VEX V5 Workcell: модель промышленной роботизированной руки для STEM-образования

Абстрактный

Промышленная робототехника используется практически во всех отраслях обрабатывающей промышленности и в ней работают тысячи работников. Тем не менее, несмотря на широкое использование промышленной робототехники во всем мире, внедрение промышленной робототехники в образовательную среду затруднено и ограничено на практике. В этом документе описываются препятствия на пути внедрения промышленной робототехники в образовательных учреждениях и представлено решение с использованием роботизированной руки под названием VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell был разработан для повышения доступности промышленной робототехники для студентов средних и технических специальностей. Проблемы доступности при внедрении промышленной робототехники в образовательных учреждениях представляют собой сочетание ограничений по размеру, проблем безопасности, высокой стоимости и ограниченного опыта программирования. Аппаратное и программное обеспечение, созданное VEX Robotics, дает студентам возможность развивать технические навыки и навыки решения проблем путем создания и программирования моделируемой производственной линии с помощью пятиосного робота.

Ключевые слова:

обучение промышленной робототехнике; КОРЕНЬ; Питон; C++ — блочное кодирование; ВЕКС Робототехника; роботизированная рука; образовательная робототехника

Я. Введение

Использование робототехники в образовании стало междисциплинарным, практическим и аутентичным опытом обучения для учащихся всех возрастов.¹² Использование робототехники в образовании может пробудить интерес младших школьников к науке, а также дать им опыт и среду для изучения важных навыков, таких как логическое мышление, определение последовательности и решение проблем. По мере того, как учащиеся продвигаются в своей образовательной карьере в области робототехники, они могут развивать базовые навыки решения проблем и логического мышления для изучения более сложных концепций инженерии и информатики, которые воплощают в жизнь абстрактные физические и математические концепции.¹²

«Создание роботов — популярный проект для реализации проблемно-ориентированного обучения (PBL) в классах. Причину такого популярного выбора можно объяснить междисциплинарным характером темы: робототехника требует множества различных научных, технических и технологических навыков, таких как физика, электроника, математика и программирование. Это идеальный предмет, потому что с ним можно связать очень много разных курсов. Кроме того, роботы сами по себе захватывают воображение детей и подростков, вдохновляя и мотивируя их».¹³

Поскольку технологии постоянно развиваются, а программирование становится желательным навыком, образовательные учреждения хотят подготовить своих студентов к работе, знакомя их с промышленной робототехникой и производством. Промышленные роботы и роботы-манипуляторы — это программируемые машины, предназначенные для выполнения определенной задачи или функции.¹

«Робототехнические системы обычно используются для выполнения небезопасных, опасных и даже повторяющихся задач оператора. Они имеют множество различных функций, таких как погрузочно-разгрузочные работы, сборка, сварка, загрузка и разгрузка машины или инструмента, а также такие функции, как покраска, распыление и т. д. Большинство роботов настроены на работу путем обучения технике и повторения».¹

Исследования показывают, что у учащихся возникает положительное отношение и опыт использования роботов в классе.¹⁶ Однако, несмотря на положительное отношение студентов, существуют барьеры, ограничивающие использование промышленной робототехники в образовательных учреждениях: сочетание ограничений по размеру, соображения безопасности, высокая стоимость и ограниченный опыт программирования. В этой статье будет обсуждаться, как VEX V5 Workcell является решением для внедрения промышленной робототехники в образовательную среду.

