VEX V5 Workcell: Teollinen robottivarsimalli STEM-koulutukseen

Abstrakti

Teollisuusrobotiikkaa käytetään lähes kaikilla valmistusteollisuuden aloilla ja se työllistää tuhansia työntekijöitä. Silti teollisuusrobotiikkaa on laajalti käytetty ympäri maailmaa, joten sen käyttöönotto opetusympäristössä on vaikeaa toteuttaa ja käytännössä rajoitettua. Tässä artikkelissa hahmotellaan esteitä teollisuusrobotiikan käyttöönotolle opetusympäristössä ja esitellään ratkaisu VEX V5 Workcell -nimisen robottikäsivarren avulla. VEX V5 Workcell kehitettiin parantamaan teollisuusrobotiikan saavutettavuutta toisen asteen ja tekniikan opiskelijoille. Esteettömyysongelmat teollisuusrobotiikan käyttöönotossa opetusympäristössä ovat yhdistelmä kokorajoituksia, turvallisuusnäkökohtia, korkeita kustannuksia ja rajoitettua ohjelmointikokemusta. VEX Roboticsin luomat laitteistot ja ohjelmistot tarjoavat opiskelijoille mahdollisuuden kehittää teknisiä ja ongelmanratkaisutaitoja rakentamalla ja ohjelmoimalla simuloidun valmistustyösolun viisiakselisella robotilla.

Avainsanat:

teollisen robotiikan opetus; VARSI; Python; C++, lohkopohjainen koodaus; VEX Robotics; robotti käsi; opettavainen robotiikka

minä Johdanto

Robotiikan käytöstä opetuksessa on tullut monialainen, käytännönläheinen, autenttinen oppimiskokemus kaikenikäisille opiskelijoille.¹² Robotiikkaan osallistuminen opetuksessa voi herättää nuorempien opiskelijoiden kiinnostuksen luonnontieteitä kohtaan sekä antaa heille kokemusta ja välineen oppia tärkeitä taitoja, kuten loogista ajattelua, sekvensointia ja ongelmanratkaisua. Kun opiskelijat edistyvät opiskeluurallaan robotiikan parissa, he voivat hyödyntää ongelmanratkaisun ja loogisen ajattelun perustaitoja opiskellakseen monimutkaisempia tekniikan ja tietojenkäsittelytieteen käsitteitä, jotka herättävät abstraktin fysiikan ja matematiikan käsitteet henkiin.¹²

”Robottien rakentaminen on suosittu projektivaihtoehto ongelmalähtöisen oppimisen (PBL) toteuttamiseen luokkahuoneissa. Syy siihen, miksi se on niin suosittu, selittyy aiheen monitieteisyydellä: robotiikka vaatii monia erilaisia ​​tieteellisiä, teknisiä ja teknologisia taitoja, kuten fysiikkaa, elektroniikkaa, matematiikkaa ja ohjelmointia. Se on ihanteellinen aihe, koska siihen voidaan yhdistää niin monia erilaisia ​​kursseja. Lisäksi robotit itse vangitsevat lasten ja teini-ikäisten mielikuvituksen antaen inspiraatiota ja motivaatiota.¹³

Kun tekniikka kehittyy jatkuvasti ja ohjelmointi on haluttu taito, oppilaitokset haluavat valmistaa oppilaitaan työvoimaan tutustuttamalla heidät teolliseen robotiikkaan ja valmistukseen. Teollisuusrobotit ja robottikädet ovat ohjelmoitavia koneita, jotka on suunniteltu suorittamaan tietty tehtävä tai toiminto.¹

”Robottijärjestelmiä käytetään yleensä vaarallisten, vaarallisten ja jopa toistuvien kuljettajatehtävien suorittamiseen. Niillä on monia erilaisia ​​toimintoja, kuten materiaalinkäsittely, kokoonpano, hitsaus, koneen tai työkalun lastaus ja purkaminen sekä ominaisuuksia, kuten maalaus, ruiskutus jne. Useimmat robotit on konfiguroitu toimimaan opetustekniikan ja toiston avulla.¹

Tutkimukset osoittavat, että oppilailla on positiivisia asenteita ja kokemuksia robottien käytöstä luokkahuoneessa.¹⁶ Opiskelijoiden myönteisistä asenteista huolimatta on kuitenkin esteitä, jotka rajoittavat teollisuusrobotiikan käyttöä opetusympäristössä: kokorajoitusten, turvallisuushuolien, korkeiden kustannusten ja rajallisen ohjelmointikokemuksen yhdistelmä. Tässä artikkelissa keskustellaan siitä, kuinka VEX V5 Workcell on ratkaisu teollisuusrobotiikan käyttöönottamiseksi opetusympäristössä.

