VEX V5 Workcell: Industrielles Roboterarmmodell für die MINT-Ausbildung

Abstrakt

Industrierobotik wird in nahezu allen Fertigungsindustrien eingesetzt und beschäftigt Tausende von Arbeitnehmern. Doch angesichts ihrer weltweiten Verbreitung ist die Einführung der Industrierobotik in einem Bildungsumfeld schwierig zu erreichen und in der Praxis nur begrenzt möglich. In diesem Artikel werden die Hürden bei der Einführung von Industrierobotik in einem Bildungsumfeld dargelegt und die Lösung mithilfe eines Roboterarms namens VEX V5 Workcell vorgestellt. Die VEX V5 Workcell wurde entwickelt, um den Zugang zur Industrierobotik für Sekundar- und Technikstudenten zu verbessern. Die Barrierefreiheitsprobleme bei der Einführung von Industrierobotik in einem Bildungsumfeld sind eine Kombination aus Größenbeschränkungen, Sicherheitsbedenken, hohen Kosten und begrenzter Programmiererfahrung. Die von VEX Robotics entwickelte Hardware und Software bietet Studierenden die Möglichkeit, technische Fähigkeiten und Fähigkeiten zur Problemlösung zu entwickeln, indem sie eine simulierte Fertigungsarbeitszelle mit einem Fünf-Achsen-Roboter bauen und programmieren.

Schlüsselwörter:

Unterrichten von Industrierobotik; STENGEL; Python; C++, blockbasierte Codierung; VEX-Robotik; Roboterarm; pädagogische Robotik

ICH. Einführung

Der Einsatz von Robotik in der Bildung ist zu einer interdisziplinären, praktischen und authentischen Lernerfahrung für Schüler jeden Alters geworden.¹² Die Beschäftigung mit Robotik in der Bildung kann das Interesse jüngerer Schüler an Naturwissenschaften wecken und ihnen die Erfahrung und das Medium geben, um wichtige Fähigkeiten wie logisches Denken, Sequenzierung und Problemlösung zu erlernen. Während die Schüler in ihrer Bildungskarriere mit Robotik vorankommen, können sie auf den grundlegenden Fähigkeiten des Problemlösens und des logischen Denkens aufbauen, um komplexere Ingenieur- und Informatikkonzepte zu studieren, die abstrakte physikalische und mathematische Konzepte zum Leben erwecken.¹²

„Der Bau von Robotern ist eine beliebte Projektwahl für die Implementierung von problembasiertem Lernen (PBL) in Klassenzimmern. Der Grund, warum es eine so beliebte Wahl ist, lässt sich mit der multidisziplinären Natur des Themas erklären: Robotik erfordert viele verschiedene wissenschaftliche, technische und technologische Fähigkeiten, wie etwa Physik, Elektronik, Mathematik und Programmierung. Es ist ein ideales Fach, weil sich damit viele verschiedene Studiengänge verbinden lassen. Darüber hinaus regen Roboter selbst die Fantasie von Kindern und Jugendlichen an und sorgen für Inspiration und Motivation.“¹³

Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt und Programmieren zu einer wünschenswerten Fähigkeit wird, möchten Bildungseinrichtungen ihre Schüler auf die Arbeitswelt vorbereiten, indem sie sie in die Industrierobotik und Fertigung einführen. Industrieroboter und Roboterarme sind programmierbare Maschinen, die für die Ausführung einer bestimmten Aufgabe oder Funktion konzipiert sind.¹

„Robotersysteme werden im Allgemeinen verwendet, um unsichere, gefährliche und sogar sich wiederholende Bedieneraufgaben auszuführen. Sie haben viele verschiedene Funktionen, wie zum Beispiel Materialhandhabung, Montage, Schweißen, Be- und Entladen einer Maschine oder eines Werkzeugs, und Funktionen wie: Lackieren, Sprühen usw. Die meisten Roboter sind für den Betrieb durch das Erlernen von Techniken und Wiederholungen konfiguriert.“¹

Untersuchungen zeigen, dass Schüler positive Einstellungen und Erfahrungen mit dem Einsatz von Robotern im Klassenzimmer haben.¹⁶ Trotz der positiven Einstellung der Studierenden gibt es jedoch Hindernisse, die den Einsatz von Industrierobotik im Bildungsumfeld einschränken: eine Kombination aus Größenbeschränkungen, Sicherheitsbedenken, hohen Kosten und begrenzter Programmiererfahrung. In diesem Artikel wird erläutert, wie die VEX V5 Workcell eine Lösung für die Einführung von Industrierobotik in einem Bildungsumfeld darstellt.

