产 学 研 用 一 体 化 机 器 人 学 科 建 设

吴峰华， 李婷雪, 李连德， 杨哲海， 尹竞瑶， 王 昊， 金 鑫

(沈阳城市学院 智能工程学院，沈阳 110112)

0 引 言

我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。建设现代化经济体系，要以人工智能融合实体经济培育出的增长点推动先进制造业加快发展[1]。人工智能的创新普及是我国实现后来居上、迈入制造强国的重大历史机遇[2]。为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国，2017年8月国务院印发了《新一代人工智能发展规划》(简称《规划》)[3]，指出：“国家相关规划计划中部署的人工智能研发项目，重点是加强与新一代人工智能重大科技项目的衔接。加快智能制造与机器人研究，为人工智能重大技术突破提供支撑”，明确提出“支持开展形式多样的人工智能科普活动，全面提高全社会对人工智能的整体认知和应用水平。实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”。

以人类自身的形体结构和智力为原型参照的关节驱动型仿人机器人是人工智能领域的典型代表[4]。关节驱动型仿人机器人已成为衡量一个国家和地区机器人技术水平的重要标志，集中体现了基于深度学习的目标识别与追踪、以高性能和强稳定性为目标的动力学建模与优化控制、云计算与智能语音交互、精密仿真与基于新材料的驱动器设计等人工智能领域的诸多方面研究成果，涵盖了机械、电子、自动控制、计算机和人工智能的生物学、心理学、神经科学、行为科学和社会科学等学科分支，呈现出史无前例的跨学科态势。

1 产学研用融合的机器人课程体系架构

21世纪是人类和机器人共处的时代。任何国家、任何职业、任何阶层、任何年龄的人在其日常行为中，大部分时间要与机器人或人工智能产品打交道。民众渴望更广泛更深入地了解和接触机器人，机器人行业迫切需要专业化应用型人才，机器人研究团队也不断推出技术水平更高的研究成果。社会发展对机器人学科的教育提出了紧迫要求：应该针对不同受众群体提供有的放矢的机器人领域学习教育方案。为此，本文分别面向中小学生、高校机器人相关专业学生和机器人领域研究人员提出了3个层次的机器人课程体系。该课程体系面向机器人行业社会人才的岗位需求和具体工作内容和能力要求，结合机器人产业化项目所面临的产品开发、普及教育课程体系形成、项目推广及服务等课题和工作，提出了机器人学科建设需要培养机器人产品经理、机器人项目开发、机器人研发、机器人技术、机器人认证、机器人安装调试与维护、机器人教师、机器人竞赛等岗位人才。针对机器人行业人才的专业需求和技能要求，设置了9门核心专业课、10门方向专业课程以及8个方向的研修课程,如图1所示。

2 产学研用融合的机器人教育系列化课程

2.1 机器人科普教育系列课程(第1层级)

2.1.1 国内外青少年机器人教育的现状

人工智能的普及教育对于教育机器人的需求将形成巨大的市场。教育机器人作为新兴领域在实践应用中虽然存在课程管理平台、学习内容和师资等缺乏等诸多困难，但是随着教育机器人市场需求的日益增加，其发展前景及其广阔和乐观。在提倡素质教育、注重通识教育、推行研究型大学模式的当今时代，在教育机器人课程的推广过程中，通过动手组装和编程实践，可以拓展青少年的工程实施能力和逻辑思维能力。这种寓教于乐的先进教育模式必将成为青少年人工智能教育的有效手段和工具。基于全球教育和机器人的相关市场调查报告及相似产品的发展历程预测2016～2021年全球教育机器人的市场规模将达111亿美元[5]。在机器人发展前景大好的大环境下，我国也非常重视教育机器人的应用发展，不仅开展了各种比赛，教育机器人还被用于课内外教学，如北京、上海、广东、江苏等地已经将教育机器人纳入地方课程或校本课程，以促进学习者创新思维、设计思维和计算思维的培养。随着机器人技术的逐步成熟，研究教育机器人已成为一种必然趋势。

