Cellule de travail VEX V5 : modèle de bras robotique industriel pour l'enseignement STEM

Abstrait

La robotique industrielle est utilisée dans presque toutes les industries manufacturières et emploie des milliers de travailleurs. Pourtant, compte tenu de son utilisation répandue à travers le monde, l’introduction de la robotique industrielle dans un cadre éducatif est difficile à réaliser et limitée en pratique. Cet article décrit les obstacles à l'introduction de la robotique industrielle dans un cadre éducatif et présente la solution utilisant un bras robotique appelé VEX V5 Workcell. La Workcell VEX V5 a été développée pour améliorer l'accessibilité de la robotique industrielle aux étudiants du secondaire et du technique. Les problèmes d'accessibilité liés à l'introduction de la robotique industrielle dans un cadre éducatif sont une combinaison de restrictions de taille, de problèmes de sécurité, de coûts élevés et d'une expérience limitée en programmation. Le matériel et les logiciels créés par VEX Robotics offrent aux étudiants la possibilité de développer des compétences techniques et de résolution de problèmes en construisant et en programmant une cellule de fabrication simulée avec un robot à cinq axes.

Mots clés:

enseigner la robotique industrielle; TIGE; Python; C++, codage par blocs ; VEX Robotique ; Bras robotique; robotique éducative

JE. Introduction

L’utilisation de la robotique dans l’éducation est devenue une expérience d’apprentissage interdisciplinaire, pratique et authentique pour les étudiants de tous âges.12 S'engager dans la robotique dans l'éducation peut susciter l'intérêt des jeunes élèves pour les sciences et leur donner l'expérience et le moyen d'acquérir des compétences importantes telles que la pensée logique, le séquençage et la résolution de problèmes. À mesure que les élèves progressent dans leur parcours éducatif en robotique, ils peuvent s’appuyer sur les compétences fondamentales en résolution de problèmes et en pensée logique pour étudier des concepts d’ingénierie et d’informatique plus complexes qui donnent vie à des concepts physiques et mathématiques abstraits.12

« La construction de robots est un choix de projet populaire pour la mise en œuvre de l'apprentissage par problèmes (PBL) dans les salles de classe. La raison pour laquelle ce choix est si populaire peut s'expliquer par la nature multidisciplinaire du sujet : la robotique nécessite de nombreuses compétences scientifiques, techniques et technologiques différentes, comme la physique, l'électronique, les mathématiques et la programmation. C'est une matière idéale car de nombreux cours différents peuvent y être liés. De plus, les robots eux-mêmes captent l’imagination des enfants et des adolescents, leur apportant inspiration et motivation ».13

La technologie étant en constante évolution et la programmation devenant une compétence recherchée, les établissements d'enseignement souhaitent préparer leurs étudiants au marché du travail en les initiant à la robotique industrielle et à la fabrication. Les robots industriels et les bras robotiques sont des machines programmables conçues pour effectuer une tâche ou une fonction spécifique.1

« Les systèmes robotiques sont généralement utilisés pour effectuer des tâches dangereuses, dangereuses et même répétitives. Ils ont de nombreuses fonctions différentes, telles que la manutention, l'assemblage, le soudage, le chargement et le déchargement d'une machine ou d'un outil, et des fonctionnalités telles que : la peinture, la pulvérisation, etc. La plupart des robots sont configurés pour fonctionner par enseignement technique et répétition ».1

La recherche montre que les élèves ont des attitudes et des expériences positives en utilisant des robots en classe.16 Cependant, malgré l'attitude positive des étudiants, il existe des obstacles qui limitent l'utilisation de la robotique industrielle dans un cadre éducatif : une combinaison de restrictions de taille, de problèmes de sécurité, de coût élevé et d'expérience limitée en programmation. Cet article expliquera en quoi la Workcell VEX V5 est une solution pour introduire la robotique industrielle dans un cadre éducatif.

