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智能化机器人,人才 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养 抢占智能机器人制高点

2018年01月21日 来源:智能化机器人,人才 大字体小字体

  通过创新教学形态、融入高科技元素无疑是极佳选择。而“工业机器人AR实训系统”最大的优势恰恰在于通过AR智能眼镜成像系统,将工业机器人及工业自动化系统以虚拟影像3D显示,采用的示教器及编程平台却与实体工业机器人示教平台一模一样。系统能将机器人本体、机器人工作站以及机器人附属部件进行灵活多样、生动形象的展示。而且任何一个微小的实训操作都能被系统记录和监控下来,形成实训大数据并进行分析,每次训练都成为对教学模式和教学内容的完善。该系统使用便捷、价格低廉、生动形象、安全可靠,可以很好地解决工业机器人人才培养的六大瓶颈,可给工业机器人人才培养带来一定启发。

  第二个模块是Action执行,它包括MechanicsofManipulation,即“机器人操作中的力学原理”,以及KDC这两门课程。

  在这个过程中学习:研究过程(researchprocess)、如何陈述研究结果(Howtopresentresearchresults)、如何写专业论文(Howtowritetechnicalpapers)、以及申请研究生院的策略(strategiesforsuccessfulgraduateschoolapplications)。

  机器人零部件尚未国产化

  •我们个人觉得对于KDC,MarkSpong等人编写的《机器人建模和控制》一书应该是一个不错的选择,它是少见的难得把运动学、动力学以及控制都讲的深入浅出的一本书,该书是UIUC、Michigan等学校的研究生教材。

  •机器人操作通常由RI的前任director,MattMason教授来教,主要讲述机器人移动物体时所涉及到的物理知识,以及规划。有人说:manipulation是机器人研究的终极前沿(ultimatefrontier)。但是,国内的manipulation研究并不多,也没有专门的教材。为了改变这种现状,我们正在和日本AIST的万伟伟合作翻译MattMason的著作,相信将会在不就的将来推出。

  加速布局

  对于本科生,RI提供双学位(major)、辅修学位(minor)、以及5年本科+硕士的快速项目。现在,RI的本科项目负责人为HowieChoset教授。

  第一台工业机器人已经有50多年的历史;全球不少学校都有与机器人相关的课程,在当今信息时代,如何合理、有效、系统的开展机器人方向的人才培养,对于很多学校来说可能都是一个新的课题。作为本研讨的第一部分,我们主要通过对国外著名大学在机器人教育方面的剖析,看有什么先进经验可以借鉴。

  2015年,中国的工业机器人的年装机数量已经跃居世界第一!并且还在快速增长!可惜的是:由于历史等多方面原因,中国与欧美日等发达国家在机器人领域还有相当明显的差距。中国的机器人技术要与世界先进水平接轨,人才培养是重中之重!

  CMU-RI提供多种硕士选项,接下来,我们主要以研究型硕士(ResearchMaster,2年)为例来介绍其培养计划,学生得完成至少4门核心课程,另外3门与机器人有关的选修课程,加起来是至少7门课程。另外一半时间,得跟随导师完成科研任务。最后完成学位论文和毕业答辩!

  二是中国机器人产业规模快速扩大以及关键技术和零部件研发取得突破,再加上多元化应用场景持续拓展,目前中国的工业机器人,继汽车和电子之后,在五金卫浴、家具家电等行业也已得到日益广泛应用。这些都让中国机器人产业后续发力,有了坚实基础。

  在科技改变世界的当下,机器人产业被视为改变世界的“钥匙”。但记者了解到,在汕头,智能机器人的运用仍然较少,成熟的机器人产业链仍尚未形成。而人才的缺乏,正是其中的一个关键要素。

  Belong公司估计,物联网领域的工作在过去三年增长了4倍。这与交互技术和其他领域的数据捕获有关。数据分析领域(包括数据科学家在内)对人工智能专家的需求在过去几年中增长了近76%。

  最后是“系统工程”以及“顶点课程(CapstoneCourse)”,帮助学生们将前面课程里所学到的内容融汇贯通、综合提高!为以后的学习和工作打好基础!最后,学生们设计、制作、集成、测试、并展示他们设计的机器人。

