一、项目建设背景

根据《制造业人才发展规划指南》预测，2025 年，机器人与智能制造领域人才缺口将达到 450 万。为实现中国制造由大变强的战略任务提供坚实的人才支撑，从2016 年东南大学首次获批“机器人工程”专业以来，近几年时间里，全国高校“机器人工程”专业申报工作如火如荼，开设院校数量增长速度显著。机器人工程是一个多维交叉，多学科融合的新学科，与各种专业都有关联。机器人的结构部分需要机械专业来完成，内部电路涉及电气等专业，运动系统控制和感知规划又与控制专业有关，智能感知、决策方面又涉及计算机、人工智能专业知识，同时材料科学、力学等专业也与机器人工程息息相关。

目前国内高校的机器人工程与智能制造工程专业的建设总体来看还处于起步阶段，由于不同类型的高校在学科基础和培养目标等方面都存在较大差异，因此都需要探索适合自己的培养方案。机器人工程与智能制造工程专业都属于“新工科”专业，都具有一个最主要的特点就是多学科综合，同时涉及系统设计与规划、对象与过程建模、感知与认知、计算与控制、通信与人机交互等多种技术环节，需要机器人、工业工程、人工智能、大数据、云计算等关键技术的集成，涉及机械工程、、电子技术、控制科学与工程、计算机科学等多个学科。在培养学生的过程中，既要考虑学生学科基础理论和方法的学习以有坚实的创新基础，还要考虑企业的现实需求，兼顾实际工作岗位的应用实操能力的培养。

目前市场上的很多教学装备尚难以满足需求。以机器人工程专业所需的机器人教学实验平台为例：高职高专学生实操能力培养的机器人实验平台，以机器人集成工作站的机器人和 PLC 编程训练为主要内容，培养机器人实操编程人员。这类系统对于研究性大学或兼顾研究和教学的本科院校就不适用。这些本科院校需要培养具有很强再创新能力的学生，需要学生对设备的运行原理有深入的理解，需要培养学生新算法设计、新应用开发的能力。市售工业机器人主要面向工业应用，控制器属于封闭系统，无法更改底层控制程序，无法部署自研的控制算法。虽然有一些工业机器人开放了部分接口，但出于安全、保密等多方面考虑，开放度并不高。有一些机器人开放了部分接口，但出于安全考虑，开放度不高。国外有些产品，但价格高昂，后期维护升级困难。

二、项目建设目标

开放式机器人控制与仿真实验室的建设可以支持学生认知、操作性的工业机器人使用、应用型编程，也可以支持学生理解性的机器人学、机器人控制系统原理学习，还拥有丰富的视觉、力觉、人工智能扩展能力，支持数字孪生仿真，用于创新性的机器人实验场景设计、机器人赛项演练，形成认知、理解、掌握、运用的学习过程闭环。

1）理论认知

从机器人专业的理论知识出发，掌握工业机器人在运动学、动力学方面的基础理论和创新技术。

2）实践实操

通过机器人教学平台的建设，在实训实践中，对机器人学进行实际运用，掌握工业机器人控制算法开发能力，提高学生实践水平。

3）应用集成

紧密结合工业智能制造核心技术，结合视觉、力传感进行系统集成。在实训过程中了解机器人全方位的设计开发过程，系统化提升学生跨学科应用集成能力。

开放式机器人控制与仿真实验室能在三个层级配合教学过程实现递进式的培养：

层级一是认知和使用层面的“知其然”，可以分阶段的了解和学习工业机器人和智能制造系统的使用过程；

层级二是理论体系建立层面的“知其所以然”，可以了解与自己探索与使用过程相关的底层原理和算法；

层级三是在掌握了应用现状和对应现状的内在原理后， 面向未来需求的“创未然”。

以工业机器人方向为例，可以在通过多个阶段，实现多层级的学习迭代。在层级一层面，首先通过典型的机器人工作站，来建立对工业机器人的基本认知，学习了解机器人示教编程的过程；紧跟层级一的这个过程，通过深度开放的基于国产机器人的教学系统，使用 Matlab/Simulink 软件，学习机器人运动学、动力学和机器人控制系统的基本原理，自己实现相关核心算法和进行仿真，并部署在实际机器人控制器中实时运行，控制真实的工业机器人本体并观察分析控制效果，实现层级二的知其所以然。而后，可以通过与科研、竞赛以及研究生培养等工作相结合的方式，进一步针对高速精密运动或者精确力控或者精准视觉引导等方面的需求，进一步提出创新算法，实现科研层面的融合再创新。

三、项目建设思路

基于机器人专业交叉性、融合型的学科特点，专业实验室的建设也需要从多个维度进行构建。开放式机器人控制与仿真实验室的建设以前沿技术集成为内驱力，打破学科专业限制，推进学科优势交叉融合，实施理工结合、工工交叉、工文渗透、工艺联合等不同学科、专业交叉融合，完善新工科交叉融合模式下“学科基础+跨学科交叉专业+前沿技术+实践驱动+创新创业”复合型人才知识、能力结构。

开放式机器人控制与仿真实验室拟结合机器人工程及先进前沿技术专业建设及人才培养目标要求，重点围绕《机器人驱动与控制技术》《机器人基础》《机器人原理与机构设计》《机器视觉与人机交互》《机器人运动控制》《机器人仿真技术》《机器人工程基础实践》等课程建设及项目开发、算法验证、学科竞赛等创新创业实践活动，为学生提供认知、理解、掌握、运用的闭环学习过程。

1、机器人的系统认知方面：本方案以典型的六轴工业机器人为学习对象，可快速帮助学生了解机器人的系统组成、结构认知、常规使用等方面的知识；

2、机器人基础与原理教学方面：本方案提供的机器人半实物仿真控制平台以机器人快速原型控制系统和机器人开发软件为基础，可以完成 DH 建模、机器人正逆运动学、关节空间规划、笛卡尔空间规划、雅克比矩阵、动力学辨识等机器人学相关实验课程；

3、机器人实践实操方面：本方案提供的机器人数字孪生仿真系统、开放式机器人综合科教实训平台，既能满足机器人学相关原理及底层控制实验，又可以完成产品的分拣、组装、加工、视觉检测等典型的应用实训场景。

4、机器人科研创新方面：本方案提供的开放式机器人综合科教实训平台，底层深度开放，可以实现与机器人厂家控制系统设计人员相当的最底层控制权限，可以支撑机器人高级控制功能，如基于动力学的阻抗控制、多机间协同力控制等；