VEX V5 Workcell: Industrieel robotarmmodel voor STEM-onderwijs

Abstract

Industriële robotica wordt in bijna alle productie-industrieën gebruikt en biedt werk aan duizenden werknemers. Maar vanwege het wijdverspreide gebruik ervan over de hele wereld is de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving moeilijk te realiseren en in de praktijk beperkt. Dit artikel schetst de belemmeringen voor de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving en presenteert de oplossing met behulp van een robotarm genaamd de VEX V5 Workcell. De VEX V5 Workcell is ontwikkeld om de toegankelijkheid van industriële robotica voor middelbare en technische studenten te verbeteren. De toegankelijkheidsproblemen bij de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving zijn een combinatie van omvangsbeperkingen, veiligheidsproblemen, hoge kosten en beperkte programmeerervaring. De hardware en software gemaakt door VEX Robotics bieden studenten de mogelijkheid om technische en probleemoplossende vaardigheden te ontwikkelen door een gesimuleerde productiewerkcel met een vijfassige robot te bouwen en te programmeren.

Trefwoorden:

onderwijs in industriële robotica; STANG; Python; C++, blokgebaseerde codering; VEX-robotica; robotarm; educatieve robotica

I. Invoering

Het gebruik van robotica in het onderwijs is een interdisciplinaire, praktische, authentieke leerervaring geworden voor studenten van alle leeftijden.¹² Betrokkenheid bij robotica in het onderwijs kan de interesse van jongere leerlingen in wetenschap wekken en hen de ervaring en het medium geven om belangrijke vaardigheden te leren, zoals logisch denken, volgordebepaling en probleemoplossing. Naarmate studenten vooruitgang boeken in hun educatieve carrière met robotica, kunnen ze voortbouwen op de fundamentele vaardigheden van probleemoplossing en logisch denken om complexere technische en computerwetenschappelijke concepten te bestuderen die abstracte natuurkunde en wiskundige concepten tot leven brengen.¹²

“Het bouwen van robots is een populaire projectkeuze voor de implementatie van probleemgestuurd onderwijs (PGO) in klaslokalen. De reden waarom het zo’n populaire keuze is, kan worden verklaard door het multidisciplinaire karakter van het onderwerp: robotica vereist veel verschillende wetenschappelijke, technische en technologische vaardigheden, zoals natuurkunde, elektronica, wiskunde en programmeren. Het is een ideaal onderwerp omdat er zoveel verschillende cursussen aan gekoppeld kunnen worden. Bovendien spreken robots zelf tot de verbeelding van kinderen en tieners, wat inspiratie en motivatie biedt”.¹³

Nu de technologie voortdurend evolueert en programmeren een wenselijke vaardigheid wordt, willen onderwijsinstellingen hun studenten voorbereiden op de arbeidsmarkt door hen kennis te laten maken met industriële robotica en productie. Industriële robots en robotarmen zijn programmeerbare machines die zijn ontworpen om een ​​specifieke taak of functie uit te voeren.¹

“Robotsystemen worden over het algemeen gebruikt om onveilige, gevaarlijke en zelfs repetitieve operatortaken uit te voeren. Ze hebben veel verschillende functies, zoals materiaalbehandeling, montage, lassen, laden en lossen van een machine of gereedschap, en functies zoals: schilderen, spuiten, enz. De meeste robots zijn geconfigureerd voor bediening door techniek en herhaling aan te leren”.¹

Onderzoek toont aan dat leerlingen een positieve houding en ervaring hebben door robots in de klas te gebruiken.¹⁶ Ondanks de positieve houding van studenten zijn er echter barrières die het gebruik van industriële robotica in een onderwijsomgeving beperken: een combinatie van beperkingen qua omvang, veiligheidsproblemen, hoge kosten en beperkte programmeerervaring. In dit artikel wordt besproken hoe de VEX V5 Workcell een oplossing is voor de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving.

