Célula de trabalho VEX V5: modelo de braço robótico industrial para educação STEM

Abstrato

A robótica industrial é usada em quase todas as indústrias manufatureiras e emprega milhares de trabalhadores. No entanto, devido ao seu uso generalizado em todo o mundo, a introdução da robótica industrial num ambiente educacional é difícil de realizar e limitada na prática. Este artigo descreve as barreiras para a introdução da robótica industrial em um ambiente educacional e apresenta a solução usando um braço robótico denominado VEX V5 Workcell. A célula de trabalho VEX V5 foi desenvolvida para melhorar a acessibilidade da robótica industrial para estudantes do ensino médio e técnico. As questões de acessibilidade na introdução da robótica industrial num ambiente educacional são uma combinação de restrições de tamanho, preocupações de segurança, alto custo e experiência limitada em programação. O hardware e software criados pela VEX Robotics proporcionam aos alunos a oportunidade de desenvolver habilidades técnicas e de resolução de problemas através da construção e programação de uma célula de trabalho de fabricação simulada com um robô de cinco eixos.

Palavras-chave:

ensino de robótica industrial; TRONCO; Pitão; C++, codificação baseada em blocos; Robótica VEX; braço robótico; robótica educacional

EU. Introdução

O uso da robótica na educação tornou-se uma experiência de aprendizagem interdisciplinar, prática e autêntica para alunos de todas as idades.12 O envolvimento com a robótica na educação pode despertar o interesse dos alunos mais jovens pelas ciências, bem como proporcionar-lhes a experiência e o meio para aprenderem competências importantes, como o pensamento lógico, a sequenciação e a resolução de problemas. À medida que os alunos progridem em sua carreira educacional com robótica, eles podem desenvolver as habilidades fundamentais de resolução de problemas e pensamento lógico para estudar conceitos mais complexos de engenharia e ciência da computação que dão vida à física abstrata e aos conceitos matemáticos.12

“Construir robôs é uma escolha de projeto popular para a implementação de aprendizagem baseada em problemas (PBL) em salas de aula. A razão pela qual é uma escolha tão popular pode ser explicada pela natureza multidisciplinar do tema: a robótica requer muitas competências científicas, técnicas e tecnológicas diferentes, tais como física, electrónica, matemática e programação. É uma disciplina ideal porque muitos cursos diferentes podem estar vinculados a ela. Além disso, os próprios robôs capturam a imaginação de crianças e adolescentes, proporcionando inspiração e motivação”.13

Com a tecnologia em constante evolução e a programação a tornar-se uma competência desejável, as instituições de ensino pretendem preparar os seus alunos para o mercado de trabalho, apresentando-os à robótica industrial e à produção. Robôs industriais e braços robóticos são máquinas programáveis ​​projetadas para executar uma tarefa ou função específica.1

“Os sistemas robóticos são geralmente usados ​​para realizar tarefas inseguras, perigosas e até repetitivas do operador. Eles possuem diversas funções, como movimentação de materiais, montagem, soldagem, carga e descarga de uma máquina ou ferramenta, além de funcionalidades como: pintura, pulverização, etc. A maioria dos robôs é configurada para operação ensinando técnica e repetição”.1

A pesquisa mostra que os alunos têm atitudes e experiências positivas ao usar robôs na sala de aula.16 No entanto, apesar das atitudes positivas dos estudantes, existem barreiras que restringem o uso da robótica industrial num ambiente educacional: uma combinação de restrições de tamanho, preocupações de segurança, alto custo e experiência limitada de programação. Este artigo discutirá como a célula de trabalho VEX V5 é uma solução para a introdução da robótica industrial em um ambiente educacional.

