VEX V5 Workcell: STEM 教育用産業用ロボット アーム モデル

抽象的な

産業用ロボットはほぼすべての製造業で使用されており、何千人もの労働者が雇用されています。 しかし、産業用ロボットは世界中で広く使用されているものの、教育現場での導入は困難であり、実際には限界があります。 このペーパーでは、教育現場で産業用ロボットを導入する際の障壁について概説し、VEX V5 Workcell と呼ばれるロボット アームを使用したソリューションを紹介します。 VEX V5 ワークセルは、中等教育および技術学生の産業用ロボットへのアクセスを向上させるために開発されました。 教育現場で産業用ロボットを導入する際のアクセシビリティの問題は、サイズ制限、安全性への懸念、高コスト、限られたプログラミング経験の組み合わせです。 VEX Robotics が作成したハードウェアとソフトウェアは、5 軸ロボットを備えた模擬製造ワークセルを構築およびプログラミングすることで、学生に技術スキルと問題解決スキルを開発する機会を提供します。

キーワード:

産業用ロボットを教える。幹;パイソン; C++、ブロックベースのコーディング。 VEXロボティクス。ロボットアーム;教育用ロボット

私。 導入

教育におけるロボット工学の使用は、あらゆる年齢の生徒にとって、学際的で実践的な本格的な学習体験となっています。¹² 教育でロボット工学に取り組むことは、若い生徒の科学への興味を刺激するだけでなく、論理的思考、順序付け、問題解決などの重要なスキルを学ぶための経験と媒体を与えることができます。 学生はロボット工学に関する教育キャリアを進めるにつれて、問題解決と論理的思考の基礎的なスキルを構築して、抽象的な物理学と数学の概念に命を吹き込む、より複雑なエンジニアリングとコンピューター サイエンスの概念を学ぶことができます。¹²

「ロボットの構築は、教室で問題ベース学習 (PBL) を導入するための人気のあるプロジェクトの選択肢です。 これが非常に人気のある選択肢である理由は、このテーマの学際的な性質によって説明できます。ロボット工学には、物理​​学、電子工学、数学、プログラミングなど、さまざまな科学的、技術的、技術的なスキルが必要です。 さまざまなコースとリンクできるため、理想的な科目です。 さらに、ロボット自体が子供や青少年の想像力を掻き立て、インスピレーションとモチベーションを提供します。」¹³

テクノロジーが継続的に進化し、プログラミングが望ましいスキルになるにつれ、教育機関は学生に産業用ロボットや製造を紹介して、労働力としての準備をさせたいと考えています。 産業用ロボットとロボット アームは、特定のタスクや機能を実行するように設計されたプログラム可能な機械です。¹

「ロボット システムは一般に、安全ではない、危険な、さらには反復的なオペレータ タスクを実行するために使用されます。 これらには、マテリアルハンドリング、組み立て、溶接、機械や工具の積み下ろしなどのさまざまな機能や、塗装、スプレーなどの機能があります。 ほとんどのロボットは、テクニックを教えて反復することで操作できるように構成されています。」¹

調査によると、教室でロボットを使用することで生徒は前向きな態度や経験を得ることができます。¹⁶ しかし、学生の前向きな態度にもかかわらず、教育現場での産業用ロボットの使用を制限する障壁があります。サイズ制限、安全性への懸念、高コスト、限られたプログラミング経験の組み合わせです。 このホワイトペーパーでは、VEX V5 Workcell が教育現場で産業用ロボットを導入するためのソリューションとしてどのように機能するかについて説明します。

