機器人工程專業(yè)導論 課件 第1章 選擇機器人工程的理由

1.1學機器人工程——時代的召喚

1.2機器人工程專業(yè)

1.3近年來關于機器人的熱點話題

1.4當前中國機器人應用情況1.1學機器人工程——時代的召喚1.1.1前三次工業(yè)革命1.第一次工業(yè)革命(工業(yè)1.0)——蒸汽機時代工業(yè)革命又叫產(chǎn)業(yè)革命，是指資本主義由工場手工業(yè)過渡到大機器生產(chǎn)，它在生產(chǎn)領域和社會關系上引起了根本性變化。18世紀60年代，工業(yè)革命首先發(fā)生在英國，是從發(fā)明和使用機器開始的，到19世紀上半葉，機器本身也用機器來生產(chǎn)，標志著工業(yè)革命的完成。英國之后，美國及歐洲各國也相繼進行了工業(yè)革命。1)英國最先發(fā)生工業(yè)革命的條件英國最先發(fā)生工業(yè)革命的條件是雄厚的資本、充足的勞動力、豐富的資源和原料，以及海外貿(mào)易的迫切需要。其前提條件是資產(chǎn)階級統(tǒng)治在英國的確立，導致英國工業(yè)革命產(chǎn)生的直接原因是工場手工業(yè)無法滿足不斷擴大的市場需要。2)英國工業(yè)革命開始的標志英國工業(yè)革命開始的標志是瓦特改良蒸汽機，它的投入使用使人類進入了“蒸汽機時代”。3)工業(yè)革命的大致發(fā)展過程工業(yè)革命的發(fā)展過程大致如下：棉紡織機械的發(fā)明和改進→改良蒸汽機→冶金、采礦部門采用機器生產(chǎn)和采用蒸汽作動力→交通運輸革新。4)第一次工業(yè)革命中的重大發(fā)明第一次工業(yè)革命中的重大發(fā)明包括:1785年英國機械師瓦特制成改良的蒸汽機；1807年美國人富爾頓制成第一艘汽船；1819年一艘美國輪船成功地橫渡大西洋;英國工程師史蒂芬森發(fā)明了火車機車。工業(yè)革命中至關重要的一環(huán)是瓦特制成改良的蒸汽機。5)第一次工業(yè)革命的影響第一次工業(yè)革命不僅是一次技術革命，也是一場深刻的社會變革，對我們?nèi)祟惿鐣母鞣矫娑籍a(chǎn)生了極其深遠的影響，主要有以下幾方面：(1)創(chuàng)造了巨大的生產(chǎn)力，促進了經(jīng)濟的快速發(fā)展;(2)使社會日益分裂為兩大直接對立的階級:工業(yè)資產(chǎn)階級和工業(yè)無產(chǎn)階級;(3)改變了世界的格局，向有利于西方的方向發(fā)展;(4)使世界日益成為一個彼此聯(lián)系不可分開的整體。2.第二次工業(yè)革命(工業(yè)2.0)——電氣時代1)第二次工業(yè)革命的興起第二次工業(yè)革命是從19世紀70年代開始的，科學技術的進步和工業(yè)生產(chǎn)的高漲，促成了近代歷史上的第二次工業(yè)革命，世界由“蒸汽機時代”進入“電氣時代”。在這一時期，一些發(fā)達資本主義國家的工業(yè)總產(chǎn)值超過了農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；工業(yè)重心由輕紡工業(yè)轉為重工業(yè)，出現(xiàn)了電氣、化學、石油等新興工業(yè)部門。由于19世紀70年代以后，發(fā)電機、電動機相繼發(fā)明，遠距離輸電技術出現(xiàn)，電氣工業(yè)迅速發(fā)展起來，電力在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應用。內(nèi)燃機的出現(xiàn)及19世紀90年代以后的廣泛應用，為汽車和飛機工業(yè)的發(fā)展打下了基礎，也推動了石油工業(yè)的發(fā)展?；瘜W工業(yè)是這一時期新出現(xiàn)的工業(yè)部門，從19世紀80年代起，人們開始從煤炭中提煉氨、苯等物質用來制作人造燃料等化學產(chǎn)品，塑料、絕緣物質、人造纖維、無煙火藥也相繼發(fā)明并投入了生產(chǎn)和使用。原有的工業(yè)部門如冶金、造船、機器制造以及交通運輸、電信等部門的技術革新也在加速進行。2)第二次工業(yè)革命的標志電力的發(fā)明和使用，特別是新能源電力的廣泛應用使人類進入了“電氣時代”。電力的廣泛應用是第二次工業(yè)革命的顯著特點。3)第二次工業(yè)革命中的重大事件第二次工業(yè)革命中的重大事件包括：19世紀70年代發(fā)電機研制成功；美國人愛迪生發(fā)明電燈泡；德國人西門子制成第一輛有軌電車；19世紀80年代，德國人卡爾本茨設計出內(nèi)燃機，1885年制成三輪汽車；美國人萊特兄弟制成飛機并試飛成功；有線電報、有線電話的成功發(fā)明；意大利馬可尼制造出無線電通信設備，并于1899年在英國向法國發(fā)報成功。3.第三次工業(yè)革命(工業(yè)3.0)——信息化、自動化時代1)第三次工業(yè)革命的興起20世紀四五十年代以來，人類在原子能、電子計算機、微電子技術、航天技術、分子生物學和遺傳工程等領域取得的重大突破，標示了第三次工業(yè)革命的到來，世界由“電氣時代”進入“信息化、自動化時代”。2)第三次工業(yè)革命的標志人類在原子能、電子計算機、微電子技術、航天技術、分子生物學和遺傳工程等領域取得的重大突破是第三次工業(yè)革命的標志。在第三次工業(yè)革命中最有劃時代意義的是電子計算機的迅速發(fā)展和廣泛應用，電子計算機是現(xiàn)代信息技術的核心。3)第三次工業(yè)革命的影響第三次工業(yè)革命的影響包括：(1)極大地提高勞動生產(chǎn)率，促進生產(chǎn)的迅速發(fā)展；(2)產(chǎn)生一大批新型工業(yè)，第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來；(3)推動了社會生活的現(xiàn)代化，改變著人們的生活、學習、交往和思維方式；(4)給各國經(jīng)濟的發(fā)展帶來了機遇，同時也帶來了競爭和挑戰(zhàn)，世界各國都在大力發(fā)展高科技，以求在國際競爭中取勝；(5)更加證明了科學技術是生產(chǎn)力發(fā)展最重要的推動力，科學技術是第一生產(chǎn)力，是知識經(jīng)濟時代到來的根本原因和基礎。1.1.2

