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

Abstracto

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, introducir la robótica industrial en un entorno educativo es difícil de lograr y limitado en la práctica. Este artículo describe las barreras para la introducción de la robótica industrial en un entorno educativo y presenta la solución utilizando un brazo robótico llamado VEX V5 Workcell. La celda de trabajo VEX V5 fue desarrollada para mejorar la accesibilidad de la robótica industrial a estudiantes de secundaria y técnicos. Los problemas de accesibilidad al introducir 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; PROVENIR; Pitón; C++, codificación basada en bloques; Robótica VEX; brazo robotico; robótica educativa

I. Introducción

El uso de la robótica en la educación se ha convertido en una experiencia de aprendizaje auténtica, interdisciplinaria y práctica 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 brindarles 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 aprovechar las habilidades fundamentales de resolución de problemas y pensamiento lógico para estudiar conceptos más complejos de ingeniería e informática que dan vida a conceptos abstractos de física y matemáticas.12

“La construcción de 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 física, electrónica, matemáticas y programación. Es un tema ideal porque se pueden vincular muchos cursos diferentes a él. Además, los propios robots capturan la imaginación de niños y adolescentes, proporcionándoles inspiración y motivación”.13

Dado que la tecnología evoluciona continuamente y la programación se convierte en una habilidad deseable, las instituciones educativas desean preparar a sus estudiantes para el mundo laboral presentándoles 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 del operador inseguras, peligrosas e incluso repetitivas. Tienen muchas funciones diferentes, como manipulación de materiales, montaje, soldadura, carga y descarga de una máquina o herramienta, y funciones como: pintura, pulverización, etc. La mayoría de los robots están configurados para funcionar enseñando técnica y 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 artículo analizará cómo la celda de trabajo VEX V5 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 en la robótica como carrera. La robótica puede despertar el interés de los estudiantes en los campos de las ciencias y las matemáticas, además de 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 demanda de especialistas en el campo de la robótica que han adquirido habilidades de codificación, resolución de problemas y pensamiento lógico, las instituciones educativas desean introducir la robótica industrial en sus aulas.17 Sin embargo, existen limitaciones a la hora de incorporar robots industriales a un entorno educativo para preparar a estos estudiantes para que tengan éxito en una carrera manufacturera. 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 para la seguridad cuando se trabaja con robots industriales. Los estudiantes sin experiencia podrían dañarse accidentalmente a sí mismos, al equipo o a 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 supervisión constante y debe realizarse en células robóticas dedicadas, muchas universidades ahora están optando por comprar robots adicionales del tamaño de una computadora de escritorio que permitan a los estudiantes trabajar de forma independiente. Como estas máquinas están programadas 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

La celda de trabajo VEX V5 es un modelo de robot industrial más pequeño, más seguro y más rentable, lo suficientemente pequeño como para colocarlo en el escritorio de un salón de clases y con una proporción recomendada de tres estudiantes por robot, les brinda a los estudiantes la oportunidad de participar de manera práctica con el robot. La celda de trabajo V5 es más segura al ser de menor tamaño, además de tener la capacidad de programar un interruptor de parachoques que funciona como 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 trabajan con brazos robóticos profesionales de tamaño industrial obtienen conocimientos y habilidades valiosos al programarlos, pero es posible que no comprendan cómo se mueven y operan porque no participaron en el proceso de construcción. Participar en el proceso de construcción no solo les brinda a los estudiantes la oportunidad de establecer una conexión más sólida entre el hardware y el software, sino que también les permite obtener conocimientos más básicos sobre cómo funciona físicamente el robot. Esta oportunidad puede brindarles a los estudiantes el conocimiento y la experiencia de construcción que necesitan para solucionar problemas de hardware de manera más efectiva y resolver problemas.13 La incorporación de la construcción física de robots a la educación en robótica industrial también brinda a los estudiantes la oportunidad de dar vida a conceptos abstractos y ecuaciones de física, ingeniería y matemáticas. Practicar estos conceptos STEM en contexto también permite a los estudiantes ver cómo se aplican en la industria.

