专业丨机器人工程：新工科中的“爆款”，没想象中那么“酷”
高考资讯·指导杂志 大学、专业、学科、志愿、励志……那些事儿关注 很多同学在选专业的时候，很容易被一些酷炫的名词吸引住，比如：机器人。一提到机器人，大家想到可能是科幻电影里变形金刚式的酷炫、大白式的可爱、瓦力式的憨厚等，但求学君提醒同学们，机器人工程专业 ，可能跟你想象中的不太一样哦，咱今天一起来了解一下这个专业吧！ 专业概述 首先需要先说明的是，机器人工程专业里的“机器人”指的是一种能自动执行任务，用以取代或协助人类工作的人造机器装置 ，比如现在已经广泛走进家庭的扫地机器人。这和大多数人从科幻小说和影视剧中看到的高仿真智能机器人的概念并不一样。再具体一些，从应用环境出发，我们可以把机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人则是工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。很明显，机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备，因此机器人工程专业天然具备了交叉学科性质。 以2016年国内第一个开设“机器人工程”本科专业的东南大学为例，该校以自动化大类统一招生的方式进行。大一大二阶段以通识课为主，入学两年后根据学生志愿及学业状况分别分流到自动化专业和机器人工程专业。进入机器人工程专业的学生从大三开始进行机器人专业知识的学习。机器人工程专业主要培养能够在机器人及相关自动化生产线系统等领城中从事机器人应用研究、工程项目设计、技术开发与系统集成、系统运行管理与维护和技术管理的专业人才。 课程设置 该专业的专业课程包括机器人学、机器人动力学与控制、工业机器人系统、智能机器人系统综合设计、多机器人系统建模与分析 等。其中，机器人学为首修课程，将向学生介绍机器人学的发展概况、基本概念、基本原理和技术，帮助学生熟悉 机器臂的设计原则，了 解机器人编程方法与特点，为学生学习后续课程和毕业后从事机器人技术研究、自动化系统与工程设计和开发打下坚实基础。 就业简述 “机器人即将成为继汽车、计算机之后出现的一种新的大型基础产业。”比尔·盖茨多年前就对机器人行业抱有厚望。在2015年5月出台的《中国制造2025》规划中，机器人与高档数控机床被列为政府需大力推动实现突破发展的十大重点领域。 截至2016年6月，全国机器人企业已经达3800多家。按照工信部的发展规划，到2020年，工业机器人装机量将达到100万台，大概需要20万工业机器人应用相关从业人员。目前看来，机器人工程专业毕业生的就业前景可谓一片光明。毕业生可从事机器人及相关自动化生产线系统等领域中的机器人应用研究、工程项目设计、技术开发与系统集成、系统运行管理与维护和技术管理等方面工作。 报考指南 机器人“热潮” 的背后是一个巨大而急切的人才缺口。国家的机器人发展产业规划把“加强人才队伍建设”作为机器人产业发展的6大保障措施之一。提出要加强大专院校机器人相关专业学科建设。继东南大学之后，2017 年，教育部批准东北大学、湖南大学、北京信息科技大学、广西科技大学、辽宁科技学院等25所高校新办自动化类机器人工程专业。此后每年都有数十所甚至上百所高校通过教育部审批而增设该专业。目前机器人工程专业已广泛开设于理工类院校和综合性院校中。由于院校的优势与专业实力不同，部分院校侧重于研究，把培养重点放在原理研究、本体开发及特种机器人开发等；也有部分院校侧重于工业应用，着重培养学生从事自动化成套装备中工业机器人工作站的现场编程、调试维护、人机界面编程、系统集成等应用性能力。上述两个方向各有千秋。毕竟工业机器人是一个复杂的系统工程，不是买来就能用的，需要对其进行编程，把机器人本体与控制软件、应用软件、周边设备等结合起来，组成一条完整的生产线后，才能进行生产。相关具体的操作，由于技术要求较高，并且属于新兴领域，人才缺口同样巨大。专家提醒 对智能机器人更感兴趣的考生，可关注智能科学与技术、人工智能这两个专业。 对机器人工程专业感兴趣的考生，判断院校的专业实力时，可重点考察院校的自动化专业实力。 本科专业与机器人高度相关的主要就是自动化专业。很多高校虽然没有直接开设机器人工程专业，但在学校的自动化专业开设有机器人方向，或开设了与机器人相关的专业和课程。还有很多高校成立了机器人实验室或研究中心，在机器人研究方面很有建树，但人才培养主要是面向研究生，少数面向本科生。 院校推荐 东南大学： 2016年获教育部批准设立了我国首个(当年唯一的一个)“机器人工程”本科专业。