工業(yè)4.0與中國制造2025——智能化時代1.第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)的背景工業(yè)4.0(Industry4.0)是基于工業(yè)發(fā)展的不同階段作出的劃分。按照目前的共識，工業(yè)1.0是蒸汽機時代，工業(yè)2.0是電氣時代，工業(yè)3.0是信息化、自動化時代，工業(yè)4.0則是利用信息化技術促進產(chǎn)業(yè)變革的時代，也就是智能化時代，世界由“信息化、自動化時代”進入“智能化時代”。工業(yè)4.0其實就是“互聯(lián)網(wǎng)+制造”。“工業(yè)4.0”是德國推出的概念，在美國對應為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國為“中國制造2025”，這三者的本質內(nèi)容是一致的，都指向一個核心，就是智能制造。以智能化為靈魂的“工業(yè)4.0”，締造了一個制造業(yè)美好未來的夢想，在全球引發(fā)了一場工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)升級的巨變。工業(yè)4.0的五大特點：(1)互聯(lián)。工業(yè)4.0的理念是要把設備、生產(chǎn)線、工廠、供應商、產(chǎn)品和客戶緊密地聯(lián)系在一起。(2)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、研發(fā)數(shù)據(jù)、工業(yè)鏈數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、消費者數(shù)據(jù)。(3)集成。工業(yè)4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設施通過CPS形成一個智能網(wǎng)絡。使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間，能夠形成互聯(lián)，從而實現(xiàn)橫向、縱向和端到端的高度集成。(4)創(chuàng)新。工業(yè)4.0的實施過程是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的過程，制造技術、產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新，將會層出不窮，從技術創(chuàng)新到產(chǎn)品創(chuàng)新，到模式創(chuàng)新，再到業(yè)態(tài)創(chuàng)新，最后到組織創(chuàng)新。(5)轉型。對于中國的傳統(tǒng)制造業(yè)而言，轉型實際上是從傳統(tǒng)的工廠，即從2.0、3.0時代的工廠轉型到4.0的工廠，在整個生產(chǎn)形態(tài)上，從大規(guī)模生產(chǎn)轉向個性化定制。實際上整個生產(chǎn)的過程更加柔性化、個性化、定制化，這是工業(yè)4.0一個非常重要的特征。工業(yè)4.0是涉及諸多不同企業(yè)、部門和領域，以不同速度發(fā)展的漸進性過程，跨行業(yè)、跨部門的協(xié)作成為必然。工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)正在向全球不同行業(yè)擴散，在自己的商業(yè)環(huán)境中實施工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)技術，企業(yè)將有更多機會創(chuàng)造盈利模式。2.中國制造20251)“三步走”戰(zhàn)略“中國制造2025”又被稱為中國版的工業(yè)4.0規(guī)劃，是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領，是“三步走”戰(zhàn)略中的第一步?！爸袊圃?025”應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，立足我國轉變經(jīng)濟發(fā)展方式的實際需要，圍繞創(chuàng)新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發(fā)展、人才為本等關鍵環(huán)節(jié)，以及先進制造、高端裝備等重點領域，提出了加快制造業(yè)轉型升級、提升增效的重大戰(zhàn)略任務和重大政策舉措。第一步：到2025年，力爭用十年時間，邁入制造強國行列，基本實現(xiàn)工業(yè)化，制造業(yè)大國地位進一步鞏固，制造業(yè)信息化水平大幅提升。掌握一批重點領域關鍵核心技術，優(yōu)勢領域競爭力進一步增強，產(chǎn)品質量有較大提高。制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化取得明顯進展。重點行業(yè)單位工業(yè)增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。制造業(yè)整體素質大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強，全員勞動生產(chǎn)率明顯提高，兩化(工業(yè)化和信息化)融合邁上新臺階。重點行業(yè)單位工業(yè)增加值能耗、物耗及污染物排放達到世界先進水平。形成一批具有較強國際競爭力的跨國公司和產(chǎn)業(yè)集群，在全球產(chǎn)業(yè)分工和價值鏈中的地位明顯提升。第二步：到2035年，我國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平。創(chuàng)新能力大幅提升，重點領域發(fā)展取得重大突破，整體競爭力明顯增強，優(yōu)勢行業(yè)形成全球創(chuàng)新引領能力，全面實現(xiàn)工業(yè)化。第三步：新中國成立一百年時，制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。制造業(yè)主要領域具有創(chuàng)新引領能力和明顯競爭優(yōu)勢，建成全球領先的技術體系和產(chǎn)業(yè)體系。