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1、 大话机器人讲义 目录目录封皮宣传文字.I内容提要.III封底文字.V序言.VII目录插图.XV表格.XXIII绪论.10.1机器人适应新形势需要.10.1.1工业 4.0.10.1.2中国制造 2025.20.2机器人教育现状.40.2.1美日机器人教育.40.2.2我国机器人教育.60.3新工科背景下的机器人学科.90.3.1新工科理念.100.3.2机器人学科发展.100.4本书结构.11第 1 章 众说纷纭，我才是机器人.131.1“机器人”词语的源头和内涵.131.1.1Robot 一词的来源.141.1.2机器人学的来源.151.2机器人的定义.171.2.1机器人的原始含义.17
2、1.2.2机器人的定义.181.2.3机器人相关学术期刊.221.3机器人的分类.23IX目录1.3.1按照应用场景分类.231.3.2按照移动性能分类.241.3.3按照驱动形式分类.271.3.4按照智能水平分类.301.3.5按照机械结构分类.311.3.6按照控制方式分类.351.3.7按照社交能力分类.371.4机器人组成部件和技术参数.381.4.1机器人组成部件.381.4.2机器人的性能指标.421.5本章小结.441.5.1本章内容总结.441.5.2问题思考.45第 2 章 前世来生，我并非机器.472.1从东西方科学技术谈起.472.2中国古代机器人记载.492.2.1记
3、载古代机器人的古籍.492.2.2战国之前的机器人记录.492.2.3秦汉至南北朝时期机器人.532.2.4隋唐至宋元时代机器人.592.2.5明清时期的机器人.632.2.6中国古代机器人总结.652.3国外古代机器人记载.672.3.1希腊神话中机器人的记载.672.3.2古希腊时期机械装置.682.3.314 世纪之前的记录.692.3.415-18 世纪期间的机器人.702.3.5机器人误入歧途.762.4现代机器人幻想.792.4.1科幻小说中的机器人.792.4.2电影作品中的机器人.81X目录2.4.3科幻作品中的技术反思.912.5本章小结.932.5.1本章内容总结.932.
4、5.2问题思考.94第 3 章 机器进化，我的前半生.953.1总体发展历程.953.2第一代机器人时期.973.2.1工业机器人走向应用.983.2.2机器人运动学理论发展.993.3第二代机器人时期.1013.3.1早期的感知型机器人.1013.3.2信息技术推动工业机器人实用化.1053.3.3工业机器人走向成熟的 1980 年代.1073.3.4服务机器人应用的 1990 年代.1113.4第三代机器人时期.1143.4.1图灵和人工智能.1153.4.2早期的智能机器人.1163.4.3典型的人工智能系统.1183.4.4仿人智能型机器人.1213.5智能机器人关键技术.1293.5
5、.1多传感器信息融合.1293.5.2导航与定位.1303.5.3路径规划.1313.5.4智能控制.1323.5.5人机接口技术.1353.6中国机器人的发展历程.1373.6.11970 年代萌芽期.1373.6.21980 年代开发期.1383.6.31990 年代实用化期.1393.6.421 世纪高速发展期.1403.7本章小结.143XI目录3.7.1本章内容总结.1433.7.2问题思考.144第 4 章 无处不在，我向人回归.1454.1全球机器人战略.1454.1.1各国机器人战略.1454.1.2中国机器人市场.1474.2工业机器人.1484.2.1全球工业机器人市场.1
6、484.2.2搬运机器人.1514.2.3焊接机器人.1544.2.4装配机器人.1584.2.5打磨抛光机器人.1644.2.6智能化产线.1654.3服务机器人.1674.3.1家用服务机器人.1684.3.2医疗服务机器人市场.1734.3.3外科手术机器人.1734.3.4国产医疗机器人.1764.3.5康复机器人.1784.3.6人工智能诊疗系统.1854.3.7公共服务机器人.1884.4特种机器人.1934.4.1救援机器人.1934.4.2军用机器人.1974.4.3水下机器人.2044.4.4微型机器人.2114.4.5无人机及无人驾驶车.2134.5本章小结.2174.5.
