“雙碳”目標下應用型本科高校機器人工程專業發展方向探索

郭霆 田澤宇 安少軍 徐莉 孫婧

（1.黑龍江工程學院機電工程學院 黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江工程學院測繪工程學院 黑龍江 哈爾濱 150050）

2020年9月22 日，第75 屆聯合國大會上，中國宣布將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的長遠偉大目標［1］。2021年，中華人民共和國第十三屆全國人民代表大會第四次會議上，首次將“碳達峰”和“碳中和”寫入國務院政府工作報告中，自此正式開啟“雙碳”元年［2-3］。

在工業化和城鎮化快速發展的今天，對傳統能源的需求與日俱增，并且仍然呈現出上升趨勢。據統計，目前我國碳排放量占全球碳排放總量的19.12%，位居全球第一。如何能夠既保證經濟的穩定增長，又能在規定時間內實現“雙碳”目標，成為亟待解決的問題，對我國具有重大的政治、經濟意義。短期內，以能源結構優化、產業結構調整等手段，優化碳排放量。能源方面，以清潔能源代替傳統能源；產業結構方面，淘汰落后產能，調整高排放產業結構；提高新能源汽車使用率，實現綠色交通。新能源是國家可持續發展重要戰略之一。截至2019年，我國風電占比為2.9%，光伏發電占比約為5.4%，大量的電能依然來自于煤電，在電能產生過程中仍然存在著較大的碳排放量，占全社會碳排放的40%左右。從機器人專業培養方面提高電能利用效率進而降低能量損耗，從小的方面著手，助力我國“雙碳”目標。

1 現階段機器人工程專業發展方向

現階段，機器人工程專業的隸屬主要分為電氣控制、自動化、計算機和機電控制四大類，不同的隸屬關系間接決定了機器人工程專業人才培養方向的區別。機器人工程專業的人才培養主要方向為針對機器人二次開發及底層開發的計算機軟件編程方向、機器人的電氣控制理論方向、機器人的結構設計優化及控制理論等大的研究方向。課程的設計以計算機編程C 語言、控制理論、機電一體化等傳統理論課程配合機器人運動分析、機器人編程語言等專業課程組成機器人工程專業的課程群，輔以工業機器人實驗室作為課程實驗基地，同時供學生進行實習、實訓［4-6］。

就目前而言，我國對于機器人技術領域的研究起步較晚，并且機器人專業的設立及機器人工程方面的教學方式方法也相對滯后。早期機器人工程專業教育主要分為兩類：一是研究型高校組成的精英培養模式，以哈爾濱工業大學為主的機器人研發；另一類是以高職高專院校為代表的應用型人才培養模式。隨著《中國制造2025》［7］的提出，越來越多的高校設立機器人工程專業，并為國家培養相應人才。機器人工程專業知識體系面廣，基礎理論課程對線性代數及概率論要求較高，專業教材種類有限，理論基礎知識內容具有較高的一致性，學生學習難度較大。目前，工業級機器人中仍以發那科、ABB等國外品牌為主，我國眾多機器人企業投入大量人力、物力進行桌面級機器人開發并取得一定成果。然而，對于人才培養而言，不同的機器人廠商運用的機器人編程語言不甚相同，使得諸多高校有目的地選用ABB及發那科機器人作為實踐教學使用，這樣的情況顯然不利于國產機器人廠商的持續發展。

2 “雙碳”目標下機器人工程專業發展方向

目前，工業機器人實驗室的建設中多以工業級機器人為主。以黑龍江工程學院為例，現有工業機器人實驗室300m2，設備10 余臺，其中，ABB 品牌大型工業級機器人3 臺（打磨工作站、噴涂工作站和焊接工作站），如圖1 所示，桌面級機械臂兩套（江蘇匯博機器人），PLC控制搬運機器人兩套（江蘇匯博機器人）。大型工作站通常采用350V電源供電，而小型桌面級機械臂為220V供電。眾所周知，碳排放的本質就是能源的損耗。目前，風力發電和水力發電所產生的清潔能源遠遠不足以提供人們日常使用，因此，雖然電能屬于清潔能源，但是產生電過程存在著大量的碳排放。基于此，將如何在機器人課程培養過程中降低碳排放作為探討方向，本著“善小而為”的態度從自身做起，為我國“雙碳”目標貢獻微薄之力。