La mayoría de los otros modelos de robots industriales más pequeños y rentables vienen preensamblados y, a menudo, solo están construidos para una función. Una ventaja del hardware V5 Workcell es que los estudiantes no están limitados a la construcción de un solo robot. Los estudiantes construyen la celda de trabajo V5 a partir de piezas del sistema VEX Robotics V5, que tiene numerosas construcciones diferentes, incluida la función básica del brazo robótico (que se muestra en la Figura 1), cambiando el EOAT (herramientas de extremo del brazo) y agregando múltiples transportadores y sensores (como se muestra en la Figura 2). Esto brinda a los estudiantes experiencia no solo en la construcción del brazo robótico en sí, sino también 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 resalta conceptos matemáticos y de ingeniería que los estudiantes no podrían experimentar sin construir. Esto también permite a los estudiantes comprender cómo funciona V5 Workcell a nivel físico, lo que también se transfiere a la programación. Esto convierte a V5 Workcell en una herramienta pedagógica que no solo presenta a los estudiantes la robótica industrial y los conceptos de programación, sino que también les presenta conceptos de construcción, ingeniería y matemáticas como el sistema de coordenadas cartesianas y el funcionamiento de un robot en el espacio 3D.

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Figura 1: The Lab 1 Build (el brazo robótico)

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

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

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

La celda de trabajo VEX V5 proporciona a las instituciones educativas una opción de modelo de robot industrial más pequeño, más seguro y más rentable que no solo es versátil en sus capacidades de construcción, sino que también brinda a los estudiantes una experiencia de aprendizaje más independiente y práctica en comparación con un robot de tamaño industrial profesional. brazos.

III. Programación didáctica (software):

Con el avance de la tecnología a un ritmo exponencial, muchos trabajos manuales en la fabricación industrial ahora se están complementando 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 programación para poder operar, reparar y mantener la automatización.4 La programación es una habilidad que una persona puede tardar años en dominar, 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 robótico de soldadura por arco 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 sólo 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 de 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 requiere 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 de cada proveedor, que requieren cierta competencia. Sin embargo, para aumentar el nivel de automatización en la industria, así como para ampliar el uso de robots en otros ámbitos, como la robótica de servicios y la gestión de desastres, tiene que ser posible que personas no expertas instruyan a los robots”.10

Aprender a programar como principiante a cualquier edad es un desafío.8 Aprender a comprender el flujo de un proyecto además de aprender la sintaxis puede no sólo ser abrumador, sino también desalentador e incluso directamente aterrador.5 Para que los estudiantes y educadores adquieran experiencia con la robótica industrial, es necesario reducir la complejidad de la codificación de estos robots 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 logrado introducir y enseñar a los niños pequeños a programar en diferentes áreas, incluida la educación.3 Debido a este éxito, se puede utilizar 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 podrán utilizar para tener éxito en la industria.3

La celda de trabajo VEX V5 permite a los estudiantes programar un modelo de brazo robótico industrial utilizando VEXcode V5, un lenguaje basado en bloques impulsado por bloques Scratch.18 (scratch.mit.edu) El estudiante es capaz de programar con VEXcode V5, un lenguaje de programación simplificado. Los estudiantes pueden crear un proyecto para manipular 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 de los bloques en lenguaje natural, el método de arrastrar y soltar para interactuar con los bloques y la facilidad de leyendo el proyecto.6 VEXcode V5 también aborda puntos de preocupación para 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 falta de autenticidad percibida como la apariencia menos poderosa al incorporar 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 en 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 la programación basada 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 la informática del futuro. cursos. Los estudiantes que utilizan el lenguaje basado en texto consideraron que su experiencia de programación era más similar a lo que hacen los programadores en la industria y más eficaz 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 realizar 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 la programación de robots sea más accesible para estudiantes y educadores que de otra manera no podrían usarlos. Los entornos laborales de fabricación cambian constantemente con la tecnología, y los lenguajes de programación basados ​​en bloques como VEXcode V5 pueden proporcionar 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 trabajos industriales y de fabricación.3

IV. Grandes ideas

Una de las mayores ventajas de V5 Workcell es que los estudiantes tienen la oportunidad de aprender y concentrarse 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 de instrucción que una cobertura más enciclopédica de una amplia gama de temas".14

Los estudiantes investigarán diferentes conceptos como:

  • Construyendo con metal y electrónica.
  • El sistema de coordenadas cartesiano
  • Cómo se mueve un brazo robótico en el espacio 3D
  • Reutilización de código
  • variables
  • Listas 2D
  • Retroalimentación de sensores para automatización
  • Sistemas transportadores y muchos más.

