Astratto
La robotica industriale è utilizzata in quasi tutte le industrie manifatturiere e impiega migliaia di lavoratori. Tuttavia, data la sua diffusione in tutto il mondo, l’introduzione della robotica industriale in un contesto educativo è difficile da realizzare e limitata nella pratica. Questo articolo delinea gli ostacoli all’introduzione della robotica industriale in un contesto educativo e presenta la soluzione utilizzando un braccio robotico chiamato VEX V5 Workcell. La cella di lavoro VEX V5 è stata sviluppata per migliorare l'accessibilità della robotica industriale agli studenti delle scuole secondarie e tecniche. I problemi di accessibilità nell’introduzione della robotica industriale in un contesto educativo sono una combinazione di restrizioni dimensionali, problemi di sicurezza, costi elevati ed esperienza di programmazione limitata. L'hardware e il software creati da VEX Robotics offrono agli studenti l'opportunità di sviluppare capacità tecniche e di risoluzione dei problemi costruendo e programmando una cella di lavoro di produzione simulata con un robot a cinque assi.
Parole chiave:
insegnamento della robotica industriale; STELO; Pitone; C++, codifica basata su blocchi; Robotica VEX; braccio robotico; robotica educativa
IO. introduzione
L’uso della robotica nell’istruzione è diventato un’esperienza di apprendimento interdisciplinare, pratica e autentica per studenti di tutte le età.12 L'utilizzo della robotica nell'istruzione può suscitare l'interesse degli studenti più giovani per la scienza e fornire loro l'esperienza e il mezzo per apprendere competenze importanti come il pensiero logico, l'ordinamento in sequenze e la risoluzione dei problemi. Man mano che gli studenti progrediscono nella loro carriera educativa con la robotica, possono sviluppare le competenze fondamentali di risoluzione dei problemi e di pensiero logico per studiare concetti di ingegneria e informatica più complessi che danno vita a concetti astratti di fisica e matematica.
“Costruire robot è una scelta progettuale popolare per l’implementazione dell’apprendimento basato sui problemi (PBL) nelle classi. Il motivo per cui è una scelta così popolare si spiega con la natura multidisciplinare dell’argomento: la robotica richiede competenze scientifiche, tecniche e tecnologiche molto diverse, come fisica, elettronica, matematica e programmazione. È una materia ideale perché ad essa possono essere collegati tanti corsi diversi. Inoltre, i robot stessi catturano l’immaginazione di bambini e adolescenti, fornendo ispirazione e motivazione”.
Con la continua evoluzione della tecnologia e la programmazione che diventa una competenza desiderabile, gli istituti scolastici desiderano preparare i propri studenti al mondo del lavoro introducendoli alla robotica industriale e alla produzione. I robot industriali e i bracci robotici sono macchine programmabili progettate per eseguire un compito o una funzione specifica.
“I sistemi robotici vengono generalmente utilizzati per eseguire compiti dell’operatore non sicuri, pericolosi e persino ripetitivi. Hanno molte funzioni diverse, come la movimentazione dei materiali, l'assemblaggio, la saldatura, il carico e lo scarico di una macchina o di uno strumento, e caratteristiche come: verniciatura, spruzzatura, ecc. La maggior parte dei robot sono configurati per funzionare insegnando tecniche e ripetizioni”.
La ricerca mostra che gli studenti hanno atteggiamenti ed esperienze positive utilizzando i robot in classe.16 Tuttavia, nonostante l'atteggiamento positivo degli studenti, ci sono barriere che limitano l'uso della robotica industriale in un contesto educativo: una combinazione di restrizioni dimensionali, preoccupazioni per la sicurezza, costi elevati ed esperienza di programmazione limitata. Questo articolo discuterà di come VEX V5 Workcell sia una soluzione per introdurre la robotica industriale in un contesto educativo.
II. Modelli robotici nuovi e convenienti (hardware):
Con l’avanzare della tecnologia, sempre più studenti si interessano alla robotica come carriera. La robotica può suscitare l'interesse degli studenti nei campi scientifici e matematici, oltre a dare agli studenti l'opportunità di praticare la risoluzione dei problemi e il pensiero logico.12 Le competenze sviluppate lavorando con la robotica educativa, come la risoluzione dei problemi e il pensiero logico, possono anche essere applicate, e sono fondamentali, nella carriera della robotica industriale e della produzione. Per soddisfare le esigenze e la domanda degli specialisti nel campo della robotica che hanno acquisito capacità di programmazione, risoluzione dei problemi e pensiero logico, le istruzioni educative desiderano introdurre la robotica industriale nelle loro classi.17 Tuttavia, esistono limitazioni all’introduzione dei robot industriali in un contesto educativo per preparare questi studenti ad avere successo in una carriera manifatturiera. È costoso non solo acquistare, ma anche mantenere un braccio robotico funzionante. Questo costo può limitare il numero di robot con cui gli studenti possono interagire e, di conseguenza, limitare la quantità di coinvolgimento pratico indipendente degli studenti.11 Anche i bracci robotici di dimensioni industriali richiedono una grande quantità di spazio e c'è sempre un rischio per la sicurezza quando si lavora con robot industriali. Gli studenti inesperti potrebbero accidentalmente danneggiare se stessi, l'attrezzatura o altri.11 A causa di questi fattori, gli istituti scolastici si stanno rivolgendo a modelli di robot industriali più piccoli, più sicuri e più economici.