II. Nieuwe en betaalbare robotmodellen (hardware):

Naarmate de technologie vordert, raken steeds meer studenten geïnteresseerd in robotica als carrière. Robotica kan de interesse van studenten in de wetenschap en wiskunde wekken, en studenten de kans geven om probleemoplossing en logisch denken te oefenen.¹² De vaardigheden die zijn ontwikkeld door het werken met educatieve robotica, zoals probleemoplossing en logisch denken, kunnen ook worden toegepast en zijn van fundamenteel belang in de carrière van industriële robotica en productie. Om tegemoet te komen aan de behoefte en vraag van specialisten op het gebied van robotica die vaardigheden op het gebied van coderen, probleemoplossing en logisch denken hebben verworven, willen onderwijsinstellingen industriële robotica in hun klaslokalen introduceren.¹⁷ Er zijn echter beperkingen aan het introduceren van industriële robots in een onderwijsomgeving om deze studenten voor te bereiden op een succesvolle carrière in de productie. Het is niet alleen duur om een ​​werkende robotarm aan te schaffen, maar ook duur om te onderhouden. Deze kosten kunnen het aantal robots beperken waarmee de studenten kunnen communiceren en bijgevolg de hoeveelheid studentonafhankelijke hands-on betrokkenheid beperken.¹¹ Robotarmen van industriële grootte vereisen ook veel ruimte en er is altijd een veiligheidsrisico bij het werken met industriële robots. Onervaren leerlingen kunnen zichzelf, de apparatuur of anderen per ongeluk schade toebrengen.¹¹ Vanwege deze factoren wenden onderwijsinstellingen zich tot kleinere, veiligere en kosteneffectievere industriële robotmodellen.

“Hoewel het hanteren van grote robots constant toezicht vereist en moet gebeuren in speciale robotcellen, kiezen veel universiteiten er nu voor om extra robots op desktopformaat aan te schaffen waarmee studenten zelfstandig kunnen werken. Omdat deze machines op dezelfde manier zijn geprogrammeerd als de grotere robots, kunnen de resultaten onmiddellijk worden toegepast op de grote machines voor toepassingen op volledige schaal”.²

De VEX V5 Workcell is een kleiner, veiliger en kosteneffectiever industrieel robotmodel, dat klein genoeg is om op een bureau in een klaslokaal te worden geplaatst en met een aanbevolen verhouding van drie studenten op één robot, studenten de mogelijkheid biedt om praktijkgericht bezig te zijn met de robot. De V5 Workcell is veiliger omdat hij kleiner is en omdat hij de mogelijkheid heeft om een ​​bumperschakelaar te programmeren die indien nodig als noodstop fungeert.

Met de V5 Workcell kunnen studenten ook een bouwervaring opdoen die anders niet mogelijk zou zijn. Studenten die zich bezighouden met professionele robotarmen van industriële grootte verwerven waardevolle kennis en vaardigheden bij het programmeren ervan, maar begrijpen mogelijk niet hoe ze bewegen en werken omdat ze niet betrokken waren bij het bouwproces. Door betrokken te zijn bij het bouwproces krijgen studenten niet alleen de kans om een ​​sterkere verbinding te maken tussen de hardware en de software, maar kunnen studenten ook meer fundamentele kennis opdoen over hoe de robot fysiek werkt. Deze mogelijkheid kan studenten de kennis en bouwervaring geven die ze nodig hebben om problemen met de hardware effectiever op te lossen en problemen op te lossen.¹³ Het integreren van de fysieke bouw van robots in het industriële robotonderwijs geeft leerlingen ook de kans om abstracte concepten en vergelijkingen uit de natuurkunde, techniek en wiskunde tot leven te brengen. Door deze STEM-concepten in context te oefenen, kunnen studenten ook zien hoe ze toepasbaar zijn in de industrie.