II. Modèles robotiques nouveaux et abordables (matériel) :

À mesure que la technologie progresse, de plus en plus d’étudiants s’intéressent à la robotique en tant que carrière. La robotique peut susciter l’intérêt des étudiants pour les domaines scientifiques et mathématiques, tout en leur donnant l’occasion de pratiquer la résolution de problèmes et la pensée logique.12 Les compétences développées en travaillant avec la robotique éducative, telles que la résolution de problèmes et la pensée logique, peuvent également être appliquées et sont fondamentales dans la carrière de la robotique industrielle et de la fabrication. Pour répondre au besoin et à la demande de spécialistes dans le domaine de la robotique ayant acquis des compétences en codage, en résolution de problèmes et en pensée logique, les établissements d'enseignement souhaitent introduire la robotique industrielle dans leurs salles de classe.17 Cependant, il existe des limites à l'intégration des robots industriels dans un cadre éducatif pour préparer ces étudiants à réussir dans une carrière dans le secteur manufacturier. Il est coûteux non seulement d’acheter, mais également d’entretenir un bras robotique fonctionnel. Ce coût peut limiter le nombre de robots avec lesquels les étudiants peuvent interagir et, par conséquent, limiter le degré d'engagement pratique indépendant des étudiants.11 Les bras robotiques de taille industrielle nécessitent également beaucoup d'espace et il existe toujours un risque pour la sécurité lorsque l'on travaille avec des robots industriels. Les étudiants inexpérimentés pourraient accidentellement se blesser, blesser l'équipement ou blesser autrui.11 En raison de ces facteurs, les établissements d'enseignement se tournent vers des modèles de robots industriels plus petits, plus sûrs et plus rentables.

« Alors que la manipulation de gros robots nécessite une supervision constante et doit être effectuée dans des cellules robotiques dédiées, de nombreuses universités choisissent désormais d'acheter des robots supplémentaires de la taille d'un ordinateur de bureau qui permettent aux étudiants de travailler de manière indépendante. Comme ces machines sont programmées de la même manière que les robots plus grands, les résultats peuvent être immédiatement appliqués aux grandes machines pour des applications à grande échelle ».2

La cellule de travail VEX V5 est un modèle de robot industriel plus petit, plus sûr et plus rentable, suffisamment petit pour être placé sur un bureau de classe et avec un ratio recommandé de trois étudiants pour un robot, permet aux étudiants de s'impliquer directement dans le robot. Le V5 Workcell est plus sûr grâce à sa taille plus petite et à la possibilité de programmer un interrupteur de pare-chocs qui fonctionne comme un arrêt d'urgence si nécessaire.

La Workcell V5 permet également aux étudiants de s'engager dans une expérience de construction qui ne serait pas possible autrement. Les étudiants qui travaillent avec des bras robotiques professionnels de taille industrielle acquièrent des connaissances et des compétences précieuses en les programmant, mais peuvent ne pas comprendre comment ils se déplacent et fonctionnent parce qu'ils n'ont pas été impliqués dans le processus de construction. Être impliqué dans le processus de construction donne non seulement aux étudiants la possibilité d'établir un lien plus fort entre le matériel et les logiciels, mais leur permet également d'acquérir des connaissances plus fondamentales sur le fonctionnement physique du robot. Cette opportunité peut donner aux étudiants les connaissances et l'expérience dont ils ont besoin pour dépanner le matériel plus efficacement et résoudre les problèmes.13 L'intégration de la construction physique des robots dans l'enseignement de la robotique industrielle donne également aux étudiants la possibilité de donner vie à des concepts et des équations abstraits de la physique, de l'ingénierie et des mathématiques. La pratique de ces concepts STEM en contexte permet également aux étudiants de voir comment ils sont applicables dans l'industrie.

