Abstrakts
Rūpnieciskā robotika tiek izmantota gandrīz visās ražošanas nozarēs un nodarbina tūkstošiem darbinieku. Tomēr, tā kā rūpnieciskā robotika ir plaši izplatīta visā pasaulē, industriālās robotikas ieviešana izglītības vidē ir grūti īstenojama un praksē ierobežota. Šajā rakstā ir izklāstīti šķēršļi industriālās robotikas ieviešanai izglītības vidē un piedāvāts risinājums, izmantojot robotu roku, ko sauc par VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell tika izstrādāts, lai uzlabotu industriālās robotikas pieejamību vidusskolēniem un tehniskajiem studentiem. Pieejamības problēmas, ieviešot rūpniecisko robotiku izglītības vidē, ir lieluma ierobežojumu, drošības apsvērumu, augsto izmaksu un ierobežotas programmēšanas pieredzes kombinācija. VEX Robotics radītā aparatūra un programmatūra sniedz studentiem iespēju attīstīt tehniskās un problēmu risināšanas prasmes, uzbūvējot un programmējot simulētu ražošanas darba šūnu ar piecu asu robotu.
Atslēgvārdi:
rūpnieciskās robotikas mācīšana; STEM; Python; C++, bloku kodēšana; VEX Robotics; robotu roka; izglītojoša robotika
es Ievads
Robotikas izmantošana izglītībā ir kļuvusi par starpdisciplināru, praktisku, autentisku mācību pieredzi visu vecumu skolēniem.12 Iesaistīšanās ar robotiku izglītībā var rosināt jaunākos skolēnus interesi par dabaszinātnēm, kā arī dot viņiem pieredzi un vidi, lai apgūtu svarīgas prasmes, piemēram, loģisko domāšanu, secību un problēmu risināšanu. Kad skolēni pilnveidojas savā izglītības karjerā ar robotiku, viņi var balstīties uz problēmu risināšanas un loģiskās domāšanas pamata prasmēm, lai pētītu sarežģītākas inženierzinātņu un datorzinātņu koncepcijas, kas atdzīvina abstraktās fizikas un matemātikas jēdzienus. 12
“Būvējot robotus, ir populāra projektu izvēle problēmās balstītas mācīšanās (PBL) ieviešanai klasēs. Iemesls, kāpēc tā ir tik populāra, ir izskaidrojams ar tēmas daudznozaru raksturu: robotika prasa daudz dažādu zinātnisku, tehnisko un tehnoloģisko iemaņu, piemēram, fizikas, elektronikas, matemātikas un programmēšanas. Tas ir ideāls priekšmets, jo ar to var saistīt tik daudz dažādu kursu. Turklāt paši roboti aizrauj bērnu un pusaudžu iztēli, sniedzot iedvesmu un motivāciju. 13
Tehnoloģijām nepārtraukti attīstoties un programmēšanai kļūstot par vēlamu prasmi, izglītības iestādes vēlas sagatavot savus audzēkņus darbaspēkam, iepazīstinot viņus ar rūpniecisko robotiku un ražošanu. Rūpnieciskie roboti un robotu rokas ir programmējamas mašīnas, kas paredzētas noteikta uzdevuma vai funkcijas veikšanai.1
"Robotu sistēmas parasti izmanto, lai veiktu nedrošus, bīstamus un pat atkārtotus operatora uzdevumus. Tiem ir daudz dažādu funkciju, piemēram, materiālu apstrāde, montāža, metināšana, mašīnas vai instrumenta iekraušana un izkraušana, kā arī tādas funkcijas kā krāsošana, izsmidzināšana utt. Lielākā daļa robotu ir konfigurēti darbībai, mācot tehniku un atkārtojot.1
Pētījumi liecina, ka skolēniem ir pozitīva attieksme un pieredze, izmantojot robotus klasē.16 Tomēr, neskatoties uz studentu pozitīvo attieksmi, pastāv šķēršļi, kas ierobežo industriālās robotikas izmantošanu izglītības iestādēs: izmēra ierobežojumu, drošības apsvērumu, augsto izmaksu un ierobežotas programmēšanas pieredzes kombinācija. Šajā rakstā tiks apspriests, kā VEX V5 Workcell ir risinājums industriālās robotikas ieviešanai izglītības vidē.
