浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养

机器人学家 2016-09-23
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作者简介:

贾振中,清华本科,美国密歇根大学博士,如今Carnegie Mellon University – Robotics Institute (RI) 从事博士后研讨(Mentor:Matt Mason,曾担任RI director)。

王鸿博,清华本科,日本东北大学博士(导师:Kazuhiro Kosuge,曾担任IEEE Robotics and Automation Society主席),现为西北工业大学教师。

作者注:

这篇文章首要依据在本年7月西安举行的 “智能年代我国核算机类专业教育改革和课程缔造阅历同享”研讨会上的宣讲资料。这篇文章纯属一家之言,因为作者水平所限,文中短少或过错的本地还请读者见谅。咱们期望这篇文章能够抛砖引玉,咱们一同推动我国机器人方向的教育翻开和人才培育。

想和作者聊聊?想投稿?咱们在筹建一个机器人的专业议论群,诚邀各位机器人喜爱者/从业者参加!感喜爱的兄弟请在后台回复您的名字+公司(校园)+职务。导言

这些年,跟着科学技能的翻开与跋涉,机器人技能及研讨在全球方案内翻开得如火如荼。2007年,比尔盖茨曾在<科学美国人>上撰文指出:机器人技能将会变成信息技能往后的下一个翻开热点和方向。以美国为例:谷歌公司的无人驾御轿车、多足及仿人机器人,亚马逊公司的仓储主动扶引车,以及美国太空总署的猎奇号火星车等等都在招引着全球媒体的目光。欧洲、日本和我国等也纷繁出台了自个的机器人研讨方案以及路途图。例如:在德国提出的“工业4.0”和我国版别的“我国制造2025”方案中,机器人均作为基地技能遭到了史无前例的注重。

2015年,我国的工业机器人的年装机数量现已跃居国际榜首!而且还在灵敏添加!惋惜的是:因为前史等多方面要素,我国与欧美日等兴旺国家在机器人范畴还有恰当显着的间隔。我国的机器人技能要与国际抢先水平接轨,人才培育是重中之重!

纲要

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一)


榜首台工业机器人现已有50多年的前史;全球不少校园都有与机器人有关的课程,在当今信息年代,怎样合理、有用、体系的翻开机器人方向的人才培育,关于许多校园来说或许都是一个新的课题。作为本研讨的榜首有些,咱们首要经过对国外闻名大学在机器人教育方面的剖析,看有啥抢先阅历能够学习。

咱们首要以卡内基梅隆大学的机器人研讨所为例,以下简称它为RI。咱们将介绍它的教育项目、剖析它的本科及研讨生培育方案以及课程列表。然后以树立不久的Michigan Robotics项目(正在灵敏拓宽)为例,议论怎样在别的校园翻开机器人教育。咱们觉得要害是:安身本身本钱、联络本身特征、学习成功阅历。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二)


卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University,下面简称卡梅或CMU)的机器人研讨所(Robotics Institute)是悉数核算机学院(School of Computer Science)部属的一个系。它树立于树立于1979年,founding director是Raj Reddy(图灵奖获得者,李开复的导师)和Angel Jordan,开端资金来历为美国的西屋电气(该公司与特斯拉一同拓荒了沟通电的运用)。为便当议论,咱们简称robotics institute为RI,它是当今国际上最大、最抢先的机器人研讨安排,是全球机器人研讨的基地。其间,匹兹堡主校区有些占地约1万平米,担任技能转化的国家机器人工程基地NREC占地约1万平米,此外还有专门的检验场合Robot City等。依托CMU在核算机方向的顶尖实力,RI曾发清楚机器人翻开史上的多个榜首。RI如今的全体方案逾越500人(包含研讨生),有多位国际闻名的机器人专家曾在RI作业过,如波士顿动力的founder Marc Raibert、获得Kyoto Prize的Takeo Kanada等人。

 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图三)


这儿列出了RI下辖的多个研讨基地。1979年,RI刚树立时,一个首要研讨方向是核算机集成制造体系。后来在此根底上不断翻开,接连添加了各种研讨基地:

