Abstraktní
Průmyslová robotika se používá téměř ve všech výrobních odvětvích a zaměstnává tisíce pracovníků. Zavedení průmyslové robotiky ve vzdělávacím prostředí je však vzhledem k jejímu širokému využití po celém světě obtížné a v praxi omezené. Tento dokument nastiňuje překážky zavádění průmyslové robotiky ve vzdělávacím prostředí a představuje řešení využívající robotické rameno zvané VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell byl vyvinut s cílem zlepšit dostupnost průmyslové robotiky středoškolským a technickým studentům. Problémy s přístupností při zavádění průmyslové robotiky ve vzdělávacím prostředí jsou kombinací omezení velikosti, bezpečnostních problémů, vysokých nákladů a omezených zkušeností s programováním. Hardware a software vytvořený společností VEX Robotics poskytují studentům příležitost rozvíjet technické dovednosti a dovednosti při řešení problémů vytvořením a naprogramováním simulované výrobní pracovní buňky s pětiosým robotem.
Klíčová slova:
výuka průmyslové robotiky; ZASTAVIT; Krajta; C++, blokové kódování; VEX Robotics; robotické rameno; vzdělávací robotika
já Úvod
Využití robotiky ve vzdělávání se stalo interdisciplinárním, praktickým a autentickým učením pro studenty všech věkových kategorií.12 Zapojení robotiky do vzdělávání může podnítit zájem mladších studentů o vědu a také jim poskytnout zkušenosti a médium k tomu, aby se naučili důležité dovednosti, jako je logické myšlení, řazení a řešení problémů. Jak studenti postupují ve své vzdělávací kariéře s robotikou, mohou stavět na základních dovednostech řešení problémů a logického myšlení a studovat složitější koncepty inženýrství a informatiky, které oživují abstraktní fyziku a matematické koncepty.12
„Stavba robotů je oblíbenou volbou projektu pro implementaci problémového učení (PBL) ve třídách. Důvod, proč je tak populární, lze vysvětlit multidisciplinární povahou tématu: robotika vyžaduje mnoho různých vědeckých, technických a technologických dovedností, jako je fyzika, elektronika, matematika a programování. Je to ideální předmět, protože s ním lze propojit tolik různých kurzů. Roboti navíc sami zachycují představivost dětí a teenagerů a poskytují jim inspiraci a motivaci.13
Vzhledem k tomu, že technologie se neustále vyvíjejí a programování se stává žádanou dovedností, chtějí vzdělávací instituce připravit své studenty na pracovní sílu tím, že je zavedou do průmyslové robotiky a výroby. Průmyslové roboty a robotická ramena jsou programovatelné stroje, které jsou navrženy tak, aby vykonávaly konkrétní úkol nebo funkci.1
„Robotické systémy se obecně používají k provádění nebezpečných, nebezpečných a dokonce opakujících se úkolů operátora. Mají mnoho různých funkcí, jako je manipulace s materiálem, montáž, svařování, nakládání a vykládání stroje nebo nástroje, a funkce jako: lakování, stříkání atd. Většina robotů je nakonfigurována pro provoz výukou techniky a opakováním“.1
Výzkum ukazuje, že studenti mají pozitivní postoje a zkušenosti s používáním robotů ve třídě.16 Navzdory pozitivním postojům studentů však existují bariéry, které omezují použití průmyslové robotiky ve vzdělávacím prostředí: kombinace omezení velikosti, obav o bezpečnost, vysoké náklady a omezené zkušenosti s programováním. Tento článek pojednává o tom, jak je VEX V5 Workcell řešením pro zavádění průmyslové robotiky ve vzdělávacím prostředí.
II. Nové a cenově dostupné robotické modely (hardware):
Jak technologie postupuje, stále více studentů se začíná zajímat o robotiku jako o povolání. Robotika může podnítit zájem studentů o přírodovědné a matematické obory a také dát studentům příležitost procvičit si řešení problémů a logické myšlení.12 Dovednosti získané při práci se vzdělávací robotikou, jako je řešení problémů a logické myšlení, lze také uplatnit a jsou základem v kariéře průmyslové robotiky a výroby. Aby uspokojili potřeby a poptávku specialistů v oboru robotiky, kteří si osvojili dovednosti kódování, řešení problémů a logického myšlení, chtějí vzdělávací pokyny zavést průmyslovou robotiku do svých tříd.17 Zavedení průmyslových robotů do vzdělávacího prostředí s cílem připravit tyto studenty na úspěch ve výrobní kariéře má však svá omezení. Je nákladné nejen pořídit, ale také udržovat fungující robotické rameno. Tyto náklady mohou omezit počet robotů, se kterými mohou studenti komunikovat, a následně omezit množství studentských nezávislých praktických zapojení.11 Robotická ramena průmyslové velikosti také vyžadují velký prostor a při práci s průmyslovými roboty vždy existuje bezpečnostní riziko. Nezkušení studenti by mohli náhodně ublížit sobě, vybavení nebo jiným.11 Kvůli těmto faktorům se vzdělávací instituce obracejí na menší, bezpečnější a cenově výhodnější modely průmyslových robotů.