II. Jauni un izdevīgi robotu modeļi (aparatūra):
Tehnoloģijām attīstoties, arvien vairāk studentu sāk interesēties par robotiku kā karjeru. Robotika var izraisīt skolēnu interesi par dabaszinātnēm un matemātiku, kā arī dot skolēniem iespēju praktizēt problēmu risināšanu un loģisko domāšanu.12 Prasmes, kas iegūtas, strādājot ar izglītojošu robotiku, piemēram, problēmu risināšana un loģiskā domāšana, arī var tikt pielietotas un ir pamats rūpnieciskās robotikas un ražošanas karjerā. Lai apmierinātu robotikas nozares speciālistu vajadzību un pieprasījumu, kuri ir apguvuši kodēšanas, problēmu risināšanas un loģiskās domāšanas prasmes, izglītojošie norādījumi vēlas savās klasēs ieviest industriālo robotiku.17 Tomēr rūpniecisko robotu ieviešanai izglītības vidē ir ierobežojumi, lai sagatavotu šos studentus veiksmīgai ražošanas karjerā. Ir dārgi ne tikai iegādāties, bet arī dārgi uzturēt strādājošu robotroku. Šīs izmaksas var ierobežot to robotu skaitu, ar kuriem skolēni var mijiedarboties, un līdz ar to ierobežot studentu patstāvīgās praktiskas iesaistīšanās apjomu.11 Rūpnieciskā izmēra robotizētajām rokām arī ir nepieciešams daudz vietas, un, strādājot ar industriālajiem robotiem, vienmēr pastāv drošības risks. Nepieredzējuši skolēni var nejauši nodarīt kaitējumu sev, aprīkojumam vai citiem.11 Šo faktoru dēļ izglītības iestādes pievēršas mazākiem, drošākiem un izmaksu ziņā efektīvākiem industriālo robotu modeļiem.
"Lai gan lielu robotu apstrādei ir nepieciešama pastāvīga uzraudzība un tā ir jāveic īpašās robotu šūnās, daudzas universitātes tagad izvēlas iegādāties papildu darbvirsmas izmēra robotus, kas ļauj studentiem strādāt patstāvīgi. Tā kā šīs mašīnas ir ieprogrammētas tāpat kā lielākie roboti, rezultātus var nekavējoties izmantot lielajām iekārtām pilna mēroga lietojumiem.2
VEX V5 Workcell ir mazāks, drošāks un izmaksu ziņā izdevīgāks industriālā robota modelis, kas ir pietiekami mazs, lai to novietotu uz klases galda, un ar ieteicamo trīs studentu attiecību pret vienu robotu sniedz studentiem iespēju praktiski iesaistīties robots. V5 Workcell ir drošāks, jo tas ir mazāks, kā arī tam ir iespēja ieprogrammēt bufera slēdzi, kas vajadzības gadījumā darbojas kā avārijas apturēšana.
V5 Workcell arī ļauj studentiem iesaistīties būvniecības pieredzē, kas citādi nebūtu iespējama. Studenti, kas nodarbojas ar profesionālām industriāla izmēra robotu rokām, iegūst vērtīgas zināšanas un prasmes, programmējot tās, taču var nesaprast, kā tās pārvietojas un darbojas, jo nebija iesaistītas būvniecības procesā. Iesaistīšanās būvniecības procesā ne tikai sniedz studentiem iespēju izveidot ciešāku saikni starp aparatūru un programmatūru, bet arī ļauj studentiem iegūt pamatzināšanas par robota fizisko darbību. Šī iespēja var sniegt studentiem zināšanas un būvniecības pieredzi, kas viņiem nepieciešama, lai efektīvāk novērstu aparatūras problēmas, kā arī atrisinātu problēmas.13 Robotu fiziskās uzbūves iekļaušana industriālajā robotikas izglītībā sniedz arī studentiem iespēju atdzīvināt abstraktus fizikas, inženierzinātņu un matemātikas jēdzienus un vienādojumus. Šo STEM jēdzienu praktizēšana kontekstā ļauj studentiem arī redzēt, kā tie ir piemērojami rūpniecībā.