De meeste andere kleinere en kosteneffectievere industriële robotmodellen worden voorgemonteerd geleverd en zijn vaak slechts voor één functie gebouwd. Een voordeel van de V5 Workcell-hardware is dat studenten niet beperkt zijn tot één robotconstructie. Leerlingen bouwen de V5 Workcell uit onderdelen van het VEX Robotics V5-systeem, dat talloze verschillende constructies heeft, waaronder de basisfunctie van de robotarm (weergegeven in figuur 1), het wijzigen van de EOAT (end-of-arm-tooling) en het toevoegen van meerdere transportbanden en sensoren (weergegeven in figuur 2). Dit geeft studenten niet alleen ervaring met het bouwen van de robotarm zelf, maar met het geheel van een klein productiewerkcelmodel. Hierdoor kunnen de studenten deelnemen aan een bouwproces dat wiskundige en technische concepten belicht die studenten zonder bouwen niet zouden kunnen ervaren. Hierdoor kunnen studenten ook begrijpen hoe de V5 Workcell op fysiek niveau werkt, wat ook overgaat in programmeren. Dit maakt de V5 Workcell tot een pedagogisch hulpmiddel dat studenten niet alleen kennis laat maken met industriële robotica en programmeerconcepten, maar hen ook kennis laat maken met bouw-, engineering- en wiskundige concepten zoals het cartesiaanse coördinatensysteem en het besturen van een robot in de 3D-ruimte.

De verschillende bouwwerken worden gegeven in bouwinstructies die de leerling stap voor stap door het bouwen leiden (weergegeven in figuur 3). Dit maakt het bouwen van de V5 Workcell toegankelijk voor studenten die misschien geen ervaring hebben met bouwen in het algemeen, bouwen met metaal of het gebruik van gereedschap.

Figuur 3: Een stap uit de Lab 4-bouwinstructies

De VEX V5 Workcell biedt onderwijsinstellingen een kleinere, veiligere en kosteneffectievere industriële robotmodeloptie die niet alleen veelzijdig is qua bouwmogelijkheden, maar studenten ook een meer onafhankelijke, praktische leerervaring biedt in vergelijking met professionele robots op industriële schaal. armen.

III. Lesgeven Programmeren (software):

Nu de technologie zich exponentieel ontwikkelt, worden veel banen in de industriële productie nu aangevuld met automatisering.⁴ Dit kan een aanvulling vormen op de arbeid en kan in sommige gevallen zelfs meer vraag naar arbeid creëren, maar vereist ook dat werknemers een sterke kennis van programmeren hebben om de automatisering te kunnen bedienen, repareren en onderhouden.⁴ Programmeren is een vaardigheid die jaren kan duren voordat iemand deze onder de knie heeft, en de meeste programmeertalen die in de industrie worden gebruikt, zijn complex en ontworpen voor gebruik door professionele ingenieurs.³ Dit betekent dat de programma's die nodig zijn om de robot zelfs de eenvoudigste taken te laten uitvoeren, het inhuren van een programmeerspecialist vereisen.³

“Het handmatig programmeren van een robotbooglassysteem voor de vervaardiging van een grote voertuigromp duurt bijvoorbeeld ruim acht maanden, terwijl de cyclustijd van het lasproces zelf slechts zestien uur bedraagt. In dit geval is de programmeertijd ongeveer 360 maal de uitvoeringstijd”.⁹

Dit niveau van programmeerexpertise beperkt de toegang voor studenten en docenten die willen leren over de programmeerfundamenten van industriële robotica, maar weinig tot geen programmeerervaring hebben.