II. 新しい手頃な価格のロボット モデル (ハードウェア):

テクノロジーの進歩に伴い、職業としてロボット工学に興味を持つ学生が増えています。 ロボット工学は、生徒に科学や数学の分野への興味を刺激するだけでなく、問題解決や論理的思考を練習する機会を与えることができます。¹² 問題解決や論理的思考など、教育用ロボットの研究で培ったスキルは、産業用ロボットや製造のキャリアにも応用でき、基礎となります。 コーディング、問題解決、論理的思考のスキルを身につけたロボット工学分野の専門家のニーズと需要に応えるために、教育現場では教室に産業用ロボットを導入したいと考えています。¹⁷ しかし、学生が製造業で成功できるよう準備するために産業用ロボットを教育現場に持ち込むことには限界があります。 ロボットアームを購入するだけでなく、動作するロボットアームを維持するのにも費用がかかります。 このコストにより、学生が操作できるロボットの数が制限される可能性があり、その結果、学生が自主的に実践的に取り組む量が制限される可能性があります。¹¹ 産業用サイズのロボット アームも広大なスペースを必要とし、産業用ロボットを使用して作業する場合には常に安全上のリスクが伴います。 経験の浅い生徒は、誤って自分自身、機器、または他の人を傷つける可能性があります。¹¹ これらの要因により、教育機関はより小型で安全、よりコスト効率の高い産業用ロボット モデルに注目しています。

「大型ロボットの取り扱いには常に監視が必要であり、専用のロボットセルで行う必要がありますが、多くの大学は現在、学生が独立して作業できるデスクトップサイズのロボットを追加購入することを選択しています。 これらのマシンは大型ロボットと同じ方法でプログラムされているため、結果はフルスケールのアプリケーションとして大型マシンにすぐに適用できます。」²

VEX V5 ワークセルは、より小さく、より安全で、よりコスト効率の高い産業用ロボット モデルであり、教室の机に設置できるほど小さく、推奨されるロボット 1 台に対する生徒 3 人の比率により、生徒が実際にロボットに取り組む機会が得られます。ロボット。 V5 ワークセルは、サイズが小さいだけでなく、必要に応じて緊急停止として機能するバンパー スイッチをプログラムできる機能があるため、より安全です。

また、V5 ワークセルを使用すると、学生は、他の方法では不可能な構築体験に参加することができます。 専門的な産業用サイズのロボット アームに携わる学生は、ロボット アームをプログラミングする貴重な知識とスキルを習得しますが、構築プロセスに関与したことがないため、ロボット アームがどのように動き、動作するのか理解できない可能性があります。 構築プロセスに参加することで、学生はハードウェアとソフトウェアをより強力に結び付ける機会を得ることができるだけでなく、ロボットが物理的にどのように動作するかについてのより基礎的な知識を得ることができます。 この機会により、学生はハードウェアのトラブルシューティングをより効果的に行い、問題を解決するために必要な知識と構築経験を得ることができます。¹³ ロボットの物理的な構築を産業用ロボット教育に組み込むことにより、学生は物理学、工学、数学の抽象的な概念や方程式に命を吹き込む機会も得られます。 これらの STEM 概念を状況に合わせて練習することで、学生はそれが業界でどのように適用できるかを理解することもできます。

他のほとんどの小型でコスト効率の高い産業用ロボット モデルは、あらかじめ組み立てられた状態で提供され、多くの場合、1 つの機能のみを目的として構築されています。 V5 Workcell ハードウェアの利点は、学生が 1 つのロボットの構築に限定されないことです。 学生は、VEX Robotics V5 システムの部品から V5 ワークセルを構築します。V5 ワークセルには、ロボット アームの基本機能 (図 1 を参照)、EOAT (アーム先端工具) の変更、および追加など、さまざまなビルドが含まれています。複数のコンベアとセンサー (図 2 を参照)。 これにより、学生はロボット アーム自体を構築するだけでなく、小型の製造ワークセル モデル全体を構築する経験が得られます。 これにより、学生は、構築しなければ体験できない数学的および工学的概念を強調する構築プロセスに取り組むことができます。 これにより、学生は V5 ワークセルが物理レベルでどのように動作するかを理解し、プログラミングにも応用できるようになります。 これにより、V5 ワークセルは、学生に産業用ロボット工学やプログラミングの概念を紹介するだけでなく、デカルト座標系や 3D 空間でのロボットの操作などの建築、工学、数学の概念も紹介する教育ツールになります。

さまざまなビルドは、学生が段階的にビルドできるようにガイドするビルド手順書に記載されています (図 3 を参照)。 これにより、一般的な建築、金属を使った建築、またはツールの使用経験がない学生でも、V5 ワークセルの建築にアクセスできるようになります。

