机器人工程专业课程建设的思考与实践

房立金 王 帅

(东北大学 机器人科学与工程学院, 沈阳 110819)

与其他传统工科专业相比,机器人工程作为新工科特点较为明显的新专业总体上仍处于建设的初期阶段,包括课程体系和课程内涵等很多方面都还没有完成定型。本文结合东北大学机器人工程专业建设对上述问题进行了思考,将相关的做法进行梳理后整理成文,希望能为同类专业建设提供一定的参考。为了全面阐述机器人专业的特点,文中首先给出了机器人的概念及分类,然后在此基础上对机器人的课程体系以及“机器人学”课程的建设给出了具体的阐述。

1 机器人工程专业的发展及其特点

自上世纪60年代工业机器人(机械臂)最早实现实际应用以来,如今各种各样的机器人已走进了人们日常生产生活的方方面面,发挥着巨大的作用[1]。随着机器人应用的普及以及机器人技术的快速发展,机器人专业的教育也被提上日程。2015年国家设立了首批机器人工程专业,至今我国已有301家高校开设了机器人工程专业[2],机器人专业教育迅速发展起来,在机器人工程专业本科教育方面走在了世界的前列。

在此之前,国内外的机器人专业教育以研究生为主,主要目的是满足机器人相关研究工作的需求,对本科生的培养和机器人专业知识的系统学习是十分有限的。

由于机器人具有典型的多学科交叉的特点,机械系统和电系统又是机器人最重要的两个组成部分,因此,机器人专业教育从一开始就面临着“机”和“电”如何合理组合的问题。如何平衡“机械”和“电”两个大类的知识比重成为了摆在机器人工程专业教育面前的首要问题之一。

此外,在机器人工程专业知识体系建设中,还面临着电工电子硬件系统和控制软硬件系统之间的平衡问题以及人工智能新知识和传统自动化知识之间的平衡问题等多方面的具体问题。上述多学科交叉问题构成了机器人工程专业有别于其他传统专业的显著区别特征。

2 机器人的概念及其内涵

到目前,机器人并没有形成统一的、公认的定义,甚至未来这样的定义也很难实现并得到公认。从机器人的概念和内涵来看,我们认为机器人最为主要的特征是多自由度的联动,这类似于数控机床中多轴联动的概念。除了多自由度的联动,机器人还具有感知、动作、控制相统一的特点。感知、动作和控制三个子系统构成了单体机器人最典型的组成部分。单体机器人可以是多自由度的机械臂,可以是移动的,包括腿足式、轮式、履带式等具体形式,还可以是空中飞行的,包括旋翼、固定翼以及扑翼等多种飞行形式,也可以是生物仿生形式的,如仿生人工肌肉驱动的多种新型仿生机器人等等[3]。

机器人的种类和外在形式尽管多种多样,但从本质上看,都可以以“关节+连杆”的组合单元对机器人进行剖析,即复杂的机器人分解为关节和连杆的组合,具体的组合形式主要有串联和并联两种。比如,工业机器人(多自由度机械臂)即是由若干关节和连杆串联组成的。仿人形机器人可以分解为四肢、躯干、头颈和手足等几个主要部分。四肢中的手臂也是典型的多关节和连杆的串联形式,对应于人体手臂中的7个自由度。腿的结构与手臂相类似,但自由度的数量和形式略有不同。躯干部分是以腰部的运动为主,主要模仿人体腰部的三个自由度,可以等效成由串联或并联的关节和连杆所组成。人体中的躯干运动是由脊柱实现的,脊柱中包含的自由度数量更多。实际上,人体脊柱是由更多的关节和连杆构成的,属于超多自由度的系统。颈部是脊柱的延伸,与腰部是相类似的,可以等效为三个自由度,用以支撑头部的运动。但实际上,头颈部位的自由度数量也是很多的。手和足分布有手指和脚趾,手指和脚趾也可以按类似的方法将其看成为缩小版的多自由度手臂。对于轮式机器人和旋翼机器人,则可以将轮子和旋翼等效看成为旋转关节。上述关节和连杆的组合形式可以是多种多样的,当连杆的杆长缩短为零时,即可形成两轴或三轴复合的旋转关节,如万向节和球铰链等等。

