VEX V5 Workcell: pramoninės robotinės rankos modelis STEM mokymui

Abstraktus

Pramoninė robotika naudojama beveik visose gamybos pramonės šakose, joje dirba tūkstančiai darbuotojų. Tačiau, kadangi pramoninė robotika plačiai naudojama visame pasaulyje, ją sunku įdiegti mokomojoje aplinkoje ir praktiškai ji yra ribota. Šiame darbe aprašomos kliūtys diegti pramoninę robotiką edukacinėje aplinkoje ir pateikiamas sprendimas naudojant robotinę ranką, vadinamą VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell buvo sukurta siekiant pagerinti pramoninės robotikos prieinamumą vidurinių ir technikos studentams. Prieinamumo problemos diegiant pramoninę robotiką švietimo aplinkoje yra dydžio apribojimų, saugos problemų, didelių sąnaudų ir ribotos programavimo patirties derinys. „VEX Robotics“ sukurta techninė ir programinė įranga suteikia studentams galimybę tobulinti techninius ir problemų sprendimo įgūdžius statant ir programuojant imituojamą gamybos darbo elementą su penkių ašių robotu.

Raktiniai žodžiai:

pramoninės robotikos mokymas; STEM; Python; C++, blokinis kodavimas; VEX Robotics; roboto ranka; mokomoji robotika

aš. Įvadas

Robotikos naudojimas ugdyme tapo tarpdisciplinine, praktine, autentiška mokymosi patirtimi įvairaus amžiaus mokiniams.¹² Įsitraukimas į robotiką ugdyme gali paskatinti jaunesnių mokinių susidomėjimą mokslu, taip pat suteikti jiems patirties ir terpės, leidžiančios įgyti svarbių įgūdžių, tokių kaip loginis mąstymas, sekų sudarymas ir problemų sprendimas. Kai mokiniai tobulėja robotikos srityje, jie gali remtis pagrindiniais problemų sprendimo ir loginio mąstymo įgūdžiais, kad galėtų studijuoti sudėtingesnes inžinerijos ir informatikos sąvokas, kurios atgaivina abstrakčią fiziką ir matematikos sąvokas.¹²

„Robotų kūrimas yra populiarus projektų pasirinkimas probleminiam mokymuisi (PBL) diegti klasėse. Priežastį, kodėl tai toks populiarus pasirinkimas, galima paaiškinti temos daugiadiscipliniškumu: robotikai reikalauja daug įvairių mokslinių, techninių ir technologinių įgūdžių, tokių kaip fizika, elektronika, matematika ir programavimas. Tai idealus dalykas, nes su juo galima susieti tiek daug skirtingų kursų. Be to, patys robotai užvaldo vaikų ir paauglių vaizduotę, suteikdami įkvėpimo ir motyvacijos.¹³

Technologijoms nuolat tobulėjant, o programavimui tampant geidžiamu įgūdžiu, švietimo įstaigos nori paruošti savo studentus darbo jėgai supažindindamos juos su pramonine robotika ir gamyba. Pramoniniai robotai ir robotų rankos yra programuojamos mašinos, skirtos atlikti konkrečią užduotį ar funkciją.¹

„Robotinės sistemos dažniausiai naudojamos nesaugioms, pavojingoms ir net pasikartojančioms operatoriaus užduotims atlikti. Jie atlieka daug skirtingų funkcijų, tokių kaip medžiagų tvarkymas, surinkimas, suvirinimas, mašinos ar įrankio pakrovimas ir iškrovimas, taip pat tokių funkcijų kaip: dažymas, purškimas ir kt. Dauguma robotų yra sukonfigūruoti veikti mokant techniką ir kartojimą“.¹

Tyrimai rodo, kad mokiniai turi teigiamą požiūrį ir patirtį naudodami robotus klasėje.¹⁶ Tačiau, nepaisant teigiamo studentų požiūrio, yra kliūčių, kurios riboja pramoninės robotikos naudojimą švietimo aplinkoje: dydžio apribojimų, saugos problemų, didelių išlaidų ir ribotos programavimo patirties derinys. Šiame straipsnyje bus aptarta, kaip VEX V5 Workcell yra sprendimas diegti pramoninę robotiką švietimo aplinkoje.