II. Neue und erschwingliche Robotermodelle (Hardware):

Mit fortschreitender Technologie interessieren sich immer mehr Studenten für den Beruf der Robotik. Robotik kann das Interesse der Schüler an Naturwissenschaften und Mathematik wecken und den Schülern die Möglichkeit geben, Problemlösung und logisches Denken zu üben.¹² Die durch die Arbeit mit Bildungsrobotik entwickelten Fähigkeiten wie Problemlösung und logisches Denken können auch in der Karriere in der Industrierobotik und Fertigung angewendet werden und sind grundlegend. Um dem Bedarf und der Nachfrage von Fachleuten im Bereich Robotik gerecht zu werden, die über Programmier-, Problemlösungs- und logische Denkfähigkeiten verfügen, möchten Lehrkräfte die Industrierobotik in ihren Klassenzimmern einführen.¹⁷ Allerdings gibt es Einschränkungen bei der Einführung von Industrierobotern in einem Bildungsumfeld, um diese Studenten auf eine erfolgreiche Karriere in der Fertigung vorzubereiten. Es ist nicht nur kostspielig, einen funktionierenden Roboterarm zu kaufen, sondern auch kostspielig zu warten. Diese Kosten können die Anzahl der Roboter begrenzen, mit denen die Schüler interagieren können, und somit auch den Umfang der selbstständigen praktischen Mitarbeit der Schüler begrenzen.¹¹ Roboterarme in Industriegröße benötigen außerdem viel Platz und bei der Arbeit mit Industrierobotern besteht immer ein Sicherheitsrisiko. Unerfahrene Schüler könnten versehentlich sich selbst, die Ausrüstung oder andere beschädigen.¹¹ Aufgrund dieser Faktoren wenden sich Bildungseinrichtungen kleineren, sichereren und kostengünstigeren Industrierobotermodellen zu.

„Während der Umgang mit großen Robotern eine ständige Aufsicht erfordert und in speziellen Roboterzellen erfolgen muss, entscheiden sich viele Universitäten jetzt für die Anschaffung zusätzlicher Roboter in Desktop-Größe, die es den Studierenden ermöglichen, selbstständig zu arbeiten.“ Da diese Maschinen auf die gleiche Weise programmiert werden wie die größeren Roboter, können die Ergebnisse sofort auf die großen Maschinen für maßstabsgetreue Anwendungen übertragen werden.“²

Die VEX V5 Workcell ist ein kleineres, sichereres und kostengünstigeres Industrierobotermodell, das klein genug ist, um auf einem Klassenzimmertisch platziert zu werden, und mit einem empfohlenen Verhältnis von drei Schülern zu einem Roboter den Schülern die Möglichkeit bietet, sich praktisch damit auseinanderzusetzen der Roboter. Die V5-Arbeitszelle ist sicherer, da sie kleiner ist und außerdem die Möglichkeit bietet, einen Stoßfängerschalter zu programmieren, der bei Bedarf als Notstopp fungiert.

Die V5 Workcell ermöglicht es den Schülern auch, an einer Bauerfahrung teilzunehmen, die sonst nicht möglich wäre. Studierende, die sich mit professionellen Roboterarmen in Industriegröße beschäftigen, erwerben wertvolle Kenntnisse und Fähigkeiten in der Programmierung dieser, verstehen jedoch möglicherweise nicht, wie sie sich bewegen und funktionieren, da sie nicht am Bauprozess beteiligt waren. Die Einbindung in den Bauprozess gibt den Studierenden nicht nur die Möglichkeit, eine stärkere Verbindung zwischen Hardware und Software herzustellen, sondern ermöglicht ihnen auch, grundlegendere Kenntnisse über die physikalische Funktionsweise des Roboters zu erwerben. Diese Gelegenheit kann den Studierenden das Wissen und die Bauerfahrung vermitteln, die sie benötigen, um Fehler bei der Hardware effektiver zu beheben und Probleme zu lösen.¹³ Die Einbeziehung des physischen Baus von Robotern in die Industrieroboterausbildung gibt den Schülern auch die Möglichkeit, abstrakte Konzepte und Gleichungen aus Physik, Ingenieurwesen und Mathematik zum Leben zu erwecken. Das Üben dieser MINT-Konzepte im Kontext ermöglicht es den Studierenden auch zu sehen, wie sie in der Industrie anwendbar sind.