II. Новые и доступные модели роботов (аппаратное обеспечение):

По мере развития технологий все больше и больше студентов начинают интересоваться робототехникой как профессией. Робототехника может пробудить у учащихся интерес к естественным наукам и математике, а также дать им возможность попрактиковаться в решении задач и логическом мышлении.¹² Навыки, полученные в результате работы с образовательной робототехникой, такие как решение проблем и логическое мышление, также могут быть применены и являются основополагающими в карьере промышленной робототехники и производства. Чтобы удовлетворить потребности и спрос специалистов в области робототехники, которые приобрели навыки кодирования, решения проблем и логического мышления, образовательные учреждения хотят внедрить промышленную робототехнику в своих классах.¹⁷ Однако существуют ограничения на использование промышленных роботов в образовательных учреждениях для подготовки этих студентов к успешной карьере на производстве. Не только покупка, но и содержание работающего робота-манипулятора обходится дорого. Эти затраты могут ограничить количество роботов, с которыми могут взаимодействовать учащиеся, и, следовательно, ограничить количество независимых практических занятий учащихся.¹¹ Роботизированные манипуляторы промышленного размера также требуют большого пространства, и при работе с промышленными роботами всегда существует риск безопасности. Неопытные студенты могут случайно нанести вред себе, оборудованию или другим людям.¹¹ Из-за этих факторов образовательные учреждения обращаются к меньшим, более безопасным и экономичным моделям промышленных роботов.

«Хотя работа с большими роботами требует постоянного контроля и должна выполняться в специальных роботизированных ячейках, многие университеты теперь предпочитают приобретать дополнительных роботов размером с настольный компьютер, которые позволяют студентам работать самостоятельно. Поскольку эти машины запрограммированы так же, как и более крупные роботы, результаты могут быть немедленно применены к большим машинам для полномасштабного применения».²

VEX V5 Workcell — это меньшая по размеру, более безопасная и более экономичная модель промышленного робота, которая достаточно мала, чтобы ее можно было разместить на парте в классе, и с рекомендуемым соотношением «три ученика к одному роботу», что дает учащимся возможность практического взаимодействия с робот. V5 Workcell более безопасен, поскольку имеет меньшие размеры, а также имеет возможность запрограммировать бамперный переключатель, который при необходимости выполняет функцию аварийной остановки.

V5 Workcell также позволяет студентам получить опыт сборки, который в противном случае был бы невозможен. Студенты, которые занимаются профессиональными роботизированными манипуляторами промышленного размера, получают ценные знания и навыки их программирования, но могут не понимать, как они двигаются и работают, поскольку не участвовали в процессе сборки. Участие в процессе сборки не только дает учащимся возможность установить более тесную связь между аппаратным и программным обеспечением, но также позволяет учащимся получить более фундаментальные знания о том, как физически работает робот. Эта возможность может дать студентам знания и опыт, необходимые им для более эффективного устранения неполадок оборудования, а также решения проблем.¹³ Включение физического построения роботов в обучение промышленной робототехнике также дает учащимся возможность воплотить в жизнь абстрактные концепции и уравнения физики, техники и математики. Практика этих концепций STEM в контексте также позволяет студентам увидеть, как они применимы в промышленности.

Большинство других, меньших по размеру и более экономичных моделей промышленных роботов поставляются предварительно собранными и часто предназначены только для выполнения одной функции. Преимущество оборудования V5 Workcell в том, что учащиеся не ограничены одной сборкой робота. Учащиеся собирают рабочую ячейку V5 из деталей системы VEX Robotics V5, которая имеет множество различных сборок, включая базовую функцию руки робота (показана на рисунке 1), изменение EOAT (инструмент на конце руки) и добавление несколько конвейеров и датчиков (показаны на рисунке 2). Это дает учащимся опыт не только создания самой руки робота, но и всей модели небольшого производственного цеха. Это позволяет учащимся участвовать в процессе сборки, в ходе которого раскрываются математические и инженерные концепции, которые учащиеся не смогли бы освоить без построения. Это также позволяет студентам понять, как V5 Workcell работает на физическом уровне, что также применимо и к программированию. Это делает V5 Workcell педагогическим инструментом, который не только знакомит студентов с концепциями промышленной робототехники и программирования, но также знакомит их со строительными, инженерными и математическими концепциями, такими как декартова система координат и управление роботом в трехмерном пространстве.

Различные сборки представлены в инструкциях по сборке, которые помогут учащемуся выполнить сборку шаг за шагом (показано на рис. 3). Это делает сборку V5 Workcell доступной для учащихся, у которых нет опыта строительства в целом, строительства из металла или использования инструментов.