II. Nauji ir įperkami robotų modeliai (techninė įranga):

Tobulėjant technologijoms, vis daugiau studentų susidomi robotika kaip karjera. Robotika gali paskatinti studentų susidomėjimą mokslo ir matematikos sritimis, taip pat suteikti studentams galimybę praktikuoti problemų sprendimą ir loginį mąstymą.¹² Įgūdžiai, įgyti dirbant su edukacine robotika, pavyzdžiui, problemų sprendimas ir loginis mąstymas, taip pat gali būti taikomi pramoninės robotikos ir gamybos karjeroje ir yra pagrindiniai. Siekdami patenkinti robotikos srities specialistų, įgijusių kodavimo, problemų sprendimo ir loginio mąstymo įgūdžius, poreikį ir poreikį, edukacinės instrukcijos savo klasėse nori diegti pramoninę robotiką.¹⁷ Tačiau pramoninių robotų įtraukimas į mokymosi aplinką turi apribojimų, kad šie mokiniai būtų paruošti sėkmingai gamybinėje karjeroje. Brangiai kainuoja ne tik įsigyti, bet ir išlaikyti veikiančią roboto ranką. Šios išlaidos gali apriboti robotų, su kuriais studentai gali bendrauti, skaičių ir atitinkamai apriboti studentų savarankiško praktinio įsitraukimo skaičių.¹¹ Pramoninio dydžio robotizuotos rankos taip pat reikalauja daug vietos, o dirbant su pramoniniais robotais visada kyla pavojus saugai. Nepatyrę mokiniai gali netyčia pakenkti sau, įrangai ar kitiems.¹¹ Dėl šių veiksnių švietimo įstaigos pereina prie mažesnių, saugesnių ir ekonomiškesnių pramoninių robotų modelių.

„Nors didelių robotų valdymas reikalauja nuolatinės priežiūros ir turi būti atliekamas tam skirtose robotų ląstelėse, daugelis universitetų dabar nusprendžia įsigyti papildomų darbalaukio dydžio robotų, leidžiančių studentams dirbti savarankiškai. Kadangi šios mašinos yra užprogramuotos taip pat, kaip ir didesni robotai, rezultatai gali būti nedelsiant pritaikyti didelėms mašinoms, kad būtų galima pritaikyti visą mastą.²

VEX V5 Workcell yra mažesnis, saugesnis ir ekonomiškesnis pramoninio roboto modelis, kuris yra pakankamai mažas, kad jį būtų galima pastatyti ant klasės stalo, o rekomenduojamas trijų mokinių ir vieno roboto santykis suteikia studentams galimybę praktiškai bendrauti su robotas. V5 Workcell yra saugesnis, nes yra mažesnio dydžio, taip pat turi galimybę užprogramuoti buferio jungiklį, kuris prireikus veiktų kaip avarinis stabdymas.

V5 Workcell taip pat leidžia studentams įsitraukti į pastato patirtį, kuri kitu atveju nebūtų įmanoma. Studentai, dirbantys su profesionaliomis pramoninio dydžio robotinėmis rankomis, įgyja vertingų žinių ir įgūdžių jas programuodami, tačiau gali nesuprasti, kaip jos juda ir veikia, nes nedalyvavo kūrimo procese. Dalyvavimas kūrimo procese ne tik suteikia studentams galimybę užmegzti stipresnį ryšį tarp aparatinės ir programinės įrangos, bet ir suteikia galimybę įgyti daugiau pagrindinių žinių apie tai, kaip robotas fiziškai veikia. Ši galimybė gali suteikti studentams žinių ir kūrimo patirties, kurios jiems reikia norint efektyviau šalinti aparatinės įrangos triktis ir išspręsti problemas.¹³ Praktikuojant šias STEM sąvokas kontekste, studentai gali pamatyti, kaip jos taikomos pramonėje.

