“双碳”目标下应用型本科高校机器人工程专业发展方向探索

郭霆 田泽宇 安少军 徐莉 孙婧

（1.黑龙江工程学院机电工程学院 黑龙江 哈尔滨 150050；2.黑龙江工程学院测绘工程学院 黑龙江 哈尔滨 150050）

2020年9月22 日，第75 届联合国大会上，中国宣布将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的长远伟大目标［1］。2021年，中华人民共和国第十三届全国人民代表大会第四次会议上，首次将“碳达峰”和“碳中和”写入国务院政府工作报告中，自此正式开启“双碳”元年［2-3］。

在工业化和城镇化快速发展的今天，对传统能源的需求与日俱增，并且仍然呈现出上升趋势。据统计，目前我国碳排放量占全球碳排放总量的19.12%，位居全球第一。如何能够既保证经济的稳定增长，又能在规定时间内实现“双碳”目标，成为亟待解决的问题，对我国具有重大的政治、经济意义。短期内，以能源结构优化、产业结构调整等手段，优化碳排放量。能源方面，以清洁能源代替传统能源；产业结构方面，淘汰落后产能，调整高排放产业结构；提高新能源汽车使用率，实现绿色交通。新能源是国家可持续发展重要战略之一。截至2019年，我国风电占比为2.9%，光伏发电占比约为5.4%，大量的电能依然来自于煤电，在电能产生过程中仍然存在着较大的碳排放量，占全社会碳排放的40%左右。从机器人专业培养方面提高电能利用效率进而降低能量损耗，从小的方面着手，助力我国“双碳”目标。

1 现阶段机器人工程专业发展方向

现阶段，机器人工程专业的隶属主要分为电气控制、自动化、计算机和机电控制四大类，不同的隶属关系间接决定了机器人工程专业人才培养方向的区别。机器人工程专业的人才培养主要方向为针对机器人二次开发及底层开发的计算机软件编程方向、机器人的电气控制理论方向、机器人的结构设计优化及控制理论等大的研究方向。课程的设计以计算机编程C 语言、控制理论、机电一体化等传统理论课程配合机器人运动分析、机器人编程语言等专业课程组成机器人工程专业的课程群，辅以工业机器人实验室作为课程实验基地，同时供学生进行实习、实训［4-6］。

就目前而言，我国对于机器人技术领域的研究起步较晚，并且机器人专业的设立及机器人工程方面的教学方式方法也相对滞后。早期机器人工程专业教育主要分为两类：一是研究型高校组成的精英培养模式，以哈尔滨工业大学为主的机器人研发；另一类是以高职高专院校为代表的应用型人才培养模式。随着《中国制造2025》［7］的提出，越来越多的高校设立机器人工程专业，并为国家培养相应人才。机器人工程专业知识体系面广，基础理论课程对线性代数及概率论要求较高，专业教材种类有限，理论基础知识内容具有较高的一致性，学生学习难度较大。目前，工业级机器人中仍以发那科、ABB等国外品牌为主，我国众多机器人企业投入大量人力、物力进行桌面级机器人开发并取得一定成果。然而，对于人才培养而言，不同的机器人厂商运用的机器人编程语言不甚相同，使得诸多高校有目的地选用ABB及发那科机器人作为实践教学使用，这样的情况显然不利于国产机器人厂商的持续发展。

2 “双碳”目标下机器人工程专业发展方向

目前，工业机器人实验室的建设中多以工业级机器人为主。以黑龙江工程学院为例，现有工业机器人实验室300m2，设备10 余台，其中，ABB 品牌大型工业级机器人3 台（打磨工作站、喷涂工作站和焊接工作站），如图1 所示，桌面级机械臂两套（江苏汇博机器人），PLC控制搬运机器人两套（江苏汇博机器人）。大型工作站通常采用350V电源供电，而小型桌面级机械臂为220V供电。众所周知，碳排放的本质就是能源的损耗。目前，风力发电和水力发电所产生的清洁能源远远不足以提供人们日常使用，因此，虽然电能属于清洁能源，但是产生电过程存在着大量的碳排放。基于此，将如何在机器人课程培养过程中降低碳排放作为探讨方向，本着“善小而为”的态度从自身做起，为我国“双碳”目标贡献微薄之力。

图1 实验室现有大型工业机器人工作站

将清洁能源工程教育理念融入机器人工程专业人才培养中来，清洁能源工程教育融合了生态文明、人文理念、哲学思想及社会科学等多学科，培养具有清洁能源工程能力的机器人工程专业人才是实现“双碳”目标的前提基础，能够有效应对全球新一轮科技产业革命带来的机遇与挑战［8］。基于以上思路，要求新时代清洁能源工程教育具有下列特征：首先，应培养具有生态文明和清洁能源循环利用的经济理念；其次，将清洁能源工程理念融入教学工作中，让学生在学习中打开思路，寻求清洁能源循环利用的方法；最后，要求秉持着可持续发展的理念，培养人与自然和谐发展的生态观［9］。

2.1 清洁能源工程课程体系设置

基于清洁能源工程理念，进行机器人工程专业人才培养方案的设置，将清洁能源理论融入课程体系中，以社会经济的可持续发展为己任，培养学生清洁能源工程意识。同时，掌握如何提高清洁能源的循环利用，进而提升能源效率降低能源损耗，实现“双碳”目标。在课程建设过程中，需要解决清洁能源工程与传统机器人工程难以相容的问题，实现两者的有机结合至关重要。初期阶段，拟在第一学期《机器人工程概论》基础理论课中加入清洁能源在机器人工程中应用章节内容，着重介绍未来能源发展方向，并启发学生如何在机器人行业中有效运用清洁能源；在第五学期，《机器人技术基础》课程中将清洁能源运用贯穿课程始终，通过课堂小组讨论、项目化方案引入的形式，让学生以项目为依托，分组讨论清洁能源在机器人行业中的应用前景和优化解决方案。经过第一学期的理论引导，通过之后两年的基础理论课程学习及对生态观自我认知的基础上，在第五学期，让学生进行自主讨论并形成讨论报告，以此种方式将清洁能源工程在机器人行业的应用深入骨髓，培养学生节能减排的意识，促进“双碳”目标的实现。

