VEX V5 Workcell: Ipari robotkar modell a STEM oktatáshoz

Absztrakt

Az ipari robotikát szinte minden feldolgozóiparban használják, és több ezer munkavállalót foglalkoztatnak. Mégis, mivel világszerte elterjedt, az ipari robotika oktatási környezetben történő bevezetése nehezen kivitelezhető és a gyakorlatban korlátozott. Ez a cikk felvázolja az ipari robotika oktatási környezetben történő bevezetésének akadályait, és bemutatja a megoldást a VEX V5 Workcell nevű robotkar segítségével. A VEX V5 Workcellt azért fejlesztették ki, hogy javítsa az ipari robotika hozzáférhetőségét a közép- és műszaki hallgatók számára. Az ipari robotika oktatási környezetben történő bevezetésének akadálymentességi problémái a méretkorlátozások, a biztonsági aggályok, a magas költségek és a korlátozott programozási tapasztalat kombinációja. A VEX Robotics által megalkotott hardver és szoftver lehetőséget biztosít a hallgatóknak a technikai és problémamegoldó készségek fejlesztésére egy öttengelyes robottal szimulált gyártási munkacella felépítésével és programozásával.

Kulcsszavak:

ipari robotika oktatása; SZÁRMAZIK; Piton; C++, blokk alapú kódolás; VEX Robotics; robotkar; oktatási robotika

ÉN. Bevezetés

A robotika oktatásban való alkalmazása interdiszciplináris, gyakorlatias, hiteles tanulási élménnyé vált minden korosztály számára.¹² A robotikával való foglalkozás az oktatásban felkeltheti a fiatalabb diákok érdeklődését a természettudományok iránt, valamint tapasztalatot és médiumot biztosít számukra olyan fontos készségek elsajátításához, mint a logikus gondolkodás, a szekvenálás és a problémamegoldás. Ahogy a diákok előrehaladnak a robotikával végzett oktatási pályafutásuk során, a problémamegoldás és a logikus gondolkodás alapvető készségeire építve bonyolultabb mérnöki és számítástechnikai fogalmakat tanulhatnak, amelyek életre keltik az absztrakt fizikát és a matematikai fogalmakat.¹²

„A robotok építése népszerű projektválasztás a problémaalapú tanulás (PBL) osztálytermi megvalósítására. Hogy miért ilyen népszerű, az a téma multidiszciplináris jellegével magyarázható: a robotika sokféle tudományos, műszaki és technológiai ismeretet igényel, mint például a fizika, az elektronika, a matematika és a programozás. Ideális tantárgy, mert nagyon sok különböző kurzus köthető hozzá. Ezenkívül a robotok maguk is megragadják a gyerekek és tinédzserek képzeletét, inspirációt és motivációt adva.¹³

A technológia folyamatos fejlődésével és a programozás kívánatos készségévé válásával az oktatási intézmények az ipari robotika és gyártás megismertetésével szeretnék felkészíteni diákjaikat a munkaerőre. Az ipari robotok és robotkarok olyan programozható gépek, amelyeket egy adott feladat vagy funkció elvégzésére terveztek.¹

„A robotrendszereket általában nem biztonságos, veszélyes, sőt ismétlődő kezelői feladatok elvégzésére használják. Számos különböző funkciójuk van, mint például anyagmozgatás, összeszerelés, hegesztés, gép vagy szerszám be- és kirakodása, valamint olyan funkciók, mint: festés, permetezés stb. A legtöbb robot a tanítási technika és az ismétlés alapján van beállítva a működésre.¹

A kutatások azt mutatják, hogy a tanulók pozitív attitűdökkel és tapasztalatokkal rendelkeznek az osztálytermi robotok használatával kapcsolatban.¹⁶ A pozitív hallgatói attitűd ellenére azonban vannak akadályok, amelyek korlátozzák az ipari robotika oktatási környezetben való használatát: méretkorlátozások, biztonsági aggályok, magas költségek és korlátozott programozási tapasztalat kombinációja. Ez a cikk azt tárgyalja, hogy a VEX V5 Workcell hogyan jelent megoldást az ipari robotika oktatási környezetben történő bevezetésére.