II. Modelos robóticos novos e acessíveis (hardware):

À medida que a tecnologia avança, mais e mais estudantes estão se interessando pela robótica como carreira. A robótica pode despertar o interesse dos alunos nas áreas de ciências e matemática, bem como dar aos alunos a oportunidade de praticar a resolução de problemas e o pensamento lógico.12 As habilidades desenvolvidas no trabalho com robótica educacional, como resolução de problemas e pensamento lógico, também podem ser aplicadas e são fundamentais na carreira de robótica industrial e manufatura. Para atender à necessidade e demanda de especialistas na área de robótica que adquiriram habilidades de codificação, resolução de problemas e pensamento lógico, as instruções educacionais desejam introduzir a robótica industrial em suas salas de aula.17 No entanto, existem limitações para trazer robôs industriais para um ambiente educacional para preparar esses alunos para terem sucesso em uma carreira de manufatura. É caro não apenas comprar, mas também manter um braço robótico funcional. Este custo pode limitar o número de robôs com os quais os alunos podem interagir e, consequentemente, limitar a quantidade de envolvimento prático independente dos alunos.11 Braços robóticos de tamanho industrial também requerem muito espaço e sempre há um risco de segurança ao trabalhar com robôs industriais. Alunos inexperientes podem acidentalmente causar danos a si mesmos, ao equipamento ou a outras pessoas.11 Devido a esses fatores, as instituições educacionais estão recorrendo a modelos de robôs industriais menores, mais seguros e mais econômicos.

“Embora o manuseio de robôs grandes exija supervisão constante e seja feito em células robóticas dedicadas, muitas universidades estão agora optando por adquirir robôs adicionais do tamanho de desktops que permitem aos alunos trabalhar de forma independente. Como estas máquinas são programadas da mesma forma que os robôs maiores, os resultados podem ser imediatamente aplicados às máquinas grandes para aplicações em escala real”.2

A célula de trabalho VEX V5 é um modelo de robô industrial menor, mais seguro e mais econômico, que é pequeno o suficiente para ser colocado em uma mesa de sala de aula e com uma proporção recomendada de três alunos para um robô, permite aos alunos a oportunidade de envolvimento prático com o robô. A Workcell V5 é mais segura por ser de tamanho menor, além de ter a capacidade de programar um interruptor bumper que funciona como uma parada de emergência, se necessário.

A Workcell V5 também permite que os alunos participem de uma experiência de construção que de outra forma não seria possível. Os alunos que estão envolvidos com braços robóticos profissionais de tamanho industrial adquirem conhecimentos e habilidades valiosas para programá-los, mas podem não entender como eles se movem e operam porque não estiveram envolvidos no processo de construção. Estar envolvido no processo de construção não só dá aos alunos a oportunidade de fazer uma conexão mais forte entre o hardware e o software, mas também permite que os alunos adquiram um conhecimento mais básico de como o robô funciona fisicamente. Esta oportunidade pode dar aos alunos o conhecimento e a experiência de construção necessários para solucionar problemas de hardware de maneira mais eficaz.13 Incorporar a construção física de robôs na educação robótica industrial também dá aos alunos a oportunidade de dar vida a conceitos abstratos e equações de física, engenharia e matemática. Praticar esses conceitos STEM no contexto também permite que os alunos vejam como eles são aplicáveis ​​na indústria.

A maioria dos outros modelos de robôs industriais menores e mais econômicos vêm pré-montados e muitas vezes são construídos apenas para uma função. Uma vantagem do hardware V5 Workcell é que os alunos não estão limitados à construção de um robô. Os alunos constroem a célula de trabalho V5 com peças do sistema VEX Robotics V5, que possui inúmeras construções diferentes, incluindo a função básica do braço do robô (mostrada na Figura 1), alterando o EOAT (ferramentas de fim de braço) e adicionando vários transportadores e sensores (mostrados na Figura 2). Isso dá aos alunos experiência não apenas na construção do braço do robô em si, mas na totalidade de um modelo de célula de trabalho de fabricação de pequeno porte. Isso permite que os alunos se envolvam em um processo de construção que destaca conceitos matemáticos e de engenharia que os alunos não seriam capazes de experimentar sem construir. Isso também permite que os alunos entendam como a Workcell V5 opera no nível físico, o que também se transfere para a programação. Isso torna o V5 Workcell uma ferramenta pedagógica que não apenas apresenta aos alunos a robótica industrial e conceitos de programação, mas também os apresenta à construção, engenharia e conceitos matemáticos, como o sistema de coordenadas cartesianas e a operação de um robô no espaço 3D.

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Figura 1: The Lab 1 Build (o braço robótico)

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Figura 2: O Lab 11 Build (o braço robótico, bem como os transportadores e sensores)

As diferentes construções são fornecidas em instruções de construção que orientam o aluno na construção passo a passo (mostradas na Figura 3). Isso torna a construção da Workcell V5 acessível para estudantes que podem não ter nenhuma experiência em construção em geral, construção com metal ou uso de ferramentas.