„Zatímco manipulace s velkými roboty vyžaduje neustálý dohled a musí být prováděna ve vyhrazených robotických buňkách, mnoho univerzit se nyní rozhodlo zakoupit další roboty velikosti stolního počítače, které studentům umožní pracovat samostatně. Protože jsou tyto stroje naprogramovány stejným způsobem jako větší roboty, výsledky lze okamžitě aplikovat na velké stroje pro aplikace v plném rozsahu“.2
VEX V5 Workcell je menší, bezpečnější a cenově výhodnější model průmyslového robota, který je dostatečně malý na to, aby jej bylo možné umístit na stůl ve třídě a s doporučeným poměrem tří studentů k jednomu robotovi, umožňuje studentům příležitost k praktickému zapojení robota. V5 Workcell je bezpečnější tím, že má menší velikost a také má schopnost naprogramovat nárazníkový spínač, který v případě potřeby funguje jako nouzové zastavení.
V5 Workcell také umožňuje studentům zapojit se do stavebního zážitku, který by jinak nebyl možný. Studenti, kteří se zabývají profesionálními robotickými rameny průmyslové velikosti, získají cenné znalosti a dovednosti při jejich programování, ale nemusí rozumět tomu, jak se pohybují a fungují, protože se nepodíleli na stavebním procesu. Zapojení do procesu budování nejen dává studentům příležitost vytvořit silnější propojení mezi hardwarem a softwarem, ale také umožňuje studentům získat více základních znalostí o tom, jak robot fyzicky funguje. Tato příležitost může studentům poskytnout znalosti a zkušenosti se stavbou, které potřebují k efektivnějšímu odstraňování problémů s hardwarem a také k řešení problémů.13 Začlenění fyzické stavby robotů do průmyslového robotického vzdělávání také dává studentům příležitost uvést do života abstraktní pojmy a rovnice fyziky, inženýrství a matematiky. Procvičování těchto konceptů STEM v kontextu také umožňuje studentům vidět, jak jsou použitelné v průmyslu.
Většina ostatních menších a cenově výhodnějších modelů průmyslových robotů je dodávána předem smontovaná a často stavěna pouze pro jednu funkci. Výhodou hardwaru V5 Workcell je, že studenti nejsou omezeni na jednu stavbu robota. Studenti sestaví pracovní buňku V5 ze součástí systému VEX Robotics V5 System, který má mnoho různých sestavení včetně základní funkce robotického ramene (zobrazeno na obrázku 1), změny EOAT (end-of-arm-tooling) a přidání více dopravníků a senzorů (zobrazeno na obrázku 2). Studenti tak získávají zkušenosti nejen se stavbou samotného robotického ramene, ale s celým modelem malé výrobní pracovní buňky. To umožňuje studentům zapojit se do stavebního procesu, který zdůrazňuje matematické a inženýrské koncepty, které by studenti bez stavby nemohli zažít. To také umožňuje studentům porozumět tomu, jak funguje V5 Workcell na fyzické úrovni, což se přenáší také do programování. Díky tomu je V5 Workcell pedagogickým nástrojem, který studenty seznamuje nejen s průmyslovou robotikou a koncepty programování, ale také je seznamuje se stavebními, inženýrskými a matematickými koncepty, jako je kartézský souřadnicový systém a provozování robota ve 3D prostoru.
Obrázek 1: Sestavení laboratoře 1 (robotické rameno)
Obrázek 2: Sestavení laboratoře 11 (robotické rameno a také dopravníky a senzory)
Různé sestavení jsou uvedeny v pokynech k sestavení, které studenta provedou postupným sestavováním (zobrazeno na obrázku 3). Díky tomu je stavba V5 Workcell přístupná pro studenty, kteří nemusí mít žádné zkušenosti se stavbou obecně, stavěním z kovu nebo používáním nástrojů.