図 3: ラボ 4 の作成手順からのステップ

VEX V5 ワークセルは、より小型で安全、コスト効率の高い産業用ロボット モデルのオプションを教育機関に提供します。これは、構築機能が多用途であるだけでなく、プロ仕様の産業用サイズのロボットと比較して学生に、より独立した実践的な学習体験を提供します。腕。

Ⅲ． プログラミング教育 (ソフトウェア):

テクノロジーが指数関数的に進歩するにつれ、工業生産における多くの肉体労働の仕事が自動化によって補完されています。⁴ これにより労働力が補完され、場合によっては労働力の需要がさらに高まる可能性もありますが、自動化装置の操作、修理、保守のために作業者がプログラミングに関する深い知識を持っていることも必要になります。⁴ プログラミングは、熟練するまでに何年もかかるスキルであり、業界で使用されているほとんどのプログラミング言語は複雑で、プロのエンジニアが使用できるように設計されています。³ これは、ロボットに最も単純なタスクを実行させるために必要なプログラムを作成するには、プログラミングの専門家を雇う必要があることを意味します。³

「たとえば、大型車両の車体を製造するためのロボット アーク溶接システムを手動でプログラミングするには 8 か月以上かかりますが、溶接プロセス自体のサイクル タイムはわずか 16 時間です。 この場合、プログラミング時間は実行時間の約 360 倍になります。」⁹

このレベルのプログラミングの専門知識は、産業用ロボットのプログラミングの基礎について学びたいものの、プログラミングの経験がほとんどない学生や教育者にとってアクセスが制限されます。

「ロボットのプログラミングは時間がかかり、複雑でエラーが発生しやすく、タスクとプラットフォームの両方の専門知識が必要です。 産業用ロボットには、ベンダー固有のプログラミング言語やツールが数多くあり、それらには一定の熟練度が必要です。 しかし、産業の自動化レベルを高め、サービスロボットや災害管理などの他の分野でロボットの使用を拡大するには、専門家以外でもロボットに指示できる必要があります。」¹⁰

初心者がプログラミングを学ぶのは、どの年齢であっても困難です。⁸ 構文を学習した上でプロジェクト フローを理解する方法を学習することは、圧倒されるだけでなく、落胆するだけでなく、まったくの恐怖につながる可能性があります。⁵ 学生や教育者が産業用ロボットの経験を積むには、初心者のプログラマーでも参加できるように、ロボットのコーディングの複雑さを軽減する必要があります。 これは、プログラミング言語を従来のテキストベースの言語から単純化することで実現できます。 プログラミング言語を簡素化することは、教育を含むさまざまな分野で幼児にプログラミングの方法を紹介し、教えることに成功しています。³ この成功により、簡素化されたプログラミング言語を使用して個人に産業用ロボットのプログラミングの基礎を教えることができ、後に業界で成功するために使用できる基礎的なスキルを構築できるようになります。³

VEX V5 ワークセルを使用すると、学生は Scratch ブロックを利用したブロックベース言語である VEXcode V5 を使用して産業用ロボット アーム モデルをプログラムできます。¹⁸ (scratch.mit.edu) 生徒は、簡素化されたプログラミング言語である VEXcode V5 を使用してプログラミングできます。 学生は、ワークセルをうまく操作するためのプロジェクトを構築し、プロジェクトの目的とフローをより深いレベルで理解することができます。 研究によると、プログラミング経験のない初心者でも、ブロックベースのプログラムを作成して基本的な産業用ロボットのタスクを実行できることがわかっています。³

また、研究によると、VEXcode V5 などのブロックベースのプログラミング言語の性質は、ブロックの自然言語記述、ブロックとの対話のためのドラッグ アンド ドロップ方法、および簡単な操作のおかげで簡単であると学生が報告していることも示されています。プロジェクトを読んでいます。⁶ VEXcode V5 では、従来のテキストベースのアプローチと比較して、ブロックベースのプログラミング言語の問題点にも対処しています。 特定された欠点のいくつかは、信頼性の欠如と、強力さが低いと認識されることです。⁶ VEXcode V5 は、「コード ビューア」として知られるツールを組み込むことで、認識されている信頼性の欠如と、それほど強力ではないと思われる問題の両方に対処します。 コード ビューアを使用すると、学生はブロック プロジェクトを作成し、C++ または Python のテキスト形式で同じプロジェクトを表示できます。 この変換により、学生はブロックベースの言語の制約を超えて成長することができ、ブロックからテキストへの構文のギャップを埋めるために必要な足場ツールも提供されます。 VEXcode V5 は、ブロックとコマンドに同様の命名規則を使用して、ブロックからテキストへの移行を容易にします。

