机器人及其相关工科专业课程体系

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前言

机器人工程专业是一个多领域交叉的前沿学科，涉及自然科学、工程技术、社会科学、人文科学等相关学科的理论、方法和技术。本文分析了传统（机械/自动化/计算机）和新兴（智造/AI）的工科专业的课程体系及它们与机器人工程之间的关系，作为工科专业人士的参考。

国内机器人专业设立时间较晚，大约在2015-2020年之间，国内高校才陆续开设机器人工程专业。在此之前，机器人通常作为传统工科专业（如机械、自动化等）的研究方向来研究，所以本文按照从传统工科专业到近年新兴的工科专业路线来分析。

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传统工科专业

机械工程

机械工程作为一级学科，其包含的二级学科有机械制造及其自动化，机械电子工程，机械设计及理论，车辆工程。四个二级学科在初期的培养方案中学习的专业基础知识是相同的，在后期专业课程上设置有所差别。

上图所示为机械工程大类学科培养方案，八个学期（T1-T8）的课程除了本科生的通识教育课程之外，主要有三条课程线和实践教学（绿色标记），实践教学仅仅围绕三条课程线。

这三条课程线分别是机线，力线，电线。机线始于制图（有的学校可能还有专业导论课），包括机械原理、机械设计、制造技术基础等。力线始于理论力学（偏机构），延伸到材料力学（偏结构），流体力学（液）等。电线包括电工电子、单片机、测试技术，还涉及控制理论等。

在培养方案末的模块课程，就是各个二级学科的模块课程了。以机械制造及其自动化二级学科为例，机械制造的专业模块课程主要包括工艺、刀具、夹具、机床等，主要是围绕制造装备与方法。

机械工程可以用来设计制造机器人本体，也可以作为理论去指导机器人的应用，如利用制造专业中的工艺方法去制定工业机器人加工零件的工艺流程。

自动化/控制工程

控制科学与工程在本科阶段称为“自动化”，研究生阶段称为“控制科学与工程”。学科下设有五个二级学科，其分别为：“控制理论与控制工程”、“检测技术与自动装置”、“系统工程”、“模式识别与智能系统”、“导航、制导与控制”。各学科关系参考：各二级学科的主要研究范畴及相互联系。

上图所示为同济大学的自动化专业的培养方案[1]，可以看出此专业涉及控制理论，电子技术、计算机信息技术等技术。

在此之上，进一步构建出系统与控制，机器人，人工智能，物联网这些共性技术平台。不同的共性技术平台侧重的知识体系有一定差异，每一个技术平台又能分化出不同的行业。

对于控制工程，更多的是为机器人工程提供软硬件和控制算法支持。

计算机科学与技术

计算机科学与技术是国家一级学科，下设信息安全、软件工程、计算机软件与理论、计算机系统结构、计算机应用技术、计算机技术等专业。

它是一门以计算机和计算科学为研究对象的学科，包括计算机硬件、软件、算法和网络等方面的知识。上图所示为北大的计算机科学与技术专业的培养方案[2]，与之前的专业类似，专业核心课之后就是对应不同具体方向的选修课程，包括算法类，软件类，系统类，智能类等。

计算机专业的编程语言和算法设计是机器人学中不可或缺的部分。

新兴工科专业

智能制造

智能制造是属于机械工程一级学科下新开设的二级学科，相对于传统的机械工程专业，在课程体系（如下图所示）中加入了机器人，人工智能，物联网，大数据等专业课程，将前沿技术引入到传统制造行业，为制造业转型贡献力量。

机器人通常作为智能制造的一个最小工作单元或者末端执行终端来运行和维护，为智能制造中的重要的一个节点。

人工智能

人工智能，是一个以计算机科学为基础，由计算机、心理学、哲学等多学科交叉融合的交叉学科、新兴学科，通常设立在计算机学院下。

上图所示北大的智能科学与技术专业的课程体系设置[2]，该专业的研究领域包括机器学习，计算机视觉，自然语言处理，语音识别，机器人等。

机器人在本学科更多的充当一个连接人工智能算法与物理世界的载体，该专业和机器人密切结合衍生出了如今大火的“具身智能”概念。

机器人工程

最后回到我们今天的主角：机器人工程，该专业是一个多领域交叉的前沿学科，涉及到了自然科学、工程技术、社会科学、人文科学等相关学科的理论、方法和技术。

核心课程包括机器人技术基础、运动学、动力学、控制、仿真、传感与检测、规划与导航、编程、系统集成等，强调实践和创新能力。

由于机器人工程属于多学科交叉学科，所以该专业可能被设置在不同的学院下面，那么就会出现不同院校的机器人工程专业的课程设置具有出入的现象。

如上图所示为北航的机器人工程（控制与感知方向）的课程体系[3]，此专业设置在机械工程一级学科下，其核心课程包含机，电，控制几个方面。

而下图所示的为华东理工大学的机器人专业课程体系（此处仅展示部分，完整版见文末参考链接）[4]，此专业设置在控制科学与工程一级学科下，其核心课程集中在人工智能，控制工程。

由此可见，机器人工程涉及到的知识范围十分庞大，不同院校的培养方案有一定的差异。

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总结

本文主要介绍了和机器人及其相关的传统（机械/自动化/计算机）和新兴（智造/AI）的工科专业的课程体系，并简单阐述这些专业和机器人之间的关系。这些课程体系是专业学习的基本框架，十分重要。虽然机器人现在已自成学科，但是这些学科和机器人工程之间是紧密关联的。

从这些工科课程体系中可以发现：
1 这些工科专业都需要数理基础，这些数理基础是想通的，无论专攻哪一方向，数理基础必须具备。
2 各专业的数理基础，专业的基础课，核心课，这些课程都是依次递进的（箭头明确展示了关系）。
3 这些工科专业并不是彼此独立的，而是彼此关联，对于具体的工程项目需要不同背景的人的合作。

在清楚了学科的知识体系之后，就有了框架，对于个体来说，不用面面俱到，但要有自己的擅长方向。

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Reference:

[1] 同济大学自动化专业培养方案：https://cse.tongji.edu.cn/ae/3f/c15894a306751/page.htm。
[2] 北京大学信息科学技术学院不同专业培养方案：https://eecs.pku.edu.cn/info/1083/5741.htm（包括计算机科学与技术专业，智能科学与技术专业等）。
[3] 北京航空航天大学机器人工程专业培养方案：http://www.me.buaa.edu.cn/info/1061/4964.htm。
[4] 华东理工大学机器人工程专业培养方案：https://jwc.ecust.edu.cn/_upload/article/files/73/df/039cfc9446d7bf87b2e668c55e54/f27dd8b7-a67f-4ab5-a3cd-ae15a0229582.pdf。