II. Új és megfizethető robotmodellek (hardver):

A technológia fejlődésével egyre több diák érdeklődik a robotika, mint karrier iránt. A robotika felkeltheti a diákok érdeklődését a tudomány és a matematika iránt, valamint lehetőséget ad a diákoknak a problémamegoldás és a logikus gondolkodás gyakorlására.¹² Az oktatási robotikával való munka során megszerzett készségek, mint a problémamegoldás és a logikus gondolkodás, az ipari robotika és a gyártás pályafutásában is alkalmazhatóak és alapjai. A kódolási, problémamegoldó és logikus gondolkodási készségeket elsajátított robotikai szakemberek igényeinek és keresleteinek kielégítésére az oktatási instrukciók az ipari robotikát szeretnék bevezetni tantermeikbe.¹⁷ Azonban vannak korlátai az ipari robotok oktatási környezetbe való bevezetésének, hogy felkészítsék ezeket a tanulókat a sikeres gyártási pályára. Egy működő robotkar nemcsak megvásárlása, hanem fenntartása is költséges. Ez a költség korlátozhatja azoknak a robotoknak a számát, amelyekkel a diákok interakcióba léphetnek, és ennek következtében korlátozhatja a tanulók önálló gyakorlati tevékenységének számát.¹¹ Az ipari méretű robotkarok is nagy helyet igényelnek, és az ipari robotokkal végzett munka során mindig fennáll a biztonsági kockázat. A tapasztalatlan tanulók véletlenül kárt tehetnek magukban, a felszerelésben vagy másokban.¹¹ Ezen tényezők miatt az oktatási intézmények a kisebb, biztonságosabb és költséghatékonyabb ipari robotmodellek felé fordulnak.

„Míg a nagyméretű robotok kezelése állandó felügyeletet igényel, és külön robotcellákban kell elvégezni, sok egyetem most úgy dönt, hogy további asztali méretű robotokat vásárol, amelyek lehetővé teszik a hallgatók számára, hogy önállóan dolgozhassanak. Mivel ezek a gépek ugyanúgy vannak programozva, mint a nagyobb robotok, az eredmények azonnal alkalmazhatók a nagy gépekre a teljes körű alkalmazásokhoz.²

A VEX V5 Workcell egy kisebb, biztonságosabb és költséghatékonyabb ipari robotmodell, amely elég kicsi ahhoz, hogy egy tantermi asztalra lehessen helyezni, és az ajánlott három tanuló egy robot arányával lehetővé teszi a diákok számára, hogy gyakorlati együttműködést végezzenek a robot. A V5 Workcell biztonságosabb, mivel kisebb méretű, valamint képes programozni a lökhárító kapcsolót, amely szükség esetén vészleállítóként működik.

A V5 Workcell lehetővé teszi a diákok számára, hogy olyan építési élményben vegyenek részt, amely egyébként nem lenne lehetséges. Azok a diákok, akik professzionális ipari méretű robotkarokkal foglalkoznak, értékes tudásra és készségekre tesznek szert a programozás során, de előfordulhat, hogy nem értik, hogyan mozognak és működnek, mert nem vettek részt az építési folyamatban. Az építési folyamatban való részvétel nemcsak lehetőséget ad a hallgatóknak arra, hogy erősebb kapcsolatot létesítsenek a hardver és a szoftver között, hanem azt is, hogy alaposabb ismereteket szerezzenek a robot fizikai működéséről. Ez a lehetőség megadhatja a hallgatóknak azt a tudást és építési tapasztalatot, amelyre szükségük van a hardver hatékonyabb elhárításához és a problémamegoldáshoz.¹³ A robotok fizikai építésének beépítése az ipari robotoktatásba lehetőséget ad a hallgatóknak arra is, hogy a fizika, a mérnöki és a matematika elvont fogalmait és egyenleteit életre keltsék. Ezen STEM-fogalmak kontextusában történő gyakorlása lehetővé teszi a diákok számára, hogy lássák, hogyan alkalmazhatók az iparban.