如今世界各国的青少年科学教育都在发生剧烈、深刻的变革。美国的K-12科学教育框架和2014年提出的新一代美国科学教育标准[6],英国经过3年修订后于2014年实施的小学国家课程学习纲要[7],日本6次修订小学科学课程标准[8],新加坡2014年颁布的以“为明天做准备”为目标的小学科学课程大纲，无不面向各自国家和地区的内在教育需求、努力让小学生适应未来的科技社会、提升本国的国际教育排名。

我国《全日制义务教育科学(3～6年级)课程标准(实验稿)》已经颁布15年，修改版三易其稿争议犹存[9]。2017年2月，教育部印发《义务教育小学科学课程标准》(简称《标准》)[10]，指出“小学科学课程对培养学生科学素养发挥了重要作用”，但在实践中存在时代性有待增强的问题：课程内容选择缺乏现代科学的宏观视野、活动设计不能充分体现科学实践的基本特征、目标定位与儿童认知特点和发展需求不相适应。

《标准》强调：小学科学课被列为与语文、数学同等重要的“基础性课程”，将科学课起始年级从小学三年级提前到一年级，科学课在九年制义务教育阶段的高度前所未有。科学课程追求的目标，并不仅仅是要孩子们掌握碎片化的知识，更重要的是应该让孩子们了解科学家的工作、学习像科学家那样实践和思考。科学教育必须将科学家做科学的方法融入到科学课程中去。在信息爆炸、知识呈指数级增长的未来社会，这项能力的重要性已无需赘述。

依据国务院《规划》和教育部《标准》，人工智能的普及教育要从娃娃抓起。本文将人工智能以科学研究的方式引入小学课堂，将深刻的科学原理以通俗易懂的方式进行科普化体现和科研式实操，是保证小学科学课程的时代性、提高人民对教育满意度的强有力措施。

2.1.2 青少年机器人教育的方法与内容

将机器人作为引发兴趣容易上手且科技含量较高的教具，通过观察、比对、测量、记录、组装、搜索、体验、思考、研讨、编程、调试、创作等课堂行为完成机器人通识、机器人搭建、机器人感知、机器人学习、机器人控制等课程模块，传播机器人的无线遥感、语音交互、目标识别、路径规划、轨迹跟踪、运动控制等科学道理与实现方法，设计机器人踢足球、跳舞、救援、搬运、竞速、寻迹、答题等项目赛事，有效培养和充分发挥青少年的科技创新潜力，全面实现《标准》和《规划》提出的人工智能普及教育和科普创作目标。

机器人科普教育系列课程将设置6大学习模块。

(1) “玩”机器人。该模块包括控制软件在内的仿人机器人成品提供给青少年，按照基本操作方法运行机器人。完成走路、拐弯、欢迎、鞠躬、跳舞、踢球、倒地起身等动作，并回答学生提出的几个设定好的简单问题。例如，观察机器人在做每个动作的时候，哪些位置是活动的？尝试用控制软件将几个动作组合起来完成。

(2) “拆”机器人。通过拆解机器人，使青少年了解与思考机器人是怎样做出来的。提供拆卸步骤，边拆边观察机器人的结构组成。深刻理解每一个零部件的位置连接关系和作用。观察机器人舵机、电池、开关等与控制器的连接。将某一舵机与控制器连接，上电后用控制软件调节舵机主轴旋转，观察转向和幅度跟控制软件设置量的关系,思考如何组装机器人。

(3) “装”机器人。机器人拆解后，按照原样组装起来。思考组装步骤。提供答案供进行不下去时参考。

(4) “调”机器人。机器人重新安装后，需要对舵机进行微调，才可恢复出厂状态。在微调过程中，观察调节量与舵机转角的关系。

(5) “编”机器人。通过可视化编程软件给机器人编写程序，让机器人执行规定的或自己构想的工作。可以尝试难度较大的动作。比如：上下楼梯、跑步、跳高等。编程实现机器人回答更多的问题。

(6) “比”机器人。设计并开展机器人各项竞赛。

2.1.3 积极在青少年中开展机器人竞赛

根据其他学校的经验，孩子们对机器人课程的喜爱是难以想象的。他们不仅在课上积极地接触机器人，在课后也主动研究，这种喜欢是发自内心的。当孩子的积极性被自发调动起来的时候，机器人教育的核心价值已经在孩子们身上充分体现出来了。这是其他课程很少能做到的，但机器人课程完全能够做到[11]。