La plupart des autres modèles de robots industriels plus petits et plus rentables sont pré-assemblés et sont souvent construits pour une seule fonction. Un avantage du matériel V5 Workcell est que les étudiants ne sont pas limités à une seule construction de robot. Les étudiants construisent la cellule de travail V5 à partir de pièces du système VEX Robotics V5, qui comporte de nombreuses versions différentes, notamment la fonction de base du bras du robot (illustré dans la figure 1), la modification de l'EOAT (outillage d'extrémité du bras) et l'ajout de plusieurs convoyeurs et capteurs (illustrés sur la figure 2). Cela donne aux étudiants l'expérience non seulement de la construction du bras robot lui-même, mais également de l'intégralité d'un modèle de cellule de fabrication de petite taille. Cela permet aux étudiants de s'engager dans un processus de construction qui met en évidence des concepts mathématiques et techniques qu'ils ne pourraient pas expérimenter sans construire. Cela permet également aux étudiants de comprendre comment la V5 Workcell fonctionne au niveau physique, ce qui se transfère également à la programmation. Cela fait du V5 Workcell un outil pédagogique qui initie non seulement les étudiants aux concepts de robotique industrielle et de programmation, mais leur présente également des concepts de construction, d'ingénierie et mathématiques tels que le système de coordonnées cartésiennes et le fonctionnement d'un robot dans un espace 3D.

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Figure 1 : Le Lab 1 Build (le bras robotique)

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Figure 2 : Le Lab 11 Build (le bras robotique ainsi que les convoyeurs et les capteurs)

Les différentes constructions sont fournies dans des instructions de construction qui guident l'étudiant tout au long de la construction étape par étape (illustré dans la figure 3). Cela rend la construction de la Workcell V5 accessible aux étudiants qui n'ont aucune expérience en matière de construction en général, de construction avec du métal ou d'utilisation d'outils.

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Figure 3 : Une étape du laboratoire 4 Instructions de construction

La cellule de travail VEX V5 offre aux établissements d'enseignement une option de modèle de robot industriel plus petite, plus sûre et plus rentable qui est non seulement polyvalente dans ses capacités de construction, mais offre également aux étudiants une expérience d'apprentissage pratique plus indépendante par rapport à la robotique industrielle professionnelle. bras.

III. Programmation pédagogique (logiciel) :

Avec les progrès technologiques à un rythme exponentiel, de nombreux emplois manuels dans la fabrication industrielle sont désormais complétés par l’automatisation.4 Cela peut compléter la main-d'œuvre et même, dans certains cas, créer une demande accrue de main-d'œuvre, mais nécessite également que les travailleurs aient de solides connaissances en programmation afin de faire fonctionner, réparer et entretenir l'automatisation.4 La programmation est une compétence qui peut prendre des années avant qu'une personne ne la maîtrise, et la plupart des langages de programmation utilisés dans l'industrie sont complexes et conçus pour être utilisés par des ingénieurs professionnels.3 Cela signifie que les programmes nécessaires pour que le robot exécute même les tâches les plus simples nécessitent l'embauche d'un spécialiste en programmation.3

« Par exemple, la programmation manuelle d'un système robotisé de soudage à l'arc pour la fabrication d'une grande coque de véhicule prend plus de huit mois, alors que la durée du cycle du processus de soudage lui-même n'est que de seize heures. Dans ce cas, le temps de programmation est environ 360 fois le temps d'exécution ».9

Ce niveau d'expertise en programmation limite l'accès aux étudiants et aux enseignants souhaitant en savoir plus sur les principes fondamentaux de la programmation de la robotique industrielle, mais ayant peu ou pas d'expérience en programmation.