A legtöbb más kisebb és költséghatékonyabb ipari robotmodell előre összeszerelve érkezik, és gyakran csak egy funkcióra készül. A V5 Workcell hardver előnye, hogy a diákok nem korlátozódnak egyetlen robotra. A diákok a V5 Workcellt a VEX Robotics V5 System alkatrészeiből építik fel, amely számos különböző összeállítással rendelkezik, beleértve a robotkar alapvető funkcióit (az 1. ábrán látható), az EOAT megváltoztatását (karvégi szerszámozás) és hozzáadását. több szállítószalag és érzékelő (a 2. ábrán látható). Ez tapasztalatot ad a hallgatóknak nemcsak magának a robotkarnak a megépítésében, hanem egy kis méretű gyártási munkacella-modell egészében. Ez lehetővé teszi a diákok számára, hogy részt vegyenek egy olyan építési folyamatban, amely olyan matematikai és mérnöki koncepciókat emel ki, amelyeket a tanulók építés nélkül nem tudnának megtapasztalni. Ez azt is lehetővé teszi a hallgatóknak, hogy megértsék, hogyan működik a V5 Workcell fizikai szinten, ami átkerül a programozásba is. Ezáltal a V5 Workcell pedagógiai eszközzé válik, amely nemcsak az ipari robotikával és programozási koncepciókkal ismerteti meg a tanulókat, hanem olyan építési, mérnöki és matematikai fogalmakat is megismertet velük, mint például a derékszögű koordinátarendszer és a robot 3D-s térben való működtetése.

A különböző összeállításokat az összeállítási utasítások tartalmazzák, amelyek lépésről lépésre vezetik végig a tanulót (lásd a 3. ábrát). Ez lehetővé teszi a V5 Workcell felépítését olyan diákok számára, akiknek nincs általános tapasztalatuk az építésben, a fémből való építésben vagy a szerszámok használatában.

3. ábra: Egy lépés a Lab 4összeépítési útmutatójából

A VEX V5 Workcell egy kisebb, biztonságosabb és költséghatékonyabb ipari robotmodell opciót biztosít az oktatási intézményeknek, amely nemcsak építési képességeiben sokoldalú, hanem a professzionális ipari méretű robotokhoz képest függetlenebb, gyakorlatiasabb tanulási tapasztalatot biztosít a hallgatóknak. fegyver.

III. Programozás oktatása (szoftver):

A technológia exponenciális fejlődésével az ipari gyártásban számos kézi munkával végzett munka automatizálással egészül ki.⁴ Ez kiegészítheti a munkaerőt, sőt bizonyos esetekben nagyobb munkaerő-igényt is teremthet, de az automatizálás működtetéséhez, javításához és karbantartásához komoly programozási ismereteket is megkövetel a dolgozóktól.⁴ A programozás egy olyan készség, amely évekbe telhet, mire az ember jártas lesz, és az iparban használt programozási nyelvek többsége összetett, és professzionális mérnökök számára készült.³ Ez azt jelenti, hogy a legegyszerűbb feladatok elvégzéséhez szükséges programokhoz programozó szakember alkalmazása szükséges.³

„Például egy robotizált ívhegesztő rendszer manuális programozása egy nagyméretű járműtörzs gyártásához több mint nyolc hónapot vesz igénybe, miközben maga a hegesztési folyamat ciklusideje mindössze tizenhat óra. Ebben az esetben a programozási idő körülbelül 360-szorosa a végrehajtási időnek.⁹

A programozási szakértelem ilyen szintje korlátozza azoknak a diákoknak és oktatóknak a hozzáférését, akik szeretnének megismerni az ipari robotika programozási alapjait, de alig vagy egyáltalán nem rendelkeznek programozási tapasztalattal.