机器人教学或者比赛，通常是以小组的形式通过任务来展开。虽然任务固定，但完成任务的方法和途径却是多样化的，或者说解决问题的方案是开放性的。这种开放性的任务环境可以极大地发挥学生想象力、调动学生积极思考，挖掘每个人的想法，设计方案。对学生创造力和创新能力的培养都大有裨益。以小组的形式则强调了合作精神，通过各种比赛的经验来看，最终取得好成绩的小组，组员之间的合作一定是非常密切的。因此教学中小组成员常常被安排在一起，经过长时间的磨合来培养他们之间的默契和团结。

方案确定后，机器人的教学可分为相辅相成的3部分:① 建模。建模需要学生对现实情况(或者物体)进行分解，然后抽象出其基本共通点，进行建模，搭建机器人。搭建前期的分解，抽象，建模是计算思维的核心内容，同时搭建后期的组装不仅锻炼了学生的动手能力，还融合了诸如物理、数学等多学科的知识。② 编程。编程过程中学生的算法意识、逻辑思维得到了充分锻炼，这也是计算思维的重要的内容。③ 调试运行。这一阶段需要系统、综合考虑所有问题，进行反思，哪里出了问题，为什么出问题，原因在哪里，是机器人搭建结构的问题还是程序编写的问题，反复修改，反复调试，以达到最后能够可靠执行任务的目的。这一系列的过程涉及科学、技术、工程、数学等学科，因此机器人教育还是STEM教育的主阵地。目前国内外对于“如何通过教育机器人课程促进STEM学科整合及学生STEM素养提升”这一主题已逐步展开内容广泛的研究。例如美国卡耐基梅隆大学机器人学院(Robotics Academy)是隶属于美国卡耐基梅隆大学的机器人教育机构，致力于研究教师如何在课堂教学中使用机器人，讲授计算机科学并借助机器人技术媒介，提升学习者在交叉学科技术领域中的学习兴趣，推广机器人与教育的整合性应用。目前该学院以ROBOTC[12]平台为基础，已发布近20门教育机器人相关课程，构成了一个覆盖K-12义务教育阶段到大学阶段的课程体系[13]。

机器人是学无止境的学科。因此在教学过程中，应强调经验的积累和反思。这集中体现在对机器人结构、程序调试的要求中。只有在成功与失败的经验或教训的总结中，一些工程学的设计理念才会渐渐地在孩子的脑海中明晰起来。机器人教育应当重视制作、调试过程中的质疑和反思。调试的过程就是不断自我质疑和假定验证的过程，也是反复思辨、自我挑战的过程。在机器人教学中往往有些学校急功近利地购买现成的机器人方案，追求比赛成绩过人一等，这是违反教育规律的。因为放弃了设计调试的过程，等于放弃了机器人教育的核心能力培养。学生虽然短期内成绩突出，但怀疑、批判能力的缺失，将使其在未来的高精尖人才的竞争中无法占据有利的地位。在机器人教学中，应经常向学生灌输“创新思维，工匠作风”的理念。永远不满足于现状，永远在脑海中思考如何推翻、改进设计，如何扎实地调试和摸索规律。

科学的批判与探究能力，是科学发展的不竭动力。信息技术日新月异，其本身就是在不断地批判与探究中发展的。机器人教育应更加看重学生的思维能力，尤其是分析问题、解决问题的能力及批判、探究能力的提高[14]。

2.2 机器人高等教育系列课程(第2层级)

2.2.1 国内高校机器人教育的现状

目前我国机器人的研究和人才培养主要集中在一些重点高校和科研院所的自动化专业、机械制造及其自动化专业、电气工程及其自动化等专业。国内部分高职大专院校相关专业也开设工业机器人操作与维护的课程，主要定位于部分固定品牌和型号的工业机器人的操作与维护，远远不能满足市场一线技术人才的缺口。