“Mentre la gestione di robot di grandi dimensioni richiede una supervisione costante e deve essere eseguita in celle robotizzate dedicate, molte università stanno ora optando per l’acquisto di ulteriori robot delle dimensioni di un desktop che consentano agli studenti di lavorare in modo indipendente. Poiché queste macchine sono programmate allo stesso modo dei robot più grandi, i risultati possono essere immediatamente applicati alle macchine di grandi dimensioni per applicazioni su vasta scala”.
Il VEX V5 Workcell è un modello di robot industriale più piccolo, più sicuro e più conveniente, sufficientemente piccolo da poter essere posizionato su un banco di classe e con un rapporto consigliato di tre studenti per un robot, offre agli studenti l'opportunità di un coinvolgimento pratico con Il robot. La Workcell V5 è più sicura essendo di dimensioni più piccole, oltre ad avere la possibilità di programmare un interruttore sul paraurti che funziona come arresto di emergenza se necessario.
La V5 Workcell consente inoltre agli studenti di impegnarsi in un'esperienza di costruzione che altrimenti non sarebbe possibile. Gli studenti che utilizzano bracci robotici professionali di dimensioni industriali acquisiscono preziose conoscenze e competenze programmandoli, ma potrebbero non capire come si muovono e operano perché non sono stati coinvolti nel processo di costruzione. Essere coinvolti nel processo di costruzione non solo offre agli studenti l'opportunità di stabilire una connessione più forte tra hardware e software, ma consente anche agli studenti di acquisire una conoscenza più fondamentale su come funziona fisicamente il robot. Questa opportunità può fornire agli studenti le conoscenze e l'esperienza di sviluppo di cui hanno bisogno per risolvere i problemi hardware in modo più efficace.13 Integrare la costruzione fisica dei robot nella formazione sulla robotica industriale offre inoltre agli studenti l'opportunità di dare vita a concetti astratti ed equazioni di fisica, ingegneria e matematica. Mettere in pratica questi concetti STEM nel contesto consente inoltre agli studenti di vedere come sono applicabili nell'industria.
La maggior parte degli altri modelli di robot industriali più piccoli ed economici vengono forniti preassemblati e spesso sono costruiti solo per una funzione. Un vantaggio dell'hardware V5 Workcell è che gli studenti non sono limitati alla costruzione di un robot. Gli studenti costruiscono la Workcell V5 con parti del sistema VEX Robotics V5, che ha numerose costruzioni diverse tra cui la funzione di base del braccio del robot (mostrato nella Figura 1), la modifica dell'EOAT (attrezzatura di fine braccio) e l'aggiunta più trasportatori e sensori (mostrati nella Figura 2). Ciò offre agli studenti esperienza non solo nella costruzione del braccio robotico stesso, ma nell'intero modello di una cella di lavoro di produzione di piccole dimensioni. Ciò consente agli studenti di impegnarsi in un processo di costruzione che mette in risalto concetti matematici e ingegneristici che gli studenti non sarebbero in grado di sperimentare senza costruire. Ciò consente inoltre agli studenti di comprendere come funziona la Workcell V5 a livello fisico, cosa che si trasferisce anche alla programmazione. Ciò rende V5 Workcell uno strumento pedagogico che non solo introduce gli studenti alla robotica industriale e ai concetti di programmazione, ma li introduce anche a concetti di costruzione, ingegneria e matematici come il sistema di coordinate cartesiane e il funzionamento di un robot nello spazio 3D.
Figura 1: Lab 1 Build (il braccio robotico)
Figura 2: Lab 11 Build (il braccio robotico, nonché i trasportatori e i sensori)
Le diverse build sono fornite in istruzioni di costruzione che guidano lo studente attraverso la costruzione passo dopo passo (mostrata nella Figura 3). Ciò rende la costruzione della V5 Workcell accessibile agli studenti che potrebbero non avere alcuna esperienza di costruzione in generale, di costruzione con metallo o di utilizzo di strumenti.