Obrázek 3: Krok z Laboratoře 4 Návod k sestavení
VEX V5 Workcell poskytuje vzdělávacím institucím menší, bezpečnější a nákladově efektivnější model průmyslového robota, který je nejen všestranný ve svých stavebních schopnostech, ale poskytuje studentům nezávislejší praktické zkušenosti s učením ve srovnání s profesionálními roboty průmyslové velikosti. zbraně.
III. Výuka programování (software):
Vzhledem k tomu, že technologie postupuje exponenciální rychlostí, mnoho manuálních pracovních míst v průmyslové výrobě je nyní doplněno automatizací.4 To může doplnit pracovní sílu a dokonce v některých případech může vytvořit větší poptávku po práci, ale také vyžaduje, aby pracovníci měli silné znalosti programování, aby mohli automatizaci provozovat, opravovat a udržovat.4 Programování je dovednost, která může trvat roky, než se člověk zdokonalí, a většina programovacích jazyků používaných v průmyslu je složitá a navržená pro použití profesionálními inženýry.3 To znamená, že programy potřebné k tomu, aby robot vykonával i ty nejjednodušší úkoly, vyžadují najmutí programátorského specialisty.3
„Například ruční programování robotického systému obloukového svařování pro výrobu velkého trupu vozidla trvá déle než osm měsíců, zatímco doba cyklu samotného svařovacího procesu je pouhých šestnáct hodin. V tomto případě je doba programování přibližně 360krát větší než doba provádění“.9
Tato úroveň programátorské odbornosti omezuje přístup pro studenty a pedagogy, kteří se chtějí dozvědět o základech programování průmyslové robotiky, ale nemají žádné nebo jen malé zkušenosti s programováním.
„Programování robotů je časově náročné, složité, náchylné k chybám a vyžaduje odborné znalosti úlohy i platformy. V rámci průmyslové robotiky existuje řada programovacích jazyků a nástrojů specifických pro dodavatele, které vyžadují určitou odbornost. Aby se však zvýšila úroveň automatizace v průmyslu a také aby se rozšířilo použití robotů v jiných oblastech, jako je servisní robotika a zvládání katastrof, musí být možné, aby roboty instruovali i laici“.10
Naučit se programovat jako nováček v každém věku je náročné.8 Naučit se, jak porozumět toku projektu nad rámec učení se syntaxi, může být nejen ohromující, ale také odrazující a dokonce přímo děsivé.5 Aby studenti a pedagogové získali zkušenosti s průmyslovou robotikou, je třeba snížit složitost kódování těchto robotů, aby se mohli zapojit začínající programátoři. Toho lze dosáhnout zjednodušením programovacího jazyka z tradičních textových jazyků. Zjednodušení programovacího jazyka bylo úspěšné při zavádění a výuce malých dětí, jak programovat v různých oblastech, včetně vzdělávání.3 Díky tomuto úspěchu lze použít zjednodušený programovací jazyk k výuce jednotlivců základům programování průmyslových robotů a umožnil by jim vybudovat si základní dovednosti, které mohou později využít k úspěchu v průmyslu.3
VEX V5 Workcell umožňuje studentům naprogramovat model průmyslového robotického ramene pomocí VEXcode V5, blokového jazyka poháněného bloky Scratch.18 (scratch.mit.edu) Student je schopen programovat s VEXcode V5, zjednodušeným programovacím jazykem. Studenti mohou vytvořit projekt pro úspěšnou manipulaci s pracovní buňkou a také porozumět účelu a toku projektu na hlubší úrovni. Studie ukázaly, že nováčci bez předchozích zkušeností s programováním mohou úspěšně psát blokové programy pro provádění základních úloh průmyslové robotiky.3
Studie také ukázaly, že studenti uvádějí, že povaha blokového programovacího jazyka, jako je VEXcode V5, je snadná díky popisu bloků v přirozeném jazyce, metodě drag-and-drop pro interakci s bloky a snadnému ovládání. čtení projektu.6 VEXcode V5 také řeší body zájmu blokového programovacího jazyka ve srovnání s konvenčnějším textovým přístupem. Některé z identifikovaných nedostatků jsou vnímaný nedostatek autenticity a menší síla.6 VEXcode V5 se zabývá jak vnímaným nedostatkem autenticity, tak zdánlivě méně výkonným začleněním nástroje známého jako „prohlížeč kódu“. Prohlížeč kódu umožňuje studentovi vytvořit blokový projekt a poté zobrazit stejný projekt v textové podobě v C++ nebo Pythonu. Tato konverze umožňuje studentům překročit omezení blokového jazyka a také jim poskytuje nástroje lešení, které potřebují, aby byli úspěšní k překlenutí mezery v syntaxi od bloků k textu. VEXcode V5 používá podobné konvence pojmenování bloků a příkazů, aby byl přechod z bloků na text snazší.
