VEX V5 Workcell: Industriell robotarmsmodell för STEM-utbildning

Abstrakt

Industriell robotik används i nästan alla tillverkningsindustrier och sysselsätter tusentals arbetare. Trots dess utbredda användning över hela världen är det svårt och begränsat i praktiken att införa industriell robotik i en utbildningsmiljö. Denna artikel beskriver hindren för att introducera industriell robotik i en utbildningsmiljö och presenterar lösningen med hjälp av en robotarm som kallas VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell utvecklades för att förbättra tillgängligheten till industriell robotik för gymnasie- och tekniska elever. Tillgänglighetsproblemen vid introduktion av industriell robotik i en utbildningsmiljö är en kombination av storleksbegränsningar, säkerhetsproblem, höga kostnader och begränsad programmeringserfarenhet. Hårdvaran och mjukvaran som skapats av VEX Robotics ger studenterna möjlighet att utveckla tekniska färdigheter och problemlösningsfärdigheter genom att bygga och programmera en simulerad tillverkningsarbetscell med en femaxlig robot.

Nyckelord:

undervisning i industriell robotik; STEM; Python; C++, blockbaserad kodning; VEX Robotics; robotarm; pedagogisk robotik

Jag. Introduktion

Användningen av robotik i utbildningen har blivit en tvärvetenskaplig, praktisk och autentisk lärandeupplevelse för elever i alla åldrar.¹² Att använda robotik i utbildningen kan väcka yngre elevers intresse för naturvetenskap samt ge dem erfarenhet och verktyg för att lära sig viktiga färdigheter som logiskt tänkande, sekvensering och problemlösning. Allt eftersom eleverna utvecklas i sin utbildning inom robotik kan de bygga vidare på grundläggande färdigheter i problemlösning och logiskt tänkande för att studera mer komplexa tekniska och datavetenskapliga koncept som ger liv åt abstrakt fysik och matematiska koncept.¹²

”Att bygga robotar är ett populärt projektval för implementering av problembaserat lärande (PBL) i klassrum.” Anledningen till att det är ett så populärt val kan förklaras av ämnets tvärvetenskapliga natur: robotik kräver många olika vetenskapliga, tekniska och teknologiska färdigheter, såsom fysik, elektronik, matematik och programmering. Det är ett idealiskt ämne eftersom så många olika kurser kan kopplas till det. Dessutom fångar robotar själva barns och tonåringars fantasi och ger inspiration och motivation.”¹³

I takt med att tekniken ständigt utvecklas och programmering blir en önskvärd färdighet vill utbildningsinstitutioner förbereda sina studenter för arbetskraften genom att introducera dem till industriell robotik och tillverkning. Industrirobotar och robotarmar är programmerbara maskiner som är utformade för att utföra en specifik uppgift eller funktion.¹

"Robotsystem används generellt för att utföra osäkra, farliga och till och med repetitiva operatörsuppgifter." De har många olika funktioner, såsom materialhantering, montering, svetsning, lastning och lossning av en maskin eller ett verktyg, och funktioner som: målning, sprutning etc. De flesta robotar är konfigurerade för drift genom att lära ut teknik och repetition.¹

Forskning visar att elever har positiva attityder och erfarenheter av att använda robotar i klassrummet.¹⁶ Trots elevernas positiva attityder finns det hinder som begränsar användningen av industrirobotik i en utbildningsmiljö: en kombination av storleksbegränsningar, säkerhetsproblem, höga kostnader och begränsad programmeringserfarenhet. Denna artikel kommer att diskutera hur VEX V5 Workcell är en lösning för att introducera industriell robotik i en utbildningsmiljö.

