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 wijdverbreide gebruik over de hele wereld, is de introductie van industriële robotica in een educatieve omgeving moeilijk te bereiken 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 beperkingen in grootte, veiligheidsproblemen, hoge kosten en beperkte programmeerervaring. De hardware en software die door VEX Robotics zijn gemaakt, bieden studenten de mogelijkheid om technische en probleemoplossende vaardigheden te ontwikkelen door een gesimuleerde productie-werkcel te bouwen en te programmeren met een vijfassige robot.

trefwoorden:

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

L. Invoering

Het gebruik van robotica in het onderwijs is een interdisciplinaire, praktische, authentieke leerervaring geworden voor leerlingen van alle leeftijden.¹² Betrokkenheid bij robotica in het onderwijs kan de interesse van jongere leerlingen voor wetenschap opwekken en hen de ervaring en het medium geven om leer belangrijke vaardigheden zoals logisch denken, sequencing en probleemoplossing. Naarmate studenten vorderen in hun onderwijscarrière met robotica, kunnen ze voortbouwen op de fundamentele vaardigheden van probleemoplossing en logisch denken om complexere technische en computerwetenschappelijke concepten te bestuderen die abstracte fysica 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 vak omdat er zoveel verschillende vakken aan gekoppeld kunnen worden. Bovendien spreken robots zelf tot de verbeelding van kinderen en tieners, wat voor inspiratie en motivatie zorgt”.¹³

Nu de technologie voortdurend evolueert en programmeren een wenselijke vaardigheid wordt, willen onderwijsinstellingen hun studenten voorbereiden op de arbeidsmarkt door ze 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

“Robosystemen worden over het algemeen gebruikt om onveilige, gevaarlijke en zelfs repetitieve taken van operators 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 gebruik door techniek en herhaling aan te leren”.¹

Onderzoek toont aan dat leerlingen positieve attitudes en ervaringen hebben met het gebruik van robots in de klas.¹⁶ Ondanks de positieve houding van studenten zijn er echter barrières die het gebruik van industriële robotica in een onderwijsomgeving beperken: een combinatie van groottebeperkingen, 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 een carrière. Robotica kan de interesse van studenten in de wetenschap en wiskunde wekken, en studenten de mogelijkheid geven om probleemoplossend 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 fundamenteel , 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 educatieve instructies industriële robotica in hun klaslokalen introduceren.¹⁷ Er zijn echter beperkingen om industriële robots in een onderwijsomgeving te brengen om deze studenten voor te bereiden op een succesvolle carrière. Het is niet alleen duur om een werkende robotarm aan te schaffen, maar ook om te onderhouden. Deze kosten kunnen het aantal robots beperken waarmee de studenten kunnen communiceren en bijgevolg de hoeveelheid studentonafhankelijke hands-on betrokkenheid.¹¹ Industriële robotarmen hebben ook veel ruimte nodig en er is altijd een veiligheidsrisico bij het werken met industriële robotten. Onervaren studenten kunnen zichzelf, de apparatuur of anderen per ongeluk verwonden.¹¹ Vanwege deze factoren kiezen onderwijsinstellingen voor kleinere, veiligere en kosteneffectievere industriële robotmodellen.

“Hoewel het hanteren van grote robots constant toezicht vereist en in speciale robotcellen moet gebeuren, kiezen veel universiteiten er nu voor om extra robots van 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 grootschalige toepassingen”.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 tot één robot, waardoor studenten de kans krijgen om hands-on te werken met de robot. De V5 Workcell is veiliger door een kleiner formaat en door de mogelijkheid 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 industriële robotarmen, verwerven waardevolle kennis en vaardigheden om ze te programmeren, maar begrijpen misschien niet hoe ze bewegen en werken omdat ze niet betrokken waren bij het bouwproces. Betrokken zijn bij het bouwproces geeft studenten niet alleen de mogelijkheid om een sterkere verbinding te maken tussen de hardware en software, maar stelt studenten ook in staat om meer fundamentele kennis op te doen 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 het fysiek bouwen van robots in industrieel robotonderwijs geeft studenten ook de mogelijkheid om abstracte concepten en vergelijkingen van de natuurkunde toe te passen , techniek en wiskunde tot leven. Door deze STEM-concepten in context te oefenen, kunnen studenten ook zien hoe ze toepasbaar zijn in de industrie.

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

De verschillende builds worden gegeven in build-instructies die de leerling stap voor stap begeleiden bij het bouwen (getoond in figuur 3). Dit maakt het bouwen van de V5 Workcell toegankelijk voor studenten die geen ervaring hebben met bouwen in het algemeen, bouwen met metaal of het gebruik van gereedschap.