7、1本章内容总结.2174.5.2问题思考.218XII目录第 5 章 机器或人，谁是我的未来.2195.1机器人未来发展方向.2195.1.1机器人发展图景.2205.1.2向机器属性发展.2215.1.3向人的属性发展.2235.2未来具有前景的机器人技术.2255.2.1软体机器人技术.2265.2.2液态金属机器人.2275.2.3纳米医疗机器人.2275.2.4生机电和脑电控制机器人.2295.2.5会话式智能交互机器人.2315.2.6情感和两性机器人.2325.3机器人伦理问题.2365.3.1机器人伦理事件.2365.3.2机器人伦理学形成.2415.3.3机器人伦理学研究焦点.
8、2445.3.4机器人技术伦理问题的对策.2495.4本章小结.2545.4.1本章内容总结.2545.4.2问题思考.255附录 机器人与人工智能相关的学术期刊.257A.1 机器人学术期刊.257A.2 机器人国际会议.260附录 机器人发展编年事件.263附录 工业机器人发展编年事件.271参考文献.283作者简介.307XIIIThis page is intentionally left blank.插图插图1工业 1.0 到 4.0 的发展历程.21.1Karel Capek and Isaac Asimov.141.2作家卡佩克机器人剧作的海报.151.3电影I,Robot中剧照
9、.161.4古今中外关于机器人的需求对比.181.5按照移动性能进行分类.241.6汽车制造中使用的喷涂和焊接机器人.251.7搬运机器人举例.251.8各种足式机器人.261.9广泛应用在工厂和物流系统的 AGV 实例.261.10 移动工业机器人.271.11 按照机械结构分类图.321.12 直角坐标系机器人及其操作空间.321.13 直角门架型机械臂.331.14 圆柱和球面坐标型机器人.331.15 SCARA 机器人和关节型机器人.341.16 闭运动链的并联机器人.351.17 按照社交能力分类.371.18 机器人系统构成.381.19 机器人系统构成.381.20 谐波减速器
10、组成.391.21 刚体自由度示意图.431.22 机器人定位精度示意图.432.1李约瑟及中国科学技术史.482.2黄帝造指南车.502.3偃师造人故事图.51XV插图2.4战国时期的木质飞鸟.522.5张衡和侯风地动仪.542.6浑天仪和计里鼓车.542.7龙骨水车.552.8木牛流马.562.9指南车和记里鼓车.572.10 宋元时期的自动机械计时装置.622.11 西方古代机械.682.12 古希腊的希罗汽转球.692.13 达 芬奇设计的装甲车.712.14 达 芬奇设计的机关枪.712.15 达 芬奇设计的飞行器.722.16 达 芬奇设计的机器武士.732.17 16 世纪的美女
11、机器人和机械修道士.742.18 18 世纪瓦克逊发明和报时鸟.742.19 瑞士博物馆中保存自动玩偶.752.20 射箭童子和土耳其机器人.762.21 雅卡尔提花机.772.22 蒸汽机器人和遥控船.782.23 挤奶机器人和电波机器人.782.24 未来的夏娃.802.25 钢穴剧照.812.26 星球大战中的机器人.822.27 变形金刚动画.822.28 变形金刚中文海报.832.29 Michael Knight and Kitt.832.30 终结者中的机器人形象.842.31 机器人警察.852.32 机器人总动员.852.33 人工智能电影照片.862.34 机械姬海报.87
12、XVI插图2.35 机器人女友和机器人管家.872.36 阿童木和魔神 Z.882.37 铁人 20 号和高达.882.38 哆啦 A 梦剧照.892.39 圣斗士的各类圣衣.902.40 美少女战士和猪猪侠.902.41 钢铁侠的部分剧照.902.42 未来警察中形象.912.43 魔幻手机剧照.923.1早期工业机器人原型.963.2George Devol 和 Joseph Engelberger.983.3Unimate and Verstran.993.4D-H 方法示意图.1003.5MH-1 机械手及传感器布置.1013.6Stanford Arm,PUMA and Stanfo
