VEX V5 Workcell: STEM 교육을 위한 산업용 로봇 팔 모델

추상적인

산업용 로봇은 거의 모든 제조 산업에서 사용되며 수천 명의 근로자를 고용하고 있습니다. 그러나 전 세계적으로 널리 사용되기 때문에 교육 환경에 산업용 로봇을 도입하는 것은 달성하기 어렵고 실제로는 제한적입니다. 이 문서에서는 교육 환경에 산업용 로봇을 도입하는 데 따른 장벽을 설명하고 VEX V5 Workcell이라는 로봇 팔을 사용하는 솔루션을 제시합니다. VEX V5 Workcell은 중등 및 기술 학생들의 산업용 로봇 접근성을 향상시키기 위해 개발되었습니다. 교육 환경에 산업용 로봇을 도입할 때의 접근성 문제는 크기 제한, 안전 문제, 높은 비용, 제한된 프로그래밍 경험이 결합된 것입니다. VEX Robotics에서 만든 하드웨어와 소프트웨어는 학생들에게 5축 로봇으로 시뮬레이션된 제조 작업셀을 구축하고 프로그래밍하여 기술 및 문제 해결 능력을 개발할 수 있는 기회를 제공합니다.

키워드:

산업용 로봇공학 교육; 줄기; 파이썬; C++, 블록 기반 코딩; VEX 로봇공학; 로봇 팔; 교육용 로봇공학

나. 소개

교육에 로봇공학을 사용하는 것은 모든 연령대의 학생들을 위한 학제간, 실습형, 진정한 학습 경험이 되었습니다.¹² 교육에 로봇 공학을 활용하면 어린 학생들의 과학에 대한 관심을 불러일으킬 수 있을 뿐만 아니라 논리적 사고, 순서 지정, 문제 해결과 같은 중요한 기술을 배울 수 있는 경험과 매체를 제공할 수 있습니다. 학생들이 로봇 공학을 통해 교육 경력을 쌓으면서 문제 해결 및 논리적 사고의 기본 기술을 바탕으로 추상 물리학 및 수학적 개념을 생생하게 구현하는 보다 복잡한 엔지니어링 및 컴퓨터 과학 개념을 공부할 수 있습니다.¹²

“로봇 제작은 교실에서 문제 기반 학습(PBL)을 구현하기 위한 인기 있는 프로젝트입니다. 로봇 공학이 그렇게 인기 있는 선택인 이유는 주제의 다학제적 성격으로 설명할 수 있습니다. 로봇공학에는 물리학, 전자, 수학, 프로그래밍 등 다양한 과학, 기술 및 기술적 능력이 필요합니다. 매우 다양한 코스가 연결될 수 있기 때문에 이상적인 과목입니다. 또한 로봇 자체가 어린이와 청소년의 상상력을 사로잡아 영감과 동기를 부여합니다.”¹³

기술이 지속적으로 발전하고 프로그래밍이 바람직한 기술이 되면서 교육 기관에서는 학생들에게 산업용 로봇 공학 및 제조를 소개하여 취업 준비를 시키고 싶어합니다. 산업용 로봇과 로봇 팔은 특정 작업이나 기능을 수행하도록 설계된 프로그래밍 가능한 기계입니다.¹

“로봇 시스템은 일반적으로 안전하지 않고 위험하며 심지어 반복적인 작업자 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 자재 취급, 조립, 용접, 기계 또는 도구의 로딩 및 언로딩과 같은 다양한 기능과 페인팅, 스프레이 등과 같은 기능을 가지고 있습니다. 대부분의 로봇은 기술 교육과 반복을 통해 작동하도록 구성됩니다.”¹

연구에 따르면 학생들은 교실에서 로봇을 사용함으로써 긍정적인 태도와 경험을 갖게 됩니다.¹⁶ 그러나 학생들의 긍정적인 태도에도 불구하고 규모 제한, 안전 문제, 높은 비용, 제한된 프로그래밍 경험 등이 결합되어 교육 환경에서 산업용 로봇의 사용을 제한하는 장벽이 있습니다. 이 문서에서는 VEX V5 Workcell이 교육 환경에 산업용 로봇을 도입하기 위한 솔루션인 방법에 대해 설명합니다.