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Figura 3: Uma etapa das Instruções de construção do Laboratório 4

A célula de trabalho VEX V5 oferece às instituições educacionais uma opção de modelo de robô industrial menor, mais segura e mais econômica, que não só é versátil em suas capacidades de construção, mas também fornece aos alunos uma experiência de aprendizagem mais independente e prática em comparação com robótica profissional de tamanho industrial. braços.

III. Programação de ensino (software):

Com o avanço da tecnologia a taxas exponenciais, muitos trabalhos manuais na produção industrial estão agora a ser complementados com automação.4 Isto pode complementar a mão-de-obra e até, em alguns casos, pode criar mais procura de mão-de-obra, mas também exige que os trabalhadores tenham um forte conhecimento de programação para operar, reparar e manter a automação.4 Programar é uma habilidade que pode levar anos para uma pessoa se tornar proficiente, e a maioria das linguagens de programação usadas na indústria são complexas e projetadas para serem usadas por engenheiros profissionais.3 Isso significa que os programas necessários para que o robô execute até mesmo as tarefas mais simples exigem a contratação de um especialista em programação.3

“Por exemplo, programar manualmente um sistema robótico de soldagem por arco para a fabricação de um casco de veículo grande leva mais de oito meses, enquanto o tempo de ciclo do processo de soldagem em si é de apenas dezesseis horas. Neste caso, o tempo de programação é aproximadamente 360 ​​vezes o tempo de execução”.9

Este nível de conhecimento em programação limita o acesso de estudantes e educadores que desejam aprender sobre os fundamentos da programação da robótica industrial, mas têm pouca ou nenhuma experiência em programação.

“A programação de robôs é demorada, complexa, propensa a erros e requer conhecimento tanto da tarefa quanto da plataforma. Na robótica industrial, existem inúmeras linguagens e ferramentas de programação específicas de fornecedores, que exigem certa proficiência. No entanto, para aumentar o nível de automação na indústria, bem como para alargar a utilização de robôs noutros domínios, como a robótica de serviços e a gestão de desastres, tem de ser possível que não especialistas instruam os robôs”.10

Aprender a programar como iniciante em qualquer idade é um desafio.8 Aprender como entender o fluxo do projeto além de aprender a sintaxe pode não apenas ser opressor, mas também desanimador e até mesmo assustador.5 Para que estudantes e educadores ganhem experiência com robótica industrial, a complexidade da codificação destes robôs precisa ser reduzida para que programadores novatos possam participar. Isso pode ser feito simplificando a linguagem de programação das linguagens tradicionais baseadas em texto. A simplificação de uma linguagem de programação tem tido sucesso na introdução e no ensino de crianças pequenas como programar em diferentes áreas, incluindo a educação.3 Devido a este sucesso, uma linguagem de programação simplificada pode ser usada para ensinar aos indivíduos os fundamentos da programação de robôs industriais e permitir-lhes-ia desenvolver as competências fundamentais que poderão utilizar mais tarde para terem sucesso na indústria.3

A célula de trabalho VEX V5 permite que os alunos programem um modelo de braço robótico industrial usando VEXcode V5, uma linguagem baseada em blocos alimentada por blocos Scratch.18 (scratch.mit.edu) O aluno é capaz de programar com VEXcode V5, uma linguagem de programação simplificada. Os alunos podem construir um projeto para manipular a célula de trabalho com sucesso e também compreender o propósito e o fluxo do projeto em um nível mais profundo. Estudos mostraram que novatos sem experiência anterior em programação podem escrever programas baseados em blocos com sucesso para realizar tarefas básicas de robótica industrial.3

Estudos também mostraram que os alunos relatam que a natureza de uma linguagem de programação baseada em blocos, como o VEXcode V5, é fácil devido à descrição dos blocos em linguagem natural, ao método de arrastar e soltar para interagir com os blocos e à facilidade de lendo o projeto.6 O VEXcode V5 também aborda pontos de preocupação para uma linguagem de programação baseada em blocos em comparação com a abordagem mais convencional baseada em texto. Algumas das desvantagens identificadas são a percepção de falta de autenticidade e de ser menos poderoso.6 O VEXcode V5 aborda tanto a falta percebida de autenticidade quanto a aparência menos poderosa, incorporando uma ferramenta conhecida como 'visualizador de código'. O visualizador de código permite que um aluno crie um projeto de blocos e, em seguida, visualize o mesmo projeto em formato de texto em C++ ou Python. Essa conversão permite que os alunos cresçam além das restrições de uma linguagem baseada em blocos e também fornece a eles as ferramentas de estrutura necessárias para ter sucesso para preencher a lacuna na sintaxe dos blocos para o texto. VEXcode V5 usa convenções de nomenclatura semelhantes para blocos e comandos, para facilitar a transição de blocos para texto.