2015年经教育部批复，东南大学开设国内本科阶段首个“机器人工程”专业，以自动化大类的形式招生。学生到大三开始区分专业方向，其中之一为智能机器人方向。开设的主要课程有机器人学(2学分),多机器人系统建模与分析(1.5学分),机器人动力学与控制(2学分),服务机器人(1.5学分),工业机器人系统(2学分),特种机器人(研讨课)(1.5学分),智能机器人系统综合设计(研讨课)(2.5学分)，共13学分。主要学习内容为机器人学基本概况,机器人空间描述和变换,机器人正逆运动学及建模,机器人路径规划,机器人本体设计,机器人多平台编程,多机器人系统建模方法,基于一致协议和刚性图的多机器人编队控制系统分析,基于微分几何的多机器人寻迹编队控制系统分析,机器人控制方法及实现,服务机器人、工业机器人和特种机器人基础知识以及基于自主性能实现、高级应用等。东南大学机器人工程专业的特点是涉及面比较广，注重研讨，学生自主查阅资料，课上共同讨论、学习和实践，但并未针对机器人产业化进行人才培养,学生动手实操的机会偏少。

到2016年，东北大学、湖南大学、北京信息科技大学、辽宁科技学院、沈阳科技学院、吉林工程技术师范学院、哈尔滨远东理工学院、哈尔滨华德学院、常熟理工学院、南京工程学院、三江学院、安徽工程大学、安徽三联学院、南昌理工学院、山东管理学院、武汉商学院、广州大学、广东白云学院、广东工业大学华立学院、北京理工大学珠海学院、华南理工大学广州学院、广西科技大学、重庆文理学院、西安文理学院、西安航空学院等25所高校新增备案“机器人工程”本科专业,足见机器人专业的受重视程度。

2.2.2 部分高校机器人专业课程体系设置状况

资料表明，东北大学的机器人工程专业主要以控制科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、生物医学工程和认知科学等学科中涉及的机器人科学技术问题为研究对象，开设的主要课程包括机器人技术基础、自动控制原理、机械学基础、机器人操作系统、机器人动力学控制、机器学习、人机交互与人机接口技术等。培养目标是部分毕业生通过更高层次人才培养过程，在高校、科研院所从事科学研究工作；部分毕业生从事机器人工程设计、技术研发、机器人系统运行与维护和工程应用等方面的工作；部分毕业生在企业或其他相关部门从事各类管理工作；部分毕业生走上自主创业的道路[15]。

湖南大学机器人工程专业设置的专业课有机器人概论、机器人入门、机器人学、机器人控制基础、机器人动力学及控制、机器人及其控制、机器人技术、微型机器人、机器人与现代社会[16],并开展了机器人学科课程体系的系统性和实用性方面的研究。

辽宁科技学院机器人工程专业主要培养FANUC/ABB等知名品牌工业机器人方向应用人才。设置课程有：机器人技术基础,工业机器人离线编程仿真技术,工业机器人编程设计与实现,工业机器人系统集成设计,工业机器人典型应用实训,智能制造技术与应用,工业机器人系统二次开发,工业机器人技术综合实训(操作、编程、视觉),工业机器人离线编程与仿真实训(离线编程应用、工作站仿真),工业机器人工作站安装与调试实训(本体及外围设备),工业机器人典型应用实训(弧焊、打磨、上下料),工业机器人系统集成设计实训(工作站方案),智能制造生产线实训(各单元模块实训)[17]。

南京工程学院自动化学院机器人专业方向主要规划了机器人机械基础与机构学、机器人传感器与检测技术、机器人控制技术、机器人编程与操作等4门专业课程，其他大部分课程仍沿用自动化专业课[18]。

三江学院机器人工程本科专业由机械与电气工程学院开设，设置机器人软件、服务机器人和工业机器人3个专业方向[19]。

广东工业大学华立学院机器人工程专业设置了机器人学、工业机器人及零部件结构设计、机器人控制与应用、机器人传感器与检测技术、机器人综合实践、机器人现场编程、机器人系统集成技术等课程[20]。

武汉商学院机器人工程专业核心课程综合了机械与自动化专业主干课，并增加了工业机器人方向的专业课，值得借鉴。具体包括：机械设计基础,机械制造基础,电路原理与分析,高级语言程序设计,电子技术,单片机原理及其应用,嵌入式控制系统及应用,现场总线控制技术,自动控制原理,运动控制系统,电机与电气控制技术,机器人传感器技术及应用,PLC原理与应用,工业机器人控制系统,计算机视觉,工业机器人计算机编程,工业机器人仿真技术,工业机器人系统集成技术,生产运作管理[21]。