Afbeelding 3: Een stap uit de bouwinstructies van Lab 4

De VEX V5 Workcell biedt onderwijsinstellingen een kleinere, veiligere en meer kosteneffectieve industriële robotmodeloptie die niet alleen veelzijdig is in zijn bouwmogelijkheden, maar studenten een meer onafhankelijke, praktische leerervaring biedt in vergelijking met professionele industriële robotica armen.

III. Programmeren aanleren (software):

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

“Het handmatig programmeren van een gerobotiseerd booglassysteem voor de fabricage van een grote voertuigromp duurt bijvoorbeeld meer dan acht maanden, terwijl de cyclustijd van het lasproces zelf slechts zestien uur is. In dit geval is de programmeertijd ongeveer 360 keer de uitvoeringstijd”.⁹

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

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

Leren programmeren als een beginner op elke leeftijd is een uitdaging.⁸ Naast het leren van syntaxis, kan het leren begrijpen van de projectflow 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 van traditionele op tekst gebaseerde talen. Het vereenvoudigen van een programmeertaal is succesvol geweest bij het introduceren en leren van jonge kinderen hoe ze moeten programmeren op verschillende gebieden, waaronder onderwijs.³ Vanwege dit succes kan een vereenvoudigde programmeertaal worden gebruikt om individuen de basis te leren van het programmeren van industriële robots, en zou hen in staat 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 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 eerdere programmeerervaring met succes blokgebaseerde programma's kunnen schrijven om elementaire 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 methode met slepen en neerzetten voor interactie met de blokken en het gemak van het lezen van het project.⁶ VEXcode V5 pakt ook aandachtspunten aan voor een op blokken gebaseerde programmeertaal in vergelijking met de meer conventionele op tekst gebaseerde benadering . 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 aan als het minder krachtig lijken door een tool op te nemen die bekend staat als de 'codeviewer' .' Met de codeviewer kan een student een blokkenproject maken en vervolgens hetzelfde project in tekstvorm bekijken in C++ of Python. Deze conversie stelt studenten in staat om verder te groeien dan de beperkingen van een op blokken gebaseerde taal en biedt hen ook de steigertools die ze nodig hebben om succesvol te zijn om de kloof in syntaxis van blokken naar tekst te overbruggen. VEXcode V5 gebruikt vergelijkbare naamgevingsconventies voor blokken en commando's, om de overgang van blokken naar tekst gemakkelijker te maken.

Een studie uitgevoerd door Weintrop en Wilensky⁷ om blokgebaseerd en tekstgebaseerd programmeren in klaslokalen voor computerwetenschappen op de middelbare school te vergelijken ontdekte dat studenten die de blokgebaseerde taal gebruikten, meer leerwinst boekten en meer interesse toonden in toekomstige computercursussen. Studenten die de op tekst gebaseerde taal gebruikten, beschouwden hun programmeerervaring als meer vergelijkbaar met wat programmeurs in de industrie doen en als effectiever in het verbeteren van hun programmeervaardigheden. VEXcode V5 geeft beginnende programmeurs het beste van twee werelden doordat ze eerst een sterke basis van programmeerconcepten kunnen bouwen die ze vervolgens kunnen gebruiken bij de overgang 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 maakindustrie veranderen voortdurend met technologie, en op blokken gebaseerde programmeertalen zoals VEXcode V5 kunnen studenten die toekomstige productiemedewerkers willen worden, mogelijk beter de vaardigheden en fundamentele programmeerkennis bieden die ze nodig hebben om succesvol te zijn in productie- en industriële banen.³

NS. 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 fundamenteel zijn voor niet alleen programmeren, maar ook voor engineering en het professionele veld van industriële robotica. Door zich te concentreren op een paar grotere concepten die in verschillende omgevingen en situaties kunnen worden toegepast, krijgen studenten de mogelijkheid om een meer diepgaand begrip en diepere leerervaring van die vaardigheden en onderwerpen te krijgen. 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 coördinatenstelsel
• 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 van gebieden, zoals wiskunde, programmeren, engineering en productie. Terwijl ze een inleiding krijgen tot deze concepten, zijn studenten actief in staat om problemen op te lossen, samen te werken, creatief te zijn en veerkracht op te bouwen. Dit zijn allemaal belangrijke vaardigheden in elke omgeving en passen bij de vaardigheden van de 21e eeuw van vandaag.

“Kennis is van vitaal belang geworden in de 21e eeuw en mensen moeten dergelijke vaardigheden verwerven om de arbeidsmarkt te betreden, de zogenaamde 21e-eeuwse vaardigheden. Over het algemeen omvatten 21e-eeuwse vaardigheden 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. Door dit te doen, laat dit document zien dat de VEX V5 Workcell een allesomvattende oplossing biedt om studenten kennis te laten maken met industriële robotica in een educatieve omgeving die kosteneffectief is, de programmeerdrempel verlaagt en zich richt op grote ideeën die studenten helpen ontwikkelen belangrijke vaardigheden.