  • CFR首要处理机器人中的理论根底。

  • FRC首要研讨户外/空间/救灾机器人,例如:三里岛核电站事端、与NASA协作多种项目,参加Google Lunar XPRIZE,2007年DARPA 无人车竞赛冠军等等。

  • 视觉及自立体系基地在核算机视觉范畴内奉献杰出,它们仍是开发无人驾御轿车的前驱,当今国际上从事无人驾御开发的许多人都是CMU校友。

  • 国家机器人工程基地NREC首要担任技能转化,Tartan Rescue team获得了2015年DRC机器人应战赛的第三名,Uber也从该基地招聘了许多专家从事主动驾御技能开发。

此外,RI还跟UPMC(University of Pittsburgh Medical Center,匹兹堡大学医学院)协作,翻开医疗机器人研讨。

RI完结了对机器人研讨的全方位掩盖,包含:制造、医疗、图画、人工智能等等;这些内容能够从网上找到,在这儿就不再赘述。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图四)


 

在教育和人才培育方面,依托于CMU在核算机(全美排行第1)和工程(全美排行第4或第5)方面的强壮实力,RI完结了从博士、硕士、本科、到K-12(也即是高中生)拓宽项目的悉数掩盖。这儿展现了研讨生项目。

  • PhD博士项目:竞赛十分剧烈,挑选率很低!每年大约有10~15人,有些年份乃至只需5人。挑选的美国学生许多来自麻省理工、加州理工、UC Berkeley等名校。CMU是国际上榜首个有机器人博士学位的校园;跟着机器人技能越来越火,美国别的校园(如乔治亚理工、密歇根大学等)也纷繁树立了自个的机器人博士项目。

  • RI有多种硕士项目可供挑选,例如:2年期的一般硕士项目;机器人体系开发方向的硕士MRSD,该项目为3个学期,即一年半的时刻;核算机视觉方向的硕士MSCV,为16个月的时刻;还有国际联合培育项目,MSRT,即-机器人技能硕士项目,一般榜首年在美国外的校园,第二年到美国学习。

  • 关于PhD学生,还有隶属项目:“对认知神经根底感喜爱博士生”能够挑选CNBC跨学科选项;UPMC医学博士/CMU机器人博士的联合培育项目。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图五)


关于本科生,RI供应双学位(major)、辅修学位(minor)、以及5年本科+硕士的灵敏项目。如今,RI的本科项目担任人为Howie Choset教授。

RI还有实习(intern)及拓宽(outreach)项目,用来培育高中生以及本科生对机器人研讨和开发的喜爱。每年,来自国际各地的本科生都能够恳求参加RISS夏天专家项目,在RI教师及研讨生的辅导下从事机器人研讨。RI有专门关于高中生和女人的拓宽项目。值得一提的是:Girls of Steel (钢铁女孩)机器人竞赛部队。匹兹堡曾是美国的钢铁业基地,本地的橄榄球队叫 Steelers(钢人队),所以机器人队名为Girls of Steel。每年,由大约40名来自匹兹堡区域的高中女人在RI教师的带领下,参加国际FIRST Robotics机器人竞赛。右图为希拉里来CMU拜访时,接见Girls of Steel队员,图画左方的教师是Veloso教授,她曾担任美国人工智能协会(AAAI)主席,屡次带队参加RoboCup竞赛。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图六)


 Girls of Steel由RI的教师亲身带队辅导,旨在激起和培育高中生对机器人研讨的喜爱。悉数的作业,包含CAD方案、硬件加工、机电操控、导航软件、算法编程等等,均由学生们亲身完结。咱们深信喜爱是最佳的教师,本年,央视的<立异之路>纪录片团队在CMU时期,对Girls of Steel进行了现场摄影。在国内,许多高中生或许并不知道自个的喜爱终究在哪,在填志愿的时分就要面对挑选专业的疑问,所以在大学一二年级会比照苍茫。咱们信赖假定学生在高中时期能够参加这种拓宽项目,及早发现和树立自个的喜爱,大学日子会丰厚多彩许多;咱们期望RI的这种拓宽项目和阅历能够在国内得到推行。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图七)


