Abstrakcyjny
Robotyka przemysłowa jest stosowana w niemal wszystkich gałęziach przemysłu produkcyjnego i zatrudnia tysiące pracowników. Jednak ze względu na szerokie zastosowanie na całym świecie wprowadzenie robotyki przemysłowej do placówek edukacyjnych jest trudne i ograniczone w praktyce. W artykule nakreślono bariery we wprowadzaniu robotyki przemysłowej w środowisku edukacyjnym i przedstawiono rozwiązanie wykorzystujące ramię robota zwane komórką roboczą VEX V5. Komórka robocza VEX V5 została opracowana w celu poprawy dostępności robotyki przemysłowej dla uczniów szkół średnich i kierunków technicznych. Problemy z dostępnością związane z wprowadzaniem robotyki przemysłowej do placówek edukacyjnych wynikają z połączenia ograniczeń dotyczących rozmiaru, względów bezpieczeństwa, wysokich kosztów i ograniczonego doświadczenia w programowaniu. Sprzęt i oprogramowanie stworzone przez VEX Robotics zapewniają studentom możliwość rozwijania umiejętności technicznych i rozwiązywania problemów poprzez budowanie i programowanie symulowanej komórki produkcyjnej z robotem pięcioosiowym.
Słowa kluczowe:
nauczanie robotyki przemysłowej; TRZON; Pyton; C++, kodowanie blokowe; Robotyka VEX; ramię robota; robotyka edukacyjna
I. Wstęp
Zastosowanie robotyki w edukacji stało się interdyscyplinarnym, praktycznym i autentycznym doświadczeniem edukacyjnym dla uczniów w każdym wieku.12 Zaangażowanie robotyki w edukacji może wzbudzić zainteresowanie młodszych uczniów naukami ścisłymi, a także zapewnić im doświadczenie i środki do nauki ważnych umiejętności, takich jak logiczne myślenie, sekwencjonowanie i rozwiązywanie problemów. W miarę postępów w karierze edukacyjnej związanej z robotyką uczniowie mogą wykorzystywać podstawowe umiejętności rozwiązywania problemów i logicznego myślenia, aby studiować bardziej złożone koncepcje inżynieryjne i informatyczne, które ożywiają abstrakcyjne koncepcje fizyczne i matematyczne.12
„Budowanie robotów to popularny projekt wybierany w przypadku wdrażania nauczania opartego na problemach (PBL) w klasach. Powód, dla którego jest to tak popularny wybór, można wytłumaczyć multidyscyplinarnym charakterem tematu: robotyka wymaga wielu różnych umiejętności naukowych, technicznych i technologicznych, takich jak fizyka, elektronika, matematyka i programowanie. Jest to idealny przedmiot, ponieważ można z nim powiązać wiele różnych kursów. Dodatkowo same roboty oddziałują na wyobraźnię dzieci i młodzieży, dostarczając inspiracji i motywacji”.13
Ponieważ technologia stale się rozwija, a programowanie staje się pożądaną umiejętnością, instytucje edukacyjne chcą przygotować swoich uczniów do pracy, zapoznając ich z robotyką przemysłową i produkcją. Roboty przemysłowe i ramiona robotyczne to programowalne maszyny zaprojektowane do wykonywania określonego zadania lub funkcji.1
„Systemy robotyczne są powszechnie używane do wykonywania niebezpiecznych, niebezpiecznych, a nawet powtarzalnych zadań operatora. Mają wiele różnych funkcji, takich jak przenoszenie materiałów, montaż, spawanie, załadunek i rozładunek maszyny lub narzędzia oraz funkcje takie jak: malowanie, natryskiwanie itp. Większość robotów jest skonfigurowana do działania poprzez uczenie techniki i powtarzanie”.1
Badania pokazują, że uczniowie mają pozytywne nastawienie i doświadczenia dzięki korzystaniu z robotów w klasie.16 Jednakże pomimo pozytywnego nastawienia uczniów, istnieją bariery ograniczające wykorzystanie robotyki przemysłowej w środowisku edukacyjnym: połączenie ograniczeń dotyczących rozmiaru, względów bezpieczeństwa, wysokich kosztów i ograniczonego doświadczenia w programowaniu. W artykule omówiono, w jaki sposób VEX V5 Workcell jest rozwiązaniem umożliwiającym wprowadzenie robotyki przemysłowej w środowisku edukacyjnym.