Los estudiantes obtendrán conocimientos básicos de estos conceptos que podrán transferirse y aplicarse más adelante en una amplia gama de campos como matemáticas, programación, ingeniería y fabricación. Mientras obtienen una introducción a estos conceptos, los estudiantes pueden activamente 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 esas habilidades para ingresar a la fuerza laboral, llamadas habilidades del siglo XXI. En general, las habilidades del siglo XXI incluyen colaboración, comunicación, alfabetización digital, ciudadanía, resolución de problemas, pensamiento crítico, creatividad y 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 artículo es presentar las ventajas de la Workcell VEX V5 en un entorno educativo para introducir la robótica industrial. Al hacerlo, este documento muestra que VEX V5 Workcell proporciona una solución integral para presentar a los estudiantes la robótica industrial en un entorno educativo que es rentable, reduce la barrera de entrada a la programación y se centra en grandes ideas que ayudan a los estudiantes a desarrollarse. habilidades importantes.


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

2 Brell-Çokcan, S., & Braumann, J. (julio de 2013). Robots industriales para la educación en diseño: robots como interfaces abiertas más allá de la fabricación. En Conferencia internacional sobre el futuro del diseño arquitectónico asistido por computadora (págs. 109-117). Springer, Berlín, Heidelberg.

3 Weintrop, D., Shepherd, DC, Francis, P., & Franklin, D. (octubre de 2017). Blockly se pone a trabajar: programación basada en bloques para robots industriales. En 2017, taller IEEE Blocks and Beyond (B&B) (págs. 29-36). IEEE.

4 David, HJJEP (2015). ¿Por qué todavía hay tantos puestos de trabajo? 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). Reducir las barreras a la programación: una taxonomía de entornos y lenguajes de programación para programadores novatos. Encuestas de Computación ACM (CSUR), 37(2), 83-137.

6 Weintrop, D., & Wilensky, U. (junio de 2015). Bloquear o no bloquear, esa es la cuestión: las percepciones de los estudiantes sobre la programación basada en bloques. En Actas de la 14ª conferencia internacional sobre diseño de interacción y niños (págs. 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. Transacciones ACM sobre educación en informática (TOCE), 18(1), 1-25.

8 Grover, S., Pea, R., & Cooper, S. (2015). Diseño para un aprendizaje más profundo en un curso semipresencial 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. (octubre de 2013). Programación en lenguaje natural de robots industriales. En IEEE ISR 2013 (págs. 1-5). IEEE.

11 Román-Ibáñez, V., Pujol-López, FA, Mora-Mora, H., Pertegal-Felices, ML, & Jimeno-Morenilla, A. (2018). Un sistema de realidad virtual inmersivo de bajo coste para enseñar a programar manipuladores robóticos. Sostenibilidad, 10(4), 1102.

12 Zorro, HW (2007). Uso de la robótica en el aula de tecnología de la ingeniería. La interfaz tecnológica.

13 Vandevelde, C., Saldien, J., Ciocci, MC, & Vanderborght, B. (2013). Descripción general de las tecnologías para la construcción de robots en el aula. En Conferencia internacional sobre robótica en la educación (págs. 122-130).

14 Halpern, DF, & Hakel, MD (2003). Aplicar la ciencia del aprendizaje a la universidad y más allá: enseñanza para la retención y transferencia a largo plazo. Cambio: La revista de educación superior, 35 (4), 36-41.

15 van Laar, Ester, et al. "La relación entre las habilidades del siglo XXI y las habilidades digitales: una revisión sistemática de la literatura". Las computadoras en el comportamiento humano, vol. 72, Elsevier Ltd, 2017, págs. 577–88, doi:10.1016/j.chb.2017.03.010.

16 Chen, Y., & Chang, CC (2018). El impacto de un curso STEM de robótica integrada con un tema de velero en las percepciones de los estudiantes de secundaria sobre STEM integrador, interés y orientación profesional. Revista Eurasia de Educación en Matemáticas, Ciencia y Tecnología, 14(12). https://doi.org/10.29333/ejmste/94314

17 Sergeyev, A., & Alaraje, N. (2010). Promoción de la educación en robótica: plan de estudios y desarrollo de laboratorios de robótica de última generación. Revista de interfaz tecnológica, 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 JCA, 52(11), 60-67.

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