Рис. 3. Шаг из лабораторной работы 4. Инструкции по сборке

VEX V5 Workcell предоставляет образовательным учреждениям меньший, более безопасный и экономически эффективный вариант модели промышленного робота, который не только универсален в своих возможностях сборки, но и предоставляет студентам более независимый практический опыт обучения по сравнению с профессиональными роботами промышленного размера. оружие.

III. Обучение программированию (программное обеспечение):

Поскольку технологии развиваются экспоненциальными темпами, многие виды ручного труда в промышленном производстве теперь дополняются автоматизацией.⁴ Это может дополнять рабочую силу и даже в некоторых случаях может создавать больший спрос на рабочую силу, но также требует от рабочих глубоких знаний программирования для эксплуатации, ремонта и обслуживания автоматизации.⁴ Программирование — это навык, на освоение которого у человека могут уйти годы, а большинство языков программирования, используемых в промышленности, сложны и предназначены для использования профессиональными инженерами.³ Это означает, что программы, необходимые для выполнения роботом даже самых простых задач, требуют найма специалиста по программированию.³

«Например, ручное программирование системы роботизированной дуговой сварки для изготовления корпуса крупного автомобиля занимает более восьми месяцев, тогда как продолжительность цикла самого сварочного процесса составляет всего шестнадцать часов. В этом случае время программирования примерно в 360 раз превышает время выполнения».⁹

Такой уровень знаний в области программирования ограничивает доступ для студентов и преподавателей, желающих изучить основы программирования промышленной робототехники, но практически не имеющих опыта программирования.

«Программирование роботов занимает много времени, является сложным, подверженным ошибкам и требует знания как задачи, так и платформы. В промышленной робототехнике существует множество языков программирования и инструментов, специфичных для конкретных поставщиков, которые требуют определенных навыков. Однако для повышения уровня автоматизации в промышленности, а также для расширения использования роботов в других областях, таких как сервисная робототехника и борьба со стихийными бедствиями, необходимо, чтобы неспециалисты могли инструктировать роботов».¹⁰

Научиться программировать новичку в любом возрасте непросто.⁸ Обучение тому, как понимать ход проекта помимо изучения синтаксиса, может быть не только непосильным, но и обескураживающим и даже откровенно пугающим.⁵ Чтобы студенты и преподаватели получили опыт работы с промышленной робототехникой, необходимо снизить сложность программирования этих роботов, чтобы в нем могли принять участие начинающие программисты. Этого можно добиться, упростив язык программирования по сравнению с традиционными текстовыми языками. Упрощение языка программирования помогло познакомить маленьких детей с программированием в различных областях, включая образование, и научить их этому.³ Благодаря этому успеху упрощенный язык программирования может использоваться для обучения людей основам программирования промышленных роботов и позволит им сформировать базовые навыки, которые они позже смогут использовать для достижения успеха в промышленности.³

VEX V5 Workcell позволяет учащимся программировать модель промышленной роботизированной руки с помощью VEXcode V5, блочного языка, основанного на блоках Scratch.¹⁸ (scratch.mit.edu) Учащийся умеет программировать на упрощенном языке программирования VEXcode V5. Студенты могут создать проект для успешного управления Workcell, а также понять цель и ход проекта на более глубоком уровне. Исследования показали, что новички, не имеющие предварительного опыта программирования, могут успешно писать блочные программы для выполнения основных задач промышленной робототехники.³

Исследования также показали, что студенты сообщают, что природа блочного языка программирования, такого как VEXcode V5, проста из-за описания блоков на естественном языке, метода перетаскивания для взаимодействия с блоками и простоты читаю проект.⁶ VEXcode V5 также решает проблемы, связанные с блочным языком программирования по сравнению с более традиционным текстовым подходом. Некоторые из выявленных недостатков — это ощущение отсутствия аутентичности и меньшая сила.⁶ VEXcode V5 устраняет как кажущуюся нехватку аутентичности, так и кажущуюся менее мощную версию, путем включения инструмента, известного как «просмотр кода». Средство просмотра кода позволяет учащемуся создать проект блоков, а затем просмотреть тот же проект в текстовой форме на C++ или Python. Это преобразование позволяет учащимся выйти за рамки ограничений блочного языка, а также предоставляет им инструменты, необходимые для достижения успеха и преодоления разрыва в синтаксисе блоков в текст. VEXcode V5 использует аналогичные соглашения об именах для блоков и команд, чтобы упростить переход от блоков к тексту.