上述院校机器人工程专业课程体系设置还都处于边实践边探索的阶段。但都体现了专业融合和人才培养应用化路线。面对机器人行业巨大又缺乏边界的人才缺口，如何结合学校自身的研究方向进行本科生培养，形成产(产业化)、学(学业)、研(研究)、用(用人单位)一体化互促式发展，是值得研究的课题[22]。

我校秉承“打好理论基础-重视实践应用-对接工作岗位”的课程设置思路，面向世界级机器人比赛和仿人教育机器人研究、开发与推广，建设机器人概论、机器人结构原理与设计、机器人运动学与动力学仿真分析、机器人造型与视觉传达设计、机器人控制原理与仿真分析、仿人机器人控制系统、机器人感知与辨识、机器人智能决策与规划、教育机器人培训等9门机器人方向核心专业课程,以及机器人前沿技术解读、仿人机器人开发、机器人制造技术、仿人机器人工艺仿真、仿人机器人本体设计、机器人电气设计、机器人控制器与操作系统、机器人调试与保养、机器人故障诊断与处理、仿人机器人赛事研究等10门方向课程。课程体系中涉及的理论教学、项目实践、实训演练、毕业设计等基本环节都体现机器人应用技术和解决实际问题的本科专业定位，并能与实际工作岗位的工作内容对接，培养机器人应用型高素质人才。

2.2.3 机器人专业课程的设置依据、建设目标、主要内容和相互支撑关系

根据机器人职位人才市场需求，机器人产品经理、机器人项目开发、机器人研发、机器人技术、机器人认证、机器人安装调试与维护、机器人教师、机器人竞赛等岗位人才缺口较大。且这些岗位可以对应于自研机器人的岗位设置。

(1) 机器人项目开发岗位。主要负责机器人项目的市场调研、客户需求分析、前期技术沟通、基本方案编写、及时把握新技术、掌握机器人的基本操作。对此，设置了1门核心课机器人概论(4学分),2门专业课：机器人前沿技术解读(2学分)、仿人机器人开发(4学分)等课程。这几门课是其他所有岗位工作都涵盖的最基础课程。

“机器人概论”的目标是对机器人有整体了解。具体内容包括机器人的基本发展历程、各种机器人的基本结构和原理、机器人总体情况和服务社会的宗旨、同行业其他机器人的基本情况以及自研机器人的对比优势等。

“机器人前沿技术解读”的目标是及时捕捉和了解机器人行业最新动态。因为机器人属于日新月异的学科，新技术、新工艺、新产品、新政策层出不穷。本课程引导学生以机器人设计结构、加工工艺材料、新的仿真技术与仿真软件、先进智能算法、先进控制方法、近期出现的新型机器人等各种视角实时收集相关知识、资讯和文献，特别是与自研机器人相关的最新信息，并在课堂上研讨,作为师生长期研究的课题。

“仿人机器人开发”的目标是自研机器人的广泛宣传与推广。本课程在学习我校自研机器人使用手册和了解中小学情况的前提下，组织实训项目，深入中小学宣传机器人。研究学生、家长、老师、管理层等对于仿人教育机器人引入科学课堂的反映，收集并分析客户需求并形成报告，据此提出产品技术要求。可以把客户心理学等作为研究方向。

(2) 机器人研发岗位。主要工作包括关键技术研究、产品结构设计与外观设计、图纸审核；根据产品规划、系统构架和功能需求完成控制程序开发及文档编写、设计并实现机器人系统软件架构、系统软件的定制和实时性优化、器人运动控制算法的开发与实现、机器人运动轨迹规划算法和优化。仿真验证方案可行性、工艺布局合理性、工艺流程优化等；机器人生产过程模拟仿真研究、机电联合仿真试验等。为使学生毕业后能够胜任此岗位，设置了机器人结构原理与设计(6学分)、机器人运动学与动力学仿真分析(6学分)、机器人智能决策与规划(6学分)、机器人造型与视觉传达设计(6学分)等核心课程,以及仿人机器人本体设计(4学分)、仿人机器人工艺仿真(4学分)、机器人感知与辨识(4学分)等专业方向课程。

