根據《制造業人才發展規劃指南》預測,2025 年,機器人與智能制造領域人才缺口將達到 450 萬。為實現中國制造由大變強的戰略任務提供堅實的人才支撐,從2016 年東南大學首次獲批“機器人工程”專業以來,近幾年時間里,全國高校“機器人工程”專業申報工作如火如荼,開設院校數量增長速度顯著。機器人工程是一個多維交叉,多學科融合的新學科,與各種專業都有關聯。機器人的結構部分需要機械專業來完成,內部電路涉及電氣等專業,運動系統控制和感知規劃又與控制專業有關,智能感知、決策方面又涉及計算機、人工智能專業知識,同時材料科學、力學等專業也與機器人工程息息相關。
目前國內高校的機器人工程與智能制造工程專業的建設總體來看還處于起步階段,由于不同類型的高校在學科基礎和培養目標等方面都存在較大差異,因此都需要探索適合自己的培養方案。機器人工程與智能制造工程專業都屬于“新工科”專業,都具有一個最主要的特點就是多學科綜合,同時涉及系統設計與規劃、對象與過程建模、感知與認知、計算與控制、通信與人機交互等多種技術環節,需要機器人、工業工程、人工智能、大數據、云計算等關鍵技術的集成,涉及機械工程、、電子技術、控制科學與工程、計算機科學等多個學科。在培養學生的過程中,既要考慮學生學科基礎理論和方法的學習以有堅實的創新基礎,還要考慮企業的現實需求,兼顧實際工作崗位的應用實操能力的培養。
目前市場上的很多教學裝備尚難以滿足需求。以機器人工程專業所需的機器人教學實驗平臺為例:高職高專學生實操能力培養的機器人實驗平臺,以機器人集成工作站的機器人和 PLC 編程訓練為主要內容,培養機器人實操編程人員。這類系統對于研究性大學或兼顧研究和教學的本科院校就不適用。這些本科院校需要培養具有很強再創新能力的學生,需要學生對設備的運行原理有深入的理解,需要培養學生新算法設計、新應用開發的能力。市售工業機器人主要面向工業應用,控制器屬于封閉系統,無法更改底層控制程序,無法部署自研的控制算法。雖然有一些工業機器人開放了部分接口,但出于安全、保密等多方面考慮,開放度并不高。有一些機器人開放了部分接口,但出于安全考慮,開放度不高。國外有些產品,但價格高昂,后期維護升級困難。
開放式機器人控制與仿真實驗室的建設可以支持學生認知、操作性的工業機器人使用、應用型編程,也可以支持學生理解性的機器人學、機器人控制系統原理學習,還擁有豐富的視覺、力覺、人工智能擴展能力,支持數字孿生仿真,用于創新性的機器人實驗場景設計、機器人賽項演練,形成認知、理解、掌握、運用的學習過程閉環。
1)理論認知
從機器人專業的理論知識出發,掌握工業機器人在運動學、動力學方面的基礎理論和創新技術。
2)實踐實操
通過機器人教學平臺的建設,在實訓實踐中,對機器人學進行實際運用,掌握工業機器人控制算法開發能力,提高學生實踐水平。
3)應用集成
緊密結合工業智能制造核心技術,結合視覺、力傳感進行系統集成。在實訓過程中了解機器人全方位的設計開發過程,系統化提升學生跨學科應用集成能力。
開放式機器人控制與仿真實驗室能在三個層級配合教學過程實現遞進式的培養:
層級一是認知和使用層面的“知其然”,可以分階段的了解和學習工業機器人和智能制造系統的使用過程;
層級二是理論體系建立層面的“知其所以然”,可以了解與自己探索與使用過程相關的底層原理和算法;
層級三是在掌握了應用現狀和對應現狀的內在原理后, 面向未來需求的“創未然”。
以工業機器人方向為例,可以在通過多個階段,實現多層級的學習迭代。在層級一層面,首先通過典型的機器人工作站,來建立對工業機器人的基本認知,學習了解機器人示教編程的過程;緊跟層級一的這個過程,通過深度開放的基于國產機器人的教學系統,使用 Matlab/Simulink 軟件,學習機器人運動學、動力學和機器人控制系統的基本原理,自己實現相關核心算法和進行仿真,并部署在實際機器人控制器中實時運行,控制真實的工業機器人本體并觀察分析控制效果,實現層級二的知其所以然。而后,可以通過與科研、競賽以及研究生培養等工作相結合的方式,進一步針對高速精密運動或者精確力控或者精準視覺引導等方面的需求,進一步提出創新算法,實現科研層面的融合再創新。
基于機器人專業交叉性、融合型的學科特點,專業實驗室的建設也需要從多個維度進行構建。開放式機器人控制與仿真實驗室的建設以前沿技術集成為內驅力,打破學科專業限制,推進學科優勢交叉融合,實施理工結合、工工交叉、工文滲透、工藝聯合等不同學科、專業交叉融合,完善新工科交叉融合模式下“學科基礎+跨學科交叉專業+前沿技術+實踐驅動+創新創業”復合型人才知識、能力結構。
開放式機器人控制與仿真實驗室擬結合機器人工程及先進前沿技術專業建設及人才培養目標要求,重點圍繞《機器人驅動與控制技術》《機器人基礎》《機器人原理與機構設計》《機器視覺與人機交互》《機器人運動控制》《機器人仿真技術》《機器人工程基礎實踐》等課程建設及項目開發、算法驗證、學科競賽等創新創業實踐活動,為學生提供認知、理解、掌握、運用的閉環學習過程。
1、機器人的系統認知方面:本方案以典型的六軸工業機器人為學習對象,可快速幫助學生了解機器人的系統組成、結構認知、常規使用等方面的知識;
2、機器人基礎與原理教學方面:本方案提供的機器人半實物仿真控制平臺以機器人快速原型控制系統和機器人開發軟件為基礎,可以完成 DH 建模、機器人正逆運動學、關節空間規劃、笛卡爾空間規劃、雅克比矩陣、動力學辨識等機器人學相關實驗課程;
3、機器人實踐實操方面:本方案提供的機器人數字孿生仿真系統、開放式機器人綜合科教實訓平臺,既能滿足機器人學相關原理及底層控制實驗,又可以完成產品的分揀、組裝、加工、視覺檢測等典型的應用實訓場景。
4、機器人科研創新方面:本方案提供的開放式機器人綜合科教實訓平臺,底層深度開放,可以實現與機器人廠家控制系統設計人員相當的最底層控制權限,可以支撐機器人高級控制功能,如基于動力學的阻抗控制、多機間協同力控制等;
020-82313220