ワイントロップとウィレンスキー⁷ が高校のコンピューター サイエンスの教室でブロック ベースのプログラミングとテキスト ベースのプログラミングを比較した研究では、ブロック ベースの言語を使用している生徒のほうが学習が大幅に向上し、将来のコンピューティングに対する関心が高いことがわかりました。コース。 テキストベースの言語を使用している学生は、自分たちのプログラミング体験が業界のプログラマーの仕事に似ており、プログラミング スキルの向上に効果的であると考えていました。 VEXcode V5 は、初心者プログラマが最初にプログラミング概念の強力な基盤を構築できるようにすることで、両方の長所を提供し、その後、VEXcode V5 でサポートされているテキストベースの言語である C++ または Python に移行するときに使用できます。

VEXcode V5 は、教育現場で使用される産業用ロボット モデル用のアクセスしやすい無料のブロックベースのプログラミング言語です。これにより、ロボットを使用できない学生や教育者もロボットのプログラミングをより利用しやすくなります。 製造業の作業環境はテクノロジーとともに常に変化しており、VEXcode V5 のようなブロックベースのプログラミング言語は、将来の製造業従事者を目指す学生に、製造業や産業の仕事で成功するために必要なスキルと基礎的なプログラミング知識をより適切に提供できる可能性があります。³

IV. 大きなアイデア

V5 ワークセルの最大の利点の 1 つは、プログラミングだけでなく、エンジニアリングや産業用ロボットの専門分野の基礎となる、より大きな概念や基本原則を学び、集中する機会が学生に与えられることです。 さまざまな設定や状況に適用できるいくつかの大きな概念に焦点を当てることで、学生はそれらのスキルやトピックをより深く理解し、より深い学習体験を得る機会が得られます。 ハルパーンとハッケルは、「基本原則を深く理解することに重点を置く方が、多くの場合、広範囲のトピックを百科事典のように網羅するよりも優れた指導デザインを構成する」と示唆しています。¹⁴

学生は次のようなさまざまな概念を調査します。

• 金属とエレクトロニクスを使用した建物
• デカルト座標系
• ロボット アームが 3D 空間でどのように動くか
• コードの再利用
• 変数
• 2D リスト
• 自動化のためのセンサーフィードバック
• コンベヤシステムなど。

学生は、数学、プログラミング、エンジニアリング、製造などの幅広い分野に応用して応用できるこれらの概念の基礎知識を習得します。 これらの概念について学びながら、学生は積極的に問題を解決し、協力し、創造的になり、回復力を構築できるようになります。 これらはすべて、どのような環境でも重要なスキルであり、今日の 21 世紀のスキルに結びついています。

「21世紀には知識が不可欠になっており、人々は21世紀型スキルと呼ばれる労働力に入るためにそのようなスキルを習得する必要があります。 一般に、21 世紀のスキルには、コラボレーション、コミュニケーション、デジタル リテラシー、市民権、問題解決、批判的思考、創造性、生産性が含まれます。 これらのスキルは、産業生産様式として特徴付けられた前世紀のスキルよりも、現在の経済的および社会的発展とより関連していることを示すために、21 世紀のスキルとラベル付けされています。」¹⁵

V. 結論

このペーパーの目的は、産業用ロボットを導入する教育現場における VEX V5 ワークセルの利点を紹介することです。 そうすることで、この論文は、VEX V5 ワークセルが、教育現場で学生に産業用ロボットを紹介するための包括的なソリューションを提供し、費用対効果が高く、プログラミングの参入障壁を下げ、学生の能力開発に役立つ大きなアイデアに焦点を当てていることを示しています。重要なスキル。

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