Lielākā daļa citu mazāku un izmaksu ziņā izdevīgāku rūpniecisko robotu modeļu ir jau samontēti un bieži vien ir izgatavoti tikai vienai funkcijai. V5 Workcell aparatūras priekšrocība ir tā, ka studenti neaprobežojas tikai ar vienu robota uzbūvi. Studenti veido V5 Workcell no detaļām no VEX Robotics V5 sistēmas, kurai ir vairākas dažādas konstrukcijas, tostarp robota rokas pamatfunkcija (parādīta 1. attēlā), EOAT maiņa (rokas gala instrumenti) un pievienošana. vairāki konveijeri un sensori (parādīts 2. attēlā). Tas sniedz studentiem pieredzi ne tikai pašas robota rokas veidošanā, bet arī neliela izmēra ražošanas darba šūnas modeļa kopumā. Tas ļauj studentiem iesaistīties būvniecības procesā, kas izceļ matemātiskās un inženiertehniskās koncepcijas, kuras studenti nevarētu piedzīvot bez būvniecības. Tas arī ļauj studentiem saprast, kā V5 Workcell darbojas fiziskajā līmenī, kas pāriet arī uz programmēšanu. Tas padara V5 Workcell par pedagoģisku rīku, kas ne tikai iepazīstina studentus ar industriālās robotikas un programmēšanas koncepcijām, bet arī iepazīstina viņus ar būvniecības, inženierijas un matemātikas koncepcijām, piemēram, Dekarta koordinātu sistēmu un robota darbināšanu 3D telpā.
1. attēls: 1. laboratorijas konstrukcija (robotiskā roka)
2. attēls: Lab 11 būve (robotiskā roka, kā arī konveijeri un sensori)
Dažādas konstrukcijas ir norādītas būvēšanas instrukcijās, kas palīdz skolēnam veikt soli pa solim būvēšanu (parādīts 3. attēlā). Tas padara V5 Workcell izveidi pieejamu studentiem, kuriem, iespējams, nav vispārējas pieredzes būvniecībā, būvniecībā ar metālu vai instrumentu izmantošanā.
3. attēls: solis no 4. laboratorijas veidošanas instrukcijām
VEX V5 Workcell nodrošina izglītības iestādēm mazāku, drošāku un izmaksu ziņā izdevīgāku industriālā robota modeļa iespēju, kas ir ne tikai daudzpusīgs ar savām būvēšanas iespējām, bet arī nodrošina studentiem neatkarīgāku, praktiskāku mācību pieredzi salīdzinājumā ar profesionālu industriāla izmēra robotu. rokas.
III. Programmēšanas apmācība (programmatūra):
Tehnoloģijai attīstoties eksponenciālā ātrumā, daudzi manuālā darba darbi rūpnieciskajā ražošanā tagad tiek papildināti ar automatizāciju.4 Tas var papildināt darbaspēku un pat dažos gadījumos var radīt lielāku pieprasījumu pēc darbaspēka, taču arī darbiniekiem ir jābūt spēcīgām programmēšanas zināšanām, lai varētu darbināt, remontēt un uzturēt automatizāciju.4 Programmēšana ir prasme, kuras apguvei var paiet gadi, un lielākā daļa programmēšanas valodu, ko izmanto rūpniecībā, ir sarežģītas un paredzētas profesionāliem inženieriem.3 Tas nozīmē, ka programmas, kas nepieciešamas, lai robots veiktu pat visvienkāršākos uzdevumus, prasa algot programmēšanas speciālistu. 3
“Piemēram, robotizētas loka metināšanas sistēmas manuāla programmēšana liela transportlīdzekļa korpusa izgatavošanai aizņem vairāk nekā astoņus mēnešus, savukārt paša metināšanas procesa cikla laiks ir tikai sešpadsmit stundas. Šajā gadījumā programmēšanas laiks ir aptuveni 360 reizes lielāks par izpildes laiku.9
Šis programmēšanas zināšanu līmenis ierobežo piekļuvi studentiem un pedagogiem, kuri vēlas uzzināt par industriālās robotikas programmēšanas pamatiem, bet kuriem ir maz vai nav programmēšanas pieredzes.