“机器人结构原理与设计”的目标是通过直观的设计和调研，为机器人整体设计打好理论基础。课程内容要掌握构成机器人的基本结构和常用机构的原理、设计、选型等。包括齿轮、联轴器、轴、舵机等，以及常用产品的调研。以开发机器人的舵机齿轮为案例，通过SW、UG等三维设计软件平台完成设计计算。研究方向和内容可以涉及先进设计理念、精密加工工艺等。

“机器人运动学与动力学仿真分析”的目标是利用等力学分析软件，分析机器人设计方案的合理性，并对于薄弱环节提出改进方案。主要学习Adams软件与Matlab软件的基本使用方法以及机器人运动学与动力学模型。通过两个软件平台完成机器人整机的运动学仿真分析，得出机器人的运动范围仿真结果；以及机器人动力学仿真分析，以自研机器人为课堂案例，得出机器人极端情况下受力情况，用于舵机选型和结构件的优化设计。为形成系列化产品做好铺垫。同时可将仿真的条件、分析过程、数据拟合等作为研究方向或研究内容。

“机器人感知与辨识”开设目标是实现机器人接受视觉图像、遥感信号、内部传感信号后，完成目标位置和状态等信息等的识别。主要学习并研究信号检测方法和识别算法，特别是我校机器人已有的算法，并理解对应软件程序代码。有创新思维的学生可以修改更新算法，并通过实际机器人平台实现算法和软件的验证。课程以自研机器人为课堂案例和项目平台。学生可以同步掌握Linux操作系统、C/C++、Python、Matlab等软件使用。

“机器人智能决策与规划”课程目标是在“机器人感知与辨识”后，制定行为策略，例如，向目标方向前进、向目标方向踢球等，以及对路径足迹和姿态等做出规划，实现机器人的决策。主要学习并研究决策与规划策略及主流算法，特别是自研机器人已有的算法，并理解对应软件程序代码。有创新思维的学生可以修改更新算法，并通过实际机器人平台实现算法和软件的验证。课程以自研机器人为课堂案例和项目平台。学生可以同步精通Linux操作系统、C/C++、Python、Matlab等软件使用。

“仿人机器人本体设计”课程在“机器人结构原理与设计”的基础上，对自研机器人的各个部件进行三维仿真建模以及装配建模，并生成标准化的工程图用以加工零件。设计水平和标准要达到商用和产业化水平，学生作品经过整改后直接用于零部件生产。设计过程中，可形成系列化和对比性的产品，可进行创新设计。还可利用“机器人运动学与动力学仿真分析”课程内容进行优化设计。

“机器人造型与视觉传达设计”课程主要完成自研机器人的造型和外观设计以及操作软件上的各个功能图标设计。可借鉴但要区别于市面已有的机器人，将美观和实用性统一、具备独特的设计风格，形成自主知识产权的作品。培养较高的审美能力和表现能力。精通3D Max、Photoshop等软件。设计水平和标准要达到商用和产业化水平，学生作品经过整改后直接用于机器人产品。设计过程中，可形成系列化和对比性的产品，可进行创新设计。

“仿人机器人工艺仿真” 学习并借助Tecnomatix Robcad等通用的工作单元仿真工具，开发、仿真、优化、验证和离线设计机器人和自动制造流程。一方面用于产生机器人装配过程的指导视频，另一方面用于机器人零部件加工工艺的选择和标准制定。学生作品经过整改后直接用于仿人机器人装配和外协加工(或自行加工的设备选型与工艺过程制定)。还可拓展工业生产的工艺仿真。此项工作研究意义重大。