« La programmation d'un robot prend du temps, est complexe, sujette aux erreurs et nécessite une expertise à la fois de la tâche et de la plate-forme. Dans le domaine de la robotique industrielle, il existe de nombreux langages et outils de programmation spécifiques aux fournisseurs, qui nécessitent une certaine maîtrise. Cependant, pour augmenter le niveau d'automatisation dans l'industrie et pour étendre l'utilisation des robots dans d'autres domaines, comme la robotique de service et la gestion des catastrophes, il doit être possible à des non-experts d'instruire les robots.10

Apprendre à programmer en tant que novice, à tout âge, est un défi.8 Apprendre à comprendre le déroulement d'un projet en plus d'apprendre la syntaxe peut non seulement être accablant, mais décourageant et même carrément effrayant.5 Pour que les étudiants et les enseignants acquièrent de l'expérience en robotique industrielle, la complexité du codage de ces robots doit être réduite afin que les programmeurs débutants puissent y participer. Cela peut être fait en simplifiant le langage de programmation par rapport aux langages textuels traditionnels. La simplification d'un langage de programmation a permis d'initier et d'enseigner aux jeunes enfants comment programmer dans différents domaines, y compris l'éducation.3 En raison de ce succès, un langage de programmation simplifié peut être utilisé pour enseigner aux individus les bases de la programmation de robots industriels et leur permettrait d'acquérir les compétences fondamentales qu'ils pourront ensuite utiliser pour réussir dans l'industrie.3

Le VEX V5 Workcell permet aux étudiants de programmer un modèle de bras robotique industriel à l'aide de VEXcode V5, un langage basé sur des blocs alimenté par des blocs Scratch.18 (scratch.mit.edu) L'étudiant est capable de programmer avec VEXcode V5, un langage de programmation simplifié. Les étudiants peuvent créer un projet pour manipuler la Workcell avec succès et également comprendre le but et le déroulement du projet à un niveau plus profond. Des études ont montré que des novices sans expérience préalable en programmation peuvent écrire avec succès des programmes basés sur des blocs pour accomplir des tâches de robotique industrielle de base.3

Des études ont également montré que les étudiants rapportent que la nature d'un langage de programmation basé sur des blocs, tel que VEXcode V5, est simple en raison de la description des blocs en langage naturel, de la méthode glisser-déposer pour interagir avec les blocs et de la facilité de manipulation. lire le projet.6 VEXcode V5 aborde également les points de préoccupation d'un langage de programmation basé sur des blocs par rapport à l'approche plus conventionnelle basée sur le texte. Certains des inconvénients identifiés sont un manque d’authenticité perçu et une perte de puissance.6 VEXcode V5 répond à la fois au manque d'authenticité perçu et à l'apparence moins puissante en incorporant un outil connu sous le nom de « visionneuse de code ». La visionneuse de code permet à un étudiant de créer un projet de blocs, puis d'afficher le même projet sous forme de texte en C++ ou Python. Cette conversion permet aux étudiants de dépasser les contraintes d'un langage basé sur des blocs et leur fournit également les outils d'échafaudage dont ils ont besoin pour réussir à combler le fossé syntaxique entre les blocs et le texte. VEXcode V5 utilise des conventions de dénomination similaires pour les blocs et les commandes, afin de faciliter la transition des blocs au texte.

Une étude réalisée par Weintrop et Wilensky7 pour comparer la programmation basée sur des blocs et celle basée sur du texte dans les classes d'informatique du secondaire a révélé que les étudiants utilisant le langage basé sur des blocs montraient de plus grands gains dans leur apprentissage et un niveau d'intérêt plus élevé pour l'informatique future. cours. Les étudiants utilisant le langage textuel considéraient leur expérience de programmation comme plus similaire à celle des programmeurs dans l'industrie et plus efficace pour améliorer leurs compétences en programmation. VEXcode V5 offre aux programmeurs débutants le meilleur des deux mondes en leur permettant d'abord de construire une base solide de concepts de programmation qu'ils peuvent ensuite utiliser lors de la transition vers C++ ou Python, deux langages textuels pris en charge dans VEXcode V5.