13、rd Cart.1023.7Kuka 开发的六轴工业机器人.1033.8日本开发的感知型机器人.1043.9微型计算机控制的工业机器人.1053.10 走向成熟的工业机器人.1063.11 第一台直驱机械臂.1083.12 新型结构工业机器人.1083.13 Delta 机械臂发展.1093.14 机器人控制系统.1103.15 欧美早期服务机器人.1113.16 美国 90 年代服务机器人.1123.17 早期的仿人机器人.1133.18 油画创世纪.1143.19 图灵和图灵碗.1153.20 图灵测试示意图.1163.21 Beast and Shakey.1173.22 McCarth
14、y 手眼体统及语音处理原理图.118XVII插图3.23 智力竞猜和基金经理机器人.1193.24 搭载人工智能的机器人.1193.25 AlphaGo 与围棋高手对战.1203.26 Honda P2 robot.1223.27 Honda new type humanoid robot-P3 and ASIMO.1223.28 HRP-2 系列机器人.1233.29 Humanoid robot Robovie.1233.30 French robot BIP2000 and Germany ARMAR.1243.31 Cog,a upper torso humanoid robot by
15、 MIT.1253.32 世界知名的仿人机器人.1263.33 三种国产仿人机器人.1273.34 清华大学 THBIP-1.1273.35 哈尔滨工业大学仿人机器人.1283.36 脑机接口示例.1363.37 脑机接口技术模型图.1373.38 脑机接口在康复机器人中应用.1373.39 中国机器人之父-蒋新松院士.1383.40 国产生产线和深潜器.1413.41 国内仿生机器人研究.1414.12017 年全球机器人市场结构.1464.2历届世界机器人大会展品.1484.3全球工业机器人销量及使用情况（数据来源：IFR）.1494.4ABB 生产的四轴和六轴机器人.1524.5川崎重工
16、和德国酷卡的搬运机器人.1524.6Delta 并联搬运机器人.1534.7AGV 应用实例.1534.8韩国固定焊接机器人 DANDY.1544.9Dong-eui University 的 RRX 3 机器人.1554.10 Rail runner 船舶焊接机器人.1554.11 船体焊接机器人.1564.12 白车身焊接机器人应用.157XVIII插图4.13 FANUC R-2000iB.1584.14 FANUC 定制化柔性化装配生产线.1594.15 电器行业装配机器人.1594.16 ABB 和 Rethink Robotics 双臂机器人.1604.17 国内双臂机器人.160
17、4.18 北京同仁堂引进 IRB 360 并联机器人.1614.19 Epson SCARA 机器人.1624.20 装配/拆卸机器人系统.1624.21 宏微轴孔装配机器人.1634.22 6 机械手宏微装配系统.1634.23 微装配机器人实例.1644.24 机器人夹持工件方式.1654.25 机器人夹持工具方式.1654.26 美的智能工厂.1664.27 西门子成都数字化工厂智能化产线.1674.28 中国 65 岁以上老龄人口统计.1674.29 不同造型的 AIBO 机器狗.1684.30 Twendy-One 为早稻田大学藤井裕久准备早餐.1694.31 AR 和 Pepper
18、 机器人.1694.32 美国推出的实用型家用机器人.1704.33 韩国推出的家用服务机器人.1714.34 科沃斯推出的扫地和擦玻璃机器人.1714.35 小米和百度推出的家庭服务机器人.1714.36 光伏面板表面清洁机器人.1724.37 中电博顺推出的光伏清洁机器人系统.1724.38 达芬奇微创外科手术机器人系统.1744.39 Computer Motion 公司研制的 Zeus 机器人辅助医疗系统.1764.40 黎元手术机器人现场.1774.41 北京航空航天大学开发的医疗服务机器人.1774.42 天津大学开发的妙手机器人.1784.43 国内外工业型医疗机器人.178XI
19、X插图4.44 全球康复机器人销售预测.1794.45 智能假肢.1804.46 脑机互适控制.1804.47 早期外骨骼机器人探索.1814.48 伯克利研制的 BLEEX 外骨骼机器人.1814.49 两款军用的外骨骼机器人.1824.50 哈弗大学研制的 Exosuit 外骨骼机器人.1824.51 HAL 外骨骼机器人.1834.52 中科院常州所研究的 EXOP 系列.1844.53 电子科技大学开发的外骨骼机器人.1844.54 傅里叶智能科技推出的 Fourier X1.1854.55 人工智能+移动互联网+医疗诊断模式框架图.1864.56 医疗人工智能.1874.57 两款银
