Célula de trabajo VEX V5: modelo de brazo robótico industrial para educación STEM

Resumen

La robótica industrial se utiliza en casi todas las industrias manufactureras y emplea a miles de trabajadores. Sin embargo, debido a su uso generalizado en todo el mundo, la introducción de la robótica industrial en un entorno educativo es difícil de lograr y limitada en la práctica. Este documento describe las barreras para introducir la robótica industrial en un entorno educativo y presenta la solución utilizando un brazo robótico llamado VEX V5 Workcell. La célula de trabajo VEX V5 se desarrolló para mejorar la accesibilidad de la robótica industrial a los estudiantes de secundaria y técnicos. Los problemas de accesibilidad en la introducción de la robótica industrial en un entorno educativo son una combinación de restricciones de tamaño, preocupaciones de seguridad, alto costo y experiencia limitada en programación. El hardware y el software creados por VEX Robotics brindan a los estudiantes la oportunidad de desarrollar habilidades técnicas y de resolución de problemas mediante la construcción y programación de una celda de trabajo de fabricación simulada con un robot de cinco ejes.

Palabras clave:

enseñanza de robótica industrial; STEM; Python; C++, codificación basada en bloques; VEX Robotics; brazo robótico; robótica educativa

I. Introducción

El uso de la robótica en la educación se ha convertido en una experiencia de aprendizaje interdisciplinaria, práctica y auténtica para estudiantes de todas las edades.12 Involucrarse con la robótica en la educación puede despertar el interés de los estudiantes más jóvenes en la ciencia, así como darles la experiencia y el medio para aprender habilidades importantes como el pensamiento lógico, la secuenciación y la resolución de problemas. A medida que los estudiantes progresan en su carrera educativa con la robótica, pueden desarrollar las habilidades fundamentales de resolución de problemas y pensamiento lógico para estudiar conceptos más complejos de ingeniería y ciencias de la computación que dan vida a la física abstracta y los conceptos matemáticos.12

"Construir robots es una opción de proyecto popular para la implementación del aprendizaje basado en problemas (ABP) en las aulas. La razón por la que es una opción tan popular puede explicarse por la naturaleza multidisciplinaria del tema: la robótica requiere muchas habilidades científicas, técnicas y tecnológicas diferentes, como la física, la electrónica, las matemáticas y la programación. Es un tema ideal porque se pueden vincular muchos cursos diferentes. Además, los propios robots capturan la imaginación de los niños y adolescentes, proporcionando inspiración y motivación”.13

Con la tecnología en continua evolución y la programación convirtiéndose en una habilidad deseable, las instituciones educativas quieren preparar a sus estudiantes para la fuerza laboral introduciéndolos en la robótica industrial y la fabricación. Los robots industriales y los brazos robóticos son máquinas programables que están diseñadas para realizar una tarea o función específica.1

"Los sistemas robóticos se utilizan generalmente para realizar tareas de operador inseguras, peligrosas e incluso repetitivas. Tienen muchas funciones diferentes, como la manipulación de materiales, el montaje, la soldadura, la carga y descarga de una máquina o herramienta, y características como: pintura, pulverización, etc. La mayoría de los robots se configuran para funcionar mediante la técnica de enseñanza y la repetición".1

Las investigaciones muestran que los estudiantes tienen actitudes y experiencias positivas al usar robots en el aula.16 Sin embargo, a pesar de las actitudes positivas de los estudiantes, existen barreras que restringen el uso de la robótica industrial en un entorno educativo: una combinación de restricciones de tamaño, preocupaciones de seguridad, alto costo y experiencia limitada en programación. Este documento discutirá cómo VEX V5 Workcell es una solución para introducir la robótica industrial en un entorno educativo.