Figura 3: un passaggio dalle istruzioni di creazione del Lab 4
La cella di lavoro VEX V5 offre agli istituti scolastici un'opzione di modello di robot industriale più piccola, più sicura e più economica che non solo è versatile nelle sue capacità di costruzione, ma offre agli studenti un'esperienza di apprendimento più indipendente e pratica rispetto alla robotica professionale di dimensioni industriali braccia.
III. Programmazione didattica (software):
Con l’avanzamento tecnologico a ritmi esponenziali, molti lavori manuali nella produzione industriale vengono ora integrati con l’automazione.4 Ciò può integrare la manodopera e in alcuni casi può anche creare una maggiore domanda di manodopera, ma richiede anche che i lavoratori abbiano una forte conoscenza della programmazione per poter utilizzare, riparare e mantenere l'automazione.4 La programmazione è un'abilità che può richiedere anni prima che una persona diventi abile e la maggior parte dei linguaggi di programmazione utilizzati nell'industria sono complessi e progettati per essere utilizzati da ingegneri professionisti.3 Ciò significa che i programmi necessari affinché il robot esegua anche i compiti più semplici richiedono l'assunzione di uno specialista di programmazione.
“Ad esempio, la programmazione manuale di un sistema di saldatura ad arco robotizzato per la produzione dello scafo di un veicolo di grandi dimensioni richiede più di otto mesi, mentre il tempo di ciclo del processo di saldatura stesso è di sole sedici ore. In questo caso il tempo di programmazione è circa 360 volte il tempo di esecuzione”.
Questo livello di competenza di programmazione limita l’accesso per studenti ed educatori che desiderano apprendere i fondamenti della programmazione della robotica industriale, ma hanno poca o nessuna esperienza di programmazione.
“La programmazione dei robot richiede tempo, è complessa, soggetta a errori e richiede esperienza sia nell’attività che nella piattaforma. Nell'ambito della robotica industriale esistono numerosi linguaggi e strumenti di programmazione specifici del fornitore, che richiedono una certa competenza. Tuttavia, per aumentare il livello di automazione nell’industria, nonché per estendere l’uso dei robot in altri settori, come la robotica di servizio e la gestione delle catastrofi, deve essere possibile anche per i non esperti istruire i robot”.
Imparare a programmare da principiante a qualsiasi età è impegnativo.8 Imparare a comprendere il flusso del progetto oltre all'apprendimento della sintassi può non solo essere travolgente, ma scoraggiante e addirittura spaventoso.5 Affinché studenti ed educatori possano acquisire esperienza con la robotica industriale, la complessità della codifica di questi robot deve essere ridotta in modo che i programmatori alle prime armi possano prendervi parte. Questo può essere fatto semplificando il linguaggio di programmazione rispetto ai tradizionali linguaggi testuali. La semplificazione di un linguaggio di programmazione ha avuto successo nell'introdurre e insegnare ai bambini come programmare in diverse aree, inclusa l'istruzione.3 Grazie a questo successo, un linguaggio di programmazione semplificato può essere utilizzato per insegnare ai singoli individui le basi della programmazione dei robot industriali e consentirebbe loro di sviluppare competenze fondamentali che potranno successivamente utilizzare per avere successo nell'industria.3
VEX V5 Workcell consente agli studenti di programmare un modello di braccio robotico industriale utilizzando VEXcode V5, un linguaggio basato su blocchi alimentato da blocchi Scratch.18 (scratch.mit.edu) Lo studente è in grado di programmare con VEXcode V5, un linguaggio di programmazione semplificato. Gli studenti possono creare un progetto per manipolare con successo la Workcell e anche comprendere lo scopo e il flusso del progetto a un livello più profondo. Gli studi hanno dimostrato che i principianti senza alcuna esperienza di programmazione possono scrivere con successo programmi basati su blocchi per svolgere compiti di robotica industriale di base.
Gli studi hanno anche dimostrato che gli studenti riferiscono che la natura di un linguaggio di programmazione basato su blocchi, come VEXcode V5, è semplice a causa della descrizione dei blocchi in linguaggio naturale, del metodo drag-and-drop per interagire con i blocchi e della facilità di leggendo il progetto.6 VEXcode V5 affronta anche i punti problematici di un linguaggio di programmazione basato su blocchi rispetto al più convenzionale approccio basato su testo. Alcuni degli svantaggi identificati sono la percepita mancanza di autenticità e la minore potenza.6 VEXcode V5 risolve sia la percepita mancanza di autenticità sia l'apparente meno potente incorporando uno strumento noto come "visualizzatore di codici". Il visualizzatore di codice consente a uno studente di creare un progetto a blocchi e quindi visualizzare lo stesso progetto in formato testo in C++ o Python. Questa conversione consente agli studenti di crescere oltre i vincoli di un linguaggio basato su blocchi e fornisce loro anche gli strumenti di supporto di cui hanno bisogno per riuscire a colmare il divario nella sintassi dai blocchi al testo. VEXcode V5 utilizza convenzioni di denominazione simili per blocchi e comandi, per rendere più semplice la transizione dai blocchi al testo.