II. 새롭고 저렴한 로봇 모델(하드웨어):

기술이 발전하면서 점점 더 많은 학생들이 로봇 공학에 관심을 갖게 되었습니다. 로봇 공학은 과학 및 수학 분야에 대한 학생들의 관심을 불러일으킬 뿐만 아니라 학생들에게 문제 해결 및 논리적 사고를 연습할 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다.¹² 문제 해결, 논리적 사고 등 교육용 로봇을 사용하여 개발된 기술은 산업용 로봇 및 제조 분야의 경력에도 적용될 수 있으며 기초가 됩니다. 코딩, 문제 해결, 논리적 사고 능력을 갖춘 로봇 분야 전문가의 요구와 요구를 충족하기 위해 교육 지침에서는 교실에 산업용 로봇을 도입하려고 합니다.¹⁷ 그러나 이러한 학생들이 제조 경력에서 성공할 수 있도록 준비하기 위해 산업용 로봇을 교육 환경에 도입하는 데에는 한계가 있습니다. 구입하는 데 비용이 많이 들 뿐만 아니라 작동하는 로봇 팔을 유지하는 데에도 비용이 많이 듭니다. 이 비용은 학생들이 상호 작용할 수 있는 로봇의 수를 제한할 수 있으며 결과적으로 학생의 독립적인 실습 참여의 양을 제한할 수 있습니다.¹¹ 산업용 크기의 로봇팔 역시 많은 공간을 필요로 하며, 산업용 로봇으로 작업할 때에는 항상 안전상의 위험이 따릅니다. 경험이 부족한 학생은 실수로 자신, 장비 또는 다른 사람에게 해를 끼칠 수 있습니다.¹¹ 이러한 요인으로 인해 교육 기관에서는 더 작고 안전하며 비용 효율적인 산업용 로봇 모델로 전환하고 있습니다.

“대형 로봇을 다루려면 지속적인 감독이 필요하고 전용 로봇 셀에서 수행되어야 하지만, 이제 많은 대학에서는 학생들이 독립적으로 작업할 수 있도록 데스크톱 크기 로봇을 추가로 구입하기로 선택하고 있습니다. 이러한 기계는 대형 로봇과 동일한 방식으로 프로그래밍되므로 결과를 전체 규모 응용 분야의 대형 기계에 즉시 적용할 수 있습니다.”²

VEX V5 Workcell은 더 작고 안전하며 비용 효율적인 산업용 로봇 모델로, 교실 책상에 배치할 수 있을 만큼 작으며 권장되는 3명의 학생 대 1개의 로봇 비율을 통해 학생들이 직접 참여할 수 있는 기회를 제공합니다. 로봇. V5 워크셀은 크기가 더 작고 필요할 경우 비상 정지 기능을 하는 범퍼 스위치를 프로그래밍할 수 있어 더욱 안전합니다.

또한 V5 Workcell을 사용하면 학생들은 다른 방법으로는 불가능했던 건축 경험에 참여할 수 있습니다. 전문적인 산업용 크기의 로봇 팔을 다루는 학생들은 이를 프로그래밍하는 귀중한 지식과 기술을 습득하지만 제작 과정에 참여하지 않았기 때문에 로봇 팔이 어떻게 움직이고 작동하는지 이해하지 못할 수도 있습니다. 조립 과정에 참여하면 학생들은 하드웨어와 소프트웨어를 더 강력하게 연결할 수 있을 뿐만 아니라 로봇이 물리적으로 작동하는 방식에 대한 더 기본적인 지식을 얻을 수 있습니다. 이 기회는 학생들에게 하드웨어 문제를 보다 효과적으로 해결하고 문제를 해결하는 데 필요한 지식과 구축 경험을 제공할 수 있습니다.¹³ 산업용 로봇 교육에 로봇의 물리적 구조를 통합하는 것은 학생들에게 물리학, 공학, 수학의 추상적 개념과 방정식을 실제로 적용할 수 있는 기회를 제공합니다. 이러한 STEM 개념을 상황에 맞게 실습하면 학생들은 이러한 개념이 업계에 어떻게 적용되는지 확인할 수 있습니다.