2)中國制造2025的提出背景新世紀以來，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在孕育興起，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢和特征。這場變革是信息技術與制造業(yè)的深度融合，以制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為核心，建立在物聯(lián)網(wǎng)和務(服務)聯(lián)網(wǎng)基礎上，同時疊加新能源、新材料等方面的突破。3)中國制造2025的主要內(nèi)容“中國制造2025”是升級版的中國制造，體現(xiàn)為四大轉變、一條主線和八項戰(zhàn)略對策。(1)四大轉變：一是由要素驅動向創(chuàng)新驅動轉變；二是由低成本競爭優(yōu)勢向質量效益競爭優(yōu)勢轉變；三是由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉變；四是由生產(chǎn)型制造向服務型制造轉變。(2)一條主線：以體現(xiàn)信息技術與制造技術深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化制造為主線。(3)八項戰(zhàn)略對策：推行數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化制造；提升產(chǎn)品設計能力；完善制造業(yè)技術創(chuàng)新體系；強化制造基礎；提升產(chǎn)品質量；推行綠色制造；培養(yǎng)具有全球競爭力的企業(yè)群體和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)；發(fā)展現(xiàn)代制造服務業(yè)。3.中國煤礦智能化發(fā)展戰(zhàn)略——煤礦礦井智能化2019年我國能源局出臺的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，以及2020年3月由國家發(fā)展改革委、能源局、應急部、煤監(jiān)局、工信部、財政部、科技部、教育部8部委聯(lián)合印發(fā)的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》(以下簡稱《煤礦智能化指導意見》)都表明，煤炭行業(yè)將在全行業(yè)率先實現(xiàn)煤礦主要生產(chǎn)裝備機器人化(智能化)、礦井智能化。1)《煤礦智能化指導意見》為貫徹黨中央國務院關于人工智能的決策部署，推動智能化技術與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，促進我國煤炭工業(yè)高質量發(fā)展，國家發(fā)展改革委、能源局、應急部、煤監(jiān)局、工信部、財政部、科技部、教育部8部委聯(lián)合印發(fā)了《煤礦智能化指導意見》。(1)《煤礦智能化指導意見》出臺背景、重要性和必要性。煤炭行業(yè)作為我國重要的傳統(tǒng)能源行業(yè)，是我國國民經(jīng)濟的重要組成部分，其智能化建設直接關系到我國國民經(jīng)濟和社會智能化的進程。煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等過程的智能化運行，對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應具有重要意義。目前智能化建設工作存在研發(fā)滯后于企業(yè)發(fā)展需求、智能化建設技術標準與規(guī)范缺失、技術裝備保障不足、研發(fā)平臺不健全、高端人才匱乏等問題。為統(tǒng)一思想、凝聚共識，加快推動煤礦智能化發(fā)展，國家發(fā)展改革委、能源局等8個部委聯(lián)合印發(fā)了《煤礦智能化指導意見》。(2)煤礦智能化發(fā)展的指導思想、原則和目標。加快煤礦智能化發(fā)展的指導思想是：以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，堅持新發(fā)展理念，堅持以供給側結構性改革為主線，堅持以科技創(chuàng)新為根本動力，推動智能化技術與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，促進我國煤炭工業(yè)高質量發(fā)展。煤礦智能化發(fā)展應遵循的四項基本原則：一是堅持企業(yè)主導與政府引導；二是堅持立足當前與謀劃長遠；三是堅持自主創(chuàng)新與開放合作；四是堅持典型示范與分類推進。煤礦智能化發(fā)展的三個階段性目標：①到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，初步形成煤礦開拓設計、地質保障、生產(chǎn)、安全等主要環(huán)節(jié)的信息化傳輸、自動化運行技術體系，基本實現(xiàn)掘進工作面減人提效，綜采工作面內(nèi)少人或無人操作，井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監(jiān)控；②到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現(xiàn)智能化，形成煤礦智能化建設技術規(guī)范與標準體系，實現(xiàn)開拓設計、地質保障、采掘(剝)、運輸、通風、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動化協(xié)同運行，井下重點崗位機器人作業(yè)，露天煤礦實現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無人化運輸；③到2035年，各類煤礦基本實現(xiàn)智能化，構建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。(3)煤礦智能化發(fā)展的主要任務?！睹旱V智能化指導意見》明確了煤礦智能化發(fā)展的10項主要任務：一是加強頂層設計，科學謀劃煤礦智能化建設。