Um estudo feito por Weintrop e Wilensky7 para comparar a programação baseada em blocos e a programação baseada em texto em salas de aula de Ciência da Computação do ensino médio descobriu que os alunos que usam a linguagem baseada em blocos apresentaram maiores ganhos em seu aprendizado e um maior nível de interesse na computação futura. cursos. Os alunos que utilizam a linguagem baseada em texto consideraram a sua experiência de programação mais semelhante à que os programadores fazem na indústria e mais eficaz na melhoria das suas competências de programação. O VEXcode V5 oferece aos programadores novatos o melhor dos dois mundos, permitindo-lhes primeiro construir uma base sólida de conceitos de programação que eles podem usar ao fazer a transição para C++ ou Python, ambas linguagens baseadas em texto suportadas no VEXcode V5.

VEXcode V5 é uma linguagem de programação baseada em blocos acessível e gratuita para um modelo de robô industrial para uso em ambientes educacionais, o que torna a programação de robôs mais acessível a estudantes e educadores que de outra forma não seriam capazes de utilizá-los. Os ambientes de trabalho de manufatura estão mudando consistentemente com a tecnologia, e linguagens de programação baseadas em blocos, como o VEXcode V5, podem ser capazes de fornecer melhor aos alunos que desejam ser futuros trabalhadores de manufatura as habilidades e o conhecimento básico de programação de que precisam para ter sucesso em empregos industriais e de manufatura.3

4. Grandes ideias

Uma das maiores vantagens do V5 Workcell é que os alunos têm a oportunidade de aprender e se concentrar em conceitos mais amplos e princípios básicos que são fundamentais não apenas para a programação, mas também para a engenharia e o campo profissional da robótica industrial. Concentrar-se em alguns conceitos maiores que podem ser aplicados em diferentes ambientes e situações dá aos alunos a oportunidade de obter uma compreensão mais aprofundada e uma experiência de aprendizagem mais profunda dessas habilidades e tópicos. Halpern e Hackel sugerem que “uma ênfase na compreensão profunda dos princípios básicos constitui muitas vezes um melhor design instrucional do que uma cobertura mais enciclopédica de uma ampla gama de tópicos”.14

Os alunos investigarão diferentes conceitos, como:

  • Construindo com metal e eletrônicos
  • O sistema de coordenadas cartesianas
  • Como um braço robótico se move no espaço 3D
  • Reutilização de código
  • Variáveis
  • Listas 2D
  • Feedback do sensor para automação
  • Sistemas de transporte e muito mais.

Os alunos obterão conhecimento básico desses conceitos que podem ser transferidos e aplicados posteriormente em uma ampla variedade de campos, como matemática, programação, engenharia e manufatura. Ao obterem uma introdução a esses conceitos, os alunos são ativamente capazes de resolver problemas, colaborar, ser criativos e desenvolver resiliência. Todas elas são habilidades importantes em qualquer ambiente e estão ligadas às habilidades do século XXI de hoje.

“O conhecimento tornou-se vital no século XXI e as pessoas precisam de adquirir essas competências para ingressar no mercado de trabalho, chamadas competências do século XXI. Em geral, as competências do século XXI incluem colaboração, comunicação, literacia digital, cidadania, resolução de problemas, pensamento crítico, criatividade e produtividade. Estas competências são rotuladas como competências do século XXI para indicar que estão mais relacionadas com os actuais desenvolvimentos económicos e sociais do que com os do século passado caracterizado como um modo de produção industrial”.15


V. Conclusões

O objetivo deste artigo é apresentar as vantagens da célula de trabalho VEX V5 em um ambiente educacional para introdução da robótica industrial. Ao fazer isso, este artigo mostra que a célula de trabalho VEX V5 fornece uma solução abrangente para apresentar aos alunos a robótica industrial em um ambiente educacional que é econômico, reduz a barreira de entrada na programação e se concentra em grandes ideias que ajudam os alunos a desenvolver habilidades importantes.