20、行机器人.1894.58 三款公共服务机器人.1904.59 AI 合成主播.1904.60 公共服务类机器人涉及的相关技术.1914.61 两款美女机器人.1934.62 911 事件中使用的 8 种救援机器人.1944.63 日本开发的救援机器人.1954.64 沈阳自动化所的两款救援机器人.1954.65 中国矿业大学的煤矿救援机器人.1964.66 国内工业界开发的救援机器人.1964.67 美国军用地面机器人标准试验场.1974.68 美军投入到阿富汗战场的机器人.1984.69 美军开发的两款足式军用机器人.1984.70 美俄两款战斗机器人.1994.71 美国两款无人战斗机.2
21、004.72 欧俄两款无人战斗机.2014.73 前苏联研制的月球探测车.2014.74 美国空间机器人应用.202XX插图4.75 早期空间机器人.2024.76 NASA 和日本开发的机器人宇航员.2034.77 中国开发的两款军用机器人.2034.78 嫦娥三号（左）和玉兔号（右）.2044.79 Nereus HROV 和 Nereid UI.2054.80 挪威和日本的水下机器人.2064.81“潜龙”系列水下机器人.2074.82 探索、发现和北极.2084.83 仿生机器鱼.2094.84 北航仿生机器鱼.2104.85 国内机器鱼举例.2104.86 各种类型的微型机器人.21
22、14.87 两款微型无人机.2124.88 两款磁致驱动纳米螺旋机器人.2124.89 大疆无人机在爸爸去哪儿中.2134.90 卡耐基梅隆大学研发的 Navlab 系列.2154.91 谷歌和特斯拉开发的无人驾驶汽车.2164.92 国内两款无人驾驶汽车.2175.1机器人发展图景.2205.2机器人未来发展方向预测.2215.3人机协作概念示意图.2225.4软体机器人实例.2265.5Lius liquid metal motor.2275.6纳米机器人在医疗中应用.2285.7纳米医疗机器人.2295.8肌电/脑电控制机器人实例.2305.9MIT 脑电控制 Baxter 机器人.23
23、05.10 语音识别原理及实例.2325.11 人工情感和情感机器人.2335.12 面部表情机器人 Probo.2345.13 Probo 的面部表情.234XXI插图5.14 情感机器人产品.2355.15 性爱机器人产品.2365.16 软件引起的医疗事故责任.2395.17 Roboethics logo.242B.1机器人发展史上的重大历史事件.264C.1工业机器人发展史上的重大历史事件.272XXII表格表格1.1按照智能水平对机器人分类.311.2机器人感觉系统分类表.403.1机器人发展历程.973.2国内典型工业机器人企业.1434.12010 年全球先进机器人排行榜.14
24、64.2五国机器人产业发展战略类型对比.1474.3四大机器人企业特点比较.1494.4国内汽车商焊接机器人供应情况.1574.5国内公共服务机器人企业特点.1924.6无人机类型及其特点.2144.7无人驾驶汽车分级.2165.1人工情感表达机器人.233XXIIIThis page is intentionally left blank.绪论绪论也许我们还不知道，机器人正在悄悄地走近我们，也正在缓缓地改变着我们。比尔 盖茨曾预言，机器人将像个人电脑一样无处不在。站在今天，我们已经可以清晰地预感到他预言的准确性。可以想象有一天，我们和机器人站在一起讨论工作，或者与机器人讨论下班后晚饭吃什么，
25、那将是怎样的场景呢？我们是否做好这样的心理准备去迎接机器人时代的到来呢？不管我们是否做好准备，机器人时代都如期的到来了，而且就围绕在我们身边。不经意间，我们走进银行或者酒店，迎面服务的居然是机器人；我们会在淘宝上挑选一款适合孩子早教的机器人，也会购买一台打理地面的家庭清扫机器人。正如 30 年前的计算机和移动电话一样，机器人将影响和改变着我们的生活，甚至影响当今社会结构。20 年前的中国，如果谁拥有一台计算机，那么他要么是从事计算机工作，要么就是计算机狂热者，而今计算机已经成为许多人不可或缺的家用和工作必需品。20 年前的中国普通百姓会想到计算机会这么近的走进他们的生活吗？而移动电话则更加普及