二是強化標準引領，提升煤礦智能化基礎能力。三是推進科技創(chuàng)新，提高智能化技術與裝備水平。四是加快生產(chǎn)煤礦智能化改造，提升新建煤礦智能化水平。五是發(fā)揮示范帶動作用，建設智能化示范煤礦。六是實施綠色礦山建設，促進生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展。七是推廣新一代信息技術應用，分級建設智能化平臺。八是探索服務新模式，持續(xù)延伸產(chǎn)業(yè)鏈。九是加快人才培養(yǎng)，提高人才隊伍保障能力。十是加強國際合作，積極參與“一帶一路”建設。2)煤礦機器人重點研發(fā)計劃——煤礦生產(chǎn)裝備智能化(機器人化)國家煤礦安全監(jiān)察局2019年1月2日頒布了《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，聚焦關鍵崗位、危險崗位，重點研發(fā)應用掘進、采煤、運輸、安控和救援5類，共38種煤礦機器人。國家煤礦安全監(jiān)察局將煤炭行業(yè)幾乎所有裝備進行機器人化(智能化)升級，是保證我國能源安全的重要支撐。4.機器人的發(fā)展史1)國外機器人的發(fā)展早在三千多年前的西周時代，我國就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“機器人”。然而真正機器人的出現(xiàn)，或者說它的歷史并不算長，直到1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正拉開了帷幕。一般地，我們把機器人定義為有程序控制的，具有人的思維、判斷能力，可以替代人進行工作的機器。1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術發(fā)明了自動機器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。18世紀末，日本人若井源大衛(wèi)門和源信在此基礎上進行了改進，制造出了端茶玩偶。1738年，法國的機械師鮑堪松制造出帶有齒輪的鐵鴨子，它能惟妙惟肖地模仿真正的鴨子的動作。鮑堪松還制造過會吹笛子的牧童，它坐在基座上，高170厘米，能吹12首不同的曲子。鮑堪松制造的“自動偶人”，曾向巴黎公眾展出過，當時轟動了整個歐洲。鮑堪松還制造了一個能在普通織布機上使用的“機械驢”，有人說這是第一個“工業(yè)機器人”，因而把鮑堪松譽為歐洲的機器人之父。20世紀五六十年代，隨著機構理論和伺服理論的發(fā)展，機器人進入了使用化階段。1954年，美國的G.C.Devol發(fā)表了“通用機器人”專利；1960年，美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標型Versatran機器人，可作點位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人。英格伯格在大學時期攻讀了一種研究運動機構如何才能更好地跟蹤控制信號的伺服理論。德沃爾于1946年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。1954年，德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手按程序進行工作，可以根據(jù)不同的工作需要對其編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性。1959年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。這臺工業(yè)機器人也成為了世界上第一臺真正的實用工業(yè)機器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”，英格伯格和德沃爾也因此被稱為機器人之父。1962年，美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”?！坝饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機器人。20世紀70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，相關產(chǎn)品在國際市場上形成了較強的競爭力。早在1966年，美國Unimation公司的尤尼梅特機器人和AMF公司的沃爾薩特蘭機器人就已經(jīng)率先進入英國市場。接著，英國HallAutomation公司研制出自己的機器人RAMP。20世紀70年代初期，由于英國政府科學研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振。法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。德國因為戰(zhàn)爭，導致勞動力短缺，加之國民技術水平高，創(chuàng)造了使用機器人的有利條件。到了20世紀70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路：在“改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術的發(fā)展。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應用在汽車工業(yè)之外，德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術改造原有企業(yè)，購買了現(xiàn)代化自動設備。電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降，產(chǎn)品質量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到了1984年，終于使這一被喻為“快完蛋的行業(yè)”重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉移的目標。