II. Modelos robóticos nuevos y asequibles (hardware):

A medida que avanza la tecnología, cada vez más estudiantes se interesan por la robótica como carrera. La robótica puede despertar el interés de los estudiantes en los campos de las ciencias y las matemáticas, así como brindarles la oportunidad de practicar la resolución de problemas y el pensamiento lógico.12 Las habilidades desarrolladas al trabajar con robótica educativa, como la resolución de problemas y el pensamiento lógico, también se pueden aplicar, y son fundamentales, en la carrera de robótica industrial y fabricación. Para satisfacer la necesidad y la demanda de los especialistas en el campo de la robótica que han adquirido habilidades de codificación, resolución de problemas y pensamiento lógico, las instrucciones educativas desean introducir la robótica industrial en sus aulas.17 Sin embargo, existen limitaciones para llevar los robots industriales a un entorno educativo para preparar a estos estudiantes para tener éxito en una carrera de fabricación. Es costoso no solo comprar, sino también mantener un brazo robótico en funcionamiento. Este costo puede limitar la cantidad de robots con los que los estudiantes pueden interactuar y, en consecuencia, limitar la cantidad de participación práctica independiente de los estudiantes.11 Los brazos robóticos de tamaño industrial también requieren una gran cantidad de espacio, y siempre existe un riesgo de seguridad cuando se trabaja con robots industriales. Los estudiantes inexpertos podrían dañarse accidentalmente a sí mismos, al equipo u otros.11 Debido a estos factores, las instituciones educativas están recurriendo a modelos de robots industriales más pequeños, más seguros y más rentables.

"Si bien el manejo de robots grandes requiere una supervisión constante y debe realizarse en células robóticas dedicadas, muchas universidades ahora están optando por comprar robots adicionales de tamaño de escritorio que permiten a los estudiantes trabajar de forma independiente. Como estas máquinas se programan de la misma manera que los robots más grandes, los resultados se pueden aplicar inmediatamente a las máquinas grandes para aplicaciones a gran escala ".2

El VEX V5 Workcell es un modelo de robot industrial más pequeño, más seguro y más rentable, que es lo suficientemente pequeño como para colocarlo en un escritorio de clase y con una proporción recomendada de tres estudiantes por robot, permite a los estudiantes la oportunidad de interactuar de forma práctica con el robot. La célula de trabajo V5 es más segura al ser de un tamaño más pequeño, además de tener la capacidad de programar un interruptor de parachoques que funciona como una parada de emergencia si es necesario.

La celda de trabajo V5 también permite a los estudiantes participar en una experiencia de construcción que de otro modo no sería posible. Los estudiantes que interactúan con brazos robóticos de tamaño industrial profesionales adquieren valiosos conocimientos y habilidades para programarlos, pero es posible que no entiendan cómo se mueven y operan porque no participaron en el proceso de construcción. Estar involucrado en el proceso de construcción no solo brinda a los estudiantes la oportunidad de establecer una conexión más sólida entre el hardware y el software, sino que también les permite obtener un conocimiento más fundamental de cómo funciona físicamente el robot. Esta oportunidad puede brindar a los estudiantes el conocimiento y la experiencia de construcción que necesitan para solucionar problemas de hardware de manera más efectiva, así como para resolver problemas.13 Incorporar la construcción física de robots en la educación robótica industrial también brinda a los estudiantes la oportunidad de dar vida a conceptos abstractos y ecuaciones de física, ingeniería y matemáticas. La práctica de estos conceptos STEM en contexto también permite a los estudiantes ver cómo son aplicables en la industria.

La mayoría de los otros modelos de robots industriales más pequeños y rentables vienen premontados y, a menudo, solo se construyen para una función. Una ventaja del hardware V5 Workcell es que los estudiantes no están limitados a una construcción de robot. Los estudiantes construyen la célula de trabajo V5 con piezas del sistema V5 de VEX Robotics, que tiene numerosas construcciones diferentes, incluida la función básica del brazo del robot (que se muestra en la Figura 1), el cambio de la EOAT (herramienta de final de brazo) y la adición de múltiples transportadores y sensores (que se muestran en la Figura 2). Esto brinda a los estudiantes experiencia no solo en la construcción del brazo robótico en sí, sino en la totalidad de un modelo de celda de trabajo de fabricación de tamaño pequeño. Esto permite a los estudiantes participar en un proceso de construcción que destaca conceptos matemáticos y de ingeniería que los estudiantes no podrían experimentar sin construir. Esto también permite a los estudiantes comprender cómo funciona la célula de trabajo V5 en el nivel físico, que también se transfiere a la programación. Esto hace que la V5 Workcell sea una herramienta pedagógica que no solo introduce a los estudiantes en la robótica industrial y los conceptos de programación, sino que también los introduce en la construcción, la ingeniería y los conceptos matemáticos como el sistema de coordenadas cartesianas y la operación de un robot en el espacio 3D.

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Figura 1: La Construcción del Laboratorio 1 (el brazo robótico)

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Figura 2: La Construcción del Laboratorio 11 (el brazo robótico, así como los transportadores y sensores)

Las diferentes construcciones se proporcionan en las instrucciones de construcción que guían al estudiante a través de la construcción paso a paso (que se muestra en la Figura 3). Esto hace que la construcción de la celda de trabajo V5 sea accesible para los estudiantes que pueden no tener ninguna experiencia en la construcción en general, la construcción con metal o el uso de herramientas.