II. Nowe i niedrogie modele robotów (sprzęt):
Wraz z postępem technologii coraz więcej studentów interesuje się robotyką jako karierą. Robotyka może wzbudzić zainteresowanie uczniów przedmiotami ścisłymi i matematycznymi, a także dać im możliwość ćwiczenia rozwiązywania problemów i logicznego myślenia.12 Umiejętności nabyte podczas pracy z robotyką edukacyjną, takie jak rozwiązywanie problemów i logiczne myślenie, można również zastosować i stanowią one podstawę w karierze robotyki przemysłowej i produkcji. Aby sprostać potrzebom i wymaganiom specjalistów w dziedzinie robotyki, którzy nabyli umiejętności kodowania, rozwiązywania problemów i logicznego myślenia, placówki edukacyjne chcą wprowadzić robotykę przemysłową do swoich klas.17 Istnieją jednak ograniczenia we wprowadzaniu robotów przemysłowych do środowiska edukacyjnego w celu przygotowania tych uczniów do odniesienia sukcesu w karierze produkcyjnej. Kosztowny jest nie tylko zakup, ale także utrzymanie działającego ramienia robota. Koszt ten może ograniczyć liczbę robotów, z którymi uczniowie mogą wchodzić w interakcję, a w konsekwencji ograniczyć ilość niezależnego, praktycznego zaangażowania uczniów.11 Ramiona robotyczne wielkości przemysłowej również wymagają dużej ilości miejsca, a praca z robotami przemysłowymi zawsze wiąże się z ryzykiem. Niedoświadczeni uczniowie mogą przypadkowo zranić siebie, sprzęt lub inne osoby.11 Z powodu tych czynników instytucje edukacyjne zwracają się ku mniejszym, bezpieczniejszym i bardziej opłacalnym modelom robotów przemysłowych.
„Chociaż obsługa dużych robotów wymaga stałego nadzoru i musi być wykonywana w dedykowanych stanowiskach robotycznych, wiele uniwersytetów decyduje się obecnie na zakup dodatkowych robotów wielkości komputera stacjonarnego, które umożliwiają studentom niezależną pracę. Ponieważ maszyny te są programowane w taki sam sposób, jak większe roboty, wyniki można natychmiast zastosować w przypadku dużych maszyn w zastosowaniach na pełną skalę”.2
VEX V5 Workcell to mniejszy, bezpieczniejszy i tańszy model robota przemysłowego, który jest na tyle mały, że można go umieścić na biurku w klasie, a przy zalecanej proporcji trzech uczniów do jednego robota pozwala uczniom na bezpośrednią współpracę z robot. Workcell V5 jest bezpieczniejszy ze względu na mniejszy rozmiar oraz możliwość zaprogramowania wyłącznika zderzakowego, który w razie potrzeby pełni funkcję wyłącznika awaryjnego.
V5 Workcell pozwala także uczniom na zaangażowanie się w budowanie, które w innym przypadku nie byłoby możliwe. Studenci zajmujący się profesjonalnymi ramionami robotycznymi o rozmiarach przemysłowych zdobywają cenną wiedzę i umiejętności w zakresie ich programowania, ale mogą nie rozumieć, w jaki sposób się one poruszają i działają, ponieważ nie byli zaangażowani w proces budowy. Zaangażowanie w proces budowania nie tylko daje uczniom możliwość stworzenia silniejszego połączenia między sprzętem i oprogramowaniem, ale także pozwala im zdobyć bardziej podstawową wiedzę na temat fizycznego działania robota. Możliwość ta może zapewnić studentom wiedzę i doświadczenie potrzebne do skuteczniejszego rozwiązywania problemów ze sprzętem.13 Włączenie fizycznego budowania robotów do edukacji w zakresie robotyki przemysłowej daje także uczniom możliwość ożywienia abstrakcyjnych pojęć i równań z fizyki, inżynierii i matematyki. Ćwiczenie tych koncepcji STEM w kontekście pozwala także uczniom zobaczyć, jak można je zastosować w przemyśle.