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。蘇聯(lián)從理論和實踐上探討機器人技術是從20世紀50年代后半期開始的，并在20世紀50年代后期開始了機器人樣機的研究工作。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機器人。1971年研制出工廠用的萬能機器人。蘇聯(lián)在1970開始時，就把發(fā)展機器人列入國家科學技術發(fā)展綱領之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機器人，經(jīng)過20年的努力，蘇聯(lián)的機器人在數(shù)量、質量水平上均處于世界前列地位。國家有目的地把提高科學技術進步當作推動社會生產(chǎn)發(fā)展的手段，來安排機器人的研究制造和有關機器人的研究生產(chǎn)。機器人的推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進行。2)國內(nèi)機器人的發(fā)展我國在“七五”計劃中把機器人列入國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)機器人、軍用機器人和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。3)機器人的分類就現(xiàn)在的機器人而言，我們又可以根據(jù)不同的標準將其分成很多類型。根據(jù)機器人的應用領域，可分成工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人。經(jīng)過半個多世紀發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)歷了三代。第一代為簡單個體機器人，第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人。而機器人未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對話，而且在發(fā)生故障時，能通過自我診斷裝置診斷出故障部位，并能自我修復的智能機器人。今天，機器人的應用范圍大大地擴展了。除工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外，機器人應用到各行各業(yè)，已具備了人類的特點。機器人向著智能化、擬人化方向發(fā)展的道路，是沒有止境的。1.2機器人工程專業(yè)1.2.1

什么是機器人工程專業(yè)機器人工程專業(yè)是順應國家建設需求和國際發(fā)展趨勢而設立的一個新興專業(yè)，2015年被教育部批準成為本科新專業(yè)，列入招生計劃。該專業(yè)是以控制科學與工程、機械工程、計算機科學與技術、材料科學與工程、生物醫(yī)學工程和認知科學等學科中涉及的機器人科學技術問題為研究對象，綜合應用自然科學、工程技術、社會科學、人文科學等相關學科的理論、方法和技術，研究機器人的智能感知、優(yōu)化控制與系統(tǒng)設計、人機交互模式等學術問題的一個多領域交叉的前沿學科。機器人工程專業(yè)的學生具有厚基礎、寬口徑、重實踐、富創(chuàng)新的特點，具有團隊組織協(xié)調與綜合運用所學知識的能力，具有融合掌握多學科基礎理論的專業(yè)優(yōu)勢。在生產(chǎn)方面，各地工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展加速轉型升級，由政府力推、企業(yè)力行的“機器換人”潮正加快部署，完全由機器人來代替人工進行生產(chǎn)的“黑燈工廠”不斷涌現(xiàn)。2013年起，中國已經(jīng)成為全球第一大工業(yè)機器人市場。2013年工信部發(fā)布的《關于推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》指出，到2020年，工業(yè)機器人裝機量將達到100萬臺，大概需要20萬與工業(yè)機器人應用相關的從業(yè)人員。此外，深部地下、深海、深空等極端危險環(huán)境下的作業(yè)也需要使用機器人來實現(xiàn)少人化和無人化。在生活方面，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會文明的進步，人民對美好生活的需求也不斷提高。機器人技術是提高日常生活質量的重要手段，各種機器人不斷涌現(xiàn)，功能越來越先進，技術也將愈來愈成熟。機器人技術在生活服務領域的應用和發(fā)展同樣迫切需要大量機器人工程專業(yè)人才。機器人被稱為“最高意義上的自動化”，機器人是“人類社會的里程碑”，機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。機器人專業(yè)是順應國家建設需求、符合國際發(fā)展趨勢的典型新工科專業(yè)，具有很強的新穎性、綜合性和實踐性。工業(yè)機器人——改變生產(chǎn)方式；服務機器人——提升生活品質；軍用機器人——顛覆戰(zhàn)爭模式。1.2.2

機器人工程專業(yè)在本科院校的設立情況2016年6月，我國成為國際工程聯(lián)盟《華盛頓協(xié)議》成員后，于2017年啟動新工科建設的新時代中國高等工程教育，主要內(nèi)容是學科交叉融合，理工結合、工文滲透，孕育產(chǎn)生交叉專業(yè)，跨院系、跨學科、跨專業(yè)培養(yǎng)工程人才的教育模式。機器人工程專業(yè)融合了機械、電子電氣、計算機、控制、人工智能等眾多學科知識，是“當代高技術的結晶”，具有明顯的新工科特征。2015年，東南大學首次獲批“機器人工程”專業(yè)，專業(yè)代碼為080803T，是自動化類的特設專業(yè)，修學四年，頒發(fā)工學學士學位。2016年，東北大學、湖南大學、北京信息科技大學等25所高校獲批“機器人工程”專業(yè)；2017年，60所高校獲批“機器人工程”專業(yè)；2018年，101所高校獲批“機器人工程”專業(yè)；2019年，62所高校獲批“機器人工程”專業(yè)；2020年，53所高校獲批“機器人工程”專業(yè)；2021年，20所高校獲批“機器人工程”專業(yè)。從2015年到2021年，7年時間，全國322所高校成功申報“機器人工程”專業(yè)。從機器人工程專業(yè)招生院校來看，隸屬學科包括：自動化學科、機械工程學科、控制工程學科及計算機學科。很多院校依托本校的一級博士點學科、一級碩士點學科，形成本、碩、博一體的人才培養(yǎng)模式。1.2.3