从以上的分析可以看出,不同的机器人在结构上是具有其相同的特征的,即都是由多个关节和连杆所构成。如果按上述结构特征进行分解,对于传统的数控机床以及其他的机械设备来说也是适用的。可以说,从结构组成上来看,机器人和传统数控机床等自动化设备实际上是一致的,在结构上,完全可以将传统的机械设备纳入到机器人的体系中来。

不同形式的机器人尽管从结构上看都是统一的,但从具体应用上来看,还是存在很大的区别。按不同的应用可将机器人划分出很多的类型,如工业机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人等等。从形态上,也可以分为仿人形机器人、仿动物的大狗机器人、蜘蛛机器人等等。

综合起来,单从形态特征上进行分类的话,我们可以将机器人划分为以下三大类,即仿人形的机器人、模仿其他生物的仿生型机器人,以及其他各种形式的自动化机器设备。仿人形的机器人是第一类的,也是最为典型的机器人类型。此外,是模仿动物或其他生物的仿生机器人。第三类是其他多种形式的自动化设备,如轮式移动机器人或数控机床等等。总体上,基于以上分类方法,可以将机器人划分为仿人形机器人、其他仿生型机器人,以及机器人化的自动化设备三个大类,从而得到更广义的机器人概念,将所有的自动化设备都纳入机器人的体系之中。

当然,上述分类中,机械臂的情况比较特殊,实际上它应属于第一类仿人形机器人中的一部分,即仿生手臂。

3 机器人工程专业核心课程体系建设

从上面的机器人结构特点分析可以看出,机器人具有典型的多学科交叉特点,具有显著的机电一体化特征[4]。机器人的上述特点实际上也对机器人工程专业的课程组织带来了重要的影响。

这些影响主要体现在以下三个方面:①如何处理与机械学科相关基础课程的问题;②如何处理与自动化学科主体课程之间关系的问题;③与人工智能相关课程的平衡问题。

自动化类和机械类相关主要课程的层次关系如图1所示。

图1 机器人工程专业课程及其层次关系

机械类主要课程包括“机械原理”“运动学”“动力学”等。如果机械类课程需要加强的话,还应该包括“机械设计”“机械制造”等课程。但如果机械学科的课程讲得过深的话,则自动化和人工智能方面的课程势必受到挤压。因此,在课程体系建设过程中首先就需要解决机械类课程的平衡问题。既要讲透必要的机械类基础知识,又要尽量压缩,减少机械学科课时的数量。

我们在实际中的处理方法是,将机构学、机械原理和机械设计的基础知识进行适当整合,合成为一门综合性的机械基础课程,以实现课程内容和课时的优化。

自动化类课程主要包括了电机、电工电子、计算机硬件和软件、自动控制以及机器学习、图像处理等方面的课程。同样地,为了强化人工智能新学科的相关知识,我们对自动化类相关的课程也进行了必要的压缩,主要保留了“电机拖动”“微机原理”“电子学”“自动控制原理”等核心课程,其他的课程尽量压缩,但增加了计算机软件和程序设计方面的课程,如C语言和Python等。在压缩机械类和自动化类相关课程的基础上,增加了人工智能相关课程的比重。

此外,在对理论课程进行调整的基础上,提高了实验和实践类课程的比重。设计了“机器人运动控制实验”“机器人技术基础实验”“机器人技术高级实验以及移动机器人控制实验”等四个主要的实验课程,以丰富机器人工程专业的实验课内容,使学生可以通过实验加深对理论知识的理解,提高学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力。

总体上,在机器人工程课程体系建设中,突出了人工智能课程的比重。并以此为目标,保留了自动化类课程中必要的基础和核心课程,使机器人工程培养方向向人工智能学科适度倾斜。对于机械类课程,则缩减至最少,使其满足机器人工程专业最基本的机械类知识体系需求即可。