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Figura 3: Un paso de las instrucciones de construcción del laboratorio 4

El VEX V5 Workcell proporciona a las instituciones educativas una opción de modelo de robot industrial más pequeña, segura y rentable que no solo es versátil en sus capacidades de construcción, sino que también proporciona a los estudiantes una experiencia de aprendizaje más independiente y práctica en comparación con los brazos robóticos de tamaño industrial profesional.

III. Programación docente (software):

Con el avance de la tecnología a tasas exponenciales, muchos trabajos de mano de obra en la fabricación industrial ahora se complementan con la automatización.4 Esto puede complementar la mano de obra e incluso en algunos casos puede crear más demanda de mano de obra, pero también requiere que los trabajadores tengan un sólido conocimiento de la programación para operar, reparar y mantener la automatización.4 La programación es una habilidad que puede llevar años para que una persona se vuelva competente, y la mayoría de los lenguajes de programación utilizados en la industria son complejos y están diseñados para ser utilizados por ingenieros profesionales.3 Esto significa que los programas necesarios para que el robot realice incluso las tareas más simples requieren la contratación de un especialista en programación.3

“Por ejemplo, programar manualmente un sistema de soldadura por arco robótico para la fabricación de un casco de vehículo grande lleva más de ocho meses, mientras que el tiempo de ciclo del proceso de soldadura en sí es de solo dieciséis horas. En este caso, el tiempo de programación es aproximadamente 360 veces el tiempo de ejecución ”.9

Este nivel de experiencia en programación limita el acceso para estudiantes y educadores que desean aprender sobre los fundamentos de programación de la robótica industrial, pero que tienen poca o ninguna experiencia en programación.

"La programación de robots consume mucho tiempo, es compleja, propensa a errores y requiere experiencia tanto en la tarea como en la plataforma. Dentro de la robótica industrial, existen numerosos lenguajes y herramientas de programación específicos del proveedor, que requieren cierta competencia. Sin embargo, para aumentar el nivel de automatización en la industria, así como para extender el uso de robots en otros dominios, como la robótica de servicios y la gestión de desastres, debe ser posible que los no expertos instruyan a los robots".10

Aprender a programar como novato a cualquier edad es un desafío.8 Aprender a comprender el flujo del proyecto además de la sintaxis de aprendizaje no solo puede ser abrumador, sino desalentador e incluso aterrador.5 Para que los estudiantes y educadores adquieran experiencia con la robótica industrial, la complejidad de la codificación de estos robots debe reducirse para que los programadores novatos puedan participar. Esto se puede hacer simplificando el lenguaje de programación de los lenguajes tradicionales basados en texto. La simplificación de un lenguaje de programación ha tenido éxito al introducir y enseñar a los niños pequeños cómo programar en diferentes áreas, incluida la educación.3 Debido a este éxito, se puede usar un lenguaje de programación simplificado para enseñar a las personas los conceptos básicos de la programación de robots industriales y les permitiría desarrollar las habilidades fundamentales que luego pueden usar para tener éxito en la industria.3

La célula de trabajo VEX V5 permite a los estudiantes programar un modelo de brazo robótico industrial utilizando VEXcode V5, un lenguaje basado en bloques alimentado por bloques Scratch.18 (scratch.mit.edu) El estudiante puede programar con VEXcode V5, un lenguaje de programación simplificado. Los estudiantes pueden construir un proyecto para manipular la Workcell con éxito y también comprender el propósito y el flujo del proyecto en un nivel más profundo. Los estudios han demostrado que los principiantes sin experiencia previa en programación pueden escribir con éxito programas basados en bloques para realizar tareas básicas de robótica industrial.3

Los estudios también han demostrado que los estudiantes informan que la naturaleza de un lenguaje de programación basado en bloques, como VEXcode V5, es fácil debido a la descripción en lenguaje natural de los bloques, el método de arrastrar y soltar para interactuar con los bloques y la facilidad de lectura del proyecto.6 VEXcode V5 también aborda los puntos de preocupación de un lenguaje de programación basado en bloques en comparación con el enfoque más convencional basado en texto. Algunos de los inconvenientes identificados son la percepción de falta de autenticidad y ser menos poderoso.6 VEXcode V5 aborda tanto la percepción de falta de autenticidad como la apariencia de ser menos poderoso mediante la incorporación de una herramienta conocida como "visor de código". El visor de código permite a un estudiante crear un proyecto de bloques y luego ver el mismo proyecto en forma de texto en C++ o Python. Esta conversión permite a los estudiantes crecer más allá de las limitaciones de un lenguaje basado en bloques y también les proporciona las herramientas de andamiaje que necesitan para tener éxito y cerrar la brecha en la sintaxis de los bloques al texto. VEXcode V5 utiliza convenciones de nomenclatura similares para bloques y comandos, para facilitar la transición de bloques a texto.

