一、項(xiàng)目建設(shè)背景

根據(jù)《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》預(yù)測(cè)，2025 年，機(jī)器人與智能制造領(lǐng)域人才缺口將達(dá)到 450 萬(wàn)。為實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造由大變強(qiáng)的戰(zhàn)略任務(wù)提供堅(jiān)實(shí)的人才支撐，從2016 年?yáng)|南大學(xué)首次獲批“機(jī)器人工程”專業(yè)以來(lái)，近幾年時(shí)間里，全國(guó)高校“機(jī)器人工程”專業(yè)申報(bào)工作如火如荼，開設(shè)院校數(shù)量增長(zhǎng)速度顯著。機(jī)器人工程是一個(gè)多維交叉，多學(xué)科融合的新學(xué)科，與各種專業(yè)都有關(guān)聯(lián)。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)部分需要機(jī)械專業(yè)來(lái)完成，內(nèi)部電路涉及電氣等專業(yè)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制和感知規(guī)劃又與控制專業(yè)有關(guān)，智能感知、決策方面又涉及計(jì)算機(jī)、人工智能專業(yè)知識(shí)，同時(shí)材料科學(xué)、力學(xué)等專業(yè)也與機(jī)器人工程息息相關(guān)。

目前國(guó)內(nèi)高校的機(jī)器人工程與智能制造工程專業(yè)的建設(shè)總體來(lái)看還處于起步階段，由于不同類型的高校在學(xué)科基礎(chǔ)和培養(yǎng)目標(biāo)等方面都存在較大差異，因此都需要探索適合自己的培養(yǎng)方案。機(jī)器人工程與智能制造工程專業(yè)都屬于“新工科”專業(yè)，都具有一個(gè)最主要的特點(diǎn)就是多學(xué)科綜合，同時(shí)涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃、對(duì)象與過(guò)程建模、感知與認(rèn)知、計(jì)算與控制、通信與人機(jī)交互等多種技術(shù)環(huán)節(jié)，需要機(jī)器人、工業(yè)工程、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的集成，涉及機(jī)械工程、、電子技術(shù)、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。在培養(yǎng)學(xué)生的過(guò)程中，既要考慮學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)理論和方法的學(xué)習(xí)以有堅(jiān)實(shí)的創(chuàng)新基礎(chǔ)，還要考慮企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，兼顧實(shí)際工作崗位的應(yīng)用實(shí)操能力的培養(yǎng)。

目前市場(chǎng)上的很多教學(xué)裝備尚難以滿足需求。以機(jī)器人工程專業(yè)所需的機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例：高職高專學(xué)生實(shí)操能力培養(yǎng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以機(jī)器人集成工作站的機(jī)器人和 PLC 編程訓(xùn)練為主要內(nèi)容，培養(yǎng)機(jī)器人實(shí)操編程人員。這類系統(tǒng)對(duì)于研究性大學(xué)或兼顧研究和教學(xué)的本科院校就不適用。這些本科院校需要培養(yǎng)具有很強(qiáng)再創(chuàng)新能力的學(xué)生，需要學(xué)生對(duì)設(shè)備的運(yùn)行原理有深入的理解，需要培養(yǎng)學(xué)生新算法設(shè)計(jì)、新應(yīng)用開發(fā)的能力。市售工業(yè)機(jī)器人主要面向工業(yè)應(yīng)用，控制器屬于封閉系統(tǒng)，無(wú)法更改底層控制程序，無(wú)法部署自研的控制算法。雖然有一些工業(yè)機(jī)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(jī)器人開放了部分接口，但出于安全考慮，開放度不高。國(guó)外有些產(chǎn)品，但價(jià)格高昂，后期維護(hù)升級(jí)困難。

二、項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)

開放式機(jī)器人控制與仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)可以支持學(xué)生認(rèn)知、操作性的工業(yè)機(jī)器人使用、應(yīng)用型編程，也可以支持學(xué)生理解性的機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人控制系統(tǒng)原理學(xué)習(xí)，還擁有豐富的視覺、力覺、人工智能擴(kuò)展能力，支持?jǐn)?shù)字孿生仿真，用于創(chuàng)新性的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)、機(jī)器人賽項(xiàng)演練，形成認(rèn)知、理解、掌握、運(yùn)用的學(xué)習(xí)過(guò)程閉環(huán)。

1）理論認(rèn)知

從機(jī)器人專業(yè)的理論知識(shí)出發(fā)，掌握工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面的基礎(chǔ)理論和創(chuàng)新技術(shù)。

2）實(shí)踐實(shí)操

通過(guò)機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，在實(shí)訓(xùn)實(shí)踐中，對(duì)機(jī)器人學(xué)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，掌握工業(yè)機(jī)器人控制算法開發(fā)能力，提高學(xué)生實(shí)踐水平。

3）應(yīng)用集成

緊密結(jié)合工業(yè)智能制造核心技術(shù)，結(jié)合視覺、力傳感進(jìn)行系統(tǒng)集成。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中了解機(jī)器人全方位的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，系統(tǒng)化提升學(xué)生跨學(xué)科應(yīng)用集成能力。