Większość innych mniejszych i bardziej opłacalnych modeli robotów przemysłowych jest dostarczana w postaci wstępnie zmontowanej i często są budowane tylko do jednej funkcji. Zaletą sprzętu V5 Workcell jest to, że uczniowie nie są ograniczeni do jednej konstrukcji robota. Uczniowie budują komórkę roboczą V5 z części systemu VEX Robotics V5, który ma wiele różnych wersji, w tym podstawową funkcję ramienia robota (pokazaną na rysunku 1), zmianę EOAT (oprzyrządowanie na końcu ramienia) i dodanie wiele przenośników i czujników (pokazane na rysunku 2). Dzięki temu uczniowie mogą zdobyć doświadczenie nie tylko w budowaniu samego ramienia robota, ale także całego modelu gniazda produkcyjnego o niewielkich rozmiarach. Dzięki temu uczniowie mogą zaangażować się w proces budowania, który podkreśla koncepcje matematyczne i inżynieryjne, których uczniowie nie mogliby doświadczyć bez budowania. Pozwala to również uczniom zrozumieć, jak V5 Workcell działa na poziomie fizycznym, co przekłada się również na programowanie. To sprawia, że V5 Workcell jest narzędziem pedagogicznym, które nie tylko wprowadza uczniów w robotykę przemysłową i koncepcje programowania, ale także wprowadza ich w koncepcje budowlane, inżynieryjne i matematyczne, takie jak kartezjański układ współrzędnych i obsługa robota w przestrzeni 3D.
Rysunek 1: Budowa laboratorium 1 (ramię robota)
Rysunek 2: Budowa Laboratorium 11 (ramię robota oraz przenośniki i czujniki)
Różne konstrukcje są podane w instrukcjach budowania, które prowadzą ucznia przez proces budowania krok po kroku (pokazany na rysunku 3). Dzięki temu budowanie V5 Workcell jest dostępne dla uczniów, którzy mogą nie mieć żadnego doświadczenia w budowaniu, budowaniu z metalu lub używaniu narzędzi.
Rysunek 3: Krok z laboratorium 4 Instrukcje budowania
VEX V5 Workcell zapewnia instytucjom edukacyjnym mniejszy, bezpieczniejszy i bardziej opłacalny model robota przemysłowego, który jest nie tylko wszechstronny pod względem możliwości budowania, ale zapewnia uczniom bardziej niezależną, praktyczną naukę w porównaniu z profesjonalnym robotem przemysłowym ramiona.
III. Nauczanie programowania (oprogramowanie):
Wraz z postępem technologii w tempie wykładniczym, wiele stanowisk pracy fizycznej w produkcji przemysłowej jest obecnie uzupełnianych automatyzacją.4 Może to uzupełniać siłę roboczą, a nawet w niektórych przypadkach może powodować większe zapotrzebowanie na siłę roboczą, ale wymaga również od pracowników posiadania dużej wiedzy z zakresu programowania w celu obsługi, naprawy i konserwacji automatyki.4 Programowanie to umiejętność, której osiągnięcie biegłości może zająć lata, a większość języków programowania używanych w przemyśle jest złożona i zaprojektowana z myślą o profesjonalnych inżynierach.3 Oznacza to, że programy niezbędne do wykonywania przez robota nawet najprostszych zadań wymagają zatrudnienia programisty.3
„Na przykład ręczne programowanie zrobotyzowanego systemu spawania łukowego do produkcji dużych kadłubów pojazdów zajmuje ponad osiem miesięcy, podczas gdy czas cyklu samego procesu spawania wynosi tylko szesnaście godzin. W tym przypadku czas programowania jest około 360 razy dłuższy od czasu wykonania”.9
Ten poziom wiedzy programistycznej ogranicza dostęp dla studentów i nauczycieli, którzy chcą poznać podstawy programowania robotyki przemysłowej, ale nie mają żadnego doświadczenia w programowaniu.