圖1 實驗室現有大型工業機器人工作站

將清潔能源工程教育理念融入機器人工程專業人才培養中來，清潔能源工程教育融合了生態文明、人文理念、哲學思想及社會科學等多學科，培養具有清潔能源工程能力的機器人工程專業人才是實現“雙碳”目標的前提基礎，能夠有效應對全球新一輪科技產業革命帶來的機遇與挑戰［8］。基于以上思路，要求新時代清潔能源工程教育具有下列特征：首先，應培養具有生態文明和清潔能源循環利用的經濟理念；其次，將清潔能源工程理念融入教學工作中，讓學生在學習中打開思路，尋求清潔能源循環利用的方法；最后，要求秉持著可持續發展的理念，培養人與自然和諧發展的生態觀［9］。

2.1 清潔能源工程課程體系設置

基于清潔能源工程理念，進行機器人工程專業人才培養方案的設置，將清潔能源理論融入課程體系中，以社會經濟的可持續發展為己任，培養學生清潔能源工程意識。同時，掌握如何提高清潔能源的循環利用，進而提升能源效率降低能源損耗，實現“雙碳”目標。在課程建設過程中，需要解決清潔能源工程與傳統機器人工程難以相容的問題，實現兩者的有機結合至關重要。初期階段，擬在第一學期《機器人工程概論》基礎理論課中加入清潔能源在機器人工程中應用章節內容，著重介紹未來能源發展方向，并啟發學生如何在機器人行業中有效運用清潔能源；在第五學期，《機器人技術基礎》課程中將清潔能源運用貫穿課程始終，通過課堂小組討論、項目化方案引入的形式，讓學生以項目為依托，分組討論清潔能源在機器人行業中的應用前景和優化解決方案。經過第一學期的理論引導，通過之后兩年的基礎理論課程學習及對生態觀自我認知的基礎上，在第五學期，讓學生進行自主討論并形成討論報告，以此種方式將清潔能源工程在機器人行業的應用深入骨髓，培養學生節能減排的意識，促進“雙碳”目標的實現。

2.2 培養教師清潔能源工程意識

立足機器人工程專業教育，注重引導授課教師清潔能源工程意識，堅持將清潔能源理念融入課程，在授課過程中，潛移默化地將該理念傳達給學生，具體可從以下方面著手。

（1）時刻關注國家關于節能減排、清潔能源運用的相關法律法規，熟悉國家綠色環保理念，及時將獲取的信息進行梳理并傳達給學生［10-11］。

（2）對知識體系進行更新完善。對于清潔能源的研究和探索，高校及科研院所都已展開大量研究，在此階段，要求教師對自身知識體系及時進行更新完善、對教學內容進行調整、對教學方式方法進行改革，與時俱進，將最新知識理念傳達給學生，幫助學生培養清潔能源工程理念，并將此運用在機器人工程行業領域。

（3）在具體教學過程中，將清潔能源工程理念貫穿課程始終，提高學生對清潔能源的認識，分析清潔能源在機器人行業應用前景及面臨的問題和挑戰，討論清潔能源的應用對人文社會及可持續發展的影響。

2.3 教學方式方法的改革探索

對于機器人工程專業學生而言，高等數學和大學物理是基礎必修課程，將基礎理論課程所學內容與后續專業課程實際應用有機結合。動量定理、能量守恒定律、熱量傳遞、能量傳遞過程中的熱能損耗等問題往往停留在書本上，將這些晦澀的定理、定律與實際應用相結合，在課程實驗、實訓實踐等環節。為學生切身講授能力傳遞過程中的熱能損耗是如何產生的，提示學生們開動腦筋。討論如何有效降低能量傳遞過程中的熱能損耗問題，有效提高能量傳遞效率。間接降低能源損耗，達到節能減排的目的，實現“雙碳”目標的達成。