VEXcode V5 est un langage de programmation par blocs accessible et gratuit pour un modèle de robot industriel destiné à être utilisé dans des environnements éducatifs, ce qui rend les robots de programmation plus accessibles aux étudiants et aux enseignants qui autrement ne pourraient pas les utiliser. Les environnements de travail dans le secteur manufacturier évoluent constamment avec la technologie, et les langages de programmation basés sur des blocs comme VEXcode V5 pourraient mieux fournir aux étudiants qui aspirent à devenir de futurs travailleurs du secteur manufacturier les compétences et les connaissances de base en programmation dont ils ont besoin pour réussir dans les emplois manufacturiers et industriels.3

IV. Grandes idées

L'un des plus grands avantages de la V5 Workcell est que les étudiants ont la possibilité d'apprendre et de se concentrer sur des concepts plus larges et des principes de base qui sont fondamentaux non seulement pour la programmation, mais également pour l'ingénierie et le domaine professionnel de la robotique industrielle. Se concentrer sur quelques concepts plus larges qui peuvent être appliqués dans différents contextes et situations donne aux étudiants la possibilité d'acquérir une compréhension plus approfondie et une expérience d'apprentissage plus approfondie de ces compétences et sujets. Halpern et Hackel suggèrent que « l’accent mis sur une compréhension approfondie des principes de base constitue souvent une meilleure conception pédagogique qu’une couverture plus encyclopédique d’un large éventail de sujets ».14

Les étudiants étudieront différents concepts tels que :

  • Construire avec du métal et de l'électronique
  • Le système de coordonnées cartésiennes
  • Comment un bras robotique se déplace dans l'espace 3D
  • Réutilisation du code
  • Variables
  • Listes 2D
  • Retour de capteur pour l'automatisation
  • Systèmes de convoyeurs et bien d’autres encore.

Les étudiants acquerront des connaissances fondamentales sur ces concepts qui pourront être transférées et appliquées ultérieurement dans un large éventail de domaines tels que les mathématiques, la programmation, l'ingénierie et la fabrication. Tout en acquérant une introduction à ces concepts, les étudiants sont activement capables de résoudre des problèmes, de collaborer, d'être créatifs et de développer leur résilience. Ce sont toutes des compétences importantes dans n’importe quel environnement et liées aux compétences du 21e siècle d’aujourd’hui.

« La connaissance est devenue vitale au 21e siècle et les individus doivent acquérir de telles compétences pour entrer sur le marché du travail, appelées compétences du 21e siècle. En général, les compétences du 21e siècle comprennent la collaboration, la communication, la culture numérique, la citoyenneté, la résolution de problèmes, la pensée critique, la créativité et la productivité. Ces compétences sont qualifiées de compétences du 21ème siècle pour indiquer qu'elles sont plus liées aux développements économiques et sociaux actuels qu'à ceux du siècle dernier caractérisé comme un mode de production industriel ».15


V. Conclusions

Le but de cet article est de présenter les avantages de la VEX V5 Workcell dans un cadre pédagogique pour introduire la robotique industrielle. Ce faisant, cet article montre que la VEX V5 Workcell fournit une solution globale pour initier les étudiants à la robotique industrielle dans un cadre éducatif qui est rentable, abaisse la barrière d'entrée en programmation et se concentre sur les grandes idées qui aident les étudiants à développer compétences importantes.


1 Rivas, D., Alvarez, M., Velasco, P., Mamarandi, J., Carrillo-Medina, JL, Bautista, V., ... & Huerta, M. (2015, février). BRACON : Système de contrôle d'un bras robotique à 6 degrés de liberté pour les systèmes éducatifs. En 2015, 6e Conférence internationale sur l'automatisation, la robotique et les applications (ICARA) (pp. 358-363). IEEE.

2 Brell-Çokcan, S., & Braumann, J. (juillet 2013). Robots industriels pour l'enseignement du design : les robots comme interfaces ouvertes au-delà de la fabrication. Dans Conférence internationale sur l'avenir de la conception architecturale assistée par ordinateur (pp. 109-117). Springer, Berlin, Heidelberg.