“Robotu programmēšana ir laikietilpīga, sarežģīta, ar kļūdu iespējamību un prasa gan uzdevuma, gan platformas zināšanas. Rūpnieciskajā robotikā ir daudz piegādātāju specifisku programmēšanas valodu un rīku, kuriem nepieciešama noteikta prasme. Tomēr, lai paaugstinātu automatizācijas līmeni rūpniecībā, kā arī paplašinātu robotu izmantošanu citās jomās, piemēram, pakalpojumu robotikā un katastrofu pārvaldībā, ir jābūt iespējai robotus instruēt nespeciālistiem.10
Iemācīties programmēt kā iesācējam jebkurā vecumā ir izaicinājums.8 Mācīšanās, kā izprast projekta plūsmu papildus sintakses apguvei, var būt ne tikai nepārvarama, bet arī atturoša un pat biedējoša.5 Lai skolēni un pedagogi gūtu pieredzi ar industriālo robotiku, ir jāsamazina šo robotu kodēšanas sarežģītība, lai tajā varētu piedalīties iesācēji programmētāji. To var izdarīt, vienkāršojot programmēšanas valodu no tradicionālajām teksta valodām. Programmēšanas valodas vienkāršošana ir bijusi veiksmīga, iepazīstinot un mācījot mazus bērnus programmēt dažādās jomās, tostarp izglītībā.3 Pateicoties šiem panākumiem, vienkāršotu programmēšanas valodu var izmantot, lai mācītu indivīdiem industriālo robotu programmēšanas pamatus un ļautu viņiem veidot pamatprasmes, kuras viņi vēlāk var izmantot, lai gūtu panākumus rūpniecībā. 3
VEX V5 Workcell ļauj studentiem programmēt rūpniecisku robotu roku modeli, izmantojot VEXcode V5 — uz blokiem balstītu valodu, ko darbina Scratch bloki.18 (scratch.mit.edu) Students prot programmēt ar VEXcode V5, vienkāršotu programmēšanas valodu. Studenti var izveidot projektu, lai veiksmīgi manipulētu ar Workcell, kā arī izprastu projekta mērķi un plūsmu dziļākā līmenī. Pētījumi ir parādījuši, ka iesācēji bez iepriekšējas programmēšanas pieredzes var veiksmīgi rakstīt uz blokiem balstītas programmas, lai veiktu rūpnieciskās robotikas pamatuzdevumus. 3
Pētījumi ir arī parādījuši, ka studenti ziņo, ka uz blokiem balstītas programmēšanas valodas, piemēram, VEXcode V5, būtība ir vienkārša, jo bloku apraksts ir dabiskajā valodā, vilkšanas un nomešanas metode mijiedarbībai ar blokiem un vienkāršība. lasot projektu.6 VEXcode V5 risina arī problēmas, kas saistītas ar bloku programmēšanas valodu, salīdzinot ar tradicionālo teksta pieeju. Daži no identificētajiem trūkumiem ir uztvertais autentiskuma trūkums un mazāk spēcīgs.6 VEXcode V5 novērš gan šķietamo autentiskuma trūkumu, gan šķietami mazāk spēcīgu, iekļaujot rīku, kas pazīstams kā "koda skatītājs". Kodu skatītājs ļauj studentam izveidot bloku projektu un pēc tam skatīt to pašu projektu teksta formā vai nu C++, vai Python. Šī pārveidošana ļauj studentiem izaugt, pārsniedzot bloku valodas ierobežojumus, kā arī nodrošina viņiem nepieciešamos sastatņu rīkus, lai veiksmīgi darbotos, lai pārvarētu sintakses plaisu no blokiem uz tekstu. VEXcode V5 izmanto līdzīgas nosaukšanas konvencijas blokiem un komandām, lai atvieglotu pāreju no blokiem uz tekstu.