將傳統的師生關系進行調整轉變。對于工科學生而言，用實踐來代替理論授課，培養學生的創新思維，課程未必要在教室去上，只有讓學生更多接觸實際工程、接觸社會，才能更有效地培養創新思維，而不是被課程固化思維。課程可以在實驗室上，也可以在工廠車間上，讓學生課后學習理論知識，在實訓實踐的過程中獲取知識，將工程實際應用與理論學習相融合，整理成每個人獨特的學習筆記，并在課堂上將學習心得講授給其他學生。在這個過程中，學生不但可以有自己獨特的見解，還可以在分享心得的過程中了解其他學生對同樣問題的不同理解和分析角度，拓寬視野，積累全新的知識儲備。

2.4 實驗室優化改造工程

以往實驗室搭建是以用人方為本，培養專機專用人員。企業用ABB 的機器人，就采購ABB 的機器人，培養學生熟練使用ABB的機器人，使學生達到熟練運用的程度，為企業輸送“即插即用”型人才。然而，現階段，隨著我國機器人研發精力的大量投入，越來越多的國產機器人進入不同領域進行實際生產工作。不同廠商之間機器人編程語言不盡相同，以往的“專機專用”人才培養模式并不適合未來的發展趨勢，并且也不符合低碳環保的理念，傳統的大型機器人采用350V電源進行供電，這無疑增大電能的消耗。據此，第一階段，用小型化桌面級機器人來代替機器人實驗室中工業級大型機器人（見圖2），這將有效降低能源損耗，同時也為實訓實踐的學生提供更多的安全性保護，在有限的空間內布置更多的設備以供學生進行熟練操作。雖然不同廠商機器人語言不同，但是其語言本質都是C 語言，在學習的過程中，培養學生舉一反三的能力，實現基于一種機器人的學習掌握一系列機器人編程技術的能力。第二階段，將大學生創新型創業實訓融入機器人實驗室。運用增材制造技術，運用環保材料打印機器人模塊，對現有電機進行優化改進，提升電機傳動效率，進而降低能源損耗。第三階段，用虛擬現實技術作為補充（見圖3），搭建虛擬現實機器人實驗室。大型機器人不便于拆裝維護，然而，虛擬現實技術的完善可以有效彌補這一問題。通過機器人模型化配合虛擬現實技術，使學生可以在虛擬世界中進行大型機器人的安裝、維護、調試等工作，既保證了安全性，又能達到動手操作的能力，在這一過程中，幫助學生更深入理解機械原理課程。

圖2 桌面級工業機器人

圖3 3D 打印教學機械臂

綜上所述，要想建設以新能源為主體的數字化、智能化機器人實訓實踐基地，需要基于能源互聯網，并有效結合大數據應用、云計算、人工智能及移動物聯網等先進數智轉型技術，優化機器人運動過程中的能量損耗問題，增強能量轉換效率、可靠性等基本指標。

3 結語

隨著國際社會對碳排放的嚴格要求，我國即時提出“雙碳”目標。構建以新能源為主體的機器人實訓實踐基地，是實現“雙碳”目標、遏制氣候變暖的必然要求。隨著發電側清潔能源替代程度的深化、運行方式靈活化、供電需求品質化、市場機制多元化、能源利用高效化及能源生態數字化與運營管控智能化等趨勢，本著“善小而為”的態度，從小事出發，從自身出發，從機器人工程專業發展方向出發，基于“雙碳”目標，重新設置培養目標、優化師資隊伍建設、完善知識體系更新、對現有實驗室進行優化改造等方向，助力我國“雙碳”目標的早日實現。