II. Uudet ja edulliset robottimallit (laitteisto):

Teknologian kehittyessä yhä useammat opiskelijat ovat kiinnostuneita robotiikasta urana. Robotiikka voi herättää opiskelijoiden kiinnostusta luonnontieteitä ja matematiikkaa kohtaan sekä antaa opiskelijoille mahdollisuuden harjoitella ongelmanratkaisua ja loogista ajattelua.¹² Opetusrobotiikan parissa työskentelyssä kehitettyjä taitoja, kuten ongelmanratkaisua ja loogista ajattelua, voidaan soveltaa, ja ne ovat perustavanlaatuisia, myös teollisen robotiikan ja valmistuksen uralla. Vastatakseen koodauksen, ongelmanratkaisun ja loogisen ajattelun taitoja hankkineiden robotiikka-alan asiantuntijoiden tarpeisiin ja kysyntään opetusohjeet haluavat tuoda teollisen robotiikan luokkahuoneisiinsa.¹⁷ Teollisuusrobottien tuomisella koulutusympäristöön on kuitenkin rajoituksia valmistaakseen näitä opiskelijoita menestymään valmistusuralla. Toimivan robottikäden ostamisen lisäksi on kallista myös ylläpitää. Tämä hinta voi rajoittaa robottien määrää, joiden kanssa opiskelijat voivat olla vuorovaikutuksessa, ja siten rajoittaa opiskelijoiden itsenäisen käytännön sitoutumisen määrää.¹¹ Teollisuuskokoiset robottivarret vaativat myös paljon tilaa, ja teollisuusrobottien kanssa työskentelyyn liittyy aina turvallisuusriski. Kokemattomat opiskelijat voivat vahingossa vahingoittaa itseään, laitteita tai muita.¹¹ Näiden tekijöiden vuoksi oppilaitokset ovat siirtymässä pienempiin, turvallisempiin ja kustannustehokkaampiin teollisuusrobottimalleihin.

"Vaikka suurten robottien käsittely vaatii jatkuvaa valvontaa ja se on tehtävä omistetuissa robottisoluissa, monet yliopistot päättävät nyt ostaa lisää työpöytäkokoisia robotteja, joiden avulla opiskelijat voivat työskennellä itsenäisesti. Koska nämä koneet on ohjelmoitu samalla tavalla kuin suuret robotit, tuloksia voidaan heti soveltaa suuriin koneisiin täysimittaisiin sovelluksiin.²

VEX V5 Workcell on pienempi, turvallisempi ja kustannustehokkaampi teollisuusrobottimalli, joka on tarpeeksi pieni sijoitettavaksi luokkahuoneen pöydälle ja jonka suositeltu kolmen opiskelijan ja yhden robotin välinen suhde antaa opiskelijoille mahdollisuuden harjoitella käytännönläheisesti. robotti. V5 Workcell on turvallisempi, koska se on pienempi koko ja sillä on mahdollisuus ohjelmoida puskurikytkin, joka toimii tarvittaessa hätäpysäyttimenä.

V5 Workcellin avulla opiskelijat voivat myös osallistua rakennuskokemukseen, joka ei muuten olisi mahdollista. Opiskelijat, jotka ovat tekemisissä ammattimaisten teollisten robottikäsien kanssa, saavat arvokasta tietoa ja taitoja ohjelmoimalla niitä, mutta eivät välttämättä ymmärrä niiden liikkumista ja toimintaa, koska he eivät olleet mukana rakennusprosessissa. Rakennusprosessiin osallistuminen antaa opiskelijoille mahdollisuuden luoda vahvemman yhteyden laitteiston ja ohjelmiston välille, vaan antaa opiskelijoille mahdollisuuden saada enemmän perustavaa tietoa robotin fyysisesta toiminnasta. Tämä mahdollisuus voi antaa opiskelijoille tietoa ja rakennuskokemusta, jota he tarvitsevat laitteiston tehokkaampaan vianmääritykseen ja ongelmanratkaisuun.¹³ Robottien fyysisen rakentamisen sisällyttäminen teolliseen robotiikkakoulutukseen antaa opiskelijoille mahdollisuuden herättää eloon fysiikan, tekniikan ja matematiikan abstrakteja käsitteitä ja yhtälöitä. Näiden STEM-käsitteiden harjoitteleminen kontekstissa antaa opiskelijoille mahdollisuuden nähdä, kuinka niitä voidaan soveltaa teollisuuteen.