機器人工程專業(yè)學什么機器人工程專業(yè)主要以控制科學與工程、機械工程、計算機科學與技術、材料科學與工程、生物醫(yī)學工程和認知科學等學科中涉及的機器人科學技術問題為對象開展研究，例如機器人的智能感知、優(yōu)化控制與系統(tǒng)設計、人機交互模式等。本科階段主要學習的基礎課和專業(yè)課包括以下課程：機器人技術基礎、自動控制原理、機械學基礎、機器人操作系統(tǒng)基礎、機器人動力學控制、機器學習、人機交互與人機接口技術等，涵蓋了人工智能、傳感技術、機器人機構設計制造、系統(tǒng)集成和人機交互等各個方面，并且面向新工科建設和工程教育認證，加強了實踐教學環(huán)節(jié)，安排了大量的實驗、實習和實訓課程。所有課程分類為不同的課群，采取漸進、梯度式的培養(yǎng)模式進行教學工作。作為機器人及人工智能領域最前沿的學科專業(yè)，機器人工程專業(yè)主要培養(yǎng)適應國際科技前沿和國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，符合社會和行業(yè)發(fā)展需要，具有較強國際溝通能力，熟悉國際規(guī)則和慣例的，厚基礎、寬口徑、重實踐、富創(chuàng)新的高素質復合型人才。這些人才要具有團隊組織協(xié)調與綜合運用所學知識的能力，具有融合掌握多學科基礎理論的專業(yè)優(yōu)勢，正是因為這樣的特色，畢業(yè)學生的就業(yè)和深造前景十分廣闊。1.2.4

機器人工程專業(yè)與智能科學與技術專業(yè)的區(qū)別智能科學與技術專業(yè)與機器人工程專業(yè)都是符合時代發(fā)展需要，以研究和發(fā)展人工智能理論和技術為目標的新興學科。在某種程度上，智能科學與技術專業(yè)更“偏軟”一點。機器人工程專業(yè)是集信息、電子、計算機、控制和機械及認知生物等技術為一體的，所研究的對象更“偏硬”一點，以研發(fā)出能夠最大限度模擬生物體的機電控一體化智能系統(tǒng)為目標。機器人需要有合理的機械結構、靈敏的感知和認知、實時準確的動作控制、靈活的智能分析和自然和諧的人機交互等。因此，機器人是一個前沿性、多學科交叉的研究平臺，以此為基礎開展教學改革和科研實踐，具備天然的優(yōu)勢。而且，不論是在“德國工業(yè)4.0”“美國CPS系統(tǒng)”，還是“中國制造2025”等國家發(fā)展戰(zhàn)略中，機器人都處于核心和不可替代的地位，這些發(fā)展戰(zhàn)略的開展和實施都迫切需要大量的機器人專業(yè)人才。1.3

近年來關于機器人的熱點話題1.3.1

北京冬奧會機器人吹響“集結號”科技感是北京冬奧會的特色之一，云轉播、智能裁判、智能防疫消毒、數(shù)字人民幣等種種數(shù)字化應用體現(xiàn)在了冬奧會中。擁有實體的機器人在北京冬奧會中吹響“集結號”。防疫機器人、引導機器人、遞送機器人、物流機器人、炒菜機器人、送餐機器人等各類機器人“黑科技”都在冬奧會中“一展拳腳”。早在2019年，北京冬奧服務型機器人創(chuàng)新產(chǎn)品測評比選大賽就已經(jīng)緊鑼密鼓地開啟。據(jù)新華網(wǎng)報道，當時就有26家企業(yè)的51款機器人產(chǎn)品參加公寓入住、頒獎、移動售貨、社區(qū)配送、點菜送餐等九大類應用場景的角逐，只為遴選出技術先進、功能創(chuàng)新、安全可靠的優(yōu)秀機器人產(chǎn)品和解決方案，為2022年北京冬奧會和冬殘奧會插上“科技的翅膀”。新華網(wǎng)援引中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院副院長黃子河等專家觀點，稱該比賽是面向智能機器人產(chǎn)品的全方位、多角度、多層次的技術大比拼，有力推動服務型機器人在客房服務、器械運送、導覽翻譯、安防巡檢等眾多領域提供更高水平的服務，令冬奧會科技感十足。與此同時，京東物流的智能無人配送車、無接觸智能配送柜、智能倉儲管理系統(tǒng)等也已進駐北京2022冬奧會和冬殘奧會。世界迎來了一屆“簡約、安全、精彩”的冬奧盛會，而在冬奧會上出現(xiàn)的各種“黑科技”機器人以及虛擬人，都折射出中國近年來在AI、機器人行業(yè)正成為“風口”的發(fā)展趨勢。阿爾法圍棋(AlphaGo)是第一個擊敗人類職業(yè)圍棋選手、第一個戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的人工智能機器人，由谷歌(Google)旗下DeepMind公司戴密斯·哈薩比斯領銜的團隊開發(fā)，其主要工作原理為“深度學習”。2016年3月，阿爾法圍棋與圍棋世界冠軍、職業(yè)九段棋手李世石進行圍棋人機大戰(zhàn)，以4比1的總比分獲勝；2016年末2017年初，該程序在中國棋類網(wǎng)站上以“大師”(Master)為注冊賬號與中日韓數(shù)十位圍棋高手進行快棋對決，連續(xù)60局無一敗績；2017年5月，在中國烏鎮(zhèn)圍棋峰會上，它與排名世界第一的世界圍棋冠軍柯潔對戰(zhàn)，以3比0的總比分獲勝。圍棋界公認阿爾法圍棋的棋力已經(jīng)超過人類職業(yè)圍棋頂尖水平，在GoRatings網(wǎng)站公布的世界職業(yè)圍棋排名中，其等級分曾超過排名人類第一的棋手柯潔。2017年7月18日，教育部、國家語委在北京發(fā)布《中國語言生活狀況報告(2017)》，“阿爾法圍棋”入選2016年度中國媒體十大新詞。無論是北京冬奧會的“機器人吹響集結號”，AlphaGo人工智能圍棋機器人戰(zhàn)勝當今圍棋世界冠軍，還是煤炭行業(yè)將在2035年實現(xiàn)整體裝備智能化，我們都可以看出，機器人時代離我們生產(chǎn)、生活越來越近了。1.4