II. Nya och prisvärda robotmodeller (hårdvara):

I takt med att tekniken utvecklas blir fler och fler studenter intresserade av robotik som yrke. Robotik kan väcka elevers intresse för naturvetenskapliga och matematiska områden, samt ge eleverna möjlighet att öva problemlösning och logiskt tänkande.¹² De färdigheter som utvecklas genom att arbeta med pedagogisk robotik, såsom problemlösning och logiskt tänkande, kan också tillämpas, och är grundläggande, inom industriell robotik och tillverkning. För att möta behovet och efterfrågan från specialister inom robotikområdet som har förvärvat färdigheter i kodning, problemlösning och logiskt tänkande, vill utbildningsinstitutioner introducera industrirobotik i sina klassrum.¹⁷ Det finns dock begränsningar med att introducera industrirobotar i en utbildningsmiljö för att förbereda dessa elever för att bli framgångsrika i en tillverkningskarriär. Det är kostsamt att inte bara köpa, utan också dyrt att underhålla en fungerande robotarm. Denna kostnad kan begränsa antalet robotar som eleverna kan interagera med och följaktligen mängden studenters självständiga praktiska engagemang.¹¹ Robotarmar av industriell storlek kräver också mycket utrymme, och det finns alltid en säkerhetsrisk när man arbetar med industrirobotar. Oerfarna studenter kan av misstag skada sig själva, utrustningen eller andra.¹¹ På grund av dessa faktorer vänder sig utbildningsinstitutioner till mindre, säkrare och mer kostnadseffektiva industrirobotmodeller.

”Medan hanteringen av stora robotar kräver ständig övervakning och måste utföras i dedikerade robotceller, väljer många universitet nu att köpa ytterligare robotar i skrivbordsstorlek som gör det möjligt för studenter att arbeta självständigt.” Eftersom dessa maskiner programmeras på sammasom de större robotarna kan^{omedelbart tillämpas på de stora maskinerna för fullskaliga tillämpningar.}

VEX V5 Workcell är en mindre, säkrare och mer kostnadseffektiv industrirobotmodell som är tillräckligt liten för att placeras på ett klassrumsbord och med ett rekommenderat förhållande på tre elever per robot ger den eleverna möjlighet att praktiskt engagera sig i roboten. V5 Workcell är säkrare genom att vara mindre i storlek, samt genom att ha möjlighet att programmera en stötfångarbrytare som fungerar som nödstopp vid behov.

V5 Workcell låter också eleverna delta i en byggupplevelse som annars inte skulle vara möjlig. Studenter som arbetar med professionella robotarmar i industriell storlek får värdefulla kunskaper och färdigheter i att programmera dem, men kanske inte förstår hur de rör sig och fungerar eftersom de inte var involverade i byggprocessen. Att vara involverad i byggprocessen ger inte bara eleverna möjlighet att skapa en starkare koppling mellan hårdvara och mjukvara, utan gör det också möjligt för dem att få mer grundläggande kunskaper om hur roboten fysiskt fungerar. Denna möjlighet kan ge eleverna den kunskap och byggerfarenhet de behöver för att felsöka hårdvaran mer effektivt samt lösa problem.¹³ Att införliva den fysiska konstruktionen av robotar i industriell robotikutbildning ger också eleverna möjlighet att levandegöra abstrakta begrepp och ekvationer inom fysik, teknik och matematik. Att öva dessa STEM-koncept i sitt sammanhang gör det också möjligt för eleverna att se hur de är tillämpliga inom industrin.

De flesta andra mindre och mer kostnadseffektiva industrirobotmodeller levereras förmonterade och är ofta bara byggda för en funktion. En fördel med V5 Workcell-hårdvaran är att eleverna inte är begränsade till en enda robotbygge. Studenterna bygger V5-arbetscellen av delar från VEX Robotics V5-system, som har många olika byggen, inklusive robotarmens grundläggande funktion (visas i figur 1), ändring av EOAT (ändverktyg) och tillägg av flera transportörer och sensorer (visas i figur 2). Detta ger eleverna erfarenhet av att inte bara bygga själva robotarmen, utan av helheten av en liten tillverkningsarbetscellsmodell. Detta gör det möjligt för eleverna att engagera sig i en byggprocess som belyser matematiska och tekniska koncept som eleverna inte skulle kunna uppleva utan att bygga. Detta gör det också möjligt för eleverna att förstå hur V5 Workcell fungerar på den fysiska nivån, vilket även överförs till programmering. Detta gör V5 Workcell till ett pedagogiskt verktyg som inte bara introducerar eleverna till industriell robotik och programmeringskoncept, utan också introducerar dem till bygg-, ingenjörs- och matematiska koncept som det kartesiska koordinatsystemet och att manövrera en robot i 3D-rymd.

De olika byggen finns i bygginstruktioner som vägleder eleven genom byggandet steg-för-steg (visas i figur 3). Detta gör byggandet av V5 Workcell tillgängligt för elever som kanske inte har någon erfarenhet av att bygga i allmänhet, bygga med metall eller använda verktyg.