Useimmat muut pienemmät ja kustannustehokkaammat teollisuusrobottimallit toimitetaan valmiiksi koottuna ja ne on usein rakennettu vain yhtä toimintoa varten. V5 Workcell -laitteiston etuna on, että opiskelijat eivät rajoitu yhteen robottiin. Opiskelijat rakentavat V5 Workcellin osista VEX Robotics V5 Systemistä, jossa on useita erilaisia ​​rakennelmia, mukaan lukien robottivarren perustoiminto (näkyy kuvassa 1), EOAT:n vaihtaminen (end-of-arm-työkalut) ja lisäys. useita kuljettimia ja antureita (näkyy kuvassa 2). Tämä antaa opiskelijoille kokemusta paitsi itse robottivarren rakentamisesta, myös pienen kokoisen valmistustyösolumallin kokonaisuudesta. Näin opiskelijat voivat osallistua rakennusprosessiin, joka korostaa matemaattisia ja teknisiä käsitteitä, joita opiskelijat eivät voisi kokea ilman rakentamista. Näin opiskelijat ymmärtävät myös V5 Workcellin toiminnan fyysisellä tasolla, mikä siirtyy myös ohjelmointiin. Tämä tekee V5 Workcellistä pedagogisen työkalun, joka ei vain esittele opiskelijoille teollisuusrobotiikkaa ja ohjelmointikonsepteja, vaan myös tutustuttaa heitä rakentamiseen, suunnitteluun ja matemaattisiin käsitteisiin, kuten karteesiseen koordinaattijärjestelmään ja robotin käyttämiseen 3D-avaruudessa.

Eri rakennelmat on annettu rakennusohjeissa, jotka ohjaavat opiskelijaa vaiheittaisessa rakentamisessa (näkyy kuvassa 3). Tämä mahdollistaa V5 Workcellin rakentamisen opiskelijoille, joilla ei välttämättä ole kokemusta rakentamisesta yleensä, metallirakentamisesta tai työkalujen käytöstä.

Kuva 3: Vaihe Lab 4:n koontiohjeista

VEX V5 Workcell tarjoaa oppilaitoksille pienemmän, turvallisemman ja kustannustehokkaamman teollisuusrobotin mallivaihtoehdon, joka ei ole pelkästään monipuolinen rakennusominaisuuksiltaan, vaan tarjoaa opiskelijoille itsenäisemmän, käytännönläheisemmän oppimiskokemuksen verrattuna ammattimaiseen teollisuusrobottiin. aseita.

III. Ohjelmoinnin opettaminen (ohjelmisto):

Teknologian räjähdysmäistä vauhtia kehittyessä monet teollisen valmistuksen manuaaliset työt ovat nyt täydentyneet automaatiolla.⁴ Tämä voi täydentää työvoimaa ja joissakin tapauksissa jopa lisätä työvoiman kysyntää, mutta edellyttää myös työntekijöiltä vahvaa ohjelmointitaitoa voidakseen käyttää, korjata ja huoltaa automaatiota.⁴ Ohjelmointi on taito, jonka taito voi kestää vuosia, ja useimmat teollisuudessa käytetyt ohjelmointikielet ovat monimutkaisia ​​ja suunniteltu ammattiinsinöörien käyttöön.³ Tämä tarkoittaa, että ohjelmat, jotka ovat välttämättömiä, jotta robotti suorittaa yksinkertaisimmatkin tehtävät, edellyttävät ohjelmointiasiantuntijan palkkaamista.³

”Esimerkiksi robottikaarihitsausjärjestelmän manuaalinen ohjelmointi suuren ajoneuvon rungon valmistukseen kestää yli kahdeksan kuukautta, kun itse hitsausprosessin sykliaika on vain kuusitoista tuntia. Tässä tapauksessa ohjelmointiaika on noin 360 kertaa suoritusaika.⁹

Tämä ohjelmointiosaamisen taso rajoittaa pääsyä opiskelijoille ja opettajille, jotka haluavat oppia teollisen robotiikan ohjelmoinnin perusteista, mutta joilla on vähän tai ei ollenkaan ohjelmointikokemusta.