開放式機(jī)器人控制與仿真實(shí)驗(yàn)室能在三個(gè)層級(jí)配合教學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)遞進(jìn)式的培養(yǎng)：

層級(jí)一是認(rèn)知和使用層面的“知其然”，可以分階段的了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人和智能制造系統(tǒng)的使用過(guò)程；

層級(jí)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(guò)程相關(guān)的底層原理和算法；

層級(jí)三是在掌握了應(yīng)用現(xiàn)狀和對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀的內(nèi)在原理后， 面向未來(lái)需求的“創(chuàng)未然”。

以工業(yè)機(jī)器人方向?yàn)槔梢栽谕ㄟ^(guò)多個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)的學(xué)習(xí)迭代。在層級(jí)一層面，首先通過(guò)典型的機(jī)器人工作站，來(lái)建立對(duì)工業(yè)機(jī)器人的基本認(rèn)知，學(xué)習(xí)了解機(jī)器人示教編程的過(guò)程；緊跟層級(jí)一的這個(gè)過(guò)程，通過(guò)深度開放的基于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的教學(xué)系統(tǒng)，使用 Matlab/Simulink 軟件，學(xué)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理，自己實(shí)現(xiàn)相關(guān)核心算法和進(jìn)行仿真，并部署在實(shí)際機(jī)器人控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行，控制真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人本體并觀察分析控制效果，實(shí)現(xiàn)層級(jí)二的知其所以然。而后，可以通過(guò)與科研、競(jìng)賽以及研究生培養(yǎng)等工作相結(jié)合的方式，進(jìn)一步針對(duì)高速精密運(yùn)動(dòng)或者精確力控或者精準(zhǔn)視覺引導(dǎo)等方面的需求，進(jìn)一步提出創(chuàng)新算法，實(shí)現(xiàn)科研層面的融合再創(chuàng)新。

三、項(xiàng)目建設(shè)思路

基于機(jī)器人專業(yè)交叉性、融合型的學(xué)科特點(diǎn)，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也需要從多個(gè)維度進(jìn)行構(gòu)建。開放式機(jī)器人控制與仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)以前沿技術(shù)集成為內(nèi)驅(qū)力，打破學(xué)科專業(yè)限制，推進(jìn)學(xué)科優(yōu)勢(shì)交叉融合，實(shí)施理工結(jié)合、工工交叉、工文滲透、工藝聯(lián)合等不同學(xué)科、專業(yè)交叉融合，完善新工科交叉融合模式下“學(xué)科基礎(chǔ)+跨學(xué)科交叉專業(yè)+前沿技術(shù)+實(shí)踐驅(qū)動(dòng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”復(fù)合型人才知識(shí)、能力結(jié)構(gòu)。

開放式機(jī)器人控制與仿真實(shí)驗(yàn)室擬結(jié)合機(jī)器人工程及先進(jìn)前沿技術(shù)專業(yè)建設(shè)及人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，重點(diǎn)圍繞《機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)》《機(jī)器人基礎(chǔ)》《機(jī)器人原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》《機(jī)器視覺與人機(jī)交互》《機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制》《機(jī)器人仿真技術(shù)》《機(jī)器人工程基礎(chǔ)實(shí)踐》等課程建設(shè)及項(xiàng)目開發(fā)、算法驗(yàn)證、學(xué)科競(jìng)賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，為學(xué)生提供認(rèn)知、理解、掌握、運(yùn)用的閉環(huán)學(xué)習(xí)過(guò)程。

1、機(jī)器人的系統(tǒng)認(rèn)知方面：本方案以典型的六軸工業(yè)機(jī)器人為學(xué)習(xí)對(duì)象，可快速幫助學(xué)生了解機(jī)器人的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、常規(guī)使用等方面的知識(shí)；

2、機(jī)器人基礎(chǔ)與原理教學(xué)方面：本方案提供的機(jī)器人半實(shí)物仿真控制平臺(tái)以機(jī)器人快速原型控制系統(tǒng)和機(jī)器人開發(fā)軟件為基礎(chǔ)，可以完成 DH 建模、機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、關(guān)節(jié)空間規(guī)劃、笛卡爾空間規(guī)劃、雅克比矩陣、動(dòng)力學(xué)辨識(shí)等機(jī)器人學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程；

3、機(jī)器人實(shí)踐實(shí)操方面：本方案提供的機(jī)器人數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)、開放式機(jī)器人綜合科教實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，既能滿足機(jī)器人學(xué)相關(guān)原理及底層控制實(shí)驗(yàn)，又可以完成產(chǎn)品的分揀、組裝、加工、視覺檢測(cè)等典型的應(yīng)用實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景。

4、機(jī)器人科研創(chuàng)新方面：本方案提供的開放式機(jī)器人綜合科教實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，底層深度開放，可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人廠家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員相當(dāng)?shù)淖畹讓涌刂茩?quán)限，可以支撐機(jī)器人高級(jí)控制功能，如基于動(dòng)力學(xué)的阻抗控制、多機(jī)間協(xié)同力控制等；