Un estudio realizado por Weintrop y Wilensky7 para comparar la programación basada en bloques y en texto en las aulas de informática de la escuela secundaria encontró que los estudiantes que usaban el lenguaje basado en bloques mostraron mayores avances en su aprendizaje y un mayor nivel de interés en futuros cursos de informática. Los estudiantes que usan el lenguaje basado en texto vieron su experiencia de programación como más similar a lo que hacen los programadores en la industria y más efectiva para mejorar sus habilidades de programación. VEXcode V5 ofrece a los programadores novatos lo mejor de ambos mundos al permitirles construir primero una base sólida de conceptos de programación que luego pueden usar al hacer la transición a C++ o Python, ambos lenguajes basados en texto compatibles con VEXcode V5.

VEXcode V5 es un lenguaje de programación basado en bloques accesible y gratuito para un modelo de robot industrial que se utilizará en entornos educativos, lo que hace que los robots de programación sean más accesibles para estudiantes y educadores que de otro modo no podrían usarlos. Los entornos de trabajo de fabricación están cambiando constantemente con la tecnología, y los lenguajes de programación basados en bloques como VEXcode V5 pueden proporcionar mejor a los estudiantes que aspiran a ser futuros trabajadores de fabricación las habilidades y el conocimiento de programación fundamental que necesitan para tener éxito en los trabajos de fabricación e industriales.3

IV. Grandes ideas

Una de las mayores ventajas de la V5 Workcell es que los estudiantes tienen la oportunidad de aprender y centrarse en conceptos más amplios y principios básicos que son fundamentales no solo para la programación, sino también para la ingeniería y el campo profesional de la robótica industrial. Centrarse en algunos conceptos más amplios que se pueden aplicar en diferentes entornos y situaciones brinda a los estudiantes la oportunidad de obtener una comprensión más profunda y una experiencia de aprendizaje más profunda de esas habilidades y temas. Halpern y Hackel sugieren que "un énfasis en la comprensión profunda de los principios básicos a menudo constituye un mejor diseño instruccional que una cobertura más enciclopédica de una amplia gama de temas".14

Los estudiantes investigarán diferentes conceptos tales como:

  • Edificio con metal y electrónica
  • El sistema de coordenadas cartesianas
  • Cómo se mueve un brazo robótico en el espacio 3D
  • Reutilización de código
  • Variables
  • Listas 2D
  • Retroalimentación del sensor para la automatización
  • Sistemas transportadores, y muchos más.

Los estudiantes obtendrán un conocimiento fundamental de estos conceptos que se pueden transferir y aplicar más adelante en una amplia gama de campos como las matemáticas, la programación, la ingeniería y la fabricación. Mientras obtienen una introducción a estos conceptos, los estudiantes son capaces de resolver problemas, colaborar, ser creativos y desarrollar resiliencia. Todas ellas son habilidades importantes en cualquier entorno y se relacionan con las habilidades actuales del siglo XXI.

“El conocimiento se ha vuelto vital en el siglo XXI y las personas necesitan adquirir tales habilidades para ingresar a la fuerza laboral llamadas habilidades del siglo XXI. En general, las habilidades del siglo XXI incluyen la colaboración, la comunicación, la alfabetización digital, la ciudadanía, la resolución de problemas, el pensamiento crítico, la creatividad y la productividad. Estas habilidades se denominan habilidades del siglo XXI para indicar que están más relacionadas con los desarrollos económicos y sociales actuales que con los del siglo pasado caracterizados como un modo de producción industrial ".15


V. Conclusiones

El propósito de este trabajo es presentar las ventajas del VEX V5 Workcell en un entorno educativo para introducir la robótica industrial. Al hacerlo, este documento muestra que VEX V5 Workcell proporciona una solución integral para introducir a los estudiantes en la robótica industrial en un entorno educativo que es rentable, reduce la barrera de entrada de la programación y se centra en grandes ideas que ayudan a los estudiantes a desarrollar habilidades importantes.