4 机器人学课程建设

众所周知,“机器人学”课程是机器人工程专业最为典型的标志性课程,是必修的基础性主干课程。但在课程建设实践中,同样面临着一些矛盾之处需要加以处理。由于以往的“机器人学”课程都是面向研究生开设的,传统的“机器人学”课程内容组织并不适合本科生阶段的讲授和学习。如果将“机器人学”课程放在本科高年级讲授,则会削弱人工智能相关课程的内容组织。为解决上述矛盾,我们将“机器人学”课程知识内容进行了梳理和划分,将其拆分为机器人基础和机器人控制两个部分,如图2所示,形成了“机器人基础原理”和“机器人动力学控制”两门课程,分别安排在两个学期进行讲授。在“机器人基础原理”课程中,除了“机器人学”中的坐标变换基础内容之外,主要解决机器人的建模问题,包括机器人运动学建模、动力学建模以及机器人轨迹规划等内容。“机器人基础原理”课程安排在大二下学期讲授。而“机器人动力学控制”主要讲授机器人控制方面的相关问题,安排在大三年级进行。由于“自动控制原理”课程也是安排在大三的上学期,因此,“机器人动力学控制”课程也基本实现了与“自动控制理论”课程之间所需的必要的衔接。

图2 机器人学课程及其层次关系

不过,理想的处理方式是,将“机器人动力学控制”安排在大三年级的下学期来开设,这样就可以使学生在完全学完“自动控制原理”之后再学习机器人控制方面的相关内容。但实践中,由于学期课程数量方面的限制,目前还没有实现理想的课程安排,还需等待后续时机成熟时再做适当调整。

上述课程体系的设置已经经过了2016级至2019级四个年级的实践检验。实际授课情况和学习效果表明,机器人工程专业的课程体系和课程内容组织是成功的、可行的。2016级毕业生已于2020年夏季毕业,其中有超过70%的学生选择进入研究生阶段继续深造,取得了较好的教学效果。

5 线上课程建设

除了线下课程教学之外,我们也积极开展了“机器人学”线上课程的相关教学工作。“机器人学基础原理”慕课于2018年秋季在中国大学慕课平台上线运行,至今已开设了7个学期,超过3万名校内外学生选课参与了课程的学习,2020年5月,基于该课程出版了机器人基础原理数字课程一部[5],取得了一定的效果和社会影响,并为后续线上课程的建设和完善奠定了必要的基础[6]。

同时,三年来的线上教学实践也暴露了一些实际问题,如社会学生的参与度还不够高、课程学习效果还不够理想等等。特别是,机器人学作为专业基础课程,具有明显的多学科交叉的特点,对学生基础知识的要求较高,在理解和学习上都具有较大的难度。另外,慕课的授课形式主要是以知识点来组织的,虽然增加了灵活性,但难以像课堂教学那样严格按知识的先后顺序进行递进,内容组织上是比较零散的。因此学生在学习时往往比较随意,难以仔细认真思考,当前面的基础内容掌握得不够好时,后续课程内容往往难以开展。因此,很多学生仅仅是学习了一部分概述内容后就停止了,仅有少数学生能够完成课程主要内容的学习。后续,拟针对上述实际情况,适度增加重点知识点的详细讲解环节,以进一步提高学习效果。

6 结语

东北大学于2015年9月联合中国科学院沈阳自动化研究所和新松机器人自动化股份有限公司成立了机器人科学与工程学院,开始机器人工程专业人才培养工作进程。除本科生之外,还依托控制科学与工程一级学科设立了机器人科学与工程二级学科,同步开始硕士生和博士生的招生培养工作,从而建立了“本、硕、博”贯通式人才培养体系。通过东北大学机器人工程专业2016、2017和2018三个年级的本科教学实践,表明学校机器人工程专业的课程体系设置和内容组织方式是合理可行的,为后续机器人工程专业课程建设打下了良好的基础。本文将东北大学机器人工程专业课程体系建设、课程设置以及机器人学课程的具体处理方法加以总结并进行分享,希望能为兄弟院校的机器人工程专业课程体系建设提供一些有益的参考。当然,我们也需要在后续的建设中结合实际效果对暴露的问题进行进一步的调整和优化,本文内容和观点仅供大家参考,不足之处还请各位同行不吝赐教为盼。