 为了拓宽机器人教育,RI每年会在全球接纳约40名本科生夏天专家,参加为期约3个月的练习项目。首要资金来历为NSF、RI、以及外部的一些奖学金。该项目的主旨是:发现、探究、学习、成功。

详细说来即是:在一流大学闻名专家以及研讨人员的辅导下,经过从实习打实的项目研讨,学习和了解机器人范畴内的一些尖端技能。在实习时期,每周都会专门的研讨会或约请一些专家来教育专业翻开讲座。左下图是美国工程院院士、机器人范畴的闻名专家Red Whittaker教授做关于空间机器人(space robotics)的讲座。

在这个进程中学习:研讨进程(research process)、怎样陈说研讨作用(How to present research results)、怎样写专业论文(How to write technical papers)、以及恳求研讨生院的战略(strategies for successful graduate school applications)。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图八)


左面的这些图展现了学习进程,包含seminar、workshop、观赏试验室。当然学习时期也有social沟通有些,比方观赏博物馆、看棒球竞赛等。在实习完毕的时分,会有一个专门的poster session,也即是每个实习生将自个的研讨收拾为一张展板,然后放到一同供咱们沟通,这时分RI的教授、研讨员、研讨生一般都会去观赏沟通。右图是展板和论文样例。终究,项目安排者会为实习生颁布结业证书。

前面,在体系介绍RI教育项目的时分,咱们是从高往低介绍,即从博士、硕士、本科、RISS,再到面向高中生的拓宽项目。一个校园有才干和本钱开出机器人方向博士点,那么比照别的校园,它的的本科、硕士项目等会有无穷的天然优势。下面,介绍RI课程和培育方案,咱们则依照“由浅入深”这一学习习气来叙述,即依照“本科硕士博士”这么一个次序。

 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图九)


在美国许多校园,本科生一般能够选两个专业进行学习,比方数学-经济学双专业等。RI没有自个的本科生, 1998年,即在博士点树立10年往后,RI推出了面向本科生的辅修学位(minor in robotics),现已培育逾越200名学生。2011年,RI又推出了机器人双学位,但凡想对机器人工程和科学深化了解和学习,都能够在大一时报名参加此项目。

下面,咱们首要介绍“机器人双学位”的培育方案,而辅修学位(minor)的课程是它的一个子集。咱们做研讨课表、培育方案、以及配套教材。

首要,学生需求满意必定的前期根底(从下表中每组课程选一门),即:多元微积分,根底数学(如:线性代数、微分方程、数值办法等),以及C言语程序方案。这些恳求不高,国内的理工类本科生应当都能满意这些条件。左面的符号(1)Math,标明该有些内容晋级往后作为研讨生基地课程的一个构成模块,咱们称它为基地模块(一共有4个)。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十)


机器人双学位学生,需求在课程列表的10组课程中,每组选1门。

首要,是Introduction to Robotics 机器人导论,指定的教材为Peter Corke的Robotics, Vision and Control机器人、视觉和操控。需求指出的是:RI的教授们一般运用自个预备的资料,教材仅仅参阅!别的,Peter Corke开设有本书的MOOC网络揭露课。经过导论课对机器人有个底子知道,例如:开端的KDC、运动方案、视觉。一同把握一些底子技能,例如:运用Peter Corke供应的Matlab东西包,编程求解一些机器人方面的底子疑问。

接下来的内容为一个基地模块,咱们一般称之为KDC,即:运动学Kinematics、动力学Dynamics、以及操控Control。KDC也是RI研讨生基地课程的首要构成有些。关于操控有些,国内开设的主动操控体系、操控工程等能够满意恳求。CMU开设有专门叙述“机器人运动学和动力学”(这也是国内许多机器人课程所掩盖的内容)。CMU运用的教材为 “Robot Modeling and Control 机器人建模和操控”,该书作者均为机器人和操控范畴的专家,它掩盖了KDC的各有些内容,被UIUC、Michigan、JHU等大学选为教材。该书不只适宜本科生入门,又适宜研讨生深化学习;因而,咱们联合机械工业出书社推出了本书的中文译著。