  中国智能制造网-中国工业4.0时代智能制造领域“互联网+”服务平台

  姜文良表示,我们与美国、德国就差那么一点点,就那么几个参数。但要缩短几个点的参数,需要拥有技能扎实、勇于创新的产业大军。如果大家都不愿意当工人、如果工人待遇不好,如果工人没有扎实的技能,缺乏庞大的高技能人才支撑,我们推进“中国制造2025”也只能是空话。

  近年来,随着科学技术的发展与进步,机器人技术及研究在全球范围内发展得如火如荼。2007年,比尔•盖茨曾在《科学美国人》上撰文指出:机器人技术将会成为信息技术之后的下一个发展热点和方向。以美国为例:谷歌公司的无人驾驶汽车、多足及仿人机器人,亚马逊公司的仓储自动导引车,以及美国太空总署的好奇号火星车等等都在吸引着全球媒体的目光。欧洲、日本和中国等也纷纷出台了自己的机器人研究计划以及路线图。例如:在德国提出的“工业4.0”和中国版本的“中国制造2025”计划中,机器人均作为核心技术受到了前所未有的重视。

  有了技术大咖的加入,优必选依旧不满足,继续从各个层面引入管理人才:原为国内著名消费电子类品牌公司副总裁的王汝林担任公司COO,负责日常运营工作;前华为全球薪酬激励高级总监刘明加入优必选担任人力资源总监、副总裁;前长江证券承销保荐有限公司总经理曹宁加入优必选团队,担任公司副总裁董事会秘书,负责公司投融资战略和事务及公司上市运作等工作。

  RI还有实习(intern)及拓展(outreach)项目,用来培养高中生以及本科生对机器人研究和开发的兴趣。每年,来自世界各地的本科生都可以申请参加RISS夏季学者项目,在RI教师及研究生的指导下从事机器人研究。RI有专门针对高中生和女生的拓展项目。值得一提的是:GirlsofSteel(钢铁女孩)机器人比赛队伍。匹兹堡曾是美国的钢铁业中心,本地的橄榄球队叫Steelers(钢人队),所以机器人队名为GirlsofSteel。每年,由大约40名来自匹兹堡地区的高中女生在RI教师的带领下,参加国际FIRSTRobotics机器人比赛。右图为希拉里来CMU访问时,接见GirlsofSteel队员,图片左方的老师是Veloso教授,她曾担任美国人工智能协会(AAAI)主席,多次带队参加RoboCup比赛。

  首先,是IntroductiontoRobotics机器人导论,指定的教材为PeterCorke的Robotics,VisionandControl机器人、视觉和控制。需要指出的是:RI的教授们通常使用自己准备的材料,教材只是参考!另外,PeterCorke开设有本书的MOOC网络公开课。通过导论课对机器人有个基本认识,例如:初步的KDC、运动规划、视觉。同时掌握一些基本技能,例如:使用PeterCorke提供的Matlab工具包,编程求解一些机器人方面的基本问题。

  清晰的问题导向是宋爱国研究团队的一个特色,比如一款面向老年群体的机器人,就是专门为检测、预防老年心理疾病设计的。通过与老人对话交流等交互方式,机器人能检测识别老人情绪是否抑郁、孤独,家人借助远程控制,可以针对老人的心理状况作出反应。宋爱国介绍说,基于相同的原理,这一款机器人也能用于自闭症儿童康复训练。

  •RI里讲授KDC的老师很多,不同的老师会指定不同的参考书。有些老师会指定RichardMurry、李泽湘、ShankarSastry合作的《机器人操作的数学导论》一书,该书中文版由机械工业出版社于1997年推出。该书覆盖了机械臂、手指、以及控制。不过对于低年级研究生,本书难度可能显大;因为它的基础部分便涉及到李群代数和微分几何的东西,对数学要求高!

  这给中国的机器人产业加速发展带来良好的发展契机。

  •计算机视觉现在很火,很多人都学过,所以不再赘述。RI有一个专门的面向“计算机视觉”的MSCV硕士项目,感兴趣的可以去RI的主页去了解。

  记者从会议获悉,我省已发布《中国智造2025湖北行动纲要》《湖北省智能制造产业十三五发展规划》,省委省政府将工业机器人产业定位为第一产业,武汉市政府也在光谷东布局了智能制造中心。目前,华中数控等85家企业成立了湖北机器人产业创新发展战略联盟。产业快速发展,工业机器人人才却供不应求。