대부분의 더 작고 비용 효율적인 산업용 로봇 모델은 사전 조립되어 출시되며 종종 한 가지 기능용으로만 제작됩니다. V5 Workcell 하드웨어의 장점은 학생들이 하나의 로봇 빌드에만 국한되지 않는다는 것입니다. 학생들은 VEX Robotics V5 시스템의 부품으로 V5 ​​Workcell을 제작합니다. 이 시스템에는 로봇 팔의 기본 기능(그림 1 참조), EOAT(end-of-arm-tooling) 변경, 여러 컨베이어와 센서(그림 2 참조) 이를 통해 학생들은 로봇 팔 자체를 구축하는 것뿐만 아니라 소형 제조 작업 셀 모델 전체를 구축하는 경험을 얻을 수 있습니다. 이를 통해 학생들은 조립 없이는 경험할 수 없는 수학적 및 공학적 개념을 강조하는 조립 과정에 참여할 수 있습니다. 이를 통해 학생들은 V5 Workcell이 물리적 수준에서 어떻게 작동하는지 이해하고 이를 프로그래밍에도 적용할 수 있습니다. 이로 인해 V5 Workcell은 학생들에게 산업용 로봇 공학 및 프로그래밍 개념을 소개할 뿐만 아니라 건물, 엔지니어링 및 데카르트 좌표계 및 3D 공간에서 로봇 작동과 같은 수학적 개념을 소개하는 교육 도구입니다.

다양한 빌드는 학생에게 단계별 빌드를 안내하는 빌드 지침에 제공됩니다(그림 3 참조). 이를 통해 일반적인 제작, 금속 제작 또는 도구 사용 경험이 없는 학생들도 V5 Workcell을 제작할 수 있습니다.

그림 3: 랩 4 빌드 지침의 한 단계

VEX V5 Workcell은 교육 기관에 더 작고 안전하며 비용 효율적인 산업용 로봇 모델 옵션을 제공합니다. 이 산업용 로봇 모델 옵션은 다재다능한 구축 기능을 제공할 뿐만 아니라 학생들에게 전문 산업용 크기의 로봇에 비해 더 독립적인 실습 학습 경험을 제공합니다. 무기.

III. 프로그래밍 교육(소프트웨어):

기술이 기하급수적으로 발전함에 따라 산업 제조 분야의 많은 육체 노동 작업이 이제 자동화로 보완되고 있습니다.⁴ 이는 노동력을 보완할 수 있고 경우에 따라 노동력에 대한 수요를 더 많이 창출할 수 있지만, 자동화를 작동, 수리 및 유지하려면 작업자에게 프로그래밍에 대한 강력한 지식이 필요합니다.⁴ 프로그래밍은 사람이 능숙해지려면 수년이 걸릴 수 있는 기술이며, 업계에서 사용되는 대부분의 프로그래밍 언어는 복잡하고 전문 엔지니어가 사용하도록 설계되었습니다.³ 이는 로봇이 가장 간단한 작업도 수행하는 데 필요한 프로그램에는 프로그래밍 전문가를 고용해야 함을 의미합니다.³

“예를 들어, 대형 차량 선체 제조를 위한 로봇 아크 용접 시스템을 수동으로 프로그래밍하는 데는 8개월 이상이 소요되는 반면, 용접 공정 자체의 사이클 시간은 16시간에 불과합니다. 이 경우 프로그래밍 시간은 실행 시간의 약 360배가 됩니다.”⁹

이러한 수준의 프로그래밍 전문 지식은 산업용 로봇 공학의 프로그래밍 기본 사항을 배우고 싶어하지만 프로그래밍 경험이 거의 또는 전혀 없는 학생과 교육자의 접근을 제한합니다.