该专业所在的自动化学院于2007年牵头建设国家级人才培养模式创新实验区一“研究型大学控制类工程师创新培养实验区”。专业所依托的一级学科“控制科学与工程”为国家重点学科和一级学科博士授权点。湖南大学： 机器人学院现有机器人视觉感知与控制技术国家工程实验室、视觉感知与人工智能湖南省重点实验室和电子制造业智能机器人技术湖南省重点实验室等研究平台，设有机器人关键基础、工业机器人、服务机器人和特种作业机器人等教学实验室，重点培养智能机器人、智能制造、智能信息处理等领域的本硕博人才。广西科技大学： 所在学院建有广西高校工业过程智能控制技术重点实验室。自动化类专业实行大类招生，学生入学后首先按照大类培养1.5年后，再按自动化专业、机器人工程专业、轨道交通信号与控制三个专业进行分流培养。选校还可以参考这份榜单：加州大学圣地亚哥分校设计出轻便无电子设备驱动的四足软体机器人
加州大学圣地亚哥分校的工程师们创造了一种轻便、低成本的四足软体机器人，它通过气动回路就能保持系统控制和运动，并且不需要任何电子设备驱动。该项目由加州大学圣地亚哥分校 Michael T.Tolley 教授领导，于 2021 年 2 月 17 日发布在 Science Robotics。
图丨相关论文（来源：Science Robotics）
软体机器人之所以受到许多关注，是因为它们可以在人的附近进行安全操作，并且适应环境能力较强。加州大学圣地亚哥分校 Dylan Drotman 博士表示：“这项工作代表着向完全自主、无电子行走机器人迈出了重要的一步。”
软体机器人在不断地升级迭代，从只能奔跑升级到拥有充气抓手，从而有能力处理各种物品。充气部件和气压在其中发挥了至关重要的作用，大多数软体机器人由压缩空气提供动力，并由电子设备控制。但是，这种方法需要电路、阀门和泵等位于机器人体外的组件。通常，那些组成机器人大脑和神经系统的组件体积庞大且昂贵。
图丨四足软体机器人具有不受生物影响的步态模式，可通过无电子气动控制系统进行控制（来源：Science Robotics）该项目软体机器人则不同，它的气动电路系统控制由管子和软阀组成，可根据指令或从环境中感应到的信号进行判断，进而行走。机器人由脊柱驱动，计算能力与哺乳动物的反射相似。研究团队的灵感来自动物体内发现的神经回路，通过产生节奏来控制步行和跑步等动作。
研究团队在气动阀的振荡器和传感器的基础上，又添加了实现高级功能（如行走）所需的组件。气动阀具有价格便宜、重量轻的优势，并且相对于与机电阀更易于制造，通常用于控制软体机器人。通过适当的设计，这些组件可创建复杂的流体组合，无需任何电子设备即可控制腿式机器人步态的电路。
图丨四足机器人的束缚控制（来源：Science Robotics）
这款机器人由四个圆柱形腔室系统组成。为模拟发电机的功能，工程师建立了一个阀门系统，它可充当振荡器，控制加压空气进入机器人四肢中由气动肌肉进入的顺序。据该团队介绍，采用该方法可制造出非常复杂的机器人大脑，而他们的重点是制造控制步行所需的最简单的气动神经系统。
另据悉，该机器人的步态受侧颈乌龟启发，为此研究人员构建了一个创新组件，通过延迟向机器人腿中注入空气来协调机器人的步态，当按特定顺序打开和关闭的阀门便可以实现行走。同时，在软体机器人身体的臂架末端，有微型气泡式的传感器装置。也就是说当软体机器人遇到障碍物时，它装置中的气泡会出现凹陷状态，促使阀门翻转、以及反向移动。
图丨使用 4/2 阀门对机器人的行走方向进行全方位控制（来源：Science Robotics）
为了测试对软体机器人全向运动的控制度，研究团队开发了一种控制器来操作两个 4/2 阀门。通过更改相应的气门状态，依次命令机器人向前、向左、向后，然后向右行走。
软体机器人的每条腿都可以实现三个运动角度的弯曲，支腿向下倾斜 45 度，由三个平行且相互连接的、带有波纹管的气动气室组成。当对腔室进行加压时，肢体会向相反的方向弯曲。
图丨传感器输入用于自动步态逆转（来源：Science Robotics）
研究人员将每条腿的对角线彼此配对，进而简化了控制。一个软阀在逆时针和顺时针之间切换肢体的旋转方向，该软阀相当于双掷开关，即具有两个输入和四个输出的开关，因此每个输入都有与其连接的两个对应的输出。这种机制有点像需要两条神经并在大脑中交换它们的连接。
概括来说，本次研究是低成本机器人技术的突破，这种软体机器人可应用在矿井和核磁共振成像机等电子设备无法使用的领域。研究团队表示，希望在这项研究的基础上，能够改进机器人的步态，让它能在更崎岖的地面也能实现自由行走。
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