Die meisten anderen kleineren und kostengünstigeren Industrierobotermodelle werden vormontiert geliefert und sind oft nur für eine Funktion gebaut. Ein Vorteil der V5 Workcell-Hardware besteht darin, dass Studenten nicht auf einen Roboteraufbau beschränkt sind. Die Schüler bauen die V5-Arbeitszelle aus Teilen des VEX Robotics V5-Systems, das zahlreiche verschiedene Aufbauten umfasst, darunter die Grundfunktion des Roboterarms (dargestellt in Abbildung 1), das Ändern des EOAT (End-of-Arm-Tooling) und das Hinzufügen mehrere Förderbänder und Sensoren (dargestellt in Abbildung 2). Dies vermittelt den Studierenden nicht nur Erfahrung im Bau des Roboterarms selbst, sondern des gesamten Modells einer kleinen Produktionsarbeitszelle. Dies ermöglicht es den Schülern, sich an einem Bauprozess zu beteiligen, der mathematische und technische Konzepte hervorhebt, die die Schüler ohne Bauen nicht erleben könnten. Dadurch können die Studierenden auch verstehen, wie die V5 Workcell auf der physischen Ebene funktioniert, was sich auch auf die Programmierung übertragen lässt. Dies macht die V5 Workcell zu einem pädagogischen Werkzeug, das Schüler nicht nur in die Industrierobotik und Programmierkonzepte einführt, sondern sie auch in Gebäude-, Ingenieurs- und Mathematikkonzepte wie das kartesische Koordinatensystem und die Bedienung eines Roboters im 3D-Raum einführt.

Die verschiedenen Builds werden in Bauanweisungen bereitgestellt, die den Schüler Schritt für Schritt durch den Bau führen (dargestellt in Abbildung 3). Dies macht den Bau der V5-Arbeitszelle für Schüler zugänglich, die möglicherweise keine Erfahrung im allgemeinen Bauen, im Bauen mit Metall oder im Umgang mit Werkzeugen haben.

Abbildung 3: Ein Schritt aus den Lab 4 Build-Anweisungen

Mit der VEX V5 Workcell steht Bildungseinrichtungen ein kleineres, sichereres und kostengünstigeres Industrierobotermodell zur Verfügung, das nicht nur vielseitige Baumöglichkeiten bietet, sondern den Schülern im Vergleich zu professionellen Robotern in Industriegröße auch eine unabhängigere, praxisorientiertere Lernerfahrung bietet Waffen.

III. Lehrprogrammierung (Software):

Da die Technologie exponentiell voranschreitet, werden viele Handarbeitstätigkeiten in der industriellen Fertigung nun durch Automatisierung ergänzt.⁴ Dies kann die Arbeitskräfte ergänzen und in einigen Fällen sogar zu einer höheren Nachfrage nach Arbeitskräften führen, erfordert aber auch, dass die Arbeitnehmer über fundierte Programmierkenntnisse verfügen, um die Automatisierung bedienen, reparieren und warten zu können.⁴ Es kann Jahre dauern, bis man Programmieren beherrscht, und die meisten in der Industrie verwendeten Programmiersprachen sind komplex und für die Verwendung durch professionelle Ingenieure konzipiert.³ Das bedeutet, dass für die Programme, die der Roboter benötigt, um selbst die einfachsten Aufgaben auszuführen, die Beauftragung eines Programmierspezialisten erforderlich ist.³

„Beispielsweise dauert die manuelle Programmierung eines Roboter-Lichtbogenschweißsystems für die Herstellung einer großen Fahrzeugkarosserie mehr als acht Monate, während die Zykluszeit des Schweißprozesses selbst nur 16 Stunden beträgt. In diesem Fall beträgt die Programmierzeit etwa das 360-fache der Ausführungszeit.“⁹

Dieses Maß an Programmierkenntnissen schränkt den Zugang für Studenten und Lehrkräfte ein, die sich mit den Programmiergrundlagen der Industrierobotik vertraut machen möchten, aber über wenig bis gar keine Programmiererfahrung verfügen.