„A robotprogramozás időigényes, összetett, hibákra hajlamos, és mind a feladat, mind a platform szakértelmét igényli. Az ipari robotikán belül számos gyártó-specifikus programozási nyelv és eszköz létezik, amelyekhez bizonyos jártasság szükséges. Mindazonáltal az ipar automatizálási szintjének növelése, valamint a robotok más területeken való használatának kiterjesztése érdekében, mint például a szolgáltató robotika és a katasztrófavédelem, lehetővé kell tenni, hogy nem szakértők is oktassák a robotokat.¹⁰

Kezdőként megtanulni programozni minden életkorban kihívást jelent.⁸ A projektfolyamat megértésének elsajátítása a szintaxistanuláson túl nemcsak elsöprő, de elbátortalanító, sőt egyenesen ijesztő is lehet.⁵ Ahhoz, hogy a diákok és oktatók tapasztalatot szerezzenek az ipari robotikával kapcsolatban, csökkenteni kell ezen robotok kódolásának bonyolultságát, hogy a kezdő programozók is részt vehessenek benne. Ezt úgy lehet megtenni, hogy leegyszerűsítjük a programozási nyelvet a hagyományos szövegalapú nyelvekről. A programozási nyelv egyszerűsítése sikeres volt a kisgyermekek programozásának megismertetésében és tanításában különböző területeken, beleértve az oktatást is.³ Ennek a sikernek köszönhetően egy leegyszerűsített programozási nyelv segítségével az egyének megtaníthatják az ipari robotok programozásának alapjait, és lehetővé tenné, hogy olyan alapkészségeket építsenek ki, amelyeket később felhasználhatnak az ipari sikerhez.³

A VEX V5 Workcell lehetővé teszi a diákok számára, hogy ipari robotkar-modellt programozzanak a VEXcode V5 segítségével, amely egy blokkalapú nyelv, amelyet Scratch blokkok hajtanak meg.¹⁸ (scratch.mit.edu) A hallgató képes a VEXcode V5 egyszerűsített programozási nyelvvel programozni. A hallgatók létrehozhatnak egy projektet a Workcell sikeres manipulálására, és mélyebb szinten is megérthetik a projekt célját és folyamatát. Tanulmányok kimutatták, hogy az előzetes programozási tapasztalattal nem rendelkező kezdők sikeresen tudnak blokkalapú programokat írni az alapvető ipari robotikai feladatok elvégzésére.³

Tanulmányok azt is kimutatták, hogy a hallgatók arról számoltak be, hogy a blokkalapú programozási nyelvek, mint például a VEXcode V5, egyszerűek a blokkok természetes nyelvű leírása, a blokkokkal való interakciós módszer, valamint az egyszerű programozás miatt. a projekt elolvasása.⁶ A VEXcode V5 a blokk alapú programozási nyelv aggodalomra ad okot a hagyományos szövegalapú megközelítéshez képest. A feltárt hátrányok közül néhány a hitelesség vélt hiánya és kevésbé erős.⁶ A VEXcode V5 a „kódnézegető” néven ismert eszköz beépítésével kezeli a hitelesség észlelt hiányát és a kevésbé hatékonynak tűnőt. A kódnézegető lehetővé teszi a hallgató számára, hogy blokkprojektet hozzon létre, majd ugyanazt a projektet szöveges formában tekintse meg C++ vagy Python nyelven. Ez a konverzió lehetővé teszi a tanulók számára, hogy túlnőjenek a blokkalapú nyelvek korlátain, és olyan állványeszközöket is biztosít számukra, amelyekre szükségük van ahhoz, hogy sikeresek legyenek, hogy áthidalják a szintaxis közötti szakadékot a blokkok és a szöveg között. A VEXcode V5 hasonló elnevezési konvenciókat használ a blokkok és parancsok esetében, hogy megkönnyítse az átmenetet a blokkokról a szövegekre.

Weintrop és Wilensky⁷ tanulmánya a blokkalapú és szövegalapú programozás összehasonlítására középiskolai számítástechnikai osztálytermekben azt találta, hogy a blokkalapú nyelvet használó diákok nagyobb fejlődést mutattak a tanulásban, és nagyobb érdeklődést mutattak a jövőbeli számítástechnika iránt. tanfolyamok. A szövegalapú nyelvet használó hallgatók programozási tapasztalataikat jobban hasonlították a programozók iparági tapasztalataihoz, és hatékonyabban fejlesztik programozási készségeiket. A VEXcode V5 mindkét világból a legjobbat nyújtja a kezdő programozóknak, lehetővé téve számukra, hogy először egy erős alapot építsenek ki a programozási koncepciókból, amelyeket aztán használhatnak a C++ vagy Python nyelvre való áttéréskor, mindkét szövegalapú nyelvet támogatja a VEXcode V5.