  接下来的内容为一个核心模块,我们一般称之为KDC,即:运动学Kinematics、动力学Dynamics、以及控制Control。KDC也是RI研究生核心课程的重要组成部分。对于控制部分,国内开设的自动控制系统、控制工程等可以满足要求。CMU开设有专门讲述“机器人运动学和动力学”(这也是国内很多机器人课程所覆盖的内容)。CMU使用的教材为“RobotModelingandControl机器人建模和控制”,该书作者均为机器人和控制领域的专家,它覆盖了KDC的各部分内容,被UIUC、Michigan、JHU等大学选为教材。该书不仅适合本科生入门,又适合研究生深入学习;因此,我们联合机械工业出版社推出了本书的中文译本。

  此外,RI还跟UPMC(UniversityofPittsburghMedicalCenter,匹兹堡大学医学院)合作,开展医疗机器人研究。

  机器人热潮酝酿巨大人才缺口

  近年来,人工智能技术、机器人技术和数字化制造技术等相结合的智能制造技术愈来愈多地贯穿制造业的各个环节,催生了“智能制造业”,引领新一轮制造业变革。

  第四个核心模块是CognitionandReasoning认知和推理,通常包括machinelearning机器学习,以及ArtificialIntelligence人工智能这两大块。

  在美国很多学校,本科生通常可以选两个专业进行学习,比如数学-经济学双专业等。RI没有自己的本科生,1998年,即在博士点建立10年之后,RI推出了面向本科生的辅修学位(minorinrobotics),已经培养超过200名学生。2011年,RI又推出了机器人双学位,凡是想对机器人工程和科学深入理解和学习,都可以在大一时报名参加此项目。

  此外,包括一门动手的实验课,核心领域之外的一门技术选修课,以及在导师指导下从事机器人研究。硕士一般要完成30学分,即7到8门课程;这与CMU-RI一样。博士是在此基础上,加入大量科研。

  这里列出了RI下辖的多个研究中心。1979年,RI刚成立时,一个主要研究方向是计算机集成制造系统。后来在此基础上不断发展,陆续增加了各种研究中心:

  当下,机器人正在成为世界各国战略竞争的焦点。而中国又是全球机器人有标志性意义的市场,中国正在大力推动《中国制造2025》、推动互联网与制造业深度融合,带来了巨大的市场需求,而在许多智能技术领域中国已经处于领先地位。中国如何利用巨大的市场需求与新一代信息技术发展的契机,来加速中国机器人产业的发展备受关注。在日前举办的“第二届全国工业机器人技术应用技能大赛”以及“技能人才与中国创造高峰论坛”上,有关政府主管部门以及专家学者、企业代表给出了许多建议。

  左边的这些图展示了学习过程,包括seminar、workshop、参观实验室。当然学习期间也有social交流部分,比如参观博物馆、看棒球比赛等。在实习结束的时候,会有一个专门的postersession,也就是每个实习生将自己的研究整理为一张展板,然后放到一起供大家交流,这时候RI的教授、研究员、研究生通常都会去参观交流。右图是展板和论文样例。最后,项目组织者会为实习生颁发结业证书。

      目前,优必选科技已经成功把服务型机器人的相关产品进行商业化落地,相继推出了人形服务机器人Alpha1、Alpha2以及契合STEAM教育的Jimu机器人,并即将推出商业服务机器人,形成了一条较完善的产品线。其中,Jimu机器人已经成功登陆全球部分AppleStore零售店,成为中国STEAM教育的践行者和推动者,获得了极大的成功。

  然而中国工业机器人应用却偏向低端。相比全球工业国家,高精密微型机器人在中国使用量较低。针对工业机器人的不同形态,我们发现,中国最普遍的两种类型是,码垛机器人和传统工业机械臂,占总量的80%,这两种类型只可取代部分非精密生产产线。第二,就中国工业机器人目前保有量来看,进口机器人占总量四分之一。

  第一个模块是数学:机器人的数学基础。授课教师是MichaelErdmann大拿。上课基于课件,没有专门的教材,推荐有10多本参考书!该课程集成了5~6门数学课的内容,包括优化、随机过程、变分、微分几何等,对数学功底要求高!美国研究生院很重视数学,因为它能为后续科研打下良好基础,这点值得国内高校学习。