”Robotin ohjelmointi on aikaa vievää, monimutkaista, virhealtista ja vaatii asiantuntemusta sekä tehtävästä että alustasta. Teollisuusrobotiikassa on lukuisia toimittajakohtaisia ​​ohjelmointikieliä ja työkaluja, jotka edellyttävät tiettyä taitoa. Teollisuuden automaatiotason nostamiseksi sekä robottien käytön laajentamiseksi muilla aloilla, kuten palvelurobotiikassa ja katastrofien hallinnassa, on kuitenkin voitava ei-asiantuntijoiden ohjata robotteja."¹⁰

Ohjelmoinnin oppiminen aloittelijana kaiken ikäisenä on haastavaa.⁸ Projektinkulun ymmärtämisen oppiminen syntaksin oppimisen lisäksi ei voi olla vain musertavaa, vaan myös masentavaa ja jopa suorastaan ​​pelottavaa.⁵ Jotta opiskelijat ja opettajat saisivat kokemusta teollisuusrobotiikasta, näiden robottien koodauksen monimutkaisuutta on vähennettävä, jotta aloittelevat ohjelmoijat voivat osallistua. Tämä voidaan tehdä yksinkertaistamalla ohjelmointikieltä perinteisistä tekstipohjaisista kielistä. Ohjelmointikielen yksinkertaistaminen on onnistunut esittelemään ja opettamaan pieniä lapsia ohjelmoinnin eri aloilla, mukaan lukien koulutus.³ Tämän menestyksen ansiosta yksinkertaistetulla ohjelmointikielellä voidaan opettaa yksilöille teollisuusrobottien ohjelmoinnin perusteet, ja se antaisi heille mahdollisuuden rakentaa perustaidot, joita he voivat myöhemmin hyödyntää menestyäkseen teollisuudessa.³

VEX V5 Workcellin avulla opiskelijat voivat ohjelmoida teollisen robottikäsimallin käyttämällä VEXcode V5:tä, lohkopohjaista kieltä, joka toimii Scratch-lohkoilla.¹⁸ (scratch.mit.edu) Opiskelija osaa ohjelmoida yksinkertaistetulla ohjelmointikielellä VEXcode V5. Opiskelija osaa rakentaa projektin manipuloidakseen Workcellia onnistuneesti ja ymmärtää projektin tarkoituksen ja kulun syvemmällä tasolla. Tutkimukset ovat osoittaneet, että aloittelijat, joilla ei ole aiempaa ohjelmointikokemusta, voivat onnistuneesti kirjoittaa lohkopohjaisia ​​ohjelmia suorittaakseen teollisen robotiikan perustehtäviä.³

Tutkimukset ovat myös osoittaneet, että opiskelijat kertovat, että lohkopohjaisen ohjelmointikielen, kuten VEXcode V5, luonne on helppoa lohkojen luonnollisen kielen kuvauksen, lohkojen kanssa vuorovaikutuksessa käytettävän vedä ja pudota -menetelmän ja helppouden vuoksi. projektin lukeminen.⁶ VEXcode V5 käsittelee myös lohkopohjaisen ohjelmointikielen huolenaiheita verrattuna perinteisempään tekstipohjaiseen lähestymistapaan. Jotkut havaituista haitoista ovat havaittu aitouden puute ja heikompi vaikutus.⁶ VEXcode V5 puuttuu sekä havaittuun aitouden puutteeseen että vaikutuksen tehokkuuteen sisällyttämällä siihen työkalun, joka tunnetaan nimellä "koodinkatseluohjelma". Koodin katseluohjelman avulla opiskelija voi luoda lohkoprojektin ja tarkastella samaa projektia tekstimuodossa joko C++:ssa tai Pythonissa. Tämä muunnos antaa opiskelijoille mahdollisuuden kasvaa lohkopohjaisen kielen rajoituksia pidemmälle ja tarjoaa heille myös rakennustelinetyökalut, joita he tarvitsevat menestyäkseen umpeen syntaksissa lohkoista tekstiin. VEXcode V5 käyttää samanlaisia ​​nimeämiskäytäntöjä lohkoille ja komentoille helpottaakseen siirtymistä lohkoista tekstiin.

Weintropin ja Wilenskyn⁷ tekemässä tutkimuksessa, jossa verrattiin lohkopohjaista ja tekstipohjaista ohjelmointia lukion tietojenkäsittelytieteen luokkahuoneissa, havaittiin, että lohkopohjaista kieltä käyttävien oppilaiden oppiminen edistyi paremmin ja kiinnostus tulevaisuuden tietojenkäsittelyä kohtaan oli korkeampi. kurssit. Tekstipohjaista kieltä käyttävät opiskelijat pitivät ohjelmointikokemustaan ​​enemmän samanlaisena kuin mitä ohjelmoijat teollisuudessa ja tehokkaammin parantamaan ohjelmointitaitojaan. VEXcode V5 tarjoaa aloitteleville ohjelmoijille molempien maailmojen parhaat puolet antamalla heidän ensin rakentaa vahvan perustan ohjelmointikonsepteille, joita he voivat sitten käyttää siirtyessään C++:aan tai Pythoniin, molempia tekstipohjaisia ​​kieliä tukee VEXcode V5.