3 Weintrop, D., Shepherd, DC, Francis, P., & Franklin, D. (octobre 2017). Blockly se met au travail : programmation par blocs pour robots industriels. En 2017, atelier IEEE Blocks and Beyond (B&B) (pp. 29-36). IEEE.

4 David, HJJOEP (2015). Pourquoi y a-t-il encore autant d’emplois ? L'histoire et l'avenir de l'automatisation du lieu de travail. Journal des perspectives économiques, 29(3), 3-30.

5 Kelleher, C., & Pausch, R. (2005). Réduire les barrières à la programmation : une taxonomie des environnements et des langages de programmation pour les programmeurs débutants. Enquêtes informatiques ACM (CSUR), 37(2), 83-137.

6 Weintrop, D., & Wilensky, U. (juin 2015). Bloquer ou ne pas bloquer, telle est la question : les perceptions des étudiants sur la programmation basée sur les blocs. Dans Actes de la 14e conférence internationale sur la conception d'interactions et les enfants (pp. 199-208).

7 Weintrop, D., & Wilensky, U. (2017). Comparaison de la programmation par blocs et par texte dans les classes d'informatique du secondaire. Transactions ACM sur l'enseignement informatique (TOCE), 18(1), 1-25.

8 Grover, S., Pea, R., & Cooper, S. (2015). Concevoir pour un apprentissage plus approfondi dans un cours mixte d'informatique destiné aux collégiens. Enseignement de l'informatique, 25(2), 199-237.

9 Pan, Z., Polden, J., Larkin, N., Van Duin, S., & Norrish, J. (2012). Progrès récents sur les méthodes de programmation pour les robots industriels. Robotique et fabrication intégrée par ordinateur, 28(2), 87-94.

10 Stenmark, M., & Nugues, P. (octobre 2013). Programmation en langage naturel de robots industriels. Dans IEEE ISR 2013 (pages 1 à 5). IEEE.

11 Román-Ibáñez, V., Pujol-López, FA, Mora-Mora, H., Pertegal-Felices, ML, & Jimeno-Morenilla, A. (2018). Un système de réalité virtuelle immersive à faible coût pour enseigner la programmation de manipulateurs robotiques. Durabilité, 10(4), 1102.

12 Renard, HW (2007). Utiliser la robotique dans la classe de technologie de l'ingénierie. L'interface technologique.

13 Vandevelde, C., Saldien, J., Ciocci, MC, & Vanderborght, B. (2013). Aperçu des technologies pour construire des robots en classe. Dans Conférence internationale sur la robotique dans l'éducation (pp. 122-130).

14 Halpern, DF, & Hakel, MD (2003). Appliquer la science de l'apprentissage à l'université et au-delà : enseigner pour la rétention et le transfert à long terme. Changement : Le magazine de l'enseignement supérieur, 35(4), 36-41.

15 van Laar, Ester et coll. « La relation entre les compétences du 21e siècle et les compétences numériques : une revue systématique de la littérature. » Les ordinateurs dans le comportement humain, vol. 72, Elsevier Ltd, 2017, pp. 577-88, est ce que je:10.1016/j.chb.2017.03.010.

16 Chen, Y., & Chang, CC (2018). L'impact d'un cours STEM de robotique intégrée avec un sujet sur le voilier sur les perceptions des élèves du secondaire en matière de STEM intégrateur, d'intérêt et d'orientation professionnelle. Journal Eurasie d'enseignement des mathématiques, des sciences et de la technologie, 14(12). https://doi.org/10.29333/ejmste/94314

17 Sergeyev, A., & Alaraje, N. (2010). Promouvoir l'enseignement de la robotique : développement de programmes d'études et de laboratoires de robotique de pointe. Le journal de l'interface technologique, 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 : la programmation pour tous. Communications de l'ACM, 52(11), 60-67.

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