Dauguma kitų mažesnių ir ekonomiškesnių pramoninių robotų modelių yra iš anksto surinkti ir dažnai yra sukurti tik vienai funkcijai. V5 Workcell techninės įrangos privalumas yra tas, kad studentai neapsiriboja vienu robotu. Studentai kuria V5 Workcell iš dalių iš VEX Robotics V5 sistemos, kuri turi daug skirtingų konstrukcijų, įskaitant pagrindinę roboto rankos funkciją (parodyta 1 paveiksle), keičia EOAT (rankos galo įrankius) ir pridedama. keli konvejeriai ir jutikliai (parodyta 2 pav.). Tai suteikia studentams patirties ne tik kuriant pačią roboto ranką, bet ir visą mažo dydžio gamybos darbo kameros modelį. Tai leidžia studentams įsitraukti į statybos procesą, kuriame pabrėžiamos matematinės ir inžinerinės koncepcijos, kurių studentai negalėtų patirti be statybos. Tai taip pat leidžia studentams suprasti, kaip V5 Workcell veikia fiziniame lygmenyje, o tai taip pat perkeliama į programavimą. Dėl to V5 Workcell yra pedagoginis įrankis, kuris ne tik supažindina studentus su pramoninės robotikos ir programavimo koncepcijomis, bet ir supažindina juos su statybos, inžinerijos ir matematinėmis sąvokomis, tokiomis kaip Dekarto koordinačių sistema ir roboto valdymas 3D erdvėje.

Įvairios konstrukcijos pateikiamos kūrimo instrukcijose, kurios padeda mokiniui atlikti nuoseklų kūrimo procesą (parodyta 3 paveiksle). Dėl to „V5 Workcell“ kūrimas yra prieinamas studentams, kurie apskritai neturi statybos, metalo ar įrankių naudojimo patirties.

3 pav. Žingsnis nuo 4 laboratorijos kūrimo instrukcijų

VEX V5 Workcell suteikia švietimo įstaigoms mažesnio, saugesnio ir ekonomiškesnio pramoninio roboto modelio variantą, kuris yra ne tik universalus savo kūrimo galimybėmis, bet ir suteikia studentams daugiau savarankiško, praktinio mokymosi patirties, palyginti su profesionaliu pramoninio dydžio robotu. rankos.

III. Programavimo mokymas (programinė įranga):

Technologijoms tobulėjant eksponentiniu greičiu, daugelis fizinio darbo darbų pramoninėje gamyboje dabar papildomi automatizavimu.⁴ Tai gali papildyti darbo jėgą ir net kai kuriais atvejais gali sukurti didesnę darbo jėgos paklausą, bet taip pat reikalauja, kad darbuotojai gerai išmanytų programavimą, kad galėtų valdyti, taisyti ir prižiūrėti automatiką.⁴ Programavimas yra įgūdis, kurį gali prireikti metų, kol žmogus įgyja įgūdžių, o dauguma pramonėje naudojamų programavimo kalbų yra sudėtingos ir skirtos naudoti profesionaliems inžinieriams.³ Tai reiškia, kad programoms, reikalingoms, kad robotas atliktų net pačias paprasčiausias užduotis, reikia samdyti programavimo specialistą.³

„Pavyzdžiui, automatinio lankinio suvirinimo roboto sistemos, skirtos didelio transporto priemonės korpuso gamybai, programavimas rankiniu būdu užtrunka daugiau nei aštuonis mėnesius, o paties suvirinimo proceso ciklo trukmė – tik šešiolika valandų. Šiuo atveju programavimo laikas yra maždaug 360 kartų didesnis už vykdymo laiką.⁹

Toks programavimo žinių lygis riboja prieigą prie studentų ir dėstytojų, norinčių sužinoti apie pramoninės robotikos programavimo pagrindus, tačiau neturinčių programavimo patirties.