Исследование, проведенное Вайнтропом и Виленски⁷ для сравнения блочного и текстового программирования в классах информатики средней школы, показало, что учащиеся, использующие блочный язык, показали большие успехи в обучении и более высокий уровень интереса к будущим вычислениям. курсы. Студенты, использующие текстовый язык, считали свой опыт программирования более похожим на то, чем занимаются программисты в промышленности, и более эффективным для улучшения своих навыков программирования. VEXcode V5 дает начинающим программистам лучшее из обоих миров, позволяя им сначала создать прочную основу концепций программирования, которую они затем смогут использовать при переходе на C++ или Python — оба текстовых языка, поддерживаемые в VEXcode V5.

VEXcode V5 — это доступный и бесплатный блочный язык программирования для модели промышленного робота, который будет использоваться в образовательных учреждениях, что делает программирование роботов более доступным для студентов и преподавателей, которые в противном случае не смогли бы их использовать. Рабочая среда производства постоянно меняется вместе с технологиями, и блочные языки программирования, такие как VEXcode V5, могут лучше предоставить студентам, которые стремятся стать будущими производственными работниками, навыки и базовые знания программирования, необходимые им для достижения успеха на производстве и в промышленности.³

IV. Большие идеи

Одним из самых больших преимуществ V5 Workcell является то, что студентам предоставляется возможность изучать и сосредоточиться на более крупных концепциях и базовых принципах, которые лежат в основе не только программирования, но также инженерного дела и профессиональной области промышленной робототехники. Сосредоточение внимания на нескольких более крупных концепциях, которые можно применять в различных условиях и ситуациях, дает учащимся возможность получить более глубокое понимание и более глубокий опыт изучения этих навыков и тем. Халперн и Хакель предполагают, что «акцент на глубоком понимании основных принципов часто представляет собой лучший дизайн обучения, чем более энциклопедическое освещение широкого круга тем».¹⁴

Студенты будут исследовать различные понятия, такие как:

• Здание из металла и электроники
• Декартова система координат
• Как роботизированная рука движется в 3D-пространстве
• Повторное использование кода
• Переменные
• 2D-списки
• Обратная связь с датчиком для автоматизации
• Конвейерные системы и многое другое.

Студенты получат фундаментальные знания об этих концепциях, которые впоследствии можно будет перенести и применить в широком спектре областей, таких как математика, программирование, инженерия и производство. Познакомившись с этими концепциями, учащиеся смогут активно решать проблемы, сотрудничать, проявлять творческий подход и повышать устойчивость. Все это важные навыки в любой среде и связаны с сегодняшними навыками 21 века.

«Знания стали жизненно важными в 21 веке, и людям необходимо приобретать такие навыки, чтобы войти в состав рабочей силы, называемые навыками 21 века. В целом, навыки XXI века включают сотрудничество, общение, цифровую грамотность, гражданственность, решение проблем, критическое мышление, креативность и продуктивность. Эти навыки названы навыками 21-го века, чтобы указать, что они больше связаны с текущим экономическим и социальным развитием, чем с навыками прошлого века, характеризовавшимися как индустриальный способ производства».¹⁵

В. Выводы

Цель данной статьи — представить преимущества VEX V5 Workcell в образовательных целях для ознакомления с промышленной робототехникой. При этом в данной статье показано, что VEX V5 Workcell представляет собой комплексное решение для ознакомления студентов с промышленной робототехникой в ​​образовательной среде, которое является экономически эффективным, снижает порог входа в программирование и фокусируется на больших идеях, которые помогают студентам разрабатывать важные навыки.

---