A VEXcode V5 egy elérhető és ingyenes blokk alapú programozási nyelv ipari robotmodellhez, oktatási környezetben használható, amely a programozórobotokat elérhetőbbé teszi azon diákok és oktatók számára, akik egyébként nem tudnák használni őket. A gyártási munkakörnyezetek folyamatosan változnak a technológiával, és a blokkalapú programozási nyelvek, mint például a VEXcode V5, képesek lehetnek arra, hogy a leendő gyártási munkásokká válni vágyó hallgatók jobban ellássák azokat a készségeket és alapvető programozási ismereteket, amelyekre szükségük van ahhoz, hogy sikeresek legyenek a gyártási és ipari munkákban.³

IV. Nagy ötletek

A V5 Workcell egyik legnagyobb előnye, hogy a hallgatók lehetőséget kapnak olyan nagyobb koncepciók és alapelvek megismerésére és összpontosítására, amelyek nemcsak a programozásban, hanem a mérnöki munkában és az ipari robotika professzionális területén is megalapozzák. Néhány nagyobb fogalomra összpontosítva, amelyek különböző környezetben és helyzetekben alkalmazhatók, lehetőséget ad a diákoknak arra, hogy mélyebb megértést és mélyebb tanulási tapasztalatot szerezzenek ezekről a készségekről és témákról. Halpern és Hackel azt sugallja, hogy „az alapelvek mélyreható megértésének hangsúlyozása gyakran jobb oktatási tervet jelent, mint a témák széles körének enciklopédikusabb lefedése”.¹⁴

A hallgatók különböző fogalmakat vizsgálnak meg, mint például:

• Épület fémmel és elektronikával
• A derékszögű koordinátarendszer
• Hogyan mozog egy robotkar a 3D-s térben
• Kód újrafelhasználása
• Változók
• 2D listák
• Érzékelő visszajelzés az automatizáláshoz
• Szállítószalagos rendszerek és még sok más.

A hallgatók alapvető ismereteket szereznek ezekről a fogalmakról, amelyeket később át lehet vinni és alkalmazni számos területen, mint például a matematika, a programozás, a mérnöki tudomány és a gyártás. Miközben a tanulók megismerkednek ezekkel a fogalmakkal, aktívan képesek problémamegoldásra, együttműködni, kreatívak lenni és rugalmasságot építeni. Mindezek fontos készségek bármilyen környezetben, és a mai 21. századi készségekhez kapcsolódnak.

„A tudás létfontosságúvá vált a 21. században, és az embereknek ilyen készségeket kell elsajátítaniuk ahhoz, hogy beléphessenek a 21. századi készségeknek nevezett munkaerőpiacra. Általában a 21. századi készségek közé tartozik az együttműködés, a kommunikáció, a digitális írástudás, az állampolgárság, a problémamegoldás, a kritikus gondolkodás, a kreativitás és a termelékenység. Ezeket a készségeket a 21. századi készségeknek nevezik, jelezve, hogy jobban kapcsolódnak a jelenlegi gazdasági és társadalmi fejleményekhez, mint a múlt században ipari termelési módként jellemzett képességekhez.¹⁵

V. Következtetések

A cikk célja a VEX V5 Workcell előnyeinek bemutatása oktatási környezetben, az ipari robotika bevezetése érdekében. Ennek során ez a tanulmány bemutatja, hogy a VEX V5 Workcell mindenre kiterjedő megoldást kínál a diákoknak az ipari robotikába való bevezetésére olyan oktatási környezetben, amely költséghatékony, csökkenti a programozási akadályokat, és olyan nagy ötletekre összpontosít, amelyek segítik a diákok fejlődését. fontos készségeket.

---