“Robotprogrammering is tijdrovend, complex, foutgevoelig en vereist expertise van zowel de taak als het platform. Binnen de industriële robotica zijn er talloze leverancierspecifieke programmeertalen en tools die een bepaalde vaardigheid vereisen. Om het automatiseringsniveau in de industrie te verhogen en het gebruik van robots in andere domeinen uit te breiden, zoals servicerobotica en rampenbeheer, moet het echter mogelijk zijn voor niet-experts om de robots te instrueren.”¹⁰

Leren programmeren als beginneling, op elke leeftijd, is een uitdaging.⁸ Het leren begrijpen van de projectstroom naast het leren van de syntaxis kan niet alleen overweldigend zijn, maar ook ontmoedigend en zelfs ronduit beangstigend.⁵ Om studenten en docenten ervaring te laten opdoen met industriële robotica, moet de complexiteit van het coderen van deze robots worden verminderd, zodat beginnende programmeurs kunnen deelnemen. Dit kan worden gedaan door de programmeertaal te vereenvoudigen ten opzichte van traditionele op tekst gebaseerde talen. Het vereenvoudigen van een programmeertaal is succesvol gebleken bij het introduceren en leren van jonge kinderen hoe ze moeten programmeren op verschillende gebieden, waaronder het onderwijs.³ Vanwege dit succes kan een vereenvoudigde programmeertaal worden gebruikt om individuen de basisprincipes van het programmeren van industriële robots te leren, en hen in staat te stellen de fundamentele vaardigheden op te bouwen die ze later kunnen gebruiken om succesvol te zijn in de industrie.³

Met de VEX V5 Workcell kunnen studenten een industrieel robotarmmodel programmeren met behulp van VEXcode V5, een op blokken gebaseerde taal die wordt aangedreven door Scratch-blokken.¹⁸ (scratch.mit.edu) De student kan programmeren met VEXcode V5, een vereenvoudigde programmeertaal. Studenten kunnen een project bouwen om de Workcell succesvol te manipuleren en ook het doel en de stroom van het project op een dieper niveau begrijpen. Studies hebben aangetoond dat beginners zonder voorafgaande programmeerervaring met succes op blokken gebaseerde programma's kunnen schrijven om fundamentele industriële robotica-taken uit te voeren.³

Studies hebben ook aangetoond dat studenten melden dat de aard van een op blokken gebaseerde programmeertaal, zoals VEXcode V5, eenvoudig is vanwege de natuurlijke taalbeschrijving van blokken, de drag-and-drop-methode voor interactie met de blokken, en het gemak van het project lezen.⁶ VEXcode V5 pakt ook aandachtspunten aan bij een op blokken gebaseerde programmeertaal vergeleken met de meer conventionele, op tekst gebaseerde aanpak. Enkele van de geïdentificeerde nadelen zijn een waargenomen gebrek aan authenticiteit en minder krachtig zijn.⁶ VEXcode V5 pakt zowel het waargenomen gebrek aan authenticiteit als de schijnbaar minder krachtige aan, door een tool op te nemen die bekend staat als de 'code viewer'. Met de codeviewer kan een leerling een blokkenproject maken en hetzelfde project vervolgens in tekstvorm bekijken in C++ of Python. Deze conversie stelt studenten in staat om voorbij de beperkingen van een op blokken gebaseerde taal te groeien en biedt hen ook de hulpmiddelen die ze nodig hebben om succesvol te zijn om de kloof in de syntaxis van blokken naar tekst te overbruggen. VEXcode V5 gebruikt soortgelijke naamgevingsconventies voor blokken en opdrachten, om de overgang van blokken naar tekst eenvoudiger te maken.

Uit een onderzoek uitgevoerd door Weintrop en Wilensky⁷ waarin blokgebaseerd en tekstgebaseerd programmeren in computerwetenschappenklaslokalen op middelbare scholen werd vergeleken, bleek dat leerlingen die de op blokken gebaseerde taal gebruikten een grotere vooruitgang in hun leerproces vertoonden en een grotere interesse in toekomstig computergebruik. cursussen. Studenten die de op tekst gebaseerde taal gebruikten, zagen hun programmeerervaring als meer vergelijkbaar met wat programmeurs in de industrie doen en als effectiever in het verbeteren van hun programmeervaardigheden. VEXcode V5 biedt beginnende programmeurs het beste van twee werelden door hen in staat te stellen eerst een sterke basis van programmeerconcepten op te bouwen die ze vervolgens kunnen gebruiken bij de overstap naar C++ of Python, beide op tekst gebaseerde talen die worden ondersteund in VEXcode V5.