 

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十一)


第三个基地模块是Machine Perception机器感知,学生们一般会挑选核算机视觉;该组课程还包含核算图形学、视觉传感器等。

第四个基地模块是Cognition and Reasoning 认知和推理,一般包含machine learning机器学习,以及 Artificial Intelligence 人工智能 这两大块。

除掉导论和四大基地模块外,学生得选一门着手课程,包含:缔造智能机器人、移动机器人编程试验、机电一体化体系。

 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十二)


然后还得从选修课表中挑选两门课程,能够选基地模块里的别的课程,或许是嵌入式体系、仿人机器人等。

终究是“体系工程”以及“极点课程(Capstone Course)”,帮忙学生们将前面课程里所学到的内容融汇贯通、归纳跋涉!为往后的学习和作业打好根底!终究,学生们方案、制造、集成、检验、并展现他们方案的机器人。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十三)


这儿是咱们收拾出来的CMU-RI机器人本科双学位的课程体系。恳求该项目的学生,得具有底子的数学根底和编程根底。首要,经过导论课程对机器人范畴有个底子知道,一同把握一些底子技能。然后,经过对KDC、感知、认知 这几个基地模块的学习,深化了解智能机器人所触及到的方方面面。其次,选一门着手课程增强着手才干。再次,学习两门选修课,添加常识的广度。终究,经过体系工程以及极点课程的学习和实习,将前面所学到的内容融汇贯通,归纳跋涉!为往后的学习和作业打好根底!

 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十四)


CMU-RI供应多种硕士选项,接下来,咱们首要以研讨型硕士(Research Master,2年)为例来介绍其培育方案,学生得完结起码4门基地课程,别的3门与机器人有关的选修课程,加起来是起码7门课程。别的一半时刻,得跟从导师完结科研使命。终究完结学位论文和结业辩论!

博士项目,其课程与硕士相似,但难度恳求更高。此外,得完结博士生资历考试,包含:研讨才干考试、白话表达才干考试、写作才干考试、以及起码一门课程的助教。接下来是论文开题,终究是结业辩论。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十五)


关于研讨生,其间心课程首要是加强四大模块的学习。学生从四个模块中各选起码一门课程来学习。

榜首个模块是数学:机器人的数学根底。授课教师是Michael Erdmann大拿。上课依据课件,没有专门的教材,举荐有10多本参阅书!该课程集成了5~6门数学课的内容,包含优化、随机进程、变分、微分几许等,对数学功底恳求高!美国研讨生院很注重数学,因为它能为后续科研打下杰出根底,这点值得国内高校学习。

第二个模块是Action履行,它包含Mechanics of Manipulation,即“机器人操作中的力学原理”,以及 KDC 这两门课程。

机器人操作一般由RI的上一任director,Matt Mason教授来教,首要叙述机器人移动物体时所触及到的物理常识,以及方案。有人说:manipulation是机器人研讨的终极前沿(ultimate frontier)。可是,国内的manipulation研讨并不多,也没有专门的教材。为了改动这种现状,咱们正在和日本AIST的万伟伟协作翻译Matt Mason的作品,信赖将会在不就的将来推出。

RI里教育KDC的教师许多,纷歧样的教师会指定纷歧样的参阅书。有些教师会指定Richard Murry、李泽湘、Shankar Sastry协作的<机器人操作的数学导论>一书,该书中文版由机械工业出书社于1997年推出。该书掩盖了机械臂、手指、以及操控。不过关于低年级研讨生,本书难度或许显大;因为它的根底有些便触及到李群代数和微分几许的东西,对数学恳求高!

