Celda 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 está 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 celda de trabajo VEX V5 se desarrolló para mejorar la accesibilidad de la robótica industrial a los estudiantes secundarios 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; MADRE; 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, práctica e interdisciplinaria para estudiantes de todas las edades.¹² Comprometerse 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 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 robótica, pueden desarrollar las habilidades fundamentales de resolución de problemas y pensamiento lógico para estudiar conceptos de ingeniería e informática más complejos que dan vida a conceptos matemáticos y físicos abstractos.¹²

“La construcción de robots es una opción de proyecto popular para la implementación del aprendizaje basado en problemas (PBL) en las aulas. La razón por la que es una elección 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 una asignatura ideal porque se pueden vincular muchos cursos diferentes. Además, los propios robots capturan la imaginación de niños y adolescentes, proporcionando inspiración y motivación ”.¹³

Con la tecnología en constante evolución y la programación convirtiéndose en una habilidad deseable, las instituciones educativas quieren preparar a sus estudiantes para la fuerza 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 de 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 características como: pintura, pulverización, etc. La mayoría de los robots están configurados para su funcionamiento mediante la enseñanza de la técnica 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, problemas de seguridad, alto costo y experiencia limitada en programación. Este documento discutirá 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 por la robótica como carrera. La robótica puede despertar el interés de los estudiantes en los campos de la ciencia y las matemáticas, así como brindarles la oportunidad de practicar la resolución de problemas y el pensamiento lógico.¹² Las habilidades desarrolladas a partir del trabajo 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 quieren introducir la robótica industrial en sus aulas.¹⁷ Sin embargo, existen limitaciones para llevar robots industriales a un entorno educativo para preparar a estos estudiantes para tener éxito en una fabricación carrera profesional. Es costoso no solo comprar, sino también costoso 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. Los estudiantes sin experiencia podrían lastimarse accidentalmente a sí mismos, al equipo oa otras personas.¹¹ Debido a estos factores, las instituciones educativas están recurriendo a modelos de robots industriales más pequeños, seguros y rentables.

“Si bien el manejo de robots grandes requiere supervisión constante y debe realizarse en celdas robóticas dedicadas, muchas universidades ahora están optando por comprar robots adicionales del tamaño de un escritorio que permitan 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

La celda de trabajo VEX V5 es un modelo de robot industrial más pequeño, seguro y rentable, que es lo suficientemente pequeño como para colocarse en el escritorio de un aula y con una proporción recomendada de tres estudiantes por robot, brinda a los estudiantes la oportunidad de participar de manera práctica con el robot. La celda de trabajo V5 es más segura porque tiene un tamaño más pequeño y tiene 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 están involucrados con brazos robóticos de tamaño industrial profesional obtienen 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. 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 un conocimiento más básico 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 resolver problemas.¹³ La incorporación de la construcción física de robots en la educación robótica industrial también brinda a los estudiantes la oportunidad de aportar conceptos abstractos y ecuaciones de la física , ingeniería y matemáticas a la vida. La práctica de 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 se construyen para una función. Una ventaja del hardware V5 Workcell es que los estudiantes no están limitados a la construcción de un robot. Los estudiantes construyen la celda de trabajo V5 a partir de piezas del sistema VEX Robotics V5, que tiene numerosas versiones diferentes, incluida la función básica del brazo robótico (que se muestra en la Figura 1), cambiando el EOAT (herramientas de fin de brazo) y agregando múltiples transportadores y sensores (que se muestran en la Figura 2). Esto les da 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 resalta los conceptos matemáticos y de ingeniería que los estudiantes no podrían experimentar sin construir. Esto también permite a los estudiantes comprender cómo funciona la celda de trabajo V5 en el nivel físico, lo que también se transfiere a la programación. Esto hace que V5 Workcell sea una herramienta pedagógica que no solo introduce a los estudiantes a conceptos de programación y robótica industrial, sino que también les presenta conceptos de construcción, ingeniería y matemáticos como el sistema de coordenadas cartesianas y el funcionamiento de un robot en el espacio 3D.

Las diferentes compilaciones se proporcionan en instrucciones de compilación que guían al estudiante a través de la compilación 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 experiencia en la construcción en general, la construcción con metal o el uso de herramientas.

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

La celda de trabajo VEX V5 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 brinda a los estudiantes una experiencia de aprendizaje práctica más independiente en comparación con la robótica 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 complementan con la automatización.⁴ Esto puede complementar el trabajo, e incluso en algunos casos puede crear más demanda de trabajo, pero también requiere que los trabajadores tengan un sólido conocimiento de programación para operar, reparar y mantener la automatización.⁴ La programación es una habilidad que puede tomar años para que una persona se vuelva competente, y la mayoría de los lenguajes de programación utilizados en la industria son complejo y diseñado para ser utilizado 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 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 extender el uso de robots en otros dominios, como la robótica de servicios y la gestión de desastres, los no expertos deben poder instruir 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 también desalentador e incluso aterrador .⁵ Para que los estudiantes y educadores adquieran experiencia con la robótica industrial, la complejidad de codificar estos robots debe reducirse para que puedan participar programadores novatos. 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 cómo 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 pueden 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 puede programar con VEXcode V5, un lenguaje de programación simplificado. Los estudiantes pueden construir 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 del lenguaje natural de los bloques, el método de arrastrar y soltar para interactuar con los bloques y la facilidad de uso. leyendo el 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 una falta de autenticidad percibida 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 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 ganancias en su aprendizaje y un mayor nivel de interés en futuros cursos de computación. 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 brinda 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 accesible y gratuito basado en bloques para un modelo de robot industrial que se utilizará en entornos educativos, lo que hace que los robots de programación sean más accesibles para los estudiantes y educadores que de otro modo no podrían utilizarlos. 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 los conocimientos básicos de programación que necesitan para tener éxito en trabajos industriales y de fabricación.³

IV. Grandes ideas

Una de las mayores ventajas de la celda de trabajo V5 es que los estudiantes tienen la oportunidad de aprender y enfocarse 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 les 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:

• 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 de transporte 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 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 las cuales 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 colaboración, comunicación, alfabetización digital, ciudadanía, resolución de problemas, pensamiento crítico, creatividad y productividad. Estas competencias se denominan competencias del siglo XXI para indicar que están más relacionadas con la evolución económica y social actual que con las del siglo pasado caracterizadas como un modo de producción industrial ”.¹⁵

V. Conclusiones

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