VEXcode V5 on helppokäyttöinen ja ilmainen lohkopohjainen ohjelmointikieli teollisuusrobottimallille opetusympäristössä käytettäväksi, mikä tekee ohjelmointiroboteista helpommin saavutettavissa opiskelijoille ja opettajille, jotka eivät muuten voisi käyttää niitä. Valmistustyöympäristöt muuttuvat jatkuvasti tekniikan mukana, ja VEXcode V5:n kaltaiset lohkopohjaiset ohjelmointikielet voivat tarjota tulevaisuuden valmistustyöntekijöiksi pyrkiville opiskelijoille taidot ja perustavanlaatuiset ohjelmointitiedot, joita he tarvitsevat menestyäkseen valmistus- ja teollisuustöissä.³

IV. Isoja Ideoita

Yksi V5 Workcellin suurimmista eduista on, että opiskelijat saavat mahdollisuuden oppia ja keskittyä suurempiin käsitteisiin ja perusperiaatteisiin, jotka ovat perustana paitsi ohjelmoinnin, myös tekniikan ja teollisuusrobotiikan ammattialalle. Keskittyminen muutamiin laajempiin käsitteisiin, joita voidaan soveltaa erilaisissa ympäristöissä ja tilanteissa, antaa opiskelijoille mahdollisuuden saada syvällisempää ymmärrystä ja syvempää oppimiskokemusta näistä taidoista ja aiheista. Halpern ja Hackel ehdottavat, että "perusperiaatteiden syvällisen ymmärtämisen korostaminen on usein parempi opetussuunnitelma kuin monien aiheiden tietosanakirjallisempi kattavuus".¹⁴

Opiskelijat tutkivat erilaisia ​​käsitteitä, kuten:

• Rakennus metallilla ja elektroniikalla
• Karteesinen koordinaattijärjestelmä
• Kuinka robottikäsi liikkuu 3D-avaruudessa
• Koodin uudelleenkäyttö
• Muuttujat
• 2D-listat
• Anturin palaute automaatioon
• Kuljetinjärjestelmät ja monet muut.

Opiskelijat saavat perustiedot näistä käsitteistä, joita voidaan siirtää ja soveltaa myöhemmin useilla aloilla, kuten matematiikassa, ohjelmoinnissa, tekniikassa ja valmistuksessa. Samalla kun opiskelijat tutustuvat näihin käsitteisiin, he pystyvät aktiivisesti ratkaisemaan ongelmia, tekemään yhteistyötä, olemaan luovia ja rakentamaan joustavuutta. Nämä kaikki ovat tärkeitä taitoja missä tahansa ympäristössä ja liittyvät nykypäivän 2000-luvun taitoihin.

”Tieto on tullut elintärkeäksi 2000-luvulla, ja ihmisten on hankittava sellaisia ​​taitoja päästäkseen työelämään, joita kutsutaan 2000-luvun taidoiksi. Yleisesti ottaen 2000-luvun taitoja ovat yhteistyö, viestintä, digitaalinen lukutaito, kansalaisuus, ongelmanratkaisukyky, kriittinen ajattelu, luovuus ja tuottavuus. Näitä taitoja kutsutaan 2000-luvun taidoiksi osoittamaan, että ne liittyvät enemmän nykyiseen taloudelliseen ja sosiaaliseen kehitykseen kuin menneen vuosisadan taitoihin, joita luonnehdittiin teolliseksi tuotantomuodoksi.¹⁵

V. Johtopäätökset

Tämän artikkelin tarkoituksena on esitellä VEX V5 Workcellin edut koulutusympäristössä teollisuusrobotiikan esittelyssä. Näin tehdessään tämä artikkeli osoittaa, että VEX V5 Workcell tarjoaa kaiken kattavan ratkaisun, jolla opiskelijoille tutustutaan teollisuusrobotiikkaan koulutusympäristössä, joka on kustannustehokas, alentaa ohjelmoinnin esteitä ja keskittyy suuriin ideoihin, jotka auttavat opiskelijoita kehittymään. tärkeitä taitoja.

---