„Programowanie robotów jest czasochłonne, złożone, podatne na błędy i wymaga wiedzy specjalistycznej zarówno w zakresie zadania, jak i platformy. W robotyce przemysłowej istnieje wiele języków programowania i narzędzi specyficznych dla dostawców, które wymagają pewnej biegłości. Aby jednak zwiększyć poziom automatyzacji w przemyśle, a także rozszerzyć zastosowanie robotów w innych dziedzinach, takich jak robotyka usługowa i zarządzanie katastrofami, musi istnieć możliwość szkolenia robotów przez osoby niebędące ekspertami”.10
Nauka programowania jako nowicjusz w każdym wieku jest wyzwaniem.8 Nauka rozumienia przebiegu projektu oprócz nauki składni może być nie tylko przytłaczająca, ale także zniechęcająca, a nawet wręcz przerażająca.5 Aby uczniowie i nauczyciele mogli zdobyć doświadczenie w robotyce przemysłowej, należy zmniejszyć złożoność kodowania tych robotów, aby umożliwić udział początkującym programistom. Można tego dokonać poprzez uproszczenie języka programowania z tradycyjnych języków tekstowych. Uproszczenie języka programowania okazało się skuteczne we wprowadzaniu i nauczaniu małych dzieci programowania w różnych obszarach, w tym w edukacji.3 Dzięki temu sukcesowi uproszczony język programowania może zostać wykorzystany do nauczenia poszczególnych osób podstaw programowania robotów przemysłowych i umożliwienia im zbudowania podstawowych umiejętności, które będą później mogli wykorzystać, aby odnieść sukces w przemyśle.3
VEX V5 Workcell umożliwia studentom programowanie modelu przemysłowego ramienia robota przy użyciu VEXcode V5, języka blokowego obsługiwanego przez bloki Scratch.18 (scratch.mit.edu) Student potrafi programować w uproszczonym języku programowania VEXcode V5. Uczniowie mogą zbudować projekt, aby skutecznie manipulować Workcell, a także zrozumieć cel i przebieg projektu na głębszym poziomie. Badania wykazały, że nowicjusze bez wcześniejszego doświadczenia w programowaniu mogą z powodzeniem pisać programy blokowe, aby realizować podstawowe zadania robotyki przemysłowej.3
Badania wykazały również, że uczniowie zgłaszają, że język programowania oparty na blokach, taki jak VEXcode V5, jest łatwy ze względu na opis bloków w języku naturalnym, metodę interakcji z blokami metodą „przeciągnij i upuść” oraz łatwość przeczytanie projektu.6 VEXcode V5 porusza także kwestie budzące wątpliwości w przypadku języka programowania blokowego w porównaniu z bardziej konwencjonalnym podejściem tekstowym. Niektóre ze zidentyfikowanych wad to postrzegany brak autentyczności i mniejsza moc.6 VEXcode V5 rozwiązuje problem zarówno postrzeganego braku autentyczności, jak i pozoru słabszej wydajności, włączając narzędzie znane jako „przeglądarka kodów”. Przeglądarka kodu umożliwia uczniowi utworzenie projektu blokowego, a następnie przeglądanie tego samego projektu w formie tekstowej w języku C++ lub Python. Ta konwersja pozwala uczniom wyjść poza ograniczenia języka opartego na blokach, a także zapewnia im narzędzia do tworzenia rusztowań, których potrzebują, aby skutecznie wypełnić lukę w składni bloków i tekstu. VEXcode V5 wykorzystuje podobne konwencje nazewnictwa bloków i poleceń, aby ułatwić przejście z bloków na tekst.
Badanie przeprowadzone przez Weintropa i Wilensky'ego7 w celu porównania programowania blokowego i tekstowego na lekcjach informatyki w szkołach średnich wykazało, że uczniowie używający języka blokowego wykazali większe postępy w nauce i wyższy poziom zainteresowania przyszłym przetwarzaniem kursy. Studenci korzystający z języka tekstowego postrzegali swoje doświadczenie w programowaniu jako bardziej podobne do tego, co programiści robią w przemyśle i skuteczniejsze w doskonaleniu swoich umiejętności programistycznych. VEXcode V5 zapewnia początkującym programistom to, co najlepsze z obu światów, umożliwiając im najpierw zbudowanie solidnych podstaw koncepcji programowania, z których będą mogli następnie skorzystać podczas przejścia do C++ lub Pythona, obu języków tekstowych obsługiwanych w VEXcode V5.