咱们自个觉得关于KDC,Mark Spong等人编写的<机器人建模和操控>一书应当是一个不错的挑选,它是罕见的可贵把运动学、动力学以及操控都讲的深化浅出的一本书,该书是UIUC、Michigan等校园的研讨生教材。

第三个模块是Perception感知,包含核算机视觉,以及感知和传感器,这两门课程。

核算机视觉如今很火,许多人都学过,所以不再赘述。RI有一个专门的面向“核算机视觉”的MSCV硕士项目,感喜爱的能够去RI的主页去了解。

传感器这门课首要叙述丈量、数据获取(DAQ),以及多种传感器的原理和完结,包含图画、声响、测距、触觉、导航、化学品、人的勘探、多组件安全体系。

第四个模块是Cognition认知,包含人工智能、以及机器学习两门课。这些课程,国内的核算系都有对应课程,就不再赘述。

 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十六)


除掉四大模块基地课程以外,RI还有许多经典课程,在这儿举几个比方。

RI 16-735 Robotic Motion Planning,机器人运动方案,由Prof. Howie Choset教育。该课程目的是:夯实根底、将低层完结与高层算法概念联络起来。会掩盖一些底子内容,例如如:potential filed, roadmaps, cellular decomposition。一同也会叙述一些关于随机办法以及依据传感器完结的最新翻开,例如:RRT随机树, Kalman滤波, Bayesian估量, 等等。该课程教材是Howie等人合编的<机器人运动原理:理论、算法、以及完结>。


RI 16-843: Manipulation Algorithms,机器人操作算法,教师是RI PRL的director,Sidd 教授。右图是PRL的mobile manipulator移动操作机器人HERB的图画。该课程包含阅览和点评经典论文、讲课、以及project。这是一门高档研讨生课程,学习使机器人能够物理性的操作他们周围的国际(机器人自个,或与人协作)的理论和算法。首要掩盖:

机器人操作的功用(functional)方面: 灵活机械手完结鲁棒而安稳的抓取、操作位形空间的几许方面、此空间内的运动方案,等等。

与人协作(HRI)的额定需求:从功用到最佳运动、演示学习、经过了解和表达目的来协作。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十七)

(图一十七)

16-831: Statistical Techniques in Robotics,机器人中的随机办法,教师是Drew Bagnell教授。这是十分有用的一门课程!

为何要学习这门课?这是因为实习环境中充溢了不断定性,机器人体系有必要能够处理不断定性,而且经过学习对环境的改动做出自习气的调度。

这门课首要学习:不断定性的根底常识,滤波和定位,在线学习,随机场,等等。

授课方针:对开发鲁棒且自习气的软件感喜爱的同学,这些软件能够使得机器人与周边国际谐和同处。

接下来是“大白之父” Chris Atkeson的两门课。榜首个是动态优化,其方针是:经过动态优化(格外是最优操控)来方案机器人的做法。第二个是自习气操控和强化学习在机器人中的运用。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十八)


16-761: Introduction to Mobile Robots,移动机器人导论,由Prof. Alonzo Kelly教育。该门课掩盖了:移动机器人中的感知、方案、操控、方位估量、以及机械位形等等。该课程有不少的着手内容。

接下来是美国工程院院士,Field Robotics范畴的大拿 Red Whittaker 教授开设的两门着手课程,移动机器人方案,以及 高档机器人开发。学生在教师的带领下开发登月机器人,参加Google Lunar XPRIZE 应战赛。研讨空间导航以及登入月球中所触及到的 机器人移动才干、热力学、传感、核算、软件、等等。

Robotics Institute还有许多别的课程,详见列表。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图一十九)


浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十)
浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十一)
(图二十一)

跟MIT、Caltech相同,CMU(格外是核算机学院)是美国有名的能把学生“累成狗”的校园。从RI的课程列表中可见一斑。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十二)


关于机器人商业开发感喜爱的同学,RI联合CMU的商学院退出了MRSD,即机器人体系开发硕士项目。该项目为1年半的时刻,完结大约15门课程的作业量。

首要是4门基地课程,包含:体系工程及处理,操作、移动及操控,核算机视觉,自立机器人。接下来是5门核算机学院/RI的选修课。此外,有两门project课程,开发实习机器人体系。终究,还有与机器人有关的3门商学院的课程。学生能够挑选大约3个月的暑期实习。