26、性地影响和改变人们的生活方式，甚至在偏远的山区也会有一位老妈妈对着手机与远在北京、上海的孩子视频通话，弥补她那渴望儿女的热切之心。机器人也将像计算机和移动电话一样改变着我们未来的生活，而且其改变力度和程度可能更甚于它们。这源于机器人是这个时代众多科技的集成品和综合体，也必将以一种更加广泛和更加深入的方式影响着人类。0.1机器人适应新形势需要机器人适应新形势需要全球范围内正在掀起了新一轮科技革命和产业变革热潮，无论是在专家、学者的论文中，还是在媒体报道或政府文告中，工业 4.0、大数据、互联网+、物联网、智能化、云计算、3D 打印、人工智能等词汇频繁出现，已成为社会各界关注的焦点1。机器人也伴随
27、着新一轮科技革命成为我们生产生活中不可或缺的部分。0.1.1工业 4.02008 年金融危机后，各国为提振经济以及在新一轮工业革命中占据制高点，纷纷提出了再工业化战略。其中最著名的就是德国提出的工业 4.0（Industrie 4.0）。2011 年，汉诺威工业博览会上，德国人工智能研究中心董事兼行政总裁沃尔夫冈 瓦1表格尔斯特尔（Wolfgang Wahlster）提出，要在制造领域广泛应用物联网和服务网络等现代媒介，通过生产方式的变革推动第四次工业革命，即所谓“工业 4.0”的最初概念，2013 年 4月德国推出了德国工业 4.0 战略，并在汉诺威工业博览会上正式发布了“工业 4.0”2，
28、将工业发展分成了四个连续阶段，如图 1所示。从工业 1.0 到 4.0 其主要技术特征分别是Industrie 1.0?Industrie 2.0?Industrie 3.0?IT?Industrie 4.0?图 1工业 1.0 到 4.0 的发展历程机械化、自动化、信息化和网络化1。工业 4.0 强调通过信息网络与物理生产系统的融合来改变当前的工业生产与服务模式。德国希望在未来 10-15 年德国整体工业将逐渐从 3.0向 4.0 转变。信息技术指数级增长、数字化网络化普及应用和集成式智能化创新等三大驱动力作用下，工业 3.0 转换到工业 4.0，从而带来了新一轮工业革命。工业 4.0 的核
29、心技术是信息物理系统（Cyber-Physical Systems,CPS），其概念由美国国家自然基金委员会于 2006 年提出，主要强调 Computing、Communication 和 Control 的融合3。CPS 是实现了多个软件对多个硬件控制的网络，利用物联网、传感器的无线连接和感知功能来实现对工厂和企业的控制和管理。CPS 可将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起，将生产工厂转变为一个智能环境4。在 CPS 系统中，生产设备不再只是“加工”产品的设备，而是拥有智能功能的物联网节点；机器人就是 CPS 系统关键的智能节点之一，是实现智能车间和智能工厂的关键环节。0.1.2中国制造
30、 20252018 年 5 月 8 日，国务院印发“中国制造 2025”，部署全面推进实施制造强国战略。其指导思想是：坚持走中国特色新型工业化道路,以促进制造业创新发展为主题，以提质工业 4.0 是德国对世界工业发展历史的划分，与其他国家流行的第三次工业革命不同；2014 年 6 月 9 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲话指出，机器人革命有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点。2表格增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次多类型人才培养
31、体系，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越5。中国制造 2025战略举措之一高端装备创新工程以十大领域重点突破，其中就包括高档数控机床和机器人。我国未来十年将重点围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。五大工程之一的智能制造工程指出，紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程