„Robotų programavimas reikalauja daug laiko, sudėtingas, dažnai klaidų ir reikalauja tiek užduoties, tiek platformos patirties. Pramoninėje robotikoje yra daugybė konkrečiam pardavėjui skirtų programavimo kalbų ir įrankių, kuriems reikia tam tikrų įgūdžių. Tačiau norint padidinti automatizavimo lygį pramonėje, taip pat išplėsti robotų naudojimą kitose srityse, tokiose kaip paslaugų robotika ir nelaimių valdymas, turi būti sudaryta galimybė ne ekspertams instruktuoti robotus.¹⁰

Išmokti programuoti kaip naujokui bet kuriame amžiuje yra sudėtinga.⁸ Mokymasis suprasti projekto eigą kartu su mokymosi sintaksė gali būti ne tik stulbinantis, bet ir atgrasantis ir netgi visiškai bauginantis.⁵ Kad studentai ir pedagogai įgytų patirties dirbant su pramonine robotika, reikia sumažinti šių robotų kodavimo sudėtingumą, kad galėtų dalyvauti pradedantieji programuotojai. Tai galima padaryti supaprastinant programavimo kalbą iš tradicinių teksto kalbų. Programavimo kalbos supaprastinimas buvo sėkmingas supažindinant ir mokant mažus vaikus, kaip programuoti įvairiose srityse, įskaitant švietimą.³ Dėl šios sėkmės supaprastinta programavimo kalba gali būti naudojama mokant asmenis pramoninių robotų programavimo pagrindų ir leistų jiems įgyti pagrindinius įgūdžius, kuriuos vėliau galės panaudoti siekdami sėkmės pramonėje.³

VEX V5 Workcell leidžia studentams programuoti pramoninį roboto rankos modelį naudojant VEXcode V5, blokų kalbą, kurią maitina Scratch blokai.¹⁸ (scratch.mit.edu) Studentas geba programuoti su VEXcode V5 – supaprastinta programavimo kalba. Studentai gali sukurti projektą, kad galėtų sėkmingai manipuliuoti „Workcell“, taip pat suprasti projekto tikslą ir eigą gilesniu lygmeniu. Tyrimai parodė, kad naujokai, neturintys ankstesnės programavimo patirties, gali sėkmingai rašyti blokais pagrįstas programas, kad atliktų pagrindines pramoninės robotikos užduotis.³

Tyrimai taip pat parodė, kad studentai teigia, kad blokais pagrįstos programavimo kalbos, tokios kaip VEXcode V5, pobūdis yra paprastas dėl blokų aprašymo natūralia kalba, sąveikos su blokais metodo „vilkimo ir numetimo“ metodo ir paprasto skaitant projektą.⁶ VEXcode V5 taip pat sprendžia problemas, susijusias su blokais pagrįstos programavimo kalbos, palyginti su labiau įprastu tekstiniu metodu. Kai kurie nustatyti trūkumai yra suvokiamas autentiškumo trūkumas ir mažiau galingas.⁶ VEXcode V5 sprendžia tiek suvokiamą autentiškumo trūkumą, tiek, atrodo, mažiau galingą, įtraukdama įrankį, vadinamą „kodo peržiūros programa“. Kodo peržiūros priemonė leidžia mokiniui sukurti blokų projektą ir peržiūrėti tą patį projektą teksto forma C++ arba Python. Ši konversija leidžia studentams augti už blokais pagrįstos kalbos apribojimų ir taip pat suteikia jiems pastolių įrankius, kurių jiems reikia, kad jie sėkmingai veiktų, kad būtų užpildytas sintaksės atotrūkis nuo blokų iki teksto. VEXcode V5 naudoja panašias blokų ir komandų pavadinimų taisykles, kad būtų lengviau pereiti nuo blokų prie teksto.

Weintropo ir Wilensky⁷ atliktame tyrime, kuriame buvo lyginamas blokų ir teksto programavimas vidurinės mokyklos kompiuterių mokslo klasėse, nustatyta, kad mokiniai, naudojantys blokų kalbą, pasižymėjo didesniu mokymosi pasiekimu ir didesniu susidomėjimu ateities kompiuteriais. kursai. Studentai, naudojantys teksto kalbą, savo programavimo patirtį vertino kaip panašesnę į programuotojų veiklą pramonėje ir veiksmingesnę programavimo įgūdžių tobulinimą. VEXcode V5 suteikia pradedantiesiems programuotojams geriausius iš abiejų pasaulių, leisdamas jiems pirmiausia sukurti tvirtą programavimo koncepcijų pagrindą, kurį jie gali naudoti pereidami prie C++ arba Python – abi teksto kalbas palaiko VEXcode V5.