Veintropa un Vilenska veiktais pētījums7 , lai salīdzinātu bloku un teksta programmēšanu vidusskolas datorzinātņu klasēs, atklāja, ka studenti, kuri izmantoja bloku valodu, uzrādīja lielākus ieguvumus mācībās un lielāku interesi par nākotnes skaitļošanu. kursi. Studenti, kuri izmantoja teksta valodu, savu programmēšanas pieredzi uzskatīja par līdzīgāku tam, ko programmētāji dara nozarē, un efektīvāk uzlabo savas programmēšanas prasmes. VEXcode V5 sniedz iesācējiem programmētājiem labāko no abām pasaulēm, ļaujot viņiem vispirms izveidot spēcīgu programmēšanas koncepciju pamatu, ko viņi pēc tam var izmantot, pārejot uz C++ vai Python — abas teksta valodas tiek atbalstītas VEXcode V5.
VEXcode V5 ir pieejama un bezmaksas uz blokiem balstīta programmēšanas valoda industriālajam robota modelim, ko izmantot izglītības iestādēs, kas padara programmēšanas robotus pieejamākus skolēniem un pedagogiem, kuri citādi tos nevarētu izmantot. Ražošanas darba vide konsekventi mainās līdz ar tehnoloģijām, un bloku programmēšanas valodas, piemēram, VEXcode V5, var labāk nodrošināt studentiem, kuri vēlas būt nākamie ražošanas darbinieki, prasmes un pamata programmēšanas zināšanas, kas viņiem nepieciešamas, lai gūtu panākumus ražošanā un rūpniecībā. 3
IV. Lielas Idejas
Viena no lielākajām V5 Workcell priekšrocībām ir tā, ka studentiem tiek dota iespēja apgūt plašākas koncepcijas un pamatprincipus, kas ir ne tikai programmēšanas, bet arī inženierijas un industriālās robotikas profesionālās jomas pamatā. Koncentrēšanās uz dažiem plašākiem jēdzieniem, ko var pielietot dažādos apstākļos un situācijās, sniedz studentiem iespēju iegūt padziļinātu izpratni un dziļāku mācību pieredzi par šīm prasmēm un tēmām. Halperns un Hakels norāda, ka "uzsvars uz pamatprincipu padziļinātu izpratni bieži vien ir labāks mācību plāns nekā enciklopēdiskāks plašu tēmu pārklājums". 14
Studenti pētīs dažādus jēdzienus, piemēram:
- Ēka ar metālu un elektroniku
- Dekarta koordinātu sistēma
- Kā robota roka pārvietojas 3D telpā
- Koda atkārtota izmantošana
- Mainīgie lielumi
- 2D saraksti
- Sensoru atgriezeniskā saite automatizācijai
- Konveijera sistēmas un daudzas citas.
Studenti iegūs pamatzināšanas par šiem jēdzieniem, kuras vēlāk var pārnest un pielietot dažādās jomās, piemēram, matemātika, programmēšana, inženierija un ražošana. Iepazīstoties ar šiem jēdzieniem, studenti spēj aktīvi risināt problēmas, sadarboties, būt radošiem un veidot noturību. Tās visas ir svarīgas prasmes jebkurā vidē un ir saistītas ar mūsdienu 21. gadsimta prasmēm.
“Zināšanas ir kļuvušas ļoti svarīgas 21. gadsimtā, un cilvēkiem ir jāapgūst šādas prasmes, lai iekļūtu darba tirgū, ko sauc par 21. gadsimta prasmēm. Kopumā 21. gadsimta prasmes ietver sadarbību, komunikāciju, digitālo pratību, pilsonību, problēmu risināšanu, kritisko domāšanu, radošumu un produktivitāti. Šīs prasmes tiek apzīmētas kā 21. gadsimta prasmes, lai norādītu, ka tās ir vairāk saistītas ar pašreizējām ekonomiskajām un sociālajām norisēm, nevis ar tām, kuras tika raksturotas kā rūpniecisks ražošanas veids pagājušajā gadsimtā. 15
V. Secinājumi
Šī raksta mērķis ir iepazīstināt ar VEX V5 Workcell priekšrocības izglītības vidē, lai ieviestu rūpniecisko robotiku. To darot, šis dokuments parāda, ka VEX V5 Workcell nodrošina visaptverošu risinājumu, lai iepazīstinātu skolēnus ar industriālo robotiku izglītības vidē, kas ir rentabla, samazina programmēšanas barjeru ienākšanai tirgū un koncentrējas uz lielām idejām, kas palīdz studentiem attīstīties. svarīgas prasmes.