“로봇 프로그래밍은 시간이 많이 걸리고 복잡하며 오류가 발생하기 쉬우며 작업과 플랫폼 모두에 대한 전문 지식이 필요합니다. 산업용 로봇에는 일정한 숙련도가 필요한 수많은 공급업체별 프로그래밍 언어와 도구가 있습니다. 그러나 산업의 자동화 수준을 높이고 서비스 로봇공학, 재난 관리 등 다른 영역에서 로봇의 활용을 확대하려면 비전문가가 로봇을 지도할 수 있어야 합니다.”¹⁰

어떤 연령대에서든 초보자로서 프로그래밍을 배우는 것은 어려운 일입니다.⁸ 구문 학습 외에도 프로젝트 흐름을 이해하는 방법을 배우는 것은 부담스러울 뿐만 아니라 실망스럽고 심지어는 겁이 날 수도 있습니다.⁵ 학생과 교육자가 산업용 로봇 공학에 대한 경험을 쌓기 위해서는 초보 프로그래머가 참여할 수 있도록 이러한 로봇 코딩의 복잡성을 줄여야 합니다. 이는 기존 텍스트 기반 언어에서 프로그래밍 언어를 단순화하여 수행할 수 있습니다. 프로그래밍 언어를 단순화하는 것은 어린 아이들에게 교육을 포함한 다양한 분야에서 프로그래밍하는 방법을 소개하고 가르치는 데 성공적이었습니다.³ 이러한 성공으로 인해 단순화된 프로그래밍 언어를 사용하여 개인에게 산업용 로봇 프로그래밍의 기초를 가르칠 수 있으며 나중에 산업에서 성공하기 위해 사용할 수 있는 기초 기술을 구축할 수 있습니다.³

VEX V5 Workcell을 사용하면 학생들은 스크래치 블록으로 구동되는 블록 기반 언어인 VEXcode V5를 사용하여 산업용 로봇 팔 모델을 프로그래밍할 수 있습니다.¹⁸ (scratch.mit.edu) 학생은 단순화된 프로그래밍 언어인 VEXcode V5를 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다. 학생들은 워크셀을 성공적으로 조작하기 위한 프로젝트를 구축하고, 프로젝트의 목적과 흐름을 보다 심층적으로 이해할 수 있습니다. 연구에 따르면 사전 프로그래밍 경험이 없는 초보자도 기본적인 산업용 로봇 작업을 수행하기 위해 블록 기반 프로그램을 성공적으로 작성할 수 있는 것으로 나타났습니다.³

연구에 따르면 학생들은 VEXcode V5와 같은 블록 기반 프로그래밍 언어의 특성이 블록에 대한 자연어 설명, 블록과 상호 작용하기 위한 드래그 앤 드롭 방법 및 용이성으로 인해 쉽다고 보고합니다. 프로젝트를 읽고 있습니다.⁶ VEXcode V5는 또한 기존의 텍스트 기반 접근 방식과 비교하여 블록 기반 프로그래밍 언어에 대한 우려 사항을 해결합니다. 확인된 단점 중 일부는 진정성이 부족하고 강력하지 않다는 것입니다.⁶ VEXcode V5는 '코드 뷰어'라는 도구를 통합하여 신뢰성이 부족하고 강력해 보이는 문제를 모두 해결합니다. 코드 뷰어를 사용하면 학생은 블록 프로젝트를 만든 다음 동일한 프로젝트를 C++ 또는 Python의 텍스트 형식으로 볼 수 있습니다. 이러한 변환을 통해 학생들은 블록 기반 언어의 제약을 넘어 성장할 수 있으며 블록에서 텍스트까지의 구문 격차를 해소하는 데 필요한 스캐폴딩 도구도 제공됩니다. VEXcode V5는 블록과 명령에 유사한 명명 규칙을 사용하여 블록에서 텍스트로의 전환을 더 쉽게 만듭니다.