Uno studio condotto da Weintrop e Wilensky7 per confrontare la programmazione basata su blocchi e quella basata su testo nelle classi di informatica delle scuole superiori ha rilevato che gli studenti che utilizzano il linguaggio basato su blocchi hanno mostrato maggiori miglioramenti nel loro apprendimento e un livello più elevato di interesse per l'informatica futura. corsi. Gli studenti che utilizzano il linguaggio testuale considerano la loro esperienza di programmazione più simile a quella che fanno i programmatori nell'industria e più efficace nel migliorare le proprie capacità di programmazione. VEXcode V5 offre ai programmatori alle prime armi il meglio di entrambi i mondi consentendo loro di costruire prima una solida base di concetti di programmazione che potranno poi utilizzare durante la transizione a C++ o Python, entrambi linguaggi basati su testo supportati in VEXcode V5.
VEXcode V5 è un linguaggio di programmazione accessibile e gratuito basato su blocchi per un modello di robot industriale da utilizzare in contesti educativi, che rende la programmazione dei robot più accessibile a studenti ed educatori che altrimenti non sarebbero in grado di utilizzarli. Gli ambienti di lavoro manifatturieri cambiano costantemente con la tecnologia e i linguaggi di programmazione basati su blocchi come VEXcode V5 potrebbero essere in grado di fornire meglio agli studenti che aspirano a diventare futuri lavoratori del settore manifatturiero le competenze e le conoscenze di programmazione fondamentali di cui hanno bisogno per avere successo nei lavori manifatturieri e industriali.
IV. Grandi idee
Uno dei maggiori vantaggi della V5 Workcell è che agli studenti viene data l'opportunità di apprendere e concentrarsi su concetti più ampi e principi di base che sono fondamentali non solo per la programmazione, ma anche per l'ingegneria e il campo professionale della robotica industriale. Concentrarsi su alcuni concetti più ampi che possono essere applicati in contesti e situazioni diversi offre agli studenti l’opportunità di acquisire una comprensione più approfondita e un’esperienza di apprendimento più profonda di tali competenze e argomenti. Halpern e Hackel suggeriscono che “un’enfasi sulla comprensione approfondita dei principi di base spesso costituisce una migliore progettazione didattica rispetto a una copertura più enciclopedica di un’ampia gamma di argomenti”.
Gli studenti indagheranno diversi concetti come:
- Costruire con metallo ed elettronica
- Il sistema di coordinate cartesiane
- Come si muove un braccio robotico nello spazio 3D
- Riutilizzo del codice
- Variabili
- Elenchi 2D
- Feedback del sensore per l'automazione
- Sistemi di trasporto e molti altri.
Gli studenti acquisiranno una conoscenza fondamentale di questi concetti che potrà essere trasferita e applicata successivamente in un'ampia gamma di campi come matematica, programmazione, ingegneria e produzione. Durante l'introduzione a questi concetti, gli studenti sono attivamente in grado di risolvere problemi, collaborare, essere creativi e sviluppare resilienza. Tutte competenze importanti in qualsiasi ambiente e collegate alle competenze del 21° secolo di oggi.
“La conoscenza è diventata vitale nel 21° secolo e le persone hanno bisogno di acquisire tali competenze per entrare nella forza lavoro chiamata “competenze del 21° secolo”. In generale, le competenze del 21° secolo includono la collaborazione, la comunicazione, l’alfabetizzazione digitale, la cittadinanza, la risoluzione dei problemi, il pensiero critico, la creatività e la produttività. Queste competenze sono definite “competenze del 21° secolo” per indicare che sono più legate agli attuali sviluppi economici e sociali che a quelli del secolo scorso caratterizzati come un modo di produzione industriale”.
V. Conclusioni
Lo scopo di questo articolo è presentare i vantaggi della VEX V5 Workcell in un contesto educativo per introdurre la robotica industriale. In tal modo, questo documento mostra che VEX V5 Workcell fornisce una soluzione onnicomprensiva per introdurre gli studenti alla robotica industriale in un contesto educativo che è conveniente, abbassa la barriera di accesso alla programmazione e si concentra su grandi idee che aiutano gli studenti a sviluppare competenze importanti.