  智能机器人应用和导入正受到人才匮乏的影响。我们的发现是,国内在智能制造上有很多补贴,导致企业一窝蜂购置智能产线,但当我们实地探访这些产线,部分企业可以说是仍在做工业2.0的补课,也就是在智能制造导入时大部分企业面临观念和知识的不足,很多甚至连数字化的系统平台等基础设备都没有。我们发现,企业缺乏基础工作准备,在标准化平台、数字化平台方面准备不足。这源于企业缺乏智能制造基础人才的养成工作。因此,台达也出台了工业4.0的客户服务方案,对于如何实现智能制造这一远大目标,为客户提供了整合咨询工作。

  除去导论和四大核心模块外,学生得选一门动手课程,包括:建造智能机器人、移动机器人编程实验、机电一体化系统。

  刁秀珍表示,在人才培训方面,从国内与国外相比较来看,目前国内主要重视的是技能的培训。国外在重视高级技工技能培训的同时也非常重视教师的培训,而且是从专业能力、方法能力和社会能力的多维度来培训相关的高技能人才。

  在教育和人才培养方面,依托于CMU在计算机(全美排名第1)和工程(全美排名第4或第5)方面的强大实力,RI实现了从博士、硕士、本科、到K-12(也就是高中生)拓展项目的全面覆盖。这里展示了研究生项目。

  为了拓展机器人教育,RI每年会在全球接收约40名本科生夏季学者,参加为期约3个月的培训项目。主要资金来源为NSF、RI、以及外部的一些奖学金。该项目的宗旨是:发现、探索、学习、成功。

  对于研究生,其核心课程主要是加强四大模块的学习。学生从四个模块中各选至少一门课程来学习。

  首先,学生需要满足一定的前期基础(从下表中每组课程选一门),即:多元微积分,基础数学(如:线性代数、微分方程、数值方法等),以及C语言程序设计。这些要求不高,国内的理工类本科生应该都能满足这些条件。左边的符号(1)Math,表示该部分内容升级之后作为研究生核心课程的一个组成模块,我们称它为核心模块(总共有4个)。

  工业和信息化部装备工业司副司长罗俊杰在“技能人才与中国创造高峰论坛”上表示,从约瑟夫·恩格尔伯格1959年制造出第一台真正意义上的机器人至今,全球机器人发展已近60年,历经工业时代的数次变革洗礼,始终站立在科技革命与产业革命的风口浪尖上,成为制造业关注的焦点。如今,随着物联网、云计算、人工智能等新一代信息通信技术与制造业加速融合,数字化、网络化、智能化的发展,以及智能制造的蓬勃发展,更是给机器人产业带来了新的春天。

  我们主要以卡内基梅隆大学的机器人研究所为例,以下简称它为RI。我们将介绍它的教育项目、分析它的本科及研究生培养计划以及课程列表。然后以成立不久的MichiganRobotics项目(正在快速扩张)为例,讨论如何在其他学校开展机器人教育。我们觉得关键是:立足自身资源、结合自身特色、学习成功经验。

  GirlsofSteel由RI的老师亲自带队指导,旨在激发和培养高中生对机器人研究的兴趣。所有的工作,包括CAD设计、硬件加工、机电控制、导航软件、算法编程等等,均由学生们亲自完成。我们坚信兴趣是最好的老师,今年,央视的《创新之路》纪录片团队在CMU期间,对GirlsofSteel进行了现场拍摄。在国内,很多高中生可能并不知道自己的兴趣到底在哪,在填志愿的时候就要面临选择专业的问题,所以在大学一二年级会比较迷茫。我们相信如果学生在高中时期可以参加这种拓展项目,及早发现和建立自己的兴趣,大学生活会丰富多彩很多;我们希望RI的这种拓展项目和经验能够在国内得到推广。

  博士项目,其课程与硕士类似,但难度要求更高。此外,得完成博士生资格考试,包括:研究能力考试、口语表达能力考试、写作能力考试、以及至少一门课程的助教。接下来是论文开题,最后是毕业答辩。

  一是新型材料将大量应用于机器人领域。过去的机器人大量应用刚性金属材料,设备整体较为笨重,柔性能力较差,应用范围有限,难以适应复杂环境与狭小空间内的运动与操作。而未来,轻质高强度钢、镁铝合金以及碳纤维等复合材料将广泛应用于机器人本体与关键零部件制造,促进机器人轻量化并提高运动性能,大幅度降低机器人自重与负载比。同时,液态金属控制技术和电信号肌肉控制技术等前沿科技也会有力推动新型材料在仿生机器人和柔性机器人领域的使用和普及。