32、应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。2016 年，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部等三部委联合印发了机器人产业发展规划（2016-2020 年），推动“十三五”期间机器人及其产业的发展。规划指出，机器人产业发展要推进重大标志性产品率先突破。在工业机器人领域，聚焦智能生产、智能物流，攻克工业机器人关键技术,提升可操作性和可维护性,重点发展弧焊机器人、真空（洁净）机器人、全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人、重载 A
33、GV等 6 种标志性工业机器人产品，引导我国工业机器人向中高端发展。在服务机器人领域，重点发展消防救援机器人、手术机器人、智能型公共服务机器人、智能护理机器人等 4 种标志性产品，推进专业服务机器人实现系列化，个人/家庭服务机器人实现商品化。面对新一轮技术革新，德国工业 4.0 和中国制造 2025 虽然应对略有不同，基本核心关键是一致的，即制造业与信息技术和网络技术的深度融合。世界其他各国也纷纷提出应对策略。美国奥巴马政府于 2011 年 6 月出台了先进制造伙伴计划（Advanced Manufactur-ing Partnership,AMP）确定关键领域包括机器人和先进材料等；英国于
34、2013 年 10 月推出了英国工业 2050 战略，提出通过融合技术、产品和生产网络，促进制造业升级；日本于 2014 年 9 月，出台日本制造业白皮书，提出向知识密集型的高端制造业转型；2015年 5 月，日本政府设立了“机器人革命行动协议会”；韩国提出了工业 4.0 战略实施建议资料来源：百度百科中国制造 2025资料来源：百度百科机器人产业发展规划（2016-2020 年）3表格书将制造业和信息化融合6,7。可以看出，世界各国应对新一轮技术变革，核心直指工业化与信息化相融合的新型制造业，机器人在制造业转型过程充当着极其关键的角色。在这一轮的技术变革中，以移动互联网与大数据服务、医疗健康
35、与物联网、新能源与智能交通自动化、机器人与智能制造等为代表的科技创新正在改变世界的技术发展方向、产业竞争格局与社会组织结构，这一交错融合的科技浪潮引起了制造模式、生活方式、军事作战形态等的变化8。制造业数字化网络化智能化（即智能制造）是这一轮工业革命的核心5。而智能制造的关键环节就是机器人，将替代人力最终实现“无人工厂”。信息与互联网、新材料与新能源、自动化与人工智能等技术发展以及多学科前沿交叉理论与技术进步，必将拓展机器人的应用领域，并衍生出与机器人相关的新概念、新理论和新方法。0.2机器人教育现状机器人教育现状在工业 4.0 和中国制造 2025 战略的政策激励下，我国工业进入到“智能+”
36、时代，机器人产业发展迈入快车道。但机器人专业人才匮乏成了制约产业发展的瓶颈，据教育部、人社部与工信部发布的制造业人才发展规划指南的预测，到 2020 年我国高档数控机床和机器人领域人才总量需求为 750 万，缺口达到 300 万，到 2025 年，人才总量需求为900 万，缺口将进一步扩大到 450 万。通过对比 2013 年和 2015 年数据，机器人相关职位硕博高学历层次人才需求同比增长率为 117.1%，本科学历阶层人才需求同比增长率为154.5%，大专及以下学历阶层的人才同比增长率为 277.0%9。可见，加强机器人教育对填补未来人才缺口有着重要的意义。0.2.1美日机器人教育美国高校
37、的机器人教育，主要呈现以下两个趋势，一是开设相关课程，二是将机器人作为课程学习的平台，运用到教学中去，更增强了学生动手实践的能力10。麻省理工学院涉及机器人教育的课程包括认知机器人学、机器人学导论、自控机器人设计竞赛、机器人编程竞赛，结合各个专业所需以及机器人应用领域，开设在航空航天学、机械工程学和电气工程与计算机等学科专业中11。而俄勒冈州立大学则将机器人作为学习平台，其电子工程与计算机科学系在电子概念导论、电子基础、数字逻辑设计、信号与系统、计算机原理与汇编语言、机械设计等课程中使用 TekBot 机器人作为学习平台，加强课程连贯性，将课堂学习理论应用到机器人设计与开发中11。面向基础教育
38、方面，美国从中小学学习编程、撰写程序和机器人控制，同时锻炼孩子资料来源：http:/ 1980 年，日本便将机器人产业定位为前沿技术产业，并面向专业技术人员，由企业、产业机器人工业协会或培训机构等开展技术研修。80 年代，日本大学及科研院所中鲜有机器人相关专业，多在机械工学等学科中开展相关的教研活动，比较具有代表性的是名古屋大学电子机械专业和早稻田大学机械工学专业。随着技术的发展，信息技术等学科也逐渐开始增设相关研究，如东京大学机械学院新建机械信息工学专业、庆应義塾大学理工学院设立系统设计工学专业等。1996 年，日本首个机器人学科在立命馆大学理工学部成立，代表着机器人正式作为独立学科出现在高