當前中國機器人應用情況據(jù)《2016—2021年中國工業(yè)機器人行業(yè)產(chǎn)銷需求預測與轉型升級分析報告》中數(shù)據(jù)顯示：2021年，全球工業(yè)機器人的銷量預計達到435000臺，同比增長12%。2016年一季度我國工業(yè)機器人產(chǎn)量為11497臺，同比增長19.9%。2016年至2017年，美洲和歐洲的機器人銷量預計年均增長6%，在亞洲/澳洲預計年均增長16%。IFR預測，至2021年底，全球范圍內(nèi)工廠工業(yè)機器人保有量達350萬臺。隨著機器人的迅速發(fā)展，機器人技術已經(jīng)成為展示一個國家制造水平和科技水平的重要標志，在技術發(fā)達國家已經(jīng)建成一批工業(yè)機器人制造廠。但我國工業(yè)機器人發(fā)展由于起步較晚，基本還處在產(chǎn)業(yè)化的初期階段，市場相對比較小。2016，我國服役的機器人占世界上服役機器人總量的四分之一，到2020年，我國工業(yè)機器人新裝機量已占全球總裝機量的44%左右，世界第一。在多種因素的引誘下，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將再次提速，步入歷史上的第二個繁榮發(fā)展期，或將比第一次浪潮還將劇烈。2021年，我國工業(yè)機器人實際裝機量已超過100萬臺，占全球裝機量的28%，意味著大概需要數(shù)百萬工業(yè)機器人應用相關從業(yè)人員，其中，工業(yè)機器人本體制造與集成廠商需求機器人研發(fā)、銷售、安裝調試、技術支持等專業(yè)人才；機器人的終端應用企業(yè)需求機器人工作站調試維護、操作編程等綜合素質較強的技術技能人才。過去我國機器人技術人才主要集中在有限的大專院校和科研單位，而且主要以科學研究為主，工業(yè)現(xiàn)場嚴重缺乏技能型人才，這已經(jīng)成為制約機器人應用和推廣的瓶頸問題之一。目前高職高校設置的機器人專業(yè)也只是剛開始逐漸發(fā)展。作為一個新興專業(yè)，專業(yè)建設是一個系統(tǒng)工程，面臨專業(yè)規(guī)劃、課程開發(fā)、師資能力、實訓設備、培訓認證、人才出口等資源相對缺乏的難題，在當前新形勢下，要培養(yǎng)工業(yè)機器人專業(yè)適應工業(yè)實際的高技能型人才，單純依靠院校的力量稍顯不足，需要整合相關政、行、校、企等各方面資源，特別需要采取校企合作等手段共同發(fā)力，共同推進工業(yè)機器人人才培養(yǎng)。1.4.1機器人市場及人才需求分析來自國際機器人聯(lián)合會的一項統(tǒng)計結果顯示，平均每一萬人擁有的工業(yè)機器人數(shù)，在工業(yè)發(fā)達國家，韓國478臺/萬人，日本314臺/萬人，德國292臺/萬人，而中國只有36臺/萬人，如圖1-4所示。2020年，全世界平均每一萬人擁有113臺工業(yè)機器人，這一數(shù)字在中國已提升為187臺/萬人。因此，中國工業(yè)機器人密度存在較大提升空間，市場潛力巨大，如圖1-5所示。根據(jù)近幾年企業(yè)對工業(yè)機器人技術型人才的需求特點，并針對工業(yè)機器人企業(yè)中主要崗位進行分析，得出崗位素質與相關課程如表1-1所示。1.4.2中國工業(yè)機器人市場迅速增長的原因勞動力的供需矛盾。勞動力成本上升和勞動力供給的下降，使得在很多產(chǎn)業(yè)，尤其在中低端工業(yè)產(chǎn)業(yè)，勞動力的供需矛盾非常突出，這對實施“機器換人”計劃提出了迫切需求。企業(yè)轉型升級的迫切需求。隨著全球制造業(yè)轉移的持續(xù)深入，先進制造業(yè)回流，中國的低端制造業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)轉移和空心化的風險。因此，中國的制造業(yè)企業(yè)迫切需要轉變傳統(tǒng)的制造模式，降低企業(yè)運行成本，提升企業(yè)發(fā)展效率，提升工廠的自動化、智能化程度。而工業(yè)機器人的大量應用，是提升企業(yè)產(chǎn)能和產(chǎn)品質量的重要手段。國家戰(zhàn)略需求。工業(yè)機器人作為高端制造裝備的重要組成部分，技術附加值高，應用范圍廣，是我國先進制造業(yè)的重要支撐技術和信息化社會的重要生產(chǎn)裝備，將對未來生產(chǎn)、社會發(fā)展以及增強軍事國防實力都具有十分重要的意義。習近平主席在2014年兩院院士大會上強調：“機器人革命”有望成為“第四次工業(yè)革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局，而且我國將成為全球最大的機器人市場。然而，盡管中國是當今世界上最大的機器人市場，但中國每一萬名制造工人擁有的機器人數(shù)量卻遠低于發(fā)達國家水平和國際平均水平。1.4.3中國制造2025的重點領域——高檔數(shù)控機床和機器人“中國制造2025”站在歷史的新高度，從戰(zhàn)略全局出發(fā)，明確提出了我國實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年的行動計劃，將“高檔數(shù)控機床和機器人”作為大力推動的重點領域之一，提出機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人應用以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用的需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進機器人標準化、模塊化發(fā)展，擴大市場應用。突破機器人本體，減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統(tǒng)集成設計制造技術等技術瓶頸，并在重點領域技術創(chuàng)新路線圖中明確了我國未來十年機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點主要為兩個方向：一是開發(fā)工業(yè)機器人本體和關鍵零部件系列化產(chǎn)品，推動工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化及應用，滿足我國制造業(yè)轉型升級迫切需求；二是突破智能機器人關鍵技術，開發(fā)一批智能機器人，積極應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)。