1 Rivas, D., Alvarez, M., Velasco, P., Mamarandi, J., Carrillo-Medina, JL, Bautista, V., ... & Huerta, M. (2015, fevereiro). BRACON: Sistema de controle para braço robótico com 6 graus de liberdade para sistemas educacionais. Em 2015, 6ª Conferência Internacional sobre Automação, Robótica e Aplicações (ICARA) (pp. 358-363). IEEE.

2 Brell-Çokcan, S., & Braumann, J. (2013, julho). Robôs industriais para educação em design: robôs como interfaces abertas além da fabricação. Na Conferência Internacional sobre Futuros de Projetos de Arquitetura Auxiliados por Computador (pp. 109-117). Springer, Berlim, Heidelberg.

3 Weintrop, D., Shepherd, DC, Francis, P., & Franklin, D. (2017, outubro). Blockly começa a funcionar: programação baseada em blocos para robôs industriais. Em 2017, Workshop IEEE Blocks and Beyond (B&B) (pp. 29-36). IEEE.

4 David, HJJOEP (2015). Por que ainda existem tantos empregos? A história e o futuro da automação do local de trabalho. Jornal de perspectivas econômicas, 29(3), 3-30.

5 Kelleher, C., & Pausch, R. (2005). Reduzindo as barreiras à programação: uma taxonomia de ambientes e linguagens de programação para programadores novatos. Pesquisas de Computação ACM (CSUR), 37(2), 83-137.

6 Weintrop, D., & Wilensky, U. (2015, junho). Bloquear ou não bloquear, eis a questão: percepções dos alunos sobre a programação baseada em blocos. Em Anais da 14ª conferência internacional sobre design de interação e crianças (pp. 199-208).

7 Weintrop, D., & Wilensky, U. (2017). Comparando a programação baseada em blocos e a programação baseada em texto em salas de aula de ciência da computação do ensino médio. Transações ACM em Educação em Computação (TOCE), 18(1), 1-25.

8 Grover, S., Pea, R., & Cooper, S. (2015). Projetando para um aprendizado mais profundo em um curso misto de ciência da computação para alunos do ensino médio. Educação em ciência da computação, 25(2), 199-237.

9 Pan, Z., Polden, J., Larkin, N., Van Duin, S., & Norrish, J. (2012). Progressos recentes em métodos de programação para robôs industriais. Robótica e Fabricação Integrada por Computador, 28(2), 87-94.

10 Stenmark, M., & Nugues, P. (2013, outubro). Programação em linguagem natural de robôs industriais. No IEEE ISR 2013 (págs. 1-5). IEEE.

11 Román-Ibáñez, V., Pujol-López, FA, Mora-Mora, H., Pertegal-Felices, ML, & Jimeno-Morenilla, A. (2018). Um sistema de realidade virtual imersiva de baixo custo para o ensino de programação de manipuladores robóticos. Sustentabilidade, 10(4), 1102.

12 Raposa, HW (2007). Usando robótica na sala de aula de tecnologia de engenharia. A interface tecnológica.

13 Vandevelde, C., Saldien, J., Ciocci, MC, & Vanderborght, B. (2013). Visão geral das tecnologias para construção de robôs em sala de aula. Na Conferência Internacional sobre Robótica na Educação (pp. 122-130).

14 Halpern, DF, & Hakel, MD (2003). Aplicando a ciência da aprendizagem na universidade e fora dela: Ensino para retenção e transferência de longo prazo. Mudança: A Revista de Ensino Superior, 35(4), 36-41.

15 van Laar, Ester, et al. “A relação entre as competências do século XXI e as competências digitais: uma revisão sistemática da literatura.” Computadores no Comportamento Humano, vol. 72, Elsevier Ltd, 2017, pp.

16 Chen, Y., & Chang, CC (2018). O impacto de um curso STEM de robótica integrado com tema de veleiro nas percepções de alunos do ensino médio sobre STEM integrativo, interesse e orientação profissional. Eurásia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 14(12). https://doi.org/10.29333/ejmste/94314

17 Sergeyev, A., & Alaraje, N. (2010). Promovendo a educação em robótica: currículo e desenvolvimento de laboratório de robótica de última geração. O Diário de Interface de Tecnologia, 10(3). http://www.engr.nmsu.edu/~etti/Spring10/Spring10/014.pdf

18 Resnick, M., Maloney, J., Monroy-Hernández, A., Rusk, N., Eastmond, E., Brennan, K., ... & Kafai, Y. (2009). Scratch: programação para todos. Comunicações da ACM, 52(11), 60-67.

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