„Roboterprogrammierung ist zeitaufwändig, komplex, fehleranfällig und erfordert Fachwissen sowohl über die Aufgabe als auch über die Plattform. Innerhalb der Industrierobotik gibt es zahlreiche herstellerspezifische Programmiersprachen und -tools, die bestimmte Kenntnisse erfordern. Um jedoch den Automatisierungsgrad in der Industrie zu erhöhen und den Einsatz von Robotern in anderen Bereichen wie der Servicerobotik und dem Katastrophenmanagement auszuweiten, muss es auch für Laien möglich sein, die Roboter anzuleiten.“¹⁰

Als Anfänger ist es in jedem Alter eine Herausforderung, Programmieren zu lernen.⁸ Zu lernen, wie man den Projektablauf versteht und zusätzlich die Syntax lernt, kann nicht nur überwältigend, sondern auch entmutigend und sogar geradezu beängstigend sein.⁵ Damit Studierende und Lehrende Erfahrungen mit Industrierobotik sammeln können, muss die Komplexität der Programmierung dieser Roboter reduziert werden, damit auch unerfahrene Programmierer daran teilnehmen können. Dies kann durch Vereinfachung der Programmiersprache gegenüber herkömmlichen textbasierten Sprachen erreicht werden. Die Vereinfachung einer Programmiersprache hat sich bei der Einführung und Vermittlung von Programmierkenntnissen für kleine Kinder in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Bildung, als erfolgreich erwiesen.³ Aufgrund dieses Erfolgs kann eine vereinfachte Programmiersprache verwendet werden, um Einzelpersonen die Grundlagen der Programmierung von Industrierobotern zu vermitteln und es ihnen zu ermöglichen, die grundlegenden Fähigkeiten zu erwerben, die sie später für den Erfolg in der Industrie nutzen können.³

Mit der VEX V5 Workcell können Schüler ein industrielles Roboterarmmodell mit VEXcode V5 programmieren, einer blockbasierten Sprache, die auf Scratch-Blöcken basiert.¹⁸ (scratch.mit.edu) Der Student ist in der Lage, mit VEXcode V5, einer vereinfachten Programmiersprache, zu programmieren. Die Studierenden können ein Projekt erstellen, um die Workcell erfolgreich zu manipulieren, und außerdem den Zweck und den Ablauf des Projekts auf einer tieferen Ebene verstehen. Studien haben gezeigt, dass Anfänger ohne vorherige Programmiererfahrung erfolgreich blockbasierte Programme schreiben können, um grundlegende Aufgaben der Industrierobotik zu erfüllen.³

Studien haben auch gezeigt, dass Studenten berichten, dass die Natur einer blockbasierten Programmiersprache wie VEXcode V5 aufgrund der Beschreibung von Blöcken in natürlicher Sprache, der Drag-and-Drop-Methode für die Interaktion mit den Blöcken und der Einfachheit von einfach ist das Projekt lesen.⁶ VEXcode V5 geht auch auf Punkte ein, die bei einer blockbasierten Programmiersprache im Vergleich zum eher konventionellen textbasierten Ansatz problematisch sind. Zu den identifizierten Nachteilen gehören ein wahrgenommener Mangel an Authentizität und eine geringere Leistungsfähigkeit.⁶ VEXcode V5 behebt sowohl den vermeintlichen Mangel an Authentizität als auch den Eindruck, weniger leistungsfähig zu sein, indem es ein Tool namens „Code Viewer“ integriert. Der Code-Viewer ermöglicht es einem Schüler, ein Blockprojekt zu erstellen und dann dasselbe Projekt in Textform in C++ oder Python anzuzeigen. Diese Konvertierung ermöglicht es den Schülern, über die Einschränkungen einer blockbasierten Sprache hinauszuwachsen und stellt ihnen außerdem die Gerüstwerkzeuge zur Verfügung, die sie benötigen, um erfolgreich die Lücke in der Syntax von Blöcken zu Text zu schließen. VEXcode V5 verwendet ähnliche Namenskonventionen für Blöcke und Befehle, um den Übergang von Blöcken zu Text zu erleichtern.

Eine von Weintrop und Wilensky⁷ durchgeführte Studie zum Vergleich von blockbasierter und textbasierter Programmierung im Informatikunterricht an weiterführenden Schulen ergab, dass Schüler, die die blockbasierte Sprache verwenden, größere Lernfortschritte und ein höheres Interesse an der Informatik der Zukunft zeigten Kurse. Studenten, die die textbasierte Sprache verwenden, waren der Ansicht, dass ihre Programmiererfahrung den Erfahrungen von Programmierern in der Industrie ähnlicher sei und dass sie ihre Programmierkenntnisse effektiver verbesserten. VEXcode V5 bietet unerfahrenen Programmierern das Beste aus beiden Welten, indem es ihnen ermöglicht, zunächst eine solide Grundlage an Programmierkonzepten aufzubauen, die sie dann beim Übergang zu C++ oder Python verwenden können, beides textbasierte Sprachen, die in VEXcode V5 unterstützt werden.