1 Rivas, D., Alvarez, M., Velasco, P., Mamarandi, J., Carrillo-Medina, J. L., Bautista, V., ... & Huerta, M. (2015, febrero). BRACON: Sistema de control para un brazo robótico con 6 grados de libertad para sistemas educativos. En 2015 6ª Conferencia Internacional sobre Automatización, Robótica y Aplicaciones (ICARA) (pp. 358-363). IEEE.

2 Brell-Çokcan, S., & Braumann, J. (2013, julio). Robots industriales para la educación en diseño: los robots como interfaces abiertas más allá de la fabricación. En International Conference on Computer-Aided Architectural Design Futures (pp. 109-117). Springer, Berlín, Heidelberg.

3 Weintrop, D., Shepherd, D. C., Francis, P., & Franklin, D. (2017, octubre). Blockly goes to work: Programación basada en bloques para robots industriales. En 2017 IEEE Blocks and Beyond Workshop (B&B) (pp. 29-36). IEEE.

4 David, H. J. J. O. E. P. (2015). ¿Por qué todavía hay tantos trabajos? La historia y el futuro de la automatización del lugar de trabajo. Revista de perspectivas económicas, 29(3), 3-30.

5 Kelleher, C., & Pausch, R. (2005). Reducción de las barreras a la programación: una taxonomía de entornos y lenguajes de programación para programadores novatos. ACM Computing Surveys (CSUR), 37(2), 83-137.

6 Weintrop, D., & Wilensky, U. (2015, junio). Bloquear o no bloquear, esa es la cuestión: las percepciones de los estudiantes sobre la programación basada en bloques. En Proceedings of the 14th international conference on interaction design and children (pp. 199-208).

7 Weintrop, D., & Wilensky, U. (2017). Comparación de la programación basada en bloques y en texto en las aulas de informática de la escuela secundaria. ACM Transactions on Computing Education (TOCE), 18(1), 1-25.

8 Grover, S., Pea, R., & Cooper, S. (2015). Diseño para un aprendizaje más profundo en un curso combinado de informática para estudiantes de secundaria. Educación en informática, 25(2), 199-237.

9 Pan, Z., Polden, J., Larkin, N., Van Duin, S., & Norrish, J. (2012). Avances recientes en métodos de programación para robots industriales. Robótica y fabricación integrada por computadora, 28(2), 87-94.

10 Stenmark, M., & Nugues, P. (2013, octubre). Programación en lenguaje natural de robots industriales. En IEEE ISR 2013 (pp. 1-5). IEEE.

11 Román-Ibáñez, V., Pujol-López, F. A., Mora-Mora, H., Pertegal-Felices, M. L., & Jimeno-Morenilla, A. (2018). Un sistema inmersivo de realidad virtual de bajo coste para la enseñanza de la programación de manipuladores robóticos. Sostenibilidad, 10(4), 1102.

12 Fox, H. W. (2007). Uso de la robótica en el aula de tecnología de ingeniería. La Interfaz Tecnológica.

13 Vandevelde, C., Saldien, J., Ciocci, M. C., & Vanderborght, B. (2013). Visión general de las tecnologías para la construcción de robots en el aula. En International conference on robotics in education (pp. 122-130).

14 Halpern, D. F., & Hakel, M. D. (2003). Aplicación de la ciencia del aprendizaje a la universidad y más allá: Enseñanza para la retención y transferencia a largo plazo. Change: The Magazine of Higher Learning, 35(4), 36-41.

15 van Laar, Ester, et ál. "La relación entre las habilidades del siglo XXI y las habilidades digitales: una revisión sistemática de la literatura". Computers in Human Behavior, vol. 72, Elsevier Ltd, 2017, pp. 577–88, doi:10.1016/j.chb.2017.03.010.

16 Chen, Y., & Chang, C. C. (2018). El impacto de un curso integrado de robótica STEM con un tema de velero en las percepciones de los estudiantes de secundaria sobre STEM integrador, interés y orientación profesional. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 14(12). https://doi.org/10.29333/ejmste/94314

17 Sergeyev, A., & Alaraje, N. (2010). Promover la educación en robótica: plan de estudios y desarrollo de laboratorios de robótica de vanguardia. The Technology Interface Journal, 10(3). http://www.engr.nmsu.edu/~etti/Spring10/Spring10/014.pdf

18 Resnick, M., Maloney, J., Monroy-Hernández, A., Rusk, N., Eastmond, E., Brennan, K., ... & Kafai, Y. (2009). Scratch: programación para todos. Comunicaciones de la ACM, 52(11), 60-67.

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