RI还有MSRT、MSCV硕士项目,因为时刻和篇幅所限,这儿就不谈了。有喜爱的读者能够到RI的主页上去查找。

 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十三)


美国大学中大约只需CMU有实体机器人学院,它像是一个“奇葩”的存在,它的阅历能否仿制?而别的校园的机器人学院大多是由分归于纷歧样院系的试验室构成的一个虚体安排,例如:乔治亚理工Gatech、密歇根大学UMICH。在别的大学里,怎样翻开机器人教育?咱们觉得要害是:安身本身本钱、联络本身特征、学习成功阅历。

下面将以Michigan Robotics项目为例,来加以阐明。

Michigan是美国最佳的公立大学之一,学科方案无缺,有极好的理工科根底。这些为开设机器人教育供应了杰出的根底。

正本,在创建机器人硕士和博士项目之前,Michigan现已有不少跟机器人有关的试验室。密歇根州是美国轿车工业的基地,有很强的制造业。所以研讨主动驾御轿车、车联网、抢先制造就水到渠成。才外,还有人机交互、足式机器人(Jessy Grizzle教授在双足机器人范畴有杰出奉献,获得IEEE操控范畴最高奖-Bode Lecture Prize)、医疗及恢复机器人(Michigan有十分好的医学院)、移动及协作机器人。

另一个要素即是学习成功阅历。Michigan Robotics项目树立时从CMU吸取了不少阅历。待会,咱们能够从它的课程方案中看出端倪。Michigan如今是美国为数不多的能够颁布Robotics硕士学位和博士学位的校园。

需求阐明一点:咱们以Michigan为例,仅仅因为比照了解的要素。还有许多校园,比方宾夕法尼亚大学(有闻名的GRASP Lab)也有十分好的robotics项目。 浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十四)

这是Michigan Robotics 硕士和博士课程列表,能够看出其间心课程与CMU-RI的研讨生基地课程相同;只不过把名字从 -ion完毕 变成了 -ing完毕,例如 把action 变成了 acting。正本,M-Robotics项目树立时,首要参阅了CMU的课程及培育方案。

此外,包含一门着手的试验课,基地范畴以外的一门技能选修课,以及在导师辅导下从事机器人研讨。硕士一般要完结30学分,即7到8门课程;这与CMU-RI相同。博士是在此根底上,参加许多科研。

浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十五)


浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十六)


这是Michigan Robotics的基地课程模块。

感知有些有:核算机视觉、图画处理、信号处理、移动机器人的办法与算法(相似于probabilistic robotics)。

履行有些有:KDC,一般运用的教材为<机器人建模和操控>;别的大大都是操控类课程,一个要素是Michigan有很强的操控专业。

推理模块有:机器学习、人工智能,等等。

选修课程分两有些:

机器人有些有:自立机器人、移动机器人、KDC、机电体系。

数学有些有:高级工程数学、随机进程、线性体系。

结语

人才培育是与国际抢先水平接轨的要害之一。

以全球机器人研讨基地CMU-RI为例,咱们剖析了它的研讨基地、研讨方向、教育项目、以及人才培育。咱们要害研讨了RI本科及研讨生培育方案及课程。

本科位:导论、基地模块、着手、体系工程及极点课程

研讨生:四大基地模块、别的经典课程

以Michigan Robotics为例,咱们议论了怎样在别的校园翻开机器人教育和人才培育。咱们以为其要害在于:安身本身本钱、联络本身特征、学习成功阅历!

以上即是作者的一点浅显观念,因为水平所限,文中短少或过错的本地还请读者见谅。这篇文章首要以美国的机器人教育为例,往后有机遇的话,咱们会联合一些兄弟向各位读者介绍日本的有关状况。咱们期望这篇文章能够抛砖引玉,咱们一同竭力,推动我国机器人方向的教育翻开和人才培育!


这篇文章独家发布于微信群众号 机器人学家 。


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浅谈智能时代机器人方向的教育和人才培养(图二十七)

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