(3) 机器人技术岗位。主要工作包括各种知名品牌机器人编程、非标自动化设备程序设计、机器人电气图纸设计、机器人配置选型及操作和示教、编写技术方案、出具电气原理图、部件选型、样机制作、样机调试。整理和归档电气设计图、BOM表、使用手册，实现产品设计的规范化，并对项目进行技术总结。 配合产品试制、安装调试、测评与技术改进工作，配合质检、工艺等技术指导及产品标准化推动工作等。为使学生毕业后能够胜任此岗位，设置了机器人控制原理与仿真分析(6学分)、机器人控制器与操作系统(6学分)、机器人电气设计(6学分)等核心课程,以及仿人机器人控制系统(4学分)、机器人制造技术(4学分)等专业方向课程。

“机器人控制原理与仿真分析”课程以“机器人运动学与动力学仿真分析”课程的模型和仿真结果为基础，计算正向和逆向模型解，计算给定姿态下的每个舵机角度以及给定舵机角度集下的机器人姿态，学习稳定性判据并应用于机器人控制模型，做出机器人不同行进速度的稳态动态仿真结果，结合舵机技术参数模拟极限速度，为加速机器人行进步伐和设计机器人动作奠定坚实的基础。可以研究不同类型的机器人抽象模型以及不同的求解算法。

“机器人控制器与操作系统”课程根据“仿人机器人开发”课程的机器人技术要求和“仿人机器人本体设计”课程的整机结构条件约束，进行机器人的控制器选型。学习掌握Arduino、树莓派、ARM等主流控制器的适用条件和编程环境，了解ROS、Linux等操作系统。学习并掌握RoboCup类人机器人和RoboMan教育机器人的控制器程序和开发环境，并理解对应软件程序代码。有创新思维的学生可以修改更新算法，并通过实际机器人平台实现算法和软件的验证。课程以自研机器人为课堂案例和项目平台。学生可以同步精通Linux操作系统、C/C++、Python、Matlab等软件使用。

“机器人电气设计”课程完成机器人电气系统的选型配置。包括识别决策软件和控制软件的硬件载体、电源配置、舵机、传感器等的配置以及相互之间的连接，保证系统优化运行。学会机器人行业日益流行的Eplan软件绘制电气图纸。

“仿人机器人控制系统”利用“机器人控制原理与仿真分析”课程产生的仿真结果，完成机器人动作库编制和设计并在自研机器人平台进行调试。尽可能完成最快速的机器人步行或跑步速度。学会Unity3D软件，借用“机器人造型与视觉传达设计”课程生成的图标图样完成APP与PC上位机和控制器下位机软件开发。实现用户利用机器人无线遥控完成各个动作和动作组合编程，以及PC机软件的动作编程。

“机器人制造技术”的宗旨是产生“仿人机器人本体设计”课程设计的自研机器人的各个构件，以及保证制造的机器人成品符合国家标准并取得相关认证。学习使用或熟悉相关设备并掌握加工制造技能，配合“机器人安装调试与保养”课程形成加工制造标准和验收标准。另外，机器人认证岗位主要负责取得机器人产品上市前必须取得的3C等认证。需要熟知认证的意义、了解认证机构和认证流程、熟悉机器人认证所采用的标准以及认证测试项目和测试方案等。因此，本课程需要学生掌握这方面内容。机器人关键部件的精密加工以及相关标准都是值得研究的方向。

(4) 机器人的安装、调试和维护。该岗位人才缺口最严重，也是我校自研机器人产业化过程中至关重要的工作环节。因此设置了“机器人安装调试与保养”(4学分)和“机器人故障诊断与处理”(4学分)两门专业课，前者可以培养学生学习、实践并改进优化安装调试规程，从中主动学习和积极探索机器人的奥秘、产生出高标准高质量的机器人成品；后者主要负责维修从客户处返回的机器人，并对机器人设计、用户培训等提出改进意见。学习、实践并不断充实故障处理手册，总结形成报告。这两门课程能够很好地锻炼学生的动手能力、动脑能力、处理各种问题的能力、责任心等。这些都是相关工作岗位的能力要求。

(5) 机器人教师。随着机器人的普及化发展，培训教师的需求量连年增加。自研机器人产业化项目一方面培养面向中小学和培训机构的培训讲师，另一方面学生们毕业后可以直接到社会上的对应岗位任职。要求师生深入一线，综合其他课程提供的资源，共同研究和编制培训教程和培训方案。将机器人教学内容以机器人实例的形式展现，引导学生先模仿后创造在实践中获得知识和技能，使学生对于机器人的基本原理有很好的把握，培养学生实践应用和创新能力；模块化、层次化的教学资源支持教学创新和学生个性化自主学习；注重学生机器人基础知识技能和教学能力的培养。