Studie provedená Weintropem a Wilenskym7 za účelem srovnání blokového a textového programování ve středoškolských učebnách informatiky zjistila, že studenti používající blokový jazyk vykazovali větší zisky ve svém učení a vyšší úroveň zájmu o budoucí práci s počítačem. kurzy. Studenti používající textový jazyk považovali své zkušenosti s programováním za podobnější tomu, co dělají programátoři v průmyslu a efektivnější při zlepšování svých programovacích dovedností. VEXcode V5 poskytuje začínajícím programátorům to nejlepší z obou světů tím, že jim umožňuje nejprve vybudovat pevný základ programovacích konceptů, které pak mohou použít při přechodu na C++ nebo Python, oba textové jazyky podporované ve VEXcode V5.
VEXcode V5 je přístupný a bezplatný blokový programovací jazyk pro model průmyslového robota pro použití ve vzdělávacím prostředí, díky kterému jsou programovací roboty dostupnější pro studenty a pedagogy, kteří by je jinak nemohli používat. Výrobní pracovní prostředí se neustále mění s technologií a blokové programovací jazyky, jako je VEXcode V5, mohou být schopny lépe poskytnout studentům, kteří aspirují na budoucí výrobní pracovníky, dovednosti a základní znalosti programování, které potřebují, aby byli úspěšní ve výrobě a průmyslu.3
IV. Velké nápady
Jednou z největších výhod V5 Workcell je, že studenti mají možnost učit se a soustředit se na větší koncepty a základní principy, které jsou základem nejen pro programování, ale také pro inženýrství a profesionální oblast průmyslové robotiky. Zaměření se na několik větších konceptů, které lze použít v různých prostředích a situacích, dává studentům příležitost získat hlubší porozumění a hlubší zkušenost s učením se těchto dovedností a témat. Halpern a Hackel navrhují, že „důraz na důkladné pochopení základních principů často představuje lepší výukový design než encyklopedičtější pokrytí široké škály témat“.14
Studenti budou zkoumat různé pojmy, jako jsou:
- Budova s kovem a elektronikou
- Kartézský souřadnicový systém
- Jak se robotické rameno pohybuje ve 3D prostoru
- Opětovné použití kódu
- Proměnné
- 2D seznamy
- Zpětná vazba senzoru pro automatizaci
- Dopravníkové systémy a mnoho dalších.
Studenti získají základní znalosti těchto pojmů, které lze později přenést a aplikovat v celé řadě oborů, jako je matematika, programování, strojírenství a výroba. Zatímco studenti získávají úvod do těchto pojmů, jsou aktivně schopni řešit problémy, spolupracovat, být kreativní a budovat odolnost. To vše jsou důležité dovednosti v jakémkoli prostředí a navazují na dnešní dovednosti 21. století.
„V 21. století se znalosti staly životně důležité a lidé potřebují získat takové dovednosti, aby mohli vstoupit do pracovní síly, nazývané dovednosti 21. století. Mezi dovednosti 21. století obecně patří spolupráce, komunikace, digitální gramotnost, občanství, řešení problémů, kritické myšlení, kreativita a produktivita. Tyto dovednosti se označují jako dovednosti 21. století, což naznačuje, že souvisejí více se současným ekonomickým a sociálním vývojem než s těmi z minulého století charakterizovanými jako průmyslový způsob výroby“.15
PROTI. Závěry
Účelem tohoto příspěvku je představit výhody pracovní buňky VEX V5 Workcell ve vzdělávacím prostředí pro zavádění průmyslové robotiky. Tento dokument přitom ukazuje, že VEX V5 Workcell poskytuje všeobjímající řešení, které studentům představí průmyslovou robotiku ve vzdělávacím prostředí, které je nákladově efektivní, snižuje vstupní bariéru programování a zaměřuje se na velké nápady, které studentům pomáhají rozvíjet důležité dovednosti.