2.2 培养教师清洁能源工程意识

立足机器人工程专业教育，注重引导授课教师清洁能源工程意识，坚持将清洁能源理念融入课程，在授课过程中，潜移默化地将该理念传达给学生，具体可从以下方面着手。

（1）时刻关注国家关于节能减排、清洁能源运用的相关法律法规，熟悉国家绿色环保理念，及时将获取的信息进行梳理并传达给学生［10-11］。

（2）对知识体系进行更新完善。对于清洁能源的研究和探索，高校及科研院所都已展开大量研究，在此阶段，要求教师对自身知识体系及时进行更新完善、对教学内容进行调整、对教学方式方法进行改革，与时俱进，将最新知识理念传达给学生，帮助学生培养清洁能源工程理念，并将此运用在机器人工程行业领域。

（3）在具体教学过程中，将清洁能源工程理念贯穿课程始终，提高学生对清洁能源的认识，分析清洁能源在机器人行业应用前景及面临的问题和挑战，讨论清洁能源的应用对人文社会及可持续发展的影响。

2.3 教学方式方法的改革探索

对于机器人工程专业学生而言，高等数学和大学物理是基础必修课程，将基础理论课程所学内容与后续专业课程实际应用有机结合。动量定理、能量守恒定律、热量传递、能量传递过程中的热能损耗等问题往往停留在书本上，将这些晦涩的定理、定律与实际应用相结合，在课程实验、实训实践等环节。为学生切身讲授能力传递过程中的热能损耗是如何产生的，提示学生们开动脑筋。讨论如何有效降低能量传递过程中的热能损耗问题，有效提高能量传递效率。间接降低能源损耗，达到节能减排的目的，实现“双碳”目标的达成。

将传统的师生关系进行调整转变。对于工科学生而言，用实践来代替理论授课，培养学生的创新思维，课程未必要在教室去上，只有让学生更多接触实际工程、接触社会，才能更有效地培养创新思维，而不是被课程固化思维。课程可以在实验室上，也可以在工厂车间上，让学生课后学习理论知识，在实训实践的过程中获取知识，将工程实际应用与理论学习相融合，整理成每个人独特的学习笔记，并在课堂上将学习心得讲授给其他学生。在这个过程中，学生不但可以有自己独特的见解，还可以在分享心得的过程中了解其他学生对同样问题的不同理解和分析角度，拓宽视野，积累全新的知识储备。

2.4 实验室优化改造工程

以往实验室搭建是以用人方为本，培养专机专用人员。企业用ABB 的机器人，就采购ABB 的机器人，培养学生熟练使用ABB的机器人，使学生达到熟练运用的程度，为企业输送“即插即用”型人才。然而，现阶段，随着我国机器人研发精力的大量投入，越来越多的国产机器人进入不同领域进行实际生产工作。不同厂商之间机器人编程语言不尽相同，以往的“专机专用”人才培养模式并不适合未来的发展趋势，并且也不符合低碳环保的理念，传统的大型机器人采用350V电源进行供电，这无疑增大电能的消耗。据此，第一阶段，用小型化桌面级机器人来代替机器人实验室中工业级大型机器人（见图2），这将有效降低能源损耗，同时也为实训实践的学生提供更多的安全性保护，在有限的空间内布置更多的设备以供学生进行熟练操作。虽然不同厂商机器人语言不同，但是其语言本质都是C 语言，在学习的过程中，培养学生举一反三的能力，实现基于一种机器人的学习掌握一系列机器人编程技术的能力。第二阶段，将大学生创新型创业实训融入机器人实验室。运用增材制造技术，运用环保材料打印机器人模块，对现有电机进行优化改进，提升电机传动效率，进而降低能源损耗。第三阶段，用虚拟现实技术作为补充（见图3），搭建虚拟现实机器人实验室。大型机器人不便于拆装维护，然而，虚拟现实技术的完善可以有效弥补这一问题。通过机器人模型化配合虚拟现实技术，使学生可以在虚拟世界中进行大型机器人的安装、维护、调试等工作，既保证了安全性，又能达到动手操作的能力，在这一过程中，帮助学生更深入理解机械原理课程。

图2 桌面级工业机器人

图3 3D 打印教学机械臂

综上所述，要想建设以新能源为主体的数字化、智能化机器人实训实践基地，需要基于能源互联网，并有效结合大数据应用、云计算、人工智能及移动物联网等先进数智转型技术，优化机器人运动过程中的能量损耗问题，增强能量转换效率、可靠性等基本指标。

3 结语

随着国际社会对碳排放的严格要求，我国即时提出“双碳”目标。构建以新能源为主体的机器人实训实践基地，是实现“双碳”目标、遏制气候变暖的必然要求。随着发电侧清洁能源替代程度的深化、运行方式灵活化、供电需求品质化、市场机制多元化、能源利用高效化及能源生态数字化与运营管控智能化等趋势，本着“善小而为”的态度，从小事出发，从自身出发，从机器人工程专业发展方向出发，基于“双碳”目标，重新设置培养目标、优化师资队伍建设、完善知识体系更新、对现有实验室进行优化改造等方向，助力我国“双碳”目标的早日实现。