(6) 机器人竞赛和会展。这是近年来世界各国机器人爱好者极力追捧的活动，也是推广机器人产品、学习同行的先进技术以提高自身的水平和把握机器人未来开发走向以及提高学校知名度的重要渠道，也是极具研究价值的领域之一。但目前的状况是大多数师生意识水平尚未达到应有的高度，对研究比赛的重视程度远远不够。因此拟开设专门的核心课程“仿人机器人赛事研究”(6学分)以弥补这方面的不足，并培养赛事组织和策划工作者、比赛评委、比赛技术委员会成员、组委会成员、主办方干事等岗位从业者。主要学习世界和国内主流机器人比赛，尤其是涉及到仿人机器人的项目、参赛要求、比赛规则及规则演化趋势、历年参赛队伍、历年比赛成绩、学术会议、技术委员会日常交流情况、跟进机器人比赛的实时动态信息。主要研究机器人课堂级、学年级、校级、省市级、国家级和国际比赛项目设置和规则要求、比赛策划和组织等。

(7) 留学生教育。该教育是国际交流和国家教育的重要组成部分，如何结合留学生的特点制定相应的教学方案是保障留学生课程教学质量、提升国际化办学水平的关键[23]。留学生来源区域分布跨度较大，留学生之间的个体差异性较为明显。要把机器人本身吸引人之处与留学生自身的文化习惯结合起来设置既能让学生感兴趣又能让他们听得懂的课程。

“Fundamentals of Robotics”和“Robot Theory”是面向留学生开设的机器人专业课，主要教授机器人基本常识，包括机器人种类和基本发展历程、各国机器人研究水平、世界先进机器人形态等，以及基本原理，涉及机器人的结构和驱动部件、机器人传感器、机器人控制器、机器人基本操作等。全部英文教学。教学过程穿插关键词的中英文双语理解，让留学生在科学与文化方面都得到充分熏陶。

2.3机器人高级研修系列课程(第3层级)

在国家政策大力支持和创新驱动科技进步的大趋势下，机器人和人工智能发展迅猛，新理念、新技术、新成果层出不穷。发展机器人事业必须开放边界，着眼未来，拓展思维。因此我校设置机器人高级研修系列课程定期邀请知名专家学者，组织机器人与人工智能领域专题研修。涉及机器人生产线全流程优化、机器人控制系统干扰补偿理论及应用、机器人轨迹优化及控制技术、机器人的安全可靠性标准及测试方法、移动机器人定位及环境感知技术、中国十大标志性机器人的机遇与挑战、国家机器人产业发展规划、机器人国际化标准、机器人的安全可靠性标准及测试方法等主题，吸纳机器人领域前沿技术与思维、引进先进技术提高机器人世界比赛水平、宣传与推广机器人研究成果，与国内外先进科研成果和管理理念接轨。

3 结 语

本文提出的机器人学科课程设置与内容安排将课堂教学与科学研究、产业化项目、学生就业有机结合、融为一体，通过机器人科普教育系列课程、高等教育系列课程和高级研修系列课程培养人才，既能够使学校机器人项目真正切实可行地服务社会，又能从中培养出用人单位急需的专业化应用型人才，还滋生出一系列具有深远意义的科学研究方向以培养和提升教师队伍的科研能力。依托沈阳市仿人机器人重点实验室、沈阳城市学院智能工程学院，将机器人学科建设成区域乃至国家仿人和教育机器人研发的源头、解决方案的专业集成领地、机器人行业人才培养基地。向中小学生和科普爱好者提供完善的人工智能和机器人科学教育平台和教育方案、在实践中不断滋生具有自主知识产权的机器人学科各研究方向的科研成果、源源不断地为辽沈地区和东三省乃至全国各地输送机器人、人工智能等方向的中国制造2025战略实施中的紧缺人才。同时孵化特种机器人、智能制造相关产业，为区域经济的发展和振兴提供强有力的技术和人才保障。