VEXcode V5 is een toegankelijke en gratis, op blokken gebaseerde programmeertaal voor een industrieel robotmodel voor gebruik in onderwijsomgevingen, waardoor programmeerrobots toegankelijker worden voor studenten en docenten die ze anders niet zouden kunnen gebruiken. Werkomgevingen in de productie veranderen voortdurend met de technologie, en op blokken gebaseerde programmeertalen zoals VEXcode V5 kunnen studenten die ernaar streven toekomstige productiemedewerkers te worden, mogelijk beter de vaardigheden en fundamentele programmeerkennis bieden die ze nodig hebben om succesvol te zijn in productie- en industriële banen.³

IV. Grote ideeën

Een van de grootste voordelen van de V5 Workcell is dat studenten de kans krijgen om te leren en zich te concentreren op grotere concepten en basisprincipes die niet alleen fundamenteel zijn voor programmeren, maar ook voor engineering en het professionele veld van industriële robotica. Door zich te concentreren op een paar grotere concepten die in verschillende settings en situaties kunnen worden toegepast, krijgen studenten de kans om een ​​diepgaander inzicht en diepere leerervaring op te doen over die vaardigheden en onderwerpen. Halpern en Hackel suggereren dat “een nadruk op een diepgaand begrip van basisprincipes vaak een beter instructieontwerp vormt dan een meer encyclopedische dekking van een breed scala aan onderwerpen”.¹⁴

Studenten zullen verschillende concepten onderzoeken, zoals:

• Bouwen met metaal en elektronica
• Het cartesiaanse coördinatensysteem
• Hoe een robotarm beweegt in de 3D-ruimte
• Hergebruik van code
• Variabelen
• 2D-lijsten
• Sensorfeedback voor automatisering
• Transportsystemen en nog veel meer.

Studenten verwerven fundamentele kennis van deze concepten die later kunnen worden overgedragen en toegepast op een breed scala aan gebieden, zoals wiskunde, programmeren, techniek en productie. Terwijl ze kennis maken met deze concepten, zijn studenten actief in staat problemen op te lossen, samen te werken, creatief te zijn en veerkracht op te bouwen. Dit zijn allemaal belangrijke vaardigheden in elke omgeving en sluiten aan bij de vaardigheden van de 21e eeuw.

“Kennis is van cruciaal belang geworden in de 21e eeuw en mensen moeten dergelijke vaardigheden verwerven om toegang te krijgen tot de beroepsbevolking die 21e-eeuwse vaardigheden worden genoemd. Over het algemeen omvatten de vaardigheden van de 21e eeuw samenwerking, communicatie, digitale geletterdheid, burgerschap, probleemoplossing, kritisch denken, creativiteit en productiviteit. Deze vaardigheden worden 21e-eeuwse vaardigheden genoemd om aan te geven dat ze meer verband houden met de huidige economische en sociale ontwikkelingen dan met die van de afgelopen eeuw die worden gekenmerkt als een industriële productiewijze.¹⁵

V. Conclusies

Het doel van dit artikel is om de voordelen van de VEX V5 Workcell te presenteren in een educatieve omgeving om industriële robotica te introduceren. Daarmee laat dit artikel zien dat de VEX V5 Workcell een allesomvattende oplossing biedt om studenten kennis te laten maken met industriële robotica in een onderwijsomgeving die kosteneffectief is, de programmeerbarrière verlaagt en zich richt op grote ideeën die studenten helpen zich te ontwikkelen. belangrijke vaardigheden.

---