Figur 3: Ett steg från bygginstruktionerna för Lab 4

VEX V5 Workcell ger utbildningsinstitutioner en mindre, säkrare och mer kostnadseffektiv industrirobotmodell som inte bara är mångsidig i sina byggmöjligheter, utan också ger studenterna en mer självständig och praktisk inlärningsupplevelse jämfört med professionella robotarmar i industriell storlek.

Tredje. Undervisning i programmering (programvara):

Med teknikutvecklingen som sker exponentiellt kompletteras nu många manuella arbetsuppgifter inom industriell tillverkning med automatisering.⁴ Detta kan komplettera arbetskraften, och i vissa fall kan det till och med skapa en ökad efterfrågan på arbetskraft, men kräver också att arbetarna har starka kunskaper i programmering för att kunna använda, reparera och underhålla automationen.⁴ Programmering är en färdighet som kan ta år för en person att bli skicklig, och de flesta programmeringsspråk som används inom industrin är komplexa och utformade för att användas av professionella ingenjörer.³ Detta innebär att de program som krävs för att roboten ska utföra även de enklaste uppgifterna kräver att man anlitar en programmeringsspecialist.³

”Till exempel tar det mer än åtta månader att manuellt programmera ett robotsvetssystem för tillverkning av ett stort fordonsskrov, medan cykeltiden för själva svetsprocessen bara är sexton timmar.” I detta fall är programmeringstiden ungefär 360 gånger exekveringstiden.”⁹

Denna nivå av programmeringsexpertis begränsar tillgången för studenter och lärare som vill lära sig om programmeringsgrunderna inom industriell robotik, men har liten eller ingen programmeringserfarenhet.

”Robotprogrammering är tidskrävande, komplext, felbenäget och kräver expertis både vad gäller uppgiften och plattformen.” Inom industriell robotik finns det ett flertal leverantörsspecifika programmeringsspråk och verktyg som kräver viss kunskap. För att öka automatiseringsnivån inom industrin, såväl som för att utöka användningen av robotar inom andra områden, såsom servicerobotik och katastrofhantering, måste det dock vara möjligt för icke-experter att instruera robotarna.¹⁰

Att lära sig programmera som nybörjare oavsett ålder är utmanande.⁸ Att lära sig förstå projektflöde utöver inlärningssyntax kan inte bara vara överväldigande, utan också avskräckande och till och med rentav skrämmande.⁵ För att elever och lärare ska kunna få erfarenhet av industriell robotik måste komplexiteten i att koda dessa robotar minskas så att nybörjarprogrammerare kan delta. Detta kan göras genom att förenkla programmeringsspråket från traditionella textbaserade språk. Att förenkla ett programmeringsspråk har varit framgångsrikt när det gäller att introducera och lära små barn hur man programmerar inom olika områden, inklusive utbildning.³ Tack vare denna framgång kan ett förenklat programmeringsspråk användas för att lära individer grunderna i programmering av industrirobotar, och det skulle göra det möjligt för dem att bygga upp de grundläggande färdigheter som de senare kan använda för att bli framgångsrika inom industrin.³

VEX V5 Workcell låter eleverna programmera en industriell robotarmsmodell med hjälp av VEXcode V5, ett blockbaserat språk som drivs av Scratch-block.¹⁸ (scratch.mit.edu) Studenten kan programmera med VEXcode V5, ett förenklat programmeringsspråk. Eleverna kan bygga ett projekt för att framgångsrikt manipulera arbetscellen och även förstå projektets syfte och flöde på en djupare nivå. Studier har visat att nybörjare utan tidigare programmeringserfarenhet framgångsrikt kan skriva blockbaserade program för att utföra grundläggande uppgifter inom industriell robotik.³

Studier har också visat att studenter rapporterar att ett blockbaserat programmeringsspråk, såsom VEXcode V5, är enkelt att använda på grund av beskrivningen av blocken på ett naturligt språk, dra-och-släpp-metoden för att interagera med blocken och hur enkelt det är att läsa projektet.⁶ VEXcode V5 tar också upp problem med ett blockbaserat programmeringsspråk jämfört med det mer konventionella textbaserade tillvägagångssättet. Några av de identifierade nackdelarna är en upplevd brist på autenticitet och att den är mindre kraftfull.⁶ VEXcode V5 åtgärdar både den upplevda bristen på autenticitet och att den verkar mindre kraftfull genom att införliva ett verktyg som kallas "kodvisare". Kodvisaren låter en student skapa ett blockprojekt och sedan visa samma projekt i textformat i antingen C++ eller Python. Denna konvertering gör det möjligt för eleverna att växa bortom begränsningen av ett blockbaserat språk och ger dem också de stödjande verktyg de behöver för att lyckas överbrygga klyftan i syntax från block till text. VEXcode V5 använder liknande namngivningskonventioner för block och kommandon för att göra övergången från block till text enklare.