VEXcode V5 to dostępny i bezpłatny język programowania oparty na blokach, przeznaczony dla modelu robota przemysłowego do użytku w placówkach edukacyjnych, dzięki czemu programowanie robotów jest bardziej dostępne dla uczniów i nauczycieli, którzy w przeciwnym razie nie byliby w stanie z nich korzystać. Środowiska pracy w branży produkcyjnej stale zmieniają się wraz z technologią, a blokowe języki programowania, takie jak VEXcode V5, mogą lepiej zapewnić studentom, którzy aspirują do roli przyszłych pracowników produkcyjnych, umiejętności i podstawową wiedzę programistyczną, których potrzebują, aby odnieść sukces na stanowiskach produkcyjnych i przemysłowych.3
IV. Wielkie pomysły
Jedną z największych zalet V5 Workcell jest to, że studenci mają możliwość uczenia się i skupiania się na szerszych koncepcjach i podstawowych zasadach, które są podstawą nie tylko programowania, ale także inżynierii i dziedziny zawodowej robotyki przemysłowej. Skoncentrowanie się na kilku większych koncepcjach, które można zastosować w różnych ustawieniach i sytuacjach, daje uczniom możliwość uzyskania bardziej dogłębnego zrozumienia i głębszego doświadczenia w nauce tych umiejętności i tematów. Halpern i Hackel sugerują, że „nacisk na dogłębne zrozumienie podstawowych zasad często stanowi lepszy projekt nauczania niż bardziej encyklopedyczne omówienie szerokiego zakresu tematów”.14
Studenci będą badać różne koncepcje, takie jak:
- Budowanie z metalu i elektroniki
- Kartezjański układ współrzędnych
- Jak ramię robota porusza się w przestrzeni 3D
- Ponowne wykorzystanie kodu
- Zmienne
- Listy 2D
- Sygnał zwrotny czujnika dla automatyzacji
- Systemy przenośnikowe i wiele innych.
Studenci zdobędą podstawową wiedzę na temat tych koncepcji, którą można przenieść i zastosować później w wielu dziedzinach, takich jak matematyka, programowanie, inżynieria i produkcja. Zdobywając wprowadzenie do tych koncepcji, uczniowie mogą aktywnie rozwiązywać problemy, współpracować, wykazywać się kreatywnością i budować odporność. Wszystkie są ważnymi umiejętnościami w każdym środowisku i są powiązane z dzisiejszymi umiejętnościami XXI wieku.
„Wiedza stała się niezbędna w XXI wieku i ludzie muszą zdobyć takie umiejętności, aby wejść na rynek pracy, zwane umiejętnościami XXI wieku. Ogólnie rzecz biorąc, umiejętności XXI wieku obejmują współpracę, komunikację, umiejętność korzystania z technologii cyfrowych, obywatelstwo, rozwiązywanie problemów, krytyczne myślenie, kreatywność i produktywność. Umiejętności te nazywane są umiejętnościami XXI wieku, aby wskazać, że są one bardziej powiązane z bieżącym rozwojem gospodarczym i społecznym niż z umiejętnościami z poprzedniego stulecia, określanymi jako przemysłowy sposób produkcji”.15
V. Wnioski
Celem tego artykułu jest przedstawienie zalet komórki roboczej VEX V5 w środowisku edukacyjnym, mającym na celu wprowadzenie robotyki przemysłowej. W ten sposób niniejszy artykuł pokazuje, że VEX V5 Workcell zapewnia wszechstronne rozwiązanie umożliwiające zapoznanie uczniów z robotyką przemysłową w środowisku edukacyjnym, które jest opłacalne, obniża barierę wejścia w programowaniu i koncentruje się na wielkich pomysłach, które pomagają uczniom rozwijać się ważne umiejętności.