39、等教育中12。而且，日本每所大学都有较高水准的机器人研究会，每年定期举行机器人设计和制作大赛13。日本机器人高等教育，以千叶大学较为典型。大学本科阶段开设机器人启蒙课程或机器人基本原理，旨在让学生普遍了解机器人基础理论；在研究生阶段则开设高级机器人学，涉及专业面也较广，包括机械、电气、航空航天等。同时与俄勒冈州立大学类似，机器人作为学习平台，普遍应用于千叶大学的课程中，包括电子元件、电路基础、数字逻辑、信号工程、计算机原理、工程机械设计等课程。同时千叶大学也十分重视机器人伦理素养的培养，率先颁布了日本千叶大学机器人宪章，以维护、保全地球生态系统平衡为理念，积极促进机器人的研究开发与技术教育14
40、。日本机器人教育呈现低龄化，初期以高等教育为主，逐步向中学教育过渡。到 1988 年NHK（日本放送协会）和全国中专联合会主办机器人竞赛，到 1991 年起成为全日本所有中专均参赛的全国盛会。面向中学生的机器人竞赛则有由文部科学省与产业教育振兴中央会等主办的高中生机器人竞技大会及由全日本技术家庭科研究会举办的全国中学生机器人竞赛等。1998 年，文部科学省将编程列为日本中学必修内容，调查结果显示，到 2004年日本 23%的中学在技术家庭科目中开展机器人教育。另外，日本企业也积极参与教育活动，如 2017 年日本软银机器人有限公司投入 58 亿日元实施“Pepper 社会贡献项目”学校挑战，将
41、旗下的人形机器人产品“Pepper”无偿借给各地区 282 所公立中小学，开展中小学的编程教育应用研究12。5表格0.2.2我国机器人教育我国机器人教育起步较晚，从研究机构来看，有关机器人教育的研究大多存在于各大高校，且多为师范大学和工程类大学，开设机器人教学课程的高校数量较国外高校少很多15。同时也有一部分职业技术院校开展了相关研究，中小学校的研究力量相对薄弱。但目前研究力量中知名大学相对较少，有的大学才刚刚引进机器人教育。机器人教育是学校对学生进行工程教育的重要抓手,在各类学校开展机器人教育，研究机器人的教育价值，对加快教育改革和机器人教育的发展，提高学生的创新能力和跨学科整合能力的发展具
42、有重要的现实意义16。0.2.2.1中小学机器人教育我国中小学机器人教育可追溯到 2000 年，北京景山学校以科研课题的形式将机器人纳入到信息技术课中，率先开展中小学机器人教育。2001 年，上海市西南体育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”形式进行机器人知识普及。随后，越来越多的学校开展了机器人实践教育，主要有竞赛模式或兴趣小组两种模式17。2001 年，中国科学技术协会面向中小学举办了首届中国青少年机器人竞赛18，到 2016 年整合为现在的机器人综合技能比赛、机器人创意比赛、FLL 机器人工程挑战赛、VEX 机器人工程挑战赛和 WER工程创新赛五个竞赛项目，普及和培养青少年的机器人
43、知识和素养。教育部于 2003 年 4 月颁布了普通高中技术课程（实验）标准，首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人”模块，基于计算机技术的学习平台，将机械传动与单片机应用有机组合。同年，教育部将中小学机器人比赛纳入“全国中小学电脑制作活动”；同时普通高中新课程也将“人工智能技术及简易机器人制作”列入选修内容。据调查，大多数中学都开展了机器人教育，但是其开展的主要形式基本上为参加各类机器人竞赛。由于器材场地经费等因素的限制开设了机器人课程的学校多集中在中发达城市，偏远地区的一些乡村学校几乎没有开设该课程19。中小学机器人教育正面临着受众面过于狭窄、区域分布呈现出显著的差异性、在具体实施过程
44、中还普遍存在着流于形式和不受重视的困境20。其主要问题体现在：主要以竞赛为主，没有充分调动学生的主动性，缺乏机器人素养培训；机器人教育的专业师资队伍短缺（贫困欠发达地区尤为严重）；机器人教育课程和基础教学条件不足；机器人教育评价体系不完善20,21。随着智能时代的到来，教育部门高度重视机器人教育，2017 年 7 月国务院颁布的新资料来源：http:/robot.xiaoxiaotong.org/index.aspx6表格一代人工智能发展规划明确指出，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。2018 年 1 月教育部发布的普通高中课程方案和语文等学科课程标准(2017 年版)，在通