1.以需求為導向，增強創(chuàng)新能力，擴大市場應用根據(jù)應用環(huán)境不同，國際機器人聯(lián)合會(IFR)將機器人分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務機器人。工業(yè)機器人是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機器人的總稱，是現(xiàn)代制造業(yè)中重要的工廠自動化設備；服務機器人是服務于人類的非生產(chǎn)性機器人，服務機器人技術主要應用于非結構化環(huán)境，結構比較復雜，能夠根據(jù)自身的傳感器與外界通信，獲得外部環(huán)境的信息，從而進行決策，完成相應的作業(yè)任務。1)中國已成為全球第一大工業(yè)機器人市場，潛力仍待挖掘近年來，中國機器人市場需求快速增長，并已成為全球機器人重要市場。2014年，中國工業(yè)機器人銷量達到5.6萬臺，同比增長52%，再次成為全球最大工業(yè)機器人市場。用戶已從外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)為主，向內(nèi)資企業(yè)乃至中小企業(yè)發(fā)展。國內(nèi)沿海工業(yè)發(fā)達地區(qū)不少企業(yè)產(chǎn)品用來出口，對產(chǎn)品質量要求高，越來越多的企業(yè)采用機器人代替產(chǎn)業(yè)工人。在珠三角地區(qū)，使用工業(yè)機器人的年均增長速度已達到30%，尤其在裝配、點膠、搬運、焊接等領域，已經(jīng)掀起了一股機器人使用熱潮。雖然自2013年中國已經(jīng)是全球工業(yè)機器人最大市場，但制造業(yè)工業(yè)機器人密度仍然很低，2013年中國工業(yè)機器人密度僅為30臺/萬名產(chǎn)業(yè)工人，不足全球平均水平的一半。國內(nèi)工業(yè)機器人市場仍有巨大潛力。我國作為制造業(yè)大國，在工業(yè)機器人應用方面一直處于落后地位。除汽車行業(yè)外，量大面廣的一般制造業(yè)對機器人的應用基本上處于自發(fā)、分散或零散的狀態(tài)。隨著我國工廠自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人在其他工業(yè)行業(yè)中也將得到快速推廣，如電子、金屬制品、橡膠塑料、食品、建材、民爆、航空、醫(yī)藥設備等行業(yè)。工業(yè)機器人的應用程度是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。我國工業(yè)機器人的發(fā)展，應圍繞加快我國智能制造的發(fā)展需求，協(xié)同機器人供需雙方，一方面要提高我國機器人制造企業(yè)的創(chuàng)新能力，促進機器人標準化、模塊化、系統(tǒng)化發(fā)展，降低使用成本，提升集成應用水平，從而擴大市場應用范圍；另一方面要積極開展自主品牌機器人的應用試點，抓好一批效果突出、帶動性強、關聯(lián)度高的典型應用示范工程，以點帶面推動運用工業(yè)機器人來改造提升傳統(tǒng)制造業(yè)。2)我國服務機器人產(chǎn)業(yè)應以需求為導向，有重點地進行發(fā)展服務機器人包括專用服務機器人和家用服務機器人，服務機器人的應用范圍很廣，主要從事維護保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護以及醫(yī)療、養(yǎng)老、康復、助殘等工作。服務機器人是一種新型智能化裝備、一項戰(zhàn)略性高技術產(chǎn)品，在未來具有比工業(yè)機器人更大的市場空間。全球服務機器人在近五年間呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。根據(jù)國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，2013年全球專業(yè)服務機器人和個人/家用服務機器人的銷量分別達到2.1萬臺和400萬臺，市值分別為35.7億美元和17億美元，分別同比增長4%和28%。未來幾年，全球服務機器人的市場將繼續(xù)快速增長。隨著相互學習與共享知識云機器人技術獲得重大突破，小型家庭用輔助機器人大幅度降低生產(chǎn)成本，將在2020年之前形成至少累計416億美元的新興市場；另一方面雖然殘障輔助機器起步緩慢，但可預測未來20年會有高速增長。目前國際上服務機器人的技術研發(fā)主要由美、日、中、德、韓五國主導。我國服務機器人的發(fā)展滯后于工業(yè)機器人，與日本、美國等國家相比，我國在服務機器人領域的研發(fā)起步較晚，與發(fā)達國家絕對差距還比較大。服務機器人一般都要結合特定需求市場進行開發(fā)，本土企業(yè)更容易結合特定的環(huán)境和文化進行開發(fā)并占據(jù)良好的市場定位，從而保持一定的競爭優(yōu)勢；另一方面，外國的服務機器人也屬于新興產(chǎn)業(yè)，大部分服務機器人公司成立的時間還比較短，因而我國的服務機器人產(chǎn)業(yè)面臨著較大的機遇和發(fā)展空間。從發(fā)展趨勢來看，我國專業(yè)服務機器人有望先于個人/家用機器人實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，特別是醫(yī)療機器人、危險特殊環(huán)境巡檢探查機器人等。隨著我國進入老齡化社會，醫(yī)療、護理和康復的需求增加，同時由于人們對生活品質追求的提高，將使個人/家用機器人在未來具有更為廣闊的市場空間。2.突破技術瓶頸，提升產(chǎn)業(yè)化能力機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展包括研發(fā)試驗、機器人本體和零部件產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)