Weintrop과 가^{컴퓨터 과학 교실에서 블록 기반 프로그래밍과 텍스트 기반 프로그래밍을 비교하기 위해 수행한 연구에 따르면 블록 기반 언어를 사용하는 학생들은 학습에서 더 큰 이득을 얻었고 미래 컴퓨팅에 대한 관심도가 더 높은 것으로 나타났습니다. 과정. 텍스트 기반 언어를 사용하는 학생들은 자신의 프로그래밍 경험이 프로그래머가 업계에서 수행하는 것과 더 유사하고 프로그래밍 기술을 향상시키는 데 더 효과적이라고 생각했습니다. VEXcode V5는 초보 프로그래머에게 프로그래밍 개념의 강력한 기반을 먼저 구축한 다음 VEXcode V5에서 지원되는 텍스트 기반 언어인 C++ 또는 Python으로 전환할 때 사용할 수 있도록 함으로써 두 가지 장점을 모두 제공합니다.}

VEXcode V5는 산업용 로봇 모델을 교육 환경에서 사용할 수 있는 무료 블록 기반 프로그래밍 언어로, 프로그래밍 로봇을 사용할 수 없는 학생과 교육자가 프로그래밍 로봇에 더 쉽게 접근할 수 있도록 해줍니다. 제조 작업 환경은 기술에 따라 지속적으로 변화하고 있으며, VEXcode V5와 같은 블록 기반 프로그래밍 언어는 미래의 제조 작업자가 되고자 하는 학생들에게 제조 및 산업 작업에서 성공하는 데 필요한 기술과 기본 프로그래밍 지식을 더 잘 제공할 수 있습니다.³

IV. 큰 아이디어

V5 Workcell의 가장 큰 장점 중 하나는 학생들에게 프로그래밍뿐만 아니라 엔지니어링 및 산업용 로봇 전문 분야의 기초가 되는 더 큰 개념과 기본 원리를 배우고 집중할 수 있는 기회가 제공된다는 것입니다. 다양한 설정과 상황에 적용할 수 있는 몇 가지 더 큰 개념에 초점을 맞추면 학생들은 해당 기술과 주제에 대해 더 깊이 이해하고 더 깊은 학습 경험을 얻을 수 있습니다. Halpern과 Hackel은 "기본 원리에 대한 심층적인 이해를 강조하는 것이 광범위한 주제를 백과사전적으로 다루는 것보다 더 나은 교육 설계를 구성하는 경우가 많습니다"라고 제안합니다.¹⁴

학생들은 다음과 같은 다양한 개념을 조사하게 됩니다.

• 금속과 전자제품을 이용한 건물
• 데카르트 좌표계
• 로봇 팔이 3D 공간에서 움직이는 방식
• 코드 재사용
• 변수
• 2D 목록
• 자동화를 위한 센서 피드백
• 컨베이어 시스템 등.

학생들은 나중에 수학, 프로그래밍, 엔지니어링, 제조 등 광범위한 분야에 적용하고 적용할 수 있는 이러한 개념에 대한 기초 지식을 습득하게 됩니다. 이러한 개념을 소개하는 동안 학생들은 적극적으로 문제 해결, 협업, 창의성 및 탄력성을 구축할 수 있습니다. 이 모든 것은 어떤 환경에서든 중요한 기술이며 오늘날의 21세기 기술과 연결됩니다.

“지식은 21세기에 매우 중요해졌으며 사람들은 21세기 기술이라고 불리는 노동력에 진입하기 위해 이러한 기술을 습득해야 합니다. 일반적으로 21세기 기술에는 협업, 커뮤니케이션, 디지털 활용 능력, 시민권, 문제 해결, 비판적 사고, 창의성 및 생산성이 포함됩니다. 이러한 기술은 산업적 생산 방식으로 특징지어진 지난 세기의 기술보다 현재의 경제 및 사회 발전과 더 관련이 있음을 나타내기 위해 21세기 기술이라는 라벨이 붙었습니다.”¹⁵

V. 결론

본 논문의 목적은 산업용 로봇을 소개하는 교육 환경에서 VEX V5 Workcell의 장점을 제시하는 것입니다. 이를 통해 이 논문은 VEX V5 Workcell이 비용 효율적이고 프로그래밍 장벽을 낮추며 학생들의 발전을 돕는 큰 아이디어에 초점을 맞춘 교육 환경에서 학생들에게 산업용 로봇 공학을 소개하는 포괄적인 솔루션을 제공한다는 것을 보여줍니다. 중요한 기술.

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