45、用技术课程中增加了“机器人设计与制作”模块，涉及计算机、程序设计、传感器等。以上文件的颁布意味着我国机器人教育在大众化、普及化层面迈入新时代。0.2.2.2高校机器人教育我国高校机器人教育起步也较晚，开设机器人教学的高校数量和课程数量都较美日等机器人教育发达国家要少，而且大部分为工科院校。清华大学机械工程专业开设机器人工程基础及应用，自动化系开设专业课程人工智能和实践课程机器人控制综合实验；华中科技大学开设机器人技术基础面向机械、材料、能源和自动化等专业。北京理工大学开设工业机器人技术，实验课程机器人系统测试，两门课程均为机械工程学科中与机电控制相结合的专业模块课；中南大学为机电一体化专业开设
46、机器人学基础；兰州大学面向工科开设大学教学机器人课程，是机器人教育普及性质的14。青海大学自 2012 年起，首先为机械设计制造及其自动化专业开设机器人技术基础选修课程，而后拓展至机械电子工程专业。国内大部分高校机器人课程设置均在机械、自动化等专业，而被电气工程、材料工程、计算机应用、能源等专业列入到选修课程。随着机器人被广泛应用，本科专业设置成为诸多国内高校的期待。2016 年 3 月，教育部批准东南大学自动化学院设立机器人工程（080803T）四年制本科专业，成为首个机器人本科专业，培养目标为以机器人为核心的自动化生产线、成套设备设计、研发和应用系统工程师。随后，安徽工程大学机械工程学院也
47、设置了机器人工程专业，至此机器人工程专业作为国内本科专业而正式名列教育专业名录，2017 年已增至 60 所，涵盖“双一流”建设高校及高职院校22。2018 年，机器人工程专业成为热门专业。随着机器人教育内涵的不断延伸，仅仅局限于机械工程、电子信息、计算机等少数几个学科及其专业的机器人教育并不能很好的体现现代高等工程教育的“大工程”观。纵观近年来机器人技术的发展，机器人正在从工业环境逐步渗透到家庭服务、娱乐、医疗辅助、公共服务等社会环境。自 1989 年以来，机器人技术在生物（仿生性能）、感知方面的进步趋势正逐步超越计算机、机械和电子工程等传统优势学科23，然而我国高校在医学、能源工程、环境科
48、学、生物工程、材料科学等学科专业中却开展的机器人教育极其匮乏，无法适应机器人跨学科、跨领域的交叉发展特点24。而随着机器人应用领域的不断拓展，所有资料来源：百度百科机器人工程专业7表格专业的学生都可以从机器人感知和机器人文化的角度出发，对机器人在人类社会演进历程进行认知，了解机器人在当代工业、农业、社会服务和军事等范围内发挥的作用，分析和评价机器人技术和机器人文化的进步对人类社会和经济产生的影响24。因此，多维度的机器人技术传递和文化教育，对于引导学生之间进行跨学科、跨专业的交流和创新具有重要的推动作用。高校机器人教育另一种重要形式就是各类竞赛。国际上机器人公开赛，面向大学生最有影响力的是机器
49、人足球竞赛。机器人足球竞赛组织包括 FIRA（Federation of InternationalRobot Soccer Association,FIRA）组织和 Robocup 联合会。FIRA 是由韩国创办的组织，自1996 年开始共举办了 7 届赛事，足迹遍及亚洲、欧洲、北美洲、大洋洲，成为各类国际机器人竞赛中最具水平和影响力的赛事之一。FIRA 中国分会于 2000 年在哈尔滨工业大学成立，到 2011 年共举办了 13 届全国机器人锦标赛，从 2012 年开始，与国际仿人机器人奥林匹克大赛合并为“全国机器人锦标赛暨国际仿人机器人奥林匹克大赛”。Robocup(RoboticWor
50、ld cup)联合会成立于 1992 年，1996 年在日本举行了一次表演赛，获得了很大成功。Robocup 活动包括学术会议、机器人世界杯、RoboCup 挑战计划、RoboCup 教育计划等。机器人足球世界杯是 RoboCup 活动的中心，包括小型机器人比赛、中型机器人比赛、Sony有腿机器人比赛、仿真机器人比赛等25。教育部主办的中国机器人大赛暨 RoboCup 公开赛是中国目前最具影响力，最权威的机器人技术大赛，基本覆盖了中国最高级别的机器人专家和学者，其中最为吸引人的还是 Robocup 足球机器人比赛。国际机器人竞赛还包括机器人灭火竞赛、国际机器人奥林匹克竞赛（Internatio