VEXcode V5 ist eine zugängliche und kostenlose blockbasierte Programmiersprache für ein Industrierobotermodell zur Verwendung in Bildungseinrichtungen, die Programmierroboter für Schüler und Pädagogen zugänglicher macht, die sie sonst nicht verwenden könnten. Arbeitsumgebungen in der Fertigung verändern sich ständig mit der Technologie, und blockbasierte Programmiersprachen wie VEXcode V5 können Studenten, die zukünftige Fertigungsarbeiter werden möchten, möglicherweise besser die Fähigkeiten und grundlegenden Programmierkenntnisse vermitteln, die sie benötigen, um in Fertigungs- und Industrieberufen erfolgreich zu sein.³

IV. Große Ideen

Einer der größten Vorteile der V5 Workcell besteht darin, dass Studenten die Möglichkeit erhalten, größere Konzepte und Grundprinzipien zu erlernen und sich darauf zu konzentrieren, die nicht nur für die Programmierung, sondern auch für das Ingenieurwesen und das Berufsfeld der Industrierobotik von grundlegender Bedeutung sind. Die Konzentration auf einige größere Konzepte, die in unterschiedlichen Umgebungen und Situationen angewendet werden können, gibt den Studierenden die Möglichkeit, ein tieferes Verständnis und tiefere Lernerfahrungen für diese Fähigkeiten und Themen zu erlangen. Halpern und Hackel schlagen vor, dass „die Betonung eines tiefgreifenden Verständnisses der Grundprinzipien oft eine bessere Unterrichtsgestaltung darstellt als eine enzyklopädischere Berichterstattung über ein breites Themenspektrum“.¹⁴

Die Studierenden werden verschiedene Konzepte untersuchen, wie zum Beispiel:

• Bauen mit Metall und Elektronik
• Das kartesische Koordinatensystem
• Wie sich ein Roboterarm im 3D-Raum bewegt
• Code-Wiederverwendung
• Variablen
• 2D-Listen
• Sensor-Feedback für die Automatisierung
• Förderanlagen und vieles mehr.

Die Studierenden erwerben grundlegende Kenntnisse dieser Konzepte, die später auf eine Vielzahl von Bereichen wie Mathematik, Programmierung, Ingenieurwesen und Fertigung übertragen und angewendet werden können. Während sie eine Einführung in diese Konzepte erhalten, werden die Studierenden aktiv in die Lage versetzt, Probleme zu lösen, zusammenzuarbeiten, kreativ zu sein und Resilienz aufzubauen. All dies sind wichtige Fähigkeiten in jedem Umfeld und passen zu den heutigen Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts.

„Wissen ist im 21. Jahrhundert lebenswichtig geworden und die Menschen müssen sich solche Fähigkeiten aneignen, um in die Arbeitswelt einzutreten, sogenannte Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts. Zu den Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts gehören im Allgemeinen Zusammenarbeit, Kommunikation, digitale Kompetenz, Staatsbürgerschaft, Problemlösung, kritisches Denken, Kreativität und Produktivität. Diese Fähigkeiten werden als Fähigkeiten des 21. Jahrhunderts bezeichnet, um darauf hinzuweisen, dass sie eher mit den aktuellen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklungen zusammenhängen als mit denen des vergangenen Jahrhunderts, die als industrielle Produktionsweise charakterisiert werden.“¹⁵

V. Schlussfolgerungen

Der Zweck dieses Dokuments besteht darin, die Vorteile der VEX V5 Workcell in einem Bildungsumfeld zur Einführung in die Industrierobotik vorzustellen. Dabei zeigt dieses Papier, dass die VEX V5 Workcell eine allumfassende Lösung bietet, um Studenten in einem Bildungsumfeld an die Industrierobotik heranzuführen, die kostengünstig ist, die Programmiereintrittsbarriere senkt und sich auf große Ideen konzentriert, die den Studenten bei ihrer Entwicklung helfen wichtige Fähigkeiten.

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