VEXcode V5 yra prieinama ir nemokama blokų pagrindu sukurta pramoninio roboto modelio programavimo kalba, skirta naudoti ugdymo įstaigose, todėl programavimo robotai tampa prieinamesni studentams ir pedagogams, kurie kitu atveju negalėtų jais naudotis. Gamybos darbo aplinka nuosekliai keičiasi su technologijomis, o blokinės programavimo kalbos, tokios kaip VEXcode V5, gali geriau suteikti studentams, kurie nori būti būsimais gamybos darbuotojais, įgūdžių ir pagrindinių programavimo žinių, kurių jiems reikia norint sėkmingai dirbti gamyboje ir pramonėje.³

IV. Didelės Idėjos

Vienas didžiausių V5 Workcell privalumų yra tai, kad studentams suteikiama galimybė mokytis ir susitelkti ties didesnėmis sąvokomis ir pagrindiniais principais, kurie yra ne tik programavimo, bet ir inžinerijos bei pramoninės robotikos profesinės srities pagrindai. Dėmesys keletui didesnių sąvokų, kurios gali būti taikomos įvairiose aplinkose ir situacijose, suteikia studentams galimybę įgyti išsamesnį tų įgūdžių ir temų supratimą ir gilesnę mokymosi patirtį. Halpernas ir Hackelis teigia, kad „pabrėžimas nuodugniam pagrindinių principų supratimui dažnai yra geresnis mokymo planas nei enciklopedinis įvairių temų aprėpimas“.¹⁴

Mokiniai tyrinės įvairias sąvokas, tokias kaip:

• Pastatas su metalu ir elektronika
• Dekarto koordinačių sistema
• Kaip roboto ranka juda 3D erdvėje
• Kodo pakartotinis naudojimas
• Kintamieji
• 2D sąrašai
• Jutiklio grįžtamasis ryšys automatizavimui
• Konvejerių sistemos ir daugelis kitų.

Studentai įgis pagrindinių žinių apie šias sąvokas, kurias vėliau bus galima perkelti ir pritaikyti įvairiose srityse, tokiose kaip matematika, programavimas, inžinerija ir gamyba. Susipažindami su šiomis sąvokomis mokiniai aktyviai geba spręsti problemas, bendradarbiauti, būti kūrybingi ir ugdyti atsparumą. Visi jie yra svarbūs įgūdžiai bet kokioje aplinkoje ir susieti su šiandienos 21-ojo amžiaus įgūdžiais.

„Žinios tapo gyvybiškai svarbios XXI amžiuje ir žmonės turi įgyti tokių įgūdžių, kad galėtų patekti į darbo jėgą, vadinamą 21-ojo amžiaus įgūdžiais. Apskritai 21-ojo amžiaus įgūdžiai apima bendradarbiavimą, bendravimą, skaitmeninį raštingumą, pilietiškumą, problemų sprendimą, kritinį mąstymą, kūrybiškumą ir produktyvumą. Šie įgūdžiai vadinami 21-ojo amžiaus įgūdžiais, nurodant, kad jie labiau susiję su dabartiniais ekonominiais ir socialiniais pokyčiais, o ne su praėjusio šimtmečio įgūdžiais, apibūdinamais kaip pramoninis gamybos būdas.¹⁵

V. Išvados

Šio darbo tikslas – pristatyti VEX V5 Workcell privalumus edukacinėje aplinkoje, pristatant pramoninę robotiką. Tai darydamas šis dokumentas parodo, kad VEX V5 Workcell yra visa apimantis sprendimas, skirtas mokiniams supažindinti su pramonine robotika švietimo aplinkoje, kuris yra ekonomiškas, sumažina programavimo barjerą patekti į rinką ir sutelkia dėmesį į dideles idėjas, padedančias mokiniams tobulėti. svarbius įgūdžius.

---