En studie utförd av Weintrop och^{för att jämföra blockbaserad och textbaserad programmering i datavetenskapsklassrum på} fann att elever som använde det blockbaserade språket visade större framsteg i sitt lärande och ett högre intresse för framtida datakurser. Studenter som använde det textbaserade språket såg sin programmeringserfarenhet som mer lik den som programmerare gör i industrin och mer effektiva för att förbättra sina programmeringsfärdigheter. VEXcode V5 ger nybörjarprogrammerare det bästa av två världar genom att låta dem först bygga en stark grund av programmeringskoncept som de sedan kan använda vid övergången till C++ eller Python, båda textbaserade språk som stöds i VEXcode V5.

VEXcode V5 är ett lättillgängligt och gratis blockbaserat programmeringsspråk för en industrirobotmodell som ska användas i utbildningsmiljöer, vilket gör programmeringsrobotar mer tillgängliga för studenter och lärare som annars inte skulle kunna använda dem. Arbetsmiljöer inom tillverkning förändras ständigt med teknologin, och blockbaserade programmeringsspråk som VEXcode V5 kan kanske bättre ge studenter som strävar efter att bli framtida tillverkningsarbetare de färdigheter och grundläggande programmeringskunskaper de behöver för att lyckas inom tillverknings- och industrijobb.³

IV. Stora idéer

En av de största fördelarna med V5 Workcell är att eleverna får möjlighet att lära sig och fokusera på större koncept och grundläggande principer som är grundläggande inte bara för programmering, utan även för ingenjörskonst och det professionella området industriell robotik. Att fokusera på ett fåtal större koncept som kan tillämpas i olika miljöer och situationer ger eleverna möjlighet att få en djupare förståelse och inlärningsupplevelse av dessa färdigheter och ämnen. Halpern och Hackel menar att ”en betoning på djupgående förståelse av grundläggande principer ofta utgör en bättre undervisningsdesign än en mer encyklopedisk täckning av ett brett spektrum av ämnen”.¹⁴

Studenterna kommer att undersöka olika koncept som:

• Bygga med metall och elektronik
• Det kartesiska koordinatsystemet
• Hur en robotarm rör sig i 3D-rymden
• Återanvändning av kod
• Variabler
• 2D-listor
• Sensoråterkoppling för automatisering
• Transportbandssystem och många fler.

Studenterna kommer att få grundläggande kunskaper om dessa koncept som kan överföras och tillämpas senare inom en mängd olika områden som matematik, programmering, teknik och tillverkning. Medan eleverna får en introduktion till dessa koncept kan de aktivt lösa problem, samarbeta, vara kreativa och bygga upp motståndskraft. Alla dessa är viktiga färdigheter i alla miljöer och knyter an till dagens 2000-talsfärdigheter.

”Kunskap har blivit avgörande under 2000-talet och människor behöver förvärva sådana färdigheter för att komma in på arbetsmarknaden, så kallade 2000-talskompetenser.” I allmänhet inkluderar 2000-talsfärdigheter samarbete, kommunikation, digital kompetens, medborgarskap, problemlösning, kritiskt tänkande, kreativitet och produktivitet. Dessa färdigheter kallas 2000-talsfärdigheter för att indikera att de är mer relaterade till den nuvarande ekonomiska och sociala utvecklingen än till de från förra århundradet som karakteriserats som ett industriellt produktionssätt.¹⁵

V. Slutsatser

Syftet med denna artikel är att presentera fördelarna med VEX V5 Workcell i en utbildningsmiljö för att introducera industriell robotik. Genom att göra detta visar denna artikel att VEX V5 Workcell erbjuder en heltäckande lösning för att introducera studenter till industriell robotik i en utbildningsmiljö som är kostnadseffektiv, sänker inträdesbarriären för programmering och fokuserar på stora idéer som hjälper studenter att utveckla viktiga färdigheter.

---