  第三个核心模块是MachinePerception机器感知,学生们通常会选择计算机视觉;该组课程还包括计算图形学、视觉传感器等。

  前面,在系统介绍RI教育项目的时候,我们是从高往低介绍,即从博士、硕士、本科、RISS,再到面向高中生的拓展项目。一个学校有能力和资源开出机器人方向博士点,那么对比其他学校,它的的本科、硕士项目等会有巨大的天然优势。下面,介绍RI课程和培养计划,我们则按照“由浅入深”这一学习习惯来讲述,即按照“本科硕士博士”这么一个顺序。

  事实上,在推进智能制造的当下,机器人领域的技能工人也与过去大不一样。山东栋梁科技设备有限公司制造中心负责人刁秀珍对《中国电子报》记者表示,机器人领域的技能人才包括几个维度。一是操作维修工,这个部分为初级技工。二是系统集成师,是中层技工,需要在具备初级技工能力的基础上,据有系统集成知识,懂得编程操作、射频识别、PLC等,具备现场信息流管理的能力。三是机器人开发人员,需要懂得机器视觉、算法等。前两类人主要是在应用机器人的企业,在工业现场,第二类属于高技能人才,比较欠缺,是推进智能制造所需的重要人才。第三类人才目前主要在大学进行培养,输送的目标是生产工业机器人的企业。

  这里是我们整理出来的CMU-RI机器人本科双学位的课程体系。申请该项目的学生,得具备基本的数学基础和编程基础。首先,通过导论课程对机器人领域有个基本认识,同时掌握一些基本技能。然后,通过对KDC、感知、认知这几个核心模块的学习,深入理解智能机器人所涉及到的方方面面。其次,选一门动手课程增强动手能力。再次,学习两门选修课,增加知识的广度。最后,通过系统工程以及顶点课程的学习和实践,将前面所学到的内容融汇贯通,综合提高!为以后的学习和工作打好基础!

  具体说来便是:在一流大学知名学者以及研究人员的指导下,通过从事实打实的项目研究,学习和了解机器人领域内的一些尖端技术。在实习期间,每周都会专门的研讨会或邀请一些专家来讲授专业发展讲座。左下图是美国工程院院士、机器人领域的知名专家RedWhittaker教授做关于空间机器人(spacerobotics)的讲座。

  打破人才瓶颈,乐观谨慎发展

  机器人双学位学生,需要在课程列表的10组课程中,每组选1门。

  然后还得从选修课表中选择两门课程,可以选核心模块里的其他课程,或者是嵌入式系统、仿人机器人等。

  下面,我们主要介绍“机器人双学位”的培养计划,而辅修学位(minor)的课程是它的一个子集。我们做研究课表、培养计划、以及配套教材。

  RI实现了对机器人研究的全方位覆盖,包括:制造、医疗、图像、人工智能等等;这些内容可以从网上找到,在这里就不再赘述。

  第三个模块是Perception感知,包括计算机视觉,以及感知和传感器,这两门课程。

  “当时,媒体经常报道国家工业应从‘制造大国到创造大国方向发展’,要做创造大国,科技必须先行。”受这些报道启发,蔡立鹤很快想到,如果能把积木玩具转变成科技教育产品,二者的叠加肯定会产生更高的附加值,“于是,就萌生了向教育机器人方向发展的想法。”

  机器人为代表的人工智??能技术的应用,加速了社会发展进步的步伐。机器人工程师队伍的逐渐壮大,都成为不可或缺的重要主力军。??

  卡内基梅隆大学(CarnegieMellonUniversity,下面简称卡梅或CMU)的机器人研究所(RoboticsInstitute)是整个计算机学院(SchoolofComputerScience)下属的一个系。它成立于成立于1979年,foundingdirector是RajReddy(图灵奖获得者,李开复的导师)和AngelJordan,最初资金来源为美国的西屋电气(该公司与特斯拉一起开拓了交流电的应用)。为方便讨论,我们简称roboticsinstitute为RI,它是当今世界上最大、最先进的机器人研究机构,是全球机器人研究的中心。其中,匹兹堡主校区部分占地约1万平米,负责技术转化的国家机器人工程中心NREC占地约1万平米,此外还有专门的测试场地RobotCity等。依托CMU在计算机方向的顶尖实力,RI曾创造了机器人发展史上的多个第一。RI现在的整体规模超过500人(包括研究生),有多位世界知名的机器人专家曾在RI工作过,如波士顿动力的founderMarcRaibert、获得KyotoPrize的TakeoKanada等人。

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