻資料查閱共享：對于機器人科技前沿部分，查閱最新學術(shù)論文，熟悉一流科研人員最新成果，初步把握機器人發(fā)展脈絡及未來趨勢，結(jié)合自身基礎知識與當前科研能力，不斷尋找促進機器人技術(shù)發(fā)展的切入點。

機器人導論教學團隊積極探索有效教學模式，增加教學內(nèi)容趣味性，調(diào)動學生互動積極性，以期高標準高質(zhì)量實現(xiàn)教學目標。同時，及時更新前沿部分教學內(nèi)容，在確保學生掌握機器人相關(guān)基礎內(nèi)容知識的前提下，鍛煉學生對機器人技術(shù)脈絡體系與未來發(fā)展趨勢的把握能力。

三 多學科交叉融合驅(qū)動下的若干思考

機器人導論涉及學科門類眾多，涵蓋技術(shù)知識廣泛，如何在多學科交叉融合驅(qū)動下提升教學質(zhì)量，增強課程啟發(fā)性仍值得深入思考。通過本課程多年來的教學實踐，需要著重解決以下矛盾。

學生數(shù)理基礎與課程挑戰(zhàn)度之間的矛盾：機器人的運動學、動力學等方面需要學生扎實掌握微積分、力學方面的內(nèi)容，而后續(xù)自主決策、規(guī)劃控制、感知等方面則需要線性代數(shù)、概率論等方面的數(shù)學知識。因此，在機器人導論這門課中需要將物理知識對應到數(shù)學領(lǐng)域，然后利用數(shù)學知識解決問題，最后再反映射到物理領(lǐng)域，需要解決學生數(shù)理基礎偏弱與課程挑戰(zhàn)度高之間的矛盾。

課內(nèi)學時較少與知識點眾多之間的矛盾：本課程為2學分，共32學時，若僅通過課堂講授，難以講全講透所有內(nèi)容知識。因此，需要通過合理設計課程授課的知識體系以及課堂教學方案，并且配合適宜于學生實際的課后實踐作業(yè)。同時，還需要考慮學生實際的編程基礎以及動手操作能力，合理分解任務，使學生能夠高質(zhì)量地完成學習任務。

個性化培養(yǎng)與通識教育之間的矛盾：選修本課程的同學后續(xù)培養(yǎng)路線可能各不相同，既有計劃深入鉆研控制決策方面有深入了解，又有計劃深耕導航規(guī)劃領(lǐng)域，還有計劃在數(shù)據(jù)融合方面更進一步等。作為多學科交叉課程，需要設計合理的教學方案讓選修的同學既有通識基礎知識又有專門深入知識。

機器人導論立足我?！叭教厣保病翱値熡宋幕?，致力于培養(yǎng)多領(lǐng)域貫通、本專業(yè)精通的科研新生力量，為機器人行業(yè)輸送批量人才。如何與我校“總師育人文化”深度結(jié)合是機器人導論在專業(yè)知識與思政教育層面都應重點考慮的問題。

在專業(yè)知識層面，“總師”型人才必須具備突出的個人科研能力，既要制定總體方案，又要把關(guān)具體技術(shù)攻關(guān)路線。機器人導論課程包含多個學科內(nèi)容知識的內(nèi)在交叉融合，能夠有效托舉“總師”型人才培養(yǎng)。為了進一步與我?！翱値熡宋幕毕嘟Y(jié)合，機器人導論需要在教學目標、教學內(nèi)容與教學方法等多個方面進行革新。在教學目標上需要增加對機器人技術(shù)系統(tǒng)性掌握要求，不僅要具有解決關(guān)鍵技術(shù)問題的潛力，還需要具有整合跨領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的能力；在教學內(nèi)容上需要引入實際機器人研發(fā)案例部分，通過模塊化分解機器人技術(shù)，提煉出關(guān)鍵共性技術(shù)與核心前沿技術(shù)，對所學基礎內(nèi)容知識的工程應用形成實例化認知，全面了解機器人實物的研制流程；在教學方法上需要強化學生與奮斗在科研一線型號總師之間的溝通交流，通過總師進課堂、總師在線等形式搭建多維度多途徑交流互動平臺，讓學生“熟悉總師工作日常，了解總師成長過程，理解總師技術(shù)職責”。

在思政教育層面，“總師”型人才必須具備開拓創(chuàng)新、攻堅克難的思政素養(yǎng)，既要敢想敢為，又要善作善成。我校依托“三航特色”，堅持以“育國之棟梁、鑄國之重器”為使命，深化“強烈使命擔當、系統(tǒng)整機觀念”總師人才能力素養(yǎng)培養(yǎng)，機器人導論在傳授專業(yè)知識的同時，鼓勵學生樹立遠大目標，充分發(fā)揮個人價值，積極投身于國防事業(yè)建設。以我校總師校友、型號攻關(guān)及項目研發(fā)中的身邊人、身邊事為思政素材，潤物細無聲地培養(yǎng)學生的理想信念與使命擔當，從傳統(tǒng)的說教灌輸轉(zhuǎn)變成新型的互動交流，讓學生理解個人職業(yè)發(fā)展與民族偉大復興息息相關(guān)，激發(fā)學生家國情懷，讓專業(yè)課堂有思想、有溫度、有情懷，滿足大學生成長發(fā)展的需求和期待，讓學生愿意聽、愿意懂、愿意踐行。

探索新形勢下行業(yè)特色型機器人導論課程教學體系建設新思路，面向工程開發(fā)、創(chuàng)新需求和社會發(fā)展，以多學科交叉融合驅(qū)動為大背景，探索新型授課與考核模式，使得選修該課程的同學能夠鞏固數(shù)理力學基礎知識的基礎上，掌握機器人相關(guān)的基礎知識，提高學生解決實際問題的能力，為培養(yǎng)知識面寬、實踐能力高、創(chuàng)新意識強的復合型科研人才打下堅實基礎。

四 結(jié)束語

在多學科交叉融合驅(qū)動大背景下，本文針對機器人導論課程實踐現(xiàn)狀以及特色化建設進行了詳細分析與深度思考。不同類型機器人既有關(guān)鍵共性技術(shù)，又有核心前沿技術(shù)，本課程根據(jù)我?！叭教厣敝贫藰O具特色的教學目標、教學內(nèi)容與教學方法，并且通過本課程的教學實踐，總結(jié)了需要解決的三大矛盾。結(jié)合我?！翱値熡宋幕?，從專業(yè)知識與思政教育兩個層面探討了本課程后續(xù)改進途徑。本文以機器人導論課程為切入點，探索了新工科背景下專業(yè)課程改革思路，希望能為機器人行業(yè)培養(yǎng)基